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Digitalisierung und Vernetzung

Erstellt am: 11.06.2015 | Stand des Wissens: 18.02.2019
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Bauhaus-Universität Weimar, Professur Verkehrssystemplanung, Prof. Dr.-Ing. Plank-Wiedenbeck

Mit dem zentralen technologischen Megatrend der Digitalisierung ist die Nutzung unterschiedlicher Anwendungen und Dienste auf der Basis von Informations- und Kommunikationstechnologien zur alltäglichen Selbstverständlichkeit und Lebensrealität geworden. Dies hat zu einer fundamentalen Transformation aller Bereiche des privaten, öffentlichen und wirtschaftlichen Lebens geführt. Digitalisierung macht nicht vor Ländergrenzen halt, sondern ermöglicht und befördert durch die vielfältigen Vernetzungsmöglichkeiten das Aufbrechen bestehender, aber auch die Schaffung neuer Kooperationsmöglichkeiten innerhalb und zwischen traditionellen Wirtschaftsbereichen.
Diese Entwicklung kann durch verschiedene Fakten belegt werden. Im Jahr 2014 verfügten nach Angaben des Statistischen Bundesamts 84 Prozent der privaten Haushalte in der Bundesrepublik Deutschland über einen Internetanschluss, davon konnten 95 Prozent über einen stationären Breitbandanschluss und 48 Prozent über einen mobilen Breitbandanschluss auf das Internet zugreifen [Dest15]. Aktuell ist es bereits für mehr als die Hälfte Haushalte in Deutschland möglich, mit Geschwindigkeiten über 50 Megabit pro Sekunde im Internet auf Basis unterschiedlicher Anschlusstechnologien zu surfen [Delo15]. Die rasante Entwicklung auf dem Smartphonemarkt lässt erkennen, dass mobile Internetdienste, die jederzeit an jedem Ort zur Verfügung stehen sollten, immer wichtiger und alltagsbestimmender werden. Besaßen im Januar 2009 lediglich 6,31 Millionen Bundesbürger ein Smartphone, so sind dies sechs Jahre später bereits 45,6 Millionen [Schm15]. Das heißt, mehr als die Hälfte der Bundesbürger verfügt inzwischen über die Möglichkeit, mobil auf das Internet zuzugreifen. Knapp jeder vierte Nutzer mobiler Internetdienste nutzte dabei 2014 den schnellen Internetzugang über das gegenwärtig leistungsfähigste Mobilfunknetz, das Long-Term-Evolution (LTE)-Netz [Paul14].
Auch im Umfeld der Wirtschaft hat sich die Versorgung mit Breitbandanschlüssen in den vergangenen Jahren deutlich verbessert. Im Jahr 2014 hatten 95 Prozent der deutschen Unternehmen Zugriff auf einen mobilen oder festen Breitbandanschluss. Hier ist jedoch fraglich, ob all diese Breitbandanschlüsse die Übertragungsgeschwindigkeiten ermöglichen, die datenintensive Dienste und Anwendungen heute erfordern. Die Internationale Fernmeldeunion spricht von Breitbandkommunikation ab 1,5 oder 2,0 Megabits pro Sekunde, jedoch existiert keine einheitliche Definition, ab welcher Datenübertragungsrate die Bezeichnung Breitbandkommunikation verwendet werden darf [ITU03; LeBe08].
Um den Anforderungen der zunehmenden Digitalisierung und Vernetzung gerecht zu werden, ist der flächendeckende Ausbau sehr leistungsfähiger Breitbandnetze, der sogenannten Highspeed-Breitbandnetze, unumgänglich. Diese werden durch unterschiedliche Akteure und Entwicklungen getrieben, unter anderem durch die Netzallianz "Digitales Deutschland", die im Oktober 2014 ein Kursbuch zum Netzausbau veröffentlichte [BMVI14n].
