Teil 1:  Einführung

Teil 1 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Die Bedeutung der eigentlichen Elemente der Nachrichtenübertragung in digitalen Netzen wird seit Jahrzehnten massiv unterschätzt. Die Standardisierung z.B. für die Gebäudeverkabelung hat Baukastensysteme hervorgebracht, die es erlauben, Systeme aufzubauen, deren eigentliche Arbeitsweise im Verborgenen bleibt. Das Geheimnis dieser Konstruktionen ist aber, dass die zugrunde liegende Technologie nur zu einem geringen Teil ausgenutzt wird. In den letzten Jahren stoßen Betreiber mit der Einführung von 10, 40 und 100 GbE, mit optischen Übertragungswegen und problematischem Verhalten von Wireless-Lösungen aber immer mehr an Grenzen, die sie nicht verstehen. In dieser Serie erfahren Sie alles, was Sie über die Grundlagen der Datenübertragung bei digitalen Netzen eigentlich nie wissen wollten. Ausgehend von Fundamentals werden sämtliche Bereiche der verkabelten und drahtlosen Übertragung in hinreichender Tiefe erschlossen, um wenigstens etwas Licht ins Tal der Ahnungslosen zu bringen.

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Teil 2:  Fundamentals (1): Modell eines Übertragungssystems

Teil 2 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Es gibt verschiedene unterschiedliche Betrachtungs- und Darstellungsweisen für die bei einer Übertragung auftretenden Effekte und Gesetzmäßigkeiten. Sie alle beruhen jedoch auf grundsätzlichen informationstheoretischen und nachrichtentechnischen Grundlagen, die gegen Ende der vierziger Jahre oder sogar früher erarbeitet wurden. In dieser Folge stellen wir ein abstraktes Modell für ein Übertragungssystem vor.

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Teil 3:  Fundamentals (2): Fourier-Analyse

Teil 3 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Fourier-Analyse und Abtasttheorem sind die Grundlagen aller modernen Betrachtungen über die Nachrichtenübertragung. Wir stellen hier nur Ergebnisse und Auswirkungen dar, die genaue mathematische Herleitung möge der Interessent der einschlägigen Literatur entnehmen. Die Fourier-Analyse gibt hier Aufschluss über die Gestalt von Schwingungen und indirekt über deren Verformung bei Begrenzung der auf dem Übertragungsmedium zur Verfügung stehenden Bandbreite.

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Teil 4:  Fundamentals (3): die Nyquistbedingungen

Teil 4 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Im letzten Teil haben wir gesehen, dass es eigentlich nicht möglich ist, Rechteckimpulse überhaupt ordentlich zu übertragen. Wie wir wissen, gibt es aber doch Möglichkeiten. Das liegt an den nach dem berühmten Physiker benannten Nyquistbedingungen. Letztlich legen sie fest, inwieweit Verformungen tolerierbar sind und ausgeglichen werden können.

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Teil 5:  Fundamentals (4): Bandbreite, Kanalkapazität und Ausnutzung

Teil 5 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

In Teil 3 hatten wir das Problem, dass die Spektralfunktion eines »echten« Rechteckimpulses ein unendlich breites Band benötigte. Dies schied für die praktische Realisierung aus, da wir kein solch unlimitiertes Übertragungssystem bauen können. In Teil 4 führte die Nyquistbedingung I ausgehend von einer Beschränkung der Spektralfunktion auf ein minimales endliches Band zu einer Zeitfunktion, die nur über eine unendliche Zeit richtig darstellbar ist. Auch dies ist unpraktisch. Die Nyquistbedingung II führte schließlich zu einer Kompromisslösung mit einer Spektralfunktion, die ein Band benötigt, das größer als das Minimum ist und eigentlich auch zu einer zeitlich unbegrenzten Zeitfunktion führt, von der wir aber das meiste weglassen können, da es gleich Null ist. In dieser Folge sehen wir, was man damit machen kann.

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Teil 6:  Fundamentals (5): Grundlegendes zu Multiplexverfahren

Teil 6 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Bei gegebenen Parametern eines Übertragungskanals besteht oft der Wunsch, die mögliche Kapazität in Gruppen zu verwalten. Das ist besonders wichtig bei drahtlosen Übertragungssystemen. So möchte ein Provider gerne viele Telefongespräche auf einem Übertragungskanal, den diese gemeinsam benutzen, organisieren. Dazu stehen grundsätzlich drei Dimensionen zur Verfügung: die Zeit, die Frequenz und die Amplitude. In diesem Teil besprechen wir die grundsätzlichen Gegebenheiten, bei den Funksystemen werden wir dann auch differenziertere Möglichkeiten kennenlernen.

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Teil 7:  Fundamentals (6): Codierung und Fehlersicherung

Teil 7 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Im OSI-Modell fällt die elementare Sicherung eines Bitstroms gegen Übertragungsfehler in den Aufgabenbereich der Schicht 2. Andererseits haben wir bei unserem Übertragungsmodell diese Art der Fehlersicherung bereits angesprochen, so dass es sich in diesem Zusammenhang anbietet, dies kurz weiterzuführen.

