Klassische IT-Verkabelung: Historische Entwicklung und Grundanforderungen
Bevor man sich mit der Grundidee einer Kommunikationsverkabelung im Deckenbereich auseinandersetzt, ist es aus Sicht des Autors zwingend notwendig, die historische Entwicklung der bisherigen, traditionellen Verkabelungstechniken ausgehend von den sich ändernden Anforderungen an diese zu kennen.
Kommunikationsanschlüsse gibt es seit Einführung der Netzwerktechnik, diese Welt war zu Anfang (Beginn der 90er-Jahre) noch relativ klar getrennt in Anschlüsse für Sprachkommunikation (= Telefonie) und Anschlüsse für Informationstechnik. Die Trennung wurde Mitte dieses Jahrzehnts nominell mit der ersten Verabschiedung von Normen wie z.B. der ISO/IEC 11801 und der EN 50173 aufgehoben, es sollte in neuen Gebäuden nur noch eine einzige „anwendungsneutrale Kommunikationsverkabelung“ geben. Danach sollte jeder Kommunikationsanschluss unabhängig von der Nutzung gleich aussehen. Die dafür vorgesehenen Planungsregelwerke und Produkte sahen ein sehr beschränktes Einsatzumfeld vor: Kommunikationsanschlüsse für Geräte am Büroarbeitsplatz, die im Wesentlichen aus Datenein- und -ausgaberäten bestanden wie z.B. PCs, Telefone, Drucker. Zu diesem Zeitpunkt war noch keine Rede von Kommunikationsanschlüssen
- im Produktionsumfeld,
- zur Energieversorgung von elektronischen Geräte
- zur Vernetzung von Überwachungskameras,
- für IT-Geräte der Gebäudeleittechnik.
Der Hauptanteil der passiven Kommunikationsanschlüsse wurde unmittelbar in der Nähe von (Büro-)Arbeitsplätzen platziert. Erste, wenige Anschlüsse platzierte man ab Mitte der 90er-Jahre unterhalb von Decken, um WLAN-Access-Points zu versorgen. Diese Einsatzumgebung prägte massiv die technischen Anforderungen an die Gestaltung der Anschlüsse, wichtige zu nennende Anforderungen sind:
Universalität: An jedem Kommunikationsanschluss soll jede Form von Kommunikationstechnik durch einfaches Umrangieren möglich sein. Die Art und Weise, wie verschiedene Kommunikationsanwendungen gewechselt werden, hat sich durch die massive Durchdringung von framebasierenden Kommunikationstechniken in den letzten 20 Jahren verändert. Bei leitungsgebundener Kommunikation überwiegt deutlich das Ethernet-Zugangsverfahren. Der unumschränkte Einsatz von Ethernet-Techniken bis zum Arbeitsplatz stellt derzeit „das“ Maß der Universalität dar. Es bestimmt die übertragungstechnischen Qualitäten des Kommunikationsanschlusses.
Nutzungszeitraum: Bei der Bewertung des mittel- und insbesondere langfristigen Nutzbarkeitszeitraumes einer Verkabelung ist eine spekulative Betrachtung nicht vermeidbar. Natürlich garantiert eine „universelle Verkabelung“ eine hohe Vielseitigkeit und damit einen großen Nutzbarkeitszeitraum. Die Nutzungseigenschaften und damit der Nutzungszeitraum eines Übertragungsmediums orientieren sich nicht nur an den elektrotechnischen Eigenschaften des Mediums (Datenübertragung und Stromübertragung). Vielmehr spielt – und dies wird ein wichtiger Punkt bei der Betrachtung der digitalisierten Decke werden – auch die ausreichende Anzahl an Anschlüssen bei der Nachhaltigkeitsbewertung einer Kommunikationsverkabelung eine Rolle (siehe Erläuterung dazu später).
