Highspeed-Standards für Kabel- und Funknetze

Die 40/100-GBit/s-Aktivitäten stellen aktuell das Hauptthema im Ethernet-Bereich dar. Gestartet
im Sommer 2006 kommen sie gut voran und sollen im Sommer 2010 abgeschlossen sein. Die folgenden
Themen sind in der Ethernet-Gruppe von besonderer Bedeutung:

802.3at, PoEPlus (Power over Ethernet Plus) – Erweiterung von PoE,

802.3av, 10 Gigabit EPON, (Ethernet Passive Optical Network) – "Fiber to the
Home?,

802.3az, Energy Efficient Ethernet (EEE) sowie

802.3ba, 40/100 Gigabit Ethernet.

Im Wireless-Bereich arbeiten eigenständige Gruppen an LAN- und MAN-Themen. Diese werden durch
802.11 koordiniert. Die wesentlichen Projektbereiche sind:

802.11, Wireless LAN, mit den aktuell wichtigsten Gruppen 802.11n, Higher
Throughput, eine 100-MBit/s-Technik, die noch Ende dieses Jahres verabschiedet sein soll, sowie
802.11ac, Very High Throughput, die an einer Gigabit-Technik arbeitet.

802.15, Wireless PAN (Personal Area Network) – die Bluetooth-Technik soll um
folgende Funktionen erweitert werden: TG3c, mmWave PHY, 1 bis 2 GBit/s für Inhouse-Anwendungen,
TG5, Mesh Networking, vermaschte Netze, TG6, Body Area Networks (BANs), "Körpernetze", sowie TG7,
Visual Light Communication, also Kommunikation mit sichtbarem Licht.

802.16, BWA (Breitband Wireless Access) mit den Gruppen 802.16h, Koexistenz in
lizenzfreien Bändern, 802.16j, Mobile Multihop Relay sowie 802.16m, Advanced Air Interface, die
eine Gigabit-Technik entwickelt.

Einen Überblick über alle IEEE-P802-Arbeitsgruppen und deren aktuellen Status bietet Bild 1.
Wesentliche Änderungen in der Struktur von P802 haben sich gegenüber dem Vorjahr nicht ergeben –
mit einer Ausnahme: Der "Token Ring" (802.5) hat seinen Status geändert, er ist mittlerweile
ungültig geworden.

Aktivitäten bei 802.3 - Ethernet

Die Überarbeitung des Standards 802.3, Ethernet, ist abgeschlossen. Es liegt nun ein einheitliches Werk vor. International gültig sind die ersten drei Sektionen (in Bild 2 dunkelblau gekennzeichnet). 10 Gigabit Ethernet (Sektion 4) und EFM (Ethernet in the First Mile, Sektion 5) sind noch nicht von der ISO verabschiedet. Aber auch als amerikanische Standards sind sie für Europa nicht weniger verbindlich. In Arbeit befinden sich derzeit die folgenden Standards:

802.3ba, 40/100 Gigabit Ethernet: Um den Bedarf nach mehr Bandbreite zu decken, hat die Projektgruppe IEEE P802 im November 2006 die „Higher Speed Study Group“ etabliert, die als Task Force IEEE 802.3ba im Dezember 2007 die Aufgabe (PAR – Project Authorization Request) erhalten hat, einen 40/100-GBit/s-Ethernet-Standard mit folgenden Zielen zu entwickeln:

Unterstützung von ausschließlich Full Duplex,

Unterstützung beider Frame-Formate (CSMA/CD und Ethernet V2.0),

Beibehalten der minimalen und maximalen Frame-Länge,

eine Bitfehlerrate besser als 10–12,

Unterstützung von OTN (Optical Transport Network) sowie

Datenraten von 40 und 100 GBit/s.

Herausgekommen ist eine Technik, die Glasfaser, Kupfer und Backplane unterstützt. Die Erweiterungen von Ethernet betreffen die physische Ebene des OSI-Layer-Modells. Die MAC-Schicht ist unverändert. Das Gleiche gilt für „MAC Control“ und LLC (Logical Link Control).

