Die Zukunft der Datenübertragung – wie geht es weiter?

Die aktuelle technologische Situation

Wie werden Daten heute zwischen einzelnen Endgeräten übertragen? Grundsätzlich existieren zwei unterschiedliche Lösungsansätze:

• kabelgebunden
• kabellos

Innerhalb dieser beiden Übertragungswege existieren weitere Übertragungswege. Je nach Reichweite lassen sich beispielsweise im Rahmen der kabellosen Datentransfers Formen zur Nahübertragung und die Fernübertragung voneinander unterscheiden.

Der Nahbereich umfasst in erster Linie die gebäudeinterne Datenübertragung. Hier ist das WLAN inzwischen eine der verbreiteten Standardanwendungen. Verantwortlich für die Umsetzung sind im Regelfall die einzelnen Haushalte oder Mieter. Der Fernbereich (Datenfernübertragung oder DFÜ) erfasst die gesamte Übertragung der Signale zwischen den einzelnen Gebäudeanschlussstellen. Beide Formen greifen in der Praxis ineinander.

In der Nahübertragung der Daten spielen zum Beispiel Wi-Fi oder Bluetooth eine Rolle. Deren Reichweite liegt bei bis zu mehreren Dutzenden Metern. In der Fernübertragung über kilometerweite Strecken wird auf Funksignale gesetzt (Mobilfunknetze oder die Übertragung via Satellit). Bei den kabelgebundenen Möglichkeiten der Datenübertragung haben sich heute DSL (Digital Subscriber Line) sowie die Übertragung über das TV-Kabelnetz etabliert. Bezüglich der Übertragung im Nahbereich sind LAN sowie PowerLAN (Übertragung der Datensignale im Niederspannungsnetz) heute gängige Praxis.

Übersicht zu den Fernübertragungsmöglichkeiten:

• ISDN
• DSL
• Lichtwellenleiter
• UMTS/HSDPA/LTE
• Kabelnetz

Wie gut sind die Netze hier in Deutschland ausgebaut?

Glasfaser vs. DSL

In der kabelgebundenen DFÜ konkurrieren derzeit die Übertragung mittels Lichtwellenleiter und verschiedene DSL-Techniken. Letztere umfassen Standards wie ADSL oder VDSL. Wo liegen die Besonderheiten der Übertragungswege? Das allgemein als Glasfaser bezeichnete Prinzip des Lichtwellenleiters basiert auf einer Übertragung von Daten mittels Lichtwellen aus dem Infrarot- beziehungsweise dem ultravioletten Spektrum.

DSL verwendet hingegen die elektrische Übertragung. Genutzt wird für den Datentransfer das bestehende Telefonnetz. Ausgebaut auf VDSL2 sind Bandbreiten bis zu 400 Mbit/s (Million Bits pro Sekunde) realisierbar. Bei dieser Angabe handelt es sich um eine Kumulation aus Up- und Downstream. Verbreitet werden heute Anschlüsse bis 100 Mbit/s angeboten.

Diese Übertragungsgeschwindigkeiten ergeben sich aus dem zur Verfügung stehenden Frequenzband. Für den VDSL-Standard stehen zwischen 8,832 MHz bis mehr als 35 MHz zur Verfügung. Zum Vergleich: Der Vorgängerstandard ADSL2+ erreichte mit einer Frequenz von 2,2 MHz eine Maximalrate für den Datenverkehr von 24 Mbit/s.

Warum gehören Glasfaserleitungen in den Augen der Experten die Zukunft? Im Vergleich zu den heute verbreiteten VDSL-Standards ist die Übertragungsrate bei der Glasfasertechnologie noch einmal deutlich höher. Durch die Möglichkeit, Glasfaserkabel mit mehreren Kernen auszustatten, haben Wissenschaftler bereits Übertragungsraten im Petabit-Bereich erreicht. Entsprechendes gelang Forschern der NEC Labs in Princeton 2013. Damit ist sofort erkennbar, wo die Vorteile der Glasfasertechnik liegen.

Aber: Der Umstieg von Kupfer- auf Lichtwellenkabeln ist mit einem hohen Investitionsaufwand verbunden. Glasfaser wird künftig dennoch nicht nur bei der Übertragung außerhalb von Gebäuden eine Rolle spielen. Auch innerhalb der Heimnetzwerke gewinnt die Technologie an Bedeutung.

