2.1 Übersicht Physical Layer

Aufgabe der Bitübertragungsschicht

Eine sendende PHY wandelt die von der Sicherungsschicht bereitgestellte Information in ein für das Medium geeignetes Signal um. Die empfangende PHY erkennt daraus Symbole oder Bits und übergibt sie nach oben. Welche Signaländerung ein bestimmtes Bitmuster repräsentiert, hängt von Leitungscode, Modulation und konkretem Standard ab.

Schicht 1 transportiert eine definierte Folge, bewertet aber weder deren fachliche Bedeutung noch Zieladressen oder Anwendungsinhalte. Sie garantiert außerdem nicht allein eine fehlerfreie Ende-zu-Ende-Übertragung. Fehlererkennung, Wiederholung und Reihenfolge werden abhängig vom Protokoll auf höheren Ebenen ergänzt.

• Aktivieren, Betreiben und Deaktivieren eines physischen Links nach den Regeln der jeweiligen Technik
• Darstellen und Erkennen von Bits oder Symbolen auf einem Übertragungsmedium
• Taktrückgewinnung, Synchronisation und Festlegung der Symbol- beziehungsweise Bitrate
• Festlegen von Steckern, Pinbelegung, optischen Parametern, Frequenzen und Signalpegeln
• Melden grundlegender Linkzustände und je nach Standard Aushandeln physischer Betriebsparameter

Mechanische, elektrische, funktionale und prozedurale Merkmale

Die klassische Einteilung in mechanische, elektrische, funktionale und prozedurale Merkmale bleibt als Denkmodell hilfreich. Bei Glasfaser und Funk reicht der Begriff elektrisch jedoch nicht aus; allgemeiner geht es um die physikalischen Signalparameter der jeweiligen Technik.

Medien und Signalarten

Ein Übