Überblick über die Glasfasermigration

In den 1980er-Jahren wurden von der damaligen Deutschen Bundespost als Breitbandkommunikationsnetze (BK-Netze) bezeichnete Verteilnetze für analoges TV und UKW-Radio in Koaxialtechnik errichtet, weil diese Leitungstechnologie für die Übertragung hochfrequenter Signale bis 1 GHz bestens geeignet ist. Sie stellen die Urform der heutigen Breitbandkabelnetze dar.

Aufgrund ihrer unidirektionalen Arbeitsweise wurde für die BK-Netze aus wirtschaftlichen Gründen die Baumstruktur verwendet, da allen angeschlossenen Teilnehmern als Nutzer dieselben Programmsignale zur Verfügung stehen sollten. Von der als Kopfstelle (headend) bezeichneten einspeisenden Stelle für die Programme erfolgte dabei mithilfe von Verteilern (splitter) eine systematische Verzweigung und Verästelung der Programmverteilung bis zu den Anschlussdosen in den angeschlossenen Haushalten.

Dämpfung des Signals

Um die Funktion der TV-Geräte zu gewährleisten, war ein definierter Mindestpegel erforderlich.

Dafür musste die von der Leitungslänge abhängige Signaldämpfung berücksichtigt werden, also die Reduzierung des in der Kopfstelle einspeisten Signalpegels. Sie wird in Dezibel (dB) pro Längeneinheit angegeben, für die 100 m typisch sind. Bei Koax­leitungen ist auch eine Frequenzabhängigkeit gegeben, deren relevante Werte aus den Datenblättern der Kabelhersteller ersichtlich sind. Grundsätzlich steigt die Dämpfung mit zunehmender Frequenz an (Bild 1).

Bild 1: Die Signaldämpfung bei Koaxialleitungen; Quelle; Ulrich Freyer

Gesichertes Netz an der Anschlussdose

Um den erforderlichen Mindestpegel an jeder Anschlussdose zu erreichen, wurden im Netz Verstärker (amplifier) für die hoch­frequenten Signale eingesetzt. Bei diesen handelt es sich um aktive Funktionseinheiten, die jeweils ein in dB angegebenes Verstärkungsmaß (gain) aufweisen und damit die Leitungsdämpfung unmittelbar kompensieren können.

Für ihren Betrieb benötigen sie allerdings elektrische Energie, deren Umfang unmittelbar vom jeweiligen Verstärkungsmaß abhängt. Die technischen Spezifikationen der Verstärker, sowie ihre Anzahl und Platzierung im Netz müssen geplant werden, um Übersteuerung bei den Anschlussdosen zu vermeiden. Zudem entstehen Betriebs­kosten, und das Konzept der Nachhaltigkeit wird dadurch beeinträchtigt.

Glasfaser als Lösungsansatz

Bild 2: Totalreflexion bei Glasfaser; Quelle: Ulrich Freyer

Als Lösung bietet sich aus folgenden Gründen ein Wechsel der Übertragungstechnologie an, nämlich den Übergang von elektrischen Leitungen (coax) auf optische Leitungen (fibre):

• Glasfaser weist gegenüber Koax eine signifikant geringere Signaldämpfung und deren Frequenzabhängigkeit auf, weshalb die Leitungsdämpfung in dB/km angegeben wird. Als typisches Beispiel sei angeführt: 0,35 dB/km bei 1310 nm / 0,25 dB/km bei 1550 nm
• Glasfasernetze benötigen keine Verstärker und deshalb auch keine elektrische Energie. Sie lassen sich damit als passive Infrastrukturen realisieren.

Glasfaserleitungen arbeiten mit optischen Signalen. In der Praxis handelt es sich um monochromatisches (= einwelliges) Licht im Bereich der Wellenlängen von 450 nm bis 1600 nm, was Frequenzen im THz-Bereich bedeutet. Glasfaserleitungen werden auch als Lichtwellenleiter (LWL) bezeichnet. Ihre Funktion basiert auf der Totalreflexion fokussierter Lichtstrahlen an Grenzflächen unterschiedlichen Glasmaterials, wobei deren Brechzahl n ausschlaggebend ist.