4G als Mobilfunk-Highlight

Im Bereich der funkgestützten Übertragung von Daten hat die technische Entwicklung in den letzten zehn Jahren einen erheblichen Sprung gemacht. Und ein Ausbau der Netze ist durchaus notwendig, da aufgrund der Verbreitung der Smartphones der mobile Datenverkehr immer weiter zunimmt.

Wie sehen die mittlerweile verbreiteten Standards aus? In Deutschland ist die Situation leider etwas verwirrend. Der Hintergrund: International basieren die Standards in der Funkübertragung auf dem Next Generation Mobile Networks – kurz NGMN. Aktuell ist 4G (die vierte Generation der Mobilfunkstandards) erreicht. UMTS war die dritte Generation, also 3G. in Deutschland ist heute allgemein der LTE-Standard verbreitet. Dieser erreicht allerdings nicht komplett die 4G-Vorgaben. Daher wäre es korrekt, beim LTE von 3,9G zu sprechen. Mit LTE+ wird schließlich der 4G-Standard erreicht.

Hinsichtlich der Übertragungsraten ist für Deutschland also zwischen LTE und LTE+ (auch als LTE Advanced) zu unterscheiden. Hier die Datenraten im Überblick:

• LTE: bis 300 Mbit/s Downlink, bis 75 Mbit/s im Uplink
• LTE+: bis 1.000 Mbit/s Downlink, bis 500 Mbit/s im Uplink (nach 3GPP)

Mittlerweile arbeitet NGMN bereits an einer Verbesserung von 4G. Die fünfte Generation 5G soll Datenraten bis zehn Gbit pro Sekunde erreichen und die Latenz unter eine Millisekunde drücken.

Klaffende Lücke zwischen Wunsch und Wirklichkeit in Deutschland

Die technischen Voraussetzungen für eine schnelle Übertragung von Daten ist geschaffen. Was Deutschland im speziellen betrifft, wird der Netzausbau immer mehr zum Nadelöhr. In den letzten Jahren haben sich die Netzbetreiber sehr stark darauf konzentriert – auch mit Rückendeckung aus der Politik – DSL-Standards auszubauen. Angesichts des immer stärker ansteigenden Datenverkehrs werden diese Kupfernetze allerdings früher oder später an die Grenzen des Machbaren stoßen.

Was ist nötig, um diesem Problem aus dem Weg zu gehen? In der neuen Bundesregierung hat sich die Erkenntnis durchgesetzt, dass die Zukunft der Glasfaser gehört. Entsprechend soll der Breitbandausbau in diese Richtung vorangetrieben werden.

Eine Entscheidung, die in Anbetracht der früher hoch gesteckten Ziele eigentlich zu spät kommt. Bereits 2014 lobte die damalige Regierung das Ziel aus, bis 2018 schnelles Internet mit wenigstens 50 Mbit/s deutschlandweit zur Verfügung zu stellen. Der Blick auf den aktuellen Breitbandatlas zeigt, wie weit Deutschland davon noch entfernt ist. In einigen Regionen liegt die Abdeckung mit dieser Geschwindigkeit immer noch bei weniger als 50 Prozent. Betroffen ist hiervon gerade der ländliche Raum. In vielen Städten und den großen Metropolregionen erreicht die Abdeckung teils bereits mehr als 95 Prozent.

Was wird bald möglich?

Mit den aktuellen Standards in der Datenfernübertragung lassen sich heute 50 Mbit/s bis 100 Mbit/s im Downstream realisieren. Für den Moment ist diese Geschwindigkeit (wenn sie überall erreicht würde) ausreichend. Allerdings legt der Datenverkehr jedes Jahr in beachtlichem Ausmaß zu. Das Telekommunikationsunternehmen Cisco hat 2017 zum Beispiel eine Prognose für die Entwicklung bis 2021 vorgelegt. Demnach soll sich der Datenverkehr verdreifachen. Dies bedeutet, dass die heute verfügbaren Netze noch einmal deutlich größere Datenmengen werden stemmen müssen.

Verantwortlich für die Zunahme werden unter anderem das IoT (Internet der Dinge) und der steigende Anteil des Video-Streamings sein. Wie werden sich die Netze zur Übertragung der Daten an diese Herausforderung anpassen?

5G – und dann?

