IEEE 802.3bv (1000BASE-RH)
IEEE 802.3bv (1000BASE-RH)
IEEE 802.3bv spezifiziert Gigabit-Ethernet über POF. Der Standard definiert drei Varianten von 1000BASE-RH für Heim, Industrie und Fahrzeug.
IEEE 802.3bv ist ein 2017 verabschiedeter Zusatz zum Ethernet-Standard, der Gigabit-Ethernet über polymere optische Fasern (Plastic Optical Fiber, POF) spezifiziert. Als Amendment 9 zu IEEE Std 802.3-2015 definiert er eine Familie von drei Punkt-zu-Punkt-Übertragungsverfahren für 1000 Mbit/s über Duplex-POF, zusammengefasst unter der Bezeichnung 1000BASE-RHx. Der Standard schließt damit die Lücke zwischen kupfergebundenem Gigabit-Ethernet und den aufwendigeren Glasfaserverfahren für Umgebungen, in denen Kupfer zu störanfällig und Glasfaser zu empfindlich ist.
Einordnung und Zweck
Vor IEEE 802.3bv existierte innerhalb von IEEE 802.3 keine Spezifikation für die weit verbreitete 1-mm-Stufenindexfaser aus Kunststoff. Übertragungsverfahren über POF waren entweder herstellerspezifisch oder in anderen Normenwerken beschrieben — etwa im Automobilbereich über MOST oder in der Automatisierungstechnik über Feldbusstandards.
Die Arbeitsgruppe „Gigabit Ethernet over Plastic Optical Fiber" (GEPOF) verfolgte das Ziel, ein Verfahren zu spezifizieren, das die Eigenschaften dieser kostengünstigen Faser gezielt ausnutzt: großer Kerndurchmesser, hohe numerische Apertur, unkomplizierte Konfektionierung und Betrieb mit preiswerten optischen Sendern im sichtbaren roten Spektralbereich.
Die drei Varianten: RHA, RHB und RHC
Anders als der Sammelbegriff 1000BASE-RH nahelegt, handelt es sich nicht um ein einzelnes Übertragungsverfahren, sondern um drei Varianten, die sich nach Anwendungsfeld und mechanischer Ankopplung unterscheiden.
1000BASE-RHA deckt den Heim- und Consumer-Bereich ab. Die Ankopplung an das Medium erfolgt typischerweise ohne Steckverbinder: Die blanke Faser wird im Sende-/Empfangsbaustein geklemmt. Für diese Variante ist als einziger der drei ein mechanisches Medium Dependent Interface (MDI) im Standard festgelegt.
1000BASE-RHB zielt auf industrielle Anwendungen. Hier wird eine konfektionierte, gesteckte Verbindung vorausgesetzt, und es wird von rauen Einsatzbedingungen ausgegangen — erweiterter Temperaturbereich, Staubbelastung und Konfektionierung im Feld, um flexible Anlagentopologien zu ermöglichen.
1000BASE-RHC deckt den Automobilbereich ab. Der Steckverbinder muss fahrzeugspezifische Anforderungen erfüllen: Kojiri-Kriterium, Staubschutz, Vibrationsfestigkeit und Zugfestigkeit. Diese Anforderungen fließen unmittelbar in die Spezifikation der Messpunkte TP2 und TP3 ein.
Für 1000BASE-RHB und 1000BASE-RHC ist bewusst kein mechanisches MDI festgelegt — die konstruktive Ausführung der Steckverbindung bleibt in diesen beiden Anwendungsfeldern offen.
Optische Schnittstelle und MDI
Die Sende- und Empfangseigenschaften sind so definiert, dass sie von der mechanischen Ausführung der Steckverbindung unabhängig bleiben: Die Sendesignaleigenschaften werden am Ende eines ein Meter langen POF-Abschnitts (Messpunkt TP2) festgelegt, die Empfangseigenschaften am Ausgang der Faserstrecke (TP3).
Für 1000BASE-RHA beschreibt der Standard die Buchse konkret. Sie ist als Duplexgehäuse mit zwei getrennten Aufnahmen für die beiden Übertragungsrichtungen ausgeführt und muss von der Streckenseite aus erkennbar kennzeichnen, welche Aufnahme Sender und welche Empfänger ist. Definiert sind ein offener und ein geschlossener Zustand, wobei der geschlossene Zustand eine Verriegelung mit mindestens 15 N Haltekraft verlangt. Die konfektionierte Faser wird ohne Stecker direkt in die Buchse eingeführt.
Da bei ausgeschalteten Sendern nicht erkennbar ist, welche Ader welche Richtung führt, sieht der Standard eine Kennzeichnung eines der beiden Mäntel des Duplexkabels vor; die Anforderungen daran richten sich nach IEC 60794-2-41.
Übertragungsmedium
1000BASE-RHx arbeitet über POF-Kabel, also Lichtwellenleiter mit einem Kern aus Polymethylmethacrylat (PMMA) von etwa 980 µm Durchmesser und einem dünnen Fluorpolymer-Mantel, der die Faser auf rund 1 mm Gesamtdurchmesser bringt. Die numerische Apertur von etwa 0,5 ist vergleichsweise hoch, wodurch sich Licht aus einfachen Leuchtdioden gut einkoppeln lässt.
