Modul 4: Übertragungsmedien und Verkabelung

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1 BonnRheinSieg Modul 4: Übertragungsmedien und Verkabelung 4.1 Grundlagen Übersicht 4.2 Eigenschaften elektrischer Übertragungsmedien 4.3 Beispiel: LANVerkabelung M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 1 BonnRheinSieg Logarithmische Größen x = 10 log ( X 10 ) x Größe im logarithmischen Maß (Kennzeichnung: db) X Ausgangsgröße Ein paar Rechenregeln für Logarithmen: log( x / y) = log( x) log( y) log( xy ) = log( x) + log( y) log( x y ) = y log( x) log log z ( x) = log z log z ( x ) = x ( x) ( z) M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 2

2 BonnRheinSieg Ohmsches Gesetz und elektrische Leistung U = I R P = U I U I R Spannung Strom Widerstand P U I Leistung Spannung Strom Aufgabe 4.1: Welchen Widerstand hat eine handelsübliche 100Watt Lampe? M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 3 BonnRheinSieg Klassifikationsschema für Übertragungsmedien Übertragungsmedien leitungsgebundene Übertragung Freiraum Übertragung elektrische Leiter optische Faser symmetrisch verdrillte Kupferader asymmetrisch Koaxialkabel monomode Faser multimode Faser geschirmt ungeschirmt M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 4

3 BonnRheinSieg Bilder von typischen Kabeln Koaxialkabel Koaxialkabel UTP SSTP PiMF M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 5 BonnRheinSieg Wellenwiderstand (Impedance) Charakteristische Größe eines Kabels, die durch Geometrie und Materialdes Kabelaufbaus bestimmt wird. Änderungen des Wellenwiderstands führen zu Reflektionen des Signals Um Reflexionen zu verhindern müssen Kabel mit einem Widerstand in Größe des Wellenwiderstandes abgeschlossen werden. Aufgabe 4.2: (a) Erklären Sie mit Hilfe des Begriffs des Wellenwiderstands, warum ein Kabel nicht zu stark geknickt werden sollte. (b) Was könnte die Knickstelle für das Signal bewirken? (c) Beschreiben Sie die Problemstellung im Zusammenspiel von Kabel, Stecker und Buchse vor dem Hintergrund des Wellenwiderstands. M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 6

4 BonnRheinSieg Dämpfung a = log ( P in / P ) Aufgabe 4.3: a P in P out out Dämpfung (attenuation) Leistung des Eingangssignals Leistung des Ausgangssignals übliche Einheit: db/100m Gegeben ist ein Kabel mit einer Länge von 20m, in das ein Nutzsignal mit einer Spannung von 10 Volt eingespeist wird. Am anderen Ende des Kabels werden 5 Volt gemessen. (a) Wie hoch ist die Dämpfung des Kabels in db/100m? (Anleitung: Leiten Sie zunächst eine allgemeine Formel für die Dämpfung als Funktion der gemessenen Spannungswerte her.) (b) Wie hoch ist die am anderen Ende gemessene Spannung bei einem Kabel gleichen Typs der Länge 50m? M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 7 BonnRheinSieg Signallaufzeit Typischer Wert in einem KupferKabel: 0,6 c, wobei c = Lichtgeschwindigkeit (ca m/s) Parameter bei TwistedPairVerkabelung Delay: maximal zulässige Laufzeit eines Signals, normiert auf 100 Meter Kabellänge. Delay Skew: maximal zulässigen Laufzeitunterschied zwischen Adernpaaren eines Kabels (typisch 10% vom DelayWert). Wichtig bei vielpaarigen ÜVerfahren, wie z.b. GigabitEthernet: Aufgabe 4.4: Geben Sie einen typischen DelayWert für ein Kupferkabel an. Aufgabe 4.5: Berechnen Sie die typische Roundtrip Time für die Kommunikation über einen geostationärer Satellit (der sich etwa km über dem Äquator befindet). M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 8

5 BonnRheinSieg Nahnebensprechdämpfung NEXT (Near End Cross Talk) P Sender P noise NEXT = 10log10 ( P sender / Pnoise ) NEXT P Sender P noise near end cross talk Leistung des Senders Leistung des Nebensprechsignals M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 9 BonnRheinSieg Fernnebensprechdämpfung FEXT (Far End Cross Talk) P Sender P noise FEXT = 10log10 ( PSender / Pnoise ) FEXT far end cross talk P Sender P noise Leistung des Senders Leistung des Nebensprechsignals ELFEXT = FEXT a (EL = equal level) a Dämpfung des Sendesignals M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 10

