Kapitel 1: Hintergrundwissen

1.6. Dienstanforderungen

Nachdem in den vorangegangenen Kapiteln einige Dienste exemplarisch näher beschrieben wurden, sollen im folgenden die Dienstanforderungen an die Leistungsfähigkeit des zugrundeliegenden Kommunikationssystems - man spricht hier auch von Quality of Service - genauer beleuchtet werden.

Wurden bisher Dienste nach ihrem Anwendungsgebiet und ihrem Benutzerkreis klassifiziert, so müssen wir nun eine Einteilung bzgl. ihrer Dienstanforderungen vornehmen, um eine sinnvolle Aussage über die zur Realisierung einer Dienstfamilie benötigte Infrastruktur bzw. Übertragungstechnik machen zu können.

Eine erste Unterscheidung unserer Dienste ergibt sich aus der benötigten Bandbreite sowie ihrer Verzögerungssensibilität. Typische Multimedia-Anwendungen - wie z.B. Virtuelle Realität, Videokonferenzen, Entfernte Visualisierung u.a. -, die die Übertragung hochauflösender Grafiken ggf. in Verbindung mit Sprache oder Text beinhalten, haben bzgl. der benötigten Bandbreite wesentlich höhere Dienstanforderungen als konventionelle, textorientierte Dienste. Neben dem Transfer hoher Datenvolumen benötigen sie zudem sehr niedrige Verzögerungszeiten zwischen den Kommunikationsteilnehmern. Schon an diesen beiden Dienstqualitätsanforderungen sieht man, daß Multimedia-Anwendungen die Verwendung hochleistungsfähiger, diensteintegrierender Kommunikationssysteme unumgänglich machen, während zur Realisierung tradtioneller Dienste, wie z.B. E-Mail, Ftp, RPC und anderer textorientierter Dienste, ein Kommunikationssystem mit moderater Leistungsfähigkeit voll ausreicht.

Abbildung 1.6.1. zeigt eine graphische Anordnung von Anwendungen anhand des anfallenden Datenvolumens und ihrer Sensibilität gegenüber Verzögerungen.

Abb. 1.6.1. Dienstanforderungen ausgewählter Anwendungen bzgl. der benötigten Bandbreite und Verzögerungszeiten

Eine weitere Dienstklassifikation ergibt sich hinsichtlich der Kriterien Durchsatz, Verzögerung und akzeptabler Bitfehlerrate.

Betrachtet man reine Sprachübertragung, so wird hier eine maximale Umlaufverzögerung von ca. 100 bis 200 Millisekunden als gut, eine Verzögerung von mehr als 800 Millisekuden als nicht tolerierbar eingestuft. Der Verlust weniger Sprachteile ist dabei durchaus tragbar und führt zu keinen wesentlichen Qualitätseinbußen.

Bei der Übertragung unkomprimierter Videosignale werden Bandbreiten von ca. 90 Mbit/s benötigt, für hochauflösende unkomprimierte Videos liegt die benötigte Bandbreite sogar im Gigabitbereich. Allerdings lassen sich diese Bandbreitenanforderungen durch den Einsatz fortschrittlicher Videokompressionsverfahren wie z.B. mpeg erheblich senken. Mit geeigneten Kompressionsmethoden lassen sich Videos bereits mit 6 Mbit/s übertragen.

Noch höhere Anforderungen bzgl. der benötigten Bandbreite stellt das HDTV (High Definition TV). Hier sind Datenraten von 1,5 Gbit/s üblich. Selbst komprimiert sind noch 150 Mbit/s Bandbreite notwendig.

