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Aktuelles über Kabel + Leitungen

Kabel, Leitung, Glasfaser, Klemme, Mantel, Ethernet, Kennzeichnung

Harting40116Fachartikel

Hannover Messe Halle 11, Stand C13

Das Verbundprojekt "100 G" von der Hochschule Reutlingen, Leoni und Harting hat die Machbarkeit der Übertragung von Datenraten bis zu 100 GBit/s Ethernet über symmetrische Kupferverkabelungssysteme untersucht und nachgewiesen. Der Aufwand in die Verbesserung bestehender Kabel- und Steckverbinder zur Ertüchtigung in Richtung 2,5 GHz Übertragung ist überschaubarund damit wirtschaftlich. Somit steht der Entwicklung der nächsten Generation von Highspeed-Kupferverkabelungen für den Ausbau der Netzwerkinfrastruktur vom Rechenzentrum bis zur Industrie 4.0 nichts mehr im Wege.



Die Daten- und Kommunikationsnetze werden immer dichter und die eingangs genannten Megatrends erfordern eine sichere und leistungsfähige Netzwerkinfrastruktur. Auf die industrielle Anwendung bezogen, führt diese Entwicklung zwangsläufig über die Aufrüstung der Hardware in den Rechenzentren. Sie bilden die zukünftige Grundlage für die stärkere Vernetzung und Versorgung mit Daten bis hinunter in alle Bereiche der Automation. Hier muss die Hardware so ausgelegt sein, dass sie den Datenverkehr nicht nur aufnehmen, sondern auch seinen stetig wachsenden Anforderungen, gerade auch an Geschwindigkeit und Bandbreite, gerecht wird. Kabel, Steckverbinder und andere Schnittstellen müssen den möglichen Anforderungen von morgen gewachsen sein. Damit sind die Megatrends die zentralen Treiber für Technologien und Forschung, zum Thema Bandbreite und Datengeschwindigkeit.

Verkabelung in Gebäude, Rechenzentrum und Produktion


Die strukturierte Gebäudeverkabelung wird leistungsfähiger und schließt immer mehr Anwendungsbereiche mit ein wie Sicherheitstechnik, Gebäudeautomatisierung und Ablesen von Verbrauchsdaten. Es ist davon auszugehen, dass wir für größere Rechenzentren in diesem Jahrzehnt 100 G Bandbreite zur Verfügung stellen müssen. Die barrierefreie Anbindung des Rechenzentrums in den Bürobereich oder in die Produktion ist ein Muss.

Der Gedanke der Industrie 4.0 verlangt in der Produktion ein durchgängiges Datennetzwerk von der Cloud bis in die Feldebene. Immer mehr Anwendungen in der Industrie werden durch dieses Konzept gekoppelt und letztlich auch mit dem Rechenzentrum verbunden, sodass die technische Entwicklung dort – wenn auch zeitversetzt – ebenfalls Auswirkungen auf die Infrastruktur haben wird.

Vor dem Hintergrund dieser aktuellen technischen Themen, der zukünftigen Nachfrage und dem Innovationsdruck haben die Hochschule Reutlingen, Leoni und Harting die Initiative ergriffen, und das Zukunftsthema „100 G Übertragung über Kupfer“ in einem Verbundprojekt adressiert.

100 G als wirtschaftlich sinnvoller Technologiesprung

Im Rahmen des Projektes soll aufgezeigt werden, dass eine Erhöhung der Datenraten auf 100 G über verdrillte Doppeladern theoretisch und zukünftig technisch möglich und wirtschaftlich sinnvoll ist. Damit werden die Grundlagen für eine zukunftsoffene informationstechnische Infrastruktur geschaffen. Die zu erstellenden Anforderungen bedeuten eine signifikante Verbesserung der Eigenschaften von Verkabelungskomponenten wie Kabel und Steckverbinder.

Ziel des Projektes ist es, bei ISO/IEC JTC 1/SC 25 ein neues Projekt (en.: NWIP = New Work Item Proposal) zum Thema 100 GBit/s über verdrillte Doppeladern auf den Weg zu bringen. Angestrebt wird die Erstellung einer internationalen Richtlinie (en.: Technical Report). Diese ist eine Alternative und häufig ein Vorgängerdokument zu einer internationalen Norm. Der Vorteil der Richtlinie ist, dass diese meist kurzfristiger als eine internationale Norm realisiert werden kann. Für diese Richtlinie soll im Rahmen des Projektes ein erster Entwurf erstellt werden.