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Teil 8:  Übertragung auf metallischen Leitern (1): Niederfrequenzkabel

Teil 8 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Für die Übertragung von Daten in den verschiedenen Formen von Rechnernetzen und insbesondere lokalen Netzen stehen folgende Medien zur Verfügung: verdrillte Leitungen mit oder ohne Abschirmung (Niederfrequenzkabel), Koaxialkabel (Hochfrequenzkabel), Lichtwellenleiter und Luft. Wir besprechen die wichtigsten Eigenschaften der metallischen Leiter und die mit ihnen zusammenhängenden Übertragungsverfahren und Übertragungstechniken in den nächsten Folgen. Danach befassen wir uns mit optischer Übertragungstechnik. Verkabelungssysteme können wir erst betrachten, wenn wir beide Alternativen gut kennen.

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Teil 9:  Übertragung auf metallischen Leitern (2): Parameter und Grundtypen

Teil 9 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Mit der Zeit haben sich bestimmte Parameter als besonders wichtig für die Charakterisierung von Kabeln und Verkabelungssystemen abgezeichnet. Außerdem sehen wir uns in dieser Folge die Grundtypen des Twisted Pair an und kommen zu den historischen Anfängen der Entwicklung von Spezifikationen.

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Teil 10:  Übertragung auf metallischen Leitern (3): Datenstecker und HF-Kabel

Teil 10 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Entsprechend der Situation bei dem Kabel ist auch die Wahl des Datensteckers nicht trivial. Die heute angebotenen Stecker sind von äußerst unterschiedlicher Qualität. Bedenkt man aber, dass je nach Installation heute bis zu 90 Prozent der Fehler in LANs Fehler des Kabelsystems sind, stellt man fest, wie wichtig eine qualitativ hochwertige Verkabelung ist. In diesem Teil stellen wir einige kurze Stecker vor. Außerdem kommen wir noch kurz zu HF-Kabeln.

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Teil 11:  Übertragung auf metallischen Leitern (4): Elementare Übertragungsverfahren

Teil 11 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Nach dem in Teil 2 behandelten Modell eines Übertragungssystems müssen unterschiedliche Codierungen vorgenommen werden. Dies sind zum einen Codierungen im binären Bereich, die zur Fehlererkennung und Fehlerkorrektur dienen und üblicherweise den Symbolen einen größeren Hamming-Abstand verleihen (siehe weiter unten), und zum anderen die Codierungen, die dazu dienen, die Signale auf das Übertragungsmedium zu schicken. In diesem Teil betrachten wir elementare Verfahren.

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Teil 12:  Konservative Verkabelungssysteme (1): Einführung

Teil 12 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

In den letzten Teilen hatte ich immer in Aussicht gestellt, die aus den Kabeln gebildeten Verkabelungssysteme erst dann abschließend zu betrachten, wenn wir auch den Bereich der Optischen Übertragung abgeschlossen haben. Aus praktischen Erwägungen muss in dieser Folge allerdings ein Vorgriff erfolgen. Der überwiegende Teil der verlegten Kabelkilometer befindet sich im Bereich der
Endgeräteversorgung. Der überwiegende Teil der Unternehmen sieht für diese Versorgung eine Anschlussleistung von 1 GbE als hinreichend an. Also sehen wir uns diese konservativen Systeme, die verwendeten Kabel, Stecker und Spezifikationen hier an. Danach kommen wir zu den technischen Aspekten von Systemen wie 10 GbE, die eine anspruchsvollere Verkabelung benötigen, aber nicht für jedes Endgerät. Hinsichtlich der Verkabelung gibt es direkt mehrere Dauerbrenner in der Diskussion. Zukünftige Versorgungsbereiche für Endgeräte könnte man auch mit optischer Übertragung oder Wireless ausführen. Im RZ stellt sich die Frage nach Leistungswachstum bis in den Terabit-Bereich. Diese Diskussionen können wir erst ganz am Ende führen.

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Teil 13:  Konservative Verkabelungssysteme (2): Versorgungs- und Verkabelungsbereiche

Teil 13 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

In den Unternehmen und Organisationen ist heute aus den Erfahrungen der letzten Jahre der Trend zu spüren, sich nicht mehr von einem Hersteller abhängig zu machen. Dies gilt für Hard- und Software und somit auch für die Verkabelung. Man kann es nach heutigen Gesichtspunkten hierbei auch keinem Hersteller recht machen. Wichtig ist es, die Versorgungs- und Verkabelungsbereiche sinnvoll zu organisieren.

