Licht am Ende des Glasfaser-Tunnels Passive optische Netze vs. aktive optische Netze

Autor / Redakteur: Klaus Pollak / Andreas Donner

Netzbetreiber müssen mit immer höheren Geschwindigkeiten immer mehr Informationen für Anwendungen wie Video on Demand und hochauflösendes Fernsehen übermitteln oder Cloud-Dienste zur Verfügung stellen. Wo immer möglich, werden daher Glasfasernetze aufgebaut. Bleibt die Frage, ob hierfür PON oder P2P die bessere Wahl ist.

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Klaus Pollak, Head of Consulting & Projects bei Keymile: „Auf lange Sicht sind nur Glasfasernetze in der Lage, das Bandbreitenwachstum zu bewältigen.“
Klaus Pollak, Head of Consulting & Projects bei Keymile: „Auf lange Sicht sind nur Glasfasernetze in der Lage, das Bandbreitenwachstum zu bewältigen.“
(Bild: Keymile)

Im Unterschied zu vielen anderen EU-Staaten nutzen in Deutschland Privathaushalte und Unternehmen zur Breitbandversorgung noch überwiegend die DSL-Plattformen der Netzbetreiber. Das verdeutlicht ein Blick auf die Netzabdeckung der verschiedenen Breitbandtechnologien. In einem Bericht für die EU-Kommission kommen die Marktforscher von Point Topic zum Ergebnis, dass in den 27 EU-Staaten zusammengenommen nur jeder vierte Haushalt über einen VDSL2-Anschluss verfügt, in Deutschland ist es fast jeder zweite.

Finanzierung der Breitbandversorgung
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Während Deutschland bei VDSL2-Anschlüssen in der Spitzengruppe liegt, sieht es bei den Glasfaseranschlüssen ganz anders aus. Deutschland befindet sich in diesem Segment der Breitbandanschlüsse im unteren Bereich der europäischen Skala. Hierzulande haben gerade einmal 2,6% aller Haushalte Zugang zu einem Glasfaseranschluss. Der europäische Durchschnitt liegt bei 12,5%, in Schweden ist es nahezu jeder zweite Haushalt.

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Das aktuelle verfügbare Angebot an Bandbreite ist die eine Seite, eine andere ist der heute schon absehbare Bedarf. Ein Blick auf die Entwicklung in den letzten Jahren zeigt: Das Wachstum an Bandbreite ist ungebrochen.

Bei den Privathaushalten sind die wesentlichen Treiber zum einen die Videodienste wie Youtube, IPTV und Video-on-Demand und zum anderen Cloud-Dienste für Filme, Fotos und Backup-Anwendungen. Auch in den Unternehmen ist ein zunehmender Bedarf an Web-Backup-Diensten und anderen Cloud-Computing-Applikationen zu verzeichnen. Gründe für sehr schnelle Breitbandzugänge gibt es also genügend.

Die Erfahrungen aus der Vergangenheit haben eines gezeigt: Wenn die Bandbreite zur Verfügung steht, wird sie – zugegebenermaßen manchmal mit etwas Verzögerung – auch genutzt. Ein Ende des Wachstums ist nicht in Sicht.

Eine nachhaltige Infrastruktur für die nächsten 20 Jahre

Ein durchgängiges Glasfasernetz bis zum Endkunden (FTTB/H) liefert die leistungsstärkste TK-Infrastruktur, mit der Netzbetreiber die heutigen anspruchsvollen Anwendungen bewältigen und den weiter steigenden Bandbreitenbedarf im nächsten Jahrzehnt und darüber hinaus hinreichend abdecken können. Die Verwendung von Glasfaserkabel verspricht annähernd grenzenlose Übertragungsmöglichkeiten. Darüber herrscht unter Experten weitgehende Einigkeit. Ziel beim Aufbau eines Glasfasernetzes ist es, eine nachhaltige Infrastruktur für die nächsten 30 oder gar 50 Jahre zu errichten.

