DSL ist die auch weltweit am häufigsten eingesetzte Breitbandtechnik auf der so genannten „Letzten Meile“ von der Vermittlungsstelle zum Kunden. Mit über 65 Prozent Anteil am Breitbandanschlussmarkt führt DSL um Längen, vor Marktbegleitern wie Kabelmodems oder Glasfaser. Ende des Jahres rechnet das DSL-Forum mit 130 Millionen DSL-Anschlüssen weltweit. Allein im ersten Halbjahr 2005 kamen global gesehen über 17 Millionen neue Anschlüsse dazu. Eine vom Verband der Anbieter von Telekommunikations- und Mehrwertdiensten (VATM) in Auftrag gegebene Studie geht von über 10 Millionen DSL-Anschlüssen in Deutschland zum Jahresende 2005 aus.
Der erfolgsrelevante Vorteil der ADSL-Technik ist es, relativ geringe Ansprüche an die Übertragungskabel zu stellen. Normale Telefondrähte liefern hiermit über mehre Kilometer Geschwindigkeiten, für die vor wenigen Jahren noch aufwendig abgeschirmte Netzwerkkabel nötig waren. Die mit ADSL mögliche Weiterverwendung der vor Jahrzehnten vergrabenen (und abgeschriebenen) Kupferdoppeladern ist sowohl ökonomisch als auch technologisch reizvoll.
Die geringen Anforderungen an die Übertragungskabel kompensieren entsprechend hohe Anforderungen an die ADSL-Hardware. Die Übertragung hoher Datenraten über kilometerlange ungeschirmte Kupferdrähte erfordert einen komplexen Übertragungscode, der nicht ohne hohe Rechenleistung zu realisieren ist.
Der Ton macht die Musik
ADSL nutzt einen Frequenzbereich bis 1,1MHz, welcher in 256 einzelne Träger („Töne“) von je vier kHz Nutzbandbreite unterteilt wird. ISDN verwendet die Träger 1 bis 32 (bei „U-R2“ beziehungsweise 1TR112). Die Träger 33 bis 64 nutzt der Upstream, Nummer 65 bis 256 der Downstream. Träger 255 ist ein Sonderfall und kommt für einen Pilotton zum Einsatz. Für die eigentliche Datenübertragung stehen damit 190 Träger zur Verfügung.
Diese Träger erhalten jeweils mit unterschiedliche Bitlasten, die sich nach den Störungen, Dämpfungen und Übersprecheigenschaften des Übertragungsweges und der Kupferdoppelader richten. Ein mit Störungen belegter Träger lässt sich beispielsweise mit nur zwei Bit (und damit störunempfindlicher) modulieren, während ein anderer auf einer ungestörten Frequenz mit 15 Bit moduliert wird. Dieses Verfahren, Discrete Multi Tone (DMT) Modulation genannt, erlaubt die flexible Anpassung an unterschiedliche Übertragungscharakteristika.
Im Bild sehen Sie das Referenz-Modell einer ADSL Terminal Unit - Remote (ATU-R) nach ITU G.992.1. Von links nach rechts werden folgende Schritte abgearbeitet:
- Sortieren der Daten in einen der beiden Latenzpfade: (interleaved oder fast)
- Erzeugen der Cyclic Redundancy Codes (CRC) und Fehlerkorrekturcodes (FEC) für die Daten
- Zusammensetzen der Daten in die ADSL-Rahmenstruktur
- Codierung der Daten in die zur Übertragung verwendeten Töne/Träger
- Ausgabe (analog) des Signals auf die Kupferdoppelader
Beschränkungen des herkömmlichen DSL
Herkömmliches ADSL (U-R2/1TR112) kann mit 15Bit, 4000 Hz Schrittakt und 190 Trägern theoretisch bis zu 11,4 Mbit pro Sekunde im Downstream übertragen. In der Praxis beschränkt die für die Fehlerkorrektur zuständige Reed-Solomon-Codierung die Rate auf maximal acht Mbit/Sekunde. Diese sind jedoch nur unter idealen Bedingungen (störungsfreie kurze Übertragungswege) zu erreichen. Marktgängig sind Anschlüsse bis sechs Mbit/Sekunde, deren maximale Entfernung von der Vermittlungsstelle 1.45 km beträgt. Diese Längenangaben resultieren aus einer statischen Datenbasis, welche den dynamischen Zustand der betrachteten Kupferdoppelader allerdings nur unzureichend abbildet.