Bei den Fiber Interfaces hat sich das Gremium auf die wirklich marktträchtigen beschränkt. Hier ist die Erfahrung aus 10 Gigabit Ethernet eingeflossen. Multimode Fiber (MMF), OM3 bis 100 Meter, kommt vornehmlich im Data Center zum Einsatz und ist für 40 und 100 GBit/s definiert. Bei den 40-GBit/s-Interfaces hat die Arbeitsgruppe auf ein Singlemode Interface mit sehr großer Reichweite („Extra Long“) verzichtet. Es wird zunächst nur das 10-km-Interface realisiert. 100 GBit/s umfasst dagegen 10- und 40-km-Interfaces für Singlemode Fiber (SMF). Alle Interfaces basieren auf WDM-Technik. Tabelle 1 zeigt eine komplette Übersicht – die Zahl am Ende der Fiber-Interface-Bezeichnungen spezifiziert die verwendeten Wellenlängen.

Kupfer-Interfaces benötigen entsprechend mehrere parallele Leitungen (Lanes). Die Interfaces xGBASE-CR dienen der Kopplung von Geräten, die – beispielsweise in Rechenzentren – nahe beieinander stehen (maximal zehn Meter). Dazu kommt eine Backplane-Spezifikation, die im Gegensatz zur 10-Gigabit-Technik direkt in den Standard integriert ist. Auf das 100-GBit/s-Backplane-Interface hat das Gremium vorläufig verzichtet – sicher ist dabei auch der enge Zeitplan Grund für die Beschränkung. Um die angestrebte Bitfehlerrate von 10–12 zu erreichen, ist FEC (Forward Error Correction) unverzichtbar. Bei 100BASE-CR10 sind zehn parallele Kupferkabel erforderlich, um die Geschwindigkeit von 100 GBit/s über zehn Meter zu erreichen, bei 40 GBit/s kommt die Spezifikation mit vier Leitungen aus. Für die Kupfer-Interfaces steht Auto-Negotiation zur Verfügung, sodass sich zwei Gegenstellen über die beste Übertragungsmöglichkeit absprechen können.

Der aktuelle Stand ist der Entwurf (Draft) 1.1, doch bereits im März dieses Jahres wird der Draft 2.0 vorliegen, der bereits alle Features des endgültigen Standards enthalten soll. Im Sommer wird es die letzten technischen Änderungen geben, sodass das Gremium im November 2009 über den endgültigen Entwurf (Draft 3.0) abstimmen kann. Dies bedeutet, dass der Standard im Juni 2010 verabschiedet werden kann. Spätestens 2011 werden die Anwender dann die ersten 40/100-GBit/s-Geräte am Markt vorfinden können.

802.3av, 10GEPON, 10 Gigabit EPON: Auch im Access-Bereich bestehen Anforderungen an höhere Bandbreiten. Die Branche begründet diesen wachsenden Bedarf damit, dass ein Haushalt in Zukunft beispielsweise vier HDTV-Kanäle oder LSDI (Large Scale Digital Imagery) benötigt. 10GEPON stellt eine Erweiterung von 802.3ah, EFM, dar. Der im Jahr 2004 verabschiedete Standard definiert eine Gigabit-EPON-Technik, die jetzt auf 10 GBit/s ausgebaut werden soll. Zwischen einer zentralen Vermittlungsstelle und dem Netzwerk zu Hause ist ein Verteilernetzwerk spezifiziert, das bis zu 32 Haushalte über eine Glasfaser mit 10 GBit/s versorgt. Aktuell ist der Draft 2.1 verfügbar, sodass mit einem verabschiedeten Standard noch in diesem Jahr zu rechnen ist.

802.3at, DTE Power Enhancements: Der alte Standard 802.3af, DTE Power, stammt aus dem Jahr 2003. Die dort definierte Leistung von 15 Watt ist heute nicht mehr ausreichend. Daher arbeitet die Gruppe an Erweiterungen zu 802.3af. Der neue Standard 802.3at, PoEPlus, soll zum existierenden kompatibel sein und 30 Watt liefern. Gegenwärtig liegt der Draft 3.1 vor, sodass die Erweiterung von DTE Power noch in diesem Frühjahr verabschiedet werden dürfte.

802.3az, Energy Efficient Ethernet: Des aktuellen Themas Energiesparen hat sich die Arbeitsgruppe 802.3az angenommen. Begonnen hatte die Aktivität im März 2007, und bereits im November desselben Jahres erhielt die Gruppe hat ihren Auftrag (PAR). Der explosionsartig wachsende Netzwerkbereich kann durchaus einen wesentlichen Beitrag zum Energiesparen leisten. Die Idee ist, eine Leitung auf „Low Power“ zu schalten, wenn kein aktueller Übertragungsbedarf vorhanden ist. Die Low-Power-Schaltung lässt sich durch eine Verringerung der Übertragungsgeschwindigkeiten erreichen – bis hin zu null.