Installationsfreundlichkeit: Die Installationsfreundlichkeit hat aus der Sichtweise des Nutzers der Verkabelung zunächst eine untergeordnete Rolle, sie ist relevant für den Planer bei der Erstinstallation, dort verursacht sie höhere Investitionskosten. Ein System darf in einem vereinfachten Ansatz als „installationsfreundlich“ bezeichnet werden, wenn es „günstig“ ist.
Betriebsfreundlichkeit: Bei der Betrachtung einer „betriebsfreundlichen“ Kommunikationsverkabelung sind Anforderungen zu nennen, die primär in Zusammenhang mit der Fehleranfälligkeit und der Fehlerbehebbarkeit sowie den Erweiterungsmöglichkeiten zu sehen sind. Beispielsweise ist eine Anschlussschnur (bestehend aus Anschlusskabel und Stecker) zwar nicht Gegenstand der festen Verkabelung, hat aber erfahrungsgemäß einen großen Einfluss auf die Übertragungsqualität der zu nutzenden Strecke. Weitere Vorteile im Betrieb entstehen durch Nutzbarkeit von elektronischen Komponenten, die eine lange Lebensdauer haben. Werden beispielsweise Switches o.ä. unter ungünstigen thermischen Rahmenbedingungen montiert, so ist mit einer höheren Ausfallrate zu rechnen; dies war viele Jahre der Nachteil von Kanaleinbau-Switches zum Aufbau einer Fiber-to-the-Office-Verkabelung.
Ausreichende Anzahl: Mit den ersten Normierungen wurde neben den technischen Spezifikationen die Idee einer „flächendeckenden, strukturierten Verkabelung“ als Planungsansatz für alle modernen (Büro-)Gebäude eingeführt. Dies bedeutet, dass bei der Planung unter Berücksichtigung der oben genannten Anforderungen eine Verkabelung in einem Gebäude vorgesehen wird, die in einem Nutzungszeitraum von mindestens 10 Jahren weder in größerem Maße verändert noch erweitert werden muss. Konkret wären also alle Räume mit potenziell möglichen Office-Arbeitsplätzen oder Geräten ausreichend „vorzuverkabeln“.
Lösungen der klassischen Verkabelung im Detail
Nachdem nun die Grundanforderungen genannt sind, ist es im nächsten Schritt notwendig, anhand von Beispielen konkrete technische Lösungen für klassische Verkabelungen zu beschreiben, die aus diesen Grundanforderungen resultieren bzw. sich in den letzten Jahren so entwickelt haben.
Tabelle 1: Übersicht der im Tertiärbereich relevanten, kupferbasierenden Ethernet-Techniken
Die Grundanforderung der „Universalität“ und „Nachhaltigkeit“ führt durch die mögliche Steigerung der Datenraten und des Bedarfs nach Stromübertragung im Office-Umfeld dazu, dass sich technische Lösungen für die Tertiärverkabelung (Verkabelung zwischen Etagenverteiler und Endgerät) mit Übertragungsqualitäten der Klasse EA etabliert haben. Ferner werden bei der Planung weitestgehend Maximallängen von 90 m bis 110 m für den Permanent-Link eingehalten. Damit bleibt aktuell die maximal mögliche Datenrate für derartige Distanzen auf 10 Gbit/s beschränkt. Da aus Sicht des Autors kein Bedarf nach einer höheren, flächendeckend benötigten Datenrate auch nur ansatzweise absehbar ist, können die Anforderungen, die sich bei einer Nutzbarkeit der normierten Datenrate von 25 oder 40 Gbit/s ergeben würden, ignoriert werden. Es wäre ohnehin kaum vorstellbar, wie mit den deutlich verkürzten Maximallängen von weniger als 50 m eine wirtschaftliche Kommunikationsverkabelung in einem Gebäude realisiert werden könnte. (siehe Tabelle 1)
Eine Selbstverständlichkeit ist der Abschluss der Tertiärstrecke mit einem RJ45-Anschluss (auf Glasfaser basierende Lösungen werden in diesem Artikel nicht betrachtet), montiert in einer Datendose. Diese Selbstverständlichkeit hat folgende Gründe:
- Es wird davon ausgegangen, dass an diesen Port Geräte angeschlossen werden, die ebenfalls einen RJ45-Port haben und damit durch Verwendung von Anschlussschnüren mit RJ45 an beiden Enden den Betrieb vereinfachen.
