14 Übertragungsmedien im Detail

14.1 Einführung in Übertragungsmedien

Die Wahl des richtigen Übertragungsmediums stellt eine der grundlegendsten Entscheidungen beim Design und der Implementierung von Netzwerken dar. Übertragungsmedien bilden die physische Grundlage, auf der alle Netzwerkkommunikation aufbaut, und beeinflussen maßgeblich Parameter wie Bandbreite, Reichweite, Zuverlässigkeit, Sicherheit und Kosten eines Netzwerks.

In diesem Kapitel betrachten wir die drei Hauptkategorien von Übertragungsmedien – Kupfer, Glasfaser und Funk – und untersuchen deren spezifische Eigenschaften, Einsatzgebiete, Vor- und Nachteile sowie aktuelle und zukünftige Entwicklungen. Wir werden dabei sowohl auf technische Grundlagen als auch auf praktische Aspekte der Installation, Wartung und Fehlersuche eingehen.

Die Wahl des optimalen Übertragungsmediums hängt von vielen Faktoren ab, darunter: - Erforderliche Bandbreite und Latenz - Überbrückbare Distanz - Umgebungsbedingungen und Störeinflüsse - Sicherheitsanforderungen - Budget und langfristige Kostenbetrachtung - Flexibilität und zukünftige Skalierbarkeit - Installationsaufwand und -bedingungen - Kompatibilität mit vorhandener Infrastruktur

Ein tiefes Verständnis der verschiedenen Übertragungsmedien ermöglicht es Netzwerkspezialisten, fundierte Entscheidungen zu treffen und zuverlässige, leistungsfähige und zukunftssichere Netzwerke zu planen und zu implementieren.

14.2 Kupferbasierte Übertragungsmedien

Kupferleitungen gehören zu den ältesten und am weitesten verbreiteten Übertragungsmedien in der Netzwerktechnik. Trotz der zunehmenden Verbreitung von Glasfaser und drahtlosen Technologien behaupten sich kupferbasierte Medien nach wie vor in vielen Anwendungsszenarien, insbesondere im Bereich der Gebäude- und Endgeräteverkabelung.

14.2.1 Twisted-Pair-Kabel

14.2.1.1 Funktionsprinzip und physikalische Grundlagen

Twisted-Pair-Kabel bestehen aus Paaren verdrillter Kupferleitungen. Das Verdrillen (Twisten) der Leiter reduziert elektromagnetische Interferenzen und Übersprechen zwischen den Leitungen. Dieses Prinzip wurde bereits Ende des 19. Jahrhunderts von Alexander Graham Bell eingeführt und bildet bis heute die Grundlage moderner Netzwerkverkabelung.

Die Übertragung im Twisted-Pair-Kabel erfolgt mittels differentieller Signalübertragung: Ein Signal wird auf beide Adern eines Paares in entgegengesetzter Polarität aufgebracht. Der Empfänger erkennt das Signal anhand der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Adern. Externe Störeinflüsse wirken in der Regel auf beide Adern eines Paares gleichartig und werden durch die differentielle Übertragung eliminiert.

Entscheidende Parameter für die Leistungsfähigkeit von Twisted-Pair-Kabeln sind: - Verdrillungsgrad (höhere Verdrillungsrate reduziert Störeinflüsse) - Schirmung (reduziert externe Störeinflüsse und Abstrahlung) - Leiterdurchmesser (beeinflusst Dämpfung und maximale Länge) - Isolationsmaterial (beeinflusst Dämpfung und Übersprechen) - Herstellungsqualität und Einhaltung der Spezifikationen

14.2.1.2 Kategorien und Klassen von Twisted-Pair-Kabeln

Twisted-Pair-Kabel werden in verschiedene Kategorien (nordamerikanischer Standard) und Klassen (europäischer Standard) eingeteilt, die unterschiedliche Leistungsmerkmale aufweisen:

