Black Box erklärt: DSL

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1 Black Box erklärt: DSL Entstehung Schon Ende der 80er, spätestens Anfang der 90er Jahre erkannte man, daß die herkömmlichen Datenübertragungssysteme der wachsenden Internetgemeinde und deren Anforderungen nicht mehr gewachsen waren. Analoge Modems nutzen über POTS (Plain old telephone service / einfach der alte Telefondienst) nur einen Frequenzbereich von 300 Hz bis 3,4 khz, bei einer maximalen Übertragungsrate von 56 kbit/s. ISDN (Integrated services digital network / Dienst integrierendes digitales Fernmeldenetz) arbeitet von 0 bis 120 khz bei einer Übertragungsrate von 144 kbit/s (2 x 64 kbit/s B-Kanäle Basiskanäle sowie ein 16 kbit/s D- Kanal Steuerkanal) bei einem ISDN-Basisanschluß (BRI Basic Rate Interface). Auch der ISDN-Primärmultiplexanschluß ( PRI Primary Rate Interface) hat nur 30 B-Kanäle und zwei D-Kanäle und kommt somit auf maximal 2048 kbit/s. Dies alles genügte nicht mehr als Bandbreite (Bandbreite: analog der Frequenzbereich; digital die Übertragungsrate). Nehmen wir als Beispiel eine Grafik mit einer Auflösung von 1280x1024 = pixel = bits (bei 24 bit Farbtiefe). Eine solche Grafik über eine 1 Mbit/s-Verbindung zu übertragen, würde 31 Sekunden dauern. Um diese Grafik in zwei Sekunden (statistisch verliert der Durchschnitts-Internetanwender nach zwei Sekunden Bildaufbau die Geduld) zu übertragen, benötigte man eine 15,7 Mbit/s-Verbindung! Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die ungefähr benötigten Bandbreiten: Anwendung Minimum Ideal Webseiten 384 kbit/s 1,5 12,5 Mbit/s Video Konferenz 384 kbit/s 384 kbit/s 1,5 Mbit/s Video Spiele 1 Mbit/s 6 12 Mbit/s Multimedia (Video) 1,4 Mbit/s 5 12 Mbit/s HDTV 19,3 Mbit/s 19,3 38,6 Mbit/s Digitale Fotografie 3 Mbit/s Mbit/s Also wurde das DSL-Verfahren (Digital Subscriber Line digitale Teilnehmeranschlussleitung) entwickelt. Der Begriff DSL stammt ursprünglich aus dem ISDN-Bereich. Heute steht DSL für die Verbindung zwischen dem Teilnehmer und der Vermittlungsstelle (Provider), der sogenannten Last Mile. Die wesentlichen Unterschiede Bei den DSL-Verfahren unterscheiden wir zwischen symmetrischem und asymmetrischem DSL. Beim asymmetrischen DSL haben wir unterschiedliche Datenraten für Downstream (vom Provider zum Teilnehmer) und Upstream (vom Teilnehmer zum Provider). Asymmetrisches DSL findet überwiegend bei Internet-Anbindungen Verwendung (ADSL, ADSL2, ADSL2+, VDSL, VDSL2). Wenn wir von einer 2000er oder 6000er DSL sprechen, ist hiermit ein (theoretischer) Downstream von 2000 kbit/s oder 6000 kbit/s gemeint. Seite 1 / 7

2 Beim symmetrischen DSL haben wir die gleichen Übertragungsraten beim Down- und Upstream (HDSL, SDSL, MDSL, G.SHDSL, VDSL, VDSL2). Symmetrisches DSL finden wir häufig auf Providerseite und bei Punkt-zu-Punkt Applikationen (Campus-LAN-Umfeld). Es fällt auf, daß VDSL bei beiden Varianten auftaucht, doch dazu später mehr. Die xdsl Familie HDSL (High Bitrate DSL G.991.1) ist ein symmetrisches DSL über zwei oder drei Doppeladern und war die erste entwickelte DSL-Variante. HDSL