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ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line

Um die Ansprüche nach mehr Bandbreite für Datendienste zu erfüllen, wurde zwischen 1991 und 1995 die ADSL-Technik entwickelt. ADSL wurde von der ITU-T (International Telecommunications Union) in G.992.1 und vom ANSI (American National Standardisation Institute) in T1.413-1995 standardisiert.
Bei ADSL handelt es sich um ein Übertragungsverfahren für einen Breitband-Internet-Anschluss über eine normale Telefonleitung. Der wichtigste Vorteil von ADSL ist, dass die vorhandenen Kabelnetze für Telefonanschlüsse weiterverwendet werden können.

In Deutschland wird der Begriff "ADSL" nur unter Fachleuten verwendet. Die ADSL-Breitband-Anschlüsse werden in Deutschland als DSL-Anschlüsse bezeichnet. Je nach Netzbetreiber oder Provider haben sich unterschiedliche Markennamen herausgebildet. Bekannt sind T-DSL von der Deutschen Telekom, Q-DSL von QSC und diverse Bezeichnungen, wie DSL2+ oder DSL3+. Hinter den verschiedenen Bezeichnungen steckt im Prinzip immer die gleiche Technik.

Und dann git es auch noch die Weiterentwicklungen:

Im Laufe der Zeit wurde die ADSL-Technik immer wieder erweitert und verbessert, so dass die Reichweite oder die Übertragungsrate immer wieder gesteigert werden konnte. Trotzdem ist eine vollständige Netzabdeckung in Deutschland bis heute praktisch nicht möglich. Das zentrale Problem von ADSL ist die begrenzte Reichweite.

Prinzip der ADSL-Nutzung

Bei einer ADSL-Verbindung handelt es sich im Prinzip um zwei Modems an einer herkömmlichen Telefonleitung (Kupferdoppelader). Wobei das eine Modem beim Endanwender steht und das andere beim Netzbetreiber in der Vermittlungsstelle.
Das ADSL-Modem wird über eine Netzwerkkarte oder USB-Schnittstelle an einen Computer oder ein Netzwerk angeschlossen. So entsteht eine feste Anbindung. Das Anwählen, wie bei einer Telefonverbindung, entfällt. Stattdessen ist der Computer mit dem Internet wie mit einer "Standleitung" fest verbunden. Wobei die "Standleitung" als DSL-Anschluss bezeichnet wird.

Asymmetrische Übertragung

Frequenzbereich und Nutzung der Kanäle
Das Grundprinzip von ADSL beruht auf einem asymmetrischen Übertragungsverfahren. Damit ist gemeint, dass der Übertragungsweg vom Netzbetreiber zum Kunden (Downlink) und der Übertragungsweg vom Kunden zum Netzbetreiber (Uplink) unterschiedliche Bandbreiten aufweisen.
Werden viele symmetrische Signale (z. B. bei HDSL und SDSL) gleichzeitig über mehrere parallel liegende Leitungen übertragen, so wird durch Signalkopplung die Übertragungsgeschwindigkeit und die Signalreichweite deutlich begrenzt. Bei der asymmetrischen Übertragung, wie bei ADSL, lässt sich die Signalkopplung deutlich reduzieren, womit sich höhere Datenraten erreichen lassen.
Das Verhältnis der Bandbreite von Downlink und Uplink ist der Anforderung eines typischen Internet-Nutzers nachempfunden. Er lädt typischerweise mehr Daten aus dem Internet herunter, als er ins Internet überträgt. Deshalb ist die Bandbreite beim Downlinks größer als beim Uplink.
Wenn ein vorhandener Telefonanschluss (POTS oder ISDN) parallel mit ADSL genutzt werde soll, sind sogenannte Splitter notwendig, die die genutzten Frequenzbereiche trennen bzw. zusammenführen und in das richtige Netzwerk einspeisen.
Die Trennung des nutzbaren Frequenzspektrums in drei Segmente erfolgt mit Frequency Division Multiplexing (FDM). FDM erzeugt über dem schmalbandigen Frequenzbereich von POTS (mit Schutzabstand bis 25,875 kHz) bzw. ISDN (bis 138 kHz) den Upstream-Frequenzbereich, an den sich der breitbandige Downstream-Frequenzbereich anschließt. Eigentlich reicht ISDN nur bis 120 kHz. Doch zwischen 120 und 138 kHz ist ein Schutzabstand berücksichtigt, weil der Splitter, der die Frequenzbereiche voneinander trennen soll, passiv arbeitet und nicht exakt bei 138 kHz scharf genug trennen kann.