In Tabelle 1.6.2. sind die Dienstanforderungen bzgl. der Kritrien Durchsatz, Verzögerung und akzeptabler Bitfehlerrate für einige typische Anwendungen zusammengefaßt:

Anwendung	Durchsatz	Verzögerung	maximale Bitfehlerrate
Text (DIN A4)	sehr gering	mittel - hoch	mittel - hoch
Daten	mittel	mittel - hoch	sehr gering
Realzeitdaten	gering	gering	sehr gering
Sprache	sehr gering	mittel	mittel - hoch
Musik	mittel	mittel	gering
Grafiken	hoch	mittel	mittel
Video (unkompremiert)	sehr hoch	mittel	mittel - hoch
Video (kompremiert)	mittel - hoch	mittel	mittel

Tabelle 1.6.2. Dienstanforderungen einiger typischer Anwendungen [20]

Insbesondere für Audio- und Videoanwendungen, die einen kontinuierlichen Datenfluß erfordern, ist neben den erhöhten Anforderungen hinsichtlich des Durchsatzes und der Verzögerung der sogenannte Verzögerungsjitter von zentraler Bedeutung. Bei dieser Dienstqualitätsanforderung muß eine gewisse Datenmenge in einem bestimmten Zeitraum übertragen werden und zusätzlich darf die Verzögerungsschwankung zwischen aufeinanderfolgenden Dienstdateneinheiten einen vorgegebenen Wert nicht überschreiten.

In der folgenden Abbildung wird die Bedeutung des Verzögerungsjitter dargestellt.

Abb. 1.6.3. Bedeutung des Verzögerungsjitter [20]

Der Verzögerungsjitter bezieht sich auf die zwischen der Ankunft zweier aufeinanderfolgender Pakete Pi und Pi+1 verstrichene Zeit t = tPi+1 - tPi. In paketvermittelnden Netzen ist diese Zeit nicht konstant, sondern Schwankungen unterworfen. Diese Schwankungen bezeichnet man als Jitter. Der Jitter darf in der Regel einen maximalen Wert Jmax nicht überschreiten, d.h. es gilt:

t Jmax

Darüber hinaus wird eine minimale Verzögerung Jmin zwischen den Dateneinheiten angegeben, die nicht unterschritten werden darf. Nur wenn diese Bedingungen erfüllt sind, werden Daten entsprechend ihrer Spezifikation empfangen und dürfen an die Anwendung weitergereicht werden. Die von einem Kommunikationssystem geforderten Dienste zur Erbringung eines kontiniuerlichen Datenstromes werden als isochrone Dienste bezeichnet.

Im folgenden wird eine Übersicht der Anforderungen von denkbaren City-Netz-Diensten an die zugrundeliegende Netzinfrastruktur gegeben:

Anwendungen	Bandbreite/ Bitrate downstream	Bandbreite/ Bitrate upstream	Übertragung von			2-Weg- Über- tragung	Isochrone Über- tragung	Vermitt- lungs- technik	Multi- point Vermittlung	Sepz. Abrech- nungs- system	Multi- media Server
			Daten	Audio	Video
E-Mail	kbit/s	kbit/s	X			X		X
FTP	kbit/s - Mbit/s	kbit/s	X			X		X
RPC	kbit/s	kbit/s	X			X		X
Archie	kbit/s - Mbit/s	kbit/s	X			X		X
WWW	2-8 Mbit/s	kbit/s	X	X	X	X		X			X
Virtuell Reality	Gbit/s	kbit/s	(X)	X	X	X	X	X	X
HDTV- Programm- verteiltung	> 150 Mbit/s	---		X	X
Pay-TV	8-80 Mbit/s	---		X	X					(X)
Pay-per-View	4-100 Mbit/s	kbit/s	(X)	X	X	(X)				X	(X)
Video-on-Demand	2-8 Mbit/s	kbit/s	X	X	X	X		(X)		X	X
Games-on-Demand	kbit/s - 8 Mbit/s	kbit/s	X	X	(X)	X	X	X	X	X	(X)
Homeshopping	64 kbit/s- 8 Mbit/s	kbit/s - 2 Mbit/s	X	X	(X)	X	(X)	X		X	(X)
Homeservice	64kbit/s- 8 Mbit/s	kbit/s 2 Mbit/s	X	X	(X)	X	(X)	X		X	(X)
MM-Informations- abfrage	64 kbit/s - 4 Mbit/s	kbit/s	X	(X)	(X)	X		X		X	X
MM-Lernprogramme	64 kbit/s - 4 Mbit/s	kbit/s - 2 Mbit/s	X	X	(X)	X	(X)	X	(X)	X	(X)
Audio-on-Demand	1 Mbit/s	kbit/s	(X)	X		X		X		X	X

