Modul 2: Übertragungsmedien und Verkabelungssysteme

Transkript

1 Modul 2: Übertragungsmedien und Verkabelungssysteme Folie 1

2 Bilder von typischen Medien S/STP PiMF Koaxialkabel UTP PiMF = Paar in Metallfolie 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 bzw. im Äther 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, 7 (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 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 Reflektionen des Signals Um Reflexionen zu verhindern, müssen Kabel mit einem Widerstand in Größe des Wellenwiderstandes abgeschlossen werden. Aufgabe: Was passiert, wenn versehentlich 2 Kabel mit verschiedenen Wellenwiderständen aneinander angeschlossen werden? Folie 7

8 Logarithmische Größen (werden häufig zur Beschreibung von Übertragungsmedien verwendet) x = 10 log10 ( X ) 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 ) = y log( x) log z ( x) z = log z ( x ) = log log x ( x) ( z) Folie 8

9 Dämpfung a = 10 log10( P in / Pout ) a P in P out Dämpfung (attenuation) Leistung des Eingangssignals Leistung des Ausgangssignals übliche Einheit: db/100m Folie 9

10 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 geostationärer Satellit (der sich etwa km über dem Äquator befindet). M. Leischner/ K. Uhde Netze SS 2010 Folie 10

11 Nahnebensprechdämpfung - NEXT (Near End Cross Talk) P Sender P noise NEXT = 10log10 ( P sender / Pnoise ) NEXT near end cross talk P Sender P noise Leistung des Senders Leistung des Nebensprechsignals M. Leischner/ K. Uhde Netze SS 2010 Folie 11

12 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 12

13 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 13

14 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 14

15 Kanalkapazität (ohne Einbezug von Störungen) Kanalkapazität bei 2 Signalebenen bzw. Signalwerten: C = 2 B bit B C Bandbreite Kanalkapazität Kanalkapazität bei M Signalebenen C = 2 B log 2 (M) bit B C Bandbreite Kanalkapazität Baudrate = Schrittgeschwindigkeit = Zahl der Signalparameter-Zustandswechsel Bei 2 Signalwerten ("0" = 0 Volt, "1"= 5 Volt): Bitrate = Baudrate Folie 15

16 Beispiel: Digitales Signal mit 4 Signalwerten Amplitude Codefolge t Schritte Folie 16

17 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) M. Leischner Netze SS 2010 Folie 17

18 Lichtwellenleiter (Glasfasern) Folie 18

19 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 19

20 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 20 n 2 n 1 Radius r

21 Lichtwellenleiter (Glasfasern) Aufbau einer Multimodefaser mit Gradientenprofil Typischer Kerndurchmesser: ,5 µm typischer Manteldurchmesser: 125 µm Brechungszahl n Radius r Aufbau einer Monomodefaser mit Stufenprofil Typischer Kerndurchmesser: 2-10 µm typischer Manteldurchmesser: 125 µm Brechungszahl n Folie 21 Radius r

22 Verkabelungssysteme Folie 22

23 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 M. Leischner Netze SS 2010 Folie 23

24 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) M. Leischner Netze SS 2010 Folie 24

25 Strukturierte Verkabelung Tertiärverkabelung Sekundärverkabelung Gebäudeverteiler Campusverteiler M. Leischner Netze SS 2010 Folie 25 Primärverkabelung

26 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 26

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

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 Class F Datenverbindungen bis 600 MHz Cat7 Class G CATV-Anlagen (Video) bis 1200 MHz bei max. 50 m Kabellänge Cat5, Cat5e Cat6, Cat6a Cat8 gültig gültig gültig gültig gültig gültig, Probleme in Anwendung noch in Standardisierung Folie 28 Quelle:

29 Dämpfungsmaximalwerte der Linkklassen Frequenz (MHz) Dämpfungswert für Linkklasse B C D E F 0,1 5, ,0 3,7 2,5 2,5 2,3 4-6,6 4,8 4,0 4, ,0 9,4 8,1 7, ,7 20, ,8 30, ,6 Folie 29

30 Mindest Nahnebensprechdämpfung (NEXT) der Linkklassen Frequenz (MHz) Mindest NEXT der Linkklassen B C D E F 0, ,0 65, ,5 63,0 65, ,6 53,2 65, ,1 39,9 62, ,8 58, ,6 Folie 30

31 Mindestwerte für das ACR der Linkklassen Frequenz (MHz) Mindestwerte für das ACR der Linkklassen B C D E F 0, Aufgabe: Füllen Sie die Tabelle mit ACR-Werten! Folie 31

32 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 32