General Description of DSL

1 # OVERVIEW OF THE SECOND MAIN CHAPTER #
2 Motivation for xDSL
3 xDSL types and terms
4 Historical development of xDSL - standardizations
5 Europäische ADSL– und VDSL–Entwicklung
6 Die rasante Entwicklung der DSL–Anschlüsse
7 DSL–Zielvorgaben für Deutschland aus Sicht des Jahres 2008
8 Aufgabe zum Kapitel

# OVERVIEW OF THE SECOND MAIN CHAPTER #

$\rm D$igital $\rm S$ubscriber $\rm L$ine – $\rm DSL$ for short – was synonymous with high-speed Internet access in the local loop to the end customer, although "high-speed" must be put into perspective today (2018). In what follows, we will predominantly use the industry term $\rm xDSL$ to refer to high-speed access, with "$\rm x$" as a placeholder for the specific process, for example $\rm H$DSL, $\rm A$DSL, and $\rm V$DSL.

xDSL has been significantly standardized by the standards bodies ANSI (USA) and ETSI (Europe) as well as the ITU (worldwide). Due to different pre-existing technical conditions and preferences of developers and operators, a large variety of nationally different versions of nominally identical xDSL standards resulted. In the following, we will restrict ourselves primarily to the German xDSL versions.

This chapter contains in detail:

an overview of the historical development and standardization of xDSL,
the differences between ADSL and VDSL as well as statistics on their penetration,
a brief description of xDSL from a communications protocol perspective,
the bandwidth allocations for the two xDSL variants ADSL and VDSL,
a detailed description of the DSL transmission methods QAM, CAP and DMT,
the problems of digital signal transmission over copper twisted pairs in general,
the relationship between SNR, range and transmission rate,
the error correction measures used to reduce the bit error rate.

Motivation for xDSL

The different variants of $\rm xDSL$ - Digital Subscriber Line arose from the need to provide end customers with low-cost, high-rate digital data access. The design had to take into account:

The so-called Last Mile - the last line section leading to the subscriber household and referred to as the Subscriber Line - represents the largest cost factor in a communications network, since the network branches out to the maximum in the local loop area.
Considerations to replace the estimated 130 million kilometers of copper twisted pairs in the local loop network with fiber optic lines (fiber-to-the-home, FttH) have failed to date due to the enormous costs of the mostly underground laying work.
A viable solution was to offer a broadband connection with somewhat lower data rates than in a fiber optic network by using the existing telephone line network and by cleverly combining different messaging techniques and coding methods.
The telephone service - either analog or digital (ISDN) - should be able to operate simultaneously on the same network.

Subscriber line area of a telecommunications network

$\text{Example 1:}$ The graphic shows the last mile

between local exchange
and the end customer.

xDSL types and terms

Before we turn to the historical development of DSL up to the current state, the various types of xDSL must first be defined and some terms explained. The technical features will be covered in depth in the next chapters.

$\text{ADSL}$ – Asymmetric Digital Subscriber Line:
Asymmetric data transmission technology with data rates of 8 Mbit/s to the subscriber (downstream) and 1 Mbit/s in the opposite direction (upstream).
$\text{ADSL2}$ and $\text{ADSL2+}$:
Extensions of ADSL with data rates of up to 25 Mbit/s to the subscriber and up to 1 Mbit/s upstream. The data rate is dynamically negotiated depending on the channel state.
$\text{Re-ADSL2}$:
Another extension of ADSL with about 30% range gain at a data rate of 768 kbit/s downstream.
$\text{HDSL}$ – High Data Rate Digital Subscriber Line:
Symmetrical data transmission technology - i.e. equal rates in downstream and upstream - with data rates between 1.54 Mbit/s and 2.04 Mbit/s.
Note: The name "HDSL" suggests higher data rates than ADSL; however, this is not the case.
$\text{SDSL}$ – Symmetric Digital Subscriber Line:
Symmetrical data transmission at rates of up to 3 Mbit/s. With four-wire wiring (two copper twisted pairs), a maximum of 4 Mbit/s can be transmitted. Alternatively, the range can be increased at the expense of bandwidth.
$\text{VDSL}$ – Very High Data Rate Digital Subscriber Line:
A newer transmission technology based on QAM that operates in the asymmetrical variant with bit rates of 25 to 50 Mbit/s downstream and 5 to 10 Mbit/s upstream. The symmetrical variant has the same data transmission rates in the upstream and downstream.
$\text{VDSL2}$ – Very High Data Rate Digital Subscriber Line 2:
Transmission technology with the currently (2009) highest total data rate of up to 200 Mbit/s. The process is based on DMT (Discrete Multitone Transmission).
$\text{UDSL}$ or $\text{UADSL}$ - Universal (Asymmetric) Digital Subscriber Line.