Übertragen wird im roten Spektralbereich zwischen 600 und 700 nm, üblicherweise bei 650 nm — dem Fenster, in dem PMMA seine geringste Dämpfung aufweist. Sie liegt dort in der Größenordnung von 0,15 dB/m und damit um Zehnerpotenzen über der von Glasfasern, was die erreichbaren Strecken begrenzt, für die Zielanwendungen aber ausreicht.
Neben der klassischen Stufenindexfaser (SI-POF) sind auch mehrkernige Fasern (MC-POF) sowie kunststoffummantelte Glasfasern (PCS) als Medium vorgesehen.
Auf der Codierungsebene trennt IEEE 802.3bv zwei Ebenen. Im Physical Coding Sublayer (PCS) sorgt eine 64b/65b-Blockcodierung für den Rahmen. Die eigentliche Übertragung auf der Faser erfolgt jedoch nicht durch einfaches Ein- und Ausschalten des Lichts, sondern über ein mehrstufiges Modulationsverfahren: Gigabit-taugliche Sende-/Empfangsbausteine arbeiten mit einer 16-stufigen Pulsamplitudenmodulation (PAM16), bei der jedes übertragene Symbol vier Bit trägt.
So lässt sich 1 Gbit/s über eine Faser übertragen, deren analoge Bandbreite für ein einfaches Zweizustandssignal bei Weitem nicht ausreichen würde – die Symbolrate liegt mit rund 312,5 MSymbol/s deutlich unter der Bitrate. KDPOF beschreibt diesen Ansatz, die Faser bis nahe an ihre informationstheoretische Grenze auszunutzen, mit dem Slogan „Approaching Shannon's Limit".
Die vollständigen Parameter von Modulation, Vorwärtsfehlerkorrektur und Entzerrung sind in den Clauses 114 und 115 des Standards festgelegt.
Chipsätze und Marktumsetzung
In der Praxis wird 1000BASE-RH von einer sehr schmalen Bauteilbasis getragen. Der Übertragungsbaustein (PHY), der die PAM16-Modulation umsetzt, stammt praktisch durchgängig vom spanischen Hersteller KDPOF. Die zugehörige steckerlose Optik liefert im Consumer-Bereich Broadcom (vormals Avago) unter der Bezeichnung FiberDock. Konkrete Geräte für Heim und Industrie – Konverter, Switches und Netzwerkdosen – sind im Artikel POF-Netzwerk beschrieben.
Der historische Arbeitstitel des Verfahrens, „HS-BASE-P" (High-Speed BASE Plastic), findet sich vereinzelt noch in älteren Datenblättern, wurde aber durch die endgültige Bezeichnung 1000BASE-RH abgelöst.
Reichweite und Leistungsbudget
Für Heim- und Industrieanwendungen ist ein Übertragungskanal von 50 Metern mit bis zu einer Inline-Verbindung spezifiziert. Für den Automobilbereich gelten abweichende Werte, da dort deutlich kürzere Strecken bei gleichzeitig anspruchsvolleren Umgebungsbedingungen zu erwarten sind.
Die Leistungsbudgets unterscheiden sich entsprechend zwischen den drei Varianten, wobei 1000BASE-RHA das höchste und die Automotive-Ausprägungen das niedrigste Budget aufweisen. Für belastbare Zahlenwerte ist die Normfassung heranzuziehen.
Abgrenzung zu anderen Gigabit-Ethernet-Standards
1000BASE-T überträgt über vier Adernpaare Kupfer bis 100 Meter und nutzt dafür eine fünfstufige Pulsamplitudenmodulation (PAM-5) in Verbindung mit aufwendiger digitaler Signalverarbeitung samt Echokompensation. 1000BASE-SX arbeitet über Multimode-Glasfaser bei 850 nm mit NRZ-Codierung und erreicht je nach Fasertyp mehrere hundert Meter.
1000BASE-RHx ist demgegenüber auf kurze Strecken und ein grundlegend anderes Fasermedium ausgelegt. Der Vorteil liegt nicht in der Reichweite, sondern in der Kombination aus vollständiger galvanischer Trennung, Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen, geringem Gewicht und einer Konfektionierung, die ohne Spezialwerkzeug auskommt.
Verhältnis zu MOST und Automotive Ethernet
Im Fahrzeug besetzt 1000BASE-RHC die Position, die zuvor MOST innehatte: optische Datenübertragung über POF, motiviert durch elektromagnetische Verträglichkeit und Gewichtsersparnis. Der entscheidende Unterschied liegt in der Architektur. MOST ist ein eigenständiges Bussystem mit synchroner Ringtopologie und eigener Protokollwelt; 1000BASE-RHC ist lediglich eine Bitübertragungsschicht innerhalb des Ethernet-Ökosystems.
Damit steht die optische Übertragung im Fahrzeug nicht mehr in Konkurrenz zu Automotive Ethernet nach IEEE 802.3bw (100BASE-T1) und IEEE 802.3bp (1000BASE-T1), sondern ergänzt es als Medienoption für Strecken, an denen Kupfer an seine Grenzen stößt.