Wie verläuft das Licht?

Die Brechzahl gibt an, um welchen Faktor sich das Licht im jeweiligen Medium gegenüber der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum langsamer ausbreitet. Es gilt:

• Optisch dünnes Medium weist kleine Brechzahlen auf.
• Optisch dichtes Medium weist große Brechzahlen auf.

Licht wird beim Übergang von einem optisch dichteren Medium in ein optisch dünneres Medium von der Eingangssenkrechten (Lot) weggebrochen. Bei richtiger Einkopplung des Signals in die Glasfaser wird damit Totalreflexion möglich (Bild 2). Jede LWL-Faser besteht deshalb aus einem optisch dichteren Kern aus Glas, einem optisch dünneren Mantel aus Glas und einer äußeren Schutzhülle aus Kunststoff. Bei den meisten optischen Netzen werden Glasfasern eingesetzt, deren Kern kaum dicker ist als die für den Betrieb verwendete Lichtwellenlänge. Dadurch ergibt sich nur ein Modus für die geführte Ausbreitung des Lichtsignals. Deshalb gilt für diese Variante die Bezeichnung Monomode-Faser.

Der Übergang vom Broadcast-Netz zum Internet

Bild 3: Schematische Darstellung der Hierarchie der Netzebenen

Der Übergang von Koax auf Glasfaser bietet sich in Breitbandkabelnetzen nicht nur wegen der Vorteile bezüglich Signaldämpfung und Energiebedarf an, sondern auch wegen der Einbindung des Internets. Um diese optimal gestalten zu können, war allerdings der Übergang vom unidirektionalen Verteilnetz zum bidirektionalen (also interaktiven) Kommunikationsnetz erforderlich.

In den koaxialen Netzen wurde diese Anforderung durch »Zwei-Wege-Verstärker« erfüllt, realisiert durch die Zusammenschaltung von zwei Verstärkern über Gabelschaltungen, um beide Übertragungsrichtungen gleichzeitig zu ermöglichen. Da Breitbandkabelnetze mit Koaxleitungen ursprünglich nur für TV- und Radio-Übertragung konzipiert waren, wurde für die zusätzliche Nutzung des Internets ein geeignetes Protokoll benötigt, um die Datenübertragung realisieren zu können. Es handelt sich um DOCSIS (data over cable interface specification), welches auf der Anbieterseite eine als CMTS (cable modem termination system) bezeichnete Funktionseinheit und auf der Nutzer­seite ein Kabelmodem erfordert. Beide benötigen für ihren Betrieb elektrische Energie, was der Nachhaltigkeit nicht dienlich ist.

Netzebenen als Strukturmerkmale

Um die Bedingungen für den Übergang auf Glasfaser in bestehenden Breitbandkabelnetze besser beurteilen zu können, sei deren Struktur in Netzebenen (NE) (network layer) genauer betrachtet.

• NE 1 Überregionale Netze (Eingang: Produktionsstudios)
• NE 2 Regionale Netze (Eingang: Kopfstellen)
• NE 3 Örtliche Netze (Eingang: Straßenverteiler)
• NE 4 Hausnetze (Eingang: Hausübergabepunkt (HÜP))
• NE 5 Wohnungsnetze (Eingang: Wohnungsübergabepunkt (WÜP))

Die Netzebenen 1 bis 3 wurden damals von der Deutschen Bundespost errichtet. Inzwischen wird diese Infrastruktur von im Wettbewerb stehenden Unternehmen betrieben. Für die Hausnetze sind dagegen die Hauseigentümer zuständig, während es sich bei den Wohnungsnetzen um die Wohnungseigentümer handelt. Es gelten für die Netzebenen inzwischen folgende Bezeichnungen (Bild 3):

• NE 3 Zugangsnetze (access network)
• NE 4 Hausnetze (inhouse network)
• NE 5 Wohnungsnetze (home network)

