Was ist eine verteilte Zugangsarchitektur?

Eine verteilte Zugangsarchitektur (DAA, Distributed Access Architecture) ist ein Konzept zur Dezentralisierung von Kabelnetzen. Hierfür werden Funktionen, die bisher in der Kopfstelle bzw. im Hub implementiert waren, in intelligente Glasfaser-Knoten (Nodes), also näher an den Kunden heran, ausgelagert. Vor dem Hintergrund der weiter exponentiell ansteigenden Anzahl von Knoten erlaubt diese Verschiebung weg vom Hub, wertvollen Platz in der Kopfstelle freizugeben sowie den Energieverbrauch für die Hardware und den Kühlungsaufwand zu verringern. Die in der Kopfstelle verbleibenden Komponenten werden über eine Glasfaser und 10G-Ethernet mit dem intelligenten Knoten verbunden, sodass die bisherige analoge optische Übertragungsstrecke überflüssig wird. 

Im Verlauf der Entwicklung der DAA-Architektur haben sich verschiedene Ausführungen herausgebildet, die ausgewählte Teile der Architektur näher zum Kunden hin (Downstream) versetzen. Bei Remote-PHY (R-PHY) werden die Modulation und Demodulation in den Glasfaser-Knoten (Fiber-Node) ausgelagert, während andere Funktionen in der Kopfstelle verbleiben. Auch Remote MAC-PHY (R-MACPHY) verlegt die verarbeitende (DOCSIS) MAC-Layer in den Knoten. Damit verbleiben nur die Server, Switche und Router in der Kopfstelle. 

Ein drittes Konzept, das als Split-MAC bezeichnet wird, verlagert zwar die PHY-Layer, aber nur einen Teil der Funktionen der MAC-Layer in den Glasfaser-Knoten. In Abhängigkeit von der vorhandenen technischen Ausstattung und den Wünschen des Netzbetreibers ist es auch möglich, R-PHY und R-MACPHY stufenweise zu implementieren.

Überblick über die von VIAVI angebotenen Tester für DAA-Architekturen:

Eine verteilte CCAP-Architektur ist eine DAA-Architektur, die auf der 2011 eingeführten Converged Cable Access Platform (CCAP) basiert. Die CCAP-Technologie wurde mit dem Ziel entwickelt, das Kabelmodem-Abschlusssystem (CMTS, Cable Modem Termination System) in der Kopfstelle zu modernisieren und zu ersetzen. Hierfür werden alle Switch-, Router- und QAM-Funktionen zusammengeführt sowie Daten und Video vom gleichen Gerät übertragen. 

Die Bereitstellung der konventionellen CCAP-Architektur, die letztendlich zeitgleich mit der Entwicklung verteilter Zugangsarchitekturen erfolgte, ist ein typisches Beispiel für ein maßvolles und weitsichtiges Implementierungskonzept, das es erlaubte, die rasante technologische Entwicklung zu berücksichtigen. Stufenweise Bereitstellungen können sich als die wirtschaftlichste Lösung erweisen, da die Logistik komplexer und kostenintensiver wird, wenn mehr Funktionen aus der Kopfstelle in die Knoten verlegt werden. Auch entscheiden sich die Netzbetreiber möglicherweise dafür, einzelne Bereitstellungsebenen ganz zu umgehen, da sich neue Entwicklungen, wie die virtuelle DAA-Architektur, bereits abzeichnen.

Zur Förderung dieser Anstrengungen hat CableLabs neue Spezifikationen für DAA und die verteilte CCAP-Architektur eingeführt, die das Zusammenwirken (Interoperabilität) von DAA-Geräten unterschiedlicher Hersteller standardisieren. R-PHY stellt für viele einen robusten Übergangsschritt dar, der eine sofortige Investitionsrendite (RoI) ermöglicht. 

Obgleich die Hardware-Änderungen schrittweise umsetzbar sind, erfordern alle verteilten Zugangsarchitekturen eine umfassende Nachrüstung der digitalen Knoten sowie der näher an den Kunden herangeführten Glasfaserstrecken (Fiber-Deep), die an diese Knoten angeschlossen sind. Trotz eventuell großer Unterschiede in der Bereitstellungsstrategie wird die Notwendigkeit, weitere verteilte Zugangsarchitekturen zu implementieren, um dem steigenden Bedarf gerecht zu werden, nicht mehr in Frage gestellt. 

Vorteile der DAA-Architektur

Der offensichtlichste und wichtigste Vorteil der DAA-Architektur liegt darin, dass sie es erlaubt, den großen Platz-, Energie- und Kühlungsaufwand in der Kopfstelle (Hub) zu verringern. Dies wird immer wertvoller, da sich die Teilnehmerraten und Bandbreiten vervielfachen und Verbesserungen der Effizienz und Dichte der traditionellen Kopfstellenausrüstung kaum noch Schritt halten können. 

Letztendlich erlaubt die digitale optische Verbindung, die Betriebs- und Wartungskosten zu senken und den Überblick über das Netzwerk zu verbessern. Zudem bietet die Verlagerung der PHY-Layer näher zum Endnutzer weitere Qualitäts- und Leistungsvorteile, die direkt eine höhere Datenrate, weniger Rauschen und eine optimierte Modulation zur Folge haben. 

Da die Anzahl der Betriebsvorgänge in der Kopfstelle sinkt, kann die Belegungsdichte erhöht werden, sodass mehr Service-Gruppen auf der gleichen Stellfläche Platz finden. Das trägt dazu bei, die Voraussetzungen für Gigabit-Plus-Breitband sowie eine skalierbare Architektur zu schaffen, die den FTTx-Ausbau berücksichtigt. 