Kategorie Klasse Max. Bandbreite Typische Anwendungen
Cat 3 C 16 MHz ISDN, 10Base-T Ethernet (veraltet)
Cat 5 D 100 MHz Fast Ethernet (100 Mbit/s)
Cat 5e D 100 MHz Gigabit Ethernet (1 Gbit/s)
Cat 6 E 250 MHz Gigabit Ethernet, partiell 10G Ethernet (bis 55m)
Cat 6a EA 500 MHz 10G Ethernet (bis 100m)
Cat 7 F 600 MHz 10G Ethernet mit verbesserter Störfestigkeit
Cat 7a FA 1000 MHz 10G+ mit Reserven für zukünftige Anwendungen
Cat 8.1/8.2 - 2000 MHz 25G/40G Ethernet (bis 30m), primär in Rechenzentren

Die Wahl der Kabelkategorie sollte sich nicht nur an aktuellen Anforderungen orientieren, sondern auch zukünftige Bandbreitenbedarfe berücksichtigen. Die Installation höherwertiger Kabel kann langfristig kosteneffizienter sein, da die Verkabelungsinfrastruktur typischerweise eine Lebensdauer von 15-20 Jahren aufweist.

14.2.1.3 Schirmungsarten

Twisted-Pair-Kabel sind mit verschiedenen Schirmungsvarianten verfügbar, die je nach Umgebungsbedingungen und Anforderungen ausgewählt werden sollten:

Die Schirmung verbessert nicht nur die Störfestigkeit des Kabels, sondern reduziert auch die Abstrahlung von Signalen, was sowohl aus Sicherheitsgründen als auch zur Einhaltung von EMV-Richtlinien relevant sein kann.

14.2.1.4 Power over Ethernet (PoE)

Power over Ethernet ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von Daten und Strom über Twisted-Pair-Kabel und hat sich zu einer wichtigen Technologie für die Versorgung netzwerkfähiger Geräte entwickelt:

PoE-Standard IEEE-Standard Max. Leistung (PSE) Max. Leistung (PD) Typische Anwendungen
PoE 802.3af 15,4W 12,95W IP-Telefone, einfache WLAN-APs
PoE+ 802.3at 30W 25,5W Videotelefone, leistungsfähige WLAN-APs
PoE++ 802.3bt Typ 3 60W 51W PTZ-Kameras, Thin Clients
PoE++ 802.3bt Typ 4 100W 71W Laptops, Displays, IoT-Gateways

Bei der Planung von PoE-Installationen müssen folgende Aspekte berücksichtigt werden: - Wärmeentwicklung in Kabelkanälen und Verteilern - Spannungsabfall bei längeren Kabelstrecken - Leistungsfähigkeit der PoE-Stromversorgung (Switches oder Injektoren) - Kabelqualität (höhere Kategorien bieten bessere Effizienz bei der Stromübertragung) - Korrekte Dimensionierung der Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV)

14.2.1.5 Installation und Best Practices

Für eine zuverlässige und leistungsfähige Twisted-Pair-Verkabelung sollten folgende Richtlinien beachtet werden:

14.2.2 Koaxialkabel

14.2.2.1 Funktionsprinzip und physikalische Grundlagen

Koaxialkabel bestehen aus einem zentralen Innenleiter, einer isolierenden Schicht (Dielektrikum), einem umgebenden Geflecht oder einer Folie als Außenleiter (Schirm) und einer äußeren Isolierhülle. Diese konzentrische (koaxiale) Anordnung der Leiter bietet hervorragende elektrische Eigenschaften:

Die charakteristische Impedanz von Koaxialkabeln (typischerweise 50Ω für Datenübertragung und 75Ω für Video- und CATV-Anwendungen) ist ein kritischer Parameter und muss im gesamten Netzwerk einheitlich sein, um Reflexionen zu vermeiden.