There are also many products circulating under "DSL" that are not part of the xDSL standard. They are often only intended to make it clear that fast data access is involved. These include:

$\text{cableDSL}$: Brand name of the German company TELES AG, which offers high-speed Internet access via cable. The name was chosen for marketing reasons only.
$\text{skyDSL}$: Brand name for Internet access available throughout Europe via satellite with up to 24 Mbit/s downstream. The upstream here is via POTS (Plain old telephone service) or ISDN (Integrated Services Digital Network).
$\text{T-DSL via satellite}$: Brand name for a downstream Internet access of Telekom via satellite; uses a conventional modem or an ISDN connection for transmission.
$\text{WDSL}$ - Wireless Digital Subscriber Line: Brand name of a German company that uses wireless technology to enable data rates of up to 108 Mbit/s in DSL-free areas.
$\text{mvoxSatellit}$: Brand name of an Internet access with "WiMAX-like radio technology", which, like WDSL and PortableDSL, is only an auxiliary construct for DSL-free areas.

Historical development of xDSL - standardizations

The need for digital subscriber lines to improve line utilization and increase customer convenience was recognized as early as the 1970s. After the ISDN specification in the early 1980s, the actual development of DSL began.

This development was influenced by the findings of many groups located around the world. Accordingly, standardization proceeded in an unstructured manner. From the list below ("Milestones"), it is clear that different committees around the world were in charge of the various standards.
In the industry, the technical realizations of the individual xDSL standards often deviated noticeably from the specification. For example, some standards were started as projects even before the specification, since the industry parties were also represented in the standardization committees.

Industrial xDSL development

The graphic illustrates relationships between.

milestones in the theoretical and practical design of transmission systems,
parallel advances in semiconductor development, and the
realization of the individual xDSL standards with the corresponding data rates.

Here are thenbsp; Milestonesnbsp; of DSL development in short form:

1986 A first concept for HDSL (High-bit-rate Digital Subscriber Line) is defined by AT&T, Bell Laboratories and Bellcore.
1989 First HDSL prototypes appear. # Bellcore meanwhile works on the conceptual definition of ADSL.
1992 In February, first publication of ANSI Technical Report E1T1/92-002R1: "High Bit-rate Digital Subscriber Line - HDSL". # The first prototypes for ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) appear.
1994 The VDSL concept (Very-high-speed Digital Subscriber Line) is discussed for the first time.
1995 Publication of ETSI Technical Report ETR 152: High-bit-rate Digital Subscriber Line (HDSL) and Transmission Systems on Metallic Local Lines.
# First field trials with ADSL in the USA. # Publication of ADSL Standard ANSI T1.413: "Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) Metallic Interface".
1996 First publication of ETSI Technical Report ETR 328: Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) and Transmission and Multiplexing (TM).
1998 In April, first publication of the ETSI Technical Specification TS 101 270-1 V1.1.1: "Very-high-speed Digital Subscriber Line (VDSL)".
# Nahezu zeitgleich erstmalige Veröffentlichung des ANSI Draft Technical Document T1E1.4/98–043R1: „Very–high–speed Digital Subscriber Lines”. # Im Oktober erste Veröffentlichung der ITU–Empfehlung G.991.1: „High–bit–rate Digital Subscriber Line (HDSL) Transceivers”. # Nahezu zeitgleich Veröffentlichung der ETSI Technical Specification TS 101 135: „High–bit–rate Digital Subscriber Line (HDSL) – Transmission Systems on Metallic Local Lines”. # Im November Veröffentlichung der ETSI Technical Specification TS 101 388 V1.1.1: „Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) – European Specific Requirements”.
1999 Im Juni Veröffentlichung der ITU–Empfehlungen G.992.1: „Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) Transceivers” und G.992.2: „Splitterless Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) Transceivers”. # Am 22.07. bietet die Deutsche Telekom AG erstmals ADSL in Deutschland an (T–DSL 768).
2001 Im Februar Veröffentlichung der ITU–Empfehlung G.991.2: „Single–pair High–speed Digital Subscriber Line (SHDSL) Transceivers”.
# Im November Veröffentlichung der ITU–Empfehlung G.993.1: Very–high–speed Digital Subscriber Line transceivers (VDSL).
2002 Erstmalige Veröffentlichungen der ITU–Empfehlungen G.992.3: „Asymmetric Digital Subscriber Line Transceivers 2 (ADSL2)” sowie G.992.4: „Splitterless Asymmetric Digital Subscriber Line Transceivers 2 (splitterless ADSL2)” .
2003 Erste Veröffentlichung der ITU–Empfehlung G.992.5: „Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) Transceivers – Extended-bandwidth ADSL2 (ADSL2+)” .
2006 Im Februar Veröffentlichung der ITU–Empfehlung G.993.2: „Very–high–speed Digital Subscriber Line Transceivers 2 (VDSL2)”. # Im Oktober bietet die Deutsche Telekom AG erstmals für Endkunden in ausgewählten Städten VDSL2 an.

