Modul 2: Übertragungsmedien und Verkabelungssysteme

Transkript

1 Modul 2: Übertragungsmedien und Verkabelungssysteme Folie 1

2 Bilder von typischen Medien S/STP UTP Koaxialkabel S/STP (Screened Shielded Twisted Pair) = geflecht- und paargeschirmtes Datenkabel S/FTP (Screended/Foiled Twisted Pair) = geflecht- und foliengeschirmtes, paarverseiltes Datenkabel Glasfaser elektromagnetische Wellen in der Luft Folie 2

3 Klassifikationsschema für Übertragungsmedien Übertragungsmedien leitungsgebundene Übertragung Freiraum- Übertragung elektrische Leiter optische Fasern symmetrisch verdrillte Kupferader asymmetrisch Koaxialkabel Monomode Faser Multimode Faser geschirmt ungeschirmt Folie 3

4 Übertragungsmedien Verdrillte Kupferkabel (Twisted Pair) Einteilung in Kategorien: 3, 4, 5, 5e, 6, 6a, 7, 7a, 8 (Unterschiede in der benutzbaren Bandbreite) UTP Unshielded Twisted Pair (Adern sind paarweise verdrillt und besitzen keine Abschirmung) Folie 4

5 Übertragungsmedien Verdrillte Kupferkabel (Twisted Pair) S/UTP Screened Unshielded Twisted Pair (wie UTP, aber mit Gesamtabschirmung aus Metallgeflecht) Folie 5

6 Übertragungsmedien Verdrillte Kupferkabel (Twisted Pair) STP Shielded Twisted Pair (einzelne Leitungspaare sind von Folienschirm umgeben) S/STP Screened Shielded Twisted Pair (wie STP, aber zusätzlich noch Gesamtabschirmung aus Metallgeflecht) Folie 6

7 Welche Parameter sind zur Beschreibung einer Übertragungsstrecke bzw. einer Leitung wichtig? Kompatibilität/ Charakterisierung der Leitungen (häufig mittels Wellenwiderstand ) Laufzeit der Signale und auftretende Verzögerungen Leistungsverlust bei der Übertragung Störanfälligkeit durch Signale von außen/ benachbarten Leitungen Maximal übertragbare Datenrate Folie 7

8 Wellenwiderstand (Impedanz) Charakteristische Größe eines Kabels, die durch Geometrie und Material des Kabelaufbaus bestimmt wird. (Ist kein Qualitätsmerkmal, sollte aber überall gleich sein!) Änderungen des Wellenwiderstands führen zu Reflexionen des Signals Um Reflexionen zu verhindern, müssen Kabel außerdem mit einem Widerstand in Größe des Wellenwiderstandes abgeschlossen werden Aufgabe: Was passiert, wenn versehentlich 2 Kabel mit verschiedenen Wellenwiderständen aneinander angeschlossen werden? Folie 8

9 Signallaufzeit Typische Signalausbreitungsgeschwindigkeit in einem Kupfer-Kabel: 0,6 c, wobei c = Lichtgeschwindigkeit (ca km/s) Parameter bei Twisted-Pair-Verkabelung Delay: maximal zulässige Laufzeit eines Signals, normiert auf 100 Meter Kabellänge. Delay Skew:maximal zulässiger Laufzeitunterschied zwischen Adernpaaren eines Kabels (typisch 10% vom Delay-Wert). Wichtig bei vielpaarigen Ü-Verfahren, wie z.b. Gigabit-Ethernet Aufgabe: Berechnen Sie die typische Round-Trip-Time (RTT) für die Kommunikation über einen geostationären Satellit (der sich etwa km über dem Äquator befindet). Folie 9

10 Logarithmische Größen (werden häufig zur Beschreibung von Leistungsverhältnissen in Übertragungsmedien verwendet) x=10 log ( X 10 ) x Größe im logarithmischen Maß X Ausgangsgröße Ein paar Rechenregeln für Logarithmen: log( x/ y) = log( x) log( y) log( xy ) = log( x) + log( y) log( x y ) = ylog( x) logz ( x) = z log z ( x ) = log log x ( x) ( z) Folie 10

11 Dämpfung (= Leistungsverlust längs einer Leitung) a = 10log10( P in / Pout) a Dämpfung (attenuation) P in Leistung des Eingangssignals P out Leistung des Ausgangssignals übliche Einheit: db/100m Folie 11

12 Nahnebensprechdämpfung - NEXT (Near End Cross Talk) P Sender P noise NEXT = 10log10( P sender / Pnoise) NEXT near end cross talk P Sender Leistung des Senders P noise Leistung des Nebensprechsignals Folie 12

13 ACR - attenuation to cross talk ratio ACR = NEXT a NEXT near end cross talk a Dämpfung Der ACR-Wert sollte bei einem Kabel möglichst groß sein. Folie 13

14 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. Ist die Bandbreite des Mediums zu klein, kommt es zu Signalverzerrungen. Folie 14

15 Kanalkapazität 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) Folie 15

16 Kanalkapazität (ohne Einbezug von Störungen) Kanalkapazität bei 2 Signalebenen bzw. Signalwerten: C = 2 B bit B Bandbreite C Kanalkapazität Kanalkapazität bei M Signalebenen (bei besonderer Kodierung) C = 2 B log 2 (M) bit B Bandbreite C Kanalkapazität Baudrate = Schrittgeschwindigkeit = Zahl der Signalparameter-Zustandswechsel Bei 2 Signalwerten ("0" = 0 Volt, "1"= 5 Volt): Bitrate = Baudrate Folie 16