Der nächste Standard in der mobilen Übertragung von Daten – 5G – wurde bereits grob angerissen. Bisher handelt es sich hierbei vor allem um einen Übertragungsstandard, welcher in der Theorie existiert. Durch die Nutzung von mehreren GHz-Frequenzbändern soll es in Zukunft möglich sein, die anvisierten höheren Datenraten zu erreichen. Einige Quellen sprechen von zehn Gbit pro Sekunden, andere Quellen gehen von bis zu 20 Gbit/s aus. Praktische Versuche mit den unterschiedlichen Frequenzbändern sind seitens verschiedener Mobilfunknetzbetreiber für das Jahr 2018 angekündigt. Erste Praxistests mit dem neuen Netzstandard wurden bereits während der Olympischen Winterspiele 2018 in Südkorea unternommen. Bisher weist alles darauf hin, dass 5G etwa um das Jahr 2020 für die kommerzielle Nutzung eingeführt werden soll.

Was will 5G abseits der höheren Bandbreite noch erreichen? Geplant ist eine deutlich höhere Kapazität. Möglich soll in Zukunft auch eine gleichzeitige Ansprechbarkeit von 100 Milliarden Mobilfunkgeräten gleichzeitig sein. Die geplante Verringerung der Latenz wird sich überall dort bezahlt machen, wo eine Instant Response erforderlich ist. Die Latenz spiegelt letztlich die Zeit wider, welche zwischen dem Abschicken einer Aktion zu einem Server und dem Eintreffen der Antwort vergeht.

5G Standard im Überblick:

• Bandbreite von 10 Gbit/s
• Milliarden Geräte in Echtzeit weltweit ansprechbar
• Latenzzeit weniger als eine Millisekunde
• Stromverbrauch je Mobildienst nur noch zehn Prozent

Wodurch werden Glasfaseranschlüsse weiter optimiert?

Glasfasernetzen – also den Lichtwellenleitern – wird mit hoher Wahrscheinlichkeit in der Datenübertragung die Zukunft gehören. Gegenüber der bisherigen Umsetzung über Kupferleitungen hat die Glasfaser die bereits angesprochenen Vorteile. Allerdings hat die Technik in der Praxis auch diverse Nachteile. So können Informationsverluste auftreten, die letztlich soweit gehen, dass die Signale nicht mehr empfangen werden.

Im Hinblick auf:

• Übertragungsfehler
• Bandbreiten
• Übertragungsreichweite

wird derzeit fieberhaft an Verbesserungen gearbeitet. Wie können diese aussehen? Hinsichtlich der Bandbreite wäre ein möglicher Schritt der Einsatz von Glasfaserkabeln mit mehreren Kernen. Wissenschaftler konnten in der Vergangenheit bereits zeigen, dass sich damit sehr hohe Bandbreiten erreichen lassen.

Wie sieht die Situation im Hinblick auf die Übertragungsfehler aus? Hier sind verschiedene Fehlerquellen für die Lichtwellenleiter bekannt. Dazu gehören:

• Signalfehler durch das verwendete Material
• Signalfehler durch Verbiegen
• Kopplungsfehler
• Signalfehler durch Dispersion/Streuung

Signalverluste durch das verwendete Material treten beispielsweise im Zusammenhang mit materialspezifischen Absorptionseffekten auf. Bekannt ist zum Beispiel die UV-Absorption durch das Siliziumdioxid-Gefüge. Gleichzeitig kann die spezielle Struktur des Glases zum Auftreten der Rayleigh-Streuung führen. Kopplungsfehler tauchen hingegen im Bereich von Steckverbindungen auf – etwa durch Reflexionen an den Faserenden.

Im Gegensatz zu Kupferkabeln kann mit dem Glasfaserkabel gleichzeitig kein Strom übertragen werden – ein deutlicher Nachteil. Vor allem bei Installationen multimedialer Kommunikationsnetze in Gebäuden wird deshalb oft Kupfer als Leitermaterial bevorzugt. Für größere Distanzen kann wiederum Glasfaser seine Vorteile bei den großen Übertragungsraten ausspielen.

Bezüglich der Lebensdauer setzt die Bundesregierung beim Breitbandausbau eine Funktionsfähigkeit von 25 Jahren voraus – innerhalb dieses Zeitraums könnte ohnehin längst eine neue Kapazitätsgrenze erreicht sein. Die Haltbarkeit der Kabel ist in der Erde durch eine entsprechende Isolation gewährleistet. Abhängig von der Verlegetechnik können Unterschiede für die Lebensdauer auftreten – je nachdem wie geschützt die Leitungen im Boden eingebracht sind.

