Technik von DSL bis VDSL

Charakteristiken und Unterscheide der xDSL-Techniken


Die Vorgeschichte der digitalen Datenübertragung

Die Geschichte der digitalen Datenübertragung geht zurück auf die Anfänge des Telefons. Schon in den 60´er und 70´er Jahren gab es erste Ansätze, die den Grundstein für die heutigen, modernen Datenübertragungstechniken per DSL und VDSL legten. Wir haben eine kleine Zeitreise erstellt. Dabei blicken wir ausgehend von der ersten Telefonleitung, auf die Entstehung des weltweiten Telefonnetzes und den Anfängen der Computer- und Datenübertragungstechnik via Telefon. Wir zeigen die ersten populären Datendienste wie Mailboxen und BTX bis hin zum WWW und wie die Übertragung von Daten über die Telefonleistung funktioniert. Hier geht es zum Beitrag über die Geschichte der Telekommunikationstechnik.


Standards und Entwicklung bis heute


Entwicklung von ADSL bis VDSL2 im Zeitstrahl


Der oben dargestellte Zeitstrahl gibt einen Überblick der DSL-Anfänge bis zum aktuellen VDSL2-Standard mit den jeweiligen „G.XXX“-Normen der ITU. Die Abkürzung steht für internationale Fernmeldeunion. Die ITU zeichnet sich u.a. für die Standardisierung der xDSL-Standards und beteiligter technischer Verfahren verantwortlich und wird uns im Verlauf dieses Artikels noch öfters begegnen.



G.992.1 - eine Ära beginnt

Bei G.992.1 handelt es sich ebenfalls um eine Richtlinie der ITU. Diese schreibt, grob gesagt, die Kommunikation zwischen Sender und Empfänger zur Übertragung von Daten im Telefonnetz auf Kupferbasis vor. Präziser die Bitübertragungsschicht des OSI-Referenzmodelles. Bekannter ist G.992.1 aber unter der Bezeichnung „ADSL“. In Deutschland hat sich das kürzere „DSL“ eingebürgert, während die Schweizer dem korrekteren „ADSL“ treu geblieben sind. Das „A“ steht für „asynchron“ und signalisiert, das die Übertragungsgeschwindigkeiten für den Upload und Download unterschiedlich sind.

Man unterscheidet bei ADSL in drei verschiedene Realisierungen, gekennzeichnet mit Annex A-C. Bei Annex B teilen sich beispielsweise DSL und ISDN dieselbe Leitungsdoppelader. ISDN belegt bei Annex B das Frequenzband von 0 bis 120 kHz. Danach folgt das Band für den Upstream (138-276 kHz) und jenes für den Downstream (276 kHz bis 1,1 MHz).

Frequenzplan Annex B "ADSL over ISDN"


Annex A ("ADSL over POTS“) kommt bei analogen Telefonanschlüssen zum Einsatz. Daher benötigt man auch einen Splitter zum Trennen des Bereiches für die analogen Sprachsignale (ca. bis 4 kHz bei Annex A) und dem „DSL-Datensignal“.

Frequenzplan Annex A "ADSL over POTS"


G.992.1 liefert Datenraten im Download bis zu 8-10 Mbit/s und Uploadraten bis etwa 1,0 Mbit/s. Wobei das theoretische Werte sind. Die ersten Anschlüsse leisteten nicht mal 1 MBit/s. Bis 2004 waren 3 - 4 MBit/s das Maximum.

Was ist G.DTM?

Da bei G.992.1 zur Informationsmodulation die DMT verwendet wird, sagt man oft auf kurz G.DTM.

Zwischenschritt SDSL

Das sogenannte SDSL wurde im Jahre 2001 (siehe Zeitachse) von der ITU verabschiedet. Der präzise Standard heißt G.SHDSL oder G.991.2. In Deutschland ist die Bezeichnung SDSL geläufiger. Das besondere am SDSL ist die symmetrische (daher ‚S‘) Datenübertragungsrate. Download- und Uploadgeschwindigkeit sind also gleich groß. Üblich waren Werte bis 2 MBit/s. Heute bieten SDSL-Anbieter, dank Koppelung mehrere Leitungen, weit leistungsfähigere Tarife. SDSL ist eher für den Businessbereich als den Privatkundenmarkt konzipiert und bis heute noch für Geschäftskunden eine beliebte (aber recht teure) Variante.

