Alternatieven voor glasvezel voorkomen regionale tweedeling

Ondanks het grote aantal initiatieven zullen veel regio’s nog langdurig verstoken blijven van hoogwaardige verglaasde netwerken. Dit vanwege de hoge kosten van de aanleg van een snelle ‘first mile’. Dit wordt een maatschappelijk probleem wanneer publieke diensten zoals veiligheid, gezondheidszorg en onderwijs op grotere schaal aangeboden worden via breedbandige netwerken. Niet- stedelijke gebieden kunnen immers niet zomaar uitgesloten worden van deze diensten. Wat zijn de grenzen van de mogelijkheden voor bestaande infrastructuren zonder glasvezel in de eindverbinding naar gebruikers? Dus: Wat is er mogelijk via de bestaande telefoonkabels, de ether et cetera? De antwoorden hangen af van de technologische ontwikkelingen op een aantal hiervoor essentiële gebieden: de ontwikkelingen op het gebied van datacompressie, van slimme distributietechnieken van data en van de toegangsnetwerken zelf. Definitie Wat is breedband? Breedbandnetwerken moeten volgens de definitie van de Internet Society per aansluiting een minimale bandbreedte bieden van 10 megabit per seconde. Zo’n hoge bandbreedte is wel nodig om te kunnen voldoen aan de behoeften van individuele huishoudens op de middellange termijn. Een videostroom met DVD-kwaliteit vereist zo’n 5 megabit per seconde, voor een internetverbinding met overdracht van multimediale informatie is 2 megabit per seconde nodig en voor videotelefonie ongeveer 300 kilobit per seconde. Het aantal televisietoestellen, pc’s en telefoons dat in een huishouden tegelijkertijd in gebruik kan zijn, bepaalt de benodigde bandbreedte, die dus duidelijk kan oplopen tot enkele tientallen megabit per seconde. Zulke hoge bandbreedtes kunnen door de huidige ADSL- en kabelinfrastructuren niet geleverd worden. ADSL heeft hiervan nog de hoogste capaciteit van theoretisch 8 megabit per seconde per aansluiting. VDSL, een variant op ADSL waarmee bijvoorbeeld in de VS wordt geëxperimenteerd, kan theoretisch over standaardtelefoonbekabeling een bandbreedte van 50 megabit per seconde leveren. Het nadeel hierbij is dat de afstanden tussen huis en dichtstbijzijnd schakelpunt maar 300 meter mag zijn, zodat er toch ook significante uitrol van glas naar de stoeprand (‘fibre to the curb’) nodig zal zijn. Welke toepassingen zijn er voor breedband? Er zijn veel nieuwe interactieconcepten en vormen van content denkbaar die slim gecombineerd kunnen worden tot nieuwe breedbandtoepassingen. Het is echter goed mogelijk om de kwaliteitseisen van die toepassingen aan het netwerk in drie categorieën te verdelen. In de eerste plaats zijn er dan toepassingen gebaseerd op een continue stroom van audio en video in één richting, zoals internetradio en -televisie. De tweede categorie diensten omvat interactieve beeld- en geluidscommunicatie tussen twee of meer deelnemers, zoals beeldtelefonie en videoconferencing. Ten derde zijn er de data-uitwisselingsapplicaties waar geen harde real-time-eisen voor gelden. Voorbeelden hiervan zijn digitale bibliotheken en (nieuws)archieven, peer-to-peer-bestandsuitwisseling, multimediale elektronische post en elektronisch afstandsonderwijs. Het zijn met name de kwaliteitseisen aan multimedia die de benodigde bandbreedte voor diensten bepalen. Deze eisen zijn echter nogal applicatie-afhankelijk. In de gezondheidszorg bijvoorbeeld is bij een telespreekuur de beeldkwaliteit vaak ondergeschikt aan de geluidskwaliteit. Bij bewegingsanalyse van patiënten zijn beeldkwaliteit en vertraging in de communicatie essentieel, en bij precieze beoordeling van foto’s of scans is de snelheid