Ausbaustufen der Netzebenen

Das Ziel auf jeder Netzebene ist die Ablösung der Koaxialtechnologie durch die Glasfasertechnologie, also der Wechsel von elektrischen Signalen zu optischen Signalen. Bei der dafür erforderlichen Änderung der Infrastruktur spielen wirtschaftliche und organisatorische Aspekte eine wesentliche Rolle, wobei der technische Aufwand für die einzelnen Netzebenen unterschiedlich ist. Es lassen sich folgende Ausbaustufen unterscheiden:

• FTTB (fibre to the building) Glasfaser bis zum HÜP im Gebäude
• FTTH (fibre to the home) Glasfaser bis zum WÜP in der Wohnung
• FTTR (fibre to the room) Glasfaser bis in Räume der Wohnung
• FTTD (fibre to the device) Glasfaser bis zu Endgeräten, die mit einem Anschluss für Glasfaser ausgestattet sind

Es ist zu berücksichtigen, dass bei jedem Übergang zwischen Koax und Glasfaser ­folgende Wandler (converter) erforderlich sind:

• E/O-Wandler (elektrooptischer Wandler) Eingang: elektrisches Signal; Ausgang: optisches Signal
• O/E-Wandler (optoelektrischer Wandler) Eingang: optisches Signal; Ausgang: elektrisches Signal

Sie stellen formal einen Medienbruch dar, reduzieren die Signalqualität, verursachen Kosten und benötigen für ihren Betrieb elektrische Energie.

Passive optische Netze (PON)

Zur Realisierung der Glasfasermigration werden in der Praxis passive optische Netze (PON) für die Übertragung verwendet. Diese ermöglichen individuelle Datenkommunikation zwischen der Anbieter- und der Nutzerseite, wenn folgende Funktionseinheiten zur Verfügung stehen:

• Glasfaserabschlusseinheit (optical line terminal (OLT)) auf der Anbieterseite
• Glasfaseranschlusseinheit (optical network terminal (ONT)) auf der Nutzerseite

Mit PONs sind Datenraten für den Downstream (DS) und Upstream (US) im zweistelligen Gbit/s-Bereich realisierbar. Außerdem lassen sich auch symmetrische Internetzugänge konfigurieren. Bei diesen weisen DS und US gleiche Datenraten auf, was für Cloudnutzungen, Videokonferenzen (webmeeting), Spiele (gaming), schnellen Informationsaustausch und andere Anwendungen (application) von Vorteil ist (Bild 4).

Grundformen der PONs

Da wegen der bidirektionalen Kommunikation für jeden Nutzer ein geschützter Zugang ins Netz erforderlich ist, weisen PONs stets Sternnetzstrukturen auf. Bei solchen ist jeder Nutzer mit einer als Sternpunkt bezeichneten zentralen Einspeisestelle individuell verbunden.

Es lassen sich bei passiven optischen Netzen (PON) nachfolgende Grundformen unterscheiden, wobei ein OLT stets mehrere ONTs (32 oder 64) versorgt:

• Einsatz einer Glasfaser und durch eine Frequenzweiche bewirkte unterschiedliche Wellenlängen für DS und US. Ein optischer Splitter teilt dann das Signal für die ONTs auf. Bei diesen werden jeweils durch eine Frequenzweiche die Wellenlängen für DS und US wiedergewonnen.
• Einsatz von zwei Glasfasern mit gleicher Wellenlänge für DS und US. Optische Splitter teilen dabei das zugeführte Signal für die ONTs auf.
• Einsatz einer Glasfaser mit Wellenlängenmultiplex (wavelength division multiplex (WDM)). Dabei wird für jede ONT eine individuelle Wellenlänge verwendet.

Kriterien für die Glasfaser-Migration

Bild 4: Schematische Darstellung eines symmetrischen Internetzugangs

Die Umstellung bestehender Breitbandkabelnetze auf Glasfaser bedeutet den Übergang auf leistungsfähige aktive Kommunikationsnetze. Diese sind durch beliebige Anwendungen gekennzeichnet, zu denen auch TV und Internet zählen.