DMT - Discrete Multiton Modulation

Der Frequenzbereich oberhalb von POTS oder ISDN muss mit einem Modulationsverfahren nutzbar gemacht werden, weil dieser Frequenzbereich verlustbehaftet ist. Das Modulationsverfahren DMT eignet sich am besten dafür. DMT wurde vom ANSI als ADSL-Standard (T1.413) festgelegt. Die Vorteile sind hohe Leistung und Flexibilität bei vertretbarem technischem Aufwand, sowie Stabilität auch bei Zustandsänderungen auf der Leitung.
ADSL mit dem Übertragungsverfahren DMT
Das Modulationsverfahren DMT ist ein Mehrträger-Bandpass-Übertragungsverfahren (Multi-Carrier). Für ADSL teilt DMT den Frequenzbereich bis 1,1 MHz in 256 einzelne Träger (Kanäle) mit je 4,3125 kHz Bandbreite auf. Die Träger 1 bis 31 sind in Deutschland für ISDN bzw. POTS (bis 0 bis 138 kHz) reserviert (ADSL Annex B). Die Träger 32 bis 64 werden für den Uplink (von 138 bis 276 kHz), die Träger 65 bis 256 für den Downlink (von 276 bis 1104 kHz) genutzt. In Uplink-Richtung stehen also 32 und in Downlink-Richtung 190 Kanäle zur Verfügung. Der Kanal 65, der sich zwischen Uplink und Downlink befindet, wird für den Pilotton verwendet (bei ADSL2 Kanal 96). Darüber können das ADSL-Modem (beim Kunden) und das DSLAM (in der Vermittlungsstelle) feststellen, ob sie miteinander verbunden sind.
Diese Form der Kanalaufteilung wird als Annex B bezeichnet und wird in Deutschland von allen Netzbetreibern für ADSL-Anschlüsse verwendet.
Je höher sich ein Kanal im Frequenzspektrum befindet, desto mehr machen sich die schlechten Übertragungseigenschaften der Kupferkabel bemerkbar. Je nach Störung, Dämpfung und Übersprechen wird ein Kanal mit einer unterschiedlichen Anzahl von Bits pro Übertragungsschritt genutzt. Die Anzahl der Bits reicht dabei von 2 bis zu 15 Bit. Je schlechter die Übertragungseigenschaften des Kanals, desto weniger Bit werden übertragen. DMT sorgt für die dynamische Optimierung jedes einzelnen Kanals, indem in jedem Kanal die Anzahl der zu übertragenen Bits zwischen 2 und 15 individuell angepasst werden. Kanäle, die mit Interferenzen und Rauschen behaftet sind, werden ausgeblendet oder nur mit einer niedrigen Datenrate genutzt. Auf einem ungestörten Kanal werden die Daten mit der maximal möglichen Datenrate übertragen. Um eine möglichst hohe Datenrate aus einem Kanal herauszuholen wird die Quadratur Amplituden Modulation (QAM) verwendet.

Übertragungsgeschwindigkeit

Übertragungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Reichweite
Geht man von ADSL-over-ISDN (Annex B) mit 4 kHz Takt, 190 Kanälen und jeweils 15 Bit aus, dann wäre ein Downlink von 11,4 MBit/s möglich. Aber, nur bei einer sehr guten Leitungsqualität. Durch eine Fehlerkorrektur mit der Reed-Solomon-Codierung reduziert sich die Geschwindigkeit auf 8 MBit/s (Downlink) unter idealen Bedingungen. In Downlink-Richtung ist das fast so schnell wie ein Ethernet-Netzwerk (10Base-T). In Uplink-Richtung stehen effektiv nur 1 MBit/s zur Verfügung. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist jedoch durch äußere Einflüsse und die Leitungslänge begrenzt. So haben ohmsche, kapazitive und induktive Effekte Einfluss auf die Dämpfung des Signals und somit auch auf die Reichweite dieses Übertragungsverfahrens. Für die Reichweite gilt, je höher die Frequenz, desto geringer ist die Reichweite.

Generell gilt, die Netzbetreiber definieren eine maximale Leitungslänge oder Leitungsqualität und bestimmen danach, welche Übertragungsgeschwindigkeit sie ihren Kunden anbieten können.

