Die Bundesregierung fordert und fördert im Rahmen der digitalen Agenda die Digitalisierung. Die jetzige Kampagne um die Digitalisierung hat ihren Ursprung in den aktuellen technischen Treibern – den sogenannten Megatrends wie Big Data, Cloud Computing und Industrie 4.0.
Diese Megatrends befruchten sich gegenseitig und haben eins gemeinsam: sichere, hochwertige und wirtschaftliche Netzinfrastrukturen, welche den ständig wachsenden Anforderungen an Bandbreite, Datenrate, Energiebereitstellung und Energieeffizienz genügen müssen. Insbesondere im Rechenzentrum, dem digitalen Brennpunkt dieses Geschehens, entwickeln sich Übertragungs- und Speicherkapazitätsbedarfe rasant.
Förderprogramm mit Harting
Die Bundesregierung hat Fördermittel ausgelobt, um Entwicklungen zu schnelleren Datenraten, Rechenzentrumslösungen und Industrie 4.0 voranzutreiben. Dabei geht es aber nicht einfach nur um Produktinnovationen, sondern um nachhaltig verwertbare Technologien. Das Programm richtet sich an Forschungseinrichtungen und Firmen. Mit dem Einbringen der Projektergebnisse in die internationale Standardisierung, werden die technischen Voraussetzungen für die weltweite Verbreitung und Vermarktung geschaffen.
Das Förderprojekt 100G hat zum Ziel, die Machbarkeit von Datenraten bis zu 100G über Kupferkabel zu untersuchen. Was im Bereich von LWL schon länger Standard, aber auch nur zu deutlich höheren Kosten machbar ist, soll in diesem Projekt über vier verdrillte Aderpaare aus Kupfer realisiert werden.
Zur Realisierung haben sich deshalb zwei namhafte Hersteller aus den Bereichen Kabel und Steckverbinder mit einer führenden Forschungseinrichtung zusammen getan. Die drei Verbundpartner des Projektes, die Hochschule Reutlingen / Reutlinger Resarch Institute sowie Leoni und Harting, verfügen jeder für sich über Expertise für das Projekt 100G.
Der Name Leoni steht dabei weltweit für Kabel-, System- und Entwicklungskompetenz. Die Lösungen kommen im Automobilbau und in Schlüsselbranchen der Wirtschaft wie der Telekommunikation, IT, Gesundheit und Energie zum Einsatz.
Zuverlässige und leistungsfähige Kabel alleine schaffen jedoch keine Daten oder Energieweiterleitung. Hierfür bedarf es Steckverbindern, die höchsten Ansprüchen gerecht werden und in Verbindung mit Kabeln und der optimalen Installationstechnik den langzeitstabilen Einsatz in den unterschiedlichen Anwendungsfeldern erlauben. Hier kommt das Familienunternehmen Harting aus Espelkamp ins Spiel, Spezialist für Verbindungstechnologie, welche Basis für die industrielle Produktionstechnik ist.
Das Unternehmen schafft Lösungen für die Märkte Automatisierungstechnik, Energie, Verkehrstechnik, Rundfunk-, Bühnen- und Veranstaltungstechnik, Maschinenbau, Medizintechnik und Infrastruktur. Das Produkt- und Lösungsspektrum umfasst Steckverbinder, Geräteanschlusstechnik und Netzwerkkomponenten. Harting-Produkte verbinden Maschinen und Anlagen mit Daten, Signal und Power. Flankierend setzt Harting dazu sein Know-how und Equipment im Bereich Simulation/Signal Integrety und der Mess- und Prüftechnik ein.
Stellenwert nationaler und internationaler Normierungsarbeit
Neben der Förderung technologischer Entwicklungen hat die Bundesregierung mit diesen Verbundprojekten auch die Verbreitung der Ergebnisse durch nationale und internationale Normungsaktivitäten im Blick. Die Daten- und Kommunikationsnetze werden immer dichter und die eingangs genannten Megatrends erfordern eine sichere und leistungsfähige Netzwerkinfrastruktur.
