xDSL Systems

1. Examples of Communication Systems
2. DSL – Digital Subscriber Line
3. xDSL Systems

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Referenzmodelle

Anhand des nachstehenden allgemeinen Referenzmodells der ITU lässt sich schnell erkennen, dass xDSL physikalisch eine reine Zugangsübertragungstechnik ist, die nur im Bereich des Teilnehmeranschlussnetzes zwischen dem Glasfaserabschlusspunkt und dem Netzabschluss beim Endkunden eingesetzt wird.

xDSL–Referenzmodell der ITU

Die Grundelemente des xDSL–Standards sind:

• der Netzwerkabschluss  $\rm (NT)$,
• eine Teilnehmeranschlussleitung  $\rm (TAL)$  und
• der Leitungsabschluss  $\rm (LT)$.

Bei der Umsetzung dieses Referenzmodells in die Praxis gibt es für die Netzbetreiber viele Freiheiten. Allen bisherigen Realisierungen ist gemein, dass sie bereits vorhandene metallische Teilnehmeranschlussleitungen nutzen.

$\text{Beispiel 1:}$  In einem Beispiel wird die in Deutschland am häufigsten anzutreffende Konfiguration gemäß der Grafik dargestellt. Anzumerken ist:

Referenzmodell nach  $\text{1TR112_U-R2-V7.0 DTAG}$

• Bei allen heute eingesetzten xDSL–Varianten ist der in den Modems gewandelte Datendienst mit dem Telefondienst vereint. Damit ist eine Übertragung über das existierende Telefonnetz möglich.
• Durch den Splitter wird das Signal auf beiden Seiten der Teilnehmeranschlussleitung aufgespalten.
• Eine wichtige Schnittstelle wird mit  $\rm U–R2$  bezeichnet (rote Markierung). Diese wurde 2001 in Deutschland von der Deutschen Telekom AG normiert, um auf der Teilnehmerseite beliebige Modems einsetzen zu können. Damit ist der Kunde nicht mehr auf das xDSL–Modem seines Anbieters angewiesen.

Übersicht und Gemeinsamkeiten aller xDSL–Systeme

Die technische Realisierung eines xDSL–Systems beinhaltet viele Systemkomponenten, die auf mehrere Lokalitäten verteilt sein können. Es gibt eine Vielzahl an Realisierungsmöglichkeiten. Zusammenfassend ist zu sagen:

• Die nachfolgend dargestellten Systeme für ADSL und VDSL stellen die zum jetzigen Zeitpunkt (Ende 2009) am häufigsten anzutreffende Umsetzung dar.
  Der Datentransport auf Protokollebene basiert dabei auf der  $\rm ATM$–Technik (Asynchronous Transfer Mode).
• Trotz eines großen Daten–Overheads bietet ATM immer noch Vorteile im Vergleich zu Ethernet in Bezug auf die garantierte Dienstgüte (Quality–of–Service, QoS), das heißt bezüglich effektiver Bitrate, geringer Laufzeitverzögerungen („Delay”) und Jitter.
• Ethernet ermöglicht dagegen sehr hohe Datenübertragungsraten, insbesondere durch die Varianten „10 Gbit/s Ethernet” und „100 Gbit/s Ethernet” (Metro Ethernet). ATM ist dagegen eher für niedrigere Datenraten geeignet.

Es gibt momentan zahlreiche Diskussionen darüber, ob im Zuge von „Next Generation Network”  ATM durch 10 Gbit/s–Ethernet abgelöst werden soll. Allerdings stellt die Umrüstung des Backbones von ATM auf Ethernet einen nicht unerheblichen Investitionsaufwand dar.