ADSL2 – mehr Leistung

Da mit der Verbreitung schneller DSL-Zugänge auch die Internetseiten und die angebotenen Applikationen anspruchsvoller wurden, war es rasch Zeit für eine Verbesserung der ADSL-Technik. So verabschiedete das ITU 2002 die Richtlinie G.992.3 auch „G.DMT.bis“ genannt. In Deutschland besser bekannt als „ADSL2“. Wie der Name bereits andeutet, handelt es sich um eine Weiterentwicklung von G.992.1, welcher höhere Datenübertragungsraten und eine verbesserte Reichweite bietet. Besonders letzteres Detail ist bei allen DSL-Technologien bekanntlich der Knackpunkt. Mit ADSL2 konnten nun erstmals auch Videos in ansprechender Qualität übers Internet übertragen werden. ADSL2 bietet Übertragungsraten bis 12 MBit/s und Uploadraten bis zu 3,5 MBit/s. Wie schon bei ADSL2 gibt es auch bei ADSL verschiedene Annex-Varianten. Z.B. „Annex L“ für reichweitenoptimierte Übertragungen oder „Annex M“ für symmetrische Übertragungen im Geschäftskundenbereich.

ADSL2+ - die Evolution geht weiter

Gerade einmal ein Jahr später präsentierte das ITU die nächste Evolutionsstufe. Die Norm G.992.5. Hierzulande besser bekannt als ADSL2+ oder kurz DSL2+. Auch ADSL2+ stellt eine leicht verbesserte Form des Vorgängers ADSL2 dar. Der Unterschied liegt im Wesentlichen in der Erweiterung der Bandbreite von 1,1 Mhz auf 2,2 MHz des Downstream-Bandes.

Frequenzplan "ADSL2+" Annex B over ISDN


Damit geht eine Erhöhung der maximalen Datenübertragungsrate auf bis zu 24 MBit/s einher. In Deutschland gibt es jedoch zumeist nur Versionen mit 16 MBit/s. ADSL2+ ist übrigens abwärts kompatibel. Daher können entsprechende ADSL2+ Modems auch „ADSL(2)“ nutzten, falls ersteres vom Anbieter nicht unterstützt wird. ADSL2+ bringt ein Feature namens „port bonding“ mit. Also das Zusammenfassen mehrerer Leitungen zu einer Empfangs- und Sendeeinheit. Damit lassen sich mit der Technik theoretisch auch weit leistungsfähigere Anschlüsse schneidern. Zum Beispiel zwei Leitungen mit 16 Mbit/s zu 32 MBit/s. Im Privat-Endkundenbereich wird dies, insbesondere aus Kostengründen, kaum eingesetzt. Eine weitere Verbesserung ist die Möglichkeit zur Verminderung sogenannter „cross talks“. Das sind Störungen durch in der Nähe verlaufende Kabel mit dem Resultat einer niedrigeren Datenübertragungsrate. Des Weiteren sei die Implementierung eines Stromsparmodi (L2-Mode) genannt.

Mit ADSL2+ wurden leistungshungrige Anwendungen wie IPTV möglich und die Übertragung von HD-Videos über das Internet. Heute bietet der Anbieter „Alice“ sogar IPTV in HDTV via ADSL2+.

VDSL – die Zukunft hat begonnen

2004 war es endlich soweit. Der VDSL-Standard erblickt erstmals das Licht der Welt. Die ITU verabschiedet die VDSL1-Norm G.993.1. Eine genaue Differenzierung ist hier wichtig, denn was wir heute als „VDSL“ nutzen und bezeichnen, ist eigentlich korrekter Weise VDSL2 oder G.993.2 – verabschiedet 2006. Doch dazu später.

