gesponsertSingle Pair Ethernet Reichweite und Leistung von SPE (10BASE-T1L)

Gesponsert von

Analog Devices LTD

Die Kabeldefinition 10BASE-T1L ist so flexibel, dass auch bestehende Ethernet-Systeme genutzt werden können. Sind allerdings Reichweite und Leistung identisch? Und welche Kabeltypen sind getestet?

In immer mehr Branchen wird 10BASE-T1L-Ethernet genutzt. Dazu muss das Ethernet-System eine breite Palette von Kabeltypen unterstützen. In einigen Fällen sind diese Kabel bereits vorhanden. Die Flexibilität der Kabeldefinition im 10BASE-T1L-Standard sorgt diesbezüglich für einen Vorteil gegenüber anderen Techniken, da bestehende Kabel weiter genutzt werden können.

Allerdings wirft diese Flexibilität auch Fragen auf. Ist beispielsweise eine Reichweite von einem Kilometer mit jedem Kabeltyp möglich und ist die Leistungsfähigkeit ohne Rücksicht auf den Kabeltyp immer gleich? Reichweite und Leistungsfähigkeit einer Verbindung hängen natürlich von den Eigenschaften der Leitung ab, die wiederum durch deren Aufbau bestimmt werden.

Bildergalerie

Die APL-Spezifikation (Advanced Physical Layer) und die Norm IEEE 802.3cg (10BASE-T1L) sind zwei unterschiedliche Standards, die zwar miteinander zusammenhängen, aber dennoch nicht das gleiche bedeuten. Die Norm IEEE 802.3cg definiert den Physical Layer (Bit-Übertragungsschicht) 10BASE-T1L für die Ethernet-Kommunikation über lange Twisted-Pair-Kabel, unabhängig von der jeweiligen Anwendung. Der APL-Standard dagegen ergänzt die Norm IEEE 802.3cg durch zusätzliche Spezifikationen und Definitionen, um die gleiche Bit-Übertragungsschicht in eigensicheren Anwendungen zur Prozesssteuerung zu nutzen. Hieraus folgt, dass jedes APL-Gerät konform zum 10BASE-T1L-Standard ist (beim Data Layer, nicht aber bei der Speisung über die Datenleitung), während ein 10BASE-T1L-Gerät nicht unbedingt APL-konform ist.

Das APL-Dokument umfasst Spezifikationen für die Sicherungsschicht (Data Link Layer) und Systemdefinitionen und widmet sich Aspekten wie der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), der Verbindung zum Kabelschirm und der Netzwerktopologie. Die APL-Spezifikation definiert zwei Arten von Datenverbindungen in einem Netzwerk, nämlich Spur- und Trunk-Verbindungen (Bild 1). Spur-Verbindungen führen direkt zu den Feldgeräten, dürfen eine Länge von 200 m nicht überschreiten und nutzen für die Übertragung zu den eigensicheren Feldgeräten einen Spannungspegel von 1 V_P-P. Trunk-Verbindungen dagegen verbinden Feld-Switche oder stellen in Upstream-Richtung die Verbindung zum nächsten Power Switch her. Sie können bis zu 1.000 m lang sein und verwenden Übertragungspegel von 2,4 V_P-P.

In anderen 10BASE-T1L-Anwendungen, wie der Gebäudeautomation, ist die APL-Konformität nicht erforderlich, weshalb Spur- und Trunk-Verbindungen hier nicht relevant sind. Stattdessen kommen als Netzwerktopologien Stern-, Linien- oder Ring-Konfigurationen oder auch Kombinationen davon in Frage.

Die Übertragungspegel orientieren sich hier am Leistungsbedarf oder der gewünschten Störfestigkeit und lassen sich unabhängig von der Platzierung des Sensors oder des Netzwerk-Switches festlegen. Dies bietet mehr Flexibilität bei den Leitungen, da unabhängig von der Lage der Verbindung ein Übertragungspegel von 2,4 V_P-P gewählt werden kann. Dies erhöht die Toleranz gegenüber Kabelverlusten und auch die Anforderungen an die nominelle Kabelimpedanz sind weniger strikt.

