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Rationale Planung von Glasfaser-Giganetzen Jens Wiggenbrock Bauhaus-Universität Weimar · Professur für Informatik im Bauwesen Coudraystr. 7 · 99423 Weimar · E-Mail: [email protected]

Der flächendeckende Ausbau von Glasfasernetzen bedarf eines hohen Planungsaufwandes. Wiederkehrende Planungsschritte können durch einen rationalen Planungsprozess reduziert und automatisiert werden. Dieser Artikel beschreibt fünf grundlegende, iterative Planungsschritte zur effizienten, rationalen Planung, die den flächendeckenden Ausbau der Glasfaser-Giganetze beschleunigen. Keywords: Infrastruktur, Gigabit, FTTx, 5G

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Einleitung

„Flächendeckende Breitbandversorgung“ und „schnelles Internet“ sind vielfach genannte Schlagwörter des beginnenden 21. Jahrhunderts. Nahezu täglich erscheinen Zeitungsberichte, die die Bedeutung und den Bedarf für die Gesellschaft und die Wirtschaft hervorheben (MATUSCHEK, 2016; SPATH & GANSCHAR, 2013). Bereits mit der Einführung der Breitbandstrategie durch die Bundesregierung im Jahr 2009 wurde „schnelles Internet“ zur flächendeckend anzustrebenden Grundversorgung erhoben (ANGELA MERKEL, 2009; BUNDESREGIERUNG, 2010; UNSERE DIGITALE AGENDA FÜR DEUTSCHLAND, 2015). GlasfaserKommunikationsnetze, mit Verbindungen bis zu jedem Gebäude, sind als leistungs- und zukunftsfähige Infrastruktur anerkannt (KAISER, 1991). Die Verlegung der Glasfasern bis zu jedem Gebäude ist aufgrund der Tiefbauarbeiten jedoch sehr kostenintensiv, insbesondere im dünn besiedelten ländlichen Raum. Die Kosten für den Glasfasernetzausbau innerhalb eines Siedlungsgebietes können derzeit erst durch aufwendige Planungen ermittelt werden (HAFNER, LEHMANN & WINDOLPH, 2015). Aus der Siedlungsstruktur in Deutschland, bestehend aus über 11 000 Gemeinden die zu 75 % jeweils unter 5000 Einwohnern umfassen, ergeben sich entsprechend viele aufwendige Einzelplanungen (STATISTISCHE ÄMTER DES BUNDES UND DER LÄNDER, 2016). Die Planung von Infrastruktur, insbesondere von Glasfasernetzen, besteht aus mehreren einzelnen Schritten, die sich für jede zu erschließende Gemeinde, jedes Siedlungsgebiet, jede Straße und jedes Gebäude wiederholen. Die Verwendung von pauschalen Planungskennwerten zur Kostenermittlung bietet aufgrund der Einzigartigkeit der Siedlungsstrukturen jedoch keine hinreichende Genauigkeit und Planungssicherheit (KARL-HEINZ NEUMANN & ROLF SCHWAB, 2015; TÜV RHEINLAND, 2013). Die kostengünstige synergetische Mitverlegung von Leerrohren wird erst mit einer genauen, kostenintensiven Planung möglich. Der vorliegende Artikel beschreibt fünf Schritte zur rationalen Planung der GigabitKommunikationsinfrastruktur als System zur computergestützten, automatisierten Planung. Die Schritte zur rationalen Planung beginnen mit der Grundlagenermittlung und bilden die Basis für einen effizienten, iterativen Planungsprozess, bis zur baulichen Umsetzung.

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Schritte der rationalen Planung

Ein strukturierter Planungsprozess ist die Grundlage für eine rationale Planung (GRANDE ET AL., 1991). Die rationale Planung beschreibt den Prozess zur Erstellung zielgerichteter Handlungskonzepte, der mehrere Planungsphasen mit zunehmender Detailtiefe durchläuft. Abbildung 1 zeigt die Planungsphasen gemäß der Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI 2013 - TEXTAUSGABE). Planungsphasen (Leistungsphasen 1-5 nach HOAI) Grundlagenermittlung

Abb. 1:

Vorplanung

Entwurfsplanung

Genehmigungsplanung

Ausführungsplanung

Planungsphasen (Leistungsphasen 1-5 nach HOAI).

