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Triple-Play via a/b-Adern Mit VDSL2 über die letzte Meile

Autor / Redakteur: Stefan Tauschek* / Johann Wiesböck

Der Kampf um die letzte Meile schien für die Eigner verdrillter Kupferadern verloren, lockten doch Lösungen wie FTTH (fiber to the home) mit höheren Datenraten und einfacherer Installation. Mit der Verabschiedung des VDSL2-Standards hat sich die Situation erheblich geändert: 100 MBit/s sind auf kürzere Entfernungen mindestens drin – und damit die Chance zum „triple-play“ über die bestehende Infrastruktur.

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2.000 Teilnehmeranschlussleitungen verseilt im Erdkabel – ihr Kupfer könnte mit VDSL2 zu Gold werden
2.000 Teilnehmeranschlussleitungen verseilt im Erdkabel – ihr Kupfer könnte mit VDSL2 zu Gold werden
( Archiv: Vogel Business Media )

Der wesentliche Antrieb in Richtung VDSL2 (very high bit rate digital subscriber line) speist sich natürlich aus der Perspektive, über eine breitbandige „letzte Meile“ umsatzträchtige Dienste wie Internet-Fernsehen (IP-TV) anbieten zu können. Umso besser, wenn sich das Ganze dann über die seit Jahrzehnten verbuddelten Erdkabel abwickeln lässt.

Das aber genau verspricht VDSL2 – mit einer maximalen Datenrate von über 100 MBit/s beim Downstream und moderne Kompressionstechnologien wie MEG-4 AVC unterstellt, können gleichzeitig mehrere Fernsehkanäle übertragen werden, dazu flüssiges Surfen im Internet und vielfache, simultane Telefonate natürlich.

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100 MBit/s über Telefondrähte – wie soll das gehen?

Die im ehemaligen Postjargon so genannte Teilnehmeranschlussleitung ist von ihrer Technik her eine ungeschirmte, verdrillte AWG24-Leitung. Sie entspricht etwa UTP Cat-1, hat also keine garantierten Impedanzeigenschaften. Zum Vergleich – es braucht mindestens UTP Cat-5, um Fast-Ethernet zu übertragen (100 MBit/s) und Cat-7 für Gigabit-Ethernet und das auf eine Distanz von maximal 100 m.

Frequenzabhängige Signaldämpfung auf TP-Doppeladern, einmal für DuMe 0,5 mm (TP2), zum anderen für DuMe 0,4 mm (TP1) (Archiv: Vogel Business Media)

Bei der Telefonleitung ging man einst von einer Übertragungsbandbreite von knapp 4 kHz aus und bereits mit der Einführung von ISDN und einer Realisierung von 128 kBit/s in den frühen 90er- Jahren schien das Medium ausgereizt. Auch der Dämpfungsverlauf gibt da wenig Hoffnung, denn bei Frequenzen jenseits der 10 MHz und Entfernungen von 500 m ist mit einer Dämpfung von mindestens 30 dB zu rechnen.

Die Doppelader ist also ein recht schwieriges Medium und eine Übertragungstechnologie muss mit den je nach Länge und Art der Installation unterschiedlichen Impedanzen und Dämpfungen umgehen können. Die Lösung, bei ADSL bereits erfolgreich erprobt, liefert die Aufteilung des gesamten Frequenzbandes in zahlreiche Abschnitte, auf denen jeweils ein Teil des Datenstromes als QAM-moduliertes Signal übertragen wird.

Prinzip der DMT-Modulation - Aufteilung des Spektrums in zahlreiche Subcarrier (Archiv: Vogel Business Media)

Man kann sich diese Multi-Carrier-Modulation (MCM) als Batterie von einzelnen Modems mit versetzten Trägern vorstellen, so dass in der Summe eine gleichmäßige Ausnutzung des Spektrums entsteht. „discrete multi tone modulation“ (DMT) nennt sich das Verfahren und bei VDSL2 können bis zu 4096 der „virtuellen Modems“ bzw. eben 4096 „tones“ zum Einsatz kommen. Der Abstand der Tones oder Subcarriers ist abhängig vom angewendeten Profil und beträgt üblicherweise 4,3125 kHz, einzige Ausnahme das Profil 30a mit 8,625 kHz Abstand.

Die DMT ist ihrem Wesen nach eine OFDM-Modulation mit dem entscheidenden Unterschied, dass jeder Tone individuell der Leitung angepasst und unterschiedliche Nutzlast tragen kann („bit loading“). Bei besten Übertragungsbedingungen lassen sich bis zu 15 Bit, also 32 k Zustände in einen Subcarrier modulieren, bei schlechteren Bedingungen wahlweise weniger bis hin zur 1-Bit Konstellation. Die Leitungsqualität finden die Modems eigenständig durch Testsequenzen während der Initialisierung heraus.

