25GBase-T über mindestens 50 Meter
High Speed Networking mit Kupfer
Unter dem Label IEEE 802.3bq erschien 2016 ein neuer Ethernet-Standard für die Anwendungen 25GBase-T und 40GBase-T, der nunmehr Übertragungsraten von 25 GBit/s beziehungsweise 40 GBit/s über eine vierpaarige symmetrische Kupferverkabelung ermöglicht. Es gibt nun Bestrebungen, die ursprünglich mindestens 30 Meter betragende Reichweite auf 50 Meter zu strecken.
Die für IEEE 802.3bq erforderlichen Übertragungsstrecken nach Klasse I (mit Kategorie-8.1-Komponenten) und Klasse II (mit Kategorie-8.2-Komponenten) gemäß ISO/IEC 11801 und EN 50173 sind mit einem Frequenzbereich von 2 GHz ausgestattet und standardmäßig auf 30 Meter begrenzt. Allerdings kommt die Anwendung 25GBase-T mit einem Frequenzbereich von lediglich 1,25 GHz aus. Deshalb verfügen die Übertragungsstrecken nach Klasse I und II, bezogen auf die Anwendung 25GBase-T, größere Leistungsreserven. Die im Vergleich zu 40GBase-T höhere Marktbedeutung von 25GBase-T im Umfeld von Rechenzentren und insbesondere im Bürobereich lässt die Frage nach einer Auflösung der derzeitigen Längenrestriktion aufkommen. Vor diesem Hintergrund hat der Hersteller Leoni eine umfangreiche und unabhängige Analyse in Auftrag gegeben, deren Ergebnisse und Schlussfolgerungen der vorliegende Artikel zusammenfasst.
Stand der Normierung
Der im Jahr 2016 publizierte Standard IEEE 802.3bq "Physical Layers and Management Parameters for 25 Gb/s and 40 Gb/s Operation, Types 25GBase-T and 40GBase-T" legt die Anforderungen an den sogenannten PHY Channel und das Link-Segment fest. Dabei definiert der PHY Channel die gesamte physische Strecke zwischen den Leiterplatten (PCB) der Transceiver. Das Link-Segment umfasst dagegen die Übertragungsstrecke (Channel) sowie den Stecker des MDIs (Medium Dependent Interface). Damit definiert die IEEE 802.3bq einerseits das Zusammenspiel der aktiven und passiven Komponenten und enthält anderseits die Vorgaben für das Design von Transceivern sowie die Mindestanforderungen für die Verkabelung.
Für 40GBase-T ist ein Frequenzbereich von 2 GHz (1,6 GHz + 25 Prozent) festgelegt. 25GBase-T benötigt jedoch lediglich 1,25 GHz (1 GHz + 25 Prozent). Die beschriebenen Randbedingungen sind für die weiteren Betrachtungen bezüglich Übertragungskapazität vs. Reichweite relevant.
Die Übertragungsstrecke (Channel) ist in der dritten Ausgabe von ISO/IEC 11801 spezifiziert. Es existieren zwei normative Lösungswege:
- Geschirmte Übertragungsstrecken gemäß Klasse I mit Komponenten der Kategorie 8.1 (6A extrapoliert bis 2,0 GHz) für Längen bis 30 Meter und
- geschirmte Übertragungsstrecken gemäß Klasse II mit Komponenten der Kategorie 8.2 (7A extrapoliert bis 2,0 GHz) für Längen bis 30 Meter.
Dabei sind folgende Verkabelungskomponenten referenziert: Für die Kabel IEC 61156-9 (Streckenkabel) und IEC 61156-10 (Anschlusskabel), Kategorie 8.1 für Klasse I und Kategorie 8.2 für Klasse II. Für die Steckverbinder: IEC 60603-7-81, Kategorie 8.1 für Klasse I und IEC 60603-7-82/IEC 61076-3-110/104, Kategorie 8.2 für Klasse II.
Das höhere Leistungsvermögen der Klasse II resultiert aus den niedrigeren Dämpfungswerten (IL) und den höheren Werten für die leistungssummierte Nahnebensprechdämpfung (PSNEXT). Die Anforderungen für die Rückflussdämpfung (RL) sind in beiden Ansätzen identisch. Dies ist übrigens auch der Fall für die Fremdnebensprechdämpfung (Alien Crosstalk), die lediglich mit geschirmten Verkabelungen erreichbar ist.
Noch anschaulicher lässt sich der Unterschied zwischen Übertragungsstrecken der Klasse I und Klasse II über das Verhältnis der leistungssummierten Nahnebensprechdämpfung zur Dämpfung (PSACR-N) ausdrücken. Dabei weist Klasse II bei 1.250 MHz noch ein positives Übertragungsfenster von etwa 14 dB auf. Klasse fällt dagegen mit etwa ?11 dB rund 25 dB schwächer aus.
