Aus alt mach neu. Zustand und Ausbaufähigkeit des Fernsehverteilnetzes BK450

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1 TK-DIENSTE ÜBER CATV-NETZE Aus alt mach neu Zustand und Ausbaufähigkeit des Fernsehverteilnetzes BK450 Siegfried Schmoll Die Aufgabe des deutschen Fernsehverteilnetzes BK450 besteht von seiner Anlage her nur in der reinen Verteilung von Fernsehprogrammen. Seine verfügbare Bandbreite ist aber selbst für die heutigen Anforderungen des Verteilfernsehens schon zu klein und behindert somit die Einführung neuer Dienste, ganz zu schweigen von der Realisierung von Rückkanal, Interaktivität, schnellem Internetund Telefonanschluß. Doch mit der Erweiterung der Bandbreite alleine ist es nicht getan. Siegfried Schmoll ist Berater für Netzplanung bei der Alcatel SEL AG in Stuttgart Das Thema in Kürze Im Beitrag auf Seite 27 setzt sich dessen Autor mit der Nutzung der Fernsehkabelnetze für TK-Dienste auseinander und stellt das deutsche Fernsehverteilnetz BK450 schon kurz vor. In diesem Beitrag nun werden weitere Details des BK450-Netzes, seine Ausbaufähigkeit und Nutzung für andere, neue Dienste sowie die Wettbewerbssituation mit konkurrierenden Netzen, Techniken und Übertragungsverfahren aufgezeigt. Das Prinzip des von der Deutschen Telekom aufgebauten und kürzlich verkauften Fernsehverteilnetzes BK450 zeigt Bild 1. Es ist in ca Bereiche aufgeteilt, in die über sog. übergeordnete BK-Verstärkerstellen (übk- VrSt) die zu verteilenden Programme eingespeist werden. Von einer übk- VrSt werden im Mittel vier benutzerseitige BK-Verstärkerstellen (bbkvrst) versorgt, die im Zentrum eines BK-Anschlußbereichs mit max und durchschnittlich angeschlossenen Wohnungen stehen. Diese Anschlußbereiche sind mit denen des Fernsprechnetzes vergleichbar. Eine bbkvrst ist normalerweise in die übkvrst integriert, die restlichen werden über Koaxialkabel mit max. 20 eingeschleiften Verstärkern und mit einer Reichweite von 20 km angeschlossen. Im Durchschnitt ist aber die notwendige Länge und damit die Zahl der Verstärker nur halb so groß. An eine bbkvrst sind die eng verzweigten Baumnetze von durchschnittlich vier Zellen angeschlossen, die die Programme über lineare und verzweigende Verstärker (A-/B-VrP) weiter bis zu den Endverstärkerpunkten (C-VrP) in den KVz an den Straßenecken verteilen, um eine flächendeckende Versorgung innerhalb der Zelle sicherzustellen. Auch auf der Strecke von der bbkvrst zu den C-VrP können wieder max. 20 Verstärker hintereinandergeschaltet sein. Ein C-VrP speist schließlich über ein vergrabenes Koaxialkabel (C-Linie) durchschnittlich 83 Wohnungen, die ihre Signale über kurze, dünne Koaxialkabel (D-Linie) an Ringbandkernen in eingespleißten Taps abgreifen. Letztere können bei einer Erweiterung des Programmangebotes aufgrund ihrer begrenzten Bandbreite eines der größten Probleme darstellen. Die D-Linien enden in den Hausübergabepunkten (HÜP), die die Grenze zwischen den Netzebenen 3 und 4 darstellen. Die weitere Verteilung der Programme innerhalb der NE4 wird für drei Viertel der über Kabelanschlüsse versorgten Teilnehmer von etwa privaten Betreibern und Wohnwirtschaftsunternehmen unterschiedlichster Größe übernommen. Was bietet das BK450 derzeit? Das BK450 hat 17,8 Mio. angeschlossene Wohnungen (47 %) und wäre in der Lage, etwa 25 Mio. Wohnungen (66 %) zu bedienen. Einschließlich der 4 Mio. direkten Anschlüsse über private Netze sind an das Kabel somit 54 % aller Wohnungen angeschlossen, 70 % wären anschließbar. Für die Zuführung der Programme steht der Frequenzbereich bis 446 MHz zur Verfügung, dessen Belegung in der oberen Hälfte von Bild 2 gezeigt ist. Unterhalb 9 MHz gibt es einen Überwachungs- und Dienstkanal. Darüber, von 14,75 bis 28,75 MHz, sind zwei Kanäle in Rückwärtsrichtung eingeplant, die aber nie eingerichtet wurden. Zwischen 47 und 68 MHz liegen drei Fernsehkanäle (K2 bis K4), von denen allerdings der mittlere aufgrund großer Störungen nur sehr beschränkt genutzt werden kann. 80,15 MHz ist eine Pilotfrequenz, die für die Einstellung der Verstärker benötigt 31

2 Bild 1: Prinzip des Fernsehverteilnetzes BK450 wird. Von 87,5 bis 108 MHz werden die Sender des UKW-Rundfunks übertragen, der darüber liegende Bereich von 111 bis 125 MHz ist für das Satellitenradio vorgesehen, kann aber auch zur Übertragung von zwei Fernsehkanälen verwendet werden. Im Frequenzbereich von 111 bis 300 MHz stehen 25 Fernsehkanäle (S4 bis S20, K5 bis K10) bereit, die alle eine Bandbreite von 7 MHz haben und ausschließlich für die Übertragung analoger Fernsehsignale benutzt werden. Der beschriebene Frequenzbereich wurde ursprünglich für das Kabelfernsehen vorgesehen. In einer ersten Ausbaustufe wurde er auf 446 MHz ausgedehnt, um zusätzlich HDTV übertragen zu können. HDTV wurde aber nie eingeführt, statt dessen wurden in dem neu gewonnenen Bereich zwischen 302 und 446 MHz 18 normale Fernsehkanäle mit einer Bandbreite von 8 MHz eingerichtet. Damit stehen heute 33 analoge und 13 digitale Fernsehkanäle zur Verfügung, die ohne Ausnahme belegt sind. Vorliegende Anforderungen von neuen Programmanbietern können nicht erfüllt werden, im Gegenteil sollen belegte Kanäle geräumt werden, weil von ihnen eine Störung sicherheitsrelevanter Funkdienste befürchtet wird oder weil sie selbst durch Cityband-Funk (S6) oder ERMES-Sender (S10) beeinträchtigt werden. Konkurrierende Verfahren Satellitenempfang Die größte Konkurrenz für den Kabelanschluß ist der Empfang über Satellit. Schon heute bezieht über ein Drittel der Haushalte seine Fernsehprogramme direkt oder indirekt über eine Satellitenantenne. Allein Astra stellt über acht Satelliten eine äquivalente Bandbreite von MHz mit 64 analogen und über 70 digitalen Kanälen bereit. Für dieses System wird außerdem derzeit in Zusammenarbeit mit der ESA und Industriepartnern ein kostengünstiger Rückkanal über Satellit (Satmode) entwickelt, der ab Ende 2004 interaktive Dienste erlaubt. Lediglich für das Lokal- oder Regionalfernsehen mit Informationen von räumlich begrenztem Interesse ist der Sat-Empfang nicht geeignet. DVB-T In jüngster Zeit ist dem Kabelanschluß ein neuer Konkurrent durch das terrestrische digitale Verteilfernsehen DVB- T erwachsen. Es basiert auf derselben Technik wie das digitale Kabelfernsehen, benutzt aber für die Ausbreitung ein Funksignal mit erweitertem Frequenzbereich bis 790 MHz mit den Kanälen K21 bis K60, also 40 zusätzlichen Kanälen mit je 8 MHz. Als Übertragungsverfahren wird QPSK, 16- QAM oder 64-QAM im Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM) der