irrelevant, maar moet de foto met zeer hoge resolutie en geen waarneembaar kwaliteitsverlies op meerdere plaatsen snel beschikbaar kunnen zijn. Dit voorbeeld illustreert dat de eindgebruikersapplicatie de benodigde kwaliteit bepaalt. Oftewel: ook al heeft men de bandbreedte niet, als men afziet van vertragingstijd (de ‘world wide wait’) kan men veel data versturen. De vraag is nu of we ook minder data kunnen versturen zonder de betekenis van de informatie te verliezen (compressie), of we de data ook slimmer kunnen versturen (distributie) of dat er wellicht nieuwe netwerktechnologieën aan staan te komen die een enorme toename van de mogelijkheden betekenen. Vooruitgang Compressietechnieken maken het mogelijk gegevens met behoud van kwaliteit met minder benodigde bandbreedte te versturen. De laatste tijd is er belangrijke vooruitgang geboekt op het gebied van compressie van natuurlijke afbeeldingen – video en audio – waardoor het mogelijk wordt om relatief hoogwaardige beeld- en geluidskwaliteit over relatief langzame verbindingen te transporteren. Gestandaardiseerde technologieën die dit mogelijk maken, zijn MPEG-4 voor beeld- en geluidsmateriaal en JPEG2000 voor foto’s. In tegenstelling tot de bekende MPEG-1- en MPEG-2-compressietechnieken is MPEG-4 niet gebaseerd op een specifiek signaalbewerkingsalgoritme, maar kan men verschillende compressietechnieken combineren. Bijvoorbeeld voor onderdelen van de film, de presentatie et cetera. Dat biedt mogelijkheden voor applicaties, die zelf kunnen bepalen om bepaalde onderdelen met meer scherpte of op hogere frame-rates te transporteren. Door effectieve toepassing van op MPEG-4 gebaseerde compressietechnieken, kan een compressiefactor van 50 tot 100 worden bereikt. Hiermee kan een video in DVD-kwaliteit worden verzonden waarbij de benodigde bandbreedte slechts 1,5 megabit per seconde bedraagt. Naarmate er meer softwaretools beschikbaar komen die het gebruik van MPEG-4-technieken ondersteunen, zullen dergelijke technieken steeds meer worden toegepast. In eerste instantie kan een besparing met een factor 3 tot 5 ten opzichte van de standaarden MPEG-1 en MPEG-2 worden behaald. Het kwaliteitsverschil is vergelijkbaar met het verschil tussen gewone audio-cd’s en MP3-cd’s: verwaarloosbaar voor de meeste mensen. Het gebruik van deze compressietechnieken betekent dat ook via ADSL goede kwaliteit videodistributie mogelijk is, waarbij natuurlijk wel de hoeveelheid simultane verbindingen beperkt is. Kan het nog kleiner? Regelmatig verschijnen er artikelen in de pers (zie Automatisering Gids van 18 januari) waarin spectaculaire nieuwe compressietechnieken worden aangekondigd voor bestanden zonder regelmatige structuur die zelfs verliesloos werken. Dit is, zoals Shannon al jaren geleden formeel bewees, onmogelijk. Het gevolg zou zijn dat gecomprimeerde files nog steeds verder gecomprimeerd kunnen worden. Zulke technieken werken wel, maar alleen bij video of audio waarvan de opbouw ofwel regelmatig is, ofwel van tevoren bekend, ofwel waarbij informatieverlies is toegestaan. Bovendien is, zeker voor interactieve toepassingen, ook de snelheid van compressie en decompressie van doorslaggevend belang: dit moet dan real-time kunnen en met zo weinig mogelijk vertraging. Ultieme vormen van compressie zijn natuurlijk goed mogelijk in bijzondere situaties. Zo kunnen animaties worden gebruikt om gezichtsuitdrukkingen te genereren die horen bij het uitspreken van tekst. Zo kunnen ‘sprekende hoofden’ worden aangestuurd. Als de foto’s vooraf worden gedistribueerd maakt dit videoconferenties mogelijk waar de beelden gegenereerd worden terwijl alleen