17 Beispiel: Digitales Signal mit 4 Signalwerten (d.h. M = 4) C = 2 B log 2 (4) bit= 4B bit Amplitude Codefolge t Schritte Folie 17

18 Kanalkapazität (unter Einbeziehung von Störungen ) Rauschabstand: SNR = 10 log 10 (P S /P n ) SNR signal to noise ratio P S P n Leistung des Nutzsignals Leistung des Rauschsignals (noise) 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) Folie 18

19 Lichtwellenleiter (Glasfasern) Folie 19

20 Lichtwellenleiter (Glasfasern) Glasfasern bestehen aus einem Kern und einem Mantelbereich, wobei der Kern einen größeren Brechungsindex als der Mantel hat. Lichtstrahlführung im Kernbereich durch Totalreflexion an der Grenze zwischen Mantel und Kern. Mantel n 1 n 1 < n 2 α α n 2 Kern mit n 1 < n 2 und α > α grenz α grenz = arcsin(n 1 /n 2 ) Folie 20

21 Lichtwellenleiter (Glasfasern) Es gibt Multimodefasern mit mehreren Eigenwellen ( Lichtstrahlen ) und Monomodefasern mit einer einzigen Eigenwelle Bei Multimodefasern kommt es zu Aufweitungen der Lichtpulse durch die unterschiedlich langen Wege der verschiedenen Lichtstrahlen (= Modendispersion) Modendispersion schränkt die Reichweite von Multimodefasern ein Aufbau einer Multimodefaser mit Stufenprofil Brechungszahl n Typischer Kerndurchmesser: ,5 µm typischer Manteldurchmesser: 125 µm Folie 21 n 2 n 1 Radius r

22 Lichtwellenleiter (Glasfasern) Aufbau einer Multimodefaser mit Gradientenprofil Brechungszahl n Typischer Kerndurchmesser: ,5 µm typischer Manteldurchmesser: 125 µm Radius r Aufbau einer Monomodefaser mit Stufenprofil Typischer Kerndurchmesser: 2-10 µm typischer Manteldurchmesser: 125 µm Brechungszahl n Folie 22 Radius r

23 Verkabelungssysteme Folie 23

24 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 klare Strukturierung der Verkabelung Folie 24

25 Strukturierte Verkabelung Strukturierung durch Einteilung in Verkabelungsbereiche Primärbereich: Verkabelung zwischen Gebäuden Anforderungen: größere Entfernungen, hohe Bandbreite, hohe Datensicherheit, hohe Verfügbarkeit, hoher Schutz vor Störeinflüssen Sekundärbereich:Verkabelung zwischen den einzelnen Stockwerken (Verbindung zwischen Gebäudeverteiler und Etagenverteiler) Anforderungen: ähnlich wie Primärbereich Tertiärbereich:Verkabelung der einzelnen Büros eines Stockwerks (Verbindung zwischen Endgerät und Etagenverteiler) Anforderungen: mittleres Datenaufkommen, Überbrückung geringer Entfernungen, hohe Kabeldichte, mittlere Verfügbarkeit, wechselnde Nutzung Folie 25

26 Strukturierte Verkabelung Tertiärverkabelung Sekundärverkabelung Gebäudeverteiler Campusverteiler Gebäude 1 Folie 26 Primärverkabelung

27 Link-Klassen und (Kabel-)Kategorien Link-Klassen: Klassifizierungssystem, um Eigenschaften der Übertragungsstreckezu spezifizieren Kategorien Klassifizierungssystem, um Kabel u. Komponeneten zu spezifizieren Patchfeld Patchkabel Anschlusskabel permanent link (max. 90m) Folie 27 Übertragungsstrecke

28 Link-Klassen und (Kabel-)Kategorien Klasse Anwendungen Kat. Stand Class A Class B Class C Class D Class E 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 Cat3 gültig gültig gültig Cat5, Cat5e gültig Cat6, Cat6a gültig Class F Datenverbindungen bis 600 MHz Cat7 gültig Class G CATV-Anlagen (Video) MHz bei max. 50 m Kabellänge Cat8 noch nicht verabschiedet Folie 28 Quelle:

29 EN für "Anwendungsneutrale Verkabelungssysteme" Verabschiedet im Juli 1995 (EN 50173:1995) Laufende Aktualisierung in Beiblättern, z.b.: EN Beibl. 1 ( ): Verkabelungsleitfaden zur Unterstützung von 10 GBASE-T Umfassendes Normenwerk, es enthält unter anderem: Begriffe und Abkürzungen Definition der grundsätzlichen Verkabelungsstruktur (Bereiche, Verteiler, Schnittstellen) Bedingungen, unter denen eine Ende-zu-Ende-Verbindung (=Übertragungsstrecke, Channel) dem Standard entspricht ( Klassen). Zur Verbindungsstrecke gehören Verkabelungskomponenten, wie Stecker, Buchsen, Kabel, Patchfelder, Definition und Anforderungen an Verkabelungskomponenten, wie Kabel und Verbindungstechnik (Kategorien) Folie 29

30 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) Folie 30