- Unter der Annahme, dass dieser Anschluss mehr oder weniger häufig gewechselt wird, bedingt durch Umzüge, Austausch von IT-Geräten o.ä. wird der Betrieb einfacher, wenn die RJ45-Buchse in einem festen Gehäuse fixiert wird. Das lose Ende eines Twisted-Pair-Kabels mit angeschlossener RJ45-Buchse wäre unpraktisch; würde aber übertragungstechnisch denselben Zweck erfüllen.
Selbst bei einem Anschluss für einen Access-Point, bei dem vermutlich kaum der zweite genannte Grund von Bedeutung ist, erfolgt die technische Lösung exakt wie am Arbeitsplatz; eine Dose wird verwendet.
Grundsätzlich kann festgehalten werden, dass
- die bisherigen technischen Lösungen weitestgehend etabliert und ähnlich sind,
- die technischen Lösungen wenig innovativ sind (trotz der intensiven Diskussionen zum Thema Power over Ethernet gab es auch hier keinen nennenswerten Einfluss auf die Lösungen),
- die Anforderungen beim Neubau von Bürogebäuden berücksichtigt und ähnlich umgesetzt werden.
Deutlich komplexer sind die Lösungen, mit denen man für eine ausreichende Anzahl an Anschlüssen sorgen muss. Folgende „Probleme“ müssen gelöst werden:
- Es muss eine Prognose getroffen werden, wie viele LAN-Anschlüsse im Nutzungszeitraum leitungs-(draht-)gebunden sein werden und wie viele WLAN-basierend. Aktuell ist eine klare Tendenz zur „bequemeren“, funkbasierenden Technik zu erkennen, damit nimmt theoretisch die Anzahl der Leitungen ab. Sehr viele Planungen sehen „nur noch“ maximal 2 Anschlüsse pro Arbeitsplatz vor, erste „mutige“ Planungen gar nur einen Anschluss, um wenigstens PoE sicherstellen zu können.
- Starre Arbeitsplatzlösungen sind nicht immer der Standard, viel mehr häufen sich Konzepte, bei denen die Mitarbeiter nur temporär in einem Flächenbereich oder gar an einem Platz sitzen werden. Häufige Umzüge im Gebäude oder zumindest im Raum dürfen zu keinen aufwendigen Nachverkabelungen führen, man muss frühzeitig in der Planung voraussehen, wo welche Dichte an Leitungen benötigt wird. Das ist im Prinzip nur mit einer „Überversorgung“ von Anschlüssen sicher abzudecken.
Abbildung 1: Teilelemente bei Einsatz eines Sammelpunktes nach EN 50173
Ein immer häufiger eingesetztes Element ist der Sammelpunkt, auch unter dem Begriff „Consolidation Point“ bekannt: Der Einsatz von Sammelpunkten (nachfolgend mit SP abgekürzt) bzw. Consolidation Points soll gemäß EN 50173-1 dem Nutzer die Möglichkeit geben, längere Anschlussschnüre vorzusehen, diese sind ohne SP auf üblicherweise maximal 5 Meter begrenzt. Der SP stellt einen Verteilerpunkt dar, der keine aktiven Komponenten beinhaltet, sondern lediglich Buchsen, welche die dauerhaft festinstallierten Tertiärkabel (nach EN „Stammkabel“ genannt) abschließen. In die Buchsen werden Stecker gesteckt, die an nicht dauerhaft verlegte Kabel angeschlossen werden (Sammelpunkt-Kabel). Diese Kabel werden zu einer Anschlussdose bzw. der darin befindlichen Anschlussbuchse (Teilnehmeranschlusseinheit TA) geführt. (siehe Abbildung 1)
Achtung, es gibt bei sehr vielen Planungen ein Missverständnis bzw. eine Fehldeutung: Das Teilelement oder der Begriff Sammelpunkt wird dort auch dann verwendet, wenn zwischen Sammelpunkt und Endgerät keine Buchse/Dose mehr geplant wird. Dies ist im Sinne der Norm falsch!