Bei der Erhöhung der Datenrate über symmetrische Kupferkabel von derzeit 10 GBit/s auf zunächst 40 GBit/s (INS-Vorgängerprojekt) und schließlich 100 GBit/s handelt es sich jeweils um enorme Technologiesprünge. Schon bei 100 MBit/s über symmetrische Kupferkabel vermeinten Experten höhere Datenraten seien nicht über Kupferkabel übertragbar. Durch das beantragte Projekt soll der Einstieg in höhere Datenraten auch über symmetrische Kupferverkabelung zur Überbrückung der letzten Entfernung zum Arbeitsplatz beziehungsweise Zwischenverteiler ermöglicht werden. Die Erhöhung der Datenrate um den Faktor 4 bzw. 10 bedeutet im GBit/s-Bereich eine bedeutende Vervielfachung der Komplexität und der Anforderungen an die hochfrequenztechnischen Übertragungseigenschaften des Kanals. Das Forschungsziel kann nur mittels eines Verbundprojektes erreicht werden. Partner innerhalb dieses Verbundprojektes sind die Teilvorhaben Kabel, Verbindungstechnik und Übertragungsstrecke.

Ethernet-Netzwerke werden mit dem WWW und der Cloud verbunden. Dies ermöglicht nicht nur die Steuerung von Maschinen von überall weltweit, sondern auch eine verbesserte Kommunikation mit anderen Firmen in Echtzeit. Fällt bei einer Maschine in absehbarer Zeit ein Teil aus, kann sie selbstständig beim Ersatzteilhändler das entsprechende Teil ordern. Gehen Lagerbestände zurück, geht der entsprechende Befehl an den Hersteller und so weiter. Gleichermaßen können Signale über diese Möglichkeiten weltweit an andere Standorte geschickt und verarbeitet werden. Ist ein Produktionsstandort ausgelastet, ein anderer besitzt jedoch noch Kapazitäten, kann in Echtzeit die Produktion auf der anderen Seite des Globus anfahren. Je weiter man diese Vorstellung strickt, desto eher wird klar, welche Datenmengen und Herausforderungen damit verbunden sein werden.

Ständig steigende Anforderungen an Übertragungsraten und Bandbreite sowie Sicherheit und Verfügbarkeit von Kommunikationsnetzen und damit auch an Infrastruktur und Verkabelung sind also der Treiber für das Verbundprojekt 100 GBit/s über symmetrische Kupferverkabelung.

Versuchsaufbau und Messungen

Um Aussagen über die technische Machbarkeit einer 100 G Übertragung über symmetrische Kupferverkabelung zu erhalten, wurde die Aufgabenstellung auf die wesentlichen, zu untersuchenden Kriterien heruntergebrochen. Das Kernelement der 100 G Datenübertragung über vier Paare eines symmetrischen Übertragungskanals ist die Übertragung von 25 GBit/s über ein Paar. Der Übertragungskanal besteht dabei aus dem Kabel und Steckverbindern.

Zur weiteren Untersuchung wird der vollständige symmetrische Übertragungskanal für 100 G auf seine Einzelkomponenten reduziert:

  • Übertragung über eine 4 paarige Kupferverkabelung
  • Betrachtung des Kabels
  • Betrachtung der Steckverbinder.
Die Einzelkomponenten können mathematisch durch sogenanntes Modeling beschrieben werden. Diese Beschreibungen (Matrizen) werden mittels Messungen auf ihre Richtigkeit in der Praxis hin überprüft und man kann später die mathematisch beschriebenen Einzelkomponenten zu einem Gesamt-Übertragungskanal zusammensetzen. So lassen sich Grenzwerte zum Beispiel bzgl. der Bandbreite in GHz, des Nahnebensprechens Next in dB oder in der Längenbegrenzung in m voraussagen. Über diesen Ansatz konnten die notwendigen Schritte zur Untersuchung eines 100 G Kanals klar definiert werden.

Ausgehend vom Platine-Platine-Kanal (PCB Channel) konnte der passive Übertragungskanal der Verkabelung (ISO/IEC Channel) definiert und mittels M-Matrix Daten vollständig mathematisch beschrieben werden.

Mathemathisches Modell

Um die M-Matrizen letztlich mit Werten füllen zu können, bedarf es der Erhebung übertragungstechnischer Eigenschaften der Einzelkomponenten. Dazu sind Messreihen für Kabel und Verbinder aufgestellt worden. Diese Messreihen betrachten sogenannte „mated pairs“, also Steckverbindungen die Stecker und Buchse im gesteckten Zustand untersuchen.

Zur Erstellung dieser Messreihen wurde das Messequipment der drei Verbundpartner unter Hinzuziehung der Messgerätehersteller komplettiert und bis an seine Grenzen geführt. Parallel dazu wurden die Messaufbauten mit Anschlusseinheiten, Equalizern und Prüflingen entwickelt, ausgetestet, beschrieben und auf ihre Einsatzfähigkeit und Genauigkeit bei Bandbreiten bis zu 2,5 GHz hin überprüft.