Telekommunikationsnetzbetreibern stehen unterschiedliche Strategien beim Ausbau der Telekommunikationsnetze zur Verfügung, die abhängig von den Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zu differenzierten Lösungen führen und durch einen Mix verschiedener Technologien umgesetzt werden. Die wesentlichsten Möglichkeiten hierzu sind:
der Ausbau der Glasfasertechnologie bis zum Kabelverzweiger am Straßenrand (Fiber To The Curb, FTTC), wodurch Very High Speed Digital Subscriber Line (VDSL)-Anschlüsse mit Geschwindigkeiten von 50 Megabit pro Sekunde und bei Einsatz der VDSL-Vectoring-Technologie Anschlüsse mit Geschwindigkeiten bis zu 100 Megabit pro Sekunde eingerichtet werden können
Auch die Betreiber der Fernsehkabelnetze rüsten ihre Netze über den weltweit einheitlichen Standard für Datenübertragung mit Kabelmodems Data Over Cable Service Interface Specification (DOCSIS) 3.0 und 3.1 für den schnellen Internetzugang im Gigabit-Bereich auf. Hierzu werden die Koaxialkabelnetze immer stärker durch Glasfaser in Richtung der Endkunden abgelöst. Ebenso ist die Nutzung der Mobilfunktechnologien wie Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) und zunehmend LTE für den Breitbandzugang zum Internet zu nennen.
Darüber hinaus stehen technologische Entwicklungen mit neuen Übertragungsverfahren in den Startlöchern. Dazu gehören unter anderem
  • der Standard G.fast für Kupferleitungen, der auf kurzen Entfernungen bis zu 250 Metern nochmals höhere Bandbreiten als das VDSL-Vectoring ermöglichen soll, und
  • neue Komprimierungsstandards für Video-Inhalte, die bei gleicher Bildqualität wie das High Efficiency Video Coding (HEVC) geringe Datenraten erfordern sollen [Delo15].
Hinzu kommen ständig neue Entwicklungen im Endgerätebereich. So wird die Entwicklungsdynamik nach Smartphones und Tablets zunehmend durch sogenannte Wearables (elektronische Geräte, die am Körper getragen werden) und durch die Trends, die das "Internet der Dinge" hervorbringt, vorangetrieben. Die Vernetzung der vielfältigen angeschlossenen Geräte prägt diesen "Connectivity"-Trend und erfordert leistungsfähige Infrastrukturen.
Auch die Nutzer der Kommunikations- und Informationsdienste können als wesentliche Treiber für den Ausbau von Netzen mit sehr hohen Bandbreiten, den sogenannten Highspeedbreitbandnetzen, identifiziert werden. Sie verlangen zunehmend nach einem individuellen, flexiblen und möglichst mobilen Zugriff auf Inhalte und Dienste von unterschiedlichen Endgeräten aus. Heute ist für viele die ständige Nutzung von Diensten zur Unterstützung der individuellen Mobilität wie Auskunfts-, Echtzeitnavigations- und Ticketdienste selbstverständlich. Zunehmend an Bedeutung gewinnt der Anspruch, hochbitratige Dienste wie Musik-Streaming oder Abrufvideos (auch Video-on-Demand genannt) jederzeit an jeden Ort in erforderlicher Qualität nutzen zu können. Dies wird durch die verschiedenen Formen des Cloud-Computings realisierbar. Einhergehend mit der sich ändernden Mediennutzung können steigende Zahlungsbereitschaften für Breitbandanschlüsse erwartet werden [Delo15].