Trägerfrequenzen verwendet. Die Signale lassen sich günstigenfalls mit einer kleinen Zimmerantenne empfangen, so daß DVB-T interessant ist für die 10 % Teilnehmer, die heute noch nicht über Kabeloder Satellitenanschluß verfügen, für mobile Anwendungen und für zusätzliche Fernsehgeräte bei fehlender Hausverkabelung. Aufgrund der höheren Störbelastung der Funkstrecke ist meist nur 16-QAM möglich, womit pro Kanal brutto 27,06 Mbit/s oder 14,745 Mbit/s für die Datenübertragung zur Verfügung stehen. In Berlin werden damit vier digital codierte Programme pro Kanal ausgestrahlt. Trotzdem bietet DVB-T aufgrund des breiteren Frequenzbandes mehr Programme als der Kabelanschluß BK450 nach heutigem Stand. Allerdings besteht keine Möglichkeit, einen systemeigenen Rückkanal einzurichten. Sehr günstig ist DVB-T aber für die Verteilung regionaler und lokaler Inhalte, die direkt bei den entsprechenden Sendestationen eingespeist werden können. T-DSL Am meisten gefährdet wird das Kabelnetz durch ADSL. Mit dieser Technik ist heute in Deutschland bereits bei mehr als 3 Mio. Teilnehmern ein schneller Internetanschluß mit 768 kbit/s im Daten- und 128 kbit/s im Rückkanal eingerichtet. Annähernd 90 % aller Telefonteilnehmer können mit dieser Geschwindigkeit versorgt werden, wobei bei einer Verdoppelung der Übertragungsgeschwindigkeit dieser Prozentsatz nur geringfügig zurückgeht. Die Betreiber dieser Anschlüsse beginnen jetzt auch damit, Video on Demand (VoD) bereitzustellen. Möglicher Ausbau des BK450 Erweiterung der Bandbreite Eine Vergrößerung des Programmangebotes, d.h. eine Erweiterung des Frequenzbandes zur Deckung der Nachfrage, ist für die Konkurrenzfähigkeit des BK-Netzes unumgänglich. Weil man in den neu verfügbaren Kanälen nur noch digitale Übertragungstechnik verwenden wird, kann man neben einer besseren Störsicherheit auch eine wesentlich bessere Nutzung der Frequenzbänder und damit eine erhöhte Übertragungskapazität erreichen. Derzeit wird mit 64- stufiger Quadratur-Amplituden-Modulation (64-QAM) gearbeitet, bei der 6 bit in einem Übertragungszustand zusammengefaßt werden können. Damit ist in einem 8 MHz breiten Band eine Übertragungsgeschwindigkeit von etwa 41,712 Mbit/s möglich, 32

3 Bild 2: Frequenzpläne wovon nach Abzug des notwendigen Anteils für Fehlerkorrektur, Multiplex und Synchronisation noch 35,455 Mbit/s für die Datenübertragung bleiben. Darin lassen sich sieben bis acht Fernsehsignale mit PAL-Qualität (MPEG2) unterbringen, eine Zahl, die sich mit der Einführung von MPEG4 noch erhöhen wird. Bei ausreichendem Störabstand ist der Einsatz von 256-QAM geplant, wodurch eine Datenübertragungsrate von 47,274 Mbit/s je Kanal erreicht werden kann. Als neue Dienste können bei größerer Bandbreite Near Video on Demand (NVoD), d.h., ein Film wird mehrfach um 10 bis 15 min versetzt gesendet, Spartenprogramme und Fremdsprachenkanäle angeboten werden. Zudem kann mit einer Set-Top-Box, die mit dem Enhanced Broadcast Profile der Multimedia Home Platform (MHP) ausgerüstet ist, eine Pseudo-Interaktivität bereitgestellt werden. In einem schnellen Datenkanal werden dabei begleitende Informationskanäle zu den laufenden Programmen ausgesendet, die viele Zusatzinformationen enthalten eine Art sehr schneller Videotext, bei