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Gigabit-Ethernet

Während die Normierung der neuen Verkabelungsklassen bzw. Kategorien E/6 (250 MHz) und für die Bewertung von Verkabelungsanlagen F/7 (600 MHz) im Jahr 2001 zum Endspurt ansetzte, ist mit Gigabit-Ethernet eine Anwendung nachgerückt, die deutlich mehr Bandbreite als bisherige Übertragungsprotokolle beansprucht. Hierdurch sind Klasse C/Kategorie-3- und -4-Verkabelungen endgültig überholt. Aber auch Klasse D/Kategorie-5-Verkabelungen sind "Auslaufmodelle", insbesondere dann, wenn zukunftssichere Konzepte für Neuinstallationen gefragt sind.

Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z, 802.3ab)

Gigabit Ethernet kann sowohl über Kupferkabel als auch über Glasfaser laufen: 1000Base-T    Cat 5 UTP
1000Base-CX   STP/Twinax
1000Base-SX   Multimode Fiber (850nm)
1000Base-LX   Monomode Fiber oder Multimode (1300nm)

STP- und Fiber-Standards sind verabschiedet, zur Festlegung des UTP-Standards wurde ein eigenes IEEE-802.3ab-Subkommitee gebildet. Dieses hat das Ziel, einen Standard für eine Reichweite von 100m auf UTP Cat. 5 Kabeln zu erzielen.

Gigabit Ethernet: 1000Base-T über Kupfer

Auf Grund der schwachen Auslegung von Klasse D/Kategorie-5-Verkabelungen sind bei 2-paariger Übertragung und Schwerpunktfrequenzen bis etwa 60 MHz Übertragungsraten bis 155 MBit/s (ATM) möglich. Der Bandbreitenengpaß bei Kategorie-5-Verkabelungen (bis 100 MHz) erfordert deshalb die Verwendung von 4 Paaren, um die Übertragung von Gigabit Ethernet zu ermöglichen. 1000Base-T verwendet eine Symbolrate von 125 Mbaud und eine 5-Level-Codierung (PAM 5). Da bei 1000Base-T auf allen 4 Paaren gleichzeitig in beiden Richtungen gesendet und empfangen wird, übernimmt jedes Paar 250 MBit/s und in Summe (alle Paare) 1 GBit/s. Bei der Voll-Duplex-Übertragung über 4 Paare wechseln die Sende- und Empfangszustände der GigaBit-Ethernet-Bausteine ständig einander ab. Die gleichzeitige Übertragung in zwei Richtungen und die wechselnden Sende- und Empfangszustände haben neue Übertragungsparameter für die Bewertung von Verkabelungen generiert:
  1. Leistungssumme des Nahnebensprechens(PSNEXT)
    Power Sum NEXT (PSNEXT) beschreibt die Summe aller Störleistungen, die durch Nahnebensprechen in ein Paar eingekoppelt werden. Das kommt dem tatsächlichen Einsatzfall, d.h. wenn alle Paare in Betrieb sind, nahe. Maßgeblich ist immer der stärkste Störer. Nur bei hohen Paarzahlen gibt es deutliche Unterschiede zwischen NEXT und Power Sum NEXT.
  2. Fernnebensprechen (FEXT)
    Mit FEXT (Far End Cross Talk) wird das Nebensprechen am fernen (empfängerseitigen) Ende bezeichnet, das im Allgemeinen geringere Störungen verursacht als das Nahnebensprechen.Man unterscheidet beim FEXT zwischen:
    • Input-Output-FEXT (l/O-FEXT) und
    • Equal-Level-FEXT (EL-FEXT).
    Beide Größen sind durch die Gleichung EL-FEXT = I/O - FEXT - Dämpfung verbunden, wobei das ELTEXT in etwa dem ACR beim NEXT entspricht.
  3. Leistungssumme des Fernnebensprechens (PSFEXT)
    Power Sum FEXT (PSFEXT) beschreibt die Summe aller Störleistungen, die durch Fernnebensprechen in ein Paar eingekoppelt werden. Das kommt dem tatsächlichen Einsatzfall, alle Paare in Betrieb, nahe.
  4. Delay und Skew
    Propagation Delay (Verzögerung der Ausbreitung) bezeichnet die Verzögerungszeit/Laufzeit der Signalübertragung über ein Paar. Sind die Signalverzögerungen frequenzabhängig, führt das zu Signalverzerrungen, auch "Dispersion" genannt. Der Wert "Delay Skew" gibt die Differenz der Verzögerungszelten/Laufzeiten zwischen zwei Paaren an.
  5. Rückflußdämpfung (RL)
    Die Rückflußdämpfung, auch "Return Loss" genannt, beschreibt die Inhomogenitäten/Fehlanpassungen entlang des Übertragungskanals anhand des Verhältnißes von rücklaufender zu hinlaufender elektromagnetischer Welle.
  6. Störleistungsunterdrückung
    Die Störleistungsunterdrückung ist ein Maß für die Fähigkeit eines Kabels, elektrische externe Störungen zu bedämpfen. Je höher die Störleistungsunterdrückung ist, umso besser ist die elektromagnetische Verträglichkeit.

