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Digitale Infrastrukturen

Erstellt am: 24.06.2015 | Stand des Wissens: 21.04.2020
Ansprechpartner
Bauhaus-Universität Weimar, Professur Verkehrssystemplanung, Prof. Dr.-Ing. Plank-Wiedenbeck
Technische Universität Berlin, Fachgebiet Wirtschafts- und Infrastrukturpolitik (WIP) - Prof. Dr. v. Hirschhausen, Prof. Dr. Beckers

Das Angebot von digitalen Diensten ist auf die Verfügbarkeit leistungsfähiger Übertragungsinfrastrukturen und Endsysteme (dezentral zum Beispiel Personal Computer (persönlicher Rechner, PC), Smartphone und Tablet, zentral zum Beispiel Server) angewiesen.
Bei den Infrastrukturen für die Datenübertragung kann zwischen den Übertragungsleitungen (beziehungsweise Übertragungsnetzen) und Vermittlungselementen unterschieden werden. Grundsätzlich sind Übertragungsnetze hierarchisch aufgebaut, wobei grundlegend zwischen Kernnetzen ("Backbones"), Konzentrationsnetzen und Anschlussnetzen unterschieden werden kann [ZWB13].
Während in den Kernnetzen nahezu ausschließlich Glasfaser verwendet wird, zeichnen sich die Konzentrationsnetze und die Anschlussnetze durch eine größere Vielfalt an Technologien aus. Insbesondere bei den Anschlussnetzen kann nach leitungsgebundenen Technologien und Funktechnologien (Mobilfunk) unterschieden werden. In Deutschland ist Digital-Subscriber-Line (DSL) über Kupferleitungen nach wie vor die vorherrschende Technologie bei leitungsgebundenen Anschlussnetzen. Die mögliche Übertragungsgeschwindigkeit bei DSL-Anschlüssen wird zum einen durch die Leitungen im Konzentrationsnetz (Kupfer oder Glasfaser) und zum anderen durch die Länge der Leitung im Anschlussnetz determiniert. Zudem kann die Übertragungsrate durch das so genannte Vectoring erhöht werden. Maximal erreichbare Übertragungsgeschwindigkeiten im Downstream variieren zwischen 8 Megabits pro Sekunde bei Asymmetric-Digital-Subscriber-Line (ADSL) und 50 Megabits pro Sekunde bei Very-High-Speed-Digital-Subscriber-Line (VDSL2). Allerdings ist aufgrund der Leitungsdämpfung bei einer Länge der Teilnehmeranschlussleitung von 5 Kilometern unabhängig von der DSL-Technologie nur noch eine Bandbreite von 1 bis 2 Megabits pro Sekunde realisierbar [ZWB13].
Neben Kupferleitungen kommen Koaxialkabel und Glasfaser als Leitungen im Anschlussnetz zum Einsatz. Koaxialkabel, die ursprünglich zur Verbreitung von Fernsehen und Radio verlegt wurden, können durch die Spezifikation Data-Over-Cable-Service-Interface-Specification (DOCSIS) auch zur bidirektionalen Übertragung von digitalen Daten genutzt werden und erreichen dabei Übertragungsgeschwindigkeiten zwischen 100 und 200 Megabits pro Sekunde. Der Anteil von Glasfaser in Deutschland im Anschlussnetz ist zurzeit noch sehr gering; hier sind Lettland, Schweden und Litauen mit mehr als 40% Anschlüssen Marktführer [FTTH17].
Durch einen Ausbau könnten sehr hohe Übertragungsgeschwindigkeiten von 1 Gigabit pro Sekunde und mehr angeboten werden. Bei den Funktechnologien haben Universal-Mobile-Telecommunication-Service (UMTS), High-Speed-Packet-Access (HSPA), Long-Term-Evolution (LTE), 5G und drahtlose lokale Netzwerke (Wireless Local Area Network, WLAN) eine hohe Verbreitung.
In Abbildung 1 sind die maximalen Übertragungsgeschwindigkeiten für verschiedene Übertragungstechnologien dargestellt.