arbeitet mit einer festen Übertragungsrate, 1,544 Mbit/s in USA (gemäß der T1-Spezifikation) und 2,048 Mbit/s in der übrigen Welt (E1-Geschwindigkeit). HDSL benutzte zuerst den 2B1Q-Leitungscode und später CAP (Carrier-less Amplitude and Phase Modulation). HDSL kann nicht parallel mit der Telefonie über dieselben Leitungen genutzt werden. Die durchschnittlich erreichbare Leitungslänge liegt bei ca. 5 km. xdsl Modem xdsl Modem LAN B LAN A Abbildung: Symmetrische DSL-Verbindung SDSL (Single Pair auch Single Line oder Symmetric DSL) ist im Grunde genommen die 2-Draht-Variante von HDSL. SDSL liefert Übertragungsraten von 192 kbit/s bis 2,312 Mbit/s in 64 kbit/s-schritten. Als Leitungscode wird TC-PAM (Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation) verwendet. Die Leitungslängen liegen hier durchschnittlich bei 3,5 km. Genau wie HDSL unterstützt auch SDSL nicht die Splitter-Technologie und ist somit auch nicht parallel zur Telefonie nutzbar. SDSL wird teilweise auch als HDSL2 bezeichnet. MDSL (Multirate DSL) ist ebenfalls eine Variante von HDSL über eine Doppelader. MDSL benutzt die CAP-Leitungscodierung. MDSL ist, genauso wie SDSL, nicht durch die ITU (International Telecommunication Union) standardisiert. SHDSL (Single Pair High Bitrate DSL) weiterentwickelt aus SDSL und HDSL. Voll standardisiert gemäß ITU-T Recommendation G.991.2, deshalb auch als G.SHDSL bezeichnet. G.SHDSL benutzt ein oder mehr Adernpaare. Dabei wird bei vier-, acht- oder mehradrigen Verbindungen mit dem LoopBonding gearbeitet. Die maximalen Übertragungsraten liegen bei 2,3 Mbit/s bei einem Adernpaar, 4,6 Mbit/s bei zwei Adernpaaren, 9,2 Mbit/s bei vier Adernpaaren... usw.. Die durchschnittlichen Reichweiten liegen bei ca. 6 km. G.SHDSL benutzt die TC-PAM 16 Leitungscodierung. G.SHDSL.bis Erweiterung der G.SHDSL-Norm. Benutzt die TC-PAM 32 Leitungscodierung. Dadurch werden bei kürzeren Reichweiten (bis ca. 2,5 km) wesentlich höhere Datenraten erreicht (5,7 Mbit/s bei 2-Draht, 11,4 Mbit/s bei 4-Draht und 22,8 Mbit/s bei 8-Draht). Bei Seite 2 / 7

3 größeren Entfernungen fallen G.SHDSL.bis-Modems automatisch in den G.SHDSL-Modus zurück und sind somit voll-kompatibel zu diesen. ADSL (Asymmetric DSL G.992.1/G.992.2) ist, wie der Name schon sagt, eine asymmetrische Verbindung. Sie verwendet beim Downstream eine höhere Bandbreite (bis 8 Mbit/s) als beim Upstream (bis 1 Mbit/s). Diese Technik wird parallel zur vorhandenen Telefonie (POTS oder ISDN) genutzt. Hierzu wird ein Splitter benutzt, der mittels FDM (Frequency Division Multiplexing jeder hereinkommende Kanal bekommt eine bestimmte Trägerfrequenz zugewiesen) die Up- und Downstreams auf die vorhandene Telefonleitung aufmoduliert. Der Upstream belegt dabei den Frequenzbereich zwischen 138 und 275 khz, der Downstream den Bereich zwischen 275 und 1104 khz. Als Leitungscode verwendete ADSL zuerst QAM (Quadratur-Amplitudenmodulation), heute meist aber CAP oder DMT(discrete multi-tone). ADSL ist heute die meist benutzte Anschlußtechnik für den breitbandigen Internetanschluß von Firmen und Privatpersonen. ADSL