14.2.2.2 Typen von Koaxialkabeln und ihre Anwendungen

Obwohl Koaxialkabel in modernen LAN-Umgebungen weitgehend durch Twisted-Pair-Kabel ersetzt wurden, finden sie nach wie vor in spezifischen Anwendungen Verwendung:

Kabeltyp Impedanz Typische Anwendungen
RG-6 75Ω CATV, Satellitenfernsehen, HFC-Netzwerke
RG-11 75Ω Längere CATV-Strecken, Backbone in HFC
RG-58 50Ω Thin Ethernet (10Base2, veraltet), Funkamateur
RG-8 50Ω Thick Ethernet (10Base5, veraltet), Antennenanlagen
RG-174 50Ω Flexible Verbindungen in HF-Anwendungen
RG-59 75Ω Analoge Video-Übertragung, kurze CATV-Strecken

In der modernen Netzwerktechnik werden Koaxialkabel hauptsächlich in folgenden Bereichen eingesetzt: - DOCSIS-basierte Kabelmodem-Netzwerke (Hybrid Fiber Coax, HFC) - Antennenverbindungen für WLAN und andere drahtlose Systeme - Spezielle Hochfrequenzanwendungen und Messtechnik - Videoüberwachungs- und Broadcasttechnik - Legacy-Systeme und industrielle Spezialanwendungen

14.2.2.3 Vorteile und Nachteile von Koaxialkabeln

Vorteile: - Hohe Bandbreite über große Distanzen - Ausgezeichnete Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen - Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen - Geringe Signaldämpfung bei hohen Frequenzen - Lange Lebensdauer bei korrekter Installation

Nachteile: - Höhere Kosten im Vergleich zu Twisted-Pair - Geringere Flexibilität und größerer Biegeradius - Aufwändigere Terminierung und Installation - Anfälligkeit für physische Beschädigungen - Größerer Platzbedarf und höheres Gewicht - In LAN-Anwendungen größtenteils veraltet

14.2.2.4 Installation und Verbindungstechnik

Bei der Installation von Koaxialkabeln sind folgende Aspekte zu beachten:

14.2.3 Strukturierte Verkabelung

14.2.3.1 Grundprinzipien und Standards

Strukturierte Verkabelung bezeichnet ein standardisiertes Konzept zur Organisation der Kommunikationsverkabelung in Gebäuden und auf Campusgeländen. Sie bildet die Grundlage für eine flexible, erweiterbare und zukunftssichere Netzwerkinfrastruktur.

Die wichtigsten internationalen und regionalen Standards für strukturierte Verkabelung sind: - ISO/IEC 11801: Internationaler Standard für anwendungsneutrale Verkabelungssysteme - EN 50173: Europäische Norm, harmonisiert mit ISO/IEC 11801 - ANSI/TIA-568: Nordamerikanischer Standard für Telekommunikationsverkabelung - DIN EN 50173: Deutsche Adaption der europäischen Norm

Die Grundprinzipien der strukturierten Verkabelung umfassen: - Anwendungsneutralität: Unterstützung verschiedener Dienste und Protokolle - Hierarchische Struktur: Klare Gliederung in funktionale Subsysteme - Standardisierte Schnittstellen: Einheitliche Anschlusskomponenten - Modularität: Flexibilität für Änderungen und Erweiterungen - Dokumentation: Vollständige und aktuelle Dokumentation aller Komponenten

14.2.3.2 Subsysteme der strukturierten Verkabelung

Eine strukturierte Verkabelung gliedert sich typischerweise in folgende Subsysteme:

  1. Primärbereich (Campusbereich):
  2. Sekundärbereich (Gebäudebereich):
  3. Tertiärbereich (Etagenbereich):
  4. Arbeitsbereich:

14.2.3.3 Verteilerräume und -schränke

Verteilerräume und -schränke bilden die zentralen Knotenpunkte der strukturierten Verkabelung:

Für Verteilerräume und -schränke gelten spezifische Anforderungen: - Ausreichende Dimensionierung (typisch: 1 Rack pro 150-200 Anschlüsse) - Zutrittskontrolle und physische Sicherheit - Adäquate Belüftung oder Klimatisierung - Übersichtliche Kabelführung und Kennzeichnung - Redundante Stromversorgung für kritische Komponenten - Feuer- und Wasserschutz

