Elektrotechnik

Komplexer Technologie-Mix

Der Ausbau von FTTH ist längst ein Politikum und stockt. Mit einer neuen Generation passiver optischer Netze (NG-PON) könnte sich das ändern. Doch der weitaus grösste Teil des Anschlussnetzes besteht weiterhin aus Kupferleitungen.

Die Erschliessung der Schweiz mit Breitbandkabeln erfolgt vollständig durch private Investitionen und wird – im Gegensatz zu anderen Infrastrukturen wie Bahnlinien und Nationalstrassen – nicht vom Staat subventioniert. Dadurch steht eine möglichst lange Nutzungsdauer dieser oft jahrzehntealten Kundenzugänge im Mittelpunkt, seien es Kupfer- oder Koaxialkabel. Während in Städten oftmals Energieversorger ihre Trassen und die entstehenden Kosten mit Telekomunternehmen teilen, sieht es bereits in mittleren Städten und erst recht auf dem Land düster aus. Hier reichen die Glasfaser bestenfalls in die Quartiere. Fibre To The Home (FTTH) scheint dort ein Fremdwort zu sein, den Beteuerungen der Verbände und der Werbung der darin engagierten Unternehmen zum Trotz.

Während bei FTTH Bandbreiten im Bereich einiger Gbit/s (symmetrisch) möglich sind, stehen beim Mix aus Glasfaser- und Kupferkabel meist nur einige 100 Mbit/s oder weniger zur Verfügung. Um solche Bitraten auf traditionell gewachsenen Anschlussnetzen zu erreichen, sind spezielle Übertragungstechniken nötig, insbesondere Vectoring und G.fast.

Kompensation von Störsignalen

Vectoring kam 2016 bei Swisscom und A1 (Österreich) erstmals bei Fibre To The Curb (FTTC) auf der Kupferstrecke zum Teilnehmer zum Einsatz (Curb, engl.: Bordsteinkante). Danach folgten British Telecom (BT), Fastweb (Italien), Belgacom und einige private Netzbetreiber in Deutschland. Hier gelangen die Glasfaserkabel von der Anschlusszentrale bis zu einem Quartierverteiler, meist in Form eines Kabinettschranks zur Rangierung der Kabel und Unterbringung der Umsetzer von Glas- auf Kupferkabel inkl. deren Speisung.

Beim Vectoring werden Störsignale wie Rauschen oder Nebensprechen durch künstliche Aufschaltung von Kompensationssignalen eliminiert. Dazu sind aufwendige Berechnungen mit komplexen Algorithmen in Echtzeit erforderlich. Nach der Ermittlung der Störsignale werden diese mit Gegenwellen weitestgehend eliminiert. Vectoring wird auf Kupferleitungen bei einer Distanz bis zu 500 m eingesetzt und bietet rund 100 Mbit/s (Downstream). Je grösser die Distanzen, desto tiefer sind die erzielbaren Bandbreiten und höher die Störeinflüsse.

G.fast ist eine Weiterentwicklung von VDSL2 und wurde in zwei internationalen Standards spezifiziert. ITU-T G.9700 beschreibt die Signaleigenschaften, um Störungen gegenüber anderen Diensten, welche denselben Frequenzbereich verwenden (etwa UKW), zu minimieren. ITU-T G.9701 definiert die physikalische Schicht und das Übertragungsverfahren. Diese Spezifikation trägt die Bezeichnung «Fast Access to Subscriber Terminals» – daher die Kurzbezeichnung G.fast.

G.fast für FTTS und FTTB

Es sind zwei Übertragungsprofile definiert (siehe Tabelle). Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 2 Gbit/s werden nur auf unter 50 m Streckenlänge und im Profil 212a erreicht. Bei einer bis zu 100 m langen Leitung werden im Profil 106a max. 1 Gbit/s und im Profil 212a max. 1,8 Gbit/s erzielt. Die hohen Übertragungsraten von G.fast bedingen die Nutzung eines vergleichsweise breiten Frequenzbandes zur Signalübertragung, was mit gewissen Einschränkungen verbunden ist.

Denn mit dem höheren Frequenzspektrum auf langen Leitungen steigt auch die Signaldämpfung sowie die Anfälligkeit für Nebensprechen und desto kürzer wird zudem die mögliche Übertragungsstrecke, über welche der Empfänger ein Signal noch zweifelsfrei erkennen bzw. ein Nutzsignal aus dem Datenstrom herausrechnen kann. Die Kompensation physikalischer Effekte mit Vectoring bedingt eine aufwendige Hardware mit schnellen Echtzeitrechnern und relativ hohem Stromverbrauch. Zudem geht ein Grossteil des verwendeten Frequenzspektrums zur Kompensation des Nebensprechens verloren – bei VDSL2 bereits 50 %, bei Vectoring sogar bis unter 90 %.