Bei der rationalen Planung von Glasfaser-Giganetzen kann jede Planungsphase in weitere Hauptschritte untergliedert werden (Abbildung 2). In einem ersten Planungsschritt werden Infrastruktur- und Planungsziele definiert. Der zweite Planungsschritt beschreibt die Aufbereitung und Analyse der Basis-Geodaten zu relevanten Planungsinformationen. Im dritten Planungsschritt wird die Planung des Glasfasernetzes mittels erprobter Algorithmen zur Routenplanung dargelegt. Der vierte Planungsschritt verfolgt das Ziel, die Planungsinformationen und die computergenerierten Netzpläne nutzergerecht zu visualisieren und dadurch Trassenverläufe, Kosten sowie Entscheidungen transparent und realitätsnah darzustellen. Der fünfte Planungsschritt beschreibt die Verwendung der Planungsinformationen, Netzpläne und Visualisierungen als Grundlage für ein standardisiertes Berichtswesen zur Investitionsentscheidung.

1. Planungsziele und Handlungskonzepte

5. Berichtswesen zur Investitionsentscheidung

Schritte der rationalen Planung in den Planungsphasen

4. Nutzergerechte Visualisierung von Trassenplanungen

Abb. 2:

2. Aufbereitung und Analyse von Geodaten

3. Computergestützte Planung des Glasfasernetzes

Schritte der rationalen Infrastrukturplanung innerhalb jeder Planungsphase.

Rationale Planung von Glasfaser-Giganetzen

2.1

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Planungsziele und Handlungskonzepte

Das Planungsziel einer flächendeckenden Gigabit-Kommunikationsinfrastruktur ist die hochdatenratige Anbindung (> 1 Gbit/s) jedes Wohngebäudes und Gewerbebetriebes (Teilnehmeranschluss) an leistungsfähige Kernstrukturen vorhandener Kommunikationsnetze (Backbone). Im Verlauf der Planungen kann die Auswahl der Wohngebäude und Gewerbebetriebe, aber auch die Netztopologie, aus Gründen der Wirtschaftlichkeit variieren. Die Punkt-zu-Punkt-Anbindung durch einzelne Glasfaserkabel zwischen den anzuschließenden Gebäuden und einem zentralen Vermittlungsknoten, der die Vermittlung mit dem Kernnetz übernimmt, stellt hinsichtlich der Leistungs- und Erweiterungsfähigkeit eine optimale Lösung dar (FTTB/H-Sternnetz). Weitere mögliche Netztopologien sind beispielsweise FTTC, GPON, WDM-PON. Die Versorgungsbereiche der zentralen Verteilknoten (d.h. Planungsgebiete) sollten sich an die vorhandenen Infrastrukturen anlehnen, beispielsweise Siedlungsstrukturen, Telefon-Vorwahlbereiche oder Verwaltungsgrenzen. Abbildung 3 zeigt schematisch die FTTB/H-Netzstruktur für zwei Planungsgebiete.

Abb. 3:

Netzstruktur als FTTB/H-Sternnetz.

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2.2

Aufbereitung und Analyse von Geodaten

Die rationale Planung der Glasfaser-Giganetze soll durch computergestützte Methoden und Verfahren effizient unterstützt werden. Maschinenlesbare Geodaten unterstützen den rationalen Planungsprozess durch den Raumbezug zwischen den unabhängigen Einzelinformationen sowie die Nutzbarkeit in automatisierten Planungsalgorithmen. Auszüge des Grunddatenbestandes des amtlichen Vermessungswesens können projekt- und gebietsspezifisch bezogen werden und bieten sich als verlässliche Geodaten-Quelle an. Freies Kartenmaterial und soziale Netzwerke sind weitere, einfach zugängliche alternative Datenquellen für die computergestützte Planung (WIGGENBROCK, 2014). Im Verlauf des iterativen Planungsprozesses werden die bezogenen Geodaten kontinuierlich mit hinzugewonnenen Details und Erkenntnissen angereichert. Verfügbare Karten- und Geodaten enthalten Informationen über die Verläufe von bestehenden Infrastrukturen und Verkehrswegen, Nutzungsarten von Gebäuden, Boden- und Höhenprofile sowie Satelliten- und Luftbilder und können mit weiteren Daten aus Adressdatenbanken, Regionalstatistiken und sozialen Netzwerken angereichert werden. Dadurch ergibt sich für das auszubauende Gebiet eine Übersicht über potentielle Teilnehmeranschlüsse, Verbindungswege und Standorte für zentrale Einrichtungen.

