Der Versuchsaufbau

Der Testaufbau für die übertragungstechnischen Messungen eines 30-m-Kanals bei PAM-32-Codierung mittels eines Arbitrary-Waveform-Generators (AWG 70001A von Tektronix).

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Um Aussagen über die technische Machbarkeit einer 100G-Übertragung über symmetrische Kupferverkabelung zu erhalten, wurde die Aufgabenstellung auf die wesentlichen zu untersuchenden Kriterien heruntergebrochen. Das Kernelement der 100G-Datenübertragung über vier Paare eines symmetrischen Übertragungskanals ist die Übertragung von 25 Gbit/s über ein Paar. Zur weiteren Untersuchung wird der vollständige symmetrische Übertragungskanal für 100G also auf seine Einzelkomponenten reduziert:

• Übertragung über eine 4-paarige Kupferverkabelung
• Betrachtung des Kabels
• Betrachtung der Steckverbinder

Die Einzelkomponenten sind mathematisch durch sogenanntes Modeling beschreibbar. Diese Beschreibungen (Ma­trizen) werden mittels Messungen auf ihre Richtigkeit in der Praxis hin überprüft und man kann später die mathematisch beschriebenen Einzelkomponenten zu einem Gesamt-Übertragungskanal zusammensetzen. So ist es möglich, Grenzwerte zum Beispiel bezüglich der Bandbreite (in GHz), des Nahnebensprechens (NEXT in dB) oder hinsichtlich der Längenbegrenzung (in Metern) vorauszusagen. Über diesen Ansatz konnten die ­notwendigen Schritte zur Untersuchung eines 100G-Kanals klar definiert werden.

Ausgehend vom Platine-Platine-Kanal (PCB Channel) ließ sich der passive Übertragungskanal der Verkabelung (ISO/IEC Channel) definieren und mittels M-Matrix Daten vollständig mathematisch beschreiben. Im vorliegenden Fall ist die M-Matrix eine Tabelle mit physikalischen Eigenschaften von Verbindern, Kabel und – nach erfolgter Rechnung – des kompletten Übertragungskanals. Im weitesten Sinne steht die M-Matrix also für das mathematische Abbild/Modell der physikalischen Elemente eines Übertragungskanals und stellt somit das Bindeglied zwischen einer real existierenden Verkabelung und seiner physikalischen Eigenschaften dar.

NEXT-Messungen an einer Steckverbindung im gesteckten Zustand. Durch die Weiterführung des Frequenzbereiches bis zu 2,5 GHz und der kontinuierlichen Entwicklung der Werte lässt sich eine Eignung dieser Designs auch für höhere Bandbreiten ableiten.

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Um die M-Matrizen letztlich mit Werten füllen zu können, bedarf es der Erhebung übertragungstechnischer Eigenschaften der Einzelkomponenten. Dazu wurden Messreihen für Kabel und Verbinder aufgestellt, die sogenannte ‚mated pairs‘ untersuchen – sprich Steckverbindungen, die Stecker und Buchse im gesteckten Zustand überprüfen.

Zur Erstellung dieser Messreihen wurde das Mess-Equipment der drei Verbundpartner unter Hinzuziehung der Messgeräte-Hersteller komplettiert und bis an seine Grenzen geführt. Parallel dazu wurden die Mess-Aufbauten mit Anschlusseinheiten, Equalizern und Prüflingen entwickelt, ausgetestet, beschrieben und auf ihre Einsatzfähigkeit und Genauigkeit bei Bandbreiten bis zu 2,5 GHz überprüft. Zur Be­wertung von Stabilität und Richtigkeit der Mess-Ergebnisse dienten regelmäßig durchgeführte Round-Robin-Tests. Dabei wurden vorbereitete Prüflinge von allen drei Partnern in ihren Laboren mit ihrer jeweiligen Messtechnik den gleichen Tests unterzogen. Konkret handelte es sich dabei um den ­Prototyp eines neuen 2,5-GHz-Kupferkabels und vorhandene beziehungsweise entsprechend überarbeitete Steckverbinder. Gab es hier wesentliche ­Abweichungen in den Prüf-­Ergebnissen, wurden die Ursachen analysiert und Mess-Aufbau sowie Test-Equipment immer weiter verfeinert und ­korrigiert.