6 BonnRheinSieg ACR attenuation to cross talk loss ratio ACR = NEXT a NEXT near end cross talk a Dämpfung Störabstand zwischen dem gedämpften Nutzsignal und dem Störsignal NEXT. Der ACRWert sollte bei einem Kabel möglichst groß sein. Aufgabe 4.6: (a) Nennen Sie mögliche Maßnahmen, um den ACRWert eines Kabels zu verbessern. (b) Skizzieren Sie in einem Diagramm qualitativ den Zusammenhang zwischen Nahnebensprechdämpfung und Länge eines Kabels. (c) Kann der ACRWert eines Kabels negativ werden? Begründen Sie Ihre Antwort. M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 11 BonnRheinSieg Bandbreite Frequenzbereich, der von einem Medium "gut" übertragen werden kann. Ergibt sich aus der Differenz der höchsten und der niedrigsten Frequenz, die Übertragen werden kann. Analoges Telefon: 4 KHz Problemstellung: Nach Fourier lässt sich jedes periodisches Signal als Summe von harmonischen Schwingungen darstellen. Der Frequenzbereich eines Mediums beschneidet das Spektrum der übertragenen Schwingungen. M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 12

7 BonnRheinSieg Kanalkanalkapazität Fragestellung: Welche Datenmenge kann über eine Datenleitung übertragen werden? Maßeinheit: Bit pro Sekunde, bit/s Einflussfaktoren Bandbreite der Datenleitung Art der Kodierung des digitalen Signals Störungen auf der Leitung Impulsstörungen ("Knacken" in der Leitung) Netzbrummen (""Brummen" in der Leitung) Echobildung, Nebensprechen weißes Rauschen (ideale, völlig zufällige Störung) M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 13 BonnRheinSieg Kanalkanalkapazität (ohne Einbezug von Störungen) Kanalkapazität bei 2 Signalebenen: C = 2 B bit B Bandbreite C Kanalkapazität Kanalkapazität bei M Signalwerten C = 2 B log 2 (M) bit B Bandbreite C Kanalkapazität Aufgabe 4.7: Sie möchten über eine Telefonleitung der Bandbreite 4kHz Daten mit 64 KBit/s per Modem übertragen. Mit wie vielen Signalebenen muss das Modem mindestens arbeiten? Baudrate = Schrittgeschwindigkeit = Zahl der SignalparameterZustandswechsel Bei 2 Signalwerten ("0" = 0 Volt, "1"= 5 Volt): Bitrate = Baudrate M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 14

8 BonnRheinSieg Beispiel: Digitales Signal mit 4 Signalwerten Amplitude Codefolge t Schritte M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 15 BonnRheinSieg Kanalkapazität (unter Einbeziehung von Störungen ) Rauschabstand: SNR = 10 log 10 (P S /P n ) SNR signal to noise ratio Aufgabe 4.8: P S Leistung des Nutzsignals Sie möchten über eine Telefonleitung der Bandbreite 4kHz Daten mit 64 KBit/s P n Leistung des Rauschsignals (noise) per Modem übertragen. Gesetz von C. Shannon (1948) C = B log 2 (1+ P S /P n ) C B P S P n Kanalkapazität Bandbreite Leistung des Nutzsignals Leistung des Rauschsignals (noise) Wie hoch muss der Rauschabstand der Telefonleitung sein? M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 16

9 BonnRheinSieg Zusatzaufgaben Aufgabe 4.9: Die Leistung des von einem Sender in eine Übertragungsleitung eingespeisten Nutzsignals ist 8 mal so groß wie die Leistung des Grundrauschens der Leitung. Die Leitung hat vom Sender bis zum Empfänger eine Dämpfung von 4 db. Wie hoch ist der Rauschabstand des empfangenen Signals? Aufgabe 4.10: Gegeben sei eine stark verrauschte Telefonleitung mit einer Bandbreite von 4kHz. Durch Messung stellen Sie fest, dass die Spannung des Nutzsignals doppelt so hoch wie die Spannung des Rauschsignals ist. (a) Wie hoch ist der Rauschabstand in db? (b) Welche Kanalkapazität können Sie für die Telefonleitung maximal erwarten? M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 17 BonnRheinSieg Allgemeine Anforderungen / Kriterien für Verkabelungssysteme Verkabelung als langfristige Investition (Abschreibung >=15Jahre) Verkabelung muss universell sein, nicht abhängig von gegenwärtiger Technik Vollverkabelung versus Bedarfsverkabelung Flexibilität (Integration neuer Produkte, Anwendungen, Dienste, Technologien) standardisiert und offen, d.h. herstellerunabhängig genügend Kapazität für zukünftige Anforderungen leicht zu installieren und wartungsarm Schutz vor unberechtigtem Zugriff, Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse bzw. Abstrahlung Redundanzen in wichtigen Bereichen Dokumentation der Verkabelung Einsatz einheitliche Kabeltypen innerhalb von Teilstrukturen klar Strukturierung der Verkabelung M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 18

10 BonnRheinSieg Strukturierte Verkabelung Normen Schlüsselfrage: Nach welchem Gesichtspunkt soll eine Verkabelung strukturiert werden? Möglichkeiten: Netztopologie, die sich aus der verwendeten NetzTechnologie ergibt Standorte der Rechner und Server Am Kommunikationsprofil, das sich aus den Anwendungen ergibt. Gebäudestruktur Verkabelungsstandards: EN 50173: Norm für strukturierte, universelle Gebäudeverkabelung in Deutschland Abgeleitet vom internationalen Standard ISO/IEC M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 19 BonnRheinSieg EN für "Anwendungsneutrale Verkabelungssysteme" Verabschiedet im Juli 1995 (EN 50173:1995) Anforderungen Gigabit Ethernet (1000BaseT) sind in der Version EN 50173:2000 aufgenommen. Aktuelle Version EN 50173:2002 Umfassendes Normenwerk, es enthält unter anderem: Begriffe und Abkürzungen, Definition der grundsätzlichen Verkabelungsstruktur (Bereiche, Verteiler, Schnittstellen) Bedingungen unter denen eine EndezuEndeVerbindung über Verbindungstechnik (Stecker, Buchsen, Patchfeld) hinweg dem Standard entspricht ( Klassen) Definition und Anforderungen an Verkabelungskomponenten, wie Kabel und Verbindungstechnik ( Kategorien) M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 20