Europäische ADSL– und VDSL–Entwicklung

Aus der obigen Zusammenstellung erkennt man, dass die ADSL–Standardisierung vorwiegend von ANSI (American National Standards Institute) vorangetrieben wurde und dass jeweils kurz danach die ETSI (European Telecommunications Standards Institute) nachlegte:

Der erste ADSL–Standard (ANSI T1.413) aus dem Jahr 1995 war vorwiegend für Video–Abrufdienste optimiert, was auch durch das Verhältnis der hierin definierten Down– und Upstream–Datenraten deutlich wird: 1.5 Mbit/s und 16 kbit/s, 3 Mbit/s und 16 kbit/s, und schließlich 6 Mbit/s und 64 kbit/s.
Der Frequenzbereich war ursprünglich so festgelegt, dass man mit ADSL nur ein analoges Telefon auf der Anschlussleitung betreiben konnte. ETSI veröffentlichte 1996 einen technischen Report (ETR 328) mit nur wenigen Detailänderungen und der Möglichkeit, 2048 kbit/s zu übertragen.
Da die zweite Version des ANSI–Standards ebenfalls nur ein zusätzliches Analogtelefon zuließ, definierte die ETSI daraufhin ein ADSL–System, das sich sowohl in den Bitraten als auch in der Möglichkeit der Nutzung eines ISDN–Basisanschlusses auf der gleichen Doppelader unterschied.
Die ANSI– und ETSI–Standardisierungsbestrebungen der Vorjahre mündeten 1999 in die ITU–Empfehlung G.992.1, die beide Standards beinhaltet und somit viele Möglichkeiten der Realisierung zulässt.

Die vielen Optionen führten allerdings Ende der 1990er Jahre zu großen konzeptionellen Unterschieden – weltweit, innereuropäisch und auch national, unter anderem abhängig vom Halbleiterhersteller. Nur wenige Systeme, Modems und Messgeräte interoperierten mit anderen Herstellern.

Um diesem Wildwuchs entgegenzuwirken, verabschiedete die Deutsche Telekom AG Ende 2001 die Technische Richtlinie 1TR112, in der alle nötigen Schnittstellenparameter festgelegt werden, um die Interoperabilität verschiedener Herstellermodems auf Anbieter– und Kundenseite zu gewährleisten. Durch die Marktmacht der Telekom wurde diese zum Quasi–Standard für Deutschland. Des Weiteren wurden in Deutschland auch nur solche ADSL–Varianten eingesetzt, die jederzeit einen gleichzeitigen Betrieb von ISDN ermöglichten. Somit musste beim Wechsel von POTS auf ISDN nicht auch noch die ADSL–Version gewechselt werden.

Die für Europa relevante VDSL–Standardisierung wurde maßgeblich von der ETSI geprägt und geschah oft parallel zu den amerikanischen Aktivitäten. Insgesamt lief die Standardisierung von VDSL geordneter ab als bei ADSL. Der von ETSI beschlossene 3–Stufen–Plan sah vor:

Stufe 1: Funktionale und elektrische Anforderungen an VDSL–Systeme,
Stufe 2: Anforderungen an die Übertragungscodierung und die Zugriffsmethoden,
Stufe 3: Interoperabilitätsanforderungen.