14.2.3.4 Planung und Dokumentation

Eine sorgfältige Planung und Dokumentation ist essentiell für eine erfolgreiche strukturierte Verkabelung:

14.2.3.5 Zertifizierung und Messung

Die Zertifizierung der Verkabelung ist ein kritischer Schritt, um die Einhaltung der Standards und die Leistungsfähigkeit zu gewährleisten:

Alle Messungen müssen mit kalibrierten Geräten durchgeführt und vollständig dokumentiert werden. Die Einhaltung der Grenzwerte gemäß der jeweiligen Kategorie/Klasse ist Voraussetzung für eine erfolgreiche Zertifizierung und oft auch für Herstellergarantien.

14.3 Glasfaserbasierte Übertragungsmedien

Glasfaserverkabelung (Lichtwellenleiter, LWL) hat sich als bevorzugtes Medium für hohe Bandbreiten, große Distanzen und störungsanfällige Umgebungen etabliert. Die Übertragung erfolgt mittels Lichtimpulsen statt elektrischer Signale, was fundamentale Vorteile gegenüber kupferbasierten Medien bietet.

14.3.1 Grundlagen der optischen Datenübertragung

Die Datenübertragung in Glasfasern basiert auf dem Prinzip der Totalreflexion: Lichtstrahlen werden an der Grenzfläche zwischen Kern (Core) und Mantel (Cladding) der Faser reflektiert und so im Kern geführt. Die unterschiedlichen Brechungsindizes von Kern und Mantel sind entscheidend für diesen Effekt.

14.3.1.1 Komponenten eines Glasfasersystems:

14.3.1.2 Übertragungsmodi und Wellenlängen:

14.3.2 Multimode-Glasfaser

Multimode-Glasfasern (MMF) leiten mehrere Lichtstrahlen gleichzeitig, die auf unterschiedlichen Wegen (Modi) durch den relativ großen Kern der Faser geführt werden.

14.3.2.1 Technische Charakteristika:

14.3.2.2 Multimode-Fasertypen und ihre Anwendungen:

Fasertyp Farbe Kern Bandbreite (850/1300nm) Reichweite (10G) Typische Anwendungen
OM1 Orange 62,5µm 200/500 MHz·km 33m Legacy-Anwendungen, 1G Ethernet
OM2 Orange 50µm 500/500 MHz·km 82m 1G Ethernet, Gebäudeverkabelung
OM3 Aqua 50µm 2000/500 MHz·km 300m 10G Ethernet, Rechenzentren
OM4 Aqua 50µm 4700/500 MHz·km 400m 10G/40G/100G, Hochleistungs-Rechenzentren
OM5 Lime Green 50µm 4700/500 MHz·km + optimiert für Wellenlängenmultiplex 400m bei 10G, 150m bei 40G/100G mit SWDM 40G/100G/400G mit Wellenlängenmultiplex

14.3.2.3 Vor- und Nachteile:

Vorteile: - Einfachere und kostengünstigere Kopplungs- und Verbindungstechnik - Toleranter gegenüber Verschmutzungen und Ungenauigkeiten bei der Terminierung - Kostengünstigere aktive Komponenten (Transceiver) - Gut geeignet für kurze bis mittlere Distanzen in Unternehmensnetzen

Nachteile: - Begrenzte Reichweite durch Modendispersion - Geringere Bandbreite im Vergleich zu Singlemode - Höhere Dämpfung - Eingeschränkte Eignung für Wavelength Division Multiplexing

14.3.3 Singlemode-Glasfaser

Singlemode-Glasfasern (SMF) haben einen sehr kleinen Kern, der nur einen einzigen Lichtstrahl (Modus) führt, was zu deutlich höheren Bandbreiten und Reichweiten führt.

