Drahtgebundene Kommunikation

Welcher Übertragungsstandard sich am besten für welchen Einsatz eignet

Die Vernetzung von Maschinen, Geräten und Komponenten wird auch in Zukunft auf physischer Datenübertragung basieren. Die richtige Auswahl des Standards ist dabei entscheidend für die Effizienz der Kommunikation: Einige Grundlagen dazu.

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Auch wenn Maschinen, Geräte, Komponenten oder Menschen immer häufiger wireless vernetzt sind, bleibt die drahtgebundene Kommunikation in vielen industriellen Umgebungen immer noch ohne Alternative. Welcher Übertragungsstandard sich hierfür am besten eignet, hängt von den spezifischen Eigenheiten des Einsatzszenarios ab. Doch ein paar Grundüberlegungen helfen bei der Entscheidung.

SHDSL: Hohe Reichweiten als Ersatz für ISDN

Wenn es darum geht, über Kupferkabel sehr hohe Reichweiten zu erzielen, ist die symmetrische DSL-Übertragungstechnik SHDSL (Single-Pair High Speed Digital Subscriber Line) unschlagbar. ISDN steht als Alternative nicht mehr zur Verfügung, der Standard und die entsprechenden Schaltkreise wurden abgekündigt und existierende Lösungen müssen somit bis spätestens 2022 ersetzt werden. 

Bei kleinen Datenraten lassen sich mit SHDSL via verdrillter Kupferdoppelader bis zu 20km überbrücken, in der Praxis wurden auch schon 40km erreicht. Das prädestiniert den Standard für Anwendungen, bei denen geringe Datenmengen, z.B. Sensordaten, von abgelegenen Standorten gesendet und nur wenige Steuerbefehle dorthin zurückgeschickt werden, wie etwa bei Steuer- und Überwachungseinheiten an Gaspipelines. Für solche Einsatzzwecke ist zudem von Vorteil, dass SHDSL auch unter schwierigen Bedingungen, z.B. bei elektromagnetischen Störeinflüssen, eine robuste Kommunikation sicherstellt. 

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Auch für Kamerasysteme, z.B. bei Überwachungskameras oder Smart-City-Anwendungen oder bei Öl- und Gasexplorationen im Meer oder in der Erde, wo Daten über mehr als einige hundert Meter übertragen werden müssen, ist SHDSL der Standard der Wahl. Mit steigender Datenrate verkürzt sich zwar die Reichweite, je nach Kabelspezifikation, doch bis zu 15Mbit/s pro Kupferader lassen sich unter realistischen Bedingungen meist problemlos übertragen. Damit schlägt SHDSL die anderen Standards um Längen.

Um das Leistungsoptimum von SHDSL zu erreichen, muss die Software möglichst exakt auf die jeweilige Applikation angepasst werden. Denn meist kommen keine Telefonleitungen mit typischerweise 0,4mm Aderndurchmesser zum Einsatz, sondern sonstige bestehende Verkabelungen (z.B. deutlich dickere Leitungen). Hier ist ein großer Vorteil, dass die Technologie etliche Einstellungsmöglichkeiten bietet. Messungen an den Leitungen sind somit hilfreich, um spezifischen Charakteristika, wie der spektralen Bandbreite und dem Dämpfungsverlauf, Rechnung zu tragen und die Modulation dahingehend auf Performance und Stabilität hin zu optimieren. 

Bewährte Lösung für SHDSL

Die Quasi-Standard-Komponente für die SHDSL-Übertragung ist das SHDSL-Chipset PEF2x628 von Intel – bekannter unter ihrer ursprünglichen Bezeichnung SOCRATES, mit der Infineon sie vor einigen Jahren auf den Markt gebracht hatte. Die etablierte Lösung für EFM- (Ethernet First Mile) Systemapplikationen bietet Anwendern die Vorteile einer ausgereiften und erprobten Technologie, die kurze Markteinführungszeiten ermöglicht. Sie erreicht Datenraten bis zu 15Mbit/s pro Kupferdoppelader mit frei wählbarer Bitrate und ist als EFM-Modem, SHDSL-EFM-Modul oder als Plug&Play Ethernet Extender nutzbar. Neben SHDSL unterstützt das Chipset auch die Standards ETSI (SDSL, SDSL.bis), ITU (G.shdsl, G.shdls.bis, G.hs) und IEEE EFM.  Das Chipset ist auch als 4-Kanal-Lösung verfügbar. Damit lassen sich über vier Doppeladern bis zu 60Mbit/s symmetrische Datenrate erzielen. 