$\text{Fazit:}$  Wie schon im Kapitel  Allgemeine Beschreibung von DSL  erwähnt, sind die am meisten eingesetzten xDSL–Varianten

• $\rm ADSL$  sowie  $\rm ADSL2$  bzw.  $\rm ADSL2+$ 
• $\rm VDSL(1)$  und  $\rm VDSL(2)$

so definiert, dass jederzeit der gleichzeitige Betrieb von  POTS  (Plain Old Telephone Service) oder  ISDN  (Integrated Services Digital Network) auf der gleichen Leitung möglich ist. Dies ist auch die Basis der weiteren Beschreibungen.

ADSL – Asymmetric Digital Subscriber Line

Der physikalische Netzabschluss liegt in der Ortsvermittlungsstelle im ADSL–Modem  (ADSL Transmission Unit Central Office,  $\rm ATU–C)$. Vorher wird im  Splitter  das niederfrequente Telefonie–Spektrum noch vom höherfrequenteren ADSL–Spektrum durch Tief– und Hochpassfilterung getrennt.

Modellierung einer ADSL–Verbindung vom Endkunden zur Ortsvermittlung

Die Grafik zeigt eine ADSL–Verbindung vom Endkunden zur Ortsvermittlungsstelle, die nachfolgend in aller Kürze beschrieben wird. Die umgekehrten Datenverbindungswege erfolgen jeweils spiegelbildlich.

• Der Splitter leitet die Telefonsignale zur ISDN/POTS–Vermittlungsstelle weiter und die ADSL–Signale zum  Digital Subscriber Line Access Multiplexer  (DSLAM), in dem das  ADSL Transmission Unit Central Office  (ATU–C) als Einschubkarte realisiert ist.
• Der DSLAM bündelt viele ADSL–Anschlüsse und leitet die Daten nach Decodierung auf ATM–Ebene über Glasfaser zum  ATM Service Access Multiplexer  weiter. Dieser schickt die Daten aller DSLAMs über das Backbone zum  Broadband Remote Access Server  (BBRAS).
• Der BBRAS terminiert die Point–to–Point–Protokoll–Datenverbindung und leitet die IP–Pakete über Router zum Bestimmungsort weiter. Das Backbone besteht aus optischen Komponenten nach dem SDH–Standard  (Synchronous Digital Hierarchy).
• Der an die  Telekommunikations–Anschluss–Einheit  (TAE) angeschlossene Splitter trennt die Signale. Die Telefonsignale werden zu den Telefonie–Endgeräten bzw. zum NTBA geleitet, die ADSL–Signale zum Modem  (ADSL Transmission Unit Remote,  ATU–R). Dieses übernimmt die Decodierung und Weiterleitung der binären Daten zu den angeschlossenen Endgeräten.

Bei der Initialisierung der ADSL–Verbindung führen  $\rm ATU–C$  und  $\rm ATU–R$  ein so genanntes „Training” durch, bei dem je nach Leitungsbeschaffenheit relevante Systemparameter wie Datenrate, Interleaved– und Fast–Modus, usw. ermittelt werden. Die dabei ausgehandelten Parameter bleiben bis zur nächsten Überprüfung und Synchronisation erhalten. Zur Übertragung von Verwaltungsdaten (Overhead) werden bei den ADSL–Systemen statisch 32 kbit pro Rahmen reserviert.

ADSL2 und ADSL2plus

Diese beiden Systemvarianten sind Weiterentwicklungen von ADSL:

• Die verbesserte Systemvariante Asymmetric Digital Subscriber Line Transceivers 2  $\rm (ADSL2)$  wurde 2002 mit der Veröffentlichung der ITU–Empfehlungen  G.992.3  und  G.992.4  spezifiziert.
• 2003 folgte die ITU–Empfehlung  G.992.5: Extended–bandwidth ADSL2  $\rm (ADSL2+)$.

