Enabler der Konvergenz: Die Trends des künftigen Glasfasernetz-Designs

Für künftige Anwendungsfälle macht die Konvergenz von Fest- und Mobilfunknetzen auf Basis einer gemeinsamen Glasfaserinfrastruktur aus technologischer und wirtschaftlicher Sicht Sinn. Doch welche Anforderungen müssen zukünftige Glasfasernetze als Key Enabler von digitalen Gesellschaften dafür erfüllen.

Konnektivität ist ein Schlüsselfaktor und eine Herausforderung für die Digitalisierung unserer Städte. Der Bandbreitenbedarf der Endnutzer wächst stetig, da sich der durchschnittliche Festnetz-Internetverkehr pro Breitbandanschluss bis 2025 gegenüber 2020 mehr als verdoppeln wird (Analysis Mason, „Fixed Network Data Traffic: Worldwide Trends and Forecasts, 2019–2025,“ Januar 2020) und die mobile Datennutzung pro Anschluss voraussichtlich einen ähnlichen Weg einschlagen wird (Analysis Mason, „Wireless Network Data Traffic: Worldwide Trends and Forecasts 2020–2025,“ 14. Juli 2020). Gleichzeitig stellen IoT- und Smart-City-Anwendungen zusätzliche Anforderungen an die Konnektivität, die sich von denen herkömmlicher Festnetz- und Mobilfunknutzer unterscheiden.

Zunehmende Anwendungsfälle wie autonomes Fahren, Augmented und Virtual Reality oder autonome Drohnen erfordern nicht nur höhere Bandbreiten, sondern auch niedrige Latenzzeiten und eine stärkere Zuverlässigkeit der Verbindungen. Auch wenn sich diese Anwendungen heute meist noch in einem frühen experimentellen Stadium befinden, wird ihr Einsatz in den kommenden Jahren voraussichtlich zunehmen.

Viele dieser Anwendungsfälle werden auf das 5G-Netz und dessen zentrale Merkmale setzen: verbesserte Bandbreite mit Geschwindigkeiten von 10 Gbit/s und mehr, ultra-zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz (URLLC) mit Round-Trip-Zeiten von 10 ms und weniger sowie massive Konnektivität mit bis zu einer Million angeschlossener Geräte pro Quadratkilometer. Und während für den heutigen 5G-Ausbau niedrigere Frequenzbänder genutzt und bestehende Makro-Antennenstandorte wiederverwendet werden, wird sich dies in den kommenden Jahren voraussichtlich allmählich ändern. Die steigenden Anforderungen an die Konnektivität und die daraus resultierende Einführung höherer Frequenzbänder erfordern zumindest in städtischen Regionen eine Verdichtung des Mobilfunknetzes. Es wird erwartet, dass der Einsatz von Small Cells und damit auch die Installation neuer Antennenstandorte deutlich zunehmen wird. Das Ausmaß dieser Verdichtung ist noch nicht absehbar, aber die prognostizierten Szenarien reichen von weniger als 20 Antennenstandorten pro Quadratkilometer bis zu mehr als 200 Antennenstandorten pro Quadratkilometer. Gleichzeitig führt die Implementierung der C-RAN-Architektur und die damit einhergehende Verlagerung der Funktionalität von Mobilfunk-Basisstationen an zentrale Standorte dazu, dass die Anforderungen an Bandbreite und Latenzzeit für Verbindungen von Remote Radio Units an Antennenstandorten steigen. Diese Verbindungen beruhen auf dem (e)CPRI-Protokoll und primär auf Glasfaser als Übertragungsmedium.

Andere Anwendungen, wie z. B. Videoüberwachung oder Wi-Fi-Zugangspunkte werden sich für ihre Verbindungen nicht auf Mobilfunknetze stützen, sondern stellen zusätzliche Bedarfspunkte dar, die die eine Glasfaserverbindung erfordern. 
 