Der Wechsel auf Glasfaser stellt grundsätzlich kein technisches Problem dar. Es bedarf allerdings stets der Abklärung des finanziellen Aufwands für die zuständigen Betreiber der Netzebenen und die durch einen solchen Technologiewechsel realisierbaren Vorteile für die Nutzer. Die Betreiber der NE 3 sind deshalb derzeit bestrebt, möglichst viele Glasfaser-Verbindungen zu den Hausübergabepunkten (HÜP) zu realisieren und als Hausanschlüsse (FTTB) zu vermarkten. Das erfordert allerdings nicht nur den mit Genehmigungsverfahren und Kosten verbundenen Tiefbau für die Glasfaserverlegung, sondern auch die Einwilligung des Hauseigentümers für die Errichtung des HÜP. Außerdem bedarf es der Abklärung, wer die Kosten der erforderlichen Konvertierung des Signals an das bestehende koaxiale Hausnetz trägt. Für Hauseigentümer und Nutzer bietet FTTB keinen unmittelbaren Mehrwert, während bei den Netzbetreibern der NE 3 die Kosten für die Glasfaserverlegung anfallen. Da über Glasfaser erheblich höhere Daten­raten übertragen werden können, ist dieser Vorteil gegenüber Koax für die Nutzer erst dann interessant, wenn auch das Hausnetz auf Glasfaser umgestellt wurde, also FTTH gegeben ist.

Die Verlegung von Glasfaser

Der Übergang von FTTB auf FTTH erfordert im betroffenen Gebäude die Installation des Glasfaser-Hausnetzes. Das ist einerseits mit Kosten verbunden, andererseits aber auch davon abhängig, ob die Wohnungseigentümer mit dem erforderlichen Eingriff in ihre Räumlichkeiten einverstanden sind.

Bei den Anschlussdosen sollten dann Versionen gewählt werden, die einerseits die bisherigen elektrischen Anschlüsse aufweisen, aber auch Steckverbindungen für Glasfaser, um FTTD-Geräte unmittelbar anschließen zu können. Außerdem stellt sich auch hier die Frage, wer die mit der Umrüstung auf Glasfaser verbundenen Kosten trägt. Dabei sei angemerkt, dass Kabelnetzbetreiber durchaus auch den FTTH-Ausbau unterstützen, dann allerdings wegen der höheren Leistungsfähigkeit der Glasfaser-Anschlüsse die Entgelte entsprechend »anpassen«. Beim Ausbau zu FTTH ist also neben der Kosten-Nutzen-Analyse auch viel Überzeugungsarbeit bezüglich der Möglichkeit höherer Datenraten erforderlich.

Es gibt folgende Varianten für die Verlegung von Glasfaser in Gebäuden/Wohnungen:

• Nutzung vorhandener oder neuer Leerrohre (Unterputz)
• Nutzung von Kabelkanälen (Aufputz)
• Waagerechte Führung als Freileitung und senkrechte Führung auf der Wand durch Kabelkanäle/Kabelschellen

Für das Wohnungsnetz ist der jeweilige Wohnungseigentümer zuständig. Bisher stellen hier elektrische Verbindungen zu den Endgeräten die typische Lösung dar, weil es bisher nur wenige Endgeräte gibt, die auch einen Glasfaseranschluss aufweisen. Deshalb sollten die Anschlussdosen elektrische und optische Anschlüsse aufweisen. Im Bedarfsfall können auch geeignete externe Konverter zum Einsatz kommen.

Fazit

Die Migration der Glasfaser in existierende Breitbandkabelnetze erfordert stets einen unterschiedlich hohen technischen Aufwand, der immer kostenrelevant ist.

Die durch den Technologiewechsel zur Glasfaser erreichbare Steigerung der Leistungsfähigkeit ist für die angeschlossenen Nutzer nur dann wirklich von Interesse, wenn diese einen Mehrwert sehen. Für die bisher genutzten Anwendungen ist das ­Koaxnetz ausreichend. Die Umstellung auf Glasfaser ist aus diesem Grund kein »Selbstläufer«. Es bedarf vielmehr eines intelligenten Marketings, um die betroffenen Nutzer von den Vorteilen der Glasfaser zu über­zeugen.

Autor

Ulrich Freyer, Fachjournalist, Köln