Wie Multi-Rate-Ethernet höhere Geschwindigkeiten zu geringeren Kosten ermöglicht

Die Ethernet-Bandbreite hat sich dramatisch erhöht, um die sich entwickelnden Anforderungen von lokalen Computernetzwerken zu unterstützen, aber aufgrund der hohen Kosten der installierten Kabelinfrastruktur ist die 10GBASE-T-Technologie derzeit nur für Neuentwicklungen oder Modernisierungen erschwinglich. Die NBASE-T-Technologie kann die Netzwerkgeschwindigkeit unter Verwendung vorhandener Cat5e/Cat6-Kabel auf bis zu 5 GBit/s erhöhen.

Einführung der NBASE-T-Technologie

Die anhaltende Einführung leistungsstarker mobiler Geräte, die von Cloud-basierten Anwendungen gespeist werden, die reichhaltige Inhalte wie HD-Videos streamen, übt Druck auf bestehende Netzwerke aus. 1-Gbit/s-Ethernet und die damit verbundenen Cat5e/Cat6-Verkabelungsinfrastrukturen entwickeln sich schnell zu einem Engpass in Unternehmens- und Heimnetzwerken, die Schwierigkeiten haben, mit den steigenden Bandbreitenanforderungen Schritt zu halten.

Aufgrund der hohen „Rip-and-Replace“-Kosten der installierten Cat5e/Cat6-Verkabelungsinfrastruktur ist die 10GBASE-T-Technologie derzeit nur für Neuentwicklungen oder Modernisierungen wirtschaftlich sinnvoll. Die Einführung der NBASE-T-Technologie, die die Netzwerkgeschwindigkeit bestehender Cat5e/Cat6-Kabel auf bis zu 5 Gbit/s bei Längen von bis zu 100 m erhöhen kann, bedeutet, dass NBASE-T-Lösungen weit verbreitet sind, um Erstellern von Inhalten, Breitbandverbrauchern und anderen eine niedrige Kostenpfad zu Multigigabit-Geschwindigkeiten.

Dieser Artikel erörtert den Hintergrund zur Entwicklung der NBASE-T-Spezifikation, bevor er sich mit der wichtigen Rolle befasst, die Magnetik beim LAN-Systemdesign spielt, und erklärt, wie wichtig die Wahl des integrierten Anschlussmoduls (ICM) beim Design eines beliebigen LAN-Geräts ist.

Die Ethernet-Bandbreite nimmt zu, um die Anforderungen lokaler Netzwerke zu erfüllen

Seit seiner Entwicklung in den frühen 1970er Jahren hat sich die Ethernet-Bandbreite dramatisch erhöht, um die sich entwickelnden Anforderungen von lokalen Computernetzwerken zu unterstützen. Von den ursprünglichen 10 Mbit/s haben sich die Ethernet-Geschwindigkeiten durch eine Reihe von Fortschritten entwickelt, darunter Fast Ethernet mit 100 Mbit/s und Gigabit Ethernet mit 1 Gbit/s – oder 1000BASE-T. Verkabelungsstandards haben sich entwickelt, um diese steigenden Geschwindigkeiten zu unterstützen, von Koaxialkabeln über ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel bis hin zu Cat5e- und Cat6-Kabeln, die einen Großteil der installierten Kabelbasis in den heutigen Büros und auf dem Campus ausmachen. Moderne Geräte und Anwendungen wie drahtlose Zugangspunkte und Server sowie das explosionsartige Wachstum von Videoinhalten und Cloud-Anwendungen erfordern mehr Bandbreite als die von 1000BASE-T unterstützten 1 Gbit/s.

Kabelart	Bandbreite	Höchstgeschwindigkeit auf 100 m
Cat 5	100 MHz	1 GBit/s
Cat 5e	100 MHz	2,5 GBit/s
Cat 6	250 MHz	5 GBit/s
Cat 6a	500 MHz	10 GBit/s

Der 10GBASE-T- oder 10-Gigabit-Ethernet-Standard wurde im IEEE 802.3ae-2002-Standard definiert, um die Netzwerktechnologien zu spezifizieren, die zur Unterstützung der Übertragung von Ethernet-Frames mit Raten von bis zu 10 Gbit/s erforderlich sind. Die Einführung von 10GBASE-T erfolgte schrittweiser als bei früheren Überarbeitungen von Ethernet, teilweise aufgrund der relativ hohen Kosten pro Port der neuen Technologie, aber hauptsächlich aufgrund der Tatsache, dass die Cat5e/6-Kabelinfrastruktur den Standard nicht vollständig unterstützen kann. 10GBASE-T erfordert einen aktualisierten Kabelstandard – Cat6a – was bedeutet, dass Unternehmen mit erheblichen Kosten rechnen müssten, um die vorhandene Kabelinfrastruktur zu ersetzen.

