10GBase-T-Konformität u. die Auswirkungen rauer Umgebungen

In Militär-, Luft- und Raumfahrt- und hochwertigen Industrie- und Kommunikationssystemen überträgt die Kombination aus Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Steckverbinder und Ethernet-Kabel Breitbandsignale in feindlichen Umgebungen zwischen Modems, Routern, Computern und anderen kabelgebundenen internetfähigen Geräten. In diesen feindlichen Umgebungen müssen hochwertige Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Steckverbinder in der Lage sein, die Übertragungsintegrität aufrechtzuerhalten sowie Stoß- und Vibrationsumgebungen standzuhalten. Dieser Artikel untersucht erforderliche elektrische und Stoß- und Vibrationsprüfungen für Ethernet 10GBase-T und stellt dann eine Standard-RJ45-Lösung für diese Umgebung und mögliche zukünftige Alternativen vor.

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

Tabelle 1: Vergleich von Cat 5/5e- und Cat 6/6a-Kabelbandbreiten und Daten-Höchstgeschwindigkeiten für Kabellängen bis zu 100 m

Qualifizierung für die Ethernet-Elektrikprüfung

Die Übertragungsrate von 10G-Ethernet beträgt nicht ein Bit pro Zyklus oder 10 Gigabit pro Sekunde (GBit/s). Das Senden von einem Bit pro Zyklus bei diesen Geschwindigkeiten führt zu Signalintegritätsproblemen, erfordert teure Hochgeschwindigkeitsanschlüsse und begrenzt die Länge des Übertragungspfads. Um hohe Bitraten zu erreichen und gleichzeitig diese Probleme zu vermeiden, verwendet 10G-Ethernet Modulationstechniken, die mehr als ein Informationsbit pro Zyklus (Baud) bei niedrigeren Frequenzen übertragen. Baud ist die Symbolrate, mit der ein Kommunikationsmedium arbeitet.

Ein Baud-Symbol kann mehr als ein Bit enthalten. Multi-Bit-Symbole ermöglichen höhere Durchsätze bei niedrigeren Frequenzen. 10G-Ethernet verwendet eine 16-stufige Double Square (DSQ)-codierte Pulsamplitudenmodulation (PAM16), was zu 3 Bits pro Symbol führt. Symbole werden mit 833 MBaud über vier verdrillte Adernpaare übertragen, was zu einer Gesamtbitrate von 10 GBit/s führt.

Die elektrische Ethernet-Prüfumgebung besteht aus Eingangs- und Ausgangssteckverbindern und Verbindungskabeln (siehe Abbildung 1).

10GBase-T-Kabelkonformitätstestkonfigurationen bewerten die Leistung des Kabels gemäß der Cat 6a-Kabelnorm (ANSI/TIA/EIA-568-B.2). Prüfergebnisse bestimmen, ob vorhandene geschirmte (STP) und ungeschirmte (UTP) Twisted-Pair-Kabel und Steckerkonfigurationen erfüllen die elektrischen Normen.

Elektrische Prüfungen des Ethernets

Die beiden Verkabelungsvarianten sind STP (geschirmtes Twisted Pair) und UTP (ungeschirmtes Twisted Pair), wobei die Twisted Pairs in einem STP-Kabel jeweils geschirmt (Abbildung 2) sind.

Die beiden Kategorien der zwölf Prüfparameter sind Übersprechen und Signal. Die Übersprechparameter prüfen die Kopplung zwischen verdrillten Adernpaaren über das Kabel und die Signalparameter prüfen die elektrische Integrität jeder der Kabeladern. Erfüllen die getesteten Parameter nicht die 10GBase-T Cat 6a-Anforderungen, so gefährdet Ihr System das Netzwerk. Diese Prüfungen und deren Abkürzungen sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Kategorie	Prüfung	Abkürzung
Übersprechen	Übersprechen nahe dem Ende	NEXT
	Übersprechen am fernen Ende	FEXT
	Leistungssumme des Übersprechens nahe dem Ende	PS NEXT
	Dämpfungs-zu-Übersprechen-Verhältnis – nahes Ende	ACR-N
	Dämpfungs-zu-Übersprechen-Verhältnis – fernes Ende	ACR-F
	Leistungssumme Dämpfungs-zu-Übersprechen-Verhältnis – nahes Ende	PS ACR-N
	Leistungssumme Dämpfungs-zu-Übersprechen-Verhältnis – fernes Ende	PS ACR-F
Signal	Rückflussdämpfung	RL
	Einfügungsdämpfung	IL
	Laufzeit	PD
	Laufzeitunterschied	PDS

Tabelle 2: Liste der Übersprech- und Signalprüfungen sowie Abkürzungen

Es sind Standardtester zur Bewertung der Konformität mit Ethernet 10GBase-T-Kabelanforderungen, einschließlich der Kabelanalysatoren DSX-500 und DSX-8000 von Fluke Networks verfügbar.