Fortsetzung siehe nächste Seite

Anwendungen	Bandbreite/ Bitrate DS	Bandbreite/ Bitrate US	Übertragung von			2-Weg- Über- tragung	Isochrone Über- tragung	Vermitt- lungs- technik	Multi- point Vermittlung	Sepz. Abrech-nungs- system	Multi- media Server
			Daten	Audio	Video
Point-of-Information	n x 64 kbit/s	kbit/s - n x 64 kbit/s	X	X	(X)	(X)	(X)	(X)			(X)
Point-of-Sales	n x 64 kbit/s - 2 Mbit/s	kbit/s - n x 64 kbit/s	X	(X)	(X)	X	(X)	X		X
Videokonferenz	n x 64 kbit/s	n x 64 kbit/s	(X)	X	X	X	X	X	X
Bildtelefonie	64 kbit/s	64 kbit/s		X	X	X	X	X	(X)
Telemedizin	64 kbit/s - 100 Mbit/s	64 kbit/s - 100 Mbit/s	X	X	(X)	X	X	X	X
Teleworking	n x 64 kbit/s	n x 64 kbit/s	X	X	(X)	X	X	X	X
MM-E-Mail	n x 64 kbit/s	n x 64 kbit/s	X	X	X	X		X
Super-Computer- Verbindungen	100 Mbit/s - Gbit/s	100 Mbit/s - Gbit/s	X			X		(X)
Electronic Banking	kbit/s	kbit/s	X			X		X
on-line Zeitungen	64 kbit/s - Mbit/s	---	X	(X)	(X)			X		X	(X)
Fahrplanauskunft	kbit/s	kbit/s	X			X		X
Regio-Info	64 kbit/s - 4 Mbit/s	kbit/s	X	X	X	X	(X)	X			X

X erforderlich

(X) eventuell erforderlich

Taballe 1.6.4. Anforderungen ausgewählter Dienste an die zugrundeliegende Netzinfrastruktur [16]

Wie man der obigen Tabelle entnimmt, sind die Anforderungen der einzelnen Dienste an die Netzinfrastruktur sehr unterschiedlich. Insbesondere fortschrittliche Multimedia-Anwendungen stellen erhöhte Anforderungen an das zugrundeliegende Netzwerk. Während sich klassische Internet-Dienste auf den meisten Netzinfrastrukturen ohne weiteres realisieren lassen, ist der heute erreichbare Realisierungsgrad bei den Multimedia-Anwendungen noch relativ gering. Nur im geschäftlichen Bereich hat die Multimedia bereits verstärkt Einzug gehalten. Als typische Anwendungen sind hier insbesondere die Videokonferenz, die Multimedia-Informationsabfrage, Telemedizin, Teleworking sowie die Mulitmedia-E-Mail zu nennen.