IEEE 802.3cg: Welche Kabelcharakteristika werden von den Standards definiert?

Die Eigenschaften des Verbindungssegments, die ein Kabel erfüllen muss, um der Norm IEEE 802.3cg zu entsprechen, sind in Unterklausel 146.7 des Dokuments spezifiziert. Darin sind Grenzwerte für die Einfügedämpfung, die Rückflussdämpfung, die maximale Link-Laufzeit, die Umwandlung differenzieller- in Gleichtaktsignale (bei ungeschirmten Kabeln) und die Koppeldämpfung (bei geschirmten Kabeln) angegeben. Darüber hinaus enthält die APL-Spezifikation für eigensichere Anwendungen sowie für Installationen in explosionsgefährdeten Bereichen (Zone 0: hochexplosiv; Zone 1: Brand- oder Explosionsgefahr; Zone 2: geringere Brand- oder Explosionsgefahr) zusätzliche Regeln für die Anwendung der Bit-Übertragungsschicht 10BASE-T1L. Dazu zählen Definitionen für die Verkabelung, nämlich die Kabelklassifizierung, die maximale Kabellänge für Spur- und Trunk-Leitungen, die Schirmung usw.

Einfügedämpfung: Die in Dezibel [dB] angegebene Einfügedämpfung von Kabeln spezifiziert die Signalabschwächung entlang der Übertragungsstrecke des Kabels. Berechnet wird sie als das Verhältnis zwischen der Sendeleistung am Beginn des Kabels und der empfangenen Leistung an seinem Ende. Der Verlust bzw. die Abschwächung nimmt mit der Länge des Kabels und der Signalfrequenz zu. Gemäß der Norm IEEE 802.3cg ist die maximal zulässige Einfügedämpfung vom Übertragungspegel abhängig. Sie ist bei 2,4 V_P-P höher als bei 1 V_P-P, um die unterschiedlichen Signalstärken und ihre jeweiligen Anforderungen zu berücksichtigen. In Bild 2 sind die Grenzen der Einfügedämpfung für Übertragungspegel von 1 V_P-P und 2,4 V_P-P angegeben.

Die APL-Kabelspezifikation ordnet Kabel abhängig von ihrer Einfügedämpfung in vier Kategorien ein, aus denen sich die maximalen Verbindungslängen für Spur- und Trunk-Leitungen ergeben. Diese Kategorien entsprechen auch der Kabelspezifikation von IEEE 802.3cg 10BASE-T1L. Die Grenzwerte der Einfügedämpfung für 1 und 2,4 V_P-P orientieren sich an den betrieblichen Anforderungen für Spur- bzw. Trunk-Leitungen. Erstere müssen mit 1 V_P-P betrieben werden und die entsprechende Einfügedämpfungsgrenze berücksichtigen, während letztere mit 2,4 V_P-P betrieben werden und höhere Grenzwerte für die Einfügedämpfung zugrunde legen können.

Rückflussdämpfung: Im Idealfall sollte ein übertragenes Signal vollständig von der Last am Ende des Kabels aufgenommen werden. Das Signal wird jedoch infolge der Einfügedämpfung abgeschwächt, außerdem wird ein Teil der Energie an die Quelle zurückreflektiert. Zu diesen Reflexionen, die durch Impedanz-Unstimmigkeiten zwischen Sender und Kabel oder auch entlang des Kabels hervorgerufen werden, können an jedem Punkt auftreten. Die meist in Dezibel angegebene Rückflussdämpfung eines Kabels gibt an, welcher Anteil des Signals an die Quelle zurückreflektiert wird. Berechnet wird sie als das Verhältnis zwischen gesendetem und reflektiertem Signal. Wie die Einfügedämpfung ist auch die Rückflussdämpfung von der Signalfrequenz abhängig.

