Egal ob Computer, Steuerungen in der Automatisierung, Überwachungskameras oder Waschmaschinen: In Zeiten der Digitalisierung wird eine stetig wachsende Zahl unterschiedlicher Geräte an das Ethernet angeschlossen. Aufgrund der ständigen Veränderung und Erweiterung von Netzwerken wandeln sich auch die Anforderungen an die Technologien, die diese Geräte miteinander verbinden. Mit G.hn steht eine Technologie zur Verfügung, mit der sich die physikalischen Grenzen weiter verschieben lassen. Phoenix Contact wird G.hn zukünftig als Ethernet-Technologie unterstützen und in den nächsten Jahren entsprechende Produkte anbieten.
Tommy Göring, Strategisches Produktmarketing, Phoenix Contact Electronics GmbH, Bad Pyrmont
Die ursprüngliche Ethernet-Kommunikation wurde bereits in den 1980er Jahren standardisiert. Seinerzeit diente sie der Vernetzung von Computern innerhalb von Gebäuden und stellte eine Datenrate von maximal 3 Mbit/s bereit. Seitdem haben sich die Ansprüche an die entsprechenden Netzwerke erheblich verändert. Heute sind jedoch nicht nur Datenraten bis in den hohen Gigabitbereich erforderlich. Darüber hinaus soll beispielsweise Leistung über die Datenkabel übertragen werden, um Endgeräte direkt versorgen zu können. Aus dieser Forderung ist Power over Ethernet entstanden. In anderen Anwendungen hat sich eine einfache Kabelverbindung zwischen den Komponenten als unpraktisch erwiesen, weil Endgeräte mobil werden sollten. Aus diesem Szenario entwickelte sich dann das Wireless LAN. Dies sind lediglich zwei Beispiele, wie die sich stetig wandelnden Anforderungen dafür sorgen, dass immer wieder neue Technologien zum Datenaustausch benötigt werden.
Nutzung verschiedener Übertragungsmedien
G.hn stellt eine solche Technologie dar, die ebenfalls unter der Bezeichnung der zugehörigen Standards ITU G.996X bekannt ist. Die Abkürzung G.hn steht dabei für „Gigabit Home Networks“, was deutlich macht, dass die Technologie ursprünglich für das Umfeld der Heimvernetzung konzipiert wurde. Den Schwerpunkt bildete hier eine hohe Übertragungsrate bei gleichzeitig guter Übertragungsqualität auf jeder Leitung. Im Resultat erhalten die Anwender einen Standard, der aufgrund dieser Vorzüge in Zukunft mehr Bedeutung in Industrie-, Infrastruktur- und IoT-Applikationen erlangen wird. G.hn unterstützt Datenraten bis zu 2 Gbit/s bei einer maximalen Leitungslänge von 1000 m. Dieser Wert übertrifft die Reichweite von Standard-Ethernet um den Faktor 10.
Das Besondere der Technologie liegt aber nicht nur in der Kombination aus Datenrate und großer Reichweite. Mit G.hn lassen sich verschiedene Übertragungsmedien wie Twisted Pair, Koaxialleiter oder Stromkabel nutzen. So erlaubt der Standard die Verwendung der bestehenden Verkabelungen, wodurch Aufwand und Kosten eingespart werden. Außerdem kann die Leistung direkt auf den Datenkabeln übertragen werden, vergleichbar mit Power over Ethernet. Auf diese Weise lassen sich Endgeräte direkt über die Datenleitung versorgen, ohne ein zusätzliches Netzteil installieren zu müssen.
Einsatz bei höheren Anforderungen an Bandbreite und Reichweite
Diese Vorteile klingen vielversprechend, doch in welchen industriellen Bereichen bietet sich der Einsatz von G.hn nun an? Als gutes Beispiel erweisen sich Videoüberwachungsanlagen. Moderne IP-Kameras verfügen über einen Standard-Ethernet-Anschluss und werden direkt vom angebundenen Switch oder PoE-Injektor per Power over Ethernet versorgt. Wegen ihrer hohen Auflösung in HD, Full HD oder 4K erfordern die Kameras zur Weiterleitung der Bilder eine entsprechende Bandbreite. In professionellen Videoüberwachungsanlagen müssen oft große Distanzen zwischen den Kameras und den nächsten Netzwerkkomponenten überbrückt werden. In solchen Fällen reichen die im Standard-Ethernet zur Verfügung stehenden 100 m Kabellänge häufig nicht aus. Hier kann G.hn Abhilfe schaffen und auch weit entfernte Kameras mit hohem Bandbreitenbedarf in das Netzwerk integrieren und beliefern.