erreicht Reichweiten von ca. 6 km bis zum DSLAM (DSL Access Multiplexer) des ISP (Internet Service Providers Internet Diensteanbieter). Splitter Telefon- Netzwerk Telefon Splitter DSLAM Modem Daten- Netzwerk Internet Abbildung:ADLS-Anschluß ADSL2 / ADSL2+ (G.992.3, G / G.992.5) sind Weiterentwicklungen von ADSL. Sie bieten neben mehr Störsicherheit auch mehr Bandbreite. ADSL2 beim Downstream 12 Mbit/s und beim Upstream 3 Mbit/s, ADSL2+ beim Downstream 24 Mbit/s und 1,2 Mbit/s beim Upstream. Bei ADSL2 liegt die Reichweite etwa bei 3 km, bei ADSL2+ nur noch bei etwa 1,8 km. Dies ist auch der Grund, weshalb DSL-Anbieter zuerst einen Verfügbarkeitscheck durchführen, bevor sie entsprechende Zusagen an ihre Kunden machen. ADSL2+ nutzt auch den Frequenzbereich bis 2,2 MHz. VDSL (Very High Bitrate DSL G.993.1) ist die zurzeit schnellste Anschlußtechnik. Mit VDSL können Übertragungsraten bis zu 52 Mbit/s im Downstream und 1,5 bis 2,3 Mbit/s im Upstream erziehlt werden. Die Reichweiten liegen bei diesen hohen Übertragungsraten allerdings unter 1 km. Die maximale Reichweite liegt bei ca. 2 bis 2,5 km, dann allerdings mit Übertragungsraten auf ADSL-Niveau. Als Leitungscode benutzt VDSL QAM, oder häufiger DMT. VDSL nutzt den Frequenzbereich bis 12 MHz. Früher wurde VDSL auch als VHDSL bezeichnet. VDSL2 (G.993.2) soll später Übertragungsraten von über 100 Mbit/s erreichen. Dies wird aber auf Kosten der Reichweite gehen, die dann voraussichtlich bei ca. 350 m liegen wird. Seite 3 / 7

4 Erreicht wird diese Steigerung der Datenrate durch die Nutzung des Frequenzbereiches bis 30 MHz. VDSL2 kann sowohl asymmetrisch wie auch symmetrisch arbeiten. Im Hinblick auf HDTV und andere Bandbreite benötigende Anwendungen, z. Bsp. Triple Play (Fernsehen, Telefonie[IP], Internet), bietet VDSL2 die besten Möglichkeiten. Auch für schnelle Punkt-zu- Punkt-Verbindungen stellt VDSL2 neben G.SHDSL.bis die Zukunft dar. VDSL und VDSL2 werden meist unter dem Sammelbegriff VDSL geführt. VDSL2 benutzt ausschließlich DMT Leitungscode. Da VDSL auch in der Lage ist ATM-Zellen zu übertragen, indem VDSL einen Physical Layer bildetder ein Full-Service-ATM-Netzwerk bedienen kann, gehört dieser Technik sicherlich die Zukunft der Internetanbindung. IDSL, CDSL, UDSL und verschiedene andere DSL-Varianten haben mittlerweile an Bedeutung verloren und sollen deshalb hier nicht näher angesprochen werden. Leitungscodierung Bei der digitalen Kommunikation wird durch den Leitungscode die Art der Signalübertragung auf dem physikalischen Kanal festgelegt. Es wird also bestimmt, wie die Nullen und Einsen gesendet und empfangen werden. 