10 Gigabit Ethernet über Kupfer: Aufbau der Kompensationsschaltkreise

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Teil 21 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"
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Um den Anforderungen für die Randbedingungen der Übertragung von 10 Gigabit auf UTP entsprechen zu können, benötigt man ein Schaltkreisdesign, welches moderne Signalverarbeitungsalgorithmen hinreichend breitbandig mit Schaltkreisen geringer Leistungsaufnahme realisiert. Es sind z.Zt. kleinere Firmen, wie z.B. Solar Flare, die sich um das Design entsprechender Schaltkreise bemühen. Dabei müssen sie von sehr ungünstigen Voraussetzungen ausgehen, damit ein Schaltkreis in Serie auch nachher immer funktioniert. Andererseits, wenn man auf die Entwicklung der xDSL-Schaltungen zurückblickt, hat man damit Erfahrung. Auch hier wurden letztlich verschiedene Dinge einfach ausprobiert, um die eigentlich immer angenommenen Grenzen der Übertragungskapazität von Telefonkabeln in der Last Mile zu überwinden. Wie man sieht, mit Erfolg.

Die erste Entscheidung ist es, Pulsamplitudenmodulation PAM zu verwenden. Diese Modulationsform hat sich auch bei xDSL bewährt und schafft einen hinreichenden Grad an Designfreiheit ohne von vorneherein Randbedingungen z.B. hinsichtlich der in einen Schritt zu codierenden Informationsmenge festzuzementieren. Außerdem möchte man 10 Gigabit durch die systematische Weiterentwicklung von 1000 BASE-T erreichen. Das hat mehrere Gründe. 1000 BASE-T ist bewährt und ausgesprochen kostengünstig. Die Anwender besitzen bereits eine Struktur, auf der 1000 BASE-T läuft, wenn sie über 10 GBASE-T nachdenken. In alter Tradition wird es nicht das Ziel sein, Chips zu entwickeln, die nur 10 GBASE-T können, sondern autosensende 1/10 GBASE-T-Lösungen, weil diese es auf viel höhere Stückzahlen bringen und den Anwendern die sanfte Migration erlauben. Die Anforderungen von 1000 BASE-T an die Übertragungseigenschaften der Verkabelung und ihrer Umgebung sind relativ hoch. Im Zuge der Entwicklung passender Chips könnte man diese Anforderungen etwas entzerren oder herunternehmen, so dass auch 1000 BASE-T noch glatter und unkomplizierter läuft. Der Autor hat es immer für einen gravierenden Fehler gehalten, Verkabelung, wie das in Deutschland geschieht, einer absoluten Überdimensionierung anheimfallen zu lassen. Vor dem Horizont der Betrachtungen zu 10 GBASE-T ist das noch evidenter.

Im Folgenden wird eine mögliche Lösung für die Übertragung beschrieben. Es geht hier zunächst einmal darum, zu zeigen, dass die Übertragung überhaupt möglich ist. In einer Standardisierungsphase werden noch andere Übertragungsvarianten auftreten und diskutiert werden. Firmen wie Intel werden sich auch von kleineren Herstellern nicht die Butter vom Brot nehmen lassen. Bei 10 Gigabit über Fiber ist das ja so ausgegangen, dass Intel die kleine Firma mit der besten Technologie aufgekauft hat. Es scheint mir aus dieses Mal eine Phase zu geben, in der sich kleinere Entwickler ein Rennen liefern, dessen Sieger gekauft werden möchte.

Betrachtet man die dargelegten Zusammenhänge, scheint eine Bandbreite von 400 MHz auf dem Kabel relativ optimal zu sein. Jenseits der 400 MHz schlagen bestimmte Effekte relativ bösartig zu und der Aufwand zur Kompensierung wäre hoch, wenn nicht gar unmöglich.