Dämpfung berechnen
Als Richtwert lässt sich nutzen, dass ein km Kupferdoppelader mit einem Querschnitt von 0.4 mm² ein Signal bei der Frequenz von 300 kHz um 14 dB dämpft. Dickere Drähte dämpfen weniger, dünne mehr. Kennt man die Querschnitte und Längen der Leitungen zum Kunden, kann man demnach die Signaldämpfung bei 300 kHz berechnen. Unberücksichtigt bleibt hier die stärkere Dämpfung höherer Frequenzen.
So kann es vorkommen, dass eine eigentlich als gut qualifizierte Anschlussleitung dennoch zu einem fehleranfälligen Anschluss („chronic“ line) mit geringer Signal-Rausch-Toleranz (SNR-Margin) führt. Das SNR-Margin hat die Funktion eines Sicherheitsabstandes und ist der eigentlich entscheidende Faktor:
Eine Leitung ist gegebenenfalls nicht deshalb schlecht, weil sie eine starke Dämpfung aufweist, sondern weil das Signal vom Rauschen schlecht unterscheidbar ist. Die Signal-Rausch-Toleranz gibt an, um wie viel dB das SNR abnehmen kann, bevor die Fehlerrate auf über 10^-7 ansteigt. Der übliche minimal akzeptierte Wert liegt bei 6dB, bei so genannten „light“-Anschlüssen beträgt er 3dB. Darunter ist kein hinreichend verlässlicher Betrieb mehr möglich.
Alles Verhandlungssache - Wie eine Verbindung entsteht
Die Leitungsparameter wie Dämpfung, SNR-Margin und viele andere werden nach dem Einschalten des ADSL-Modems in der Aushandlungsphase, dem so genannten Training gemessen und übermittelt. Dabei tauschen ADSL-Modem und ADSL-Vermittlungsstellenausrüstung (Digital Subscriber Line Access Multiplexer, DSLAM) alle notwendigen Parameter über Leitungsbeschaffenheit, Datenrate, Latenzpfad (Fast/Interleaved) aus. Zusätzlich etablieren sie einen Kommunikationspfad auf Ebene1, über den anschließend der Transport von Nutzdaten in Form von synchronisierten Frames (Rahmen) möglich ist. Die ausgehandelte Datenrate bleibt bis zum Verlust der Synchronität gültig. Wenn die Übertragungsbedingungen sich nicht verschlechtern, freut sich der Kunde über eine stabile DSL-Verbindung und der Netzbetreiber über niedrige Servicekosten.
In der Realität sind gleich bleibende Umweltbedingungen eher selten. Es gibt eine Vielzahl von Störquellen, welche die unverfälschte Datenübertragung auf der ADSL-Leitung gefährden. Hierzu zählen neben den relativ harmlosen POTS- und ISDN-Anschlüssen auch ältere HDSL- und T1-Verbindungen. Auch Mittelwellensender stellen eine effektive Fremdstörquelle dar. Bei der Standardisierung von ADSL war man sich dessen bewusst und hat ADSL bereits mit einer beachtlichen Robustheit gegenüber diesen Störungen versehen, die sich noch weiter verbessern lässt.
Eine weitere Herausforderung ist die zunehmende Penetration der Kabelbündel mit ADSL-Anschlüssen. Voraussichtlich 10 Millionen Kupferdoppeladern nutzen hierzulande demnächst den Frequenzbereich bis 1.10 4kHz. ADSL ist zwar darauf ausgelegt, die Trägernutzung den vorherrschenden Bedingungen anzupassen, so dass trotz der gegenseitigen Beeinflussung durch Crosstalk (Nebensprechen) auch mehrere ADSL-Anschlüsse störungsfrei koexistieren können. Das Arrangement ist nur während dieses Aushandlungsphase möglich. Spätere Anpassungen der genutzten Träger sind bei ADSL nur sehr begrenzt vorgesehen (Bit-Swapping), bei sukzessiver Zunahme der genutzten Leitungen im Kabelbündel wird es für die später dazugekommenen ADSL-Anschlüsse immer schwieriger, noch einen ungenutzten Frequenzbereich zu finden. Dieses Problem ist aber lösbar.
Freundliche und Unfreundliche DSLAMs
Der große Erfolg und der angestrebte flächendeckende Einsatz von ADSL erhöht also die Anforderungen an Fehlersicherheit und Flexibilität der Übertragungstechnik. Um erstere zu maximieren, senden Modem und DSLAM üblicherweise mit der maximalen vom Standard erlaubten Sendeleistung.
Aus Sicht einer einzelnen Leitung ist das durchaus sinnvoll: Dadurch erhöht sich das SNR-Margin, was sich positiv auf die Zuverlässigkeit der Synchronisierung auswirkt. Einige DSL-Anbieter gehen sogar noch weiter. Sie stellen die DSLAMs so ein, dass diese immer - bei voller Sendeleistung - auf die maximal mögliche Datenrate (full-rate) synchronisieren, auch wenn der Kunde nur einen zwei Mbit/s-Anschluss hat. Die Ratenbegrenzung erfolgt dann hinter dem DSLAM auf ATM-Ebene, der Kunde spürt also nichts davon.
Dieses Vorgehen belegt unnötigerweise den gesamten verfügbaren Frequenzbereich mit unnötig hoher Sendeleistung und geht auf Kosten der „freundlichen“ (polite) DSLAMs, die das nicht so machen. Der durch die „unfreundlichen“ (freie Übersetzung von „hogging“) DSLAM/Modem-Kombinationen hervorgerufene Crosstalk stört benachbarte Anschlüsse und führt zu einer sinkenden Gesamtleitungsqualität im Kabelbündel. Dadurch sind also weniger DSL-Anschlüsse über kürzere Längen zu geringeren Übertragungsraten möglich.
Die Lösung: Kooperation
Die bei ADSL verbreitete Herangehensweise, mit der maximal vom Standard erlaubten Leistung zu übertragen, lässt also die tatsächliche Marktentwicklung hinter die mögliche zurückfallen. Eine nahe liegende Lösung ist, dass jeder DSLAM und jedes DSL-Modem nur so „laut“ wie unbedingt notwendig senden. Die Bestimmung, was notwendig ist, nimmt man anhand eines bekannten Parameters vor - dem SNR-Margin. Jede Seite sendet in diesem Falle dann nur mit der Leistung, die ein ausreichendes SNR-Margin von beispielsweise sechs dB ermöglicht. Ein entsprechendes Vorgehen wird Iterative-water-filling-Methode genannt.
Die obere Abbildung zeigt ein Modem, welches die erlaubte Höchstleistung nutzt, um das größtmögliche SNR-Margin zu erzielen. Im unteren Bild wird die Sendeleistung nur gerade so hoch gewählt, dass das Sendesignal stark genug ist, um das Rauschen zuverlässig zu überdecken. Letzteres führt zu einer drastischen Reduktion des Crosstalks, dadurch sind mehr Anschlüsse über längere Leitungen mit höheren Geschwindigkeiten realisierbar.
Allerdings ist diese Methode noch nicht ideal. Zum einen ist es herkömmlichen DSLAMs und DSL-Modems nur gestattet, ihre Sendeleistung soweit zu senken (Power Cutback), dass das SNR-Margin 14,5dB erreicht. Würde man die Sendeleistung um weitere 8,5dB senken, wäre immer noch ein noch ausreichendes SNR-Margin von 6dB gewährleistet. Zum anderen bleibt der mit der Frequenz schwankende Verlauf des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses unberücksichtigt, dass verschenkt Optimierungsmöglichkeiten.
Zusätzliche Optimierung durch DSM
Zusätzliche Optimierungen sind mittels Dynamischen Spektrum Managements (DSM) möglich. Betrachtet man alle Doppeladern des Kabelbündels und optimiert deren spektrale Leisungsdichten (PSD, Power Spectral Density) so, dass sie sich gegenseitig nur minimal stören, kombiniert dies die maximale Leitungsqualität mit maximalem Durchsatz.
Hierfür ist allerdings eine zusätzliche Instanz (ein so genanntes DSM Center) notwendig, die dem DSLAM mitteilt, mit welchen Leistungen in welchen Frequenzbereichen welcher Anschluss möglich ist. Diese zentrale Steuerung nutzt auch unterschiedliche Leitungslängen optimal aus. Da lange Leitungen hohe Frequenzen sowieso stark dämpfen, belegt man bei diesen besser die niederfrequenten Träger. Dafür wird auf kurzen Anschlussleitungen eher im hochfrequenten Bereich übertragen. Dieses Spektrummanagement verhindert Crosstalk sehr wirkungsvoll und kann beachtliche Performance- und Reichweitenreserven aktivieren.
Mit 2+ wird alles besser
Der zu ADSL abwärtskompatible Nachfolgestandard ADSL2 (ITU G.992.3) enthält zahlreiche Verbesserungen, die die Massenmarkterfahrungen mit ADSL reflektieren. Allerdings wird dieser Standard quasi übersprungen und dessen Erweiterung ADSL2+ (ITU G.992.5) eingeführt. Hervorstechendes Merkmal von ADSL2+ ist die Nutzung eines doppelt so großen Frequenzbereiches von 2,208MHz. Dadurch gibt es mehr Optionen beim Spektrum-Management: ADSL2+ Anschlüsse weichen im oberen Bereich zwischen 1,104 MHz und 2,208 MHz aus. Dadurch wird die gegenseitige Störung (Crosstalk) von ADSL und ADSL2+ vermieden, die Einführung von ADSL2+ verringert also auch die spektrale Enge im bisherigen ADSL-Bereich.
Durch den verdoppelten Frequenzbereich wird natürlich auch die Anzahl der Träger verdoppelt, wodurch die möglichen Übertragungsraten absichtlich drastisch ansteigen. ADSL2+ kann deshalb im störungsfreien Nahbereich bis zu 24 Mbit/s im Downstream liefern. Der Upstream-Bereich bleibt im Vergleich zu ADSL unverändert. Durch die Möglichkeit, ADSL2+ Leitungen zu bündeln (Bonding), ist die angebotene Bandbreite leicht nach oben skalierbar.
Bitte ein Bit!
Bei langen Leitungen, erst recht am Rande des Ausbaugebietes, sind Datenraten von 24 Mbit pro Sekunde nicht zu realisieren, denn der dafür benötigte Frequenzbereich steht aus Dämpfungsgründen nicht zur Verfügung. Allerdings bietet ADSL2/2+ einige Optimierungen, die eine höhere Reichweite ermöglichen.
Zum einen verringert ADSL2/2+ den Verwaltungs-Overhead. Waren bei ADSL noch statisch 32 Kbit/s für die Verwaltungsdaten vorgesehen, ist bei ADSL2/2+ eine dynamische Verringerung auf bis zu vier Kbit/s möglich. Bei geringen Datenraten über große Entfernungen ist das immer noch ausreichend. Die eingesparten 28 Kbit/s stehen dann für Nutzdaten zur Verfügung. Damit vergrößert sich der Radius, in dem eine bestimmte Übertragungsrate erreicht wird.
Ebenfalls für eine höhere Reichweite sorgen die 1-Bit-Modulationen. Hierbei wird statt der 15 maximal möglichen eben nur ein Bit auf einen Träger moduliert, wenn der Störbelag nicht mehr hergibt. Bei ADSL waren minimal zwei Bit modulierbar, ADSL2+ stehen somit mehr Träger für die Übertragung zur Verfügung. Gerade im Randbereich, wo es auf jedes Bit ankommt, sind so der eine oder andere Anschluss zusätzlich schaltbar.
Zusammenfassend bringt ADSL2/2+ im Fernbereich etwa 50 Kbit/s mehr Übertragungsrate bei 200 m mehr Radius. Das bedeutet bei einem bisherigen Radius von fünf km (ADSL-over-ISDN) eine Flächenzunahme von 6,4 Quadratkilometer. Das ist immerhin doppelt so groß wie die Fläche in einem Radius von einem km um die Vermittlungsstelle.
Noch weiter mit READSL2
Mit Reach Enhanced ADSL2 (READSL2), definiert im Anhang L zur ITU-Norm G.992.3 und derzeit nur für ADSL-over-POTS (Annex A) standardisiert, ist eine Reichweitenvergrößerungen von bis zu 900m möglich, was beachtlichen 35% mehr Fläche entspricht, ausgehend von der durchschnittlichen Reichweite des ADSL-over-POTS von 5,5km.Möglich wird dies durch die Veränderung der spektralen Sendeleistungsdichte. So nutzt READSL2 jeweils die untere Hälfte des Frequenzbereichs von Up- und Downstream, welche naturgemäß geringer gedämpft wird und weniger Crosstalk verursacht.
Der All Digital Mode (Annex I, J) verwendet auch die Träger für DSL, die bisher für die Telefonie reserviert waren. Da sich aber die Anzahl der Träger für den Downstream nicht ändert, kommt dieser Modus einer erhöhten Upstream-Rate zugute. Dieser lässt sich dann beispielsweise die Internet-Telefonie verwenden. Das senkt die Leitungskosten spürbar, da der DSL-Splitter unnötig ist und nicht spezielles PSTN-Equipment entfällt.
Unstörbar
ADSL2 führte die Seamless Rate Adaption ein: Durch Trennung von Modulation und Framing gelingt es dem System, die Übertragungsrate und Kanalnutzung den sich ändernden Störungen anzupassen, ohne die Synchronität der Frames zu stören.
Hierzu wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis jedes Kanals geprüft. Verschlechtert sich das SNR auf benutzten Kanälen, kann der Empfänger dies dem Sender mitteilen. Dafür übermittelt er die neue Datenrate, die Anzahl der aufmodulierten Bits und die Sendeleistung pro Kanal. Der Sender überträgt daraufhin ein Sync-Flag, um den Zeitpunkt zu definieren, ab dem die neuen Übertragungsparameter gelten. Nach dem Empfang des Sync-Flags durch den Empfänger sind die neuen Parameter für die Übertragung aktiv.
Quasi als Zugabe enthält ADSL2+ ausgiebige Diagnosemöglichkeiten, welche Aussagen über die Leitungsqualität gestatten, auch wenn diese für eine Synchronisation nicht ausreicht. Das erleichtert Fehlersuche, -analyse, und –beseitigung beträchtlich, ohne dass ein Servicetechniker vor Ort nachsehen muss.
Energie sparen
Auch ökologische Gesichtspunkte wurden bei der Entwicklung des ADSL2+Standards berücksichtigt. Die ersten ADSL-Modems gaben noch Leistungen von knapp 20 Watt an die Umgebung ab. Aktuelle USB-Geräte liegen heute bei weniger als 2,5 Watt, PCI-ADSL-Modems noch darunter. Im Vermittlungsstellenbereich gibt es ähnliche Fortschritte. Allerdings sorgt die riesige Zahl von Geräten für einen gewaltigen Energieumsatz, der auch dann verbraucht wird, wenn der Kunde den Internetzugang nicht nutzt. Viele ADSL-Modems bleiben nämlich einfach rund um die Uhr eingeschaltet, oft aus Unwissenheit darüber, dass ein Abschalten durchaus gestattet ist und nicht zum Verlust des DSL-Anschlusses führt. Die Einführung von Power-Save-Modi macht also ökologischen und ökonomischen Gründen Sinn.
ADSL2+ bietet als Neuerung zwei zusätzliche Power Modes, welche Energie sparen und dennoch den always-on Charakter der ADSL-Leitung bewahren. Der L2-Low-Power Mode ermöglicht es, den Energiekonsum sehr schnell den tatsächlichen Übertragungserfordernissen anzupassen. Bei der Übertragung eines Softwarepaketes schaltet das Gerät beispielsweise auf „volle Kraft“ (L0-Power-Mode). Während der anschließenden Software-Installation vermindert L2 die Datenrate. Überträgt die Leitung über längere Zeit keine Daten, beispielsweise nachts, aktivieren die Sender im DSLAM und im ADSL-Modem den L3-Sleep-Modus, aus dem sie bei Bedarf innerhalb von 3 Sekunden wieder erwachen.
..., fertig, los!
Zahlreiche DSL-Anbieter haben ADSL2+ zumindest in Vorbereitung, manche bieten bereits Anschlüsse von bis zu 12, 16 oder auch mehr Mbit/s an. Das wahre Potenzial entfaltet die neue Technik deshalb bei den Triple/Quattro-Play angeboten.
Diese Angebote ermöglichen über einen einzigen DSL-Anschluss Internetzugang, Video/Audio-Übertragung und Internet-Telefonie (VoIP, Voice over IP). Gerade die Internet-Telefonie könnte die Kommunikationskultur nachhaltig ändern. Zwar steht momentan das attraktive Kosten/Nutzenverhältnis im Fokus der Vermarktung, aber der eigentliche Charme liegt in den durch diese Technik möglichen Zusatzdiensten beispielsweise intelligenten Anrufbeantworter im Netz, Presence-Modelle oder zeitabhängige Anrufbehandlung. Da die Bandbreite der Sprachübertragung nicht mehr durch PSTN-Hardware begrenzt ist, lassen sich auch High-Quality-Codecs verwenden, die Telefonie in CD-Qualität gestatten.
Angesichts der zahlreichen Free-To-Air- und Pay-TV-Programme in Deutschland, müssen die sich Anbieter kostenpflichtiger Inhalte über DSL sehr genau an den Kundenwünschen orientieren. Diese können unterschiedlichste Spartenprogramme ebenso beinhalten wie Videorecorder im Netz oder spezielle bis individuelle Info- oder Edutainmentangebote. Mit Sicherheit muss man dem Konsumenten mehr bieten, als ihm den Weg zur Videothek abzunehmen. (mja)
Der Autor Holger Skurk ist Product Manager für ADSL/ADSL2+ und FRITZ!DSL bei AVM in Berlin.