Wenn ein Kabel von hoher Qualität ist, bleibt seine Impedanz über die gesamte Länge gleich und die Impedanz-Unstimmigkeiten sind minimal – abgesehen von den Verbindungen mit den Transceivern. Dies gilt jedoch nicht, wenn das Kabel infolge von Beschädigungen oder Konstruktionsmängeln Fehler aufweist. Dieses Szenario soll in diesem Beitrag jedoch nicht berücksichtigt werden.

Anders als die Spezifikation der Einfügedämpfung der Norm IEEE 802.3cg 10BASE-T1L ist die Spezifikation der Rückflussdämpfung unabhängig vom Übertragungspegel. Dies ergibt sich unmittelbar daraus, dass die Rückflussdämpfung eines korrekt abgeschlossenen Kabels nicht von seiner Länge abhängt. Die Rückflussdämpfung dürfte also gleich sein, ob ein Kabel nun 250 oder 500 m lang ist, sofern es keine Schwankungen infolge von Herstellungsprozessen oder Umgebungsbedingungen (z.B. Feuchtigkeit oder Temperatur) gibt.

Auch die APL-Spezifikation definiert die minimale Rückflussdämpfung, die ein Kabel einhalten muss, um APL-konform zu sein. Diese Spezifikation ist deutlich einfacher als die der Einfügedämpfung, weil hier keine Unterscheidung zwischen den Übertragungspegeln der Transceiver vorgenommen wird.

Die Spezifikation der Rückflussdämpfung gemäß APL ist strikter als gemäß der Norm IEEE 802.3cg, da eine zusätzliche Sicherheitsmarge von 6 dB hinzugefügt wird. Alle Kabel, deren Rückflussdämpfung die APL-Spezifikation erfüllt, sind auch konform zur Spezifikation der Rückflussdämpfung von 10BASE-T1L, während das umgekehrt nicht der Fall ist (Bild 3).

Maximale Verbindungslaufzeit: Unter der Verbindungslaufzeit versteht man die Zeit, die ein Signal benötigt, um von einem Ende des Kabels zum anderen zu gelangen. Sie wird durch die Konstruktion des Kabels bestimmt und kann sich mit der Temperatur ändern. Die Verbindungslaufzeit kann auch als Funktion der nominellen Ausbreitungsgeschwindigkeit (Nominal Velocity of Propagation, NVP) ausgedrückt werden, die als Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit des Signals im Kabel und der Lichtgeschwindigkeit definiert ist. Die NVP-Werte von Leitungen sind stets kleiner als 1 und liegen bei den meisten Kabeln zwischen 0,6 und 0,8. Gelegentlich liegen die NVP-Werte sogar näher an 0,5, woraus ersichtlich ist, dass die Verbindungslaufzeit bei gleicher Kabellänge größer ist.

Die maximale Verbindungslaufzeit, die in der Norm IEEE 802.3cg für 10BASE-T1L spezifiziert ist, ist ein konstanter Wert, der einem 1.589 m langen Kabel mit einem NVP-Wert von 0,6 entspricht. Daraus errechnet sich eine maximale Verbindungslaufzeit von 8.834 ns.

Modenumwandlung und Koppeldämpfung: Die Einfüge- und die Rückflussdämpfung sind die wichtigsten Parameter, die unter normalen Umständen über die Leistungsfähigkeit eines Kabels entscheiden. In industriellen Anwendungen müssen Systeme jedoch auch starken elektromagnetischen Interferenzen (EMI) widerstehen. Dabei kann es sich entweder um konstante Frequenzen handeln, die in das Kabel eingekoppelt werden oder um sporadisch auftretende energiereiche Impulse. Unabhängig von der Störbeeinflussung muss eine 10BASE-T1L- oder APL-Kommunikation bestehen bleiben und es dürfen keine Datenverluste auftreten. Da der Großteil der elektromagnetischen Störungen aus externen Quellen stammt und eine Einkopplung hauptsächlich über lange Single-Pair-Kabel erfolgt, spielen die Eigenschaften dieses Kabels eine wichtige Rolle für die allgemeine EMI-Beständigkeit.

