Wenn es um die Versorgung der Schweiz mit Breitbanddiensten geht, hilft ein Blick in Statistiken, um die Dimensionen einzuschätzen. So lebten gemäss dem Bundesamt für Statistik (BFS) Ende 2019 über 8,6 Millionen Einwohner in der Schweiz (1900: 3,3 Mio.), davon 5,422 Millionen Einwohner im städtischen Kernraum, 1,875 Millionen innerhalb städtischer Kerne und 1,308 Millionen ausserhalb, also auf dem Land. Im Gegensatz zur sonstigen öffentlichen Infrastruktur wie Bahnlinien, Strassen, Kanalisation, Abwasserreinigung oder Müllverbrennung werden Kommunikationsnetze privat oder durch halbstaatliche Konzerne erstellt, betrieben und unterhalten. Der damit verbundene Aufwand wird in der Öffentlichkeit kaum wahrgenommen – ausser in einem Störungsfall.

Die absolute Einwohnerzahl wächst stetig, wenn auch langsamer als früher. Der Höhepunkt des Wachstums bestand zwischen 1950 und 1970 mit über 1,4 Prozent pro Jahr. In der sich anschliessenden Dekade waren es durchschnittlich nur 0,15 Prozent, was u. a. auf die Einwanderungsbegrenzung für aus­ländische Arbeitskräfte und die wirtschaftliche Rezession 1975/1976 zurückging. Nach diesen beiden Jahren wuchs die Bevölkerung wieder stärker, so 1980 bis 1990 um 0,6 Prozent jährlich, in den 1990ern um 0,7 Prozent und seit 2007 regelmässig um über 1 Prozent. 2017 sank die Wachstumsrate wieder unter diese Schwelle und bewegt sich zwischen 0,6 und 0,8 Prozent pro Jahr.

Die erwähnten 8,6 Millionen Einwohner verteilen sich auf über 3,8 Millionen Haushalte. Einpersonenhaushalte (über 1/3 oder 36 % der ständigen Wohnbevölkerung), Zweipersonenhaushalte (knapp 1/3 oder 30 % der ständigen Wohnbevölkerung) sowie der Anteil der über 65-Jährigen nehmen weiter zu. (Alle Angaben: Bundesamt für Statistik (BFS))

Ende 2019 betrug die durchschnitt­liche Haushaltsgrösse 2,21 Personen. Durch das überdurchschnittliche Einkommens- und Bildungsniveau der Schweizer Bevölkerung sind hochwertige ICT-Dienste gefragt. Zudem arbeiten wegen Covid-19 viele Mitarbeitende im Home Office, was die Kommunikationsnetze zusätzlich fordert.

Auch die hierzulande ansässigen Firmen erwarten eine leistungsfähige ICT-Infrastruktur. Doch wie die Firmenstruktur der Schweiz effektiv aussieht, ist nur den wenigsten bewusst. So sind gemäss BFS über 99 Prozent aller Unternehmen in der Schweiz kleine und mittlere Unternehmen (KMU) mit weniger als 250 Beschäftigten. Ab 250 Beschäftigten gilt eine Firma als Grossunternehmen.

Bei der Schweiz als ausgesprochenem KMU-Land fällt die Anzahl von Mikrounternehmen auf (1 bis 9 Beschäftigte). Auch der Trend zu Kleinstfirmen wird durch Covid-19 beschleunigt – einerseits durch die zunehmende Arbeits­losigkeit, andererseits durch Home Office mit grösserer Nähe zur Wohnregion und zu potenziellen Kunden. Für Ende 2020 prognostiziert das BFS rund 608 000 Firmen. Davon sollen über 90 Prozent Mikrounternehmen sein, wobei deren Struktur und Geschäftsmodell sehr unterschiedlich sind. (Genaue Zahlen werden vom BFS im August des Folgejahres veröffentlicht)

Grossfirmen sowie Bundes- oder kantonale Ämter haben andere Kommunikationsbedürfnisse als KMU und verfügen über andere Budgets. Deren ICT-Bedürfnisse weichen si­gnifikant voneinander ab, wobei es auch innerhalb einer Kundengruppe unterschiedliche Ansprüche betreffend Bandbreite und Ausfallsicherheit geben kann. So gibt es etwa bei den Grossverteilern überaus grosse Standorte (Hauptsitz, Verteil- und Einkaufszentren), aber auch kleine Filialen in der ländlichen Peripherie. Alle Standorte funk­tionieren ohne breitbandige Datenleitungen nicht mehr.

