Digitalisierung und die Migration zu Glasfaser-Netzen

Eine Konzeptstudie zur Umsetzung

Jürgen Kaack

• Editore: Books on Demand
• Anno: 2017
• ISBN:
  9783744893312
• Edizione: 1
• Argomento: Technology & Engineering
• Categoria: Electrical Engineering & Telecommunications

Der Breitbandausbau in Deutschland kommt gut voran, das Bundesförderprogramm für den NGA-Ausbau hat einen guten Schub ergeben. Bis 2019 werden mit Zuwendungen in Höhe von ca. 8 Mrd. Euro Infrastrukturen ausgebaut, die mindestens 50 Mbit/s ermöglichen, in vielen Fällen werden dabei direkt FTTB-Anschüsse mit Glasfaser bis zum Hausanschluss verlegt. So weit ist eigentlich alles gut, wenn es nicht die Notwendigkeit gäbe innerhalb der nächsten 10 Jahre flächendeckende Glasfaseranschlüsse zu schaffen.Das laufende Bundesförderprogramm ermöglicht Zuwendungen nur für Anschlüsse, die heute weniger als 30 Mbit/s haben. Bei Start des Programms im Dezember 2015 betraf dies ca. 25% aller Anschlüsse in Deutschland. Glasfaseranschlüsse sind in Deutschland bislang eher die Ausnahme. Nur etwa 5% der Anschlüsse sind in Glasfaser ausgeführt (die tatsächliche Nutzungsquote liegt sogar nur bei etwas der Hälfte). Mithilfe der Mittel aus dem Bundesförderprogramm könnten weitere 15% der Anschüsse mit Glasfaser-Hausanschüssen ausgebaut werden, so dass bei fertiger Umsetzung des Bundesförderprogramm Ende 2019 noch ca. 80% der Hausanschüsse immer noch in Kupfer ausgeführt sind.Nicht nur im Hinblick auf die Glasfaser-Infrastruktur besteht in Deutschland Nachholbedarf, auch bei der Entwicklung und Nutzung von digitalen Anwendungen sind andere Länder mittlerweile weiter als Deutschland. Dabei bietet die Digitalisierung gute Chancen zur Gründung von neuen Unternehmen und neuen Wachstumssegmenten.Eine Förderung des flächendeckenden Aufbaus von Glasfaser-Anschlüssen mit Zuwendungen zur Schließung einer Deckungslücke ist im Hinblick auf die zu erwartende Höhe der Förderbudgets und die Komplexität vermutlich nur schwer zu vertreten. Aus meiner Sicht müssen neue Ansätze mit einem längerfristigen Horizont begangen werden. Auch für die Entwicklung von innovativen digitalen Anwendungen sind neue Ansätze erforderlich, bei der die stärkere Einbindung von Hochschulen, der Abbau von Bürokratie und die Schaffung von geeigneten Rahmenbedingungen zu gestalten sind.In einem Konzeptpapier habe ich meine Analyse zur Situation erläutert und stelle meine konzeptionellen Ansätze für die weitere Ausgestaltung zur Diskussion.

1. Ausgangslage bei der Breitbandversorgung

Das Internet ist aus dem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken, weder im beruflichen noch im privaten Umfeld. Emails verdrängen Briefe und Faxe, Streaming-Dienste ersetzen physikalische Datenträger und in der vernetzten Industrie bestellen Maschinen automatisch benötigtes Material. Es gibt kaum noch einen Bereich, der unberührt bleibt. Gleichzeitig steigt die Intensität der Nutzung die Menge der übertragenen Daten, derzeit um über 20% im Jahr. Wenn immer mehr Daten übertragen werden, muss die Übertragungsgeschwindigkeit entsprechend mit steigen, um lange Wartezeiten zu verhindern. Waren vor fünfzehn Jahren noch 364 Kbit/s und vor zehn Jahren 2 Mbit/s ausreichend, sind im Jahr 2017 50 Mbit/s kaum zufriedenstellend. Die Zeiten von Gbit/s-Geschwindigkeiten sind längst absehbar und das aufgrund des veränderten Nutzungsverhaltens mit symmetrischen Geschwindigkeiten für Down- und Upstream.