2.3

Computergestützte Planung des Glasfasernetzes

Im Anschluss an die Definition der Planungsziele und die Erfassung aller Netzknoten im Planungsgebiet (zentraler Verteilknoten und Teilnehmeranschlüsse), stellt die Planung der Verbindungsstrecken zwischen den Netzknoten die Kernaufgabe der Planung dar. Dabei sind unterschiedlichste Randbedingungen und Umgebungseinflüsse zu berücksichtigen. In der Regel werden neue Leitungen, wie auch Glasfaserkabel, entlang bestehender Verkehrswege unterirdisch verlegt. Die unterirdische Verlegung bietet den Leitungen einen höchstmöglichen Schutz gegen umweltbedingte und mechanische Eingriffe. Abhängig von den Eigenschaften des Verkehrsweges ist die Installation neuer Leitungen mit kostenintensiven Tiefbauarbeiten und umfangreichen Baustellenabsicherungsmaßnahmen verbunden. Die zeitaufwendige manuelle Trassenplanung der kostengünstigsten Verbindungsstrecken erfordert genaue Ortskenntnisse, unter anderem hinsichtlich einzuholender Wegerechte sowie fachlichem Erfahrungswissen der Planenden. In den frühen Planungsphasen wird die Verwendung von computergestützten Planungsalgorithmen zur Kostenbewertung aller Verkehrswege und zur Generierung von Trassierungsvorschlägen empfohlen (Abbildung 4). Aus den Trassierungsvorschlägen wird das Investitionsvolumen für den vollständigen Ausbau berechnet und wirtschaftliche Betreiber- oder Förderzuschussmodelle abgeleitet. Die vorrausschauende, frühzeitige und regelmäßig Beplanung jedes Siedlungs- und Gewerbegebietes, unter Nutzung von tagesaktuellen Daten und computergestützten Planungsalgorithmen verringern das Investitionsvolumen durch Ausnutzung möglicher Synergien (d.h. koordinierte Baumaßnahmen und vorrausschauende Leerrohrverlegung sowie Einplanung innovativer Verlegeverfahren).

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Abb. 4:

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Übersichtsdarstellungen der Trassierungsvorschläge und der topologischen Struktur unterschiedlicher Planungsalgorithmen (links/rechts) für ein Glasfasernetz in einem Siedlungsgebiet mit 170 Netzknoten (WIGGENBROCK, 2015).

Nutzergerechte Visualisierung von Trassenplanungen

Installationspläne des Bauvorhabens und die Darstellung der Installationskosten sind wichtige Instrumente zur gegenseitigen Information der Planenden, der Behörden und der Bevölkerung. Insbesondere der Austausch von planungsrelevanten Informationen erfolgt durch den frühzeitigen Einbezug aller Beteiligten (z.B. Sind eventuell alte, nicht dokumentierte Wasserleitungen vorhanden, die als Leerrohr nutzbar wären?). Erfolgreiche Infrastrukturprojekte, insbesondere im Bereich des Glasfasernetzausbaus, basieren auf einer hohen Teilnehmeranschlussquote. Regelmäßige Präsentationen des aktuellen Planungsstandes und Diskussionen zu Optimierungspotentialen fördern den Dialog und die Beteiligungsbereitschaft von Multiplikatoren und der Bevölkerung (BRENNECKE, 2015; VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE, 2013). Grundlage dafür ist die nutzergerechte Visualisierung der Trassenplanungen. Für die nutzergerechte Visualisierung der Trassenplanungen wird eine 2D-, 3D- und Virtual-Reality-Überlagerung topografischer Karten und Luftbilder empfohlen, die die Trassenplanungen im Kontext von Bauabschnitten, Bauverfahren, Baukosten und Synergieeffekten realitätsnah darstellen (Abbildung 5). Den Planenden und Beteiligten ist es durch die gleichzeitige Darstellung von Installationsplänen und Installationskosten möglich, kostenintensive Bereiche und Optimierungspotenziale zu identifizieren und durch Dialog und umfangreiche (Kosten-) Transparenz für die Planung und das Projekt zu werben. Aus der nutzergerechten Visualisierung (vierter Planungsschritt) der im dritten Planungsschritt erstellten Trassenplanungen können konkrete technische Installationspläne für eine vorausschauende Leerrohrverlegung bei koordinierten Baumaßnahmen abgeleitet werden. Aufgrund der kontinuierlichen Vorbereitungsmaßnahmen kann eine effiziente Verwendung der finanziellen Ressourcen und eine Beschleunigung des Glasfaserausbaus, auch im ländlichen Raum, erzielt werden.

