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DSL - Digital Subscriber Line

Inhaltsverzeichnis

1. Anschlussprinzip

Als DSL wird eine Familie von Übertragungstechniken bezeichnet, die eine breitbandige Internetanbindung über die Kupferleitungen des normalen Telefonnetzes ermöglichen. Die Datenübertragung in beide Richtungen findet gemeinsam mit den Sprachinformationen der analogen (POTS = Plain Old Telephone System) oder digitalen Telefonie auf einem Leitungspaar der Teilnehmeranschlussleitung (TAL) statt. Hierzu werden in der Vermittlungsstelle des Netzbetreibers die Daten der Telefonverbindung und die Internetdaten mittels eines Splitters in zwei getrennten Frequenzbereichen zu einem einzigen Signal zusammengefasst.

Abb. 1: Prinzip eines klassischen DSL-Anschlusses
Abb. 1: Prinzip eines klassischen DSL-Anschlusses

Ein weiterer Splitter beim Teilnehmer trennt die beiden Frequenzbereiche wieder voneinander. Wenn es sich um einen analogen Telefonanschluss handelt, so können Analogtelefone direkt mit dem Splitter verbunden werden. Bei einem ISDN-Zugang, wird an den Splitter der NTBA des ISDN-Busses angeschlossen.
Wenn der verwendete DSL-Router ein integriertes DSL-Modem besitzt, so wird dieser direkt an den DSL-Anschluss des Splitters angeschlossen. Wird ein Router ohne Modem verwendet, so wird das Modem an den DSL-Anschluss des Splitters angeschlossen und der Router an den LAN-Anschluss des Modems.

2. DSL-Varianten

Ursprünglich wurde mit DSL die Übertragungstechnik des ISDN-Basisanschlusses bezeichnet. Erst Ende der 1980er Jahre wurde die Technologie für die aktuellen DSL-Verfahren verfügbar. Da die Technik zu der Zeit noch sehr teuer war, wurde DSL ausschließlich kommerziell eingesetzt. Kennzeichnend für diese frühen Verfahren (z.B. HDSL = High Data Rate Digital Subscriber Line) ist, dass die Datenrate in beide Richtungen gleich hoch sind. Solche Verfahren werden als symmetrisches DSL (SDSL) bezeichnet.
In den 1990er Jahren wurden, hauptsächlich ausgelöst durch die aufkommende private Nutzung und Kommerzialisierung des Internets, DSL-Verfahren entwickelt, die abhängig von der Richtung der Datenübertragung (Download/Upload) unterschiedliche Datenraten aufweisen. Bei den meisten nichtkommerziellen DSL-Anschlüssen ist die Upload-Geschwindigkeit wesentlich geringer als die Downloadgeschwindigkeit. Anschlüsse mit solch unterschiedlichen Übertragungsraten werden meist als asymmetrisches DSL oder ADSL bezeichnet. Abhängig von der eingesetzten Technik wird in Deutschland hierbei zwischen dem ADSL und dem VDSL unterschieden. Bei beiden Übertragungsverfahren existieren mehrere Varianten.

1) ADSL 2 und VDSL 1 werden in Deutschland nicht angeboten.  2) z.Zt. (Mai 2012) wird von der Deutschen Telekom VDSL 2 nur mit eingeschränkten Datenraten angeboten.
1) ADSL 2 und VDSL 1 werden in Deutschland nicht angeboten. 2) z.Zt. (Mai 2012) wird von der Deutschen Telekom VDSL 2 nur mit eingeschränkten Datenraten angeboten.

3. Funktionsprinzip

3.1. ADSL und ADSL2+

Die gegenüber einem analogen Telefonanschluss oder ISDN erreichbaren hohen Datenraten einer DSL-Verbindung beruhen auf der Verwendung eines weitaus größeren Frequenzbereiches zur Datenübertragung.
Die Sprachinformation der analogen Telefonie (POTS) benötigen einen Frequenzbereich von 300Hz bis 3400Hz und beim ISDN 120 kHz. Die klassischen Telefonnetze sind auch lediglich auf die Verwendung dieser niedrigen Frequenzen hin ausgelegt. Seit Jahrzehnten werden zur Übertragung ungeschirmte Doppeladern aus ca. 0,5 mm stärken Kupferdrähten eingesetzt. Als Isolierung der Einzeldrähte diente früher Papier, heute Folien oder eine Kunststoffummantelung. Auch der mechanische Aufbau von Telefonkabeln mit Hunderten oder Tausenden von parallelliegenden Einzeldrähten ist alles andere als für die Übertragung von hohen Frequenzen geeignet. Wurde früher das komplette Fernmeldenetz in Kupfer ausgeführt, ist es heute meist nur noch die "letzte Meile", also der Teilnehmeranschluss zwischen Vermittlungsstelle und dem Teilnehmeranschluss. Die elektrischen Eigenschaften dieser Übertragungsstrecke bilden ein Nadelöhr für die Datenübertragung.