Die Schweiz beherbergt ausserdem zahlreiche Forschungsträger wie ETH, EMPA, EPFL, PSI sowie weitere anerkannte Universitäten und Fachhochschulen. Dazu gesellen sich Forschungs- und Entwicklungsabteilungen innovativer Firmen, die keinesfalls nur in Grossstädten residieren. Und auch ganz alltägliche Dinge wie unser hervorragendes Bahnnetz oder städtische Tramlinien funktionieren ohne ICT nicht mehr. In so einer total vernetzten Schweiz verwundert es nicht, dass die Betreiber von Fest- und Mobilfunknetzen sowie von Rechenzentren seit Jahren mit einer Verdoppelung der Datenmengen etwa alle 12 bis 16 Monate zu kämpfen haben.

Seit Ende der 1990er-Jahre hat sich das Anschlussnetz («letzte Meile») massiv weiterentwickelt. Hier fallen etwa 80 Prozent aller Netzinvestitionen an. Um sie zu schützen, leben auf dem Teilnehmeranschluss die guten alten ­Koaxialkabel der Kabelnetzbetreiber sowie die Kupfer­doppeladern der traditionellen Telkos weiter. Trotzdem ist das Glasfaserkabel bei beiden längst in die Quartiere vorgedrungen, wenn auch noch nicht überall. Breitbandige Video­anwendungen (Internet-Fernsehen [IPTV], Videostreaming, Online-Spiele etc.) heizen den Geschwindigkeitsbedarf im privaten Sektor gewaltig an. Breitbandige Anschlussnetze begegnen dem stetig steigenden Bandbreitenbedarf wirksam. Dabei verfahren die Netzbetreiber meist zweigleisig. Die Glasfaserkabel werden möglichst nahe an die Gebäude geführt, etwa zum Quartierverteiler oder zum nahen Kabelschacht. Von dort aus wird das bestehende Koaxial- respektive Kupferkabel weiterverwendet, wodurch die Hausinstallationen weitgehend unangetastet bleiben.

In den Städten beflügeln Glasfaserkabel die Übertragungsgeschwindigkeiten (mit FTTH bis zu 10 Gbit/s symmetrisch). Denn für urbanen oder stadtnahen Wohnraum besteht eine ungebremste Nachfrage, während etwa ein Drittel aller Geschäftsliegenschaften leer stehen. Vor allem in ländlichen Gemeinden arbeiten Glasfasern im Verbund mit möglichst kurzen Kupferanschlussleitungen. Auf diesen letzten 100 Metern erhöhen neuere Übertragungsverfahren wie beispielsweise das Vectoring oder G.fast die Datenströme und bieten in der Praxis einige Hundert Mbit/s.

Vectoring kam 2016 erstmals bei Swisscom und A1 in Österreich mit Fibre To The Curb (FTTC) auf der Kupfer­strecke zum Teilnehmer zum Einsatz (Curb, engl.: Bordsteinkante). Danach folgten British Telecom (BT), Fastweb (Italien), Belgacom und einige private Netzbetreiber in Deutschland. Hier gelangen die Glasfaserkabel von der Anschlusszentrale bis zu einem Quartierverteiler.

Beim Vectoring werden Störsignale wie Rauschen oder Nebensprechen durch künstliche Aufschaltung von Kompensationssignalen eliminiert. Dazu sind aufwendige Berechnungen in Echtzeit erforderlich. Nach der Ermittlung der Störsignale werden diese mit Gegenwellen weitest­gehend eliminiert. Vectoring wird auf Kupferleitungen bei einer Distanz von bis zu 500 Metern eingesetzt und bietet rund 100 Mbit/s (Downstream). Je grösser die Distanzen, desto tiefer sind die erzielbaren Bandbreiten und je höher die Störeinflüsse.