Nicht in allen Gegenden ist der Infrastrukturausbau für die Netzbetreiber unter den gegebenen unternehmerischen Vorgaben wirtschaftlich möglich. Spätestens seit 2007 wurde eine Reihe von Förderprogrammen aufgelegt, um unterversorgte Gebiete, so genannte „weiße Flecken“, zu beseitigen. Dabei hat sich die Definition von „unterversorgt“ stetig nach oben verschoben von zunächst 1 über 2 und 6 auf derzeit 30 Mbit/s. Trotz aller Bemühungen verbleiben 2018 vermutlich noch ca. 5 % aller Anschlüsse, die mit weniger als 50 Mbit/s auskommen müssen, dem von der Politik 2012 verkündeten Ziel. Dies trifft z.B. Siedlungen, die nur über lange Anlaufstrecken erreicht werden oder wenige Anschlüsse an einem Verteilerschrank haben. Es trifft aber auch Anschlüsse in Großstädten, wenn in Multifunktionsgehäusen keine Portkarten mehr frei sind oder Anschlusslängen zu lang.

Mit Vectoring werden über die Kupferdoppelader zum Hausanschluss bis zu 100 Mbit/s bereitgestellt, über die Koaxialkabel können die Kabelnetzbetreiber mit dem Standard DOCSIS 3.1 bereits 400 Mbit/s realisieren, der Übertragungsstandard erlaubt bis zu 10 Gbit/s. Trotzdem ist unbestritten, dass beide Technologien nur Brückentechnologien auf dem Weg zu Glasfaser-Anschlussnetzen darstellen. Da Licht physikalisch die schnellste Übertragungsgeschwindigkeit ermöglicht, sind Lichtwellenleiter das optimale Übertragungsmedium. Dabei sind neben der maximalen Downstream-Geschwindigkeit gerade die Latenzzeiten, die Laufzeiten der Signale vom Sender zum Empfänger, für eine Reihe von Anwendungen von besonderer Bedeutung. Hierzu gehören nicht nur Industrie 4.0-Anwendungen, sondern u.a. auch das autonome Fahren und Gesundheitsanwendungen. Auch individuelle Dienste-Einstellungen (QoS „Qualities-of-Servcies“) werden für Geschäftskunden an Bedeutung weiter zunehmen. Weiterhin sind Leitungsdämpfung und Energieeffizienz im Netz wichtige Kriterien. Ein durchgängiges Glasfasernetz bietet nicht nur nahezu unbegrenzte Kapazität und ermöglicht Geschwindigkeiten im Gbit/s-Bereich bei einer sehr geringen Leitungsdämpfung und kann zwischen Glasfaser-PoP (Point-of-Presence) und Hausanschluss in der Regel auf aktive Netzkomponenten verzichten, die gewartet werden müssen und störanfällig sind.

Wann der Übergang von den bislang kupferbasierten Anschlussnetzen auf durchgängige Glasfaserstrecken für FttB- oder FttH-Netze („Fiber-to-the-Building“ oder „Fiber-to-the-Home“) erfolgen muss, kann derzeit nur vermutet werden. Realistisch ist aber eine Zeitdauer von knapp 10 Jahren. Spätestens dann werden weitere Updates bei der Übertragungstechnik über die bestehenden Kupfer-Anschlussnetze nicht mehr helfen. Bei VDSL-Lösungen führt eine Erhöhung der Geschwindigkeit unweigerlich zu einer höheren Dämpfung und somit mit einer abnehmenden Reichweite. Mit Vectoring erhalten nur Anschlüsse im Umfeld von weniger als 600 Metern um den Verteilerschrank (Multifunktionsgehäuse) die volle Leistung, für den ländlichen Raum bleibt somit die Steigerung der Geschwindigkeit bei längeren Anschlussstrecken begrenzt, sofern nicht zusätzliche Verteilerschränke für nur wenige Nutzer errichtet werden sollen. Für die Betreiber wäre eine solche Struktur nicht mal mit einmaligen Zuwendungen dauerhaft wirtschaftlich gestaltbar.