G.fast wird bei Fibre To The Street (FTTS) und Fibre To The Building (FTTB) eingesetzt. In der Praxis werden bei FTTS bis zu 250 m kurze Leitungen bevorzugt, um Bitraten im Bereich einiger 100 Mbit/s bei vernünftiger Signalübertragung zu ermöglichen, was für die meisten Anwendungen heute mehr als ausreichend sein dürfte.

Einheitliche Standards

Eine Schwierigkeit der internationalen Standardisierung besteht darin, dass die Standards für alle möglichen Typen und lokalen Anwendungsszenarien geeignet sein müssen, was das oft jahrelange zähe Ringen um Kompromisse erklärt. In den bisherigen ITU-T-Standards wurden je nach Netzbetreiber zwischen einem Verteilpunkt und dem Hausanschluss eine maximale Distanz von 250 m vorgesehen, was unter optimalen Bedingungen immer noch für einige 100 Mbit/s ausreicht. Mittlerweile sind aber auch 400 m und mehr gefragt.

Bei G.fast sind einstellbare Übertragungsverhältnisse von 90 zu 10 % (Downstream/Upstream) bis hin zur vollen Symmetrie (50/50) vorgesehen. Wie beschrieben nutzt G.fast den Frequenzbereich von 2,2 bis 106 MHz bzw. bis 212 MHz. Wird die G.fast Startfrequenz oberhalb von 17 MHz konfiguriert, so ist es kompatibel zu VDSL2, welches den Frequenzbereich bis 17 MHz nutzt.

Mit diesem Set-up können VDSL2 und G.fast auf derselben Leitung übertragen werden. Denn G.fast teilt das Frequenzband nicht wie bei xDSL-Verfahren üblich in zwei Frequenzbereiche für Up- und Downlink auf, sondern nutzt den gesamten Frequenzbereich zum Senden und Empfangen. Dies gelingt dank dem TDD-Verfahren (Time Division Duplex), das im Wechsel in der einen oder anderen Übertragungsrichtung sendet und empfängt.

Diese Möglichkeit zum Parallelbetrieb von VDSL2 und G.fast ist in einigen Regionen der Schweiz sehr wichtig, weil einige alternative Serviceanbieter (etwa am Lac Leman) Kupferleitungen von Swisscom gemietet haben und VDSL2 parallelzu deren G.fast einsetzen. Hier sind gegenseitige Störungen durch sinnvoll gewählte Startfrequenz von G.fast ausgeschlossen.

Schweizer Spezialitäten

Nun sind die Anschlussnetze weltweit so verschieden wie die Länder selbst. Während in England wie auch in Deutschland zwar feste Kabelkanäle für die Kupferkabel vorhanden, dafür aber die Distanzen zwischen Teilnehmer und Zentrale bis zu mehreren Kilometern lang sind, werden etwa in anderen Ländern wie Belgien die Kupferkabel offen (also ungeschützt) im Boden oder im Sand verlegt. Dies hat zwar Kostenvorteile bei der Verlegung, führt aber immer wieder zu Kabelstörungen durch äussere Beschädigungen (der berüchtigte «Baggereffekt»).

Die Schweiz hat das Glück, dass die früheren PTT zwischen Zentrale und Teilnehmer neben schützenden Kabelkanälen noch einen Zwischenschacht setzten (sogenannter «Manhole», wörtlich «Mannloch», ein Einstiegsschacht). Von diesen zwar engen, aber begehbaren Schächten aus lassen sich neue Kabel leichter einziehen, und bestehende Leitungen sind für Wartungen oder Auswechslungen zugänglich. Daneben bleibt zudem etwas Platz für zusätzliche Übertragungseinrichtungen. So werden bei FTTS neue Glasfaserkabel bis zu den Manholes eingezogen und in einen Micro-CAN eingeführt (mCAN, engl. Micro Copper Access Node). Vorteil: Die Kupferstrecke wird gegenüber FTTC etwa halbiert und die Störeinflüsse sinken.

Umwelteinflüsse

In dem durch ein bestehendes Speisekabel mit Spannung versorgten mCAN erfolgt die Umsetzung von Glas- auf bestehende Kupferkabel zum Teilnehmer hin. Im Swisscom-Netz gibt es ihn für 48 und 16 Teilnehmer (Lieferant Huawei). Detaillierte Installationsanweisungen sind auf der Home-page von Cablex publiziert, und die involvierten Firmen tun gut daran, sie genau zu befolgen, um spätere Störungen zu minimieren.

Diese können u.a. dadurch entstehen, dass Wasser/Feuchtigkeit/Dreck in die Manholes eindringt. Da diese im Winter auch mal –20 °C und im Sommer +40 °C und mehr aufweisen können, sind neben den Kabeln und den Kabelmuffen, welche die Spleissstellen schützen, auch die mCANs sehr unwirtlichen Bedingungen ausgesetzt. Dadurch altern die Kabel schneller und zeigen im Laufe der Jahre Spannungsabfälle, sodass die Speisespannung für die mCANs oft nicht mehr ausreicht.