Gegenüber ADSL ergaben sich folgende Änderungen:

• Bei ADSL2 wurde die  Seamless Rate Adaption  (SRA) in den Standard aufgenommen. Diese ermöglicht, die Übertragungsparameter bei zeitvarianter Kanalgüte während des Betriebs ohne Verlust der Synchronisation zu ändern.
• Hierzu prüfen ATU–C und ATU–R periodisch das Signal–to–Noise Ratio  (SNR) der Übertragungskanäle. Verschlechtert sich ein benutzter Kanal, so teilt der Empfänger dem Sender die neue Datenrate und den neuen Sendepegel mit. Nach einem anschließenden  Sync–Flag  werden die Parameter übernommen.
• ADSL2–Systeme bieten darüber hinaus noch vielfältige Diagnosemöglichkeiten auch ohne erfolgte Synchronisation der Modems, ein Feature, das vor allem für die Fehlersuche, Fehleranalyse und Fehlerbehebung wichtig ist.
• Zudem bietet ADSL2 die Möglichkeit, bei ausreichendem SNR die Sendepegel zu reduzieren, um dadurch das Übersprechen zu minimieren und den Durchsatz im Bündelkabel zu erhöhen. Dieses  Power–Cutback  kann nicht nur vom DSLAM, sondern auch vom ATU–R eingeleitet werden.
• Bei ADSL2 ist die Anzahl der Overheadbits nicht mehr festgeschrieben, sondern sie kann zwischen 4 und 32 kbit variieren. Diese Steigerung der Nutzdatenbitrate von bis zu 28 kbit/s pro Datenrahmen ist um so wichtiger, je länger die Strecke zwischen Modem und DSLAM ist.

Als Ergebnis erreichen ADSL2–Systeme eine Übertragungsrate von mehr als 8 Mbit/s (bis zu 12 Mbit/s) im Downstream und mehr als 800 kbit/s (bis zu 3.5 Mbit/s) im Upstream.

Bei ADSL2+ wird die Übertragungsrate im Downstream nochmals gedoppelt; die maximale Rate beträgt theoretisch 25 Mbit/s.

VDSL – Very–high–speed Digital Subscriber Line

VDSL–Systeme sind vom grundsätzlichen Aufbau ihrer Komponenten mit ADSL–Systemen identisch, mit der einzigen Ausnahme, dass durch die Verlagerung des Splitters und des DSLAM von der Ortsvermittlungsstelle in einen Kabelverzweiger der letzte Abschnitt zwischen Netzbetreiber und Kunden – die so genannte „Last Mile” – kürzer wird. Diese Maßnahme war notwendig, da VDSL aufgrund der mit der Leitungslänge stark zunehmenden Dämpfung der höheren Frequenzen seinen Vorteil – die größere Übertragungsgeschwindigkeit – nur auf sehr kurzen Strecken ausspielen kann.

DSLAM und BBRAS werden immer noch über STM–1–Schnittstellen verbunden. Deshalb muss nun auch die Strecke zwischen Ortsvermittlungsstelle und Kabelverzweiger mit Glasfaser verlegt werden.

Modellierung einer VDSL–Verbindung vom Endkunden zur Ortsvermittlungsstelle

Man unterscheidet zwei alternative VDSL–Varianten:

• das auf  QAM  (Quadratur–Amplitudenmodulation) basierende $\rm VDSL(1)$–System, das vorwiegend in Asien eingesetzt wird, und
• das auf  DMT  (Discrete Multitone Transmission) aufbauende $\rm VDSL(2)$–System.

VDSL(1)–Systeme kamen in Deutschland wegen der ungenügenden Fähigkeit, Audio/Video, Telefonie und Internet (Triple Play) in ausreichender Dienstgüte zur Verfügung stellen zu können, nie zum Einsatz. Vielmehr wurde gleich der VDSL(2)–Standard etabliert:  Wegen höherer Performance und größerer Reichweite, der besseren Dienstgüte sowie der Wiederverwendbarkeit von ADSL(2+)–Infrastruktur.