Aktivitäten bei 802.11 - WLAN

Im Funkbereich arbeiten acht Gruppen an mehr als 25 Projekten eng zusammen. Die Hauptaktivitäten
liegen nach wie vor bei IEEE 802.11, Wireless LAN. Auch dort stehen größere Bandbreiten im
Mittelpunkt der Entwicklung. In Arbeit befinden sich bei IEEE 802.11 neun Standards aus dem Bereich
"Allgemeine Funktionen" (Common), MAC und PHY. Neben der Bezeichnung der Arbeitsgruppe finden sich
in Bild 3 die Papiere (mit Datum), an denen die Gruppe gerade arbeitet. Die jüngste Gruppe 802.11ac
ist in Bild 3 links eingetragen und die älteste (802.11n) rechts. Beide beschäftigen sich mit dem
Thema "Throughput". 802.11ac hat gerade ihren Normierungsauftrag (PAR) erhalten, und 802.11n
arbeitet am Draft 7.0.

802.11n, High Throughput: Jeder Hersteller, der etwas auf sich hält, bietet bereits Geräte nach
dem Standard 802.11n an. Diese entsprechen allerdings nicht dem geplanten Standard, sondern beruhen
meist auf dem initialen Draft 2.0, den die verschiedenen Anbieter zudem unterschiedlich
interpretieren. Welche Funktionen bietet der Standard?

Bandbreiten: 802.11n verwendet sowohl das ISM-Band (Industrial, Science and Medical – 2,4 GHz)
als auch das UNII-Band (Unlicensed National Information Infrastructure – 5 GHz). Aus
Kompatibilitätsgründen zu den alten 802.11-Standards lässt sich 802.11n auf einen 20-MHz-Kanal
beschränken. Dann steht eine nominale Bandbreite von 150 MBit/s zur Verfügung. Bei zwei
20-MHz-Kanälen in einem Band (2,4 oder 5 GHz) ergeben sich 300 MBit/s und bei gleichzeitiger
Verwendung beider Bänder (Concurrent Dualband) beträgt die nominale Bandbreite 600 MBit/s. Die
reale Bandbreite ist etwa die Hälfte der nominalen, sodass realistisch mit
Fast-Ethernet-Performance (100 MBit/s Full Duplex) zu rechnen ist. Bis heute bleibt es allerdings
unklar, wie diese unterschiedlichen Bandbreiten bereitzustellen sind. Am Markt finden sich
Singleband-Geräte, die entweder 2,4 oder 5 GHz unterstützen. Aber auch Dualband-Geräte sind
verfügbar – sogar solche, die beide Bänder parallel (Concurrent) nutzen können.

Zeitplan: Bereits im September 2003 hatte 802.11n einen Normierungsauftrag (PAR) erhalten, der
jedoch scheiterte (Draft 1.0). So erhielt das Gremium im September 2007 einen modifizierten PAR,
der Grundlage für den erwähnten Draft 2.0 ist. Inzwischen steht 802.11n bei Draft 7.0 ist.
Letzterer ist im Arbeitskreis 802.11 verabschiedet, sodass jetzt die IEEE-SA (Standards
Association) diesen Entwurf zu prüfen hat. Mit der finalen Version ist im November 2009 zu
rechnen.

802.11ac, Very High Throughput: Im September 2008 erhielt die Gruppe, die sich um die Generation
nach 802.11n kümmern soll, ihren Normierungsauftrag und der lautet: Entwicklung einer 802.11-Physik
(PHY) mit

einem Gesamtdurchsatz von mindestens 1 GBit/s,

einer Bandbreite pro Verbindung von mindestens 500 MBit/s,

einem Frequenzbereich unterhalb von 6 GHz – ausgenommen 2,4 GHz – sowie

Kompatibilität und Koexistenz zu bisherigen 5-GHz-802.11-Geräten.