Diese Anstrengungen mündeten im April 1998 in der Veröffentlichung der ETSI Technical Specification TS 101 270-1, die als Modulationsverfahren sowohl DMT (Discrete Multitone Transmission) als auch QAM (Quadratur–Amplitudenmodulation) zuließ. Die Halbleiter–Hersteller konnten sich lange nicht auf einen weltweiten Leitungscode–Standard einigen und man sprach sogar vom VDSL Line-Code War. 2003 wurde bei den so genannten VDSL Olympics zugunsten von DMT und gegen QAM bzw. der leicht modifizierten Variante CAP (Carrierless Amplitude Phase Modulation) entschieden, und zwar

wegen der Robustheit von DMT gegenüber schmalbandigen Störquellen,
obwohl QAM (CAP) einen schnelleren Verbindungsaufbau ermöglichen würde.

Die folgenden Seiten nicht Übersetzen. Erst wieder Exercises

Die rasante Entwicklung der DSL–Anschlüsse

Die folgenden sieben Statistiken sind heute sicher nicht mehr aussagekräftig. Sie belegen aber die enorme Entwicklung der DSL–Anschlüsse im ersten Jahrzehnt dieses Jahrtausends.

Grafik 1: Entwicklung der Breitband– und Schmalbandanschlüssen in Deutschland

Anfang 2000 wurde für das Jahr 2004 eine DSL–Verbreitung von ca. 6 Millionen Anschlüssen (für Europa) und 1.6 Millionen (für Deutschland) prognostiziert.
Die Prognosen wurden deutlich überboten (siehe Grafik 1). In Deutschland stieg die Zahl der Breitbandanschlüsse (xDSL und Sonstige, vorwiegend xDSL) durchschnittlich um etwa 50% jährlich.
Gleichzeitig stagnierte die Zahl der Schmalbandanschlüsse (ISDN + Analog) mit einer Verschiebung zu ISDN. Dies zeigt den Trend zu komfortablen, digitalen Telefonanschlüssen um die Jartausendwende, während der Plain Old Telephone Servive mehr und mehr verschwand.

Grafik 2: xDSL–Anschlüsse und xDSL–Abdeckung im europäischen Vergleich (2005)

2005 hielt Deutschland mit fast 8 Millionen xDSL–Teilnehmeranschlüssen die Spitzenposition in Europa, wie die zweite Grafik zeigt (blaue Balken).
In der Bevölkerungsabdeckung (wieviele Bewohner nutzen DSL prozentual?) lagen allerdings andere Länder (Finnland, die Niederlande, Dänemark, Frankreich) mit mehr als 13% im europaweiten Vergleich vorne (rote Balken).

Grafik 3: Entwicklung der Breitbandanschlüsse in Europa, aufgeteilt nach Technologie (2000–2008)

Zwischen 2000 bis 2008 haben sich die Zahlen in Europa fast explosionsartig weiterentwickelt. xDSL war 2008 in fast allen Ländern die führende Zugangstechnologie mit einer beachtenswerten Entwicklung:

In der Europäischen Union wurde für 2008 eine Breitbandverfügbarkeit für mindestens 95% der Bevölkerung angestrebt. Die „weißen Flecken” komplett abzuschaffen, war derzeit leider noch nicht möglich.
Ende 2008 verfügten mehr als 114 Millionen Europäer über einen Breitbandanschluss, größtenteils xDSL–Anschlüsse. Dies entsprach einer Steigerung von ca. 29% pro Jahr über die Jahre 2004–2008 gemittelt (siehe die für Europa geltende Grafik 3).

Grafik 4: xDSL im weltweiten Vergleich 2007 („Top 10”)

Die Grafik 4 zeigt die „Top 10” weltweit im Jahr 2008:

Hier wies China mit ca. 43 Millionen die meisten xDSL–Teilnehmeranschlüsse auf.
In der Bevölkerungsabdeckung lieferte Frankreich ein beachtliches Ergebnis mit 24%.
Deutschland lag bei beiden Betrachtungsweisen im oberen Mittelfeld.
Die Prognosen des DSL–Forums gingen für 2010 weltweit von 500 Millionen xDSL–Anschlüssen aus.