$\text{Fazit:}$  Nachfolgend sind einige wenige Eigenschaften des  $\rm VDSL(2)$–Systems zusammengestellt:

• VDSL(2) erreicht seit 2006 je nach benutztem Standard eine maximale Übertragungsrate von 50 bis 100 Mbit/s.
• Die spezifizierte VDSL(2)–Übertragungsbandbreite von 30 MHz wurde 2009 als die maximal sinnvolle Bandbreite angesehen.
• Bis 2011 wurden zu diesem Zeitpunkt mit ergänzenden Maßnahmen wie dem  Dynamic Spectrum Management  und Advanced Codes  bei kurzen Leitungslängen (bis 300 Meter) Gesamtübertragungsraten von bis zu 280 Mbit/s erwartet.

DSL–Internetzugang aus Sicht der Kommunikationsprotokolle

Manche xDSL–Modems bieten eine  Ethernet–Schnittstelle zum Anschluss der Datenendgeräte an und eine transparente Verbindung zur Gegenstelle, basierend auf dem  Internet-Protokoll. Anzumerken ist:

• Diese Option wird durch die  LAN–Emulation  (RFC2684) sowie das  ATM Adaption Layer Protocol  (AAL5) ermöglicht. Der Ethernet–Datenstrom wird dazu auf ATM umgesetzt.
• Damit entfällt die Installation von ATM–Geräten und vorhandene Ethernet–Hardware kann verwendet werden, was die xDSL–Konfiguration beim Kunden wesentlich vereinfacht.
• Die ATM–Verbindung reicht mindestens bis zum  Broadband Remote Access Server  (BBRAS) und wird dort je nach Backbone–Datenübertragungssystem umgesetzt oder direkt weitergeführt.

Modellierung einer xDSL–Verbindung durch den Einsatz eines xDSL–Modems

Die folgenden Grafiken zeigen die Kommunikation bei einer Internetverbindung nach dem OSI–Modell, wobei  $\rm xDSL$  nur zwischen der   $\rm xTU-R$  auf Kundenseite und der   $\rm xTU-C$  auf Anbieterseite eingesetzt wird (braune Hinterlegung).

Für die erste Grafik wird als xTU–R ein  $\rm xDSL–Modem$  angenommen.

Modellierung einer xDSL–Verbindung durch den Einsatz eines xDSL–Routers

In der zweiten Grafik wird als xTU–R–Schnittstelle ein  $\rm xDSL–Router$  verwendet.

• Dieser ermöglicht den Anschluss mehrerer Endgeräte in einem Netzwerk mit gemeinsam genutzter xDSL–Leitung.
• Hier initialisiert anstelle des Modems ein Router die  Point–to–Point–Protocol–over–Ethernet–Verbindung.

Komponenten eines DSL–Internetzugangs

Abschließend werden notwendige Komponenten für einen DSL–Anschluss aufgelistet. Die Grafik zeigt Beispiele hierfür, meist von der Deutschen Telekom.

Benötigte Komponenten zum Aufbau einer xDSL-Verbindung

$\rm NTBA$:  Die allgemein übliche Bezeichnung ist  Network Termination for ISDN Basic Rate Access. Bei der deutschen Telekom steht der Begriff auch für „Netzterminator Basis Anschluss”. Aufgaben des NTBA sind:

• Mit Hilfe einer Gabelschaltung und einer Echokompensation wird die zweidrahtige UK0–Schnittstelle auf der Anbieterseite in die vierdrahtige S0–Schnittstelle der Teilnehmerseite umgesetzt.
• Außerdem bewerkstelligt der NTBA die ISDN–Codeumsetzung vom MMS43–Code  $\rm (U_{K0}$–Bus)  auf den modifizierten AMI–Code  $\rm (S_{0}$–Bus).

$\rm xTU–R$:  Die Abkürzung steht für  xDSL Transceive Unit – Remote  und bezeichnet die teilnehmerseitige xDSL–Einheit. Bei der Deutschen Telekom – schon immer bekannt für besondere Namensgebungen – ist auch die Bezeichnung  Netzwerkterminationspunkt Breitbandanschluss  (NTBBAE) üblich.