Eine Zeitdauer von gut zehn Jahren eröffnet allerdings bei der heute noch ausreichenden Versorgung Chancen für den Aufbau der erforderlichen nachhaltigen Infrastruktur. Von den großen Netzbetreibern mit Bestandsnetzen ist ein schneller Ausbau von Glasfaser-Anschlussnetzen nicht zu erwarten, da der mögliche Mehrumsatz die Investitionen im Bereich von € 3.000 bis über 10.000 je Glasfaser-Anschluss kaum decken kann. Erschwerend kommt hinzu, dass die Errichtung eines neuen Anschlussnetzes mit Amortisationszeiten von teilweise deutlich über 20 Jahren verbunden ist. Während der Laufzeit des Bundesförderprogramms bis Ende 2018 können die mit weniger als 30 Mbit/s unterversorgten Gebiete bereits mit Glasfaser-Anschlussnetzen ausgebaut werden und von dieser Möglichkeit machen viele Gebietskörperschaften Gebrauch. Das Fördervolumen von gut € 4 Mrd. (zusammen mit Kofinanzieurng der Länder und Eigenanteilen der Kommunen € 8 Mrd.) reicht allerdings nur für die knapp 25% aller Anschlüsse, die Ende 2015 mit weniger als 30 Mbit/s unterversorgt waren. Für die ca. 95% der Anschlüsse, die auch 2017 noch keinen Glasfaser-Hausanschluss haben, wäre ein um ein Vielfaches höheres Förderbudget erforderlich oder ein anderer Ansatz für den Infrastrukturaufbau zu verfolgen, für den im Folgenden mögliche Ansätze erläutert werden. Eines sollte allerdings auf keinen Fall geschehen, ein Abwarten mit der Umsetzung, bis die Möglichkeiten der Brückentechnologien ausgeschöpft und der Bedarf in der Breite tatsächlich vorhanden ist.

2. Migrationsschritte in der Technologie

Aus der Kundenperspektive wird nach Übertragungsgeschwindigkeit, Dienstemerkmalen und Preisen unterschieden. Damit ein Kunde einen Dienst nutzen kann muss eine komplexe Infrastruktur im Zusammenspiel unterschiedlicher Technologien und meist auch mehrerer Anbieter vorhanden sein.

Begriffsbestimmungen zu Breitbandnetzinfrastrukturen und –technologien

Begriff	Erläuterung
Kernnetz (Backbone)	Das Kernnetz (Backbone) besteht aus den globalen und regionalen Switching Zentren. Sie sind mit Glasfaser und Richtfunk verbunden. Die Bandbreiten beginnen mit 100 Mbit/s bis über 10 Gbit/s.
Zugangsnetz (Last Mile)	Das Zugangsnetz (Access-Netz, Anschlussnetz, „Last-Mile“) umfasst die „letzte Meile“ zum Nutzer. Für dieses Netz gibt es kabelgebundene, optische und drahtlose Referenzarchitekturen.
Teilnehmer-Anschluss-Leitung (TAL)	Der Zugang besteht i.d.R. aus einer Kupferdoppelader zwischen dem Hauptverteiler (HVT) in der Ortsvermittlungs-Stelle (OVSt) und dem Teilnehmer (TAE). Sie ist reguliert und entbündelt und kann von alternativen TAL-Betreibern genutzt werden.
Optische Zugangsnetze	Optische Zugangsnetze bestehen in der gesamten Strecke zum Teilnehmer aus Glasfaser. Unterschieden werden aktive (AON) und passive Netze (PON), sowie die Ausbautiefe der Glasfaser nach FTTC, FTTB, FTTH (Curb, Building, Home). Es gibt hybride Formen mit Glasfaser zum Kabelverteiler (KVZ) und Kupfer zum Teilnehmer.
Drahtlose Zugangsnetze	Es gibt breitbandige Zugangstechnologien zum Teilnehmer über unterschiedliche Technologien wie WiMAX, Satellitenkommunikation (skyDSL), Richtfunk, UMTS, LTE oder HyperLAN.