Abb. 2: DSL-Frequenzspektren
Abb. 2: DSL-Frequenzspektren

Da die Pegel zur Übertragung der Daten möglichst niedrig sein müssen (wegen event. Übersprechens in benachbarte Leiter), geschieht die Datenübertragung bei DSL in einem gespreizten Frequenzspektrum im Discrete Multitone-Verfahren (DMT) über verschiedene Träger ("Tones"), die unabhängig voneinander moduliert werden. Der Abstand der Träger zueinander beträgt 4,3125 kHz. Das angewendete Modulationsverfahren (QAM) hängt  von der Übertragungsqualität des Frequenzbandes ab.

Bei der Datenübertragung mit DSL wird die zur Verfügung stehende Bandbreite in drei Frequenzbereiche aufgeteilt:
Die unteren Frequenzen sind für die Telefoniedaten reserviert. Dies sind in Deutschland die Kanäle 1 bis 32, die den Frequenzen 0 bis 138 kHz entsprechen. Diese Art der Reservierung wird als "Annex B" des Standards ITU-T G.992.1 oder auch "DSL über ISDN" bezeichnet. Bei dieser Frequenzreservierung ist es unerheblich, ob die Telefoniedaten analog oder digital über ISDN übertragen werden. In Deutschland wird prinzipiell Annex B benutzt.

Das zweite Band ist das Upstream-Band. Im Upstream-Band werden die ausgehenden Daten (aus Sicht des Teilnehmers) übertragen. Die obere Grenze des Upstream-Bandes ist fest bei 276 kHz. Somit stehen für  ADSL unter Annex B 32 Kanäle zur Upstream-Übertragung zur Verfügung.

Das dritte Band ist das Downstream-Band, in dem die eingehenden Daten übertragen werden. Die Breite des Downstream-Bandes ist abhängig vom jeweiligen ADSL-Standard.  Die Frequenz des obersten Träger liegt bei ADSL auf 1,104 MHz. Das Downstream-Band umfasst somit 192 Träger.
Bei ADSL 2+ wird der Frequenzbereich für die Datenübertragung nach oben auf 2,208 MHz erweitert, sodass 448 Kanäle zur Datenübertragung zur Verfügung stehen.

Einzelne oder Gruppen von Trägern, sowohl im Upstream- als auch im Downstream-Band, können, falls die Kanäle von außen gestört werden, abgeschaltet werden. Durch das Abschalten von Trägern reduziert sich natürlich auch die mögliche Datenrate.

3.2. VDSL, VDSL2

VDSL (Very High Speed Digital Subscriber Line) sowie dessen Nachfolgestandard VDSL2 wurden mit dem Ziel entwickelt, sogenannte "Triple-Play-Dienste" anbieten zu können. Triple Play ist die Zusammenführung von klassischen Telefoniediensten in Form von Analog-/ISDN- oder auch IP-Telefonie, breitbandigem Internetzugang sowie IPTV.
Bei VDSL wird der genutzte Frequenzbereich auf erheblich höhere Frequenzen als bei ADSL erweitert, was es ermöglicht, die Datenübertragungsraten noch wesentlich zu erhöhen.
Die erste Generation von VDSL, später als VDSL1 bezeichnet, konnte sich in Europa, hauptsächlich aus technischen Gründen, nicht durchsetzen. Da bei VDSL1 nicht möglich ist bestimmte Dienste zu priorisieren, war es für die Einführung von Triple Play-Angeboten, speziell IPTV,  nicht geeignet.

Der Nachfolgestandard VDSL2 wurde 2005 von der ITU (International Telecommunication Union) verabschiedet. Schon ab Frühjahr 2006 baute die Deutsche Telekom ein VDSL-Verteilnetz auf, das zunächst auf zwölf Ballungszentren beschränkt war. 2007 folgen mehrere Dutzend weitere Städte. Heute (Mai 2012) ist VDSL2 auch in vielen kleineren Städten und Gemeinden verfügbar. Da VDSL2 als angeblich neuer Markt von der Regulierung der Bundesnetzagentur ausgenommen war, konnten VDSL-Angebote nur über die Deutsche Telekom und deren autorisierten Vermarktern (z.B. 1&1) abonniert werden, was politisch umstritten war und auch zu Einsprüchen und Klagen der EU führte. 2009 wurde die Deutsche Telekom verurteilt ihr VDSL-Netz für Mitbewerber zu öffnen.
Seit 2010 baut auch Vodafone ein eigenes VDSL-Netz auf. Mit dem Zukauf des Kabel-TV- und Kommunikationsanbieters Kabel Deutschland verfügt Vodafon auch flächendeckend direkten Zugang zu den Hausanschlüssen ("Last Mile")