11 BonnRheinSieg Funktionale Elemente eines universellen Verkabelungssystemes Primärverkabelung Standortverteiler (oder Campusverteiler) Zentraler Punkt, von dem aus der StandortBackbone versorgt wird. (Verteilerschrank / Raum / kombiniert mit Gebäudeverteiler) StandortBackboneVerkabelung Verbindet Standortverteiler Gebäudeverteiler. (Kupfer oder LichtwellenleiterKabel) Gebäudeverteiler Zentraler Punkt im Gebäude, von dem der GebäudeBackbone versorgt wird. (Verteilerschrank, Raum oder oder kombiniert mit Etagenverteiler) GebäudeBackboneVerkabelung verbindet Gebäudeverteiler mit den Etagenverteilern (Kupfer oder LichtwellenleiterKabel) Etagenverteiler Zentraler Punkt in einer Etage. (Verteilerschrank oder Raum). M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 21 BonnRheinSieg Funktionale Elemente eines universellen Verkabelungssystemes Sekundärverkabelung Tertiärverkabelung HorizontalVerkabelung (inklusive Patchkabel) verbindet Etagenverteiler mit der ArbeitsplatzanschlussDose (Kupfer oder LichtwellenleiterKabel) KonsolidationsPunkt zentraler Punkt in einem Raum (Verteilerkästchen) ArbeitsplatzanschlussDose Interface zur universellen Verkabelungsanlage, das dem Benutzer zugänglich ist. MehrfachArbeitsplatzAnschlussdose Gruppierung von ArbeitsplatzanschlussDosen M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 22

12 BonnRheinSieg Strukturierte Verkabelung M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 23 BonnRheinSieg LinkKlassen und (Kabel)Kategorien LinkKlassen: Klassifizierungssysteme für die Spezifizierung der Übertragungsstrecke Kategorien Beschreiben Eigenschaften von Kabeln Patchkabel Patchfeld Anschlusskabel permanent link (max. 90m) M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 24 channel link

13 BonnRheinSieg LinkKlassen und (Kabel)Kategorien Klasse Class A Class B Class C Class D Class E Class F Class G Anwendungen Sprach/Datenverbindungen für niederfrequente Anwendungen bis 100 KHz für Telefon und ISDN Datenverbindungen mit mittleren Datenraten bis 1 MHz für Telefon und ISDN Datenverbindungen bis 16 MHz für Telefon, ISDN, Token Ring, Ethernet Datenverbindungen bis 100/125 MHz für Telefon, ISDN, Token Ring, Ethernet (GigaBit Ethernet), FDDI Datenverbindungen bis 250 MHz für Class D plus ATM und GigaBit Ethernet Datenverbindungen bis 600 MHz CATVAnlagen (Video) bis 1200 MHz bei max. 50 m Kabellänge Kat. Cat3 Cat5, Cat5e Cat6 Cat7 Cat8 Stand gültig gültig gültig gültig gültig Normentwurf verabschiedet, jedoch noch nicht unterschrieben In Diskussion M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 25 Quelle: BonnRheinSieg Dämpfungsmaximalwerte der Linkklassen Dämpfungswert für Linkklasse Frequenz (MHz) B C D E F 0,1 5,5 1 15,0 3,7 2,5 2,5 2,3 4 6,6 4,8 4,0 4, ,0 9,4 24 8,1 21,7 31,8 7,7 20,8 30,0 54,6 M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 26

14 BonnRheinSieg Mindest Nahnebensprechdämpfung (NEXT) der Linkklassen Mindest NEXT der Linkklassen Frequenz (MHz) B C D E F 0, ,0 65, ,5 63,0 65, ,6 30,1 53,2 39,9 34,8 65,0 62,9 58,3 54,6 M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 27 BonnRheinSieg Mindestwerte für das ACR der Linkklassen Frequenz (MHz) 0,1 1 Mindestwerte für das ACR der Linkklassen B C D E F Aufgabe 4.11: Füllen Sie die Tabelle mit ACRWerten! M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 28

15 BonnRheinSieg Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Definition: Elektromagnetische Verträglichkeit ist die Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung, in ihrer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren, ohne diese Umgebung, zu der auch andere Einrichtungen gehören, unzulässig zu beeinflussen (VDE 0870[1.1]) Standards hierzu EN (Störaussendung) EN (Störfestigkeit) M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 29 BonnRheinSieg ENDE M. Leischner Rechnernetze SS 2004 Folie 30