Bei der Realisierung von Multimedia-Anwendungen kommt dem Ausbau des ISDN (Integrated Services Digital Network)-Netzes eine hohe Bedeutung zu. Mit der Einführung von ISDN wurde ein Ansatz zur Integration aller Dienste in einem einheitlichen Netz gewählt. Auf längere Sicht wird ISDN bzw. B-ISDN alle heutigen Spezialnetze ablösen und alle Dienste in einem Universalnetz anbieten. ISDN ermöglicht die Realsierung der meisten diskutierten Anwendungen. Allerdings ist die erreichbare Qualität zum Teil noch sehr unbefriedigend, da ISDN kein neues Netz darstellt, sondern integraler Bestandteil des digitalen Fernsprechnetzes ist. Aus diesem Grund bietet ISDN nur einen sehr eingeschränkten Ansatz zur Integration von Breitbanddiensten. Anwendungen, die sehr große Datenvolumen übertragen, sind mit ISDN zur Zeit nicht realisierbar. Hierzu wären Bitraten von 1,5 Mbit/s bis über 100 Mbit/s auf den Teilnehmeranschlußleitungen erforderlich. Darüber hinaus würde der Ausbau des Fern- und Ortsnetzes mit breitbandigen Übertragungsmedien notwendig. Inzwischen gibt es jedoch bereits in dieser Form ausgebaute Netze, die als Breitband-ISDN (B-ISDN) bezeichnet werden. B-ISDN bezeichnet den breitbandigen Anteil am ISDN und ist nicht als Ersatz sondern als Ergängzung des ISDN zu sehen. Im B-ISDN lassen sich zunächst alle "Schmalbanddienste" und Anwendungen des ISDN auf der Basis von 64 kbit/s-Kanälen realisieren. Darüber hinaus lassen sich nun auch eine Vielzahl von Breitband-Diensten und -Anwendungen leicht realisieren:

Beispiele für Breitbandanwendungen sind:

Nachrichtenabruf

• Video-on-Demand
• Verteildienste
• Radio und Fernsehen
• elektronische Zeitung

Datenkommunikation

• LAN-Verbindungen
• CAD/CAM-Verbindungen
• Datenübertragung
• Bildübertragung

Nachrichtenaustausch

• MM-E-Mail
• Dokumentenübertragung (incl. Bilder)
• Austausch von Programmen zwischen Studios

Abrufdienste

• Fernunterricht
• Zugriff auf Datenbanken
• WWW

Bewegtbildkommunikation

• Bildtelefon
• Breitband-Videokonferenz
• Videoüberwachung
• Telediagnostik

Neben der Bereitstellung von Breitbandnetzen wird durch den Einsatz verbesserter Kompressionsverfahren eine weitere Qualitätssteigerung von Multimediaanwendungen erzielt.

Die größte technologische Lücke aus Anwendungssicht besteht zur Zeit bei den privaten Anwendungen im Bereich des interaktiven Fernsehens, also z.B. bei Video-on-Demand oder bei voll interaktivem Homeshopping. Erforderliche Netzstrukturen könnten im Rahmen eines City-Netzes zum Teil erbracht werden. Ausgehend von bereits existierenden Netzen bestehen jedoch folgende Probleme und Möglichkeiten:

1.6.1. Telefonnetz

Bei unserem existierenden Telefonnetz besteht das Hauptproblem in der geringen zur Verfügung stehenden Bandbreite, d.h. es ist für die Übertragung von großen Datenmengen nicht ausgelegt. Aus diesem Grund wäre eine Aufrüstung aller Netzwerkkomponenten erforderlich. Für die Hauptverbindungsstrecken, das Backbone, sind bereits erste Schritte in diese Richtung getan. Durch den Einsatz von Glasfasertechnologie in Verbindung mit SDH im Übertragungs- sowie ATM im Vermittlungsbereich werden die benötigten Übertragungskapazitäten bereitgestellt. Viel problematischer ist jedoch die Überbrückung der letzten Meile. Hier werden verschiedene Alternativen diskutiert. Man unterscheidet i.a. zwischen FTTC (Fibre To The Curb), FTTH (Fibre To The Home) oder FTTB (Fibre To The Building) und FTTN (Fibre To The Neighbourhood). Bei FTTH wird Glasfaser bis ins Haus verlegt. Diese Technik ist jedoch sehr kostenintensiv, da alle Anschlußleitungen ausgetauscht werden müssen. Zudem würde der Austausch aller Leitungen, und damit der Anschluß aller interessierten Teilnehmer, Jahrzehnte dauern. Der Erfolg von Multimedia-Anwendungen hängt jedoch maßgeblich von ihrer schnellen, flächendeckenden Einführung ab.