Für den Nutzer sind die SPe „unsichtbare“ Teile der IT-Verkabelung, die für den Betrieb im Regelfall nicht zugänglich sein müssen; erst bei größeren Umzügen mit Veränderungen der TA ist eine Zugänglichkeit erforderlich. (siehe Abbildung 2)
Abbildung 2: Sammelpunkt
(Beispiel Leoni Kerpen GmbH)
Grundidee einer digitalen Decke
Mit dem Aufbau einer „traditionellen“ Kommunikationsverkabelung wird die deutliche Mehrzahl der Dosen auf einer Höhe von 0 bis ca. 120 cm montiert werden, also im Prinzip unterhalb der Kopfhöhe. Warum benötigt man zusätzlich zu den Anschlüssen für Access Points weitere Kommunikationsanschlüsse in Deckenhöhe, warum benötigt man ein Netzwerk dort?
Grund dafür ist die zunehmende Digitalisierung des Gebäudes, denn moderne Gebäude stecken heute voller Elektronik, Sensoren/Aktoren und verschiedenster Steuerungen. Um sie intelligent steuern und nutzen zu können, müssen diese Elemente miteinander vernetzt und in ein digitalisiertes Gebäudeleitsystem eingebunden werden. Die meisten Sensoren/Aktoren befinden sich in den Büroflächen im Deckenbereich. Zum einen liegt das daran, dass sie genau dort Ihren Einsatzzweck haben (klassisch: Beleuchtung, Belüftung, Kühlung) oder auch dort am elegantesten „versteckt“ werden können. Bisher war/ist es so, dass die Komponenten der Gebäudeleittechnik in der Regel über eigenständige Bussysteme und Protokolle vernetzt (KNX, DALI, SMI Bus o.ä.) und lediglich Gesamtanlagen oder größere Teile der Anlage als Ganzes an das Netzwerk angeschlossen werden. Dies wird sich ändern, die einzelnen IT-Elemente der Gebäudeautomation werden zunehmend über eine WLAN- oder Ethernet-Schnittstelle miteinander kommunizieren. (siehe Abbildung 3)
Abbildung 3: Netzwerk-Endgeräte und Verkabelung im Deckenbereich (Bild nach CommScope)
Anforderungen an eine Kommunikationsverkabelung Im Deckenbereich
Zur Vereinfachung der Begrifflichkeiten beziehen wir uns im Artikel auf die Norm EN 50173-6, die Teilelemente zum Aufbau einer Verkabelung für allgemeine Anschlüsse der Gebäudeleittechnik definiert, anschaulich dargestellt im Bild Übertragungsstrecke nach EN 50173-6:
Kurze Erläuterung zum Bild: Die Verteilerkomponenten (Rangierfelder, Switches etc.) befinden sich in Räumen mit der Funktion Diensteverteiler DV. Die aktiven Geräte werden bezeichnet als ASG („anwendungsspezifische Übertragungseinrichtung“ = Switches) und EE (= Endgeräte). Ein optionaler Sammelpunkt heißt in der Norm „Dienstekonzentrationspunkt“ DKP und jede Steckverbindung wird mit „V“ abgekürzt. Im Bild ist die maximal mögliche Anzahl an Steckverbindungen dargestellt. Im Falle von Twisted-Pair mit RJ45 wäre das
- Steckverbindung am Switch,
- Steckverbindung an einem Zwischenverteiler im 19“-Schrank (in Deutschland selten eingesetzt, kann aber bei physischer Trennung der Gewerke sinnvoll sein),
- Steckverbindung am Rangierfeld, auf den das Installationskabel aufgelegt wird,
- Steckverbindung im optionalen Sammelpunkt DKP,
- Steckverbindung in der Dose,
- Steckverbindung im Endgerät.