Diese Entwicklungen werden durch zielgerichtete Fördermaßnahmen und eine verbesserte gesellschaftspolitische Rahmensetzung unterstützt. Auch wenn aus Sicht der politischen Akteure der Ausbau digitaler Infrastrukturen weitestgehend marktgetrieben erfolgen soll, sind vor allem für ländliche Regionen Fördermaßnahmen unabdingbar, um den wichtigen Standortfaktor einer leistungsfähigen Netzinfrastruktur aufbauen zu können. Hierzu existieren einerseits kofinanzierte Programme, die aus einer Kombination aus Bundes-, Landes- oder auch EU-Mitteln realisiert werden. Andererseits bestehen eigenständige Fördermöglichkeiten in den einzelnen Bundesländern [BMVI15i]. Ein wichtiger Schritt war in diesem Zusammenhang die Verabschiedung der "Bundesrahmenregelung Leerrohre", die eine Förderung des Verlegens von Leerrohren bis zum letzten Verteilpunkt vor einem Gebäude einschließlich der dafür notwendigen Übergabevorrichtung über Beihilfen möglich macht [BRRL11]. Diese wurde durch die "Rahmenregelung der Bundesrepublik Deutschland zur Unterstützung des Ausbaus einer flächendeckenden Next Generation Access (NGA)-Breitbandversorgung" [NGA-RR] im Juni 2015 abgelöst.
Digitale Dienste im Verkehrsbereich unterstützen interne Betriebs-, Kontroll- und Steuerungsprozesse und werden unterschiedlichen Nachfragern nach Verkehrsdienstleistungen angeboten. So sind bei den Verkehrsunternehmen bereits heute vielfältige digitale Dienste zur Steuerung der operativen Betriebsprozesse im Einsatz, wie:
Darüber hinaus werden auf kommunaler und regionaler Ebene Verkehrsströme über Verkehrsmanagementzentralen erfasst und gesteuert. Moderne Mauterhebungssysteme sind ohne Informations- und Kommunikationssysteme nicht mehr denkbar und erlauben einen dynamischen Einsatz sowie eine dynamische Erweiterung des einzubeziehenden Straßennetzes.
Heute werden vielfältige Dienste an der Schnittstelle zum Fahrer im motorisierten Individualverkehr oder zum Nutzer im öffentlichen Verkehr digital bereitgestellt. Beispielhaft seien hier Anwendungen zur Information, zur Navigation, zum elektronischen Ticketerwerb bis hin zur integrierten Reiseassistenz genannt sowie Anwendungen zu Parkplatzangebot, -suche und -reservierung. Infotainmentangebote, die möglichst in hoher Qualität dem Reisenden direkt in den Fahrzeugen zur Verfügung stehen sollten, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Diese erfordern jedoch den Ausbau der digitalen Breitbandinfrastruktur entlang der Verkehrswege, wie des Eisenbahnnetzes oder der Autobahnen, um entsprechende Internetverbindungen aufbauen und unterbrechungsfrei aufrechterhalten zu können. So rüstet die Deutsche Bahn AG gegenwärtig ihre Intercity-Express-Züge mit Wireless Local Area Network (drahtloses lokales Netzwerk, WLAN)-Hotspots aus, die eine Nutzung des Internets bei Fahrgeschwindigkeiten von bis zu 300 Kilometer pro Stunde ermöglichen sollen. Des Weiteren erfordern die Anwendungen der Car-to-X-Kommunikation entsprechende digitale Netzinfrastrukturen und vereinheitlichte technische Kommunikationsstandards.
Des Weiteren werden im Zusammenhang mit den Entwicklungen hin zum "Internet der Dinge" Fahrzeuge mit zahlreichen Sensoren ausgestattet, die über den Zustand des Fahrzeugs, die Umgebung, das Fahrverhalten und andere Parameter Auskunft geben und zu Dienstleistungen unterschiedlichster Art führen. Das reicht von Connected Car Lösungen für Autohändler und Reparaturwerkstätten bis hin zu Versicherungen, bei denen sich die Prämienhöhe nach Art und Menge der Fahrzeugnutzung richtet (sogenannte Pay-as-you-drive-Versicherungen).