14.3.3.1 Technische Charakteristika:

14.3.3.2 Singlemode-Fasertypen und ihre Anwendungen:

Fasertyp Standard Eigenschaften Typische Anwendungen
OS1 ITU-T G.652 Konventionelle Singlemode, Low Water Peak Allgemeine Telekom, FTTH, Enterprise
OS2 ITU-T G.652.D Low Water Peak, geringere Dämpfung Lang- und Mittelstrecken, WDM
G.653 ITU-T G.653 Dispersion Shifted Fiber (DSF) Spezielle WDM-Anwendungen (veraltet)
G.655 ITU-T G.655 Non-Zero Dispersion Shifted Fiber (NZDSF) DWDM-Langstrecken
G.657 ITU-T G.657 Biegeunempfindliche Faser FTTH, enge Installationsumgebungen

14.3.3.3 Vor- und Nachteile:

Vorteile: - Extreme Reichweiten (mehrere 100 km ohne Verstärker möglich) - Sehr hohe Bandbreiten (praktisch unbegrenzt) - Geringe Dämpfung (0,2-0,4 dB/km bei 1550nm) - Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen - Kein Übersprechen zwischen Fasern - Ideal für WDM-Anwendungen mit vielen parallelen Kanälen - Kleinere Kabeldurchmesser bei gleicher Übertragungskapazität

Nachteile: - Höhere Kosten für aktive Komponenten (Transceiver) - Präzisere und aufwändigere Verbindungstechnik - Empfindlicher gegenüber Verschmutzungen und Beschädigungen der Faserendflächen - Höhere Anforderungen an Installationspersonal und Werkzeuge - Nicht rückwärtskompatibel mit Multimode-Infrastrukturen

14.3.4 Anschlusstypen und Verbindungstechnik

Die Verbindung von Glasfasern erfordert höchste Präzision, da der Kern der Faser sehr klein ist und bereits geringste Abweichungen zu erheblichen Dämpfungsverlusten führen können. Es gibt zwei grundlegende Verbindungstechniken: Steckverbindungen und dauerhafte Spleiße.

14.3.4.1 Steckverbinder für Glasfaser

Glasfasersteckverbinder ermöglichen das einfache Verbinden und Trennen von Fasern. Es gibt zahlreiche Steckertypen mit unterschiedlichen Eigenschaften:

Steckertyp Bauform Typische Einsatzgebiete Dämpfung (dB) Besonderheiten
LC Small Form Factor Aktive Komponenten, Hochdichte-Anwendungen 0,1-0,3 Dominanter Stecker in modernen Netzwerken, verfügbar als Simplex, Duplex und Quad
SC Square Connector Patchfelder, allgemeine Anwendungen 0,1-0,3 Einfache Push-Pull-Verbindung, robustes Design
ST Straight Tip Ältere Installationen, industrielle Anwendungen 0,2-0,5 Bajonett-Verriegelung, überwiegend in Legacy-Systemen
FC Ferrule Connector Telekommunikation, Messtechnik 0,1-0,3 Schraubverriegelung, präzise Ausrichtung durch Schlüsselung
MPO/MTP Multi-Fiber Push-On Hochdichte Rechenzentrumsverkabelung 0,3-0,6 8, 12, 16, 24, 32 oder 72 Fasern in einem Stecker, für Parallel-Optics
E2000/LSH - Hochsicherheitsanwendungen 0,1-0,3 Integrierte Staubschutzkappe, automatischer Laserschutz
SFP/SFP+ Small Form-Factor Pluggable Direkte Geräteverbindung - Transceiver-Formfaktor, nicht nur ein Stecker, sondern ein komplettes Modul

Bei der Auswahl von Steckverbindern sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden: - Kompatibilität mit vorhandener Infrastruktur - Platzbedarf (Packungsdichte in Patchfeldern) - Anforderungen an die mechanische Stabilität - Einfachheit der Handhabung und Reinigung - Kosten für Stecker und Werkzeug - Verfügbarkeit von vorkonfektionierten Kabeln

14.3.4.2 Polierungsarten bei Glasfasersteckern

Die Qualität der Faserenden hat entscheidenden Einfluss auf die Übertragungsleistung:

APC-Stecker sind nicht kompatibel mit PC/UPC-Steckern. Die Verwendung unterschiedlicher Polierungen führt zu hohen Verlusten oder Beschädigungen.