Gigabit Ethernet: konkurrierende Eigenschaften

Die untereinander konkurrierenden Parameter für die Übertragung von Gigabit Ethernet haben Einfluß auf die konstruktive Gestaltung der Kabel. Die Problematik läßt sich anhand der unterschiedlichen Übertragungsparameter in Abhängigkeit der bekannten Kabelbauarten mit verseilten Paaren aufzeigen. Je nach Anforderung werden dem Datenkabel möglichst kleine und unterschiedliche (für NEXT und FEXT) oder möglichst lange und gleiche Paarschlaglängen) (für Dämpfung, Return Loss, propagation delay und delay skew) abverlangt. Ein Kompromiß bei UTP und S/UTP-Kabeln ist äußerst diffizil und führt zu Einbußen bei dem einen oder anderen Parameter. Eine Ausnahme stellen die S/STP-Kabel dar. Hier werden die NEXT-, FEXT- und ACR-Anforderungen wesentlich durch Einzelschirmung der Paare (PiMF) sichergestellt. Dies erlaubt erhebliche Freiheitsgrade bei der Gestaltung der Paarschlaglängen. S/STP-Kabel stehen deshalb für sicheres Einhalten aller Eigenschaften bis 600 MHz und darüber hinaus (1200 MHz). Zudem verfügen sie auf Grund der doppelten Abschirmung über hervorragende EMV-Eigenschaften.

Anmerkung: Die "Schlaglänge" ist die Länge (z. B. in Millimetern), bei der sich eine Ader vom Anfangspunkt A bis zum Endpunkt B einmal um 360 Grad gedreht hat.

Zusammenfassung: 1000Base-T auf UTP Kabeln

  • Verwendung einer 5 Level Codierung
  • gleichzeitig Verwendung von 4 Adernpaaren
  • Vollduplex Betrieb auf allen 4 Paaren
  • Trellis Codierung (nicht 8B10B)

Zugriffsverfahren: CSMA/CD

Bei Erhöhung der Übertragungsrate auf 1 Gbit/s möchte man auf die vorhandenen Verkabelungsstrukturen aufsetzen, d. h. die Leitungslängen sollen gleich sein wie bei 100Base-T (rein rechnerisch müßten die Kabel maximal 10m lang sein - nicht praktikapel). Daher muß bei gleicher Leitungslänge die minimale Paketgröße vergrößert werden. Es gilt daher beim Gigabit-Ethernet eine minimale Paketlänge von 512 Byte. Da hierdurch ein Nachteil bei kleinen Paketen besteht (die auf die 512 Byte aufgefüllt werden müßen), wird ein Burst-Modus eingeführt, der es erlaubt, mehrere Pakete bis auf eine Gesamtlänge von 1500 Byte bis 8 KByte zusammenzufassen. Es soll ebenfalls ein Full-Duplex-Ethernet (2Gbit/s) geben (Gigabuffer Repeater).

Für die Optik-Version bestehen folgende Randbedingungen:

Bezeichnung Medium mm Max. Länge (m)
1000Base-SX Multimode Fiber (850nm) 62,5 260
1000Base-SX Multimode Fiber (850nm) 50 550
1000Base-LX Multimode Fiber (850nm) 62,5 440
1000Base-LX Multimode Fiber (850nm) 50 550
1000Base-LX Monomode Fiber 8,3 3000
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