Bei FTTB wird die Kupferstrecke nochmals gekürzt und die Umwelteinflüsse sind vernachlässigbar, weil die mCANs im geschützten Keller des Gebäudes montiert sind. Allerdings kommt FTTB nur dort zum Einsatz, wo sich in der Nähe des Gebäudes auch ein Manhole befindet. Vorteil: Sollte NG-PON dereinst eingeführt werden (siehe Ende des Artikels), bildet das heutige FTTS die Basis für FTTH. Nachteil ist eine zusätzliche Spleissung der Glasfaser in der Manhole.

«Ultrabreitband» und Kostenoptimierung

Es ist zu beachten, dass hinter den kommunizierten Begriffen «Ultrabreitband» oder «Glasfaser für alle» neben FTTH (reine Glasfaser) die Kupfer- und Koaxialkabel für die Reststrecke in die Wohnungen der Kunden bleiben. Hinzu kommt, dass etwa 1,8 % aller Festnetzanschlüsse noch mit Freileitungen erbracht werden. Diese sind für Vectoring aber ungeeignet, weil sich durch die Bewegung der Kabel bei Wind oder Unwetter und starke Temperaturschwankungen die Übertragungsbedingungen zu schnell ändern. Eine Anbindung solcher Orte mit 4G oder 5G könnte aber eine Lösung darstellen, zumal besonders 4G in der Schweiz flächendeckend ausgebaut ist. Als Alternative bieten einigen Kabellieferanten besonders robuste Glasfaserkabel für Freileitungen an.

Mit dem Technologiemix aus FTTx (x = B, C, H, S) und 4G/5G will Swisscom bis Ende 2021 alle 2100 Gemeinden der Schweiz mit «Ultrabreitband» versorgen. 90 % der Bevölkerung werden dann von Bandbreiten zwischen 80 Mbit/s und 1 Gbit/s profitieren können (Download). Um das Erschliessungstempo mit einer Gemeinde pro Tag hoch und die Kosten im Rahmen zu halten, fokussiert sich das Unternehmen dabei vermehrt auf FTTS und FTTB.

So wurde der Vertrag mit der Groupe E zur flächendeckenden Erschliessung des Kantons Fribourg mit FTTH zunächst gekündigt, nach einer Pause neu verhandelt und in anderer Form wieder abgeschlossen. Swisscom hat damit die gewünschte Flexibilität zurückerhalten und kann so an jedem Standort entscheiden, welche Technik zur Anwendung kommt. FTTHim ganzen Kanton ist daher erst einmal passé.

Vier-Faser-Modell am Ende?

Auch das Vier-Faser-Modell, um das am runden Tisch des BAKOM bis Ende 2011 zäh gefeilscht wurde, wird nicht mehr zwingend und wenn, dann nur unter Kostenbeteiligung des lokalen Ausbaupartners angewendet. Für dieses Vorgehen sind einerseits die Mehrkosten des Vier-Faser-Modells in Höhe von knapp 20 % verantwortlich, aber auch die schweizweit bedenklich tiefe FTTH-Anschlussquote von nur rund 13 % (Stand Ende 2019).

Da man die Hauseigentümer nicht zwingen kann, ihre Liegenschaft und die Wohnungen darin mit dem Glasfasernetz vor der Türe zu verbinden, bleiben sehr viele Fasern ungenutzt. Das hängt einerseits mit dem Unwillen der Hauseigentümer bzw. deren Mieter zusammen, die hausinternen Installationen auf FTTH anzupassen und dafür zu zahlen. Andererseits sind die hiesigen Koaxial- und Kupfernetze in der Mehrzahl in einem so guten Zustand, dass die erzielbaren Datenübertragungsraten für die meisten Anwendungen heute noch ausreichen.

Vielleicht könnte ein Solidaritätsmodell wie im Oberwallis, wo dicht besiedelte Gemeinden weniger dicht besiedelte Orte beim FTTH-Ausbau unterstützen, zur Versorgung aller Wohnregionen mit Glasfasern beitragen. Warum Salt und Sunrise aber nicht selbst Glasfasernetze bauen, sondern nur von bereits gebauten Infrastrukturen (Swiss Fibre Net AG oder Swisscom) zur pauschalen Nutzung zum Fixpreis profitieren möchte, ist eine ebenso rhetorische Frage wie jene, worin der Investitionsanreiz für vier Fasern bestehen soll, wenn sie doch meistens ungenutzt in den Kanälen liegen. ❭

Zauberwort XGS-PON

Vielleicht kommt die Schweiz dank der Vorarbeiten von Swisscom dereinst doch in den Genuss eines abgespeckten FTTHs in Form eines passiven optischen Netzes der nächsten Generation (NG-PON oder XGS-PON). Das Grundprinzip dieser seit über zehn Jahren weltweit bewährten PONs ist einfach. Auf dem Weg von der Zentrale zum Teilnehmer wird die Glasfaser gesplittet. Je nach Splitverhältnis (ankommende Faser verteilt auf Anzahl Teilnehmer) sind mehr oder weniger hohe Bitraten möglich. Dabei werden den Teilnehmern jeweils andere Wellenlängen zugeordnet.