Der Übergang zur digitalen Glasfaser ermöglicht das Multiplexen zusätzlicher optischer Wellenlängen sowie QAM-Modulationen höherer Ordnung, um die Spektrumeffizienz zu verbessern. Das wiederum vergrößert die Gesamtkapazität, da die Glasfaser tiefer in das Netzwerk vordringt. Auch kann das digitale Kabel längere Entfernungen (80 km) mit einem größeren Durchsatz überbrücken, als es bei seinem analogen Vorgänger der Fall war.

Herausforderungen der DAA-Architektur

Wie bei allen großen technologischen Weiterentwicklungen stellt auch die DAA-Architektur besondere Herausforderungen, die bewältigt werden müssen. Die bei der konventionellen Architektur bereits dicht belegte Kopfstelle kann für einige Wartungsaufgaben immer noch von Vorteil sein, da die Geräte und Anschlüsse zentral zur Verfügung stehen. Die DAA-Architektur stärkt die Bedeutung und Funktion der Glasfaser-Knoten, da die Fehlerdiagnose und Upgrades, die früher am gleichen Ort durchgeführt wurden, nun dezentral realisiert werden müssen. 

Allerdings können diese Knoten-Standorte sich auch im Freien befinden und sind daher möglicherweise raueren Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die die Wartung erschweren. Die installierte Hardware muss also gegen die dort herrschenden neuen Einsatzbedingungen getestet werden. Zudem erhöht die bei der DAA-Architektur unvermeidliche Dezentralisierung das Risiko für Vandalismus, Diebstahl und sonstige Beschädigungen, die größere Auswirkungen auf die Dienstgüte (QoS) und erhebliche finanzielle Folgen haben können. 

Weitere Herausforderungen betreffen die Interoperabilität und Synchronisierung von Hardware-Komponenten, die sich zuvor am gleichen Standort befanden, jetzt aber vielleicht Hunderte Kilometer voneinander entfernt installiert sind. Diesen potentiellen Nachteilen der DAA-Architektur stehen jedoch weitaus größere Vorteile gegenüber, obwohl neue Planungsmethoden und -kompetenzen für die erfolgreiche Implementierung unverzichtbar sind. 

Fiber-Deep bezeichnet ein Konzept, bei dem die digitale Glasfaser näher an den Kunden herangeführt wird, um die Effizienz und Leistung zu steigern. Node+0 ist die extremste Ausprägung von Fiber-Deep, da hier die Glasfaser die ganze Strecke von der Kopfstelle bis zum Glasfaser-Knoten im Anschlussbereich („Letzte Meile“) des Endnutzers überbrückt. Außer im Knoten selbst gibt es auf dem gesamten Übertragungspfad keine Verstärker. Heute planen erst sehr wenige Netzbetreiber ernsthaft die Einführung von Node+0. Die meisten verringern ihre Verstärker-Kaskaden auf Node+3 und wollen in einem nächsten Schritt zuerst die Wirtschaftlichkeit von N+0 gegenüber Fiber-To-The-Home (FTTH) prüfen.  

In Verbindung mit der DAA-Architektur stellt Fiber-Deep eine praktikable Alternative zu FTTH dar, weil für deren Implementierung die vorhandene Infrastruktur mit weniger Modernisierungsaufwand weiter nutzbar ist. Trotzdem haben sich viele Kabelnetzbetreiber für den umfassenden Übergang zu FTTH entschieden. DOCSIS 3.1, DAA und Fiber-Deep ermöglichen der vorhandenen Hybrid Fiber-Coaxial(HFC)-Infrastruktur, Gigabit-Dienste anzubieten und mit der Datenraten- und Bandbreiten-Nachfrage Schritt zu halten.

Trotz der zahlreichen Vorteile der verteilten Zugangsarchitektur verfolgen einige Netzbetreiber ein eher vorsichtiges Einführungskonzept. Die gesunkenen Investitionen in die bestehende Infrastruktur der zentralen Architektur können sich in Bezug auf den RoI bzw. die Kostenaspekte auf die Übergangsplanung auswirken. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Sicherheit, was dazu führt, dass manche Unternehmen weiter die zentrale Architektur bevorzugen. Der zentrale Kopfstellen-Standort kann nämlich sicher abgeschlossen und der Zugang genau überwacht werden, um den Diebstahl oder die Beschädigung von Geräten und Daten zu verhindern. Weiterhin spielen vielleicht die mit der Wartung und der Reparatur von DAA-Strukturen in Zusammenhang stehenden Aktivitäten eine Rolle. Schließlich sind Serviceeinsätze, die früher an einem zentralen, kontrollierten Standort ausgeführt wurden, bei der verteilten Architektur möglicherweise mit einem erheblichen Reiseaufwand verbunden. 

Sicherlich wird die anhaltende, starke Nachfrage nach Highspeed-Datendiensten die Engpässe deutlich zu Tage treten lassen, die bei weiter ansteigender Nutzung immer unüberwindbarer werden. Für die Kabelnetzbetreiber hatte sich die Belastung der Kopfstellen zu einer der größten Herausforderungen entwickelt. 

Verkleinerungen („Downsizing“) und Elektronik haben diese Belastung zwar deutlich verringert, aber letztendlich hat sich der Kapazitätsdruck auf die Kopfstellen so stark erhöht, dass ein Paradigmenwechsel unverzichtbar wurde. Die verteilte Zugangsarchitektur (DAA), die verteilte CCAP-Architektur und Fiber-Deep beseitigen den oben genannten Engpass, indem sie wesentliche Funktionen zum Endnutzer hin (Downstream) verlagern. Gleichzeitig verbessern sie die Dienstgüte (QoS) und führen eine Skalierbarkeit ein, die diese Architektur angesichts des unvermeidbaren Anstiegs der Nachfrage zukunftssicher macht.