Kommunikationstechnologien der nächsten Generation High Speed Übertragung über Kupfer? Was kommt nach 10 GBit/s?

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1 Während der letzten drei Jahrzehnte hat die Kommunikationstechnik dramatische Entwicklungen erlebt. Ein Aspekt ist die Nachfrage nach Bandbreite, die ein exponentielles Wachstum der Übertragungsgeschwindigkeiten von 1, 10, 100 Mb/s zu 1 und 10 Gbit/s bis heute zu 40 und 100 Gbit/s zur Folge hatte. Ein weiterer Aspekt ist die Verbreitung des Internet Protokolls (IP), das zur Konvergenz der Medien geführt hat. Heute können die meisten Anwendungen das Internet Protokoll und das Ethernet Protokoll für den Informationsaustausch nutzen. Ein weiteres Phänomen, das großen Einfluss hat, ist das enorme Wachstum bei der drahtlosen Kommunikation; diese ist heute das am häufigsten genutzte Übertragungsmedium für die persönliche Kommunikation geworden. Interessanterweise ist die Wachstumsgeschichte der Kommunikationstechnik nicht nur auf Geschwindigkeiten beschränkt - es geht auch um Barrierefreiheit. Das brechen bisheriger technologischer Grenzen in Bezug auf die Geschwindigkeit ist ein Ziel. Aber auf der anderen Seite gibt es Neuerungen bei den Applikationen, die zur Verfügung stehenden Technologien effizienter zu nutzen. Es gibt mehrere Beispiele, dies zu veranschaulichen: Wegweisende Technologien wie HSPA+, WiMAX und LTE, welche die Datenraten auf mobile Geräte auf mehrere zehn Mb/s erhöhen und auf der anderen Seite eine starke Verbreitung von Anwendungen, welche die niedrige Geschwindigkeiten der drahtlosen Kommunikation effizienter nutzen, wie z.b. SMS. Glasfaser Kommunikations-Links ermöglichen Verbindungen mit extrem hoher Geschwindigkeit über große Distanzen. Gleichzeitig gibt es ein enormes Wachstum beim Einsatz von günstigeren Glasfasern für den Zugang bei Endnutzer-Anwendungen wie FTTH. Psiber Data GmbH 2012 Seite 1

2 Die Geschichte der Kupferverkabelung ist eine ähnliche. Auf der einen Seite geht die Industrie in Richtung 40 Gb/s über strukturierte Kupfer-Verkabelungen. Auf der anderen Seite, erweisen sich die Kupfer-Verkabelungen als kostengünstiges und einheitliches Medium für Anwendungen wie die Sicherheitstechnik und die Stromversorgung von Endgeräten (PoE). Strukturierte Kupfer-Verkabelungen und 40Gb/s Es gibt viele Skeptiker die glauben, dass die strukturierten Kupfer-Verkabelungen ihre Relevanz nach 10GBASE-T verlieren werden. Sie haben gute Gründe dies zu glauben, da die Kupfer-Verkabelungen von drahtloser Kommunikation und Glasfaser- Verkabelungen herausgefordert werden. Für Anwendungen, die nicht sehr bandbreitenintensiv sind, ist der primäre Zugangs-Mechanismus zunehmend drahtlos. Für Verbindungen mit hoher Bandbreite, vor allem in Rechenzentren, sind zunehmend Glasfaser-Verkabelungen vertretbar. Trotz dieser Faktoren bleibt die Tatsache, dass der Markt für die strukturierten Kupfer-Verkabelungen eine zweistellige Wachstumsrate im Psiber Data GmbH 2012 Seite 2