Ansprechpartner
Bauhaus-Universität Weimar, Professur Verkehrssystemplanung, Prof. Dr.-Ing. Plank-Wiedenbeck
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Digitale Infrastrukturen für verkehrsspezifische Anwendungen (Stand des Wissens: 21.08.2021)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?451631
Literatur
[BMVI14n] Netzallianz digitales Deutschland Kursbuch Netzausbau, 2014/10
[BMVI15i] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (Hrsg.) Instrumente zur Förderung von Breitbandzugängen, 2015
[Delo15] Deloitte & Touch GmbH Wirtschaftsprüfungsgesellschaft (Hrsg.) Freie Fahrt für Glasfaser und Co.?
Highspeed Braodband im Reality Check, 2015
[Dest15] Statistisches Bundesamt (Hrsg.) Wirtschaftsrechnungen Private Haushalte in der Informationsgesellschaft - Nutzung von Informations- und Kommunikationstechnologien, Wiesbaden, 2015/01/20
[ITU03] International Telecommunication Union (Hrsg.) The Birth of Broadband, 2003/09
[LeBe08] Leimeister, J. M., Berkovich, M. Breitbandkommunikation, 2008/07/22
[Paul14] Paul, L., Wolf, M., Till-Stavrakakis, V. Mobile Internetnutzung 2014. Gradmesser für die digitale Gesellschaft, 2014/12
[Schm15] Schmidt, H. Anzahl der Smartphone-Nutzer in Deutschland in den Jahren 2009 bis 2016 (in Millionen), 2016/06
Weiterführende Literatur
[Berg13] Roland Berger Strategy Consultants GmbH Best-Practice-Studie Intelligente Netze, 2013/12
[Bure14] Bundesregierung Digitale Agenda 2014 - 2017, 2014/08
[Neib11] Neiberger, C. Verkehrsrelevante Kundenwünsche. Kundenanforderungen und IuK-Technologie in Logistik und Verkehr, veröffentlicht in Informationen zur Raumentwicklung, Ausgabe/Auflage 10/2011, 2011, ISBN/ISSN 0303 - 2493
[Lenz11] Lenz, B Verkehrsrelevante Wechselwirkungen zwischen Mobilitätsverhalten und Nutzung von IuK-Technologien, veröffentlicht in Informationen zur Raumentwicklung, Ausgabe/Auflage Heft 10.2011, 2011, ISBN/ISSN 0303 - 2493
[BRRL11] Bundesrahmenregelung Leerrohre
[NGA-RR] Rahmenregelung der Bundesrepublik Deutschland zur Unterstüt-zung des
Aufbaus einer flächendeckenden Next Generation Access (NGA)-Breitbandversorgung
Glossar
ETCS
Standard eines EU-weit harmonisierten Zugbeeinflussungssystems, welches im Falle einer entsprechenden Streckeninfrastrukturausstattung und Fahrzeugertüchtigung die unterbrechungsfreie Durchführung grenzüberschreitender Schienenverkehre ermöglicht, ohne zu diesem Zweck das triebfahrzeugseitige Mitführen unterschiedlicher, auf nationaler Ebene verwendeter Systemkomponenten vorauszusetzen.

Mit Hilfe von Zugbeeinflussungssystemen lassen sich auf dem Streckennetz stattfindende Fahrten beispielsweise hinsichtlich einer Einhaltung erlaubter Höchstgeschwindigkeiten oder der Befolgung signalisierter Befehle überwachen, um gegebenenfalls automatische Schutzreaktionen auszulösen. So können etwa Triebfahrzeuge, welche ein Halt zeigendes Signal überfahren, selbsttätig zum Stillstand gebracht werden.

In Zukunft wird der automatische Zugbetrieb (Automatic Train Operation, ATO) auf Grundlage des ECTS gebaut.
Connected Car Als Connected Car werden Fahrzeuge bezeichnet, die mit dem Internet verbunden sind. Vielfach sind diese auch mit WLAN ausgerüstet, sodass weitere fahrzeugunabhängige Geräte sich im über das Fahrzeug mit dem Internet verbinden können.