Mindest-Koppeldämpfung für geschirmte Kabel

Die Norm IEEE 802.3cg legt für geschirmte Kabel eine bestimmte Mindest-Koppeldämpfung fest. Diese Angabe bezieht sich auf die maximale Signalstärke, die differenziell in das Adernpaar eingekoppelt wird. Bei einem geschirmten Kabel hängt dies von der Qualität und Abdeckung der Schirmung sowie der Symmetrie der Adern des jeweiligen Paars ab. Unterschiedliche Schirmungen reagieren dementsprechend unterschiedlich. Ein Kabel mit Folienschirm und Ableitungsdraht dürfte also andere Eigenschaften aufweisen als ein Kabel mit geflochtenem Schirm und 90 % Abdeckung.

Umwandlung differenzieller Signale in Gleichtaktsignale bei ungeschirmten Kabeln: Wenn beide Adern eines Leiterpaars ideal und symmetrisch sind, müssten sich Signale gleichartig einkoppeln, woraus wiederum ein Gleichtaktsignal resultiert, das von den MDI-Schaltungen im 10BASE-T1L-Signalpfad effektiv ausgefiltert werden kann. Asymmetrien zwischen den Adern aber können bewirken, dass sich ein Teil des Gleichtaktsignals als differenzielles Signal manifestiert. Wenn dieses Signal in die für 10BASE-T1L relevante Bandbreite (100 kHz bis 20 MHz) fällt und hinreichend stark ist, kann es den Auto-Negotiation-Prozess oder die Datenübertragung stören. Überdies kann diese Asymmetrie dazu führen, dass ein Teil des differenziellen 10BASE-T1L-Signals in ein Gleichtaktsignal umgewandelt wird, was die Leitungsverluste erhöht und die Leistungsfähigkeit potenziell beeinträchtigt.

Zur Abmilderung dieser Probleme spezifiziert die Norm IEEE 802.3cg abhängig von der elektromagnetischen Umgebung, in der das Kabel zum Einsatz kommt, eine minimale Differenziell/Gleichtakt-Umwandlung (TCL).

Längenabhängigkeit der Kabeleigenschaften

Da IEEE 802.3cg 10BASE-T1L die Kabeleigenschaften nicht für eine bestimmte Länge angibt, treten gehäuft Anfragen bezüglich der maximalen Reichweite und der Konformität auf. Zum Beispiel entspricht ein 1.000 m langes Cat.-5/Cat.-6-Kabel üblicherweise nicht dem 10BASE-T1L-Standard, da seine Einfügedämpfung die festgelegten Grenzen übersteigt. 700 m des gleichen Kabels wären dagegen normgemäß.

Die Einfügedämpfung ist direkt proportional zur Kabellänge. Dies bedeutet, dass ein Verbindungssegment das k-mal länger ist als ein anderes Kabel desselben Typs eine Einfügedämpfung aufweist, die k-mal größer ist als die Einfügedämpfung des kürzeren Kabels. Die Einfügedämpfungs-Kennlinie eines 1.000 m langen Kabelsegments entspricht also näherungsweise dem Zehnfachen der Einfügedämpfungs-Kennlinie eines 100 m langen Abschnitts desselben Kabeltyps.

Im Gegensatz dazu hängt die Rückflussdämpfung eines Kabels nicht von seiner Länge ab (ein gleichartiger Aufbau vorausgesetzt). Für den bei 10BASE-T1L genutzten Frequenzbereich ist diese Annahme hinreichend genau. Allerdings können mehrere miteinander verbundene Segmente desselben Kabeltyps eine schlechtere Rückflussdämpfung aufweisen als ein durchgehendes Segment, da es an jeder Verbindungsstelle zu Reflexionen kommen kann. Der Einfachheit halber basieren die folgenden Betrachtungen auf der Annahme, dass die Rückflussdämpfung eines bestimmten Kabeltyps unabhängig von der Länge konstant ist.

Teil 2 dieses Artikels geht detailliert auf die Verbindungslaufzeit in Abhängigkeit von der Kabellänge und die Normkonformität von Kabeln nach IEEE 802.3cg sowie die maximale Kabelreichweite anhand von Beispielen ein.

(ID:50589594)