3 Jahr 2012 erwartet. Dieses Wachstum wird für mindestens fünf Jahren prognostiziert, getrieben von Anwendungen wie VoIP, IP-Video und PoE, und die Nachfrage aus wachsenden Volkswirtschaften wie China und Indien. Die Frage ist, was passiert nach fünf Jahren. Jüngste Entwicklungen deuten darauf hin, dass strukturierte Kupfer- Verkabelungen weiter relevant bleiben werden. In der Tat werden Kupfer-Verkabelungen die dominante Verkabelungs-Methode für Rechenzentren sein. Die Hauptgründe: Kupfer- Verkabelungen sind immer noch kostengünstiger und benötigt weniger qualifizierte Arbeitskräfte zur Installation, als im Vergleich dazu bei Glasfaser Installationen notwendig sind. Rechenzentrums-Manager suchen nach Möglichkeiten die Kosten der Infrastruktur zu senken und wollen die Flexibilität bei Umzügen, Erweiterungen und Änderungen, die mit den Kupfer-Verkabelungen möglich sind. Außerdem sind in Rechenzentren die Verbindungen größtenteils nur relativ kurz, innerhalb der Fähigkeiten der Twisted Pair- Verkabelung für 40 Gb/s Bandbreite. Netzwerkausrüstungs-Unternehmen ziehen 40G Kupfer (was wohl 40GBASE-T genannt werden wird) als kostengünstige Migration zu 40 Gb/s in Erwägung, und das auch mit der Möglichkeit der Abwärtskompatibilität. Netzwerk- Halbleiter-Hersteller schauen auf 40GBASE-T, als neue Wachstumschance. Kupferkabel- Anbieter haben eindeutig ein starkes Interesse an der Relevanz und dem Wachstum von Kupfer-Verkabelungen. Bauherren mit großer installierter Basis von Kupfer- Verkabelungen legen auch großen Wert auf einen relativ nahtlosen Übergang zu 40G über Kupfer. Angesichts all dieser Triebkräfte des Marktes, erscheint die baldige Fertigstellung eines 40GBASE-T Standards als sehr wohl denkbar. Die Skeptiker haben einen weiteren Grund, pessimistisch zu sein. Die Marktforschung in der Industrie hatte in den Jahren 2005 / 2006 eine rasche Verbreitung von 10GBASE-T- Ethernet über CAT6/6 A und Klasse E/E A /F Verkabelungen prognostiziert. Die tatsächliche Verbreitung war deutlich langsamer als vorhergesagt. Die jüngsten Daten deuten darauf hin, dass die Verbreitung von 10GBASE-T, als Prozentsatz der gesamten Kupfer- Verkabelungen immer noch eine einstellige Zahl ist. Ein möglicher Grund ist die Psiber Data GmbH 2012 Seite 3

4 wirtschaftliche Lage in den vergangenen Jahren. Ein weiterer Grund ist technischer Natur und bezieht sich auf die Halbleiter der physikalischen Schicht (PHY = Physikalische Anbindung). Die Verlustleistung der PHY Geräte stellt ein großes Problem dar, weil sie ein ausgeklügeltes Wärmemanagement, das bei 1 Gb/s und früheren Generationen von Ethernet nicht nötig war, notwendig machen. Ethernet-Empfänger produzieren eine beträchtliche Menge an abzuführender Wärme, was in erster Linie auf eine ausgefeilte Signalverarbeitung, zur Prognose und dynamischen Behebung von HF-Störungen notwendig ist. Die Effekte der internen Kabel Parameter wie NEXT und Rückflussdämpfung können dynamisch mittels DSP-Techniken korrigiert werden. Auf der anderen Seite, sind externe Störeinflüsse wie Fremd- Übersprechen (Alien Crosstalk)und Rauschen aus Quellen wie Mobilgeräte oder elektronischen Schalttransienten nicht vorhersehbar. Es gab Ideen, wie man die Herausforderungen, in Bezug auf die Komplexität der Signalverarbeitung in den Ethernet- Empfängern, überwinden könne. Eine Möglichkeit ist, die höhere HF-Leistungsfähigkeit der Klasse F A Verkabelungen zu nutzen. Da diese Kabel weniger zur Signalverschlechterung beitragen, wird erwartet, dass die Signalqualität die am Empfänger ankommt, besser ist und damit weniger Aufwand zur Korrektur der Signale erforderlich ist (Signal Processing). Eine zweite Möglichkeit ist es, ein breiteres Frequenzband nutzen. 10GBASE-T-Systeme, wie von IEEE802.3an definiert, verwenden eine 16 stufige PAM-Kodierung mit einer Bandbreite von 420 MHz. Für 40G, könnten die Kodier Schemata dichter werden, wenn eine ähnliche Bandbreite verwendet wird. Dichtere Kodierung bedeutet aber im Wesentlichen, dass die Empfänger zwischen kleineren Signalen und Phasen unterscheiden können müssen. Diese Aufgabe wird zunehmend schwieriger da die HF-Störungen zunehmen. Statt der Definition von sehr hohen Modulationsdichten über ein schmaleres Frequenzband, ist eine Alternative, die Signale über ein breiteres Frequenzband zu senden. Da die Informationen des Signals nun über ein viel breiteres Frequenzspektrum verteilt werden, kann die Modulationsdichte auf ein beherrschbares Maß beschränkt werden. Eine Studie hat 1,6 GHz Bandbreite empfohlen, um Standard CAT 6 A Kabel zur Übertragung von 40 Gb/s Datenrate zu ver- Psiber Data GmbH 2012 Seite 4