G.993.1 ~ VDSL1

VDSL1 hat ebenfalls eine lange Vorgeschichte. Bereits 1995 gab es die ersten Anstrengungen einen Standard für die VDSL-Technologie zu finden. 1997 schließlich schlossen sich eine Reihe von Providern zum „FSAN“ zusammen. FSAN steht für „Full Service Access Network.“ Diese spezifizierten letztlich auch die ersten Parameter, die VDSL erfüllen und charakterisieren sollten. Doch es kam zunächst nicht zum Praxiseinsatz, da man sich auf kein Modulationsverfahren einigen konnte. Ein Lager präferierte DTM, ein anderes QAM. Das sich letztlich DTM durchsetzte, lag an einem Voting von 11 Halbleiterherstellern im Jahre 2003 für DTM. Diese wollten in künftigen Chips diese Modulation unterstützen.

2004 schließlich spezifizierte die ITU VDSL1 oder G.993.1 endgültig. VDSL1 wurde aber nie richtig eingesetzt. Die Industrie und die Internetprovider waren sich schnell einig, dass der Standard noch verbessert und leistungsfähiger werden müsse. Das Resultat war 2 Jahre später VDSL2 …

VDSL2 – das „richtige VDSL“

Die ersten Anstöße mit Einfluss des ANSI-Forums und des ETSI gab es bereits 2004. Im Mai 2006 verabschiedete die ITU schließlich die finale Richtlinie für das „heutige“ VDSL(2), den G.993.2. Die nächste Generation für kabelbasiertes Breitbandinternet war geboren. VDSL2 bietet maximale Downloadraten bis zu 200 MBit/s als Summe von Up- und Download. In Tests wurden sogar bereits wesentlich höhere Werte erreicht.

Profile und Bandpläne

Wie auch bei den Vorgängerstandards gibt es bei VDSL2 regionale Bandpläne (Annex A-C). Die folgende Grafik zeigt ein allgemeines Schemata der VDSL Bandpläne. So weisen die Upload- und Downloadbereiche z.B. jeweils unterschiedliche Breiten und Frequenzbänder (xxx) auf.

Schemata eines Frequenzplanes


Auch die Justierbarkeit der spektralen Leistungsdichte (PSD) sei in diesem Zusammenhang genannt. In Deutschland soll z.B. eine geschickte Aufteilung der Frequenzbänder samt PSD Maske eine negative Beeinflussung des Amateurfunkes (u.a. ~ 10 MHz) verhindern. So begrenzt ein VDSL2-Modem z.B. je nach Maske bestimmte Frequenzen in der Sendeleistung.

Annex A spezifiziert die Bandpläne für Nordamerika mit traditionellem POTS oder „All digitale mode“. B beachtet die Besonderheiten für Europa, insbesondere Deutschland, mit POTS und ISDN im unteren Frequenzbereich. Annex C sieht Spezifikationen für Japan und deren TCM-ISDN vor.

Neu sind die zahlreichen Profile, welche von der ITU definiert wurden. Diese differenzieren sich durch Signalstärke, maximale Bandbreite (obere Grenzfrequenz), Anzahl der Töne, Tonabstand, Sendeleistung in dBm (Dezibel Milliwatt; Leistungspegel bezogen auf ein Milliwatt) und der maximal erreichbaren Datenübertragungsrate. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick. Die grün markierten Profile werden in Deutschland von der Deutschen Telekom für VDSL genutzt.

VDSL2 Profile in der Übersicht mit 8b und 17a Profil grün markiert


Je nach regionaler Infrastruktur der Leitungen, Distanzen zum Verbraucher und dem damit verbundenen Übertragungsverfahren, empfehlen sich unterschiedliche Profile. Die Deutsche Telekom etwa, setzt maßgeblich auf Profi 17a und 8b unter Verwendung des Bandplanes 998 Annex B.

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Beide Profile eignen sich hervorragend für FTTC. Man könnte auch sagen: Profile mit höherer Grenzfrequenz eignen sich für kürzere Distanzen per TAL zum Endkunden. Doch dazu später mehr.