Von den aufgelisteten Steckverbindungen sind 4 rein passiver Art, deshalb beziehen sich alle Qualitätsanforderungen an Strecken (z.B. Klasse EA) immer auf ein 4-Connector-Model. Die sogenannte „Übertragungsstrecke“ beinhaltet alle passiven Komponenten zwischen dem RJ45-Anschluss des Switches und dem RJ45-Anschluss des Endgerätes, allgemein als Channel-Link bekannt. Die Norm macht keinerlei Vorschriften zur Fixierung der Steckverbindungen, eine Dose ist nicht zwingend notwendig.
Abbildung 4: Übertragungsstrecke nach EN 50173-6
Es gilt, Lösungen zu den verschiedenen Teilelementen zu finden, insbesondere zu denen, die sich in der Nähe des Endgerätes befinden. Zunächst die möglicherweise neuen Anforderungen:
Beginnen wir mit der Datenrate: Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, dass Sensoren oder Aktoren (welche die große Masse an Ports in einer digitalisierten Decke ausmachen würden) eine hohe Datenrate erfordern, z.B. mehr als 1 Gbit/s? Diese Wahrscheinlichkeit ist sehr klein. Vermutlich würden auch Datenraten von 100 Mbit/s ausreichen. Das hätte den Vorteil, dass auch 2-paarige Lösungen in Betracht gezogen werden könnten, dazu später mehr.
Die Forderung nach PoE nimmt Einfluss auf die Qualität der Kabel und des Steckverbinders, zu diesbezüglichen Details wird auf den Artikel im Insider vom Februar 2018 hingewiesen. Zusammengefasst: Kabel mit AWG22 sowie entsprechende Steckerqualitäten sind zu empfehlen, sie sind marktüblich und somit problemlos einsetzbar. Von weiterer Bedeutung ist in jedem Falle, dass bei PoE mindestens 4 Adern erforderlich sind und bei hoher elektrischer Leistung sogar 8 Adern. Aber auch hier stellt sich die Frage, ob die Mehrheit der Sensor/Aktor-Anschlüsse 60 Watt und mehr benötigen wird.
Der Nutzbarkeitszeitraum einer Deckenverkabelung sollte groß sein, eine größere Nach- oder Neuverkabelung, insbesondere in geschlossenen Decken, wäre sehr ungünstig und kann nicht akzeptiert werden. Der genau zu kalkulierende Nutzbarkeitszeitraum hängt natürlich von den Nutzungsmöglichkeiten ab, die eine Verkabelung bereitstellt, und damit stark von der benötigten bzw. machbaren Datenrate und Stromübertragung. Doch wie soll man Stand heute eine Prognose erstellen können, in welche Richtung sich beide technischen Anforderungen entwickeln werden?
Ein Rückblick auf die letzten 25 Jahre zeigt, dass man selbst für die IT-Ausstattung des Arbeitsplatzes eher eine konservative Prognose treffen darf:
- Wer benötigt wirklich und zwingend und flächendeckend 1 Gbit/s und mehr?
- Wie kann eine Forderung nach noch höheren Datenraten einhergehen mit der zunehmenden Nutzung von WLAN mit deutlich niedrigeren Nettodatenraten?
Es wird prognostiziert, dass in einem Bereich, in dem überwiegend Sensoren und Aktoren vernetzt werden müssen, die übertragungstechnischen Anforderungen ggf. geringer sein werden als am Arbeitsplatz selber. Interessant ist eine bei dem Systemanbieter CommScope zitierte Untersuchung von „John Brehm & Associates“, nach der 86% der Internet-of-Things-Ports pro Monat weniger als 3 MByte an Daten generieren werden. Wie wir später sehen werden, wird diese angenommene niedrige Datenrate einen großen Einfluss auf die „beste“ Lösungsvariante nehmen.