14.3.4.3 Spleiße

Spleiße sind dauerhafte Verbindungen zwischen Glasfasern und werden vorwiegend bei festen Installationen eingesetzt:

14.3.4.4 Installation und Handhabung

Die Installation von Glasfasern erfordert besondere Sorgfalt und Fachkenntnisse:

14.3.5 Anwendungsszenarien und Auswahlkriterien

Die Wahl zwischen Multimode- und Singlemode-Fasern sowie der entsprechenden Kabeltypen hängt von mehreren Faktoren ab:

14.3.5.1 Fallbeispiele:

Rechenzentrumsverkabelung: - Innerhalb von Racks: DAC (Direct Attach Copper) oder OM4 Multimode - Zwischen Racks einer Reihe: OM4/OM5 Multimode - Zwischen entfernten Racks/Hallen: Singlemode OS2 - Backbone: Singlemode mit CWDM/DWDM für maximale Kapazität

Campus-Verkabelung: - Gebäude-Backbone: OM3/OM4 oder OS2 je nach Distanz - Gebäude-zu-Gebäude: OS2 Singlemode, oft mit Reservefasern - Etagenverteiler zu Gebäudeverteiler: OM3/OM4 oder OS2 - Spezielle Anwendungen (z.B. AV-Übertragung): Dedizierte Fasern

14.4 Funkbasierte Übertragungsmedien

Drahtlose Übertragungstechnologien haben in den letzten Jahrzehnten enorm an Bedeutung gewonnen. Sie ermöglichen Mobilität und Flexibilität und sind oft die einzige praktikable Option für temporäre Installationen oder in Umgebungen, in denen keine Kabelverlegung möglich ist.

14.4.1 Grundlagen der drahtlosen Übertragung

Die Datenübertragung per Funk erfolgt mittels elektromagnetischer Wellen in verschiedenen Frequenzbereichen. Jeder Frequenzbereich hat spezifische Eigenschaften hinsichtlich Reichweite, Durchdringungsfähigkeit, Bandbreite und Anfälligkeit für Störungen.

14.4.1.1 Frequenzbereiche und ihre Eigenschaften:

14.4.1.2 Übertragungsmodi und Modulationstechniken:

Moderne drahtlose Technologien nutzen komplexe Modulationsverfahren zur Effizienzsteigerung:

14.4.2 WLAN (Wireless Local Area Network)

WLAN nach IEEE 802.11 ist die dominierende Technologie für drahtlose lokale Netzwerke und hat sich in praktisch allen Bereichen vom Heimnetzwerk bis zur industriellen Anwendung etabliert.

14.4.2.1 WLAN-Standards und ihre Eigenschaften:

Standard Frequenzen Max. Brutto-Datenrate Typische Reichweite (indoor) Besonderheiten
802.11a 5 GHz 54 Mbit/s 35m Veraltet, wenig eingesetzt
802.11b 2,4 GHz 11 Mbit/s 35m Veraltet, hohe Störanfälligkeit
802.11g 2,4 GHz 54 Mbit/s 38m Verbesserte Version von 802.11b
802.11n 2,4/5 GHz 600 Mbit/s 70m MIMO, Kanalbündelung, inzwischen Mindeststandard
802.11ac 5 GHz 6,9 Gbit/s 35m MU-MIMO, breitere Kanäle (bis 160 MHz)
802.11ax (Wi-Fi 6) 2,4/5/6 GHz 9,6 Gbit/s 30m OFDMA, verbesserte Effizienz, hohe Gerätedichte
802.11be (Wi-Fi 7) 2,4/5/6 GHz 46 Gbit/s - Multi-Link-Operation, 320 MHz Kanäle, 4K QAM

14.4.2.2 Betriebsmodi und Topologien:

14.4.2.3 Planung und Design:

Bei der Planung von WLAN-Infrastrukturen sind folgende Faktoren zu berücksichtigen:

14.4.2.4 Enterprise WLAN-Systeme:

Moderne Unternehmens-WLAN-Lösungen bieten erweiterte Funktionen:

14.4.3 Bluetooth

Bluetooth ist ein Standard für die drahtlose Kommunikation über kurze Distanzen und hat sich besonders für die Verbindung von Peripheriegeräten und IoT-Anwendungen etabliert.