Durch diese methodische Vorgehensweise ließen sich die übertragungstechnischen Eigenschaften der Einzelkomponenten umfassend beschreiben. So lagen am Ende der Testreihen belastbare Werte für Kabel und Steckverbinder über einen Frequenzbereich bis 2,5 GHz vor – unter anderem in IL (Insertion Loss = Dämpfung), NEXT (Near End Cross Talk = Nahnebensprechdämpfung, FEXT (Far End Crosstalk = Fernnebensprechdämpfung), RL (Return loss = Rückflussdämpfung), TCL (Transverse Conversion Loss = Unsymmetriedämpfung) und ELTCTL (Equal Level Transverse Conversion Transfer Loss = Unsymmetriedämpfung am fernen Ende). Die beiden letztgenannten Parameter sind relativ neu hinzugekommen, um auch (ungeschirmte) UTP-Verkabelungen hinsichtlich Übertragungssicherheit und EMV beschreiben zu können.

Die Ergebnisse der Messungen

Die Ergebnisse der Kabelmessung: Links bei IL – dabei bleibt dieser Parameter unter der errechneten Grenzkurve (rot ). Ergo wird IL vom Kabel erfüllt. Auch bei RL (rechts) lag die Messkurve über der errechneten Grenzkurve.

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Die Untersuchungsergebnisse der verschiedenen Prototypen von Kabeln resultierten in einer stetigen Verbesserung des Designs der PIMF-Kabelkonstruk­tion. PIMF steht für Pair in Metal Foil (Paare in Metallfolie) beziehungsweise für eine spezielle hochgeschirmte Kabelkonstruktion, bei der jedes Adernpaar durch eine Folie abgeschirmt wird (individuelle Paarschirmung). Das Gesamtkonstrukt (alle vier Paare) wird dann nochmals mit einem Gesamtschirm versehen – entweder in Form eines Schirmgeflechts oder als Kombination aus Folie und Geflecht. Normativ heißt dieser Kabeltyp S-STP/SF-STP.

Ein finaler Prototyp (Vorserienstatus) konnte schließlich alle wesentlichen übertragungstechnischen Parameter weitestgehend zufriedenstellend erfüllen. Um den Übertragungskanal aufzu­bauen, kamen dabei Prototypen von 2,5-GHz-Kabeln und -Steckverbindern zum Einsatz. Diese Verkabelungskomponenten sind elektrisch durch eine Reihe von messbaren Übertragungsparametern gekennzeichnet. Dazu zählen unter anderem:

• Der Wellenwiderstand (ideal 100 Ω)
• NEXT (Nahnebensprechdämpfung)
• IL (Dämpfung)
• RL (Rückflussdämpfung)
• Delay Skew (Laufzeitunterschiede)

Die Prüfung erfolgte gegen eine angenommene Grenzkurve, die als notwendig für die 25-Gbit/s-Übertragung (1 Paar) ermittelt wurde.

Bei der Untersuchung des Übertragungsverhaltens von Steckverbindern griffen die Projektpartner auf ­bereits bestehende Steckverbinder-Typen zurück: den ARJ (speziell gekammerte und hochgeschirmte Version des RJ45), den Tera-Verbinder (anerkannter und normierter Cat.7A-Steckver­binder) und den M12-X-codiert. Dabei bestätigte sich die Annahme, dass je besser die separate Schirmung der einzelnen Kontaktpaare in einem Steckverbinder konstruktiv ausgeführt ist, desto besser verhält sich auch das Übertragungsverhalten bei hohen Frequenzen und großen Bandbreiten.