Abb. 3: VDSL2 Frequenzspektrum
Abb. 3: VDSL2 Frequenzspektrum

Wie ADSL und ADSL2 basiert VDSL2 auch auf dem Übertragungsverfahren Discrete Multitone. Der Standard ITU-T G.993.2 sieht acht verschiedene Profile vor, in denen unterschiedliche Grenzfrequenzen, Trägerabstände und Übertragungspegel vorgeben sind. Unterschiedliche Bandpläne definieren die frequenzmäßige Lage der Übertragungsbänder für Nordamerika, Europa und Asien.
Sowohl in den Upstream- als auch im Downstream-Bändern sind einzelne Träger permanent im Pegel gedämpft bzw. abgeschaltet um Störungen des bzw. durch den Amateurfunk zu vermeiden. 
In Deutschland werden hauptsächlich die Profile 8a, 17a und 30a mit den Grenzfrequenzen 8,832 MHz, 12 MHz und 30 MHz eingesetzt.

Tabelle 2: VDSL2-Profile
Tabelle 2: VDSL2-Profile

4. DSL-Infrastruktur und Reichweiten

Werden von einem DSL-Teilnehmer digitale Daten gesendet, werden diese von seinem Computer oder aus seinem Netzwerk über das DSL-Modem zur Vermittlungsstelle des Internet Service Providers (ISP) übertragen.  Am anderen Ende der Teilnehmeranschlussleitung empfängt ein DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) die Daten und führt sie ("aggregiert") sie mit den digitalen Datenströmen, die von einer Anzahl anderer Teilnehmer kommen, auf eine einzige Hochgeschwindigkeitsleitung (SDH/ATM- oder Gigabit Ethernet-Uplink) zusammen. Alle Uplinks einer Region (die Deutsche Telekom hat Deutschland technisch in etwa 80 Regionen aufgeteilt) werden im Konzentratornetz in zwei Stufen mittels Transit- bzw. Aggregation-Switches zusammengeführt. Jede de Regionen verfügt über einen DSL-Access Concentrator (DSL-AC = Einwahlknoten), dessen wichtigste Komponente der Broadband Remote Access Server (B-RAS = Breitband-Zugangsserver oder BB-RAR = Broadband Remote Access Router) bildet.
Der BRAS ist der logische Endpunkt von PPP-, PPPoEE- und ATM (PPPoA)Verbundungen. Der B-RAS weist dem Teilnehmer die  Sitzungsparametern und die dynamischen IP-Adressen zu. Zu diesem Zweck ist er zusätzlich an ein Authentifizierungs-, Autorisierungs-, und Abrechnungs-System (RADIUS-Server) angebunden.
Da es sich beim B-RAS um einen Router handelt, ist er der erste sichtbare Hop zwischen dem Teilnehmer und dem Internet.
Über das auf Glasfasertechnik beruhende schnelle Backbone ist der B-RAS mit dem Internet verbunden.

Abb. 4: Prinzipielle Struktur des Netzes der Deutschen Telekom
Abb. 4: Prinzipielle Struktur des Netzes der Deutschen Telekom

4.1. DSLAMs

DSLAMs (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) sammeln auf örtlicher Ebene den DSL-Datenverkehr der Teilnehmer und leitet ihn an den B-RAS weiter. Ein typischer DSLAM besteht aus einer Reihe von Line Cards und einer Uplink Card. Line Cards und Uplink Card sind über einen schnellen Bus (Backplane) miteinander verbunden.
Die Line Cards haben für eine bestimmte Anzahl (2 bis 96) von Teilnehmern jeweils einen xDSL-Ports. Jeder Port besteht aus einem Transceiver, dessen Sendeleistung automatisch auf die Dämpfung und das Übersprechen zwischen den Teilnehmerleitungen abgeglichen wird. Weiterhin werden über den Transceiver die Übertragungsfrequenzbänder abhängig von der vom Teilnehmer abonnierten Anschlussart (ADSL, ADSL2+ oder VDSL) und Geschwindigkeit festgelegt. Bei einem Telefoniedienst auf der Basis von POTS oder ISDN befindet sich auf jedem Port zusätzlich noch ein Splitter, der das Telefoniesignal einkoppelt (siehe auch Abb. 1).

