1000 BASE-T: Gigabit Ethernet über Kupferverkabelung (2/2)

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Teil 18 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"
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Da nun vier Wege auf acht Drähten parallel benutzt werden, besteht ein 1000 BASE-T Gerät auf der physikalischen Ebene aus vier identischen Transceiver-Teilen, jeder mit eigenem Sender und Empfänger. Das 1000 BASE-T-Signal wurde kompatibel zum 100 BASE-TX-Signal gestaltet, um die Entwicklung von Transceivern mit dualen Datenraten 100/1000 zu erleichtern. Die Symbolrate ist mit 125 Mbaud bei beiden Varianten gleich. Bei der Implementierung bietet das den Vorzug, den gleichen Taktschaltkreis für beide Geschwindigkeiten verwenden zu können. Ein anderer Vorteil ist, dass das Spektrum beider Signale ähnlich verläuft.

Dies bedeutet, dass die Schaltkreise für die Unterdrückung elektromagnetischer Wechselwirkungen und anderer Störeinflüsse unabhängig von der Datenrate benutzt werden können. Durch die Anpassung an die Codierung bei TX verläuft das Augendiagramm der PAM-5 allerdings etwas anders als bei fünfwertiger Codierung gewohnt. Rein technisch würde auch eine vierwertige Codierung zur Übertragung ausreichen. Man hat sich aber dazu entschlossen, den fünften Signalisierungslevel für die Hinzufügung von redundanten Symbolzuständen für die Fehlerkorrektur zu benutzen. Die Fehlerkorrektur basiert auf einer Kombination von sogenannter Trellis Codierung und sogenannter Viterbi Decodierung.

Die Situation stellt sich momentan wie folgt dar: Auf einer Leitung kommen von beiden Seiten simultan Signale mit fünf logischen und physischen Niveaus. Diese bilden ein Summensignal, welches vor den Empfängern echokompensiert werden muss. Dazu kommen, wie wir gleich noch sehen werden, erhebliche Störungen sowohl von außen als auch durch die benachbarten Paare. Jede normale Cat. 5-Verkabelung hat im Kabel acht Drähte zu vier Paaren. Bei 100 BASE-T werden davon nur vier Drähte zu zwei Paaren benutzt, die anderen vier Drähte liegen meist nur so herum, vielleicht telefoniert man noch darüber. Außerdem wird ein Leitungspaar nur in je einer Richtung benutzt, und nicht im Vollduplex.

Kurz gesagt: bei 1000 BASE-T ist auf dem Kabel mindestens achtmal so viel los!

Man beschreitet einen etwas ungewöhnlichen Weg. Normalerweise würde man sich bei der Verwendung von vier parallelen Wegen vorstellen, dass die Bitströme irgendwo weit vor dem Kabel aufgeteilt, einzeln seriell codiert und dann diese seriell codierten Gruppen auf den Kabelpaaren parallel übertragen werden. Bei 1000 BASE-T geht man aber genau anders vor: Bei der Trellis-Codierung werden je acht Datenbits mit einem Parity-Bit versehen und dann parallel auf die fünf verschiedenen Level der vier Übertragungsleitungen abgebildet. Vier Übertragungsleitungen zu je fünf Leveln können 625 verschiedene Zustände annehmen. Acht Bits entspricht 256 Zuständen, das Parity Bit ist ja nur eine Quersumme. Also kann man die Verteilung sinnvoll gestalten, weil man statistisch für ein zu codierendes Parallelbyte plus Parity mehr als 2,44 verschiedene Zustände zur Verfügung hat. Die Verteilung wird jetzt so vorgenommen, daß die einzelnen Pegelwechsel immer größer sind, als bei einer rein zufälligen Zuordnung. Das zusätzliche Parity-Bit erhöht die Übertragungssicherheit deutlich, außerdem kann ein Bit ohne weiteres »on the Fly« gebildet und geprüft werden.

Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch das Srambling. Beobachtet man den Datenstrom aus LAN-Paketen, wird man feststellen, dass bestimmte Symbolgruppen viel häufiger auftreten als andere. Dies betrifft besonders die Symbole, die einen Ruhezustand darstellen oder die, welche die Pakete auf das definierte Mindestmaß verlängern. Bei verschiedenen Codierungen hat man leider feststellen müssen, dass ausgerechnet diese häufig auftretenden Symbolgruppen ein ungünstiges Frequenzverhalten aufweisen und gegebenenfalls ein Spektrum haben, was über den normalen, definierten Bereich hinausreicht. Ist dies kurzzeitig der Fall, entsteht daraus kein Problem. Ungünstig wird es, wenn eine größere Folge ungünstiger Signale über einen zu langen Zeitraum auftritt. Damit dies bei 1000 BASE-T nicht passieren kann, werden die Daten grundsätzlich nach einer festen Regel verwürfelt, bevor sie auf die Leitung gehen. Die Verwürfelung geschieht auf Bitebene, die ankommenden Bits werden mit einem 2047 Bits langen Schlüssel verwürfelt. Es entstehen so kontinuierliche Signalströme mit günstigerem Frequenzverhalten. Bislang war es immer so, dass Frame-Beginn und Frame-Ende mit starken Einschwingvorgängen verbunden waren. Mit Scrambling wird ein so kontinuierlicher Strom erzeugt, dass z.B. auf einem Oszilloskop Framegrenzen nicht mehr erkennbar sind. Das Scrambling ist völlig transparent für Sender und Empfänger.

Man erwartet von der Fehlerkorrekturlogik, dass sie die SNR-Spanne des Systems bis zu 6 dB verbessert. Dies würde bedeuten, dass das fünfstufige Signal genauso unempfindlich wie ein dreistufiges Signal wäre. Die Trellis Codierung drückt das benötigte Signal/Rausch Verhältnis nach Herstellerangaben auf 5,2 dB.

Die SNR-Spanne (Signal to Noise Ratio Margin) ist ein Maß für die Unempfindlichkeit eines Kommunikationssystems gegen Rauschen. Die SNR-Spanne wird in dB ausgedrückt und repräsentiert den Grad zusätzlichen Rauschens, den ein System tolerieren kann, bevor es die zulässige, definierte Bitfehlerrate verletzt. Eine SNR-Spanne von 3dB bedeutet, dass eine Erhöhung des Rauschens um mindestens 3 dB das System in den Bereich nicht tolerierbarer Fehler bringt.

Je höher die SNR-Spanne ist, desto unempfindlicher ist das System. Die SNR-Spanne ist allerdings letztlich nur eine andere Formulierung des ACRs, nämlich nicht aus der Perspektive des Kabelsystems, sondern aus der Perspektive des Signals. Eine schöne Herleitung ergibt sich aus dem Umfeld der Augendiagramme. Bei den gleichen Voraussetzungen für die maximale Signalspannung liegen die unterschiedlichen Signalniveaus für binäre Übertragung weit auseinander. Bei ternärer Übertragung muss man sozusagen in die Mitte zwischen diesen Niveaus ein weiteres Signalniveau einfügen. Die Empfindlichkeit gegenüber Störungen wächst dramatisch, nämlich um das Doppelte, oder anders ausgedrückt, um 6 dB, was wir schon aus Teil 8 kennen. Das System »verträgt« nunmehr keine Störungen von nahezu einem Volt mehr, sondern nur noch die Hälfte. Geht man von drei auf fünf Niveaus, muss man weitere 6 dB hinzufügen, weil sich der Abstand zwischen den Signalschwellen wieder halbiert. Wichtig ist zu bemerken, dass man ja die Signalspannung nicht beliebig heben kann, weil eine Leitung dann umso stärkere Störungen in den anderen, neben ihr liegenden Leitungen verursacht.

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