Die TK-Industrie hat weltweit seit Jahren Erfahrungen mit Glasfasernetzen gesammelt. In vielen Ländern, insbesondere in Asien, haben Regierungen die breite Einführung von Glasfaserinfrastrukturen gefördert und sich damit weltweit einen Vorsprung verschafft. Japan, Südkorea und China sind als herausragende Beispiele zu nennen.

Aber auch Australien, Litauen, Schweden und Norwegen sollte man in diesem Zusammenhang nicht vergessen. Bezüglich der Zugangstechnik als dem Schüsselelement in FTTB/H-Netzen stehen zwei unterschiedliche Topologien zur Verfügung:

  • Aktives Ethernet mit einer Punkt-zu-Punkt-Struktur (P2P)
  • Passive Netze in einer Baumstruktur mit Splittern im Übertragungsweg.

Grundsätzlich können sowohl mit aktiven Punkt-zu-Punkt-Infrastrukturen als auch passiven optischen Infrastrukturen Glasfasernetze bis in die Gebäude (FTTB) beziehungsweise Haushalte (FTTH) gelegt werden. Wenn man so will, ist FTTB die Vorstufe für FTTH. Bei FTTB schließt der Netzbetreiber die Glasfaser mit einem DSLAM im Mehrfamilienhaus ab und die einzelnen Teilnehmer werden von hier aus über die bestehende Telefonverkabelung via DSL angeschlossen. Mit der VDSL2-Übertragung stehen jedem Teilnehmer dabei auf den kurzen Telefonleitungen im Gebäude über 100 Mbit/s zur Verfügung. In neuen Gebäuden kommt auch mehr und mehr Cat7-Ethernet-Verkabelung o.ä. zum Einsatz, die 1 Gbit/s und mehr übertragen kann.

Aktuell sind Technologien im Entstehen, die höhere Datenübertragungsraten versprechen. Dazu zählen beispielsweise das in Asien populäre ITU-T G.hn (G.9960) zur digitalen Vernetzung im Heimnetzwerk mit Übertragungsraten von bis zu 1 Gbit/s. Auch der neu aufkommende ITU-T Standard G.fast (G.9700) zielt auf ähnlich hohe Datenraten.

Der wesentliche technische Unterschied zwischen aktiver und passiver Zugangstechnologie liegt in der Nutzung der Glasfaser. Ethernet-Punkt-zu-Punkt-Netze (aktiv) betreiben eine dedizierte Glasfaser vom zentralen Einspeise-Punkt bis zum Kunden, während bei PON-Systemen die Glasfaser auf der ersten Strecke gemeinsam für mehrere Kunden genutzt wird, bevor ein optischer Splitter die Signale auf einzelne Kundenanschlüsse aufteilt. Das Ziel von passiven wie von aktiven optischen Netzen ist es, die Glasfaser so nahe wie möglich, idealerweise bis in die Häuser oder Wohnungen der Teilnehmer zu bringen. Der FTTH-Ansatz ist bezüglich Übertragungsqualität und Bandbreite die technisch beste Option.

Aufgrund der hohen Investitionskosten zur Erstellung einer Glasfaserinfrastruktur und der tendenziell sinkenden Umsätze der Telekommunikationsbetreiber fällt die Darstellung eines Business Cases gegenüber Investoren und Verwaltungsräten der Netzbetreiber oft schwer. Lange Zeit war die TK-Branche verwöhnt von Return-on-Invest-Zeiträumen im Bereich von ein bis drei Jahren. Für FTTB/H-Netzausbauten – unabhängig vom jeweiligen Einsatz einer PON- oder Ethernet- P2P-Technologie – sind Größenordnungen von teilweise mehr als zehn Jahren zu veranschlagen. Je nach Anwendungsfall und Umgebungsbedingungen gibt es aber dennoch Unterschiede bei der Business-Case-Betrachtung und der praktischen Implementierung, je nachdem, ob für FTTB/H-Rollouts eine passive oder aktive Zugangstechnologie zur Anwendung kommt.