G.fast ist eine Weiterentwicklung von VDSL2 und wurde in zwei internationalen Standards spezifiziert. ITU-T G.9700 beschreibt die Signaleigenschaften, um Störungen gegenüber anderen Diensten zu minimieren, die denselben Frequenzbereich verwenden. ITU-T G.9701 definiert die phy­si­kalische Schicht und das Übertragungsverfahren. Diese Spezifikation heisst «Fast Access to Subscriber Terminals» – daher die Kurzbezeichnung G.fast. Es wird bei Fibre To The Street (FTTS) oder Fibre To The Building (FTTB) verwendet.

Swisscom nennt diesen Technologiemix aus Glas sowie Kupfer «UBB» und hatte per Ende 2020 über 4,4 Millionen oder rund 82 Prozent aller Liegenschaften damit erschlossen (Bruttobitrate mehr als 80 Mbit/s im Download). Swisscom will bis Ende dieses Jahres alle Schweizer Gemeinden mit UBB erschlossen haben. Dadurch verfügen bis Ende 2025 zusätzlich 30 bis 40 Prozent der Haushalte und Geschäfte über Bandbreiten von 300 bis 500 Mbit/s.

Trotz dieser Bemühungen bleiben die physikalischen Eigen­schaften von Kupferleitungen erhalten. Dies wird bei der Übertragung komplexer Breitbandsignale bei Leitungs­längen von über 750 Metern mit grosser Distanz zur Anschlusszentrale deutlich. Hier ist der Verbesserungseffekt durch Vectoring begrenzt. Auch Wind und Wetter aus­gesetzte Freileitungen lassen sich kaum optimieren und kommen höchstens nach Montage von Glasfaserkabeln auf hohe Bandbreiten. Diese Anschlussart ist bisweilen sogar am Stadtrand anzutreffen und nicht nur auf dem Land.

Ein weiteres Problem ist die asymmetrische Auslegung der Anschlussnetze, egal ob Koaxial- oder Kupferkabel. Zwar benötigen die meisten privaten Anwendungen höhere Bandbreiten im Download. Gleichwohl steigt der Bandbreitenbedarf auch im Upload, etwa durch Online-Spiele, Telemedizin oder Heimarbeitsplätze, die nahtlos in die Unternehmen eingebunden werden. Insbesondere bei Telekonferenzen stören langsame Uploads von Dokumenten oder Bildschirmansichten, ebenso bei Online-Spielen, wo langsame Reaktionszeiten Matche entscheiden.

Der Ruf nach symmetrischen Glasfasern ist darum verständlich. Ein aktives optisches Anschlussnetz (Active Optical Network, kurz AON) entspricht diesem Wunsch vollauf. Hier wird jedem angeschlossenen Kunden eine eigene Punkt-zu-Punkt-Verbindung zugeteilt. Über eine Entfernung von ca. 50 bis 60 Kilometern werden Multi-Fiber-Glas- fasern ab Optical Line Termination (OLT) in der Zentrale bis zu den aktiven Splittern (Ethernet-Switches) im Ort oder Stadtteil geführt. Ab dort sorgen mehrere Single-Fibre-Glasfasern für die Feinverteilung der Signale zur Optical Network Termination (ONT) im Quartier oder auf dem Gelände des Grosskunden. Glasfaser- oder Kupferkabel verbinden die ONTs mit den Endgeräten im Gebäude.

Unter den AONs ist das Active Ethernet (auch Point-to-Point-Ethernet) am meisten verbreitet, allerdings auch im gehobenen Preissegment positioniert. Es ist besonders bei Geschäftskunden beliebt, weil das interne Ethernet nahtlos ins AON eingebunden wird und hohe, symmetrische Bandbreiten bietet. Diese lassen sich kundenspezifisch in der Ortszentrale konfigurieren, was auch für die Zuteilung des Links zum gewünschten Service Provider gilt.

Als Nebeneffekt werden damit zugleich die Auflagen der Wettbewerbshüter erfüllt. Auf dem Campus lassen sich Komponenten verschiedener Hersteller problemlos kombinieren. Denn Ethernet (IEEE 802.3) ist seit Langem standardisiert und etabliert, was die Netzwerkkosten für Beschaffung, Betrieb und Unterhalt beim Kunden senkt.