Welche Datenübertragungsraten werden durch Glasfaser möglich?

Die Verbesserung der Datenübertragung mittels Glasfaser beschäftigt heute verschiedene Forschergruppen. Zu den Lösungsansätzen gehört beispielsweise das Versenden von Zwillingssignalen, die vor der Einspeisung gespiegelt werden. Die Kernidee: Beim Zusammenführen der Signale eliminieren sich Übertragungsfehler gegenseitig. Ein Konzept, dass in der Akustik bereits bei der Geräuschunterdrückung erfolgreich eingesetzt wird.

Welche Auswirkungen haben solche Verbesserungen? Im Rahmen der Lichtwellenleiternetze geht es nicht nur darum, die Bandbreite kontinuierlich zu erhöhen. Dies wäre praktisch einfach durch das Zusammenführen mehrerer Leiter möglich.

Mindestens genauso wichtig ist eine störungsfreie Übertragung über hunderte bis tausende Kilometer – ohne zu Signalverstärkern oder Ähnlichem greifen zu müssen. Inzwischen haben Wissenschaftler mithilfe solcher Ansätze Signale bereits erfolgreich über mehr als 10.000 Kilometer verschicken können.

Welche Möglichkeiten sich zukünftig bieten, zeigen im Labor aufgestellte Rekorde. Einer stammt aus dem Jahr 2011. Mit einem einzigen Kern konnten Wissenschaftler mehr als 100 Tbit/s durch eine Glasfaser leiten. Solche Übertragungsraten sind auch heute in der praktischen Anwendung noch Zukunftsmusik. Allerdings dürfte es in absehbarer Zeit darauf hinauslaufen, dass sowohl die kabelgebundenen Netze als auch die kabellose Datenübertragung in den Gigabit-Bereich vorstößt. Eine Entwicklung, die ganz unterschiedliche neue Anwendungen erlaubt.

Gibt es schon weitergehende Konzepte?

Wohin werden sich die Netze zur Datenübertragung entwickeln? Dahinter verbirgt sich eine wichtige Frage der Zukunftsforschung. Vielleicht kann in einigen Jahrzehnten bereits vollkommen auf Kabel verzichtet werden. Mithilfe einer optischen Signalübertragung wäre es möglich, über hunderttausende Kilometer in quasi einem Wimpernschlag zu kommunizieren.

Speziell im Hinblick auf die funkbasierte Datenübertragung setzen die verfügbaren Frequenzbänder Grenzen. Aber: Forschern sind hier in den letzten Jahren einige richtungsweisende Entwicklungen gelungen. So konnten japanische Wissenschaftler einen Transmitter entwerfen, welcher nicht im Gigahertz-Frequenzspektrum arbeitet, sondern im Terrahertz-Bereich. Welche Bedeutung hat diese Forschungsarbeit für die Zukunft der Datenübertragung?

Mithilfe der Terrahertz-Technologie ist eine Übertragung von bis zu 100 Gbit/s möglich. Damit würde auf einen Schlag die anvisierte Übertragungsrate des neuen 5G Standards übertroffen – und zwar um das 10-fache. Diese Entwicklung eröffnet einige neue Ansätze, etwa im Hinblick auf die Echtzeitkommunikation.

Welche Anwendungen sind durch höhere Bandbreiten möglich?

Höher, schneller, weiter – ein aus dem Sport bekanntes Credo, welches sich in Teilen auch auf die Datenübertragung anwenden lässt. Unternehmen und Entwicklern geht es heute darum, die Grenzen des bisher erreichten Fortschritts immer weiter zu verschieben. Und natürlich geht es hier nicht darum, Forschung zum Selbstzweck zu betreiben.

Eine schnelle, verlustfreie Übertragung von Daten über weite Strecken hat ganz praktische Gründe. Gerade im Hinblick auf die digitale Revolution wird der Datenverkehr zum Motor für viele gesellschaftliche Entwicklungen. Und derzeit sind es vor allem die Datenverbindungen, welche zum Nadelöhr werden, und den Motor zum Stottern bringen können. Welche Anwendungen sind mit höheren Datenraten in der Praxis vorstellbar? Wie wird sich unser Alltag durch eine entsprechende Entwicklung verändern?