NBASE-T-Allianz definiert Multi-Rate-Ethernet

Um dieses Problem anzugehen, gründeten eine Reihe von Branchenakteuren, darunter Cisco, Aquantia, NXP und Intel, 2014 die NBASE-T-Allianz, um Spezifikationen für mittlere Übertragungsgeschwindigkeiten – 2,5 GBASE-T und 5 GBASE-T – einzuführen. Die NBASE-T-Spezifikationen wurden vom IEEE ratifiziert und in einem neuen Standard IEEE 802.3bz veröffentlicht. Die NBASE-T-Spezifikation enthält eine Funktion zum Herunterschalten, mit der Geräte die Verbindungsgeschwindigkeit in Echtzeit maximieren können, indem sie von der idealen Verbindungsgeschwindigkeit von 10 G auf 5 G oder 2,5 G herunterschalten, wenn das Rauschen im System zu groß ist. N-BASE-T-Geräte können automatisch die beste Geschwindigkeit für das Netzwerk ermitteln, entweder die NBASE-T-Raten, langsamere 100Mbps und 1Gbps oder sogar 10Gbps, wenn die Infrastruktur dies zulässt.

NBASE-T unterstützt auch Power-over-Ethernet, (PoE), die für Unternehmensimplementierungen sowie für große Gebäudeinfrastrukturen wie Flughäfen, Einkaufszentren und Stadien von grundlegender Bedeutung ist. Alle PoE Standards werden abgedeckt, und die Technologie kompensiert auch die verschiedenen Leistungsspektren, die ein Gerät aufgrund unterschiedlicher Verbindungsgeschwindigkeiten innerhalb desselben Kabelbündels antreffen kann.

Dieser neue Standard ermöglicht es Unternehmen, bestehende Kabelinvestitionen zu nutzen; Cat5e- und Cat6-Installationen können weiterhin verwendet werden, indem die Geräte an beiden Enden der Kabel durch neue Geräte ersetzt werden, die dem IEEE 802.3bz-Standard entsprechen.

Magnetik ist erforderlich, um die Anforderungen an PHY-zu-Kabel-Schnittstellen zu erfüllen

Zu den Geräten, die in Haushalten, Büros und auf dem Campus an Ethernet-Kabel angeschlossen werden, gehören Ethernet-Switches, Wireless Access Points, Basisstationen und Sicherheitskameras. Diese Geräte enthalten einen PHY, eine Komponente, die den Teil der Ethernet-Physical-Layer der verschiedenen Ethernet-Standards implementiert: 10GBASE-T, NBASE-T, 1000BASE-T, 100BASE-TXund 10BASE-T. Ein Blockdiagramm eines typischen PHY ist in Abbildung 1 dargestellt, die ein Gerät zeigt, das auf dem basiert DP83822 10/100-Ethernet-PHY-Transceiver-Chip von Texas Instruments. Die Mehrheit der Funktionalität des PHY-Geräts ist digital, mit Ausnahme der „Magnetik“, einer analogen Schaltung, die entwickelt wurde, um die elektrischen Schnittstellenanforderungen der IEEE 802.3 10/100/1000BASE-T-Spezifikationen zu erfüllen. Die Magnetik erfüllt die wichtigsten Anforderungen an die elektrischen Schnittstellen, einschließlich der elektrischen Isolierung, des Signalausgleichs, der Gleichtaktunterdrückung, der Impedanzanpassung und der EMV-Verbesserung. Daher ist die Magnetikschaltung für den Betrieb des PHY entscheidend.

Einsparung von kritischem Platz auf der Platine mit integrierten Anschlussmodulen (ICMs)

ICMs enthalten alle Schaltkreise für die Magnetik innerhalb des Steckverbinders, wodurch Platz auf der PHY-Platine eingespart und das Mischen digitaler und analoger Schaltkreise auf demselben Chip vermieden wird. Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 10 Gbit/s heben Konstruktionsmängel oder physikalische Unvollkommenheiten hervor, wie z. B. Platinenlayoutprobleme und differentielle Paarfehlanpassungen, die zu elektromagnetischen Interferenzen (EMI) führen und dazu führen können, dass ein Modul die Anforderungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) nicht erfüllt.