Abbildung 1: Anforderungen an die Konnektivität in Städten

Vor diesem Hintergrund ist es offensichtlich, dass eine moderne Glasfasernetzinfrastruktur, die heutige und zukünftige Anwendungen unterstützt, einer der wichtigsten Entwicklungsfaktoren für die Städte von heute ist. Das Thema Konvergenz von Fest- und Mobilfunknetzen, die auf einer gemeinsamen Glasfaserinfrastruktur basiert, wurde in jüngerer Vergangenheit von Anbietern und Industrieorganisationen thematisiert. Die Schlussfolgerung, dass eine solche Konvergenz sowohl aus technologischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht sinnvoll ist, stellt keine Überraschung dar. Doch welche Anforderungen müssen zukünftige Glasfasernetze erfüllen?

Die wichtigsten Aspekte sind die folgenden:

  • Erhöhte Anzahl von Verbindungen: Neben den privaten und geschäftlichen Festnetzkunden benötigen auch Antennenstandorte und verschiedene andere Bedarfspunkte aktueller und zukünftiger Smart-City-/IoT-Anwendungen einen Glasfaseranschluss.
  • Verlässlichkeit: Während die Zuverlässigkeit der Verbindung für normale Privat- und Geschäftskunden mit Festnetzanschluss keine große Rolle spielt, wird sie für kritische Anwendungen und Antennenstandorte mit höheren Verfügbarkeitsanforderungen entscheidend sein.
  • Fähigkeit, verschiedene Verbindungstypen zu unterstützen: Ein konvergentes Netzwerk muss so ausgelegt sein, dass es mehrere Typen von Nutzern, Anwendungen und Topologien auf derselben Infrastruktur bedienen kann. Festnetzkunden benötigen zum Beispiel eine P2MP-Verbindung, während Antennenstandorte eine (redundante) Direktverbindung erfordern.

Um zu verstehen, wie gut die heutige Netzinfrastruktur ausgestattet ist, um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen, müssen wir uns die derzeitig installierten festen Zugangsnetze ansehen. Die Technologien und Architekturen sind weltweit sehr unterschiedlich.

In vielen Ländern der entwickelten Welt (z. B. in Westeuropa) setzen die installierten Netze noch stark auf die alte Kupfer- und Koax-Infrastruktur, wobei VDSL und DOCSIS, die auf FTTC- und HFC-Architekturen basieren, das Bild dominieren. Es gibt verschiedene Faktoren, die diese Entwicklung vorantreiben, wie z. B. die hohen Kosten für Tiefbauarbeiten und eine solide bestehende Kupfer- und Koax-Infrastruktur, die aufgerüstet wurde, um den Endnutzern höhere Bandbreiten zu bieten. Es ist jedoch klar, dass diese Netze nicht ausreichen, um die anstehenden Anforderungen zu erfüllen und daher in naher Zukunft ausgedient haben werden. Sie sind daher durch vollständige Glasfasernetze zu ersetzen.

Auf der anderen Seite haben viele Städte in anderen Teilen der Welt, wie z. B. im Nahen Osten, in Ostasien und in einigen europäischen Ländern, bereits vor mehr als einem Jahrzehnt auf Glasfaser umgestellt und eine Netzwerkinfrastruktur errichtet, die größtenteils auf verschiedenen Varianten der PON-Technologie und P2MP FTTB/H-Architektur basiert. Diese Netze wurden in erster Linie für die Bedienung der derzeitigen und zukünftigen Festnetzkunden konzipiert und sind für diese Aufgabe noch gut gerüstet. Aber ihre Fähigkeit, die Anforderungen eines konvergenten Netzwerks zu erfüllen, ist in vielen Fällen nicht gegeben und hängt von ihrem Design ab. Obwohl sie leistungsfähiger sind als kupfer- und koaxbasierte Netzwerke, müssen auch einige bestehende Glasfasernetze aufgerüstet werden.