de spraak wordt verstuurd. Dit soort technieken zijn nog zeer experimenteel en zullen op korte termijn nog niet op grote schaal worden gebruikt. Grote verschillen Steeds meer en diversere netwerktechnologieën bieden toegang tot diensten en informatie. De netwerken worden aan de rand dus steeds heterogener. Zo zullen er over een paar jaar huishoudens zijn die altijd verbonden zijn via een glasvezelverbinding met snelheden van minimaal 100 megabit per seconde en aan de andere kant huishoudens met ISDN-toegang of mensen die onderweg zijn met UMTS- terminals met een maximale bandbreedte van rond de 100 kilobit per seconde. Deze consumenten hebben toegang nodig tot dezelfde diensten, waarbij het verschil in toegangsbandbreedte dus een factor 1000 bedraagt. Dit betekent dat er uitdagingen liggen op het gebied van netwerk-interoperabiliteit en contentdistributie. Er zijn veel ontwikkelingen op het gebied van diensten en producten voor contentdistributie, die in essentie ervoor zorgen dat het bandbreedtegebruik geoptimaliseerd wordt. Een extreme aanpak is om in principe helemaal geen informatie over netwerken te versturen, maar deze op vaste dragers zoals DVD’s te verspreiden en alleen de rechten online af te handelen. Een andere mogelijkheid is het gebruik van opslagfaciliteiten thuis, zodat dezelfde data niet door iedereen moeten worden opgehaald over de dure toegangsverbinding. Dit principe heet caching, vergelijkbaar met de cache in webbrowsers als Internet Explorer en Netscape Navigator. Ook op netwerkniveau zijn er mogelijkheden. Zoals eerder vermeld ondersteunt MPEG-4 meerdere compressietechnieken binnen één film. In theorie kan de informatie over de achtergrond apart van de voorgrondinformatie worden getransporteerd. De snellere interessante bewegingen kunnen met een hoge framerate worden overgedragen terwijl de achtergrond met bijvoorbeeld slechts 3 frames per seconde wordt ververst. Dat betekent dat zelfs ‘binnen het netwerk’ bandbreedtebesparende formaatconversies kunnen worden uitgevoerd. Dit soort technieken helpen om informatie die in principe geschikt is voor netwerken met hoge bandbreedte toch te transporteren over netwerken met lagere capaciteit. Dit kan (onvermijdelijk) leiden tot verlies van kwaliteit, maar door te kiezen welke bandbreedtebesparende techniek wordt gebruikt is het mogelijk om eventueel de gewenste kwaliteitsaspecten te behouden. De laatstgenoemde categorie technieken is met name bedoeld voor streaming multimediaverkeer; de eerste categorie breedbanddiensten. Hier moet de vertraging immers constant zijn, omdat het ondoenlijk is om de ontvanger of componenten in de netwerklaag zoals routers veel informatie te laten bufferen. Voor interactieve diensten, zoals telefonie, is het echter belangrijk dat er zo min mogelijk conversies plaatsvinden. Elke conversie kost immers tijd en leidt dus tot vermindering van de interactiviteit en zodoende tot kwaliteitsverlies van de conversatie. De conclusie is dat nieuwe technieken die aan de randen van de netwerken worden ingezet om het juiste formaat data over het toegangsnetwerk te versturen uitstekend kunnen worden ingezet in een wereld waarin de bandbreedteverschillen groot zijn. Deze diensten zijn van toenemend belang, en worden ook in toenemende mate al toegepast door internet service providers en andere operators. Draadloos Ook de ontwikkelingen op het gebied van toegangstechnologieën gaan snel. Zo zijn er nieuwe kabelstandaarden in de VS gedefinieerd, die snelheden tot 40 megabit per seconde ondersteunen. Ook op het gebied van DSL zijn er ontwikkelingen: VDSL levert bandbreedtes rond 50 