In dieser Umgebung ist das ICM eine kritische Komponente, und die Wahl der richtigen magnetischen LAN-Komponente mit angemessener Leistung und guter EMI-Unterdrückung ist der Schlüssel zur Kontrolle der EMI-Emission und -Empfindlichkeit. Mit zunehmender Geschwindigkeit wird die LAN-Magnetik immer komplexer, und LAN-Systemdesigner müssen die richtigen Magnetiken von einem bekannten Magnetikhersteller wie Bel auswählen.

Als Erfinder und größter Anbieter von Integrated Connector Modules (ICM) verfügt Bel über das breiteste verfügbare Portfolio an ICM-Produkten. Dieses Portfolio umfasst eine kürzlich veröffentlichte Reihe von 2,5-GBase-T-ICMs (Abbildung 2), einschließlich der folgenden Modelle:

• 0826-1X1T-HT-F
• 0826-1X4T-HT-F
• 2250331-1

Diese Konnektoren ermöglichen es Benutzern, 2,5 GBase-T zu implementieren, wodurch ihre Produktgeschwindigkeit und Bandbreite zu etwa den gleichen Kosten wie ihre aktuelle 1GBase-T-Lösung nahezu verdoppelt werden, wodurch Geschwindigkeiten von bis zu 6,9 Gbit/s erreicht werden.

ICMs unterstützen Power-over-Ethernet (PoE)

Die ICMs von Bel Magnetics erfüllen auch die PoE Standards zum Senden oder Empfangen von 0 bis 60 W sowie alle elektrischen Anforderungen von IEEE 802.3 10/100Base-T bis 2,5 GBase-T, einschließlich RL, IL, Gleichtaktparameter und 100 % Hi-Pot-getestet. Mit einem branchenüblichen Footprint und einer Pinbelegung sind die ICMs Pin-zu-Pin/Footprint-kompatibel mit älteren 1GBase-T-Produkten, sodass Kunden vorhandene Produkte aktualisieren können, ohne Änderungen am Platinenlayout vornehmen zu müssen. Zu den typischen Anwendungen gehören Basisstationen, Überwachungskameras, industrielle Steuerungsgeräte, Videoanzeigeeinheiten und drahtlose Zugangspunkte für 802.11ac Wi-Fi. Die Steckverbinder sind in vielen verschiedenen LED-Farbkombinationen und Optionen erhältlich, mit 30 oder 50 Mikrozoll vergoldeten Kontakten und einer Reihe mechanischer Optionen.

Upgrade bestehender Cat5e- und Cat6-Installationen zur Nutzung der Vorteile von NBASE-T

Bestehende Cat5e- und Cat6-Verkabelungsinstallationen werden aktualisiert, um die Vorteile der höheren Geschwindigkeiten zu nutzen, die durch die neuen NBASE-T-Spezifikationen geboten werden. Endgeräte wie Schalter und NAPs werden durch NBASE-T-Äquivalente ersetzt, um die Lebensdauer der gebäudeinternen Verkabelung zu verlängern.

Bei den höheren Geschwindigkeiten von NBASE-T sind LAN-Systeme anfälliger für EMI und ein gutes Design ist der Schlüssel zur Gewährleistung der Systemleistung. LAN-Magnete sind eine entscheidende Komponente beim Entwerfen von EMI, und Designer sollten sicherstellen, dass sie sich für ein hochwertiges ICM von einem erfahrenen Lieferanten wie Bel Magnetic Solutions entscheiden. Bel, ein weltweit führendes Unternehmen im Design und Vertrieb von integrierten Verbindungsmodulen (ICM) für Netzwerk- und Telekommunikationsanwendungen, hat kürzlich eine Reihe von Verbindungselementen auf den Markt gebracht, die einen Upgrade-Pfad zu NBASE-T zu minimalen Kosten bieten.

Mit einer starken Erfolgsbilanz bei technischen Innovationen und durch die Entwicklung kostengünstiger Lösungen für die Herausforderungen bei der Entwicklung neuer Produkte, hat sich Bel stets als wertvoller Zulieferer für die führenden Unternehmen in den ausgewählten Branchen erwiesen. Durch die Kombination ihrer Stärken im Produktdesign mit ihren speziell entwickelten Produktionsstätten, hat sich Bel weltweit als ausgezeichneter Wettbewerber etabliert.