Der konkrete Implementierungsvorschlag sieht eine Baudrate von 833 MHz vor, also 833 Millionen Übertragungsschritte pro Sekunde. Dann benötigt man für die 10 Gigabit 12 Bits pro Baud, was sehr viel ist. Andererseits haben wir vier Kabelpaare, so dass sich dies auf 3 Bits pro Baud pro Kabelpaar reduziert. Wollte man also nur die Daten übertragen, käme man mit einer PAM-8 Modulation aus. PAM-8 definiert acht verschiedene Konstellationspunkte in der Kombination von Amplituden- und Phasenlage und könnte somit pro Schritt drei Bits codieren. Das ist keine besonders anspruchsvolle Modulationstechnik, vergleichsweise verwendet man z.B. bei den IEEE 802.11a WLANs bis zu 64 Konstellationspunkte in der QAM-64. Ein Ziel bei der Standardisierung ist es aber auch, die Bitfehlerrate zu verbessern. Viele Ethernet-Standards arbeiten noch auf den alten Vorgaben der Norm, die lediglich 10 EXP -8 verlangt. Dies ist aber nicht mehr zeitgemäß und der Standard für 10 Gigabit Ethernet auf Fiber definiert PHY-Varianten, die es mindestens auf 10 EXP -12 bringen. Dem möchte man sich auch hier anpassen. Mit einer PAM-9 würde man die allgemeinen Anforderungen von IEEE 802.3 erfüllen. Für eine ordentliche Kombination von Kontrollsignalen und Trellis Codierung braucht man aber eine PAM-10 mit zehn Konstellationspunkten pro Schritt. Die Trellis Codierung ist mathematisch sehr kompliziert, aber man hat ja bei 1000 BASE-T gesehen, wie gut sie funktioniert und dass es relativ einfach zu sein scheint, entsprechende Schaltungen zu bauen. Für 10 GBASE-T wird die bisher dreidimensionale Trellis Codierung auf vier Dimensionen erweitert und diese vier Dimensionen werden jeweils auf ein Kabelpaar übertragen. Es ist nicht so ohne weiteres möglich, die Trellis Dimensionen einleuchtend zu erklären. Aber ich will es einmal versuchen. Bei einer zweidimensionalen Trellis Codierung entsteht eine Fläche, die man sich meinethalben wie ein Fliegengitter vorstellen kann. Jedes Kästchen des Fliegengitters kann wie bei einer hundsgewöhnlichen Matrix durch zwei Koordinaten adressiert werden. Je nach gewünschter Codierungsdichte nimmt man mehr oder weniger Fliegengitterkästchen, die dann natürlich auch jeweils ein Stück auseinanderliegen. Um jedes Fliegengitterkästchen herum entsteht dadurch ein Feld und wenn z.B. bei der Übertragung eine Koordinate verfälscht wurde, dann lässt sich das ursprünglich „gemeinte“ Signal wiedererkennen. Das ist eine systematische Anwendung der Hamming-Distanz aus der einfachen linearen Codierung. Nun wählt man geschickter weise die Felder nicht so, dass benachbarte Nachrichtenelemente auf benachbarte Codesymbode fallen, sondern man legt sie so weit auseinander, wie möglich. Dadurch kann man eine viel größere Sicherheit gegenüber Fehlern erzielen. Bei einer dreidimensionalen Trellis Codierung wendet man die eben beschriebene Vorgehensweise auf einen Körper an, von mir aus einen Würfel, in dem man die Codesymbole ebenso geschickt unterbringt. Und für die vierdimensionale Trellis Codierung nimmt man eben einen vierdimensionalen Raum, den man mathematisch gut beschreiben kann. Die Idee, eine vierdimensionale Trellis Codierung zu verwenden und dann die vier Dimensionen auf die Kabelpaare abzubilden, ist fast schon als genial zu bezeichnen, weil dadurch ein Modulations-Prozessgewinn entsteht, der sich mittelbar so niederschlägt, daß wir relativ zu uncodierter PAM-10 6 dB gewinnen. 6 dB ist in diesem Zusammenhang sehr viel. Durch die vierdimensionale Trellis Codierung gewinnen wir also diese 6 dB und erhöhen gleichzeitig die Fehlerrate auf z.B. 10 EXP -12. Um diese Fehlerrate zu erzielen, benötigen wir auf der Übertragungsstrecke für die Trellis-Codierung übrigens ein Signal/Rauschverhältnis von ca. 26 dB.

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