Passive optische Netze

Vom Kernnetz aus betrachtet ist das erste Netzelement eines PON-Netzes ein OLT (Optical Line Terminal), das in Richtung Kernnetz Standard-Ethernet-Schnittstellen und in Richtung Teilnehmer die so genannten PON-Schnittstellen zur Verfügung stellt. Die hier zum Einsatz kommenden PON-Varianten sind heute in der Regel Ethernet-PON (EPON), Gigabit-PON (GPON), 10 Gigabit-Ethernet-PON (10G-EPON)), 10GPON oder WDM-PON (Wavelength Division Multiplexing, eine Wellenlänge für Downstream- und eine andere für Upstream-Traffic). EPON-Installationen sind gegenwärtig hauptsächlich in Fernost verbreitet, GPON hingegen in USA und Europa. Neue Varianten wie GPON2, 4WDM-PON usw. sind neue Herstellervarianten bereits bestehender PON-Systeme.

Bei PON wird das Signal auf der Glasfaser in Richtung Teilnehmer von einem passiven Splitter auf mehrere optische Teilnehmeranschlüsse aufgeteilt. Platziert ist der Splitter entweder in einem Außengehäuse (einem Kabelverzweiger) oder direkt im Kabelweg, beispielsweise in einer Muffe. Die Netzstruktur entspricht also einer Punkt-zu-Multipunkt-Struktur (P2MP). Die Glasfaser, die in der Zentrale startet, wird bis zum Splitter verlegt. Der Splitter dupliziert das Signal je nach Splitting-Faktor auf bis zu 128 Glasfasern.

Am anderen Ende wird die Glasfaser in einem optischen Netzabschluss (ONT) terminiert. In einer FTTH-Netzarchitektur wandelt dieser das optische Signal in eine oder mehrere elektrische Schnittstellen wie Ethernet, POTS oder ISDN um. Für FTTB-Anwendungen stehen auch ONTs mit VDSL2-Schnittstellen zur Verfügung, um die vorhandenen Teilnehmeranschlussleitungen im Haus überbrücken zu können. In diesem Fall erhält jeder Teilnehmer noch ein VDSL2-Modem als Netzabschluss.

Aktive optische Netze

Bei Ethernet-Point-to-Point-Netzstrukturen erhält jeder Teilnehmer eine „eigene“ Glasfaser, die an einem optischen Konzentrator (AN = Access Node) terminiert wird. Im Gegensatz zu PON-Systemen gibt es damit eine Eins-zu-eins-Beziehung vom Teilnehmer-Equipment (CPE = Customer Premises Equipment) zum optischen Port auf der Zentralseite. Die verwendeten Schnittstellen entsprechen dem Ethernet-Standard, der in Kernnetzen bereits seit Jahren verwendet wird. FTTH-Netze mit aktivem Ethernet basieren auf Standard-Ethernet-Komponenten und haben damit die Nase vorn, wenn es um Kompatibilität zwischen verschiedenen Herstellern geht. Symmetrische Übertragungsraten von 100 Mbit/s, 1 Gbit/s und später auch 10 Gbit/s sind Standard in der Transport-Ebene und können ebenso für die Teilnehmeranschlüsse eingesetzt werden.

Je nach eingesetzter Technologie können entweder eine Glasfaser oder zwei Glasfasern für die Datenübertragung Verwendung finden; bei heutigen FTTH-Anwendungen werden meistens Einfaser-Systeme eingesetzt. Aufgrund der dedizierten Glasfaser für jeden Teilnehmer haben die Netzbetreiber die Möglichkeit, einfacher individuelle Änderungen an der Bandbreite, dem Funktionsumfang und den Diensten vorzunehmen.

Aktives Ethernet bietet Vorteile wie hohe Flexibilität und maximale Bandbreite sowohl für Downstream- als auch für Upstream-Übertragung, da für jeden Teilnehmer eine getrennte Glasfaser genutzt wird. Außerdem ist die Datensicherheit höher. Im Vergleich zu passiven Netzen müssen Netzbetreiber allerdings mit etwas höheren Einstiegsinvestitionen rechnen und mit einem größeren Platzbedarf des Equipments in der Zentrale. Im Unterschied zu einem passiven Glasfasernetz kann eine aktive Architektur mit Punkt-zu-Punkt- und mit PON-Technologie verwendet werden.