Je nach Randbedingungen und Topographie kommen für einen NGA-Ausbau Fiber-to-the-Curb (FttC) Ansätze, die einen Ausbau mit ADSL und VDSL unter Nutzung der Kupferdoppelader zum Hausanschluss ebenso in Betracht wie die verschiedenen Funktechnologien von LTE über HSDPA/HSUPA, UMTS bis zu WiMAX und WLAN sowie Satelliten-DSL in dünn besiedelten Randbereichen. Kabelnetze sind in der Abbildung nicht enthalten und entsprechen in der schematischen Darstellung der FttH-Darstellung. Unitymedia wird neue Netze nur noch in Glasfaser-Technologie errichten. Somit verwischen sich hier zukünftig die Unterschiede zwischen einem Kabelnetz und einem FttB/FttH-Netz.

Grafik STZ-Consulting Group

Die Zuführung von Bandbreiten kann alternativ zur terrestrischen Leitung auch über Richtfunk erfolgen. Als langfristig nachhaltige Infrastruktur kommt in erster Linie der Glasfaser-Hausanschluss in Betracht, da die Glasfaser aus heutiger Sicht nahezu unbegrenzte Bandbreite und lange Lebensdauern ermöglicht. Andere Technologien können aber als Brücken- oder Nischentechnologien genutzt werden, bis ein flächendeckendes Netz aus Lichtwellenleitern aufgebaut ist oder in solchen Gebieten dauerhaft eingesetzt werden, in denen eine Versorgung mit Glasfaser-Hausanschlüssen unverhältnismäßig teuer würde. Mobilfunknetze sind komplementär zu leitungsgebundenen Netzen und dienen der portablen oder mobilen Anwendung. Dies gilt auch für das moderne LTE-Netz. Die derzeit in der Entwicklung und im Standardisierungsprozess befindlichen 5G-Netze sollen neben Gigabit/s-Geschwindigkeiten verschwindend kleine Latenzzeiten aufweisen. Es handelt sich im Wesentlichen um ein Glasfasernetz, bei dem der Hausanschluss durch eine Funkstrecke ersetzt wird, die bei einer Frequenz von 2,4 GHz Zellradien von 100 bis 200 Meter haben werden.

Wenn bislang über unzureichende Breitbandgeschwindigkeit, auch als „Bandbreite“ bezeichnet, geklagt wird, dann handelt es sich in der Regel nicht um ein grundsätzliches Problem der Technologie, sondern um einzelne Komponenten bzw. Strecken im Übertragungsweg. Die Weitverkehrsnetze („Backbone“) verfügen über ausreichende Kapazitäten, um auch steigende Bedarfe zu befriedigen. Sofern hier zusätzliche Kapazität benötigt wird, kann sie in den meisten Fällen relativ schnell nachgerüstet werden. Auch die regionalen Netze für die Zuführung der Bandbreite zu Ortsteilen und Gewerbegebieten sind häufig bereits in Form von Leerrohren und Glasfaserstrecken verfügbar. Nur in sehr dünn besiedelten Bereichen besteht gelegentlich noch Bedarf für einen Ausbau. Der eigentliche Engpass liegt heute überwiegend im Bereich der Anschlussnetze, zunächst bis zu den Kabelverzweigern im Telefonnetz oder zu den Verstärkerpunkten im Kabelnetz, aber letztendlich auch bis zum Hausanschluss. Auch nach einer Umrüstung auf durchgängige Glasfasernetze vom Backbone bis zum Hausanschluss wird es die unterschiedlichen Netzebenen noch geben, die mit Netzknoten oder Unterverteilern untereinander verbunden sind.

Grafik STZ-Consulting Group

2.1. Übertragungstechniken

Die verfügbaren Übertragungstechnologien ermöglichen sehr unterschiedliche Bandbreiten und sind teilweise (insbesondere im Fall der Kupferdoppelader) mit entfernungsabhängiger Dämpfung behaftet, die Übertragung über Koaxialkabel („Fernsehkabel“) zeigt nur eine geringe Leitungsdämpfung und die besten Ergebnisse im Hinblick auf Übertragungsgeschwindigkeit und Dämpfung bringt das Glasfaserkabel. Grundsätzlich ermöglicht die Übertragung über das Kabelnetz allerdings die gleiche Funktionalität mit Telefonie, Internet und Fernsehen wie über ein Glasfaserkabel. Die folgende Graphik vergleicht die Bandbreiten der gängigen leitungsgebun...