dem die Bedienung dem Benutzer interaktiv erscheint. Auch ein elektronischer Programmführer (EPG) ist möglich. Mit der Beschränkung auf die bisherige Aufgabe als reines Verteilnetz, also der bloßen Banderweiterung und der Bereitstellung einer begrenzten Auswahl an Zusatzinformationen, ist aber keine Alleinstellung gegenüber Satellitenfernsehen, T-DSL und nicht einmal DVB-T zu erreichen. Nach einhelliger Meinung der Marktforscher ist ein wirtschaftlicher Erfolg des Kabelnetzes nur durch die Bündelung verschiedener Dienste möglich. Dazu sind Interaktivität mit einem integrierten, breitbandigen Rückkanal und das MHP Interactive Broadcast Profile notwendig. Erst dann ist es möglich, Video on Demand, komplexe Spiele mit mehreren Teilnehmern, schnellen Internetzugang und Telefonanschluß anzubieten. Mit dem breitbandigen Rückkanal kann auch die beim Internetanschluß geforderte, relativ hohe Übertragungsgeschwindigkeit in Rückrichtung erfüllt werden, so daß der Fernseher als Endgerät genutzt werden kann. Weil aber in Deutschland Rückkanäle nur in ganz wenigen Anschlußbereichen vorhanden sind, kann der Internetzugang über das Kabelnetz nicht angeboten werden. Dabei ist für hochwertige Videosignale, die keinen Burst-, sondern Dauerbetrieb mit hoher Übertragungsgeschwindigkeit und guter Übertragungsqualität erfordern, der Kabeldem ADSL-Anschluß überlegen, denn er wurde von Anfang an für die Übertragung von empfindlichen, breitbandigen Analogsignalen mit hoher Güte ausgelegt. Erst die flächendeckende Einführung von VDSL könnte den Telefonanschluß gleichwertig machen. Dazu sind aber, um die KVz mit Fasern anzuschließen, mit Strom zu versorgen und mit DSLAMs auszurüsten, hohe Investitionen notwendig. Das Angebot des gesamten Dienstespektrums kann insgesamt durch ein breitbandiges, mit einem Rückkanal ausgerüsteten Kabelnetz am besten realisiert werden. Mögliche Ausbauvarianten sind im folgenden und die erreichbaren Frequenzbereiche und Kanalaufteilungen in der unteren Hälfte von Bild 2 dargestellt. Das hybride Netz BK2000 HFC Der aufwendigste Ausbau für das BK- Netz ist eine Hybrid-Fiber-Coaxial-Lösung (Bild 3). Ein solches Netz wurde noch von der Telekom-Tochter KDG als BK2000 HFC in Berlin für etwa Wohnungen aufgebaut. Hierbei werden die nun Hub genannten bbkvrst über Lichtwellenleiter (bevorzugt über bidirektionale Ringe) mit den nun als Headend bezeichneten übkvrst verbunden. Außerdem werden die großen Zellen des BK450 in kleinere Einheiten mit max. 800 Wohnungen unterteilt, um sowohl eine größere Bandbreite für jeden Teilnehmer im gemeinsam genutzten Übertragungsmedium als auch ein reduziertes Geräusch durch die angeschlossenen Rückkanalsender zu erreichen. Im Zentrum dieser kleineren Zellen wird anstelle eines C-Verstärkerpunktes ein Glasfaserverstärkerpunkt (GfVrP) mit einem optisch-elektrischen Wandler für den Abwärtskanal und einem elektrisch-optischen Wandler für den Rückkanal installiert, der über Lichtwellenleiter an die bbkvrst angeschlossen wird, über die mit Hilfe von Intensitätsmodulation des Lichtes analoge Signale mit hoher Bandbreite übertragen werden können. Ein GfVrP kann über seine Leitungsverstärker die restlichen Verstärkerpunkte innerhalb seiner Zelle versorgen, allerdings sollten nicht mehr als drei Verstärker in Reihe geschaltet sein. Doch auch diese Verstärkerpunkte benötigen ein zusätzliches Rückkanalmodul und müssen wegen der großen Bandbreite mit der neuesten 33