Um die Stabilität und Richtigkeit der Messergebnisse bewerten zu können, sind immer wieder „Round Robin Test“s durchgeführt worden. Dabei werden vorbereitete Prüflinge von allen drei Partnern in ihren Laboren mit ihrer jeweiligen Messtechnik den gleichen Tests unterzogen. In diesem Fall war es der Prototyp eines neuen 2,5 GHz Kupferkabels. Gab es hier wesentliche Abweichungen in den Prüfergebnissen, wurden die Ursachen analysiert und Messaufbau sowie Testequipment immer weiter verfeinert und korrigiert. Durch diese methodische Vorgehensweise konnten die übertragungstechnischen Eigenschaften der Einzelkomponenten umfassend beschrieben werden. So lagen am Ende der Testreihen belastbare Werte für Kabel und Steckverbinder in IL, Next, Fext, Return loss, TCL, ELTCTL usw. über einen Frequenzbereich bis 2,5 GHz vor.

Ergebnisse der Messungen

Die Untersuchungsergebnisse der verschiedenen Prototypen von Kabeln haben zur stetigen Verbesserung des Designs der PIMF Kabelkonstruktion geführt. Ein finaler Prototyp (Vorserienstatus) konnte alle wesentlichen übertragungstechnischen Parameter weitestgehend zufriedenstellend erfüllen. Dabei wird gegen eine angenommene Grenzkurve geprüft, die als notwendig für die 25 GBit/s Übertragung (1 Paar) ermittelt wurde.

Bei der Untersuchung des Übertragungsverhaltens von Steckverbindern wurde auf bereits bestehende Steckverbinder-Typen zurückgegriffen. Dabei bestätigte sich die Annahme, dass je besser die separate Schirmung der einzelnen Kontaktpaare in einem Steckverbinder konstruktiv ausgeführt ist, sich auch das Übertragungsverhalten bei hohen Frequenzen und großen Bandbreiten verbessert.

Die belastbaren Testergebnisse der Komponenten konnten nun im Channel Model zusammengeführt werden. Die mathematischen Untersuchungen an Hand des Models ließen den Schluss zu, dass eine Übertragung von 25 GBit/s über ein Paar eines symmetrischen Kupferkanals von 30 m Länge mit Bandbreiten von 2,5 GHz oder darüber möglich ist.

Um die Gültigkeit dieser Aussage zu untermauern, wurden Kanalmessungen durchgeführt. Dabei wurde der 30 m Übertragungskanal mit 26 m Kabel und je 2 m langen, konfektionierten Kabeln (Patchcords) mittels eines mobilen Testgerätes bis 2 GHz gemessen. Die Messergebnisse konnten die Untersuchungen am Model bestätigen, auch wenn hier mit Toleranzen und Ungenauigkeiten zu rechnen ist.

Weitere Untersuchungen vereinfachter 30 m langer Kanäle mittels Labormesstechnik lieferten dann auch zusätzliche Parameter wie IL (Insertion Loss) und Group Delay bis 3 GHz und das für mehrere Paare gleichzeitig.Alle Ergebnisse unterstützen die Aussage der Machbarkeit der 100 G Übertragung über vier Paare eines symmetrischen Kupferkanals.

Umsetzung der physikalischen Erkenntnisse

In abschließenden Tests wurde der physisch aufgebaute 30 m Übertragungskanal jetzt mit Nutzsignalen belastet. Dabei sollte herausgefunden werden, welches Kodierungsverfahren für die Übertragung von 100 GBit/s über eine symmetrische Kupferverkabelung am sinnvollsten zu verwenden ist. Die Testsequenz mit einer Signalfolge auf Basis von PAM 16 und PAM 32 wurde an einem Ende des  rein passiven Übertragungskanals eingespeist und mit den empfangenen Daten am anderen Ende verglichen.

Wie bei den anderen Tests wurde wieder mit der Betrachtung eines Aderpaares – 25 GBit/s Übertragung – begonnen. Dabei wurden geordnete Bitfolgen „selected sequence of bits“ und ungeordnete, also stochastische Bitfolgen pseudo „random sequence of bits“ mit Hilfe der PAM 16 und der PAM 32 Kodierung über den Testaufbau geleitet.

In der Auswertung der so gewonnenen Daten ist davon auszugehen, dass zur sicheren Datenübertragung von 100 G über einen symmetrischen Kupferkanal das PAM 32 Kodierungsverfahren anzuwenden ist.
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