2B1Q (2 binary 1 quaternary) ist eine Leitungscodierung, bei der aus zwei binäre Werten (2 bits) ein quaternärer (vierwertiger) Wert gebildet wird. Dadurch wird die Schrittgeschwindigkeit auf der Leitung halbiert. QAM (Quadratur-Amplitudenmodulation), ein sogenanntes Einträger- Bandpassübertragungsverfahren, kombiniert die Amplitudenumtastung mit der Phasenumtastung. Bei konstanter Frequenz werden Phasenwinkel und Amplitude der Trägerschwingung zusammen mit den Digitalwerten verändert. Dabei werden die Bits gruppenweise zusammengefasst (4, 8, 16, 32, 64) und mit vier Amplituden in 12 Phasenlagen moduliert. DMT (discrete multi tone - Mehrtonverfahren) ist eigentlich keine Codierung sondern ein Übertragungsverfahren. Es basiert auf der 64QAM-Codierung. Es handelt sich um ein Mehrträgerverfahren, bei dem der zur Verfügung stehende Frequenzbereich in viele kleine Frequenzbänder zerlegt wird. Die Trägerfrequenz befindet sich in der Mitte eines jeden Bandes. Es erfolgt eine eigene Datenverbindung in jedem Band. CAP (carrierless amplitude-phase modulation) kombiniert die Amplituden- und die Phasenmodulation. Es handelt sich um eine trägerlose Variante des QAM-Verfahrens. Es werden mehrere Spannungsebenen zur Verfügung gestellt (CAP-4 hat z. B. vier Spannungspegel), auf denen jeweils zwei Bit dargestellt werden können. Dies halbiert die Bitrate im Vergleich zu einem Zwei-Ebenen-Verfahren. Bei einem System mit 16 Ebenen (CAP 16) kann auf jeder Ebene eine Sequenz von vier Bit dargestellt werden. Seite 4 / 7

5 Abbildung: PAM-Prinzip TC-PAM (trellis coded pulse amplitude modulation) vereinigt die Trellis-Codierung mit der Pulsamplituden-Modulation. Bei der Trellis-Codierung wird einer bestimmten Anzahl von Bits ein weiteres Bits hinzugefügt, ein sogenanntes Sicherungspolynom. Bei einer vier Bit Codierung werden also die vier Datenbits in fünf Bits codiert. Dies verküpft die zeitliche Reihenfolge und dient der Redundanz, man spricht auch von der Vorwärts-Fehlerkorrektur. Bei der Pulsamplitudenmodulation werden die Nachrichtensignale durch Pulse abgetastet. Diese amplitudenvariablen Pulse werden übertragen und beim Empfänger in ein analoges Signal rückgewandelt. Bei dieser Modulationsart ist das Modulationssignal analog und das Trägersignal pulsförmig. Loop-Bonding Um höhere Bandbreiten über mehr Adern zu erreichen wird heutzutage meist das Loop- Bonding-Verfahren (auch als invers Multiplexing bezeichnet) verwendet. Dabei werden die zu übertragenden Signale gruppiert und parallel über mehrere Loops (Schleifen) übertragen. Auf der Gegenseite wird die Gruppierung wieder aufgelöst und die Signale in der richtigen Reihenfolge aneinandergereiht. DSL-Hardware Eine DSL-Verbindung besteht immer aus zwei DSL-Modems. Diese arbeiten normalerweise im transparenten Bridging oder als Router. Die Modems werden als CO und CPE eingestellt. CO steht für Central Office häufig auch als Master oder xtu-c[o] (z.b. ATU-C[O] = ADSL Terminal Unit Central [Office]; VTU = VDSL Terminal Unit) bezeichnet. CPE steht für Customer Premise Equipment auch als Slave oder xtu-r (-R = -Remote) bezeichnet. Moderne Vier- oder Mehrdraht G.SHDSL-Modems (z.b. Blackbox MDS933/MDS954) arbeiten im 1&1-Mode. In diesem Modus ist Loop A immer als Slave und Loop B immer als Master eingestellt. Daher muss man darauf achten, daß jeweils Loop A von Modem 1 mit Loop B von Modem 2 verbunden wird. Es entfällt somit beim Austausch eines Gerätes jegliche Konfiguration. Auch ist diese Art der Verbindung erheblich störunanfälliger als eine Verbindung, bei der auf einer Seite alle Loops als Slave und auf der anderen Seite alle Loops als Master konfiguriert sind. Seite 5 / 7