Bei 17a wird eine Bandbreite von 17664 kHz genutzt. Da auch VDSL als Modulationsart DMT nutzt, erfolgt eine Aufteilung dieses Frequenzbandes (oberhalb der Aussparung für POTS bzw. ISDNs) in bis zu 4096 (bzw. 4095 wenn man die 0 mitrechnet) Töne, auch Subcarriers oder Trägerfrequenzen genannt. Der Abstand dieser Töne beträgt je nach Profil 4,312 bis 8,625 kHz. Beim 17a sind es (siehe Tabelle) 4,312 kHz. (17664/4095 Töne). Die Daten (hier binäre Folgen) werden bei den einzelnen Subcarriers im Übrigen wiederum per QAM aufmoduliert.

DMT - Schematischer Ausschnitt eines kleinen Frequenzbandes

Des Weiteren unterteilt das ITU die gesamte Bandbreite, je nach Bandplan, in unterschiedliche Bänder für den Upload und den Download. So ist z.B. in 17a das Frequenzband von 5200-8500 kHz ein Bereich für den Downloadstream. Ebenso 276-3750 kHz und 12000-17664 kHz. Zur Verdeutlichung soll die folgende Grafik dienen.

Bandplan 998B | Profil 17a; G.993.2; Deutsche Telekom VDSL



VDSL2 Leistung

VDSL2 wurde primär für leistungsstarke und leistungsbetonte Tripleplay-Anschlüsse designt. Also Dreigespanne aus schneller Internetflat, Telefonie (meist via VOIP) und IPTV. IPTV steht für eine paketbasierte Fernsehübertragung über ein geschlossenes Breitbanddatennetz. Die Technik bietet in Verbindung mit der Leistungsfähigkeit von VDSL sogar hochauflösendes Fernsehen (Entertain).

Kommerzielle Endkundenangebote erreichen heute 50-100 MBit/s. Das sind jedoch die zurzeit erreichbaren Spitzenwerte. Denn mit jedem Meter, der via Kupferkabel überbrückt werden muss, fällt die Endleistung in MBit/s ab. Die folgende Abbildung zeigt die Datenrate mit zunehmender Entfernung im Profil 17a. Der Leistungsabfall ist, insbesondere beim Upload, mit zunehmender Entfernung weniger steil. Allerdings geben die VDSL-Provider als maximale Uploadrate sowieso 5-10 MBit/s, also einen unteren Mittelwert an. Bei einer Leitungslänge von 900 m zum nächsten

Entwicklung der Datenübertragungsrate je Meter bei VDSL-Profil 17a


Kabelverzweiger mit Outdoor DSLAM bei 17a, kann ein Endkunde also in etwa noch mit 35-40 MBit/s Downspeed rechnen.

100 MBit/s sind bei VDSL durchaus realisierbar. Zukünftig sind, etwa durch Bonding und optimierte Verfahren zur „Crosstalk-Reduktion“, 300-400 MBit/s durchaus denkbar. Möglich wird dies mittels des sogenannten Vectorings (G.993.5). Voraussichtlich ab 2014 könnte die Vectoring-Technik bestehende VDSL-Zugänge beschleunigen oder helfen, neue Regionen zu erschließen. Und zwar solche, die ursprünglich nicht im Möglichkeitsradium um den DSLAM lagen. Für Vectoring müssen letztere allerdings technisch aufgerüstet werden, was recht kostspielig und aufwendig ist. Mehr zum Thema Vectoring, finden Sie hier in unserem Spezial.

VDSL2 Vorteile und Verbesserungen

Neben dem wohl für den Endkunden wichtigsten Vorteil, der Datenübertragungsgeschwindigkeit, gibt es noch eine Reihe weiterer Vorteile, die eher im technischen Design von VDSL2 verborgen liegen und es zu dem machen, was wir heute kennen.

Dazu gehört gegenüber VDSL1 eine grundlegende Überarbeitung der Verbindungsprozedur. Dabei wird (wie auch bei ADSL) eine Trainingsphase initiiert und alle Frequenzen der genutzten Bänder getestet, ob es zu Störungen kommt. Wenn ja, werden diese markiert und nicht genutzt. Des Weiteren wird die Leitungsqualität anhand anderer Parameter gecheckt. Wie z.B. Leitungslänge, Leitungsdämpfung und der Signal-Rauschabstand.