Grafik 5: Breitbandanschlüsse in den OECD-Länder Ende 2008

Die Grafik 5 zeigt die Anzahl der Breitbandanschlüsse Ende 2008 ingesamt (xDSL, Kabel und Glasfaser) in 15 Mitgliedsländern der Organisation for Economic Co–operation and Development (OECD).

Die USA lagen hier mit knapp über 30 Millionen xDSL–Zugängen vorne.
Deutschland folgte an zweiter Stelle mit rund 20 Millionen xDSL–Zugängen.

Grafik 6: Breitbandabdeckung in der Bevölkerung der OECD-Länder Ende 2008

Die Statistik ändert sich grundlegend, wenn man die Breitbandabdeckung in der Bevölkerung betrachtet (siehe Grafik 6).

Hier war (das einwohnermäßig kleine) Island mit einer xDSL–Abdeckung von 31.6% der Bevölkerung führend vor Frankreich mit 26.6%.
Deutschland lag an fünfter Stelle mit 25.4%.
Die USA, Japan und Südkorea waren 2008 bezüglich Flächenabdechung mit jeweils unter 10% nicht unter den ersten 15 Ländern.
Zu berücksichtigen ist allerdings, dass in diesen Ländern bereits zu dieser Zeit begonnen wurde, Glasfaserleitungen bis zum Kunden zu verlegen (Fiber–to–the–Home, FttH). Diese Anschlüsse fallen aus der xDSL–Statistik heraus.

Grafik 7: „Top 30” der schnellsten DSL–Angebote 2008

Die Grafik 7 zeigt, in welchen OECD–Ländern 2008 die schnellsten DSL–Zugänge angeboten wurden („Top 30”).

Vorne lagen mit 100 Mbit/s Datenrate Korea und Japan dank der VDSL(2)–Technologie.
Deutschland kam gemeinsam mit Dänemark an dritter Stelle mit 50 Mbit/s. Hier wird ebenfalls der VDSL(2)–Standard verwendet; die kleinere Datenrate ergibt sich aufgrund der größeren Leitungslänge im Teilnehmeranschlussbereich.
Allerdings war diese hochratige Breitbandversorgung auch in Deutschland derzeit noch auf nur wenige städtische Gebiete beschränkt.
Auch heute (2018) ist die "Digital–Situation" allerdings noch nicht befriedigend und hinkt der Versorgung in anderen Ländern hinterher.

DSL–Zielvorgaben für Deutschland aus Sicht des Jahres 2008

Die Bundesregierung legte 2003 in ihrem Programm „Informationsgesellschaft Deutschland 2006” für 2010 das Ziel von mindestens 20 Millionen Breitbandanschlüssen fest. Ende 2008 gab es in Deutschland laut Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie rund 23 Millionen Breitbandzugänge, womit 60% der Haushalte abgedeckt waren. Mehr als 21 Millionen (91%) davon sind xDSL–Anschlüsse und 8% Kabelanschlüsse. Die restlichen Breitbandzugänge verteilen sich auf Satellit, Glasfaser und WLAN.

Laut der Breitbandstrategie der Bundesregierung vom Februar 2009 sollten

alle Lücken in der Breitbandversorgung bis Ende 2010 geschlossen werden und flächendeckend leistungsfähige Breitbandanschlüsse – darunter versteht man Datenraten im Downstream von mindestens 1 Mbit/s – verfügbar sein,
bis 2014 bereits für 75% der Haushalte Anschlüsse mit Datenraten von mindestens 50 Mbit/s zur Verfügung stehen und möglichst bald flächendeckend verfügbar sein.

Grafik 8: DSL–Verfügbarkeit in Deutschland (Breitbandatlas)

Die letzte Grafik dieses Kapitels zeigt die DSL–Verfügbarkeit in Deutschland Ende 2008 allgemein (links) bzw. mit Datenraten größer als 1 Mbit/s (rechts).

Im linken Bild erkennt man viele sattgrüne oder zumindest hellgrüne Bereiche, die eine DSL–Verfügbarkeit von mehr als 75% kennzeichnen.
Allerdings gab es insbesondere in Ostdeutschland auch noch viele weiße und rote Gebiete (Verfügbarkeit unter 25%).
Im rechten Bild überwiegt gelb (Verfügbarkeit zwischen 50 und 75%).

Aufgabe zum Kapitel

Aufgabe 2.1: Grundsätzliches zu xDSL