14.4.3.1 Bluetooth-Versionen und ihre Eigenschaften:

Version Max. Datenrate Reichweite Besonderheiten
Bluetooth 2.1 + EDR 3 Mbit/s ~10m Enhanced Data Rate, vereinfachtes Pairing
Bluetooth 3.0 + HS 24 Mbit/s ~10m High Speed über WLAN als Transportmechanismus
Bluetooth 4.0/4.2 (BLE) 1 Mbit/s ~50m Bluetooth Low Energy für energiesparende Anwendungen
Bluetooth 5.0 2 Mbit/s ~200m Verbesserte Reichweite, höhere Datenrate, Mesh-Networking
Bluetooth 5.1 2 Mbit/s ~200m Richtungserkennung, zentimetergenaue Positionierung
Bluetooth 5.2 2 Mbit/s ~200m LE Audio, Isochronous Channels, verbesserte Audioqualität
Bluetooth 5.3 2 Mbit/s ~200m Verbesserte Verbindungsstabilität, Periodical Advertising

14.4.3.2 Topologien und Betriebsmodi:

14.4.3.3 Anwendungsszenarien:

14.4.4 Zigbee

Zigbee ist ein offener Standard für drahtlose Sensor- und Steuerungsnetzwerke mit geringem Energiebedarf und hoher Zuverlässigkeit, basierend auf IEEE 802.15.4.

14.4.4.1 Technische Eigenschaften:

14.4.4.2 Netzwerkkomponenten und Topologie:

Zigbee-Netzwerke bestehen aus drei Gerätetypen:

Zigbee unterstützt verschiedene Topologien: - Stern (alle End Devices verbunden mit Coordinator) - Baum (hierarchische Struktur mit Routern) - Mesh (selbstheilende Struktur mit multiplen Pfaden)

14.4.4.3 Zigbee-Profile und Anwendungen:

Zigbee definiert standardisierte Anwendungsprofile für bessere Interoperabilität:

14.4.4.4 Vor- und Nachteile im Vergleich zu anderen Funktechnologien:

Vorteile: - Extrem niedriger Energieverbrauch - Selbstheilende Mesh-Netzwerke - Hohe Zuverlässigkeit durch redundante Pfade - Geringe Latenz für Steuerungsanwendungen - Offener Standard mit breiter Herstellerunterstützung - Gute Skalierbarkeit für dichte Netzwerke

Nachteile: - Begrenzte Bandbreite für Datenanwendungen - Kürzere Reichweite als WLAN oder Bluetooth 5 - Eingeschränkte Interoperabilität zwischen verschiedenen Herstellerökosystemen - Komplexere Netzwerkkonfiguration als Bluetooth - Geringere Verbreitung in Endverbraucherprodukten im Vergleich zu WLAN/Bluetooth

14.4.5 5G und mobile Breitbandtechnologien

5G stellt die fünfte Generation des Mobilfunks dar und bietet erhebliche Verbesserungen gegenüber früheren Generationen hinsichtlich Geschwindigkeit, Latenz, Geräteanzahl und Zuverlässigkeit.