Funktionsweise eines Arrayed Waveguide Grating (AWG) in einem optischen Anschlussnetz: Ein AWG teilt Licht auf einer einkommenden Glasfaser in verschiedene Wellenlängen auf (Downlink vom OLT zur ONU/zum ONT) bzw. vereint sie wieder zu einem gemeinsamen Lichtsignal (Uplink zum OLT). Die Aufteilung in verschiedene Frequenzen nutzt man zur Aufsplittung des Lichtsignals von einer Faser auf unterschiedliche Lichtwellenleiter.

Ein gängiges Splitverhältnis ist 1:32, wo neben der Reservefaser (für den Ausbaupartner) die Swisscom-Faser in den Basic Entry Point (BEP) eingeführt und mit einem passiven optischen Splitter auf 32 Ports aufgeteilt wird. Damit teilen sich 32 Einheiten die 10 Gbit/, was immer noch 312,5 Mbit/s bedeutet (brutto). Problematisch an PONs könnte die Netzarchitektur sein. Denn während bei FTTH eine Point-to-Point-(P2P-)Architektur zur Anwendung kommt, arbeitet ein PON nach dem Point-to-Multipoint-(P2MP-)Prinzip – daher ja der Splitter, der übrigens eine Spannungsversorgung benötigt. Es sind heute keine operativen Fälle bekannt, in denen über einen Splitter parallel mehrere Provider laufen.

XGS-PON in der Schweiz

Swisscom und der Kabelnetzbetreiber DANET Oberwallis AG modernisieren seit 2016 das dortige Anschlussnetz mit FTTx. Bis März 2020 testeten beide Unternehmen die Technologie NG-PON im Rahmen eines Pilotbetriebs. Dabei wurde eine bestehende Glasfaserstrecke, welche von Brig (691 m ü. M.) nach Blatten (1327 m ü. M.) besteht, mit optischen Splittern bestückt. Diese wurden in Blatten anstelle der mCANs installiert, womit die bisherige Kupferleitung durch Glasfaser bis in die Wohnräume ersetzt wurde. NG-PON erreicht zwar nicht die hohen Bandbreiten von FTTH, stellt aufgrund der etwas tieferen Kosten aber eine mögliche Alternative dar.

Ob und wann Swisscom diese Technologie einführt, ist unklar. Auf offiziellem Wege sind keinerlei verlässlichen Informationen dazu verfügbar. Im Oberwallis setzten beide Partner jedenfalls auch in Phase 3 des Ausbaus weiterhin einen FTTx-Technologiemix ein. In den Jahren 2021–25 werden damit weitere rund 11 000 Haushalte und Geschäfte in insgesamt 17 Oberwalliser Gemeinden neu mit Ultrabreitband angeschlossen. Auffallend: In der gemeinsamen Medienmitteilung von Swisscom und DANET vom 17. Juni 2020 ist von XGS-PON keine Rede. Es wird aber Edoardo Baumgartner, Verantwortlicher FTTH-Kooperationen bei Swisscom mit den Worten zitiert: «Die von Swisscom mit FTTx geleisteten Vorinvestitionen sorgen heute für eine leistungsfähige Versorgung der Oberwalliser Gemeinden und sind mittel- bis langfristig wichtige Vorinvestitionen für einen späteren FTTH-Ausbau.»

Der Ausbau mit FTTS und besonders mit FTTB lassen den Rückschluss zu, dass XGS-PON der nächste technologischen Schritt sein könnte – mCAN raus, AWG-Splitter rein. Network41 als Ausbaupartner für FTTS/B hatte dies 2018 auf Baustellen dem Autor gegenüber mündlich bestätigt. Und auch in einem Newsletter der Swisscom-Tochter Cablex vom 19. Juli 2019 war Ähnliches zu lesen: «Ein Thema, das uns im Moment stark beschäftigt und fordert, ist die neue Technologie XGS-PON. Die Einführung dieser neuen Technologie ist für alle Gemeinden 2020 geplant», wobei diese Planung offensichtlich noch nicht umgesetzt wurde.

Auch bei FTTH, ob nun P2P oder P2MP, gilt wohl das Prinzip Hoffnung.

Lesen Sie hierzu auch: Fakten zu FTTH