Übersprech-Prüfungen

In einem Übertragungssystem tritt Übersprechen auf, wenn das übertragene Signal einer Schaltung oder eines Kanals einen unerwünschten Effekt in einer anderen Schaltung oder in einem anderen Kanal erzeugt. Das Übersprechen ist normalerweise das Ergebnis einer unerwünschten kapazitiven, induktiven oder leitenden Kopplung von einer Schaltung oder einem Kanal zu einer/einem anderen.

Der kritischste Übersprechparameter für 10GBase-T-Ethernet-Kabel/Steckverbinder ist NEXT oder das Übersprechen am nahen Ende. NEXT ist eine der wichtigsten Kabelmessungen, da diese die gekoppelte Signalinterferenz von einem Adernpaar des Steckverbinders zu einem benachbarten Paar am Kabelende, das dem Testgerät am nächsten (nahes Ende) liegt (Abbildung 3), misst.

Twisted-Pair-Kabel von Ethernet besitzen vier Adernpaare. Diese Drähte werden miteinander verdrillt, um das Übersprechen und Interferenzen von außen zu reduzieren. Aktuelle LANs verwenden üblicherweise diese Art von Verkabelung.

Der NEXT-Test misst den Signalstärkenunterschied zwischen einem störenden Paar und einem Opferpaar. Eine signifikantere Zahl (weniger Übersprechen) ist wünschenswerter als eine kleinere Zahl (mehr Übersprechen). Da NEXT erheblich mit der Frequenz variiert, ist es wichtig, dieses über den anwendbaren Frequenzbereich zu messen. Cat 6a ist bis 500 MHz spezifiziert.

FEXT, PS WEITER, ACRN, ACRF, PSACRN, und PSACRF sind die sekundären Übersprechparameter. Die Messung des Übersprechens am fernen Ende (FEXT) erfolgt ebenfalls innerhalb eines Kanals. Es ist ähnlich wie NEXT, aber der Messpunkt befindet sich am fernen Ende des Kanals. FEXT ist jedoch nicht die vollständige Aussage, da die Entfernung die Signale abschwächt. Ein signifikanteres Ergebnis entfernt die Dämpfung (Einfügungsdämpfung) aus dem FEXT-Ergebnis, um den Dämpfungs-zu-Übersprechverhältnis-Parameter (ACRF) zu erzeugen.

Schließlich ist das Fremdübersprechen (AXT) in Ethernet-Cat-6A-10GBASE-T-Anwendungen ein Problem. Sobald Anwendungen zu höheren Frequenzen übergehen, was für Ethernet-Cat-6A-10GBASE-T-Anwendungen gilt, bestehen Bedenken hinsichtlich des Übersprechens von Kabel zu Kabel.

Alien-Übersprechen ist der Begriff für die Kopplung von Störungen von einem Kabel zum anderen. Dieser Übersprechfehler tritt auf, wenn ein Bündel aus vielen Kabeln ein einzelnes Kabel umgibt oder dieses stört. Die Kabel, die ein einzelnes Kabel in einem Bündel umgeben, sind die Störquellen. Die Kabel, die unter Störungen leiden, sind die Opferkabel.

Diese Störung wird kritischer, wenn schnellere Anwendungen den Bandbreitenbedarf von Kabeln erhöhen, da Störquellen die Fähigkeit des Opfers zur Datenübertragung beeinträchtigen können. Der Benutzer könnte denken, dass geschirmte Kabel bzw. innere oder äußere Kabelschirme das Alien-Übersprechen verringern. Eine unzureichende Schirmterminierung in einem geschirmten System kann das Alien-Übersprechen verursachen.

Signalprüfungen

Die vier Signalprüfungsparameter sind in Tabelle 3 beschrieben:

Prüfung	Name	Beschreibung
RL	Rückflussdämpfung	ein Maß, ausgedrückt in Dezibel (dB), aller Reflexionen von Impedanzfehlanpassungen an allen Stellen in Zusammenhang mit der Verbindung.
IL	Einfügungsdämpfung	die Höhe des Energieverlustes in Dezibel (dB), der verursacht wird, wenn das Signal am Empfangsende ankommt, quantifiziert den Effekt des Verbindungswiderstands der Verkabelung.
PD	Laufzeit	die von einem Signal benötigte Zeit, um sich von einem Ende der Schaltung zum anderen auszubreiten.
PDS	Laufzeitunterschied	der Laufzeitunterschied auf dem schnellsten und dem langsamsten Paar in einem ungeschirmten Twisted-Pair-Kabel (UTP)

Tabelle 3: Signalprüfungen und Beschreibungen

Die kritischsten Signalparameter von 10GBase-T-Kabeln sind die Rückflussdämpfung (RL) und die Einfügungsdämpfung (IL), wenn es um militärische und hochwertige industrielle Anwendungen geht. Die Rückflussdämpfung ist eine wichtige Prüfungsmessung für lokale Netzwerke (LAN), insbesondere für solche, die zu Protokollen mit höherer Geschwindigkeit migrieren.

