Zusammenwachsende Netzwerke

Konvergenz auf die smarte Art

30. Januar 2015, 7:00 Uhr | Valerie Maguire, Director of Standards and Technology bei Siemon, www.siemon.com./jos

Intelligente Gebäude sind heute mit einem konvergenten Netzwerk ausgestattet, das es ermöglicht, mehrere Anwendungen über IP Ethernet zu betreiben. Dies deckt alle Dienste der Gebäudeautomation mit Niederspannung plus Sprache, Daten und die Uplink-Verbindung der Access Points ab. Wie aber lässt sich sichern, dass sich ein solches Netz tatsächlich für die Vielzahl gegenwärtiger und zukünftiger Anwendungen eignet?Die Basis für das intelligente Gebäude von heute und das noch intelligentere Gebäude von morgen ist ein konvergentes, strukturiertes Verkabelungsnetz. Konvergenz bringt viele Vorteile: Es vereinfacht den Betrieb einer breiten Palette intelligenter Dienste eines Gebäudeautomationssystems über die strukturierte Verkabelung. Dienste wie Audio/Video, Energie-Management, Beleuchtung, Sicherheit, Digitale Signage, Brandschutz- und Sicherheitssysteme, Heizung, Lüftung und Klimatisierung lassen sich allesamt über dieselbe Infrastruktur betreiben und steuern, die auch Sprache, Daten und die Uplink-Verbindung der WLAN-Access Points (APs) absichert. Mit einem strukturierten Verkabelungsnetz reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Kabeltypen und Kabelführungen maßgeblich. Durch Mehrfachnutzung des Kabels (Cablesharing), bei der sich mehrere Anwendungen mit niedriger Datenrate die Bandbreite eines Klasse-FA-Übertragungskanals teilen, lässt sich die Kabelmenge sogar noch weiter reduzieren. Mit Power over Ethernet (PoE Typ 1) mit 15 W und PoE+ (Typ 2) mit 30 W kann ein einziges konvergentes Netzwerk auch die Niederspannungsstromversorgung über das Netzwerkkabel absichern, sodass keine Steckdosen in unmittelbarer Nähe der Geräte für die Gebäudeautomation vorhanden sein müssen. Ganz erheblich sind auch die durch Konvergenz realisierbaren Einsparungen. Die Investitionskosten sinken, da die Kabelmenge geringer ist und alles in der Hand eines Vertragspartners liegt anstatt in der mehrerer einzelner Auftragnehmer. Komplexität und Verwaltungsaufwand reduzieren sich. Arbeits- und Kostenaufwand der Installation verringern sich ebenso, da die Verlegung in verschiedenen Kabelführungen wegfällt. Auch die Niederspannungsanwendungen sind nun Teil der verwalteten Netzwerkinfrastruktur, deren Verkabelung sonst für gewöhnlich nach der Verlegung nicht mehr gewartet wurde. Mit einem konvergenten Netzwerk lassen sich von Anfang an Zeit und Geld sparen. Zugleich steigt der Gebäudesachwert. Die CABA (Continental Automated Buildings Association) schätzt ein, dass intelligente Systeme den Sachwert des Gebäudes um das Zwei- bis Dreifache der Erstinvestition steigern können und der Return on Investment (ROI) drei bis vier Mal schneller erfolgt als bei herkömmlichen Gebäuden. Die Zusammenfassung in einem einzigen IP-Ethernet-Netzwerk verbessert zudem die Kommunikation, da die Anwendungen nicht länger auf getrennten Plattformen und über verschiedene Protokolle laufen. Die proprietären, zumeist komplexen Softwareplattformen für die Steuerung der Vielzahl separater Gebäudenetzwerke sind nicht länger nötig. Stattdessen verbindet, steuert und visualisiert eine intelligente Gebäudeplattform die verschiedenen Dienste und bietet ein wesentlich effektiveres Management. Dabei kann der Betreiber die Dienste nicht nur bequem verwalten, sondern auch viel leichter überwachen. Bei den Ausgaben für ein Gebäude stehen die Energiekosten mit an erster Stelle und sind zudem am schwersten abzuschätzen. Konvergenz macht es möglich, den Energieverbrauch sorgfältig zu überwachen und zu regeln, was Einsparungen von 20 Prozent und mehr beim Opex-Wert bedeutet und zugleich für ökologische Nachhaltigkeit sorgt. Mit einer flexiblen Netzwerkinfrastruktur und einem Netzwerklieferanten und Service-Partner statt mehrerer vereinfachen sich Wartung sowie spätere Aufrüstungen, und die Kosten sinken noch weiter. Langfristig gesehen überzeugt Konvergenz umso mehr, da die Einsparungen beim Capex-Wert von den Einsparungen beim Opex und den Vorteilen der Nachhaltigkeit alsbald überflügelt werden. Mit reduziertem Materialaufwand und Abfall und einer verbesserten, energieeffizienteren Systemsteuerung macht Konvergenz sogar das "grüne" Gebäude noch umweltfreundlicher.   