Gegenwärtig erarbeitet die Gruppe Vorschläge zur Lösung dieser Aufgabe. Der erste
abstimmungsfähige Entwurf soll im November 2010 vorliegen. Im November 2011 will die Arbeitsgruppe
ihre Arbeit beendet haben und den Entwurf an die IEEE-SA weitergeben, sodass im Dezember 2012 der
Standard verabschiedet sein könnte.

802.15 - Wireless Personal Area Networks

Das Thema WPANs (Wireless Personal Area Networks) beschäftigt sich mit der Verbindung tragbarer
Endgeräte. Als Basis hat IEEE 802.15.1 im Juni 2002 den internationalen Bluetooth-Standard
übernommen. 2005 erhielt 802.15.1 die jetzt gültige Fassung. Die Erweiterungen 802.15.2 bis
802.15.4 kamen bis 2007 hinzu. Mit den künftigen Entwicklungsmöglichkeiten beschäftigt sich eine
Reihe von Arbeitsgruppen (Bild 4):

802.15 TG3, High Rate: Diese Gruppe erweitert den Geltungsbereich der
WPAN-Spezifikation auf Techniken mit höheren Bandbreiten – etwa im Bereich von 11 MBit/s bis 55
MBit/s – und mit besonderem Augenmerk auf geringen Leistungsverbrauch und niedrige Kosten. Im
Millimeterwellenbereich arbeitet die Gruppe 802.15.3c "mmWave PHY" an neuen Entwicklungen auf der
physischen Ebene.

802.15 TG4, Low Rate: Diese Gruppe beschäftigt sich mit WPAN-Techniken
geringerer Bandbreite. Dabei stehen vor allem lange Batterielaufzeiten (Monate bis Jahre) bei
geringer Komplexität im Fokus. Mögliche Applikationen sind Sensoren, interaktive Spiele,
intelligente Ausweise, Fernbedienungen und Hausautomation. Die Gruppe arbeitet in fünf Teams an
alternativen Techniken. Ganz neu ist das Team TG4f, das RFID-Techniken in den Standard
integriert.

802.15 TG5, Networking: Unter dem Titel "Meshed Networks" beschäftigt sich
802.15.5 mit dem Aufbau kompletter WPANs. Der Trend zu solchen vermaschten Netzen zieht sich
übrigens durch alle Wireless-Arbeitsgruppen hindurch.

802.15 TG6, BANs: Neu sind die Gruppen TG6 und TG7. TG6 beschäftigt sich mit "
Body Area Networks" (BANs), also Netzen, die der Anwender am Körper trägt. Bei diesem Thema sind
natürlich Gewicht und Stromverbrauch entscheidende Faktoren.

802.15 TG7, Visual Light Communication: Diese Gruppe definiert Methoden für
die Kommunikation über sichtbares Licht.

802.16 - Broadband Wireless Access

802.16, BWA (Broadband Wireless Access), normiert breitbandige Funkzugangstechniken in
Stadtnetzen. Wesentlich sind die 2004-Revision des Standards, die stationäre und nomadische
Funktionen zur Verfügung stellt, sowie 802.16e-2005, das mobile Anwendungen unterstützt (Bild 5).
Beide Varianten besitzen ihre Daseinsberechtigung: "Stationär" und "Mobil" werden in Zukunft
nebeneinander existieren. Dies lässt sich schon daraus ablesen, dass für beide Techniken
unterschiedliche Frequenzbänder angestrebt werden – 2,5 GHz für die mobile Variante und 3,5 GHz für
die stationäre Variante.

802.16g und 802.16i, Management: Nachdem der Standard 802.16g ("Management
Plane") im Jahr 2007 zur Verabschiedung gekommen war, wurde 802.16i, der das Management für die
mobile Technik definieren sollte, zurückgezogen.

802.16h, Licensed Exempt Coexistence: Diese Gruppe befasst sich mit den
Koexistenzproblemen in den lizenzfreien Bändern. Die 802.16-Technik verwendet das 5-GHz-Band zur
lizenzfreien Übertragung (Wireless HUMAN – Highspeed Unlicensed MAN). In diesem Frequenzbereich
arbeitet aber beispielsweise auch 802.11a, sodass sicher einiger Abstimmungsbedarf existiert. Mit
dem Draft 8 steht die Gruppe kurz vor der Verabschiedung des Standards.

802.16j, Interworking: Im Interworking-Bereich entwickelt 802.16j
Teamtechniken für ein mobiles Relay, das über mehrere Stationen die Kommunikationspartner
miteinander verbinden kann.