4 Bild 3: BK2000 HFC Halbleitertechnologie ausgerüstet werden. Aus Kostengründen bleiben vom BK450 hauptsächlich die vergrabenen Koaxialverbindungen zwischen den Verstärkern einer Zelle und von den C-Verstärkerpunkten bis zu den Hausübergabepunkten sowie die Stromversorgung der Verstärker erhalten. Die HFC-Technik ist aber trotzdem noch sehr aufwendig, vor allem aufgrund der Verlegung von Lichtwellenleitern, die etwa 90 % der geschätzten Kosten ausmacht. Über die HFC-Verbindung kann in Abwärtsrichtung ein auf 862 MHz verbreitertes Signal übertragen werden (siehe Bild 2). Dadurch entstehen 45 zusätzliche 8 MHz breite Kanäle, in denen mit der 64-QAM-Technik jeweils 35,455 Mbit/s, zusammen also 1, Gbit/s, übertragen werden können. Unterhalb des Abwärtssignals kann ein Rückkanal eingefügt werden, dessen Bandbreite bis 68 MHz ausgedehnt werden kann, wenn man die Fernsehkanäle K2 bis K4 in den neu gewonnenen Frequenzbereich verlegt. In Rückrichtung stehen dann 15 Bänder mit einer Breite von 3,2 MHz zur Verfügung. Aufgrund der Geräuschbelastung in diesem Bereich kann nur mit 16-QAM gearbeitet werden, so daß man je Band 6,656 Mbit/s erreicht, zusammen also 99,840 Mbit/s. Werden von den neu gewonnenen 45 Abwärtskanälen 21 für Datendienste bereitgestellt, stehen pro Teilnehmer eine mittlere Übertragungsrate von 930 kbit/s in Abwärtsrichtung und 125 kbit/s im Rückkanal zur Verfügung (siehe Tabelle). Das BK450+ Bei dieser Minimallösung bleibt die Konfiguration des BK450 vollständig erhalten, es werden aber alle Verstärker mit Rückkanalmodulen, neuen Diplexern und besseren Entzerrern nachgerüstet. Damit erreicht man eine Bandbreite von 502 MHz, in der sich vier zusätzliche Abwärtskanäle gewinnen lassen. Wenn diese für die Datendienste reserviert werden, lassen sich darin wieder mit 64-QAM 4 x = Mbit/s übertragen. Für Rückkanäle steht bei dieser Lösung der Frequenzbereich von 15 bis 29 MHz zur Verfügung, in dem 16 Bänder mit 0,8-MHz-Breite eingerichtet werden, in denen man mit 16- QAM maximal 16 x Mbit/s = Mbit/s übertragen kann. Für die Datendienste wären somit pro Teilnehmer im Mittel bei Zellen mit Wohnungen in Abwärtsrichtung 57 Mbit/s und im Rückkanal 11 Mbit/s und bei einer max. Zellgröße von Wohnungen entsprechend 28 Mbit/s in Abwärts- und 5 Mbit/s in Rückrichtung verfügbar. Damit ist den konkurrierenden Verfahren nur sehr schwer Paroli zu bieten. Das BK2k2 Dieses Verfahren bietet sich als Kompromiß zwischen dem HFC- und dem Vergleichstabelle der Ausbauvarianten BK450-Netz an. Zwar wird auch hier die Konfiguration des BK450 beibehalten, aber alle Verstärker werden mit der modernen BK2000-Technik für größere Bandbreite ausgerüstet. Aufgrund der besseren Qualität ist es empfehlenswert, die Verbindungen zwischen übkvrst und bbkvrst mit Lichtwellenleitern zu realisieren. Mit dieser Technik gewinnt man im schlechtesten Fall bei 20 in Reihe geschalteten Verstärkern eine Bandbreite von 606 MHz oder 17 neue Kanäle. Beschränkt man die Zahl der in Reihe geschalteten Verstärker auf den Mittelwert von 10, sind es sogar 702 MHz oder 29 Kanäle. Aufgrund der