Eine intelligentere Infrastruktur planen Während einerseits Nachhaltigkeit, Effizienz und Steuerung wichtige Faktoren sind, ist andererseits auch die technische Leistungsfähigkeit entscheidend, damit das konvergente Netzwerk nicht nur jetzt, sondern auf lange Zeit die Anforderungen der Gebäudenutzer an die Datenübertragung problemlos abdeckt. Dies erfordert ein hohes Maß an Flexibilität. Eine Bereichsverteilungsverkabelung (Zonenverkabelung) ist die günstigste Topologie für konvergente Netzwerke, denn sie bietet Flexibilität und Redundanz zugleich. Bei diesem Verkabelungsdesign befinden sich lokale Verteilerpunkte überall im Gebäude und gewährleisten die Verbindungen zu Telekommunikations-Anschlussdosen (TA), Service-Dosen (SD) oder Geräteanschlüssen (GA) und Geräten der Gebäudeautomation. Diese Topologie erleichtert Neukonfigurationen, Verwaltung und Kabel-Management, ermöglicht eine Überlappung der Versorgungsbereiche (Funkabdeckungsbereiche) und die Bereitstellung von Reserve-Ports für Verbindungen zu neuen Geräten oder TK-Anschlussdosen. Bei einer Bereichsverteilungsverkabelung können die Versorgungsbereiche eine kreisförmige Anordnung in Form einer Wabenstruktur oder eine quadratische Anordnung als Gitterstruktur aufweisen. Im jeweiligen Versorgungsbereich ist ein LVP-Gehäuse (lokaler Verteilungspunkt) zentral positioniert und versorgt eine breite Palette an Gebäudeautomations-, WLAN-Zugangsgeräten und TK-Geräten. Der Radius eines Versorgungsbereichs kann drei bis 30 Meter betragen, wobei für die meisten konvergenten Verkabelungsnetze zwölf Meter als Optimum gelten. LVP-Gehäuse lassen sich bequem in Doppelböden, Doppeldecken und Möbeln unterbringen oder an der Wand montieren, um leicht zugänglich zu sein. Das Bild auf Seite 43 zeigt das Beispiel eines Layouts mit kreisförmigen Versorgungsbereichen in Wabenstruktur, wie Experten es für große, offene Bereiche empfehlen. Eine solche Bereichsverteilungsverkabelung ist schnell verlegt. Die Verwendung von werkskonfektionierten Trunk-Kabeln beschleunigt und vereinfacht das Ganze noch. Diese beanspruchen weniger Platz in den Kabelführungssystemen und MACs machen weniger Aufwand. Daraus folgen geringere Kosten, schnellere Aufrüstung und weniger Unterbrechungen. Sollten sich die Anforderungen eines Tages ändern, kann der Betreiber den gesamten Gebäudebereich schnell von Grund auf neu strukturieren. Die Bereichsverteilungsverkabelung bietet auf diese Weise nicht nur ein hohes Maß an Flexibilität und ermöglicht eine schnelle Neukonfiguration der Versorgungsbereiche, sondern auch genügend zusätzliche Kapazität für die nächste Technikgeneration. Mehr Informationen zu den unterschiedlichen Ansätzen der Bereichsverteilungsverkabelung (Zonenverkabelung) einschließlich zur Konfiguration der Versorgungsbereiche in Waben- und Gitterstruktur finden sich in der EN 50173-6 (Verteilte Gebäudedienste), ANSI/TIA-862-A (Building Automation Systems Cabling Standard) und TIA TSB-162-A (Telecommunications Guidelines for Wireless Access Points). Zu beachten ist, dass die Terminologie in den EN- und TIA-Normen voneinander abweicht: TIA-862-A spezifiziert die Verwendung von Equipment Outlets (EO) und Horizontal Connection Points (HCPs). EN 50173-6 spezifiziert Geräteanschlüsse (GA) und Lokale Verteilpunkte (LVP). Das Bild links zeigt das Beispiel einer Topologie mit Bereichsverteilungsverkabelung und Patch-Feld im LVP-Gehäuse (Zonengehäuse) am LVP und einem GA für jedes Gerät der Gebäudeautomation oder AP.   Die "Killer"-Applikation kommt Konvergente Netze sind in der Lage, eine Vielzahl von Anwendungen zu unterstützen. Doch nun etabliert sich eine Killerapplikation auf dem Markt, die auch an die Verkabelung besonders hohe Anforderungen stellt: Der WLAN-Standard IEEE 802.11ac "Very High Throughput" (bekannt als 5 GHz WLAN, Gigabit WLAN und 5G WLAN). Mit heute bereits verfügbaren Datenraten von 1,3 GBit/s und einer zukünftig möglichen Bruttodatenrate von 6,93 GBit/s können Endnutzer davon ausgehen, dass sich ihre bisherige WLAN-Geschwindigkeit mit dem Umsatteln auf die derzeit erhältlichen 802.11ac-Geräte mindestens verdoppeln wird - und mehr als vervierfachen, wenn die Produkte der nächsten Generation, der so