Ausserhalb des Campus werden AONs oft via Metro-Ethernet-Ringen an das Weitverkehrsnetz herangeführt. Durch die Zwei-Wege-Führung besteht eine sehr hohe Übertragungssicherheit. Solche Ringe wurden nach der Jahrtausendwende besonders in Grossstädten durch traditionelle, aber auch durch alternative Netzbetreiber für Geschäftskunden errichtet, was Letzteren auch den Ruf als «Rosinenpicker» einbrachte.

Problematisch bei AON ist der massiv höhere Bedarf an Glasfasern von der Ortszentrale zum Endkunden, da jeder Kunde eigene oder mehrere Fasern exklusiv erhält. In der städtischen Ortszentrale wird es am Hauptverteiler darum schnell eng. Hier müssen Tausende von Glasfasern rangiert, pro Kunde richtig zugeordnet und eingemessen werden. Auch der Stromverbrauch ist nicht vernachlässigbar, da
alle auf dem Übertragungsweg befindlichen Komponenten aktiv sind. Bei grösseren Leistungslängen sind zudem optische Verstärker/Repeater notwendig. Alle Komponenten inklusive Laser sind regelmässig zu kalibrieren und irgendwann zu ersetzen. Andernfalls können die Bitfehler zunehmen sowie Bandbreite und Zuverlässigkeit schleichend sinken, bis der Totalausfall droht.

Neben der Stromversorgung benötigen AONs einen aktiven Opto-Koppler, der elektrische in optische Signale umwandelt. Die gesamte Errichtung eines AON-Anschlusses ist aufwendig, ebenso Aufbau und Betrieb der Metro-Ethernet-Ringe. Besonders in Zeiten des scharfen Wett­bewerbs und tiefer Margen sinkt der Stern der AONs, da sich die Netz- und Betriebskosten nicht mehr ohne Weiteres auf die Kunden überwälzen lassen.

PONs als passive Alternative sind international weitverbreitet, vor allem in Asien. Im Gegensatz zu einem AON verwendet ein PON zwischen der lokalen Zentrale und dem Kundenstandort nur passive Bauelemente ohne eigene Stromversorgung und ohne Switching-Funktionalität. PONs dienen der Versorgung von Gebäuden mit FTTH, wobei passive optische Splitter die Glasfaser in Richtung Kunden verzweigen. Die jeweiligen Splitverhältnisse (gängig sind 1:32 oder 1:64) entscheiden über die mögliche Bandbreite. Zwar bieten PONs nicht die Bandbreiten von FTTH ohne Splitter, aber immer noch deutlich mehr Speed als FTTC/FTTB/FTTS.

Verbreitete PON-Arten sind EPON (Ethernet-basierend), GEPON (Gigabit, Ethernet-basierend), BPON (Breitband, ATM-basierend) und GPON (Gigabit, ATM-basierend). Ein Sonderfall ist ein WDM PON (Wavelength Division Multiplexing), bei dem die Glasfasern von mehreren Teilnehmern gemeinsam genutzt werden (sharing). Dabei ersetzt ein passiver optischer Wellenlängenmultiplexer (Arrayed Wave Guide, AWG) den optischen Splitter. Die in der Zentrale auf unterschiedliche Wellenlängen modulierten Verkehrsströme werden durch den AWG auf die einzelnen Zugangsleitungen aufgeteilt. Trotz geteilter Glasfaser (sharing) steht damit jedem Geschäfts- oder Privatkunden eine dedizierte logische Verbindung zur Verfügung.

Bereits zu Beginn der PON-Entwicklung vor über 25 Jahren bemühte man sich um gemeinsame Standards. Seit einer Dekade arbeiten die Standardisierungsgremien und Telko-Lieferanten an den nächsten PON-Generationen.

Neben den höheren Übertragungsgeschwindigkeiten und den grösseren Distanzen eröffnen sich interessante Perspek­tiven dank der neuen Multiplexing-Verfahren und des inno­vativen 50G-PON. Für Fernverkehrs- und Metronetze bereits lieferbar sind (allerdings noch proprietäre) Transceiver für 400 Gbit/s. Der Bandbreitenbedarf wird künftig also weiter zunehmen. Zum Netzausbau gibt es schlicht und einfach keine Alternative.