40 GBASE-T (2): 40 GBASE-T und die Gesetze von Shannon

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Teil 24 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"
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Bevor wir weiter über 40 GBASE-T sprechen, müssen wir klären, inwieweit sich diese Übertragungsgeschwindigkeit noch mit den unumstößlichen Gesetzen von Shannon in Übereinklang bringen lässt.

In Bild 1 sehen wir die angestrebte Konfiguration: von 40 Gigabit zu 40 Gigabit Transceiver über 90 + 5 + 5 = 100 m STP-Kabel, acht Adern in vier Paaren wie bei 10 GBASE-T, eigentlich „nur“ ein Upgrade von letzterem.

Um dies zu erreichen, muss man ein wenig nachdenken. Grundsätzlich gelten die Gesetze von Shannon, nach denen man höchstens zwei Informationsschritte pro Sekunde in ein Hertz zur Verfügung stehender Bandbreite packen kann. Kam man bei 10 Megabit Ethernet noch locker aus, hat man sich schon bei 100 Megabit Gedanken darüber gemacht und eine dreiwertige Codierung verwendet, die auf einem Kabel zu einer benötigten Bandbreite von 33 MHz geführt hat. Bei Gigabit Ethernet über Twisted Pair verwendet man eine fünfwertige Codierung, bei der mittels der Trellis Codierung acht Informationsbits plus ein Kontrollbit in vier fünfwertige Signale konvertiert werden. Bei linearer binärer Leitungscodierung würde man schon für Gigabit Ethernet 500 MHz Bandbreite benötigen, verteilt dies aber zunächst auf vier nachrichtentechnisch unabhängige Kanäle, so dass man auf jedem dieser Kanäle nur noch eine Bandbreite von 125 MHz und durch die mehrwertige Übertragung schließlich nur noch 67,5 MHz pro Richtung benötigt. Durch den Vollduplexbetrieb werden daraus am Ende wieder 125 MHz pro Drähtchenpaar. Dieses Konzept hat allerdings auch seine Grenzen. Wollten wir die gleiche Vorgehensweise wie bei Gigabit Ethernet vollziehen, kämen eben 320 Bits statt 8 in den Codierer. Vier Gruppen á 80 Bits bringen es auf ca. 4 Millionen unterschiedlicher Zustände pro Gruppe. Eine wesentlich höherwertigere Logik hilft uns da auch nicht mehr weiter.

Die Limits von Shannon sind keineswegs von der Modulationstechnik abhängig. Es ist umgekehrt so, dass sie ein Maß für die Güte einer Modulationstechnik darstellen, weil eine Technik umso besser ist, desto näher sie dem theoretisch überhaupt möglichen Limit kommt.

Sehen wir uns 1000 BASE-T aber einmal genauer an, stellen wir fest, dass es eine Reihe von Annahmen gibt, die damals bei der Definition gemacht worden sind und die bis zum heutigen Tage völlig unwidersprochen im Raum stehen. Da geht es z.B. um die Dämpfung. Man nimmt an, welche Bandbreite für die Übertragung zur Verfügung steht. Und diese Annahme wird z.B. in einem Verkabelungsstandard festgelegt. Viele Token Ring Besitzer haben damals auch nur angenommen, dass das Kabel lediglich 16 Mbit/s. schafft, bis sie eines Besseren belehrt wurden. Weiterhin nimmt man an, dass es irreduzible Rauschquellen gibt, wie z.B. das Hintergrundrauschen, das Nebensprechen aus den anderen Kabelpaaren, fremdes Nebensprechen („Alien Noise“) und Rauschen vom Transceiver. Alle diese Annahmen sind ja nett und gut, aber im Grunde genommen beruhen sie auf Phantasie mit Schneegestöber. Damit kommt man meistens unbeobachtet „durch“, weil sich die Meisten gar nicht dafür interessieren, wie es wirklich ist, sondern vielmehr lediglich an einer Anweisung interessiert sind, wieweit sie das Kabel abrollen dürfen, damit es noch funktioniert. Diese Situation ist nicht neu und existiert auch bei Funksystemen und Optischen Netzen. Der Markt schreit geradezu nach einem Kästchensystem, nicht mitdenken, sondern abhaken heißt die Devise.

Und wenn man 40 Gigabit/s. auf acht Drähtchen Twisted Pair übertragen möchte, muss man im Wesentlichen zunächst umdenken und die Fakten prüfen.

Bild 2 fasst die Störeinflüsse noch einmal zusammen: Nahnebensprechen NEXT von den benachbarten Kabelpaaren, Fernnebensprechen FEXT vom Transceiver und den benachbarten Kabelpaaren, allgemeine Dämpfung und „Alien Crosstalk“, also elektromagnetische Interferenz.

Ein kategorisiertes Kabel muss von hoher Qualität mit geringen durch das Material bedingten Abweichungen sein, um die Anforderungen nach TIA-568 zu erfüllen. Der Standard gibt Bandbreiten vor, in denen bestimmte Eigenschaften erfüllt sein müssen. Dies ist aber nur eine Anforderung auf dem Papier, denn die modernen Kabel erreichen durchaus die gleichen Leistungen bei höheren Bandbreiten. Das hängt hauptsächlich von der Übertragungsgeometrie und den Materialeigenschaften ab. Geringfügige strukturelle Abweichungen und Unregelmäßigkeiten in den Steckern können diese Werte zwar verschlechtern, aber bei modernen Systemen nicht wirklich wesentlich. Wenn ein Anbieter Ihnen heute den sicheren Betrieb des Kabels bis sagen wir z.B. 600 MHz garantiert, ist das ein Wert, der unter den ungünstigsten Voraussetzungen erzielt wird. Damit das klappt, müssen alle Komponenten viel viel besser sein und erreichen unter normalen Bedingungen sicher 1,5 …. 2 GHz Bandbreite.

Das ist der Grund dafür, warum wir manchmal so schwimmende Grenzen bekommen, bei denen eigentlich laut Standard eine Verbindung nicht mehr funktionieren kann, es in der Praxis mit einem System eines Herstellers aber doch tut.

So kann man z.B. ausrechnen, dass die Kat 7 nach ISO für den Betrieb von 40 GbE grade nicht mehr ausreicht. Es gibt aber durchaus Kat 7-Systeme von Herstellern, die die Übertragungsrate dennoch realisieren könnten. Wir zeigen in der nächsten Abbildung einmal eine solche Darstellung, wieder bezogen auf den Hersteller Nexans.

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