Synchronisation/Handshake

Bevor Daten übertragen werden können, müssen die Übertragungseigenschaften vom ADSL-Modem und DSLAM ermittelt werden. Dazu werden beim erstmaligen Verbindungsaufbau über ein Handshake-Verfahren die Übertragungseigenschaften ermittelt und die notwendigen Parameter über Leitungsbeschaffenheit, Datenrate und Latenzpfad (Fast/Interleaved) ausgetauscht. Die Parameter bleiben bis zum Verlust der Synchronisation, zum Beispiel durch Verbindungstrennung oder Stromausfall, bestehen. Kommt es nach der Synchronisation zu einer Störung oder Veränderung der Übertragungseigenschaften, muss die Synchronisation und somit der Handshake erneut durchgeführt werden.

Datenpriorisierung

Unterschiedliche Daten lassen sich über Permanent Virtual Connections (PVC) priorisieren. Dafür stehen die Parameter VPI (Virtual Path Identifier) und VCI (Virtual Channel Identifier) bereit. Manche Provider nutzen diese Optionen, um zwei getrennte PPPoE-Verbindungen mit unterschiedlichen IP-Adressen aufzubauen. Das wird gemacht, um Sprach- und Datenverbindungen unterschiedlich priorisieren zu können.

Traffic Shaping

Um eine größere Downlink-Datenrate zu erreichen, hat ein ADSL-Anschluss eine kleinere Uplink-Datenrate. Bei normalem Surfverhalten merkt man von dem kleineren Uplink kaum etwas. Die Datenmenge, die heruntergeladen wird ist in der Regel größer, als die Datenmenge, die man verschickt. Allerdings sorgt ein vollgestopfter Uplink dafür, dass der Downlink gebremst wird. Mit Traffic Shaping wird dafür gesorgt, dass die ACK-Pakete zur Bestätigung empfangender Pakete bevorzugt durchgeleitet werden.
Traffic Shaping ist keine Besonderheit von ADSL, sondern ist ein Verfahren, dass auch andere Übertragungsverfahren kennen. Überall da, wo der Empfang von Datenpaketen bestätigt werden muss, kann Traffic Shaping sinnvoll eingesetzt werden.

RAM - Rate Adaptive Mode

RAM ist ein Verfahren zur Bestimmung der ADSL-Bandbreite. Beim ratenadaptiven Betriebsmodus wird vor jedem Verbindungsaufbau die Leitungsqualität geprüft und die maximal mögliche Übertragungsrate ermittelt (Synchronisation). Der Kunde erhält keine Bandbreitengarantie, sondern nur die maximal mögliche Bandbreite, die an seinem Standort möglich ist.

Anwendungen

Einsetzbar ist ADSL bei allen Anwendungen, wo die Datenmenge zum Client größer ist als zum Server. Typische Einsatzgebiete wären demnach Internet- und Intranet-Zugänge. Durch eine flexible Bandbreitenverteilung im Up- und Downlink kann für jede Anwendung ein geeigneter Datendurchsatz gewählt werden.
ADSL hat wie jedes andere schnelle Übertragungsverfahren einen kleinen Haken. Hohe Übertragungsraten lassen sich nur dann erreichen, wenn die Infrastruktur hinter dem Endgerät, beim Netzbetreiber, dazu ausgelegt ist eine hohe Menge an Daten zu übertragen. Generell führen Überlastungen im Netz zur einer langsameren Übertragung der Daten. Dann kommt man auch nicht in den Genuss der schnellen Übertragungsrate von ADSL.
Für professionelle Anwendungen ist ADSL als Internet-Zugang weniger geeignet. Unternehmen, die eigene Datendienste anbieten wollen reicht die niedrige Uplink-Datenrate meist nicht aus. Hier muss man auf andere DSL-Varianten zurückgreifen.

ADSL-Standards

Standard Bezeichnung Annex Downstream Upstream
G.992.1 ADSL Annex A/B 12 MBit/s 1,3 MBit/s
G.992.2 Annex A/B 4 MBit/s 0,5 MBit/s
Annex I/J    
G.992.3 ADSL2 Annex A/B 12 MBit/s 1,0 MBit/s
Annex L 5 MBit/s 0,8 MBit/s
Annex M 12 MBit/s 2,5 MBit/s
G.992.4   Annex A/B 12 MBit/s 1,0 MBit/s
G.992.5 ADSL2+ Annex A/B 25 MBit/s 1,0 MBit/s
Annex L 25 MBit/s 1,0 MBit/s
Annex M 25 MBit/s 3,5 MBit/s

ADSL-Varianten (Annex)