5 wenden. Eine zusätzliche Option ist es natürlich, den Betrieb über kürzere Strecken zu definieren. Die Dämpfung in Kupferkabel steigt mit der Frequenz und so kann man bei kürzeren Längen, viel höheren Frequenzen mit besser erkennbaren Signalpegeln übertragen. Aktivitäten in der Standardisierung Viele Normungsgremien arbeiten aktiv an Übertragungsverfahren auf Kupferverkabelungen, höher als 10Gb/s. TIA hat ein neues Projekt gestartet, um die nächsten Generationen von Übertragungssystemen zu definieren. Im Rahmen des TIA Projektes wurden vier Arbeitsgruppen gebildet, um verschiedene Aspekte zu untersuchen. Die Erste ist die Capacity Task Group, deren Ziel es ist, technischen Parameter, wie das Gesamt-Rausch-Modell (NEXT, FEXT, Reflexion, externes Rauschen), und die Fähigkeit der PHY-Geräte, das Rauschen zu unterdrücken, den Stromverbrauch und die Anforderungen an die Bandbreite, zu bestimmen. Die Zweite, die Application Space Task Group versucht zu bestimmen, welche Anwendungen bedient werden z. B. 40G Ethernet, welche Topologie z.b. Rechenzentrums-Links, mit welchen Einschränkungen z.b. begrenzte Länge und begrenzte Anzahl von Anschlüssen. Die beiden anderen Arbeitsgruppen, Cable Task Group und Connector Task Group, übersetzen die Kapazitäts-und Anwendungs-Anforderungen in Kabel- und Steckverbinder- Anforderungen. Ähnliche Arbeiten wurden auch in der ISO begonnen. Die IEEE Psiber Data GmbH 2012 Seite 5