Abb. 5: Outdoor-DSLAM
Abb. 5: Outdoor-DSLAM
Abb. 6: Outdoor-DSLAM geöffnet
Abb. 6: Outdoor-DSLAM geöffnet
Abb. 7: Architektur eines DSLAMs
Abb. 7: Architektur eines DSLAMs

Die Uplink Card stellt die Verbindung zum Konzentratornetz mit dem B-RAS her. Die Anbindung wurde früher über Kupfer, heute aber durchweg mit Glasfaser gemacht. Als Protokolle kommen ATM und neuerdings auch IP zur Anwendung.

Indoor DSLAMs

In der ersten Generation des DSL waren die DSLAMs direkt in den Ortsvermittlungsstellen integriert (sog. Indoor-DSLAMs). Die Strecken zwischen der Vermittlungsstelle und dem Teilnehmeranschluss können mehrere Kilometer betragen. Die frequenzabhängige Dämpfung in den TALs nimmt mit steigender Entfernung erheblich zu.  Da sich die Download-Bänder im oberen Bereich des Übertragungsspektrum befinden, sind diese am stärksten betroffen. Daher nimmt die Download-Geschwindigkeit mit steigender Entfernung zur Vermittlungsstelle ab. Dieser Effekt ist bei ADSL2+ und VDSL2 besonders ausgeprägt. Somit können diese Dienste nur im nahen Umkreis um die Vermittlungsstelle angeboten werden. Vorteil dieser zentralen Indoor-DSLAMs ist der mögliche Ausbau auf viele Tausend von Teilnehmeranschlüssen.

Abb. 8: Die Reichweite des Netzes ist bei Indoor-DSLAMs erheblich eingeschränkt
Abb. 8: Die Reichweite des Netzes ist bei Indoor-DSLAMs erheblich eingeschränkt
Outdoor-DSLAMs

War mit Indoor-DSLAMs ein Ausbau der DSL-Netze in Ballungszentren möglich, musste man beim Erschließen der Fläche in Vororten oder kleineren Städten andere Wege gehen. Das Schlüsselwort hierzu ist Dezentralisierung. Statt einem zentralen Indoor-DSLAM werden die DSLAMs in hoher Zahl in modifizierte Verteilerkästen am Straßenrand installiert. Jeder DSLAM ist nur für einige Hundert Teilnehmeranschlüsse zuständig. Dieses Heranrücken an den Kunden verkürzt den Weg der TAL auf unter einen Kilometer. Die verbleibende lange Strecke zur Vermittlungsstelle bzw. dem Übergabepunkt zum Konzentratornetz wird in schneller Glasfasertechnik ausgeführt.

Abb. 9: Outdoor-DSLAM verkürzen die Teilnehmeranschlussleitung (TAL) erheblich
Abb. 9: Outdoor-DSLAM verkürzen die Teilnehmeranschlussleitung (TAL) erheblich
Abb. 10: Reichweiten und die erreichbaren Datenraten von DSL-Netzen
Abb. 10: Reichweiten und die erreichbaren Datenraten von DSL-Netzen

5. Die Entwicklung der DSL-Netze

Um auf die Anforderungen der sich entwickelnden neuen Dienste wie VPN (Virtual Private Network) oder Voice over IP (VoIP = "Internettelefonie") eingehen zu können, werden in neuere DSLAMs zusätzliche Funktionen integriert, die es ermöglichen Datenströme abhängig von ihrer Priorität zu kanalisieren (QoS = Quality of Service).

Abb. 11: DSLAMs der zweiten Generation können Datenströme nach Priorität kanalisieren
Abb. 11: DSLAMs der zweiten Generation können Datenströme nach Priorität kanalisieren

Beruhten die DSLAMs der zweiten Generation hauptsächlich auf einer Anbindung über ATM, werden DSLAMs der dritten Generation beispielsweise über Gigabit-Ethernet oder gar über 10 Gigabit-Ethernet direkt ans Internet angebunden. Viele Funktionen, die bislang vom B-RAS wahrgenommen wurden (z.B. DHCP, IP-Routing und ICMP-Snooping), werden immer mehr in diese IP- oder Ethernet-DSLAMs verlagert. Nur eine solche "intelligente" Infrastruktur gestattet ein IPTV (Internet Protocol Television) in HDTV-Qualität mit hoher Kanalauswahl, da nur IP-DSLAMs multicastfähig sind. Die Multicast-Fähigkeit verleiht IP-DSLAMS Router-ähnliche Eigenschaften, was die Übertragung von Live-Streams mit Multimediainhalten erlaubt, ohne dass das Netz zu stark zu belastet wird.

Abb. 12: DSL-Netzwerke der dritten Generation
Abb. 12: DSL-Netzwerke der dritten Generation
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