802.16m, Physical Layer: Der derzeit spektakulärste Arbeitskreis in 802.16 ist
sicher 802.16m, der sich mit Weiterentwicklungen auf der physischen Ebene beschäftigt. Er geht der
Frage nach, wie sich die Übertragungskapazität in der Luft vergrößern lässt. Das Thema von 802.16m
lautet "Advanced Air Interface" und hat einen Standard mit Übertragungsraten von bis zu 1 GBit/s
zum Ziel. Bei einer Geschwindigkeit von 250 km/h soll die Datenrate immerhin noch 100 MBit/s
betragen. Aufbauend auf dem jetzigen OFDMA-Verfahren will der Standard Zellen von bis zu 30 km
Durchmesser zur Verfügung stellen. Entscheidend wird sein, wie sich die heute übliche 1:5-Bitdichte
verbessern lässt. In 802.16m sind Bitdichten von 1:8 im Visier. Bisher sind zwar die Ziele des
Standards definiert, ein Entwurf ist aber noch nicht verfügbar.

802.22 - Wireless Regional Area Network (WRAN)

Der Arbeitskreis 802.22, WRAN, ist der neueste der 802-Arbeitskreise. Sein Thema sind die
TV-Frequenzen. Im Rahmen der Digitalisierung des Fernsehens reduziert sich der Bedarf an Kanälen,
da digitale Übertragungen das Medium effizienter nutzen als analoge. Diese frei werdenden
Frequenzen wecken Begehrlichkeiten, die 802.22 ansprechen will. Natürlich ist auch 802.16 stark an
diesen Kanälen interessiert, denn das NLoS-Verhalten (Non Line of Sight) dieser "niedrigen"
Frequenzen (unter 1 GHz) eignet sich besonders gut für das bei 802.16 verwendete OFDMA-Verfahren.
Dieses Konkurrenzthema ist in P802 jedoch ausdiskutiert: 802.22 wird die notwendigen Erweiterungen
in die OFDMA-Technik von 802.16 einbringen.

802.1 - Higher Layer Interface (HILI)

802.1 beschäftigt sich mit der Architektur und den Funktionen, die für alle Arbeitskreise
relevant sind (Bild 6). Bekannt sind zum Beispiel 802.1D, der wenig erfolgreiche Bridging-Standard,
der 2004 komplett überholt wurde, 802.1Q, der Standard für virtuelle LANs, der 2003 mit 802.1s,
Multiple Spanning Tree, zusammengelegt wurde, sowie 802.1ad, die Provider Bridges. Heute hat 802.1
vier Schwerpunkte: Interworking, Sicherheit, Audio/Video und Data Center. Die derzeit aktiven
Gruppen und ihre Aufgabengebiete sind in Tabelle 3 zusammengestellt.

Fazit

IEEE 802 bemüht sich, dem rapide wachsenden Bandbreitenbedarf Herr zu werden. Im
Ethernet-Bereich entwickelt das Gremium dazu die 40/100-GBit/s-Technik und liegt damit auch im
korrekten Zeitfenster. 40 GBit/s sind bereits heute in einigen Anwendungssituationen erforderlich,
mit 100 GBit/s können sich die Normierer noch etwas Zeit lassen. Für FTTH (Fiber to the Home) kommt
häufig EPON zum Einsatz. Diese Technik erfordert eigentlich bereits heute mehr als 1 GBit/s, die
aktuell verfügbar sind. Dies macht die Dringlichkeit von 10GEPON deutlich. Im Wireless-Bereich
arbeiten sowohl die WLAN- (802.11) als auch die MAN-Gruppen (802.16) an höheren Bandbreiten. Dort
sind es die Gigabit-Techniken, die den zukünftigen Bedarf abdecken sollen. Höhere Bandbreiten sind
häufig auch im Provider-Bereich erforderlich, sodass sich 802.1 mit solchen Themen beschäftigt.
Dort sind Funktionen für sehr große Netze zu definieren, wie Provider Bridges und Provider-LANs.
Diese Entwicklungen zeigen deutlich, dass der Fokus von IEEE 802 nicht mehr allein auf lokalen
Netzen liegt, sondern dass die Entwicklung über städtische Netze (MANs) zu den großen
Provider-Netzen (WANs) geht.