megabit per seconde mits de afstand tussen huis en eerste schakelpunt in het netwerk minder is dan 300 meter. Dit zijn zeer geschikte oplossingen voor zogenaamde ‘fibre to the curb’-projecten: een glasvezelinfrastructuur wordt tot dicht bij bestaande woningen gebracht, maar voor het laatste stukje wordt de bestaande telefoniebekabeling gebruikt. Voor afgelegen gebieden bestaat de mogelijkheid van draadloze toegang. Er worden op dit moment symmetrische punt-naar-puntverbindingen aangeboden met bandbreedtes van 64 kilobit per seconde tot 622 megabit per seconde. Voor distributie van informatie naar de eindgebruiker kan voor afgelegen gebieden ook digital broadcasting worden gebruikt of satellietverbindingen. Weer een andere toegangstechnologie is power-line communication (internetverkeer via de bestaande elektriciteitsleidingen). Onder meer Nuon experimenteert hiermee. De snelheid van deze toegangstechnologie is vergelijkbaar met kabelinternet of een ADSL-aansluiting. Het dataverkeer van en naar gebruikers wordt in transformatorhuisjes op de elektriciteitsleidingen toegevoegd en ervan afgehaald. Deze toegangstechnologie is erg aantrekkelijk voor toepassingen in afgelegen gebieden, omdat daar de mogelijkheid van ADSL of aansluiting op de televisiekabel vaak ontbreekt. Momenteel wordt de technische haalbaarheid voor toepassing op grote schaal onderzocht. Vraag Er zijn technologische ontwikkelingen gaande die het in zich hebben om diensten die eigenlijk hoge bandbreedte vragen op een acceptabele manier te distribueren over verbindingen met een lage bandbreedte. Ondanks stevige vooruitgang op het gebied van standaardisatie van nieuwe compressietechnieken kunnen de huidige toegangstechnologieën echter op den duur niet voldoen aan de vraag naar bandbreedte van het gemiddelde gezin of bedrijf aan huis. Er zijn investeringen nodig om glasvezelnetwerken dichter bij de huizen te brengen, zodat in ieder geval technieken als VDSL mogelijk worden. De grootste problemen liggen bij de woningen buiten de bebouwde kom. Hier kunnen met name draadloze en satellietverbindingen oplossingen bieden, hoewel de kosten hiervan enigszins hoger liggen. Oftewel: wanneer men het aantal simultane gebruikers per aansluiting beperkt, kunnen ook eindgebruikers zonder verglaasde aansluiting prima toegang krijgen tot breedbanddiensten. Een essentiële voorwaarde daarbij is dat die diensten om kunnen gaan met de steeds groter wordende diversiteit aan terminals en verschillen in bandbreedte aan de randen van het netwerk. Dat kan door op maat te kiezen voor de juiste compressietechnieken, door intelligente architecturen voor contentdistributie te gebruiken, of door applicaties adaptief te maken: ze moeten om kunnen gaan met verschillen in beschikbaarheid van resources, zelfs tijdens het gebruik van diensten. De mogelijkheden van bandbreedtebesparende technologieën zullen daarom van belang blijven voor het universeel aanbieden van breedbanddiensten. Hier ligt een uitdaging voor zowel internet service providers, softwareproducenten als contentontwikkelaars. Henk Eertink (henk.eertink@telin.nl) en Martin Alberink zijn als onderzoekers verbonden aan het Telematica Instituut te Enschede. Een uitgebreide beschrijving van de genoemde technologische innovaties wordt gegeven in het rapport Broadband applications on limited bandwidth networks, dat in opdracht van het Directoraat-Generaal Telecommunicatie en Post (DGTP) van het ministerie van Verkeer en Waterstaat door het Telematica Instituut is geschreven. Het rapport is beschikbaar op www.minvenw.nl/dgtp/home/ cgibin/dgtp/show.pl?val=D&layout= d&var=categorie.