Bei FTTC wird die Glasfasertechnologie nicht bis in das Haus, sondern lediglich so nah wie möglich an das Haus herangeführt. Darüber hinaus existiert noch FTTN, bei dem die Glasfasertechnologie zu Verteilzentren in der Nachbarschaft geführt wird und die letzten Meter ebenfalls mittels existierender Kupferkabel überbrückt wird.

In den USA wird zur Zeit jedoch mehr und mehr die Alternative bevorzugt, Hausanschlüsse durch Koaxial-Kabel zu realisieren. Durch Koaxial-Kabel lassen sich größere Distanzen zwischen Haus und Glasfaser überbrücken. Für Netzbetreiber, die über eigene Telefon- und Kabelnetze verfügen, ist aus wirtschaftlicher Sicht die Verwendung der existierenden Kabelnetze angebracht. Die größten Investitionen entstehen i.a. bei der Verlegung der Anschlußleitungen. Diese Kosten werden durch Mehrfachverwendung der bereits existierenden Anschlußleitungen eingespart. Zudem können existierende Kupferleitungen durch ein Einsatz von Zusatzgeräten, die die Realisierung höher Übertragungsraten über Telefonleitungen ermöglichen, sehr schnell umgerüstet werden und erlauben somit eine rasche und fläschendeckende Einführung neuer Anwendungen.

In diesem Zusammenhang sind insbesondere HDSL (High Bitrate Digital Subscriber Line) und ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) zu nennen. Während HDSL einen bzgl. der Übertragungsrate symmetrischen, isochronen Datentransfer von etwa 2Mbit/s erlaubt, arbeitet ADSL mit asymmetrischen Übertragungsraten. ADSL bietet im Vergleich zu HDSL eine höhere Bandbreite hin zum Anwender, jedoch nur eine geringere Bandbreite in die Rückrichtung. Dies stellt jedoch noch keine wesentliche Einschränkung dar, da viele Multimedia-Anwendungen asymmetrische Übertragungsraten voraussetzen. Allerdings lassen sich die erreichbaren Übertragungsgeschwindigkeiten nicht beliebig ausbauen, bei ca. 9 Mbit/s steht zur Zeit die technische Entwicklung.

1.6.2. Kabelnetz

Im Gegensatz zu Fernsprechnetzen sind Kabelnetze ursprünglich nur für die Datenübertragung in eine Richtung ausgelegt. Viele Anwendungen, sowohl konventionelle als auch multimediale Anwendungen, erfordern jedoch eine Zweiweg-Kommunikation, d.h. das Endgerät des Anwenders muß für das Absenden von Signalen ausgestattet sein. Ein hierzu benötigter Rückkanal läßt sich innerhalb eines freien Frequenzsprektrums des Kabelnetzes realsieren. Damit Signale in der umgekehrten Richtung über das Kabelnetz gesendet werden können, müssen die Netzknoten entsprechend aufgerüstet werden.

Darüber hinaus besteht ein weiteres Problem darin, daß alle Kabelnetzteilnehmer i.a. Zugriff auf dieselben Informationen haben. Dies ist bei On-Demand-Diensten jedoch nicht mehr der Fall. Damit jeder Konsument sein individuelles Programm zusammenstellen kann, werden zwei Prinzipien verfolgt. Das erste Prinzip basiert auf der Verschlüsselung des Programms, d.h. alle Programme werden verschlüsselt ausgestrahlt und nur für berechtigte Personen zugänglich gemacht. Auf diesem Prinzip basieren die heutigen Pay-TVs wie z.B. Premiere. Das andere Prinzip setzt eine gezielte Verteilung des Programms an einzelne Abonnenten voraus. Diese Lösung ist aus Sicht des Netzes wesentlich aufwendiger zu realisieren, da hierzu Vermittlungstechnologien notwendig werden. Außerdem müssen zur Realisierung von On-Demand-Diensten die zu übertragenen Daten digitalisiert und zur Reduzierung des Datenvolumens zusätzlich komprimiert werden. Zur Realisierung aufwendiger On-Demand-Dienste werden vorwiegend Kabelnetze mit Glasfasertechnologie im Backbone vorausgesetzt. Als günstigste Übermittlungstechnik wird ATM angesehen.