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Abb. 1: Mögliche Download-Bandbreiten der unterschiedlichen Zugangstechnologien inklusive aktueller Zielwert der Bundesregierung bei 50 Megabits pro Sekunde [BMWi11p]

Neben den grundlegenden Eigenschaften der Technologien ist auch die räumliche Abdeckung für die Nutzung digitaler Dienste von entscheidender Bedeutung. Hier gibt es insbesondere in ländlichen Bereichen Lücken in der Versorgung mit breitbandigen Technologien.
Endsysteme bei den Nutzenden, wie PC, Smartphone und Tablet, sowie zentrale Server zur Speicherung und Verarbeitung digitaler Daten inklusive der benötigten Software sind für die digitalen Dienste ebenso wichtig wie leistungsfähige Übertragungsinfrastrukturen. Endsysteme benötigen ein Betriebssystem, um die Hardware und Softwareanwendungen (Applikationen oder  "Apps") miteinander zu verknüpfen. Häufig gibt es nur eine relativ geringe Anzahl von Betriebssystemen für die verschiedenen Arten von Endsystemen. Während bei PCs nach wie vor Windows den weitaus größten Anteil hat, sind bei mobilen Endgeräten Android und iOS die am weitesten verbreiteten Betriebssysteme. In Abbildung 2 sind die Marktanteile der Betriebssysteme für Smartphones dargestellt.
452434_MarktanteilSmartphone_2020-04-21.pngAbb. 2: Marktanteile der Smartphone-Betriebssysteme in Deutschland im Jahr 2020 (Stand: Januar) (eigene Darstellung basierend auf [STAT20c])
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Technische Universität Berlin, Fachgebiet Wirtschafts- und Infrastrukturpolitik (WIP) - Prof. Dr. v. Hirschhausen, Prof. Dr. Beckers
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Effiziente Bereitstellung und Finanzierung digitaler Dienste und Infrastrukturen (Stand des Wissens: 26.04.2020)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?452608
Literatur
[BMWi11p] Dr. Giger, H., Beyersdorff, P., Prof. Dr. Schuster, F. Möglichkeiten des effizienten Einsatzes vorhandener geeigneter öffentlicher und privater Infrastrukturen für den Ausbau von Hochleistungsnetzen, 2011/10/10
[FTTH17] FTTH Council (Hrsg.) Market Data September 2016 , 2017/02/15
[STAT20c] STATISTA (Hrsg.) Marktanteile der führenden mobilen Betriebssysteme an der Internetnutzung mit Mobiltelefonen weltweit von September 2009 bis Januar 2020, 2020/01
[ZWB13] Zarnekow, Rüdiger, Wulf, Jochen, von Bornstaedt, Falk Internetwirtschaft - Das Geschäft des Datentransports im Internet, 2013
Weiterführende Literatur
[BIT19] Bitkom - Bundesverband Informationswirtschaft,Telekommunikation und neue Medien e.V. (Hrsg.) Leichtes Wachstum bei Digital-Investitionen, 2019/08/23
[BPS11] Baake, Pio , Pavel, Ferdinand , Schumacher, Pascal Universaldienstverpflichtung für flächendeckenden Breitbandzugang in Deutschland, 2011/09/11
Glossar
WLAN
Als Wireless Local Area Network (WLAN, deutsch: drahtloses lokales Netzwerk) wird ein lokales Funknetz und dessen verschiedene Techniken und Standards bezeichnet.
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.
HSPA
High Speed Packet Access (HSPA) ist die Weiterentwicklung von UMTS, dem Mobilfunkstandard der dritten Generation. HSPA erzielt höhere Datenraten als UMTS und kann je nach Richtung des Datentransfer in HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) und HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) unterschieden werden. HSDPA kommt beim Download von Daten zum Einsatz und kann bis zu 14,4 Megabit pro Sekunde erreichen. Im Gegensatz dazu ist beim HSUPA der Upload von Daten gemeint, der 5,76 Megabit pro Sekunde erzeugen kann.
5G Als 5G wird die fünfte Generation von Mobilfunknetzen nach LTE (4G), UMTS (3G), GSM (2G) und dem analogen Mobilfunknetz bezeichnet, an der gegenwärtig geforscht wird. Innerhalb dieser Netze werden Mobilfunkgeräte innerhalb einer Funkzelle direkt miteinander kommunizieren und so die jeweilige Basisstation entlasten.
Downstream
Downstream beschreibt die Transportrichtung von Produkten oder Daten vom Anbieter zum Verbraucher.
Im Zusammenhang mit Internet-Geschwindigkeiten bezeichnet das Wort 'downstream' die Geschwindigkeit der Datenübertragung vom Netzwerk (zum Beispiel Internet) zum Endgerät des Nutzers.
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.
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.
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.

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

https://www.forschungsinformationssystem.de/?452434

Gedruckt am Donnerstag, 24. September 2020 04:14:11