größeren Bandbreite können hier wieder die Fernsehkanäle K2 bis K4 verlegt werden, so daß der beim BK2000 HFC beschriebene breitere Rückkanalbereich verfügbar ist, in dem dann 32 Bänder mit je 0,8 MHz eingerichtet werden können. Wenn man von 17 neuen Kanälen in Abwärtsrichtung neun für die Datenübertragung bereitstellt, bekommt man mit 64-QAM eine Gesamtkapazität von 9 x Mbit/s = Mbit/s. Für die Rückkanäle erhält man mit 16-QAM 32 x Mbit/s = Mbit/s. Im Mittel wären somit pro Teilnehmer bei Zellen mit Wohnungen für die Datendienste 128 Mbit/s und für die Rückkanäle 21 Mbit/s bzw. mit Wohnungen 64 Mbit/s in Abwärts- und 11 Mbit/s in Rückrichtung verfügbar. Bei Anschlußbereichen mit nur zehn hintereinandergeschalteten Verstärkern wären es bei 15 Datenkanälen 213 Mbit/s und 21 Mbit/s für die mittleren bzw. 106 Mbit/s und 11 Mbit/s für die großen Zellen. 34

5 Das BK2k2 hat den Vorteil, daß in der Ausgangssituation mit nur geringer Teilnehmerdichte ein kostengünstiges Netz aufgebaut werden kann. Nimmt die Teilnehmerdichte später zu, kann durch den gezielten Einsatz von Glasfaserverstärkerpunkten und Lichtwellenleitern eine individuelle Anpassung erreicht werden, ohne daß der Rest des Netzes geändert werden muß. Ein voll ausgebautes Netz Mit BK2000 HFC oder BK2k2 können interaktive Videodienste und Spiele, schneller Internet- und ein Telefonanschluß geboten werden (Bild 4). Der Teilnehmer benötigt zusätzlich eine Set- Top-Box mit Rückkanal für die digitalen, interaktiven Dienste, ein Kabelmodem (CM) für den schnellen Internetzugang und einen Media-Terminal- Adapter (MTA) für das Telefon. Videound Internetanschluß arbeiten mit MHP Interactive Broadcast Profile. Den Abschluß des Kabelnetzes bildet das Cable Modem Termination System (CMTS), das die Schnittstellen zu lokalen Servern, zum ATM-Netz und Internet und ggf. zu einem Gateway L, das die Telefonsignale über eine V5.x-Schnittstelle direkt an eine Ortsvermittlung übergibt, bildet. Der Anschluß an die Ortsvermittlung kann auch über das ATM-Netz und ein entferntes Gateway-ATM erfolgen. Dieser direkte Übergang, der von einigen Bild 4: Voll ausgebautes Kabelnetz Stadtnetzbetreibern bereits erfolgreich betrieben wird, ist eine zuverlässige Lösung und für Betreiber mit eigener Vermittlungsstelle oder Zugriff auf eine solche sehr günstig. Mit zunehmender Akzeptanz und Verbesserung von Voice over IP wird aber eine Verbindung durch das Internet und der Übergang zum Fernsprechnetz über ein Gateway-IP und die Steuerung dieser Verbindung und des Gateways durch einen Call Server erfolgen. Zusammenführen von NE Die Trennung in die Netzebenen 3 und 4 mit jeweils unabhängigen Gesellschaften, die den NE3-Betreibern den Zugang zu Endkundenbeziehungen verwehrt, und die unterschiedliche Qualität des Netzausbaus in der NE 4 stellen ein großes Problem für die NE3- Betreiber dar. Der Zugang zum Endkunden läßt sich nicht mit technischen Mitteln erzwingen, die Betreiber der NE 3 müssen vielmehr zu Verträgen mit den NE4-Besitzern kommen. Ansonsten besteht für sie eine weitere Gefahr, denn die Stadtnetz- und die großen NE4-Betreiber immerhin besitzen vier Betreiber ein Viertel der Endkunden sind sehr wohl in der Lage, sich unabhängig zu machen und eigene Einspeisestellen aufzubauen. (bk) 35