Ethernet Stoß- und Vibrationsqualifizierung

Militärische und industrielle Werkzeuge und Anlagen müssen in einigen Fällen zuverlässig in rauesten Umgebungen, von den Tiefen des Ozeans bis zu den heißesten Wüsten, funktionieren. Neben unwirtlichen natürlichen Bedingungen und anlagenintensiven Produktionsstätten müssen Militär- und Industrieumgebungen Schüssen, Transportvibrationen sowie explosiven und säurehaltigen Atmosphären standhalten. In diesen Umgebungen scheinen die Auswirkungen von Stößen und Vibrationen unbestimmt zu sein.

Die weit verbreitete MIL-STD-810-Spezifikation umfasst eine umfassende Sammlung an dreißig Umgebungsprüfungen in Bezug auf Vibrationen, Stöße, akustische Geräusche, Temperatur, Feuchtigkeit, Sonneneinstrahlung, Sand und Staub.

Vibration beschreibt die Schwingungen eines mechanischen Systems. Das Vibrationsspezifikationsmaß ist Frequenz, Zyklen pro Sekunde und Amplitude oder Größe. In der Praxis hat eine Vibration oft kein regelmäßiges Muster. Das Vibrationssignal kann mehrere sinusförmige Größen kombinieren, die jeweils unterschiedliche Frequenzen und Amplituden aufweisen.

Die übergeordneten Vibrationskategorien sind entweder „frei“ oder „erzwungen“. Bei freien Vibrationen ändert sich die Struktur durch die anfängliche Störung, und dem System wird keine Energie zugeführt. Eine erzwungene Vibration schwingt unter „stationären“ Bedingungen weiter.

Die Definition von Stoß ist grob ein Aspekt der Vibration. Die Stoßenergie kann ein nicht periodischer Impuls, ein Schritt oder eine transiente Vibration sein, und ein Stoß deutet auf Plötzlichkeit und Schwere hin. Wesentliches Merkmal ist, dass nach dem Stoß die Bewegung des Systems die Frequenz der Stoßanregung und die Eigenfrequenz des Systems umfasst. Bei einer kurzzeitigen Anregung ist die fortlaufende Bewegung des Systems eine frei schwingende Masse mit ihrer Eigenfrequenz.

Obwohl der RJ45-Steckverbinder alle elektrischen Konformitätsprüfungen für 10GBase-T-Kabel erfüllen kann, übersteigt die Einhaltung von MIL-STD-810-Stoß- und Vibrationsprüfungen die Leistungsfähigkeit dieses Steckverbinders.

Ethernet-Steckverbindertechnologie

Militärische und industrielle Ethernet-Systeme verweben die Kommunikationskanäle miteinander. Die Unversehrtheit der Kabel und Steckverbinder ist ausschlaggebend für die Nutzbarkeit des 10GBase-T-Systems.

Die kritischen Elemente in diesen Systemen sind die Steckverbinder und Kabel. Der Standard-Ethernet-Steckverbinder ist der RJ45 (Abbildung 4).

Der kostengünstige, kleine RJ45-Steckverbinder erfüllt erfolgreich die elektrischen Anforderungen für eine 10GBase-T-Ethernet-Verbindung, erfüllt jedoch nicht die militärischen Anforderungen der MIL-STD-810-Stoß- und Vibrationsprüfungen. Der 38999-Steckverbinder geht das Stoß- und Vibrationsproblem effektiv an, indem dieser den RJ45-Steckverbinder in einer robusten Schale eingekapselt ist (Abbildung 5). Da diese Lösung für Stoß und Vibration jedoch groß und teuer ist, wurden kleinere, kostengünstigere Lösungen untersucht. Steckverbinder, wie Cinchs Micro-D, die Stoß- und Vibrationsanforderungen bereits erfüllen, wurden daraufhin evaluiert, ob sie so ausgelegt werden können, dass sie die 10GBase-T-Anforderungen für Cat-6-Kabel erfüllen (Abbildung 4).

Harsh Environment Considerations for 10GBase-T

Militärische und hochwertige Industrie- und Kommunikationssysteme verwenden Hochgeschwindigkeits-Ethernet-10GBase-T-Steckverbinder und -Kabelkombinationen, um Breitbandsignale in widrigen Umgebungen zu übertragen. Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Steckverbinder müssen in der Lage sein, die Übertragungsintegrität aufrechtzuerhalten sowie Stoß- und Vibrationsumgebungen gemäß Norm MIL-STD-810 standzuhalten. Die Herausforderung der elektrischen Konformität lässt sich mit bestehenden Technologien leicht bewältigen. Die Prüfung der Schock- und Vibrationsfestigkeit erfordert jedoch zusätzliche Aufmerksamkeit vom Konstrukteur, da dieser daran arbeitet, die Größe und die Kosten der Steckverbinder zu reduzieren. Heute ist die praktikable Alternative zum RJ45-Steckverbinder in den großformatigen und teureren 38999-Steckverbindern eingebaut.