Da die passive Netzwerkinfrastruktur auf eine Lebensdauer von 30 Jahren und mehr ausgelegt ist, müssen die Konzepte und die Architektur zukünftiger Glasfaserzugangsnetze so gewählt werden, dass sie die aktuellen und zukünftigen Anforderungen eines konvergenten Netzwerks erfüllen. Die wichtigsten Gestaltungsprinzipien solcher Netzwerke sind die folgenden:

  • Hohe Anzahl von Fasern: Mit der Notwendigkeit, eine größere Anzahl von Bedarfspunkten anzuschließen, wird eine höhere Anzahl von Fasern benötigt. Zukünftige Glasfaserzugangsnetze müssen sowohl die Anforderungen von Festnetzkunden als auch die Anforderungen von mobilen Antennenstandorten und verschiedenen anderen Anwendungen berücksichtigen. Da die Kosten für passive Netzwerkausrüstung sinken, wird zudem erwartet, dass sich die Topologie im Feld von der derzeit dominierenden Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung (P2MP) in Richtung der Punkt-zu-Punkt-Verbindung (P2P) bewegen wird. Festnetz-Zugangskunden werden weiterhin an Splitter angeschlossen, um die Optical Line Terminals (OLTs) effizient zu nutzen, aber der Standort der Splitter wird sich wahrscheinlich vom Feld zu zentralen Standorten verschieben. Andere Bedarfspunkte wie Antennenstandorte werden mit direkten Glasfaseranschlüssen ausgestattet.
  • Eingebaute Redundanz: Um zuverlässige Verbindungen für kritische Dienste zu gewährleisten, müssen die zukünftigen Netzwerke zumindest in Teilen des Netzwerks redundante Routen implementieren. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist der Wechsel von einer Stern- zu einer Ringtopologie in den Haupt- und eventuell in den Verteilerkabelabschnitten des Netzwerks.
  • Offener Zugang: Das zukünftige konvergente Netzwerk muss Konnektivität für verschiedene Arten von Endnutzern und Anwendungen bieten. Diese Nutzer und Anwendungen werden wahrscheinlich nicht vom gleichen Service Provider bedient oder nutzen nicht die gleiche Netzwerkausrüstung, sodass das zukünftige Netzwerk mit offenen Schnittstellen aufgebaut sein muss und standardisierte Verbindungsdienste wie Dark Fiber und BSA anbieten muss. Obwohl dies schon heute bei einigen Netzen der Fall ist, insbesondere wenn sie öffentlich finanziert werden, wird die Konvergenz diesen Trend beschleunigen.
  • Dezentrale PoP-/FDH-Struktur: Mit einer steigenden Anzahl von Glasfasern, insbesondere im urbanen Umfeld, erwarten wir eine Verlagerung von einem zentralen PoP, der einen größeren Radius bedient, hin zu kleineren, verteilten, miteinander verbundenen zentralen und Edge-PoPs/Fiber Distribution Hubs (FDH), die eine geringere Anzahl von Endnutzern terminieren und Konnektivität, Kollokationsdienste und Stromversorgung für verschiedene Anbieter je nach deren Anforderungen anbieten. Diese Standorte werden in der Lage sein, verschiedene Arten von aktivem Equipment zu hosten, wie Mobilfunknetz- (RAN) und feste Zugangsknoten, sowie eine Edge-Computing-Infrastruktur. Ein solcher Ansatz ermöglicht die Platzierung des richtigen Equipments an den richtigen Netzwerkstandorten.

Diese Gestaltungsprinzipien beschreiben eine zukunftssichere, flexible und belastbare Glasfasernetzinfrastruktur, die vom Design her die vielfältigen Anwendungen eines konvergenten Netzes unterstützt. In welchem Umfang und wie schnell sie angenommen werden, bleibt abzuwarten. In einem Punkt sind wir uns jedoch sicher: Glasfasernetze sind der Key Enabler für die digitale Gesellschaft.

Abbildung 2: Traditionelle PON-Netzwerkarchitektur vs. Konvergente Architektur

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