Bei älteren Überwachungsanlagen werden analoge Kameras genutzt, die über Koaxialkabel an die Zentrale angekoppelt sind. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Entfernung zwischen Kamera und Rekorder bis zu 400 m betragen darf. Werden die Anlagen dann modernisiert, ist es durch die Verwendung von G.hn möglich, die vorhandene Verkabelung beizubehalten und lediglich die analoge gegen eine IP-Kamera zu tauschen. Auf eine hohe Auflösung der Videobilder muss nicht verzichtet werden.
Alternative für die Fernmeldetechnik
Es gibt aber bereits heute Alternativen zu den zukünftigen G.hn-Geräten. Eine seit langem im Bereich der Zweidraht-Datenübertragung etablierte Technologie stellt die Single Pair Highspeed Digital Subscriber Line dar, gemeinhin bekannt unter der Abkürzung SHDSL. Die ursprünglichen Einsatzbereiche der Übertragungstechnik liegen allerdings nicht in der Ethernet-Kommunikation, sondern im seriellen Datentransfer über analoge Modems. SHDSL gehört zu den symmetrischen DSL-Verfahren, dass heißt die gesamte Bandbreite ist in einen Upstream und einen Downstream unterteilt, die jeweils gleich groß sind. Mit SHDSL lassen sich Distanzen von bis zu 20 km überwinden, während sich die maximale Datenrate auf 15 Mbit/s beläuft.
Trotz der vergleichsweise geringeren Datenraten erweist sich SHDSL insbesondere wegen der hohen Reichweite und Robustheit als attraktive und vielgenutzte Technologie, die meist im Umfeld der Energie- und Versorgungsbranche verwendet wird. Der Anwendungsbereich erstreckt sich hier weniger auf die Anlagenautomatisierung, sondern vielmehr auf die Fernmeldetechnik. Daher wird SHDSL aktuell oftmals von sogenannten Ethernet-Extendern unterstützt, über die sich räumlich weit verteilte Teilnehmer in das Netzwerk einbinden lassen.
Ein Konzept zur Fernspeisung von Endgeräten ist im zugehörigen Standard zwar beschrieben, jedoch aufgrund des hohen Hardware-Aufwands und den damit verbundenen Kosten eher wenig etabliert. Eine Weiterentwicklung der DSL-Familie bildet VDSL2 oder Very Highspeed Digital Subscriber Line 2. Diese Technologie, die sich in mehrere Übertragungsprofile aufteilt, ermöglicht – abhängig vom jeweiligen Profil – Datenraten zwischen 50 Mbit/s und 350 Mbit/s. Maximal lässt sich eine Distanz von rund 5 km überbrücken. Die tatsächlich verfügbare Datenräte hängt allerdings immer vom verwendeten Kabel ab. Die Kabelqualität, der erreichbare Signal-Rausch-Abstand und die Kabellänge haben dabei einen großen Einfluss auf die Bandbreite.
Aufbau komplexer Netzwerktopologien
Was G.hn neben der hohen Datenrate aber deutlich von anderen Technologien wie SHDSL oder VDSL2 abhebt, ist eine variable Netzwerkstruktur. Verglichen mit dem ISO/OSI-Referenzmodell wird durch G.hn nicht nur der Physical Layer (1. Schicht), sondern ebenfalls der Data Link Layer (2. Schicht) beschrieben. Dadurch bietet G.hn zudem die Option, komplexere Netzwerktopologien – wie beispielsweise Linien sowie passiv oder aktiv verbundenen Sternstrukturen – aufzubauen und zu managen.
G.hn stellt somit nicht die einzige Technologie im avisierten Einsatzbereich dar, markiert jedoch einen weiteren Schritt in der Evolution der Ethernet-Kommunikation. Vergleichbare Übertragungsstandards wie SHDSL und VDSL2 haben noch immer ihre Daseinsberechtigung, sind allerdings in einigen Bereichen limitiert, in denen G.hn die Grenzen weiter ausdehnt.
Portfolio für alle Anforderungen
Industrial Ethernet heißt maximale Freiheit bei der Gestaltung der Infrastruktur von Maschinen und Anlagen. Außerdem steht der Übertragungsstandard für eine dauerhafte Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit in der Applikation. Mit den Industrial Ethernet-Produkten von Phoenix Contact stehen den Anwendern alle Möglichkeiten zur Verfügung, die Ethernet-Netzwerke bieten. Von Switches und Medienkonvertern über Ethernet-Extender bis zur intelligenten Steuerung und Anbindung an die Cloud erweist sich das Portfolio als ebenso umfangreich wie die Technologie selbst. Der Vorteil der Nutzer liegt darin, dass sämtliche Produkte rund um das Netzwerk aus einer Hand stammen und individuell für die jeweiligen Anforderungen zusammengestellt werden. ge
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