Kooperation im Spektrum - störungsfreies Miteinander

Dank DSP-Technologie kann eine beliebige Zahl und Anordnung von Subcarriern für die DMT individuell festgelegt werden, ebenso kann jeder Subcarrier eine unterschiedliche Nutzlast tragen und schließlich lässt sich auch der Pegel, mithin die Sendeleistung eines jeden Subcarriers definieren.

Damit kann die DMT mit den unterschiedlichsten Leitungsbedingungen oder EMV-Vorschriften umgehen. So ist es z.B. möglich und auch vorgeschrieben, dass HAM-Bereiche (= „human amateur radio“) ausgespart werden, dies zum Wohle beider Seiten, da sowohl die Surfer die Amateurfunker nicht vergraulen und vice versa. Die maximale Sendeleistung ist aber eher gering und beträgt 20 dBm entsprechend 100 mW.

VDSL-Equipment muss sowohl auf der CPE- („customer premise equipment“) als auch CO-Seite („central office”) in der Lage sein, die Sendeleistung eines jeden Tones zu justieren, um sich damit streckenspezifischen Pegelmasken anzupassen. Da als wesentliche Größe in diesem Zusammenhang die spektrale Leistungsdichte in dBm/Hz („power spectrum density“) herangezogen wird, nennt man dieses Verfahren auch PSD-Shaping, also das Formen des Leistungsdichteverlaufes über die Frequenz.

Das PSD-Shaping ist Basiswerkzeug des statischen Spektrum-Managements (SSM) und weniger dem Amateurfunk geschuldet als dem Ziel, ein möglichst störungsfreies Miteinander der zahlreichen Subscriber-Lines innerhalb einer Kabelverseilung sicherzustellen. Übersprechen im Kabelstrang ist nämlich neben dem grauenvollen Dämpfungsverlauf der Telefonadern die zweite wesentliche Herausforderung beim Versuch, hohe Datenraten zu übertragen.

Das Kreuz mit dem Crosstalk - SSM als Problemlösung

Das Überkoppeln von Signalen zwischen benachbarten Leitungen innerhalb eines Kabelbündels ist heute eine der wesentlichsten Limitierungen bei der Performance von DSL. Statisches Spektrummanagement (SSM) mit festgelegten spektralen Leistungsmasken stellt sicher, dass sich Leitungen auch unter den denkbar schlechtesten Bedingungen nicht gegenseitig stören. Dieser eher konservative Ansatz allerdings erhebt den „worst-case“ zum Maß der Dinge und verhindert das Ausschöpfen des Potenzials.

Daher ist die Idee naheliegend, die spektralen Masken der individuellen Leitung und dem aktuellen Verkehrsaufkommen kontinuierlich anzupassen und damit also ein dynamischen Spektrum Management (DSM) zu realisieren. Tatsächlich sind die möglichen Gewinne bei cleveren Algorithmen recht beträchtlich, man schätzt eine Verdoppelung oder gar Verdreifachung der kumulativen Übertragungsrate eines Kabelbündels als praktisch realisierbar

VDSL2-Bandpläne und -Profile im Überblick

Dank seiner flexiblen Modulationstechnik kann VDSL2 den unterschiedlichsten Bedingungen angepasst werden, ohne dabei grundsätzlich Kompatibilität aufzugeben. Wie auch ADSL beschreibt die VDSL2-Spezifikation in sog. Anhängen (Annex), regionale Bandpläne und Konfigurationen, also beispielsweise die benutzten Bandbreiten, Aussparungen im Spektrum für POTS und ISDN und die Frequenzgrenzen zwischen Upstream- und Downstream-Bändern. Anhang „A“ gilt dabei für Nordamerika, „B“ für Europa und „C“ für Japan.

Grafische Darstellung der VDSL2-Profile - Bandbreite in x-, Pegel in Y-Richtung (Archiv: Vogel Business Media)

Die Grafik zeigt den Zusammenhang zwischen benutzter Bandbreite und Sendeleistung bei verschiedenen Profilen. Letztere sind quasi Bausteine und können zu Bandplänen kombiniert werden. So hat beispielsweise die DTAG für ihre Infrastruktur die Profile 17a und 8b gewählt und nutzt damit eine Bandbreite von maximal etwa 18 MHz.