Viele alternative Netzbetreiber in Deutschland haben sich bewusst für eine Lösung mit aktivem Ethernet entschieden. Denn betrachtet man die gesamten Investitionskosten für eine Glasfaserinfrastruktur, spielt das aktive Equipment darin nur eine geringe Rolle. Schätzungen zufolge entfallen bis zu 80% der Investitionskosten auf Tiefbauarbeiten und sind so unabhängig von der verwendeten Technologie.

Best of both Worlds

Eine für Netzbetreiber interessante Möglichkeit ist die Kombination von aktiver und passiver Technologie in einem einzigen Subrack wie sie die Multi-Service-Zugangsplattform MileGate von Keymile bietet. Dabei können in einem Subrack parallel sowohl Karten mit optischen Ethernet-Schnittstellen als auch GPON-Karten betrieben werden. Für rein optische Netze ergeben sich daraus wichtige Vorteile.

Die GPON-Karte ermöglicht Netzbetreibern, Privathaushalte in städtischen Gebieten mit einem schnellen Breitbandzugang zu versorgen. Sicherheitskritische Geschäftskundendaten werden mit aktiver Glasfasertechnik übertragen, da in PON-Netzen alle Daten an allen Anschlüssen anliegen und somit nur die Verschlüsselung vor dem Ausspähen schützt. In einer solchen gemischten Architektur kann die für Privatkunden wichtige Anschlussdichte mit dem für Geschäftskunden wichtigen ultraschnellen sicheren Breitbandzugang verbunden werden.

Beim Aufbau von Glasfasernetzen haben sich in den letzten Jahren die regionalen und alternativen Netzbetreiber stark engagiert. So hat etwa der Breitbandnetzbetreiber Antennenbau Muth in Halle (Saale) mit der Multi-Service-Zugangsplattform MileGate von KEYMILE ein Citynetz errichtet. Der Anschluss der Gebäude erfolgt mit Glasfaser (FTTB). In den Häusern wird die vorhandene Kupferinfrastruktur verwendet.

Auch in Barmstedt, einer Kleinstadt im Süden von Schleswig-Holstein, haben die dortigen Stadtwerke seit 2012 in den Aufbau eines schnellen Glasfasernetzes bis zu den einzelnen Häusern investiert. Bis zum Ende vergangenen Jahres waren alle 3.500 Häuser auf dem Stadtgebiet an das neu errichtete Glasfasernetz angeschlossen. Ebenfalls mit MileGate haben die Stadtwerke Emsdetten im Münsterland, COMIN in Ingolstadt oder htp in Hannover Privathaushalte und Wohnungsgenossenschaft mit aktiver Glasfasertechnik angeschlossen. Auch in anderen Städten gibt es Pläne, die in den nächsten Monaten umgesetzt werden sollen.

Fazit

In naher Zukunft wird die Mehrzahl der Privathaushalte einen Breitbandanschluss von 100 Mbit/s benötigen, um am ganz normalen Netzleben teilhaben zu können. Der weitere Anstieg ist aber absehbar. Nach dem momentanen Stand der Technik lässt sich diese Bandbreite nur per Glasfaseranschluss nachhaltig realisieren. Bis es so weit ist, bauen VDSL2 und Vectoring bzw. G.fast eine Brücke ins Glasfaserzeitalter. Aktuell spielt diese Kombination eine wichtige Rolle für eine bessere Breitbandversorgung. Investitionen in eine FTTC-Infrastruktur bleiben bei einer künftigen Migration von FTTC zu einem reinen FTTB/FTTH-Glasfasernetz geschützt. Auch wenn es momentan nur langsam vorangeht, die Zukunft gehört auf jeden Fall den Glasfasernetzen.

Über den Autor

Klaus Pollak ist Head of Consulting & Projects bei Keymile in Hannover.

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