Geschäftliche Netzwerke

Einerseits werden Unternehmen von einem Anstieg der Bandbreite profitieren. Gerade im Hinblick auf Aspekte wie Industrie 4.0 oder die Vernetzung von Firmen oder einzelnen Abteilungen ist die Bandbreite inzwischen zu einem entscheidenden Faktor geworden.

Welche Anwendungen sind in Zukunft denkbar? Eine Möglichkeit ist das parallele Zusammenarbeiten von mehreren Entwicklerteams an einem Projekt in Echtzeit – etwa in der Entwicklung neuer Fahrzeugteile. Für:

• CAD-Darstellungen
• Renderings
• 3D-Modellierungen

müssen Gigabyte an Daten ausgetauscht werden. Dank der superschnellen Netze würde dies in einem Wimpernschlag funktionieren.

Denkbar ist aber auch, dass die Automatisierung und Überwachung von Fertigungsprozessen immer stärker nach dem RC-Prinzip (Remote Control) abgewickelt werden kann. Ferngesteuerte Fertigungsroboter sind nur eine denkbare Anwendung. Auch im Hinblick auf Verkehrssteuerungssysteme, Kommunikationssysteme oder den Smart-Grid-Anwendungen gewinnt die Bandbreite an Bedeutung. Autonome Fahrzeuge spielen in diesem Zusammenhang ebenfalls eine wichtige Rolle.

Private Webanwendungen

Im Hinblick auf den Nutzen, welchen private Haushalte von einer Erweiterung der Bandbreite haben, fallen zuerst neue Möglichkeiten in der Kommunikation ein. Paralleles Video- oder Audiostreaming mit Videotelefonie oder Online Gaming sind sicher sehr klassische Beispiele. In den kommenden Jahren ist mit einem starken Wachstum bei der Vernetzung innerhalb des Haushalts zu rechnen.

Smart Home und IoT sind zwei Punkte, die hier an Bedeutung gewinnen werden. Und genau dafür ist eine Anpassung der Bandbreite nach oben von Bedeutung. Gleichzeitig steigt die Nutzung mobiler Webanwendungen seit Jahren. Ein Aspekt, welcher die Zunahme des Internet-Traffics mit erklärt.

Weitere Möglichkeiten für neue Anwendungen

Die Chancen, welche sich durch eine hohe Bandbreite bieten, gehen über die bisher genannten Anwendungen noch deutlich hinaus. Beispiel Medizin und Gesundheitswesen: Ärzte können in Zukunft in internationalen Expertenteams quasi in Echtzeit komplexe Eingriffe vorbereiten und assistieren. Wird dieser Gedanke weitergesponnen, mündet das Ganze in OP-Robotik, die ferngesteuert werden kann. Und auch im Hinblick auf neue Ansätze in der Mobilität kann der Netzausbau ein wichtiger Schlüssel sein – etwa in Bezug auf ferngesteuertes und autonomes Fahren.

Fazit

Der Breitbandausbau wird in Deutschland – gemessen an den Zielen der letzten Bundesregierung – wahrscheinlich scheitern. Ob sich diese Geschichte wiederholt, bleibt abzuwarten. Zumindest das Bekenntnis zu Glasfasernetzen geht in die richtige Richtung. Die Umsetzung ist allerdings deutlich schwieriger. Um flächendeckend mit Lichtleitern unterwegs sein zu können und Daten mit hoher Bandbreite zu verschicken, müssen Investitionen in Milliardenhöhe gestemmt werden.

Die technischen Voraussetzungen sind in jedem Fall geschaffen. Und die Pläne der Forscher klingen beeindruckend. 5G könnte die Übertragungsrate beispielsweise in den Funknetzen auf einen Schlag verhundertfachen. Terrahertz-Transmitter stellen am Ende sogar diese Entwicklung noch in den Schatten.

Über den Autor:
Maximilian Hirsch hat nach seinem Abitur zunächst eine Ausbildung zum Elektroingenieur mit Schwerpunkt Informations- und Telekommunikationstechnik absolviert. Anschließend folgte ein Informatik-Studium. Seit 10 Jahren arbeitet er nun als IT-Sicherheitsbeauftragter und verfasst nebenbei Ratgeberartikel für Internetseiten.

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