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Teil 14:  Konservative Verkabelungssysteme (3): EIA/TIA 568-Standard

Teil 14 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Geht man von einer angestrebten zehnjährigen Lebensdauer eines Verkabelungssystems aus, so ist es wichtig, mit einem Verkabelungssystem nicht nur alle aktuellen, sondern auch alle »emerging« Standards und Anforderungen abdecken zu können. Dazu gehören in jedem Falle die Unterstützung neu aufkommender Netzwerktechnologien und die Berücksichtigung der verschärften EG-EMV-Bestimmungen. Eine Standardisierung hat die LANs immer vorangebracht, weil unentschlossene oder verunsicherte Anwender günstig darauf reagieren und Hersteller unnütze Entwicklungen unterlassen, was wiederum den Preisen zu Gute kommt. Es gibt zwei wesentliche Standardisierungswerke: den EIA/TIA 568-Standard und ISO/IEC 1180.

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Teil 15:  Konservative Verkabelungssysteme (4): ISO 11801-Standard

Teil 15 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Der EIA/TIA-568-Standard ist sehr stark auf US-Verhältnisse ausgerichtet, was in der Praxis immer wieder zu Detailproblemen führt. Außerdem war strittig, ob die Kabel nach EIA/TIA-Klassifikation den ab 1.1.1996 verschärften Europäischen EMV-Vorschriften genügen könnten. Zu diesem Datum waren nämlich die bis dahin geltenden Übergangsbestimmungen abgelaufen und für Kommunikationsanlagen gilt die Norm EN 55022, Grenzwertklasse B, in der die Abstrahlung von Funkstörstrahlung im Frequenzbereich zwischen 150 kHz und 1000 MHz definiert wird. Gerade aber im oberen Bereich der EN 55022 gibt es erhebliche Unsicherheiten, was die Kabel nach EIA/TIA anbetrifft. Schließlich definiert EIA/TIA nur Kabel, aber keine Verbindungen von Ende-zu-Ende. Mit dem Standard ISO/IEC 11801 sollen alle diese Probleme abgestellt werden.

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Teil 16:  Konservative Verkabelungssysteme (5): ISO 11801-Standard (2)

Teil 16 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Der Standard gibt Richtlinien und Spezifikationen für alle Steckverbindungen in Anschlussdosen, Patch-Panelen, Durchgangssteckverbinder, jedoch nicht für Media-Adapter oder Baluns an. Es werden wiederum kontinuierliche Werte zwischen den angegebenen Frequenzen im Sinne einer »Kategorie«- Definition verlangt. Es gibt aber auch durchaus immer wieder Kritikpunkte, die letztlich zu Erweiterungen führen, die angesichts laufend neuer Standards für die Übertragungstechnik auch nötig sind.

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Teil 17:  1000 BASE-T: Gigabit Ethernet über Kupferverkabelung (1/2)

Teil 17 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Gigabit Ethernet war der erste LAN-Standard, der die physikalischen Grenzen der Kupferverkabelung zu sprengen drohte. Jahrzehnte herrschte die Meinung vor, dass eine solche Datenrate über Kupferverkabelung gar nicht möglich sei. Wie wir wissen, ging es dann doch, aber nur mit einer bis dahin ungekannten Stapelung von Tricks. Die detaillierte Betrachtung der Übertragungstechnik von Gigabit Ethernet bringt uns jedoch erheblich weiter, wenn wir sehen, wie die durch die Theorie festgelegten Grenzen und Möglichkeiten tatsächlich genutzt wurden. Das ist extrem lehrreich!

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Teil 18:  1000 BASE-T: Gigabit Ethernet über Kupferverkabelung (2/2)

Teil 18 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

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.

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Teil 19:  10 Gigabit Ethernet über Kupfer: 10 GBASE-T (1)

Teil 19 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

IEEE 802.3 hat 2004 nach zwei Jahren Vorbereitungsarbeit einen Standard für die Übertagung von 10 Gigabit/s über Twisted Pair definiert. Wie auch bei Gigabit Ethernet wurde der Standard für die Kupfer-PHY eigenständig entwickelt und steht neben den Versionen für optische Übertragungssysteme. Ziel war die konsequente Weiterentwicklung der bestehenden Vollduplexstandards für UTP auf 10 Gigabit. 10 GBASE-T ist heute die leistungsfähigste Übertragungstechnik auf Kupfer im Feld. Die Auseinandersetzung mit dem Thema führt präzise vor Augen, wo Möglichkeiten und Probleme liegen und warum sich die Verkabelungsstandards nochmals weiterentwickeln mussten.

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Teil 20:  10 Gigabit Ethernet über Kupfer: 10 GBASE-T (2)

Teil 20 von 30 aus der Serie "Digitale Nachrichtenübertragung"

Wir haben in der letzten Folge begründet, weshalb ein 10 Gigabit/s-Signal eigentlich über eine etwas verbesserte Kat. 5-Leitung geschickt werden könnte. Wesentlich dabei ist die erheblich gesteigerte Empfindlichkeit des Signals durch die verkleinerten Potentialbereiche und die Steigerung der Anzahl der notwendigen Entscheidungsschwellen. Heute sehen wir uns genauer an, welche Verhältnisse auf dem Kanal wirklich bestehen.

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