Unter der Annahme, dass kein häufiger und erst recht kein täglicher Anschlusswechsel am Endgerät (im Deckenbereich) gefordert wird, ist eine Dose für jedes Endgerät nicht notwendig (warum sollte nach einer Erstinstallation eine angeschlossene PoE-Leuchte umgesteckt werden?). Der Abschluss der Strecke in einer einfachen Buchse (bei Twisted Pair z.B. eines Keystones) würde völlig reichen. Dies erspart Platz und ermöglicht die Montage von Buchsen in engsten Bereichen.
Die Buchse selber könnte theoretisch auch in Frage gestellt werden, so geschieht das sehr häufig im industriellen Netzwerk-Umfeld: nicht jeder Netzwerk-Port einer Maschine wird über eine Buchsensteckverbindung und über ein Installationskabel mit dem Switch verbunden. Gerade bei sehr kurzen Strecken verwendet man zur Verbindung nur leicht zu verlegende Patchkabel.
Der Nutzbarkeitszeitraum der Verkabelung – betrachtet als Gesamtanlage – wird nicht nur geprägt von den Materialeigenschaften, sondern auch von der ausreichenden Anzahl von Anschlüssen. Auch hier muss zum aktuellen Stand leider wieder die Glaskugel her, um die folgende Frage zu beantworten: Wie viele leitungsgebundene Netzwerkanschlüssen können in einem Nutzungszeitraum von 10-15 Jahren in einer Decke benötigt werden, die man mit einer flächendeckenden, strukturierten Kommunikationsverkabelung bei Neubau des Gebäudes vorsehen muss? Um eine Antwort zu finden bietet es sich an, einen Blick auf die aktuellen Empfehlungen entsprechender Normen zu werfen, konkret die EN 50173-6 in der letzten Überarbeitung. Die beschriebenen Anschlussarten wurden vom Autor in Form einer Tabelle zusammengefasst. Anschlussarten, die nur selten im Deckenbereich eines Raumes zu erwarten sind, wurden nicht erfasst. Es ergibt sich Tabelle 2.
Tabelle 2: Übersicht von GLT/TGA-Ports im Deckenbereich in Anlehnung an EN 51073-6
Schaut man sich die Tabelle 2 an, so wird man sich der hohen Anzahl an potenziellen Kommunikationsanschlüssen bewusst, die in einem typischen Raum gefordert bzw. sinnvoll sein könnten. Sehr schnell kommt man zum Ergebnis, dass eine Kommunikationsverkabelung im Deckenbereich eines modernen, zukunftsorientierten Gebäudes 4 bis 8 Anschlüsse pro Raum haben muss. Das wären dann zusätzliche Anschlüsse zur normalen Arbeitsplatzausstattung, und diese würden grob abgeschätzt mindestens zu einer Verdopplung der Kommunikationsanschlüsse in einem Gebäude führen.
Damit erreichen wir den Punkt, an dem man sich die Frage stellen muss, ob man zur Planung einer solchen Infrastruktur die alten Konzepte beibehalten kann und lediglich eine höhere Menge an Datenkabeln vom Etagenverteiler bis in die Räume vorsehen muss.
Lösungsvarianten
Aus Sicht des Autors wären grundsätzlich 3 Varianten denkbar:
- Das bisherige Prinzip der Verkabelung von Arbeitsplätzen wird 1:1 übernommen und auf die Decke übertragen: Jeder benötigte Anschluss wird mit einem Tertiärkabel direkt mit einem Etagenverteiler verbunden.
- Das Sammelpunkt-Prinzip wird angewendet, Sammelpunkte werden in einer ausreichenden Anzahl im Deckenbereich montiert.
- Es gibt viele aktiven Unterverteiler im Deckenbereich, in denen befindet sich eine Netzwerk-Elektronik (Switch), und daran werden die Sensoren/Aktoren etc. angeschlossen.
Bei allen nachfolgenden Betrachtungen gilt die Annahme, dass Nachverkabelungen im Laufe der nächsten 10-15 Jahre vermieden werden müssen und gleichzeitig eine hohe Anzahl an Netzwerk-Ports im Deckenbereich benötigt wird; ggf. nicht kurzfristig aber mittel- oder langfristig.