Auf die industrielle Anwendung bezogen, führt diese Entwicklung zwangsläufig über die Aufrüstung der Hardware in den Rechenzentren. Sie bilden die zukünftige Grundlage für die stärkere Vernetzung und Versorgung mit Daten bis hinunter in alle Bereiche der Automation. Hier muss die Hardware so ausgelegt sein, dass sie den Datenverkehr nicht nur aufnehmen sondern auch seinen stetig wachsenden Anforderungen, gerade auch an Geschwindigkeit und Bandbreite, gerecht wird. Kabel, Steckverbinder und andere Schnittstellen müssen auch den gestiegenen Anforderungen gewachsen sein – und das sowohl im Rechenzentrum, in der Gebäudeinfrastruktur als auch in der Produktion selbst.
Im Rahmen des Projektes sollte aufgezeigt werden, dass eine Erhöhung der Datenraten auf 100G über verdrillte Doppeladern theoretisch, und zukünftig technisch möglich und wirtschaftlich sinnvoll ist. Damit wurden die Grundlagen für eine zukunftsoffene informationstechnische Infrastruktur geschaffen. Die zu erstellenden Anforderungen bedeuten eine signifikante Verbesserung der Eigenschaften von Verkabelungskomponenten, wie Kabel und Steckverbinder.
Ziel des Projektes war es, bei ISO/IEC JTC 1/SC 25 ein neues Projekt (NWIP = New Work Item Proposal) zum Thema 100 GBit/s über verdrillte Doppeladern auf den Weg zu bringen. Angestrebt wurde die Erstellung einer internationalen Richtlinie. Diese ist eine Alternative und häufig ein Vorgängerdokument zu einer internationalen Norm. Der Vorteil der Richtlinie ist, dass diese in der Regel kurzfristiger als eine internationale Norm realisiert werden kann. Für diese Richtlinie soll im Rahmen des Projektes ein erster Entwurf erstellt werden.
Bei der Erhöhung der Datenrate über symmetrische Kupferkabel von derzeit 10 GBit/s auf zunächst 40 GBit/s (INS-Vorgängerprojekt) und schließlich 100 GBit/s handelt es sich jeweils um enorme Technologiesprünge. Schon bei 100 MBit/s über symmetrische Kupferkabel meinten Experten, höhere Datenraten seien nicht über Kupferkabel übertragbar. Durch das beantragte Projekt soll der Einstieg in höhere Datenraten auch über symmetrische Kupferverkabelung zur Überbrückung der letzten Entfernung zum Arbeitsplatz beziehungsweise Zwischenverteiler ermöglicht werden.
Die Erhöhung der Datenrate um den Faktor 4 beziehungsweise 10 bedeutet im GBit/s-Bereich eine bedeutende Vervielfachung der Komplexität und der Anforderungen an die hochfrequenztechnischen Übertragungseigenschaften des Kanals. Das Forschungsziel kann nur mittels eines Verbundprojektes erreicht werden. Partner innerhalb dieses Verbundprojektes sind die Teilvorhaben Kabel, Verbindungstechnik und Übertragungsstrecke.
Ethernet-Netzwerke werden mit dem WWW und der Cloud verbunden. Dies ermöglicht nicht nur die Steuerung von Maschinen von überall weltweit, sondern auch eine verbesserte Kommunikation mit anderen Firmen in Echtzeit. Droht bei einer Maschine in absehbarer Zeit, ein Teil auszufallen, kann die Maschine selbstständig beim Ersatzteilhändler das entsprechende Teil ordern. Gehen Lagerbestände zurück, geht der entsprechende Befehl an den Hersteller und so weiter.