6 wird in letzter Instanz die 40GBASE-T-Spezifikationen definieren, und der Fortschritt dort, wird von Geräte- und Kabel-Herstellern vorangetrieben. Feldtester für 40Gb/s Kupfer-Verkabelungen Während Verkabelungs-und Halbleiter-Technologien die Durchführbarkeit von 40 Gb/s Ethernet über Kupferverkabelungen gewährleisten, bedarf die Verbreitung am Markt weiterer Überlegungen. Eines der Schlüsselelemente ist die Verfügbarkeit von Feldtestern zur Zertifizierung installierter Kupferverkabelungen auf ihre Eignung für 40GbE. Anders als in Laboren eingesetzte vektoriell arbeitende Netzwerkanalysatoren werden Feldtester durch mehrere Einschränkungen begrenzt. Sie müssen klein und handlich sein, geringes Gewicht haben und kostengünstig sein. Sie müssen auch durch Batterien betrieben lange Laufzeiten haben, um den Installations-Techniker die Mühe des Aufladens der Kabeltester in der Mitte ihres Tagwerks zu vermeiden. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass die Leistungsaufnahme der Messhardware minimiert werden muss. Wegen all dieser Faktoren konnten Feldtester bis vor kurzem nur 1GHz oder weniger unterstützen. Durch neueste Innovationen im Bereich der Halbleiter und durch die rasante Vermehrung der verbraucherorientierten mobilen HF-Geräte (hauptsächlich Mobiltelefone), konnte jetzt ein Feldtester entwickelt werden, der höchstgenaue Messungen liefert, über einen weiten Frequenzbereich von 1 MHz bis 1600 MHz (1,6 GHz) verfügt und im Handel erhältlich ist. Er repräsentiert nicht nur eine signifikante Erhöhung der erzielbaren, maximalen Testfrequenzen, sondern verfügt auch über eine bessere Leistung als die derzeit am Markt verfügbaren Psiber Data GmbH 2012 Seite 6

7 Messgeräte. Die Parameter für Feldtester sind in den IEC und TIA Standards definiert. Abbildung 2 zeigt die Leistungsfähigkeit dieses Testers in Bezug auf einen solchen Parameter, die Richtwirkung, ein Parameter, der bestimmt wie genau ein Tester Rückflussdämpfung messen kann. Bei der Diskussion über Standards, die die Feldtester Leistungsfähigkeit definieren, ist anzumerken, dass die höchste Genauigkeit, die bis heute definiert worden ist, die sogenannte Level IV Spezifikation, nur Bandbreiten bis 600 MHz abdeckt. Es wird in den kommenden Monaten und Jahren für die Normungsgremien wichtig sein, die Feldtester Genauigkeits-Spezifikationen für höhere Frequenzbereiche zu erarbeiten. Zusammenfassung Trotz des Wachstums bei drahtloser Kommunikation und Glasfaser-Netzwerken, wird die Kupferverkabelung in absehbarer Zeit immer noch das dominierende Medium für Unternehmensnetzwerke sein. Bei der Planung von Netzwerken für den Einsatz in den nächsten 10 bis 15 Jahren, muss man die Tatsache berücksichtigen, dass es eine hohe Wahrscheinlichkeit gibt, dass 40GBASE-T Systeme definiert werden und die gängige Praxis in den nächsten 5-10 Jahren sein wird. Es gibt technische Herausforderungen bei der Unterstützung derart hoher Datenraten, eine der größten Herausforderungen ist die Komplexität der physikalischen Geräte. Es gibt Studien und Testdaten, die darauf hinweisen, dass die heute verfügbaren Verkabelungen für 40GBASE-T funktionieren könnten. Dies wäre möglich durch die Nutzung von erweiterten Bandbreiten über Psiber Data GmbH 2012 Seite 7

8 existierende Verkabelungen. Um ein komplettes System zur Annahme von Technologien wie 40GBASE-T zu schaffen, wird die Industrie Verkabelungssysteme, Netzwerkgeräte, Standardisierung und auch Feldtester, die für diese technologischen Anforderungen geeignet sind, bereitstellen müssen. Das testen im Feld über größere Bandbreiten war in der Vergangenheit aufgrund mehrerer Faktoren eingeschränkt, aber jetzt ist mindestens ein kommerziell erhältlicher Feldtester verfügbar, der in der Lage ist Verkabelungs- Bandbreiten von bis zu 1600 MHz im Feld testen zu können, was für künftige 40GBASE-T Systeme notwendig sein wird. Autoren: Autor: Co-Autor: Thomas Hüsch, Leiter Technik, Psiber Data GmbH, Deutschland Harshang Pandya, Managing Director, Psiber Data Pte Ltd. Singapur Psiber Data GmbH 2012 Seite 8

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