6 Bei Verbindungen mit mehreren Loops ist unbedingt darauf zu achten, daß die beiden Adern eines Loops durchgängig miteinander verdrillt sind. Werden, auch nur für kurze Strecken, die Adern unterschiedlicher Loops miteinander verdrillt, kann es zu Nahnebensprechen (NEXT Near End Crosstalk) kommen. Dies kann bis zum kompletten Abbruch der Verbinfdung führen Moderne Modems handelt die Übertragungsgeschwindigkeit anhand der Leitungsqualität selbstständig aus (Rate Adaptive Mode). Beim Anschluss von ADSL- oder VDSL-Modems via Splitter (Frequenzweiche) an eine Provider-Verbindung entfällt eine solche Einstellung ebenfalls, da diese Modems generell immer die xtu-r-seite darstellen. Die Providerseite ist immer die CO-Seite. Hierzu wird vom Provider in der Regel ein DSLAM (DSL Access Multiplexer) eingesetzt. Diese stehen zumeist in der Vermittlungsstelle oder an einem zentralen Aufschaltpunkt. Hier laufen die Teilnehmeranschlussleitungen zusammen, deshalb wird ein DSLAM auch als COE (Central Office Equipment) bezeichnet. DSL-Anwendungen Asymmetrische DSL-Verfahren (ADSL, VDSL) haben sicherlich im Bereich des Internetzuganges ihre Hauptanwendung. Symmetrische DSL-Verfahren (G.SHDSL, VDSL) eignen sich hervorragend zur Verlängerung eines vorhandenen Intranets und zur Anbindung entfernter Stationen. Anwendungsbeispiele: 1. Bei einer Firma soll ein etwa 400 m entferntes Gebäude ans Firmen-Intranet mit möglichst hoher Bandbreite angebunden werden. Da nur zwei Telefonadern zur Verfügung stehen, eignet sich eine Anbindung über VDSL (z.b. Blackbox LB300A) mit max. 30 Mbit/s. 2. In einer Raffinerie sollen entfernte mit dem LAN des Verwaltungsgebäudes verbunden werden. Es stehen Zwei- und Vierdraht-Telefonkabel zur Verfügung. Die Entfernungen variieren zwischen 3 und 8 km. Die Anforderungen an die Bandbreite sind eher gering. Hier eignet sich ein komplexes Netz von Zwei- und Vierdraht-G.SHDSL-Modems (z.b. Blackbox MDS932/933AE-10BT-R2). Die Vierdrahtmodelle können dabei auch im Zwei- Channel-Mode arbeiten (je 2 Adern zu je einem entfernten Zweidraht-Modem). Dadurch fungieren diese quasi als Repeater und es entsteht ein Netz aus Stern- und Bussystem. Seite 6 / 7

7 Verwaltung MDS920AE-RMAC 4-Draht Leitung 2-Draht Leitungen MDS933AE-10BT MDS933AE-10BT Abbildung zu Anwendungsbeispiel 2 3. Auf einem Campus soll ein etwa 900 m entferntes Labor mit möglichst hoher Bandbreite mit dem Hauptgebäude verbunden werden. Die Kosten sollen dabei so gering wie möglich gehalten werden. Aufgrund des Kostendruckes kommt eine G.SHDSL.bis-Anbindung (z.b. Blackbox Modems der MDS95x-Serie) nicht in Frage. Als kostengünstige Alternative bietet sich eine VDSL- Verbindung (z.b. Blackbox MEG101AE) an. Anmerkung Die von mir gewählten Übersetzungen sind, aus Verständnisgründen, teilweise sinngemäß. Die genannten Reichweiten können, je nach Stärke und Qualität der Leitungen stark variieren! Joachim Botsch Tech Support Black Box Network Services Seite 7 / 7