Gleichermaßen können Signale über diese Möglichkeiten weltweit an andere Standorte geschickt und verarbeitet werden. Ist beispielsweise ein Produktionsstandort ausgelastet, ein anderer besitzt jedoch noch Kapazitäten, kann in Echtzeit die Produktion auf der anderen Seite des Globus anfahren. Je weiter man diese Vorstellung strickt, desto eher wird klar, welche Datenmengen und Herausforderungen in Zukunft damit verbunden sein werden.
Ständig steigende Anforderungen an Übertragungsraten und Bandbreite sowie Sicherheit und Verfügbarkeit von Kommunikationsnetzen und damit an Infrastruktur und Verkabelung sind so Treiber für das Verbundprojekt 100 GBit/s über symmetrische Kupferverkabelung.
Stetig verbesserte Übertragungsgeschwindigkeit
Um Aussagen über die technische Machbarkeit einer 100G Übertragung über symmetrische Kupferverkabelung zu erhalten, wurde die Aufgabenstellung auf die wesentlichen, zu untersuchenden Kriterien heruntergebrochen. Das Kernelement der 100G Datenübertragung über vier Paare eines symmetrischen Übertragungskanals ist die Übertragung von 25 GBit/s über ein Paar. Der Übertragungskanal besteht dabei aus dem Kabel und Steckverbindern. Die Untersuchungsergebnisse der verschiedenen Prototypen von Kabeln haben zur stetigen Verbesserung des Designs der PIMF Kabelkonstruktion geführt. Ein finaler Prototyp (Vorserienstatus) konnte alle wesentlichen übertragungstechnischen Parameter weitestgehend zufriedenstellend erfüllen.
Bei der Untersuchung des Übertragungsverhaltens von Steckverbindern wurde auf bereits bestehende Steckverbinder-Typen zurückgegriffen. Dabei bestätigte sich die Annahme, dass je besser die separate Schirmung der einzelnen Kontaktpaare in einem Steckverbinder konstruktiv ausgeführt ist, sich auch das Übertragungsverhalten bei hohen Frequenzen und großen Bandbreiten verbessert. Die belastbaren Testergebnisse der Komponenten konnten nun im Channel Model zusammengeführt werden. Die mathematischen Untersuchungen an Hand des Models ließen den Schluss zu, dass eine Übertragung von 25 GBit/s über ein Paar eines symmetrischen Kupferkanals von 30 m Länge mit Bandbreiten von 2,5 GHz oder darüber möglich ist.
In abschließenden Tests wurde der physisch aufgebaute 30 m-Übertragungskanal jetzt mit Nutzsignalen belastet. Dabei sollte herausgefunden werden, welches Kodierungsverfahren für die Übertragung von 100 GBit/s über eine symmetrische Kupferverkabelung am sinnvollsten zu verwenden ist. Die Testsequenz, mit einer Signalfolge auf Basis von PAM 16 und PAM 32, wurde an einem Ende des rein passiven Übertragungskanals eingespeist und mit den empfangenen Daten am anderen Ende verglichen.
Nächste Generation Kupferverkabelung
Das Verbundprojekt 100G hat die technische Machbarkeit der Übertragung von 100 GBit/s Ethernet über symmetrische Kupferverkabelungssysteme nachgewiesen. Dabei ist der Aufwand in die Verbesserung bestehender Kabel- und Steckverbinder zur Ertüchtigung in Richtung 2,5-GHz-Übertragung überschaubar, so dass auch die Wirtschaftlichkeit einer solchen Lösung gesichert ist.
Im nächsten Schritt sind die Beschreibung der notwendigen Protokolle bei der IEEE802.3 und der dazu erforderlichen Verkabelung in der ISO/IEC JTC 1/SC 25/WG 3 anzuregen. Damit ist der Entwicklung der nächsten Generation von High-speed-Kupferverkabelungen für den Ausbau der Netzwerkinfrastruktur vom Rechenzentrum bis zur Industrie 4.0 der Boden bereitet.