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Abb. 5:

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3D-Vogelperspektive auf Luftbild, Gebäude und das geplante Glasfasernetz (grün, gelb, rot) im Kontext der Installationskosten (WIGGENBROCK, 2016).

Berichtswesen zur Investitionsentscheidung

Aus der Siedlungsstruktur in Deutschland – bestehend aus über 11 000 Gemeinden die zu 75 % jeweils unter 5000 Einwohnern umfassen – ergeben sich entsprechend viele aufwendige Einzelplanungen. Jede Einzelplanung durchläuft dabei verschiedene Planungsund Entscheidungsphasen, die jeweils durch einen Planungsbericht dokumentiert und abgeschlossen werden. Aus dem dritten und vierten Planungsschritt jeder Planungsphase können grundlegende Kennzahlen zur Wirtschaftlichkeitsberechnung, beispielsweise Teilnehmeranzahlen, Investitionsvolumina, Materialmengen und anfallende Tiefbauarbeiten, abgeleitet werden. Als effizienten und kostengünstigen Abschluss der oben aufgeführten Vielzahl Planungsphasen und Einzelplanungen bietet sich ein standardisiertes, computergeneriertes Berichtswesen zur Darstellung der Planungsergebnisse an. Aufgrund der Vielschichtigkeit der beteiligten Personen und deren Fachexpertise wird empfohlen, den standardisierten Bericht in einen allgemeinen, erklärenden Teil und weitere gebiets- und planungsspezifische Teile zu gliedern. Der allgemeine Teil enthält grundlegende Beschreibungen zu Bandbreitenbedarfen, Glasfasertechnik und möglichen Netztopologien. Der spezifische Teil stellt die Planungsleistungen im Detail durch Kartendarstellungen, Kennzahlentabellen und Diagramme dar. Nach jeder Planungsphase schließt sich eine Entscheidungsphase an, in der auf Basis der erstellten Planungsberichte, die grundsätzliche Wirtschaftlichkeit des Ausbauvorhabens beurteilt wird. Wird eine positive Rentabilität des Ausbauprojektes erwartet, folgen weitere Planungs- und Entscheidungsphasen (Abbildung 1), die abermals die fünf genannten Planungsschritte (Abbildung 2) wiederholen und verfeinern. Die Planung schließt mit dem Abschluss von Vorverträgen, der finalen Investitionsentscheidung und der Ausschreibung der Bauleistungen ab.

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Zusammenfassung

In diesem Beitrag wurde die Notwendigkeit des Ausbaus von zukunftsfähigen GlasfaserGiganetzen dargelegt. Der Planungsaufwand für einen flächendeckenden Glasfaserausbau wurde anhand der Siedlungsstrukturen in Deutschland erläutert. Die Reproduzierbarkeit einzelner Planungsschritte dient als Ausgangspunkt zur Herausarbeitung von fünf grundlegenden Schritten eines iterativen Planungsprozesses; dieser umfasst (i) die Definition von Planungszielen und Handlungskonzepten, (ii) Aufbereitung und Analyse von Geodaten, (iii) die computergestützte Planung des Glasfasernetzes, (iv) die nutzergerechte Visualisierung von Trassenplanungen und (v) ein Berichtswesen zur Investitionsentscheidung. Der vorgeschlagene rationale Planungsprozess führt zu einer frühzeitigen, effizienten und fundierten Abschätzung des Aufwandes für den Glasfasernetzausbau in jeder Gemeinde. Mit Kenntnis des notwendigen Aufwandes kann der Ausbau jedes Siedlungs- und Gewerbegebietes aus Sicht von Netzbetreibern und Investoren wirtschaftlich priorisiert und effizient erfolgen. Hierdurch wird der strukturierte und flächendeckende Ausbau von leistungsfähigen Glasfasernetzen beschleunigt und damit zusammenhängende Entwicklungen, beispielsweise die „Digitalisierung“ und „Industrie 4.0“, befördert.

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J. Wiggenbrock

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