14.4.5.1 Technische Grundlagen und Eigenschaften:

14.4.5.2 Netzwerkarchitektur:

5G-Netzwerke basieren auf einer völlig neuen Architektur:

14.4.5.3 Anwendungsbereiche und Use Cases:

5G wurde speziell für drei Hauptanwendungsbereiche entwickelt:

14.4.5.4 Integration in Unternehmensnetzwerke:

5G bietet neue Möglichkeiten für Unternehmensnetzwerke:

14.4.5.5 Vergleich mit älteren Mobilfunkgenerationen:

Merkmal 4G/LTE 5G NR
Maximale Datenrate Bis zu 1 Gbit/s Bis zu 10 Gbit/s
Typische Latenz 30-50 ms 1-10 ms
Frequenznutzung Primär unter 2,6 GHz Spektrum von 600 MHz bis 47 GHz
Geräteanzahl Bis zu 100.000 pro km² Bis zu 1 Million pro km²
Energieeffizienz Basis-Referenz 10x besser
Netzwerkarchitektur Fest definierte Funktionen Virtualisiert, cloudnativ
Netzwerk-Slicing Begrenzt (APN-basiert) Native Unterstützung für isolierte Slices
Branchenspezifische Features Begrenzt Integrierte Unterstützung für vertikale Märkte

14.4.5.6 Planung und Implementation:

Bei der Integration von 5G in bestehende Netzwerkinfrastrukturen müssen folgende Aspekte berücksichtigt werden:

14.4.5.7 Zukünftige Entwicklungen:

Die Entwicklung von 5G schreitet kontinuierlich voran:

14.5 Zusammenfassung und Vergleich der Übertragungsmedien

Die Wahl des optimalen Übertragungsmediums hängt von den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Eigenschaften der verschiedenen Medien zusammengefasst:

Eigenschaften Twisted-Pair Koaxialkabel Glasfaser WLAN Bluetooth Zigbee 5G
Max. Reichweite 100m 500m >100km 100m 10-400m 10-100m 1-10km
Max. Datenrate 10Gbit/s (Cat6a, 100m) 10Gbit/s (kurze Strecken) 400Gbit/s+ 9,6Gbit/s (Wi-Fi 6) 2Mbit/s 250kbit/s 10Gbit/s
EMV-Störfestigkeit Mittel Hoch Sehr hoch Gering Gering Mittel Mittel
Abhörsicherheit Gering Mittel Hoch Gering Mittel Mittel Mittel
Installationsaufwand Mittel Hoch Sehr hoch Gering Sehr gering Gering Sehr hoch
Betriebskosten Sehr gering Gering Gering Mittel Sehr gering Sehr gering Hoch
Energiebedarf (Endgeräte) Keiner Keiner Keiner Hoch Gering-Mittel Sehr gering Hoch
Mobilität Keine Keine Keine Hoch Hoch Mittel Sehr hoch
Typische Anwendungen LAN-Infrastruktur, Arbeitsplatzanbindung TV/CATV, spezielle Industrieanwendungen Backbone, Rechenzentren, WAN Büro-, Heim- und öffentliche Netzwerke Peripheriegeräte, IoT Smart Home, industrielle Sensorik Mobile Breitbandanwendungen, Campusnetze

14.5.1 Entscheidungskriterien für die Medienauswahl

Bei der Auswahl des geeigneten Übertragungsmediums sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

  1. Bandbreitenanforderungen:
  2. Entfernung:
  3. Umgebungsbedingungen:
  4. Mobilität und Flexibilität:
  5. Sicherheitsanforderungen:
  6. Energieeffizienz:
  7. Kosten:

14.5.2 Hybride Ansätze und Integration

In modernen Netzwerken werden zunehmend verschiedene Übertragungsmedien kombiniert, um die jeweiligen Vorteile optimal zu nutzen:

Wichtig für hybride Ansätze sind: - Einheitliches Netzwerkmanagement über alle Medien - Konsistente Sicherheitskonzepte - Reibungslose Übergänge zwischen Medien (Roaming, Handover) - Performance-Monitoring und QoS über Mediengrenzen hinweg

Die Entwicklung von Übertragungsmedien schreitet kontinuierlich voran, wobei folgende Trends zu beobachten sind:

14.6.1 Kabelgebundene Medien:

14.6.2 Drahtlose Medien:

14.6.3 Übergreifende Entwicklungen: