Warum Glasfaser im Hausnetz?

Kabelnetze ermöglichen den Kabelkunden die derzeit wichtigsten Mediennutzungen, nämlich Fernsehen, Internet und Telefonie. Im Zuge steigender Anforderungen an die Datenrate steigt die Bedeutung von Glasfaser als Übertragungsmedium (Bild 1).

Bild 1: Im Zuge steigender Anforderungen an die Datenrate steigt die Bedeutung von Glasfaser als Übertragungsmedium; Quelle: pixabay
Bild 2: Varianten beim Internetanschluss

 

Ein wichtiges Leistungsmerkmal von Kabelanschlüssen ist die für das Internet verfügbare Datenrate, die in Megabit pro Sekunde (Mbit/s) angegeben wird. Da es sich beim Internet um interaktive Anwendungen handelt, gilt dies sowohl für den als Hinkanal (Forward Channel) bezeichneten Downstream DS (Übertragung aus dem Internet zum Nutzer), als auch für den als Rückkanal (Return Channel) bezeichneten Upstream US (Übertragung vom Nutzer in das Internet). Derzeit ist der Internetzugang für Privatkunden in der Regel ­unsymmetrisch.

Die Datenrate für den Up­stream beträgt dabei lediglich 5 … 15 % der Datenrate des Downstreams. Weisen dagegen Downstream und Upstream gleiche Werte auf, dann handelt es sich um symmetrische Internetanschlüsse, die für viele Anwendungen von zunehmender Bedeutung sind (Bild 2). Neben der Datenrate spielt auch die Latenzzeit des Netzanschlusses eine Rolle, also die Reaktionszeit zwischen einer Anfrage in das Internet und der resultierenden Antwort. Von Bedeutung ist auch die Verfügbarkeit des Netzes, gekennzeichnet durch möglichst geringe Ausfallzeiten.

Für 2018 gab es die Zielvorgabe der Bundesregierung, dass allen Haushalten Breitbandanschlüsse von 50 Mbit/s (Downstream) zur Verfügung stehen. Alle soliden Prognosen sehen jedoch mittelfristig einen Bedarf von mindestens 1 Gbit/s für jeden Kabelanschluss, und zwar bedingt durch folgende Situation:

  • Rasante Zunahme von Bewegtbildübertragungen (also Fernsehen und Video)
  • Intensive Nutzung sozialer Medien
  • Verfügbarkeit von Mediatheken und Videotheken
  • Steigender Einsatz von Cloud-Anwendungen
  • Zugriff auf andere Internet-Dienste.

Anwendungen und ihre Datenraten

Bild 3: Prinzip des »shared medium«

Bei der Bewegtbildübertragung via Internet kann es sich um den Direktempfang von IPTV handeln oder um die durch Abruf zeitversetzte Bereitstellung von Inhalten durch Mediatheken oder Videotheken. An dieser Stelle sei auf verschiedene Begrifflichkeiten hingewiesen. Bei Direktempfang handelt es sich um Rundfunk, also aus technischer Sicht um Broadcast nach dem Funktionsprinzip »Einer an Alle«. Dafür gilt die medienrecht­liche Bezeichnung lineares Fernsehen. Abrufdienste sind dagegen Broadband-Angebote nach dem Funktionsprinzip »Einer an Einen«. Sie gehören zu den Mediendiensten und werden als nicht-lineares Fernsehen bezeichnet.

Die für vorstehend angeführte Übertagungsvarianten erforderlichen Datenraten hängen von der angebotenen Bildqualität ab und können zum Beispiel bei Ultra HD für ein TV-Programm durchaus bis zu 25 Mbit/s betragen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Bewegtbildübertragungen über das ausschließlich für Datenkommunikation konzipierte Internet wegen des IP-Protokolls nur im Streaming-Modus möglich sind.

Soziale Netze und Cloud-Anwendungen weisen systembedingt eine ausgeprägte Interaktivität auf. Die steigende Nutzungsquote dieser Dienste erfordert deshalb auch bei den Privatkunden verstärkt symmetrische Internetanschlüsse, also solche, die gleiche Datenraten für den Downstream und Upstream aufweisen.

Da an einem Kabelanschluss in der Wohnung gleichzeitig mehrere Internetanwendungen genutzt werden können, müssen sich diese die dort verfügbare Datenrate teilen, weshalb die Bezeichnung »Shared Medium« gilt. Ihr Wert sollte deshalb möglichst groß sein, damit die für jeden Dienst erforderliche Datenrate zur Verfügung steht, um Störungen für deren Abwicklung zu vermeiden (Bild 3).

Netzebenen und Zuständigkeiten

Bild 4: Netzebenen und Zuständigkeiten

Bei dem Konzept der 1-Gbit/s-Anschlüsse gilt es, die bei Kabelnetzen aus verschiedenen Netzebenen bestehende Infrastruktur mit ­ihren unterschiedlichen Zuständigkeiten zu berücksichtigen. Der Kabelnetzbetreiber stellt über das Zugangsnetz (Access Network) (Netz­ebene 3) die Signale für alle Dienste und Anwendungen am Hausübergabepunkt (HÜP) zur Verfügung. Dieser speist dann das Hausnetz (Inhouse Network) (Netzebene 4), welches über die Wohnungsübergabepunkte (WÜP) die einzelnen Wohnungsnetze (Home Network) und damit die angeschlossenen Endgeräte versorgt (Bild 4). Für das Hausnetz ist der Hauseigentümer verantwortlich, während es sich bei den Wohnungsnetzen um den jeweiligen Wohnungseigentümer handelt, der seine Verpflichtungen allerdings auf die Mieter übertragen kann.

Anforderungen an das Hausnetz

Um die für jeden Wohnungsübergabepunkt (WÜP) mittelfristig vorgesehene Datenrate von 1 Gbit/s bereitstellen zu können, muss das Hausnetz entsprechend leistungsfähig sein. Ein wesentliches Kriterium dafür ist die verwendete Leitungstechnologie. Hier sind die Koaxleitungen, die mit elektrischen Signalen arbeiten, von den Glasfaserleitungen zu unterscheiden, die Lichtwellen als optische Signale für ihre Funktion nutzen. Dabei weist Glasfaser als optische Leitung aus physikalischen Gründen gegenüber Koax als elektrische Leitung erheblich bessere Spezifikationen auf. Das gilt insbesondere für die signifikant höhere Datenrate und die sehr geringe Leitungsdämpfung, was die fast verlustfreie Übertragung von Signalen im Gbit/s-Bereich über große Leitungslängen ermöglicht.

Bild 5: Vorteile der Glasfaser im Hausnetz

Heutige Kabelnetze weisen fast ausschließlich HFC-Struktur (hybrid fibre coax) auf, also eine Kombination aus Glasfaser und Koax. Glasfaserleitungen werden dabei von den Kabelnetzbetreibern in der Netzebene 3 eingesetzt und schrittweise immer weiter in Richtung der Hausübergabepunkte (HÜP) gebracht. Das jeweils verbleibende Teilnetz nutzt dagegen aus ökonomischen Gründen die vorhandene Koax-Infrastruktur. Die Zielsetzung aller Kabelnetzbetreiber ist allerdings die unmittelbare Versorgung aller am Netz angeschlossener Hausübergabepunkte über Glasfaserleitungen, also der durchgängige Einsatz nur einer Technologie im Zugangsnetz. Damit kann dieses Netz wirtschaftlicher und mit neuen Leistungsmerkmalen betrieben werden. Dies gilt vergleichbar auch für das an den HÜP angeschlossene Hausnetz.

HFC-Netze, bei denen im Hausübergabepunkt der Übergang von optischen Leitungen (Glasfaser) auf elektrische Leitungen (Koax) erfolgt, weisen einen Medienbruch auf. Damit reduziert sich die Übertragungsqualität im Kabelnetz. Dieser Mangel kann nur durch den Umstieg von Koax auf Glas­faser im Hausnetz behoben werden, weil erst dann die angestrebte Durchgängigkeit der Signalübertragung gewährleistet ist.

Als bestmögliche Abhilfe bietet sich in jedem Hausnetz der Wechsel von Koax auf Glasfaser an, also den Übergang von der elektrischen auf die optische Übertragung. Dieser Ansatz hat folgende Vorteile (Bild 5):

  • Die bisher in Hausnetzen üblichen Koaxialleitungen übertragen elektrische Signale. Sie haben eine von der Leitungslänge abhängige Dämpfung der zu übertragenden Signale und eine begrenzte Bandbreite (= Datenrate). Glasfaserleitungen arbeiten dagegen mit optischen Signalen (also Licht) und werden deshalb auch als Lichtwellenleiter (LWL) bezeichnet. Bei diesem Konzept ist die von der Leitungslänge abhängige Dämpfung gegenüber der von elektrischen Leitungen signifikant kleiner, so dass sie in Hausnetzen vernachlässigt werden kann. Außerdem ist die Datenrate systembedingt erheblich größer, sie liegt im Gbit/s-Bereich.
  • Während Koax-Hausnetze üblicherweise die aufwendigere und für den Betrieb (inkl. Fehlersuche) komplexere Baumstruktur aufweisen, handelt es sich bei Glasfaser-Hausnetzen um die transparente Sternstruktur. Hier benötigt man keine aktiven Komponenten und deshalb auch keine Stromversorgung. Es gilt dafür die Bezeichnung PON (Passive Optical Network), bei dem optische Splitter als Funktionseinheiten zum Einsatz kommen, die das Signal des Hausübergabepunktes für die Zahl der Direktverbindungen zu den Endgeräten aufteilen. Mit diesen ist auch die Anpassung an steigende Bedarfe unkompliziert möglich.
  • Bedingt durch die geringeren Leitungsdurchmesser lassen sich Glasfaserleitungen einfacher verlegen.
  • Glasfaserleitungen weisen funktionsbedingt keine Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) auf. Es gibt weder störende Abstrahlungen, noch können Einstrahlungen zu Funktionsstörungen führen.
  • Jede Glasfaserleitung weist stets mehrere Einzelfasern auf, sodass gleichzeitig mehrere Übertragungswege ohne gegenseitige Beeinflussung parallel verfügbar sind.
    Mit jeder Einzelfaser einer Glasfaserleitung lassen sich durch Wellenlängenmultiplex WDM (wavelength division multiplex), also der Nutzung unterschiedlicher optischer Wellenlängen, ebenfalls gleichzeitig mehrere Übertragungswege realisieren.
  • Mit einer einzigen Glasfaserleitung lassen sich über ein passives optisches Netz (PON) mehrere 100 Wohneinheiten versorgen.

Die Varianten des Glasfasereinsatzes

Bild 6: Die drei Varianten von FTTX im Überblick

Die Glasfaser ist die derzeit leistungsfähigste Technologie für den leitungsgeführten Transport digitaler Signale, die inzwischen Bitraten bis in den dreistelligen Gbit/s-Bereich ermöglicht. Die den Kabelnutzern tatsächlich verfügbaren Bitraten hängen ab von den Anbietern der DVB-C-Programme bzw. der Internet-Übertragungskapazitäten (für Downstream und Upstream).

In der Praxis beginnt der Glasfasereinsatz am Einspeisepunkt des jeweiligen Netzes. Der Übergang auf die vorhandene elektrische Infrastruktur kann grundsätzlich an beliebigen Stellen erfolgen, was allgemein als FTTX (Fibre to the Place X) bezeichnet wird. Die Auswahl der Lage dieser Stelle trifft jeder Netzbetreiber nach wirtschaftlichen Aspekten im Rahmen seines Geschäftsmodells. Es gibt derzeit folgende Varianten der Heranführung der Glasfaser zu den Netzanschlüssen bei den Nutzern (Bild 6):

  • FTTC (Fibre to the Cabinet): Dabei wird die Glasfaserleitung bis zu einem Verteilerkasten am Straßenrand geführt und dort auf elektrische Leitungen umgesetzt. Ein Beispiel sind die Kabelverzweiger (KVz) von DSL-Netzen.
  • FTTB (Fibre to the Building): Dabei wird die Glasfaserleitung bis zum Gebäude geführt. Sie speist dort den Hausübergabepunkt (HÜP).
  • FTTH (Fibre to the Home): Dabei wird die Glasfaserleitung bis zu jeder Wohnung im Gebäude geführt. Sie speist dort den jeweiligen Wohnungsübergabepunkt (WÜP).

Die Perspektive

Neue Netze werden in der Regel nur noch als FTTH geplant und errichtet, weil dann das gesamte Netz die leistungsfähige Glasfaser aufweist und damit kein Medienbruch gegeben ist. Die Verbindungen vom WÜP zu den Endgeräten erfolgen als »letzte Meile« bisher noch über elektrische Leitungen, da es außer ersten Ansätzen bei Routern noch keine Endgeräte gibt, die für den direkten Anschluss von Glasfaserleitungen ausgelegt sind. Es würde sich dann um FTTD (Fibre to the Device) handeln.

Hauseigentümer sollten unbedingt die Umstellung ihres Hausnetzes auf Glasfaser anstreben, auch wenn gegebenenfalls die Versorgung von der Netzebene 3 noch nicht vollständig über Glasfaser erfolgt. Nur auf diese Weise ist letztendlich die konzipierte Datenrate von 1 Gbit/s bis zum Kabelanschluss beim Nutzer realisierbar. Das würde auch eine Steigerung des Wohnwertes bedeuten.

Autor

Ulrich Freyer, Fachautor, Köln

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net