Die belastbaren Test-Ergebnisse der Komponenten ließen sich anschließend im Channel Model zusammenführen. Letztendlich erlaubten die mathematischen Untersuchungen anhand des ­Modells den Schluss, dass eine Über­tragung von 25 Gbit/s über ein Paar ­eines symmetrischen Kupferkanals von 30 m Länge mit Bandbreiten von 2,5 GHz oder darüber möglich ist. Um die Gültigkeit dieser Aussage zu untermauern, wurden Kanalmessungen durchgeführt. Dabei wurde der 30-m-Übertragungskanal mit 26 m Kabel und je 2 m langen, konfektionierten ­Kabeln (Patchcords) mittels eines mobilen Testgerätes  bis 2 GHz gemessen. Die resultierenden Mess-Ergebnisse bestätigten die Untersuchungen am Modell, auch wenn hier mit Toleranzen und Ungenauigkeiten zu rechnen ist.

Weitere Untersuchungen vereinfachter, 30 m langer Kanäle mittels Labormesstechnik lieferten zudem zusätzliche Parameter wie IL (Insertion Loss) und Group Delay bis 3 GHz – und das für mehrere Paare gleichzeitig.  Alle Ergebnisse unterstützen darüber hinaus die Aussage der Machbarkeit der 100G-Übertragung über vier Paare eines symmetrischen Kupferkanals.

In abschließenden Tests wurde der physisch aufgebaute Übertragungskanal schließlich mit Nutzsignalen belastet.

Die Umsetzung der ­physikalischen Erkenntnisse

Ziel dabei war es, herauszufinden, welches Codierungsverfahren für die Übertragung von 100 Gbit/s über eine symmetrische Kupferverkabelung am sinnvollsten zu verwenden ist. Die Testsequenz mit einer Signalfolge auf Basis von PAM 16 und PAM 32 wurde an einem Ende des rein passiven Übertragungskanals eingespeist und mit den empfangenen Daten am anderen Ende verglichen.

Wie bei den anderen Tests stand zu Beginn wieder die Betrachtung eines Aderpaares – also 25 Gbit/s Übertragung. Dabei wurden geordnete Bitfolgen (selected sequence of bits) und ungeordnete beziehungsweise stochastische Bitfolgen (pseudo random sequence of bits) mit Hilfe der PAM-16- und der PAM-32-Codierung über den Testaufbau geleitet. Die Auswertung der so gewonnenen Daten in Form sogenannter Augendiagramme führte zu dem Schluss, dass zur sicheren Datenübertragung von 100G über einen symmetrischen Kupferkanal das PAM-32-Codierungsverfahren anzuwenden ist.

Das Fazit des Verbundprojektes 100G: Die technische Machbarkeit der Übertragung von 100-Gbit/s-Ethernet über symmetrische Kupferverkabelungssysteme konnte nachgewiesen werden. Voraussetzung ist allerdings: Kabel und Steckverbinder müssen über eine Bandbreite von 2,5 GHz die im Projekt beschriebenen/definierten übertragungstechnischen Grenzwerte einhalten. Heutige symmetrische Kupfer-Datenkabel und -Steckverbinder enden im Allgemeinen bei 1 GHz (Spezifika­tion Cat.7A). Was sie darüber hinaus zu leisten in der Lage sind, ist meist nicht wirklich bekannt beziehungsweise getestet. Das wollten wir in diesem Projekt auch ausloten.

Als nächster Schritt sind nun die Beschreibung der notwendigen Protokolle bei der IEEE 802.3 und der dazu erforderlichen Verkabelung in der ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 anzuregen.

Autoren:
Yvan Engels ist bei Leoni im Bereich Strategic Market Development tätig;
Prof. Dr. Albrecht Oehler lehrt und forscht an der ESB Business School der Hochschule Reutlingen;
Rainer Schmidt ist Business Development Manager für industrielle Verkabelung bei Harting Electronics.