Für eine ganzheitliche Betrachtung sind natürlich alle Parameter relevant, die das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beeinflussen. Das Signal-Rausch-Verhältnis setzt sich aus dem Verhältnis des Nutzsignals zur Summe aller Rauschsignale (Störsignale) zusammen. Aus diesem Verhältnis ist die Übertragungskapazität (Bit/s) zu errechnen. Das Nutzsignal ist über seine Einfügedämpfung definiert. Die Summe aller Störsignale lassen sich über die Rückflussdämpfung sowie die interne und externe Nebensprechdämpfung bestimmen.
Bei der Simulation des Signal-Rausch-Verhältnisses für Übertragungsstrecken mit Kategorie-8.1- und Kategorie-8.2-Komponenten und einer Länge von 50 Metern sind die jeweilige Einfügedämpfung, Rückflussdämpfung und Nebensprechdämpfung (Tabelle 1) nach den Formelwerken von ISO/IEC 11801 und EN 50173 zu berechnen. Zusätzlich kommt ein Korrekturfaktor hinzu, der sich aus der in den Ethernet-Signal-Prozessoren implementierten Störunterdrückung (Cancelation) ergibt. Gemäß dem Stand der Technik kann damit eine Verbesserung der Rückflussdämpfung um 55 dB, der summierten Nahnebensprechdämpfung um 40 dB und der summierten Fernebensprechdämpfung um 25 dB angenommen werden. Das nicht vorhersehbare Fremdnebensprechen (Alien Crosstalk) lässt sich nicht zusätzlich unterdrücken oder kompensieren. Um dann eine ausreichende Reduktion zu erhalten, sind geschirmte Verkabelungsstrecken mit einer Kopplungsdämpfung von 65 dB bei 100 MHz und 45 dB bei 1.000 MHz unabdingbar.
Aus den ermittelten Dämpfungswerten (Rückflussdämpfung und Nebensprechdämpfung) der Übertragungsstrecke und der zusätzlichen Unterdrückung oder Bedämpfung mittels elektronischer Kompensation resultiert dann die gesamte Stör- oder Rauschunterdrückung (PSNoise).
In den Bildern auf Seite 53 unten sind das Nutzsignal (Einfügedämpfung) sowie die einzelnen Störsignale (Rückflussdämpfung, Nebensprechen und Fremdnebensprechen) sowie deren Summenbildung (PSNoise) abgebildet. Aus dem Verhätnis beziehungsweise aus der Differenz ergibt sich das gewünschte Ergebnis für die Simulation des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR). Dieses beträgt bei Verkabelungsstrecken unter Verwendung von Kategorie-8.1-Komponenten 10 dB bei 1.250 MHz und unter Verwendung von Kategorie-8.2-Komponenten 20 dB bei 1.250 MHz.
Aus den definierten Signal-Rausch-Verhältnissen lässt sich nunmehr die entsprechende theoretische Kanalkapazität (nach Shannon/Nyquist) für Übertragungsstrecken von 50 Metern unter Verwendung von Kategorie-8.1- und Kategorie-8.2-Komponenten berechnen:
Cmax = B · ld(1+S/R) in Bit/s
mit
B: Bandbreite in Hertz,
ld: Logarithmus Dualis,
S: Signalleistung und
R: Rauschleistung.
Dabei muss die theoretische Kanalkapazität nach Shannon/Nyquist signifikant größer als die Zieldatenrate der Applikation, hier 25GBase-T, sein. Dies wiederum lässt sich in der Marge für die Kanalkapazität ausdrücken, die im Zusammenhang mit der Bitfehlerrate steht.
Es zeigt sich, dass Übertragungsstrecken mit einer Länge von 50 Metern unter Verwendung von Kategorie-8.1-Komponenten eine Marge von etwa 15 dB aufweisen und bei Verwendung von Kategorie-8.2-Komponenten sogar etwa 20 dB erreichen. Diese Margen sind ausreichend groß, um 25GBase-T über 50 Meter zu realisieren.
Abschließend lohnt es sich, einige Messungen an Übertragungsstrecken von 50 Metern mit Kategorie-8.2-Komponenten zu betrachten. Die Übertragungsstrecke setzt sich zusammen aus: 46 Meter Horizontalkabel gemäß Kategorie 8.2, zwei Steckverbindern der Kategorie 8.2 und zwei Mal zwei Meter Patch-Kabel gemäß Kategorie 8.2.
Messungen bestätigen Theorie
Die Messungen wurden an einem WireXpert von Softing durchgeführt. Bezüglich der längenabhängigen Anforderungen Dämpfung und Laufzeit verwendeten die Techniker von 30 Meter auf 50 Meter extrapolierte Werte und stellten diese als "50m-Spezifikation" ein. Alle Konfigurationen MC100 4K7A und MC 100 8C7A zeigen ein Pass mit ausreichenden Reserven.
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