genannten zweiten Produktwelle, auf den Markt kommen. Der Trend hin zum "Bring Your Own Device" (BYOD), die steigenden Erwartungen an hohe Bandbreiten für Video-Streams und Multimedia und die fallenden Preise für Mobilfunkgeräte machen das WLAN zum bevorzugten Zugangsmedium. Angesichts dieser Entwicklung kommen auch Netzwerkplaner nicht umhin, sich den wachsenden Herausforderungen durch WLAN-Technik zu stellen. Schnellere WLAN-Geräte werden eine wichtige Rolle bei der Minimierung von Engpässen und Übertragungsproblemen sowie der Erhöhung der Kapazität und Reduzierung von Latenz spielen. Dies funktioniert jedoch nur, wenn auch die Verkabelung und die Geräteverbindungen in der Lage sind, die zusätzlich benötigte Bandbreite zu liefern. Die gute Nachricht ist, dass sich die Topologie der Bereichsverteilungsverkabelung, die für konvergente Anwendungen empfohlen wird, auch hervorragend mit den Empfehlungen für AP-Versorgungsbereiche deckt. Daneben ist allerdings genauso die Wahl der geeigneten strukturierten Verkabelung von größter Bedeutung. Die heutigen 802.11ac-konformen Geräte mit drei Spatial Streams erfordern zwei physische 1000Base-T-Verbindungen, um 1,3 GBit/s zu übertragen (also eine Link-Aggregation). Experten empfehlen zwei Links der Kategorie 6A/Klasse EA oder höher an jedem WLAN-Uplink-Verbindungspunkt, um mögliche Weiterentwicklungen in der AP-Technik wie 3-Stream WLAN mit 2,6 GBit/s und 160 MHz sowie andere vom Standard 802.11ac anerkannte Implementierungen zu unterstützen. Darüber hinaus sind 802.11ac konforme APs entweder über einen Gleichstromadapter oder eine 30-Watt-PoE+-Fernspeisung zu versorgen. Für die AP-Anbindung gemäß 802.11ac ist aufgrund der besseren Wärmeableitung eine (hochwertige) geschirmte Verkabelung empfehlenswert. Um WLAN-Übertragungen nach 802.11ac einschränkungslos zu gewährleisten, ist auch die Übertragungsgeschwindigkeit der Switch-, Server- und Geräteverbindungen in die Planung einer konvergenten Verkabelungsinfrastruktur einzubeziehen. Dies gilt auch für Strategien für Redundanz, Geräte-Upgrades und zukünftige WLAN-Technik. Übertragungen gemäß 802.11ac im 5-GHz-Frequenzband erfordern eine relativ dichte Verteilung der Funkzellen. Bei Neuinstallationen muss daher der Planer der Verkabelungsinfrastruktur im Uplink besonderes Augenmerk schenken. Eine gitterbasierende geschirmte Klasse-EA-Bereichsverteilungsverkabelung mit Sammelpunkten in LVP-Gehäusen ist eine geeignete Variante, um eine ausreichend hohe Dichte von Reserve-Ports für die 1000Base-T-Link-Aggregation zu jedem 802.11ac-AP abzusichern und gleichzeitig eine effizientere Port-Nutzung zu gewährleisten, wenn später 10GBase-T-WLAN-Geräteanbindungen verfügbar sind.   Strom aus dem Netzwerkkabel Fernspeisung ist ein vorteilhafter Aspekt für ein konvergentes Netzwerk. Dabei nutzen PoE, PoH (Power over HDBASet) und andere Anwendungen die symmetrische Twisted-Pair-IT-Kupfer-Verkabelungsinfrastruktur für die Gleichstromversorgung IP-fähiger Geräte und die Ethernet Datenübertragung. Allerdings bedenken Planer oft nicht hinreichend, dass die zusätzliche Stromversorgung eine Erwärmung im Kabelbündel bewirken kann, was vermehrt zu Bitfehlern führt, da sich die Einfügedämpfung proportional zur Temperatur erhöht. Wird die Steckverbindung dann unter Stromlast getrennt, entstehen Abrissfunken. Für das WLAN gemäß 802.11ac ist PoE+ erforderlich. Bei einem anliegenden Strom von 600 mA pro Adernpaar kann die Erwärmung im Kabelbündel 10 ºC betragen. Unter extremen Bedingungen können Kabel und Steckverbinder durch Erwärmung und Funkenbildung irreversiblen Schaden nehmen. Die Geräteanschlüsse, Patch-Felder und andere im Übertragungskanal verwendeten Anschlusskomponenten sollten daher unbedingt zu IEC 60512-99-001 konform sein, um abzusichern, dass die so entscheidenden Kontaktflächen beim Trennen der Steckverbindung unter der Stromlast einer 802.11ac-Fernspeisung keinen Schaden nehmen.

Beispiel einer Topologie mit Bereichsverteilungsverkabelung und Patch-Feld im LVP-Gehäuse (Zonengehäuse) am LVP und einem GA für jedes Gerät der Gebäudeautomation oder AP.

Beispiel eines Layouts mit kreisförmigen Versorgungsbereichen in Wabenstruktur, wie Experten es für große und offene Bereiche empfehlen.

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