Der Kabelnetzansatz kombiniert mit ATM entspricht weitgehend der oben diskutierten Hybridstruktur für den Ausbau von Telefonnetzen.

1.6.3. Terrestrische Verteilnetze

Die terrestrische Verteilung ist in Deutschland nahezu flächendeckend verfügbar. Aufgrund physikalischer Gegebenheiten ergibt sich jedoch hier eine Beschränkung der zur Verfügung stehenden Rundfunkkanäle.

Durch Digitalisierung und den Einsatz fortschrittlicher Komprimierungsverfahren lassen sich unter Verwendung neuer Übertragungsverfahren kurzfristig weitere Kanäle schaffen. Die mögliche Zusatzrate ist jeoch nicht mit dem Wachstum im CATV-Netz oder im Satellitenbereich vergleichbar.

Ein weiterer Nachteil der terrestrischen Verteilung besteht darin, daß i.a. von der Konzeption der Nezte her keine direkte Interaktion möglich ist. Um Interaktion zu gewährleisten, müssen weitere Dienste bzw. Netze, wie z.B. der Telefondienst, eingesetzt werden.

1.6.4. Satelliten

Ebenso wie bei terrestrischen Verteilnetzen besteht auch bei der Satellitenübertragung der größte Nachteil in der fehlenden Interaktion. Satelliten werden zur Ausstrahlung von Rundfunkprogrammen eingesetzt und erfreuen sich wachsender Beliebtheit. Sie werden oft als direkte Konkurrenz zum CATV-Netz angesehen. Durch Digitalisierungs- und Kompressionsmaßnahmen sowie unter Verwendung neuer Übertragungsverfahren sind inzwischen ca. 500 Kanäle verfügbar.

Da im Prinzip jeder, die über Satellit verbreiteten Informationen und Daten empfangen kann, werden hier oft Kodierungsverfahren eingesetzt, um den Benutzerkreis einzuschränken. Neben CATV ist die Satellitenübertragung das zur Zeit gängigste Medium zur Verbreitung von Pay-TV-Programmen.

In den nachfolgenden Tabellen werden Multimediadienste und Infrastrukturen einander gegenübergestellt. Tabelle 1.6.4.1 gibt einen Überblick über den heutigen Zustand, während Tabelle 1.6.4.2 Optionen für die Aufrüstung der Netzinfrastruktur zusammenfaßt und die Möglichkeiten, die sich daraus für die Multimediadienste ergeben, verdeutlicht.

Die Tabellen enthalten nur Multimediadienste, da Schmalbanddienste mit Übertragungsraten kleiner als 2 Mbit/s sich im allgemeinen ohne weiteres - auf der vorhandenen Infrastruktur - mit heutiger Technik realisieren lassen.

	Infrastrukturoptionen
Multimedia- Dienste	Cu-Zweidraht- leitung	Coax-Kabel im CATV-Netz	Glasfaser	Terrestische Verteilnetze	Satelliten
Broadcast- Dienste		möglich	möglich	möglich	möglich
On-Demand- Dienste			möglich
Kommunikations- dienste	möglich (nur mit Einschränk-ung via ISDN)		möglich

Tabelle 1.6.4.1. Ausgangslage

	Infrastrukturoptionen
Multimedia- Dienste	Cu-Zweidraht- leitung mit ADSL	Coax-Kabel mit Hybrid-Netz	Glasfaser	Terrestische Verteilnetze	Satelliten
Broadcast- Dienste		möglich (mehr Kanäle)	möglich	möglich (mehr Kanäle)	möglich (mehr Kanäle)
On-Demand- Dienste	möglich	möglich	möglich
Kommunikations- dienste	möglich	möglich	möglich

Tabelle 1.6.4.2. Möglichkeiten nach Aufrüstung der Netzinfrastruktur