Was bringt Gigabit Ethernet?

Dass die Datenübertragung im industriellen Bereich über Ethernet mit 10 MBit/s sowie Fast-Ethernet mit 100 MBit/s in rauer Industrieumgebung funktioniert, steht heute außer Frage. Gilt dies gleichermaßen auch für die nächste Stufe der Gigabit-Übertragung, und was bringt diese Bandbreiten-Erhöhung der Automatisierungstechnik?

Dass die Datenübertragung im industriellen Bereich über Ethernet mit 10 MBit/s sowie Fast-Ethernet mit 100 MBit/s in rauer Industrieumgebung funktioniert, steht heute außer Frage. Gilt dies gleichermaßen auch für die nächste Stufe der Gigabit-Übertragung, und was bringt diese Bandbreiten-Erhöhung der Automatisierungstechnik?

Die Datenübertragung im Ethernet- Netzwerk erfolgt typischerweise über ein Twisted-Pair-Kabel. Bei Übertragungsraten von 10 MBit/s und 100 MBit/s kommen zwei Adernpaare zum Einsatz: ein Adernpaar für den Datentransport vom Gerät weg und ein Adernpaar für den Datentransport zum Gerät hin. Damit äußere Störungen keinen Einfluss auf die zu übertragenden Daten nehmen können, ist jedes Adernpaar für sich verdrillt. Zusätzlich sind die beiden Adernpaare untereinander verseilt. Dies führt zu einer höheren Robustheit gegenüber dem anderen Adernpaar. Die Leitungslängen eines Adernpaars müssen nahezu gleich sein. Insgesamt lassen sich die beschriebenen Eigenschaften unter dem Begriff "Symmetrie" zusammenfassen. Was die störsichere Übertragung betrifft, sind Twisted- Pair-Kabel gemäß CAT5 ausreichend. Für größere Entfernungen oder in überdurchschnittlich gestörten Umgebungen empfehlen sich optische Übertragungsmedien wie Multimode- und Singlemode-Glasfasern oder Kunststofffasern.

Seit kurzem macht im industriellen Umfeld neben Ethernet und Fast-Ethernet auch die nächsthöhere Stufe - die Gigabit Übertragung - von sich Reden. Technisch betrachtet ist diese Steigerung eine deutlich höhere Herausforderung an die Übertragungsphysik, als die bloße Zugabe einer Zehnerpotenz vermuten ließe. Unter anderem auch deshalb, da die Erwartungen der Anwender bezüglich bestimmter Eigenschaften gleich bleiben. Das heißt konkret:

  • die maximale Kabellänge pro Segment darf 100 m betragen,
  • es sollen keine kostenintensiven Kabel zum Einsatz kommen müssen,
  • die Anschlusstechnik darf sich nicht verändern und
  • die Datenrate soll sich automatisch einstellen (Autonegotiation).

Aus zwei mach vier

Die Basis für die technische Umsetzung der Gigabit-Übertragung bildet die Verwendung von Kabeln mit vier Adernpaaren. Zur Reduzierung der Datenrate pro Adernpaar werden alle vier Adernpaare zur Datenübertragung in beide Richtungen genutzt. Die Verwendung einer höherwertigen Leitungscodierung - der PAM5-Codierung (Pulsamplitudenmodulation mit fünf Zuständen, die 2 Bit pro Schritt und Adernpaar überträgt) - reduziert zusätzlich die Grenzfrequenz. Im Gigabit- Ethernet-Netzwerk müssen verbundene Geräte folglich gleichzeitig senden und empfangen können. Das bedeutet, dass auf den einzelnen Adernpaaren vollduplex gesendet und empfangen wird. Die Empfänger müssen daher bei den Signalen unterscheiden zwischen:

  • Reflexionen des ausgesendeten Signals
  • Übersprechen anderer Datenleitungen
  • Empfangen des eigentlichen Signals.

Die Lösung dieser Herausforderung liegt im Einsatz moderner Codierungsverfahren zum Verschlüsseln der Daten vor dem Senden sowie dem Entschlüsseln nach dem Senden. Voraussetzung dafür sind leistungsfähige Signalprozessoren in den Sendern und Empfängern. Aufgrund dieser Maßnahmen ist für die Gigabit-Datenübertragung ein Kabel gemäß CAT5e ausreichend - also eine Leitung, wie sie an vielen Stellen bereits installiert ist.

Ebenso wie bei den 10- und 100-MBit- Ethernet-Netzwerken, stellt sich auch bei der Gigabit-Übertragung die Frage nach der Eignung im industriellen Umfeld, insbesondere hinsichtlich der Störfestigkeit. Neue Geräte wie beispielsweise der SMCS-Switch von Phoenix Contact mit acht Twisted-Pair-Gigabit-Ports stehen den Geräten für Ethernet und Fast-Ethernet in keiner Weise nach und erfüllen in gleicher Weise die industriellen Anforderungen, beispielsweise hinsichtlich der Störfestigkeit in EMV-belasteter Umgebung. Dies ist nicht selbstverständlich, denn je höher die Übertragungsrate ist, desto weniger Energie reicht aus, um ein Bit zu stören. Aus diesem Grund waren bei den Gigabit-Switches zusätzliche Design- Maßnahmen notwendig, um die gleichen Eigenschaften wie bei 10- und 100- MBit/s-Geräten zu erzielen. Auch bei den Gigabit-Switches bieten sich für größere Entfernungen beziehungsweise in stark gestörter Umgebung optische Übertragungsmedien an: etwa Multimode-Glasfasern mit einer typischen Reichweite von 550 m oder Singlemode-Glasfasern mit einer Reichweite von 10 km.