• Wegen der großen Verbreitung von Ethernet weisen heutige xDSL–Modems und Router zur Anbindung der Datenendeinrichtungen meist nur noch einen Ethernet–Anschluss auf. Ursprünglich dienten sie zum teilnehmerseitigen Anschluss von ATM–Datenendgeräten.
• Deshalb muss diese Einheit auch die Funktion einer  Layer–2–Bridge  übernehmen, um Ethernet über ATM zur Terminierung an den  Broadband Remote Access Server  (BBRAS) übertragen zu können.

$\rm xDSL–Modem$:  Bei dieser Funktionseinheit wird die Datenverbindung vom/zum Datenendgerät durch ein Point–to–Point–Protokoll (PPP) über eine  PPP over Ethernet–Verbindung  (PPPoE) initialisiert und vom BBRAS terminiert. Es kommen nur Datenendgerät in Frage, die separat eine Datenverbindung über PPP aufbauen können.

$\rm xDSL–Modem–Router$:  Dieser initialisiert die Datenverbindung über PPP und setzt die Adressen auf IP–Ebene durch. Dadurch können mehrere Endgeräte angeschlossen werden und es ist ein interner Datenaustausches zwischen diesen möglich, ohne sich in diese separat einwählen zu müssen.

$\rm Splitter$:  Dieser ist im Prinzip eine Kombination aus Hoch– und Tiefpass mit drei Schnittstellen, die die Trennung der hochfrequenten xDSL–Datensignale (oberhalb von 138 kHz) von den niederfrequenten POTS– bzw. ISDN–Telefonsignalen (unterhalb von 120 kHz) übernimmt, bzw. deren Kombination.

• Diese  Breitbandanschlusseinheit  (BBAE) – wie sie im Telekom–Jargon auch heißt – ist nichts anderes als eine Frequenzweiche.
• Auf Seite der Teilnehmeranschlussleitung liegt die Summe der Signale an, während sowohl beim Kunden als auch auf der Anbieterseite die xDSL–Daten und die POTS/ISDN-Signale jeweils durch einen Splitter voneinander getrennt sind.

$\rm xTU-C$:  Die Abkürzung steht für xDSL Transceive Unit – Central office. Sie ist die anbieterseitige xDSL–Einheit und wird meist als Leiterplatteneinschub  (Linecard)  für den DSLAM realisiert. Er wird manchmal auch als  Netzwerkterminationspunkt Breitbandanschluss  (NTBBAE) bezeichnet. Der xTU–C terminiert die physikalischen Endkunden–xDSL–Teilnehmeranschlüsse, moduliert teilnehmerseitig den ATM–Bitdatenstrom und demoduliert anbieterseitig das xDSL–Signal.

$\rm DSLAM$:  Die Abkürzung steht für  Digital Subscriber Line Access Multiplexer. Fachleute verwenden für den DSLAM, den es in verschiedenen Ausführungen gibt, auch die Bezeichnung „MXBBA”. In der einfachsten Form terminiert er mit seinen xTU–C–Linecards die physikalischen Teilnehmeranschlüsse. In erweiterter Form ist im DSLAM auch ein  ATM Service Access Multiplexer  integriert.

• Aufgabe des DSLAM ist es, die ATM–Bitströme der Teilnehmeranschlussleitungen zu bündeln und konzentriert im Multiplexverfahren über eine STM–1–Glasfaserschnittstelle ins Anbieternetz weiterzuleiten.
• STM ist ein SDH–Übertragungsstandard zum Multiplexen von optischen Kanälen und steht für  Synchronous Transport Module. STM–1 ermöglicht eine Bitrate von bis zu 155.52 Mbit/s, STM–64 bis zu fast 10 Gbit/s.

Aufgaben zum Kapitel

Aufgabe 2.2: xDSL–Varianten

Aufgabe 2.2Z: DSL–Internetanschluss