Frequenzzuteilung nach Annex

Mit der Zeit wurden einige ADSL-Varianten entwickelt. Im wesentlichen wurde dadurch versucht, die Technik an die Marktgegebenheiten und die weltweit unterschiedlichen Anforderungen anzupassen.
Bei den verschiedenen ADSL-Varianten geht es häufig darum, welchen Frequenzbereich ein ADSL-Anschluss nutzen darf. In Deutschland wurde der untere Frequenzbereich häufig von analoger Telefonie (POTS) oder ISDN belegt. Das bedeutet, ein ADSL-Anschluss muss sich die Leitung mit einem Telefonanschluss teilen (Annex A und B). Entsprechend steht der untere Frequenzbereich bis 138 kHz für den ADSL-Anschluss nicht zu Verfügung. Doch gerade der untere Frequenzbereich hat eine geringere Streckendämpfung und ist für hochfrequente Signale für ADSL viel besser geeignet, als die höher liegenden Frequenzbereiche. Die unteren Frequenzbereiche haben auch eine größere Reichweite und sind gegenüber Störungen weniger empfindlich.
Da sich in Deutschland immer mehr entbündelte ADSL-Anschlüsse durchsetzen kann auch der untere Frequenzbereich für den ADSL-Anschluss genutzt werden (Annex I und J).
In Deutschland kommt in der Regel für kombinierte Anschlüsse Annex B und für reine DSL-Anschlüsse Annex J zum Einsatz.

Annex A (ADSL-over-POTS) und Annex B (ADSL-over-ISDN)

Annex A ist eine ADSL-Variante, die den Frequenzbereich unterhalb von 25 kHz für analoge Telefone (POTS) frei hält.
Annex B ist eine ADSL-Variante, die den Frequenzbereich unterhalb von 138 kHz für den ISDN-Basisanschluss reserviert. Alle ADSL-Netzbetreiber in Deutschland verwenden Annex B. ADSL-over-ISDN (Annex B) nutzt 4,3125 kHz breite Subträger mit einer Symbolrate von 4 kBaud.
ADSL-over-POTS (Annex A) und ADSL-over-ISDN (Annex B) unterscheiden sich nur in der Signalisierung und der verwendeten Frequenzbereiche. In Deutschland kommt generell nur ADSL-over-ISDN (Annex B) zum Einsatz. Das vereinfacht den Wechsel zwischen Analog-Anschluss und ISDN-Anschluss, sowie beim Umzug von einem DSL-Anbieter zu einem anderen.

Annex C (ADSL-over-TCM-ISDN)

In Japan gibt es ein spezielles ISDN, das TCM-ISDN (Time-Code-Multiplexed).

Annex I und Annex J

Annex I und J sind Ergänzungen zur ADSL-Spezifikation G.992. Der Unterschied zwischen I und J liegt in der unterschiedlichen Größe des Uplinks. Der ist bei Annex J größer.
Annex I und Annex J haben kein Basisband. Demzufolge haben sie keinen Frequenzbereich, der für Analog- oder ISDN-Anschlüsse genutzt werden kann. Die Anschlussleitung und somit der komplette Frequenzbereich steht für ADSL zur Verfügung.
Bei Annex J ist der Uplink bis 260 kHz nutzbar. Der Schutzabstand bis zum Downlink reicht bis 276 kHz. Die Handshake-Töne liegen wie bei Annex B bei 159,5625 kHz, 194,0625 kHz und 228,5625 kHz.
DSL-Anschlüsse nach Annex J bezeichnet man in Deutschland auch als "entbündelter Zugang" oder "naked DSL". Diese DSL-Anschlüsse brauchen keinen Splitter und haben eine höhere Reichweite, die mit einer schnelleren Übertragungsgeschwindigkeit verbunden ist.

Annex L / RE-ADSL2 - Reach Enhanced ADSL2

Annex L ist eine Erweiterung von Annex A. Es wird durch gezieltes Ausblenden von benachbarten Trägern eine Maximierung der Reichweite bei Verringerung der möglichen Bitrate erreicht. Annex L wird auch als Reach Extended Mode bezeichnet (RE-ADSL/RE-ADSL2).

Annex M

Annex M ist eine Erweiterung von Annex A. Der Uplink ist zu Lasten des Downlinks vergrößert. Annex M wurde in Deutschland nicht eingeführt, weil die Handshake-Töne die ISDN-Anschlüsse im gleichen Kabelbündel stören. Aus diesem Grund wird in Deutschland Annex J verwendet, wenn die Leitung vollständig für den DSL-Anschluss genutzt wird.
Die Handshake-Töne liegen bei Annex M bei 38,8125 kHz, 73,8125 kHz und 107,8125 kHz.

Übersicht: ADSL-Technik

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