Kennzeichen und Leistungswerte von VDSL2

Mit dem neuen VDSL2-Standard kommen auch interessante neue Features – es steigt nicht nur die Datenrate bei symmetrischem Betrieb auf mindestens 100 MBit/s, zudem lassen sich auch mehrere DSL-Leitungen zu einem logischen Übertragungskanal bündeln (channel bonding) und damit die Kapazität steigern. Auf der Protokollebene wird Quality-of-Service (QoS) unterstützt, was vor allem für Videoübertragungen und VoIP sehr hilfreich ist und damit dem „triple-play-deployment“ entgegenkommt.

In seiner „long range“-Ausführung ist LR-VDSL2 dank „echo cancellation“ und „time domain equalization“ in der Lage, bis zu 4 MBit/s an Datenrate über eine Leitungslänge von 5 km zu transportieren, wobei sich die Datenrate bis zu 100 MBit/s ohne weitere Anpassung graduell steigert, je kürzer die Entfernung ist.

Quality of Service für zeitkritische Anwendungen

„Advcanced“ QoS für zeitkritische Anwendungen ist eine weitere wichtige Schlüsseleigenschaft des neuen DSL-Standards. Für die Übertragung von Datenströmen wie Sprache oder Video im besonderen bietet VDSL einen inhärenten sog. „pre emption“-Mechanismus, der die zeitkritischen Datenklassen bevorzugt und damit „auf der Überholspur“ transportiert.

Zur Unterstützung qualitativ hochwertiger Triple-Play-Lösungen definiert VDSL2 zwei Pfade unterschiedlicher Latency (Verzögerungszeit) und zwei Nutzerkanäle zur Übermittlung von Anwendungsinformationen, was eine effiziente und zuverlässige Methode zur Übermittlung von Datenströmen unterschiedlicher Geschwindigkeit darsellt.

Aufgrund der DMT-Modulation und des ADSL-ähnlichem Funktionsumfangs verfügt VDSL2 über alle technischen Eigenschaften, die es rückwärtskompatibel mit bestehenden ADSL-Systemen macht. Dies ist natürlich umso wichtiger, als Infrastrukturprovider eine sanfte Migration zu VDSL2 bei ihren Kunden realisieren können ohne bestehende Investitionen zu entwerten.

Die verfügbaren VDSL2-Chipsätze und Modems

Derzeit sind mindestens drei Firmen mit VDSL2-Chipimplementierungen am Markt, das ist zum einen Conexant mit der CX96xxx-Familie, Infineon mit seinem Vinax-Chipsatz und Ikanos mit dem Fusiv/CPE 5-Bausteinen. Auch Texas Instruments hatte eine eigene Lösung mit der UR8-Plattform, verkaufte aber im Juni 2007 seine Technologie an Infineon.

Die Industrie beginnt gerade, VDSL2 in Modems, Router und anderes Telekommunikationsequipment einzubauen und die Telcos damit auszurüsten. So sind derzeit noch relativ wenig VDSL2-Consumerprodukte zu finden, die meisten enden in Sachen Performance bei ADSL2+.

Von der Deutschen Telekom (DTAG) gibt es aber bereits ein umfassendes Angebot bestehend aus Modem (Speedport 300HS), WLAN-Gateway (Speedport W700V) und Settop-Box (X300T), wobei die Komponenten je nach gewünschtem Servicepaket kombiniert werden können. Die DTAG bietet dazu im Sinne von Triple-Play neben Surfen und Telefonieren auch Internet-Fernsehen und die Zahl der heute (September 2007) empfangbaren Sender kann sich durchaus sehen lassen.

Es ist keine Frage, dass mit VDSL2 ein Durchbruch auf der letzten Meile geschafft wurde und es Anbieter mit anderer Infrastruktur wie Breitbandkabel oder Satellit schwer haben werden, Ihr Angebot an den Kunden zu bringen.

Das bringt VDSL2

VDSL2-Router auf Basis des Ikanos-Chipsatzes Vx180 (Archiv: Vogel Business Media)

Mit VDSL2 können auf der letzten Meile ausreichende Datenmengen transportiert werden, um die vielfältigen Angebote des Triple-Play in die privaten Haushalte zu bringen. Leistungsfähige Kommunikationssysteme mit modernster DSP-Technologie ermöglichen dabei den schnellen Datentransfer über klassische Kupferadern - 100 MBit/s und mehr. Der Halbleiterhersteller Ikanos Communications bietet dazu die notwendigen Schlüsselbauelemente wie den Gateway-Prozessor Fusiv Vx180 der mit seinen 2,7 GHz „processing power“ genügend Reserven zur Unterstützung der weltweiten VDSL- und ADSL-Systeme mitbringt, und darüber hinaus auch für die Übertragung von VoIP-Verbindungen, IP-Videostreaming und Webzugriffe ausgerüstet ist.

*Stefan Tauschek ist Technologieberater bei der Scantec AG im München

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