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Smart-Home-Netzwerke: Den Gigabit-Haushalt im Griff

Das zukünftige Smart Home braucht die Kapazitäten, um die Datenraten unter entsprechender Qualität ins Haus zu bringen. Hier trifft der "Need for Speed" auf "Security by Design". Aber wie genau lässt sich das realisieren?

Smart Home Bildquelle: © WiZ

Weltweit wächst der Internetverkehr weiterhin exponentiell, was zum Teil auf einen unersättlichen Datenkonsum – meist in Form von Video – in Privathaushalten zurückzuführen ist. Der globale IP-Verkehr, der aktuell bei mehr als 100 Exabyte im Monat liegt, wird laut Cisco im Jahr 2021 278 Exabyte im Monat erreichen. Video ist bereits für mehr als 70 Prozent des Datenaufkommens im Internet verantwortlich, aber der Anteil wird sich aufgrund von Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) zwischen 2016 und 2021 auf das Zwanzigfache erhöhen. Gleichzeitig steigt die Zahl der vernetzten Geräte immer weiter und wird bis 2021 auf 21 Milliarden anwachsen. Viele dieser neu vernetzten Knoten sind sogenannte „IoT“-Geräte, die vielleicht nicht viel Verkehr erzeugen, aber eine signifikante Herausforderung in puncto Sicherheit und Dienstqualität darstellen.

Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsformate im Vergleich Bildquelle: © NXP

Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsformate im Vergleich

In den letzten Jahren hat sich das Heimnetzwerk von wenigen kabelgebundenen Verbindungen in ein größtenteils drahtloses Netzwerk verwandelt, das gewünschte Inhalte per Wi-Fi an die Verbraucher liefert. Mit solchen Netzwerken verbinden sich eine ganze Reihe von Geräten wie Smartphones, Fernseher, Thermostate und so weiter. Parallel dazu findet eine weitere Revolution statt: Das sogenannte „lineare“ Fernsehen, welches normalerweise über Satellit oder terrestrisch per MPEG-Transportprotokoll gleichzeitig Millionen von Haushalten erreicht, wird immer mehr von TV-on-Demand abgelöst, welches über das Internet per Internet Protocol (IP) bereitgestellt wird.

All dies treibt die Nachfrage nach Bandbreite im Haushalt exponentiell nach oben. Für die Zukunft darf man erwarten, dass neue, auf VR und AR basierende Applikationen eine weitere Steigerung der Datenraten und deutlich geringere Latenzzeiten erfordern als die aktuellen Videostreaming-Anwendungen. Daher suchen Netzbetreiber nach Lösungen, ihre gesamte Kundenbasis mit Gigabit-Zugängen zu bedienen.

Die Notwendigkeit von Mehrfachzugriffstechnologien
Um Gigabit-Datendienste für Haushalte in großem Umfang bereitzustellen, müssen Internet-Betreiber mehrere Zugriffstechnologien nutzen. Die Gründe dafür lassen sich in Geographie, Historie und Physik finden:

  • Geographie: Aufgrund der vielfältigen Herausforderungen, mit denen sich typische Betreiber in Städten, abgelegenen ländlichen Gebieten oder bergigen Regionen konfrontiert sehen, brauchen sie diese unterschiedlichen Lösungen, um Internetdienste in verschiedenen Regionen bereitzustellen. Mobilfunk kann in abgelegenen Gebieten die einzige wirtschaftlich vertretbare Lösung sein, während sich kabelgebundene Technologien oft in Städten am besten bewähren und Lücken mit festen Mobilfunkverbindungen gefüllt werden.
  • Historie: Durch die Verbreitung der Sprachtelefonie Mitte des 20. Jahrhunderts wurde in vielen entwickelten Ländern eine Infrastruktur aus verdrillten Kupferleitungen geschaffen. Parallel dazu wurden im späten 20. Jahrhundert in vielen dieser Länder Millionen von Haushalten mit Koaxialkabeln angebunden, um sie mit Kabelfernsehen zu versorgen. Ein Upgrade dieser Verkabelung auf Glasfaser ist teuer und zeitaufwendig. Daher lohnt es sich, neue Technologien einzusetzen, die höhere Datenraten mit der vorhandenen Infrastruktur ermöglichen. Andere Länder, wie zum Beispiel China, die nicht auf eine etablierte Infrastruktur zurückgreifen konnten, haben sich für Investitionen in die landesweite Verlegung neuer Glasfasernetze entschieden.
  • Physik: Die Kommunikationstechnologie hat sich ständig weiterentwickelt und mit neuartigen Verfahren konnte man mit dem zur Verfügung stehenden Spektrum immer höhere Bandbreiten realisieren. Tatsache ist aber, dass man für höhere Datenraten mehr MHz braucht und so richten die Ingenieure ihr Augenmerk auf höhere Frequenzen, die mehr Bandbreite versprechen. Es ist bekannt, dass Radiowellen mit höherer Frequenz über längere Distanzen stärker gedämpft werden. Dies gilt sowohl für die drahtlose als auch für die drahtgebundene Übertragung (siehe auch Abbildung).

Daher setzen die neuesten Gigabit-Zugangstechnologien wie „G.fast“ und 5G mmWave voraus, damit der Aggregationspunkt näher an der Wohnung platziert wird – typischerweise innerhalb von einigen hundert Metern. Eine weitere interessante Beobachtung ist, dass alle Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsformate – einschließlich 5G, G.fast und Wi-Fi – irgendeine Art von OFDM (orthogonales Frequenzmultiplex) verwenden, um unter realen Bedingungen die höchst möglichen Geschwindigkeiten zu erreichen.