Car-to-X zusammenfassender Begriff für Technologien, die Fahrzeug-zu-Fahrzeug- (Car-to-Car) und Fahrzeug-zu-Infrastruktur-Kommunikation (Car-to-Infrastructure) ermöglichen.
Vectoring
Vectoring ist eine Netztechnologie, die zur Erhöhung der Datenraten in Kupferkabelleitungen Anwendung findet. Die Vectoring-Technologie kann die zum Teil erheblichen elektromagnetischen Störungen, die durch Fremd- und Störsignale, durch Interferenzen, Übersprechen und Nahnebensprechen auf den Teilnehmeranschlussleitungen entstehen, verringern und kompensieren. Damit werden höhere Datenraten ermöglicht.
DSL
Abkürzung für Digital Subscriber Line (digitaler Teilnehmeranschluss)
Unter DSL werden Übertragungsstandards verstanden, die über einfache Kupferleitungen hohe Übertragungsraten (bis zu 1.000 Megabit pro Sekunde) ermöglichen. In Deutschland war dies lange Zeit ein Synonym für einen Breitband-Internetzugang.
xDSL bedeutet die Zusammenfassung verschiedener DSL-Verfahren.
Von VDSL (Very High Speed Digital Subscriber Line) spricht man bei Hybridnetzen aus Glasfaser- und Kupferleitungen, wobei die Glasfaser möglichst nah an den Kunden herangeführt wird, um hohe Datenübertragungsraten zu erreichen.
HEVC
High Efficiency Video Coding (HEVC) ist ein Standard zum Kodieren beziehungsweise Komprimieren von Videoinhalten, der gemeinsam von der  Moving Picture Experts Group (MPEG) und der International Telecommunication Union (ITU)  entwickelt wurde.
FTTH FTTH - Fiber To The Home (Glasfaser bis zur Wohnung) bezeichnet eine Glasfaseranschlusstechnik, bei der der Glasfaserausbau bis zur Wohneinheit erfolgt. Das heißt die Glasfaserleitung endet nicht im Verteilkasten am Bordstein (FTTC) oder im Technikraum beziehungsweise im Keller eines Gebäudes (FTTB), sondern wird bis in die Wohnung geführt. Diese Technologie ermöglicht Highspeed-Internet, digitales Fernsehen in hochauflösender Qualität (sogenanntes HDTV - High Definition Television) und höchste Sprachqualität beim Telefonieren.
FTTB FTTB - Fiber To The Building (Glasfaser bis zum Gebäude) bezeichnet eine Glasfaseranschlusstechnik, bei der der Glasfaserausbau bis zum Gebäude erfolgt. Die weiterführenden Verbindungen im Gebäude bis zum Teilnehmeranschluss werden über die vorhandenen Kupferkabel realisiert. Diese Technologie wird für das VDSL- und VDSL2 Verfahren benutzt.
WLAN
Als Wireless Local Area Network (WLAN, deutsch: drahtloses lokales Netzwerk) wird ein lokales Funknetz und dessen verschiedene Techniken und Standards bezeichnet.
Motorisierter Individualverkehr Als motorisierter Individualverkehr (MIV) wird die Nutzung von Pkw und Krafträdern im Personenverkehr bezeichnet. Der MIV, als eine Art des Individualverkehrs (IV), eignet sich besonders für größere Distanzen und alle Arten von Quelle-Ziel-Beziehungen, da dieser zeitlich als auch räumlich eine hohe Verfügbarkeit aufweist. Verkehrsmittel des MIV werden von einer einzelnen Person oder einem beschränkten Personenkreis eingesetzt. Der Nutzer ist bezüglich der Bestimmung von Fahrweg, Ziel und Zeit frei (örtliche, zeitliche Ungebundenheit des MIV).