Industrierouter und Gateways: WAN-Konnektivität

Anders ist die Situation bei Industrieroutern oder Gateways. Hier stehen hohe Datenübertragungsraten im Vordergrund, in der Regel spielt die Reichweite hier eine untergeordnete Rolle. Der aktuelle Standard VDSL2 (Very High Speed Digital Subscriber Line) erzielt je nach Profil und der Kombination mit Vectoring oder Supervectoring Bitraten von bis zu 400Mbit/s über kurze Leitungslängen bei Nutzung von bis zu 35MHz spektraler Bandbreite. Die Performance teilt sich jedoch auf in Upload- und Downloadrate. Die Verteilung hängt von der Konfiguration des Anschlusses ab, die Downloadrate liegt aber typischerweise stets deutlich über der Uploadrate. Generell findet diese Technologie primär im Teilnehmeranschlussnetz Einsatz, kurze Leitungslängen kommen durch die Nutzung auf der „letzten Meile“ zu Stande, weil meist die Glasfaser nicht bis ganz zum Endkunden geführt wird bzw. werden kann.

Erheblich höhere Datenraten realisiert der VDSL2-Nachfolgestandard G.fast. Dafür müssen jedoch auch höhere Frequenzbereiche genutzt werden. Das ist bedingt durch die frequenzabhängige Dämpfung der Telefonleitungen nur über kurze Strecken möglich. Bei einer Bandbreite von 212MHz kann G.fast insgesamt ca. 2Gbit/s bis zu einer Entfernung von 50m übermitteln, über 250m sind es noch 700Mbit/s. Ab einer Entfernung von 500m sind mit G.fast ungefähr dieselben Datenraten erreichbar wie mit VDSL2 plus Vectoring. 

G.hn („HomeGrid-Standard“) wurde speziell für die digitale Vernetzung im Heimnetzwerk über verschiedene Kabel (Strom- , Telefon-  und Koaxialleitungen sowie optischer Polymerfasern) entwickelt. Auch hier stehen hohe Datenübertragungsraten von bis zu 2Gbit/s über eher kürzere Strecken von max. 500m im Vordergrund. Unter dem Namen GiGAWiRE findet diese Technologie auch im Teilnehmeranschlussnetz Anwendung, die Charakteristika sind grob mit denen von G.fast vergleichbar. 

Module im Mini-Format

Module für die Integration der beschriebenen xDSL-Technologien in die Router oder Gateways müssen möglichst klein sein, da auch die Geräte eine kompakte Bauform haben sollen. Deshalb hat Teleconnect, ein Spezialist für die drahtgebundene Kommunikation, für SHDSL, VDSL2 und G.hn kleinstmögliche Module auf Basis des M.2-Formfaktors entwickelt. Das Interface zum System stellt PCIe dar, so dass die Module sich wie „xDSL-Netzwerkkarten“ verhalten. So ermöglichen sie eine einfache Systemintegration. Durch Nutzung des (leicht abgewandelten) M.2-Formfaktors ist es ferner möglich, im System einen Slot nicht nur für xDSL-Module, sondern auch für generische Applikationen wie SSDs oder WWAN-Module zu nutzen. Systemintegratoren erhalten mit diesen Modulen somit ein sehr mächtiges Werkzeug, um aktuelle und künftige Applikationen realisieren zu können, ohne das komplette xDSL-Know-How selbst aufbauen zu müssen. 

Das VDSL2-EFM- (Ethernet-in-the-First-Mile) Modem VDSL2.M2.220 ist ein Plug&Play-Modul mit M.2-Anschluss (Key B oder M). Integriert sind der VRX220 Transceiver und der Ethernet Controller der I211 Serie von Intel. Eine vollkommen transparente Netzwerk-Bridge für VDSL2 und ADSL (1VC) ermöglichen das Routing auf einem Host. Das Modem ist für den analogen Telefondienst oPOTS (Plain Old Telephone Service) und für das digitale oISDN erhältlich und eignet sich für Enterprise und White Box CPE (Customer Premises Equipment), IAD (Integrated Access Device), Gateways, Router und PCs. 

Für denselben Einsatz sind auch G.hn Modems von Teleconnect mit ähnlichen Spezifikationen verfügbar bzw. für G.fast in Vorbereitung. Die hochqualitativen Lösungen sind vor allem für anspruchsvolle Anwendungen, die eine zuverlässige Verbindung fordern, empfehlenswert. 

Das G.hn-Modem eignet sich vor allem für die industrielle Vernetzung, da es zuverlässigere und schnellere Netzwerke ermöglicht als dies über konventionelle drahtlose Verbindungen möglich ist. Der Uplink unterstützt bis zu 1,7Gbit/s. Es verfügt über eine Signalqualitätsanzeige und bietet Statusanzeigen und Statistiken zur Ethernet-Schnittstelle. 

Sowohl das G.fast- als auch das G.hn-Modem haben eine transparente Bridge für Host-Routing (für G.fast/VDSL2 bzw. G.hn). Das G.hn-Modul verfügt wie das VDSL2-Modem über einen M.2-Anschluss während das G.fast-EFM-Modem mit PCIe Low Profile oder vCPE-Anschluss ausgestattet ist.