Durch das Hinzurufen des US0-Bandes für den Upload, im Bandplan (Grafik oben bei 120-276 kHz), besserer Rauschunterdrückungsmechanismen und TEQs (Time Domain Equalizers), gibt das ITU zuverlässige Leistungswerte für eine Leitungslänge von 2500 Metern bei 0,4 mm Kabeldurchmesser an.

VDSL2 ist, wie bereits erwähnt, zu den Vorgängern ADSL, ADSL2 und ADSL2+ kompatibel. Dadurch bietet sich den Netzbetreibern der Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Aufrüstung bestehender xDSL-Infrastrukturen. Lediglich das Verlegen der nötigen Glasfaserleitungen stellt die Hauptaufgabe und sind somit Kostentreiber. Idealer Weise führen allerdings die Glasfaserkabel direkt bis zum Kunden (FTTH). In der Praxis wird aus Kostengründen jedoch meist auf FTTC (bis zum nächsten Verteilerkasten) gesetzt.

Ein weiterer Zugewinn an Leistung erringt VDSL2 durch das weiter oben im Zusammenhang mit dem Amateurfunk bereits angesprochene Spektral-Maskierung (PSD Maske). Dieses stellt die Basis für das sogenannte statistische Spektrumsmanagement (SSM) oder „DSM Level 0“ dar. Mittels dynamischem Spektrumsmanagement (DSM) lassen sich erhebliche Leistungsverluste, hervorgerufen durch „Cross-Talk-Effekte“ (Leitungsübersprechen), reduzieren.

Bei VDSL2 kommt DSM Level 3 zum Einsatz. Hier findet u.a. eine kontinuierliche, vom Verkehrsaufkommen abhängige, Justierung von Sendeleistung je Subcarrier statt. Zudem werden die Korrelationen aller in einem Kabelbündel enthaltenen xDSL-Leitungen beachtet. DSM kann übrigens nur auf xDSL-Systeme mit DTM-Modulation angewendet werden. Das ITU released DSM-Verfahren unter der Bezeichnung G.vector. Mehr zum Thema DSM finden Sie hier.

QoS

Je nach Anwendung gibt es unterschiedliche Ansprüche an den Quality of Service (QoS). Flexible Level für Latenzzeiten, Datenrate, Bitfehlerrate und Schutz vor Impulsrauschen sind hierfür die Basis. Der VDSL2-Standard erlaubt die Festlegung von zwei Operationsmodi gleichzeitig und kann so den QoS weiter verbessern. Hier ein Beispiel:

Einer der Paradedisziplinen und Hauptanwendungsbereiche für VDSL ist wie schon erwähnt IPTV. Wird gleichzeitig ein VOIP-Telefonat geführt, so kann die VDSL-Hardware zum Schutz vor Aussetzern beim Fernsehbild, den IPTV-Datenstrom für Impulsrauschschutz priorisieren und das Telefonat für extra niedrigere Latenzzeiten. Beide Anwendungen verlangen nach unterschiedlichen QoS zur optimalen (gleichzeitigen) Nutzung. Zum normalen Surfen und downloaden ist wiederum ein hoher Schutz vor Impulsrauschen praktisch nicht relevant, wohl aber die Priorisierung der Datenrate. Beim Onlinegaming zählen wiederum niedrige Latzenzzeiten. Usw. Infineon hat dafür z.B. spezielle CPE-Chipsätze entwickelt.

Paketbasierter Übertragungsmodus

Die letzte Neuerung, die das ITU in den VDSL-Standard implementierte, ist das „PTM“. In den xDSL-Standards wurden zuvor bereits die Transportmodi „ATM“ (Asynchronus Transfer Mode) und „STM“ (Synchronous Transfer Mode) spezifiziert und standardisiert. Es handelt sich kurz gesagt um eine verbesserte Möglichkeit einer paketorientierten Datenübertragung als Alternative zu ATM. PTM steht auch im „Dienste“ der Optimierung des QoS je nach Anwendungsanspruch.



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