FTTC
FTTC - Fiber To The Curb (Glasfaser bis zum Bordstein) bezeichnet eine Glasfaseranschlusstechnik, bei der der Glasfaserausbau von der Ortsvermittlungsstelle bis zum Schaltverteiler am Bordstein erfolgt. Die weiterführenden  Verbindungen bis zum Teilnehmeranschluss werden weiterhin über vorhandene Koaxialkabel oder andere Kupferkabel  realisiert. Diese Technologie wird überwiegend in städtischen Bereichen verlegt und für das VDSL-Verfahren benutzt.
ITCS
Intermodal Transport Control System (ITCS) ist ein Rechnerverbund-System im ÖPNV, welches über einen zentralen Server alle anfallenden Betriebsdaten sammelt und mit den ursprünglichen Planungsdaten vergleicht. In gewissen Grenzen kann es daraufhin selbstständig auf die jeweilige Betriebssituation reagieren.
Im Jahr 2005 ersetzte der Begriff ITCS die Bezeichnung rechnergestütztes Betriebsleitsystem (RBL), worauf sich VDV und Industrie aufgrund von überholter Funktionalität einigten.
UMTS Abkürzung für Universal Mobile Telecommunications System. Internationaler Standard für zellulare Mobilfunknetze, der bei einer Datenübertragungsrate von bis zu 2 Megabit pro Sekunde neben den klassischen Mobilfunkdiensten auch mobile Multimediaanwendungen und einen Internetzugang ermöglicht.
LTE
Long-Term-Evolution (LTE) ist nach dem analogen Mobilfunknetz, dem GSM-Standard (2G) und dem UMTS-Standard (3G) der inzwischen vierte Mobilfunkstandard (4G), der deutlich höhere Downloadraten mit bis zu 300 Megabit pro Sekunde erreichen kann.
LTE-Advanced, kurz LTE-A, ist eine Erweiterung von LTE und soll Datenraten bis zu einem Gigabit pro Sekunde beim Herunterladen von Inhalten erzielen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss das klassische LTE Netz mit der neuen Technologie aufgerüstet werden.
Cloud In der Informations- und Kommunikationsiwrtschaft wird das Internet oftmals als Wolke (Cloud) dargestellt. Von der Cloud oder dem Cloud-Computing wird daher gesprochen, wenn Daten und Anwendungen in entfernten Rechenzentren gespeichert werden, die nicht auf dem lokalen Arbeitsplatzcomputer oder Server installiert sind. Der Nutzer kann bei Bedarf jederzeit und von überall aus über ein Telekommunikationsnetz  beziehungsweise das Internet auf Daten zugreifen, das diese konfigurierbaren Rechnerressourcen, wie Netze, Server, Speichersysteme, Anwendungen und Dienste mit entsprechenden Zugriffsrechten bereitstellt.
DOCSIS DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) ist ein weltweit einheitlicher Standard für die Datenübertragung mit Kabelmodems in Kabelfernsehnetzen. Die erste Version DOCSIS 1.0 wurde hauptsächlich für den Internetzugriff über Kabelfernsehnetze entwickelt. Bei den weiteren Versionen, die inzwischen entwickelt wurden, steht insbesondere im Vordergrund, die verfügbare Bandbreite pro Nutzer zu steigern.
G.fast G.fast ist ein Industriestandard. Er wurde durch die Internationale Fernmeldeunion (englisch International Telecommunication Union, ITU) standardisiert und ermöglicht die schnelle Anbindung des Internet über Kupfer-Doppeladern. G.fast ist damit eine hochbitratige Anschlusstechnik an die Vermittlungseinrichtung, die sogeannten Digital Subscriber Line Access Multiplexer (DSLAM), wie sie bei FTTH oder FTTB zum Einsatz kommen, um optische Signale der Glasfasertechnik in elektrische Signale zur Übertragung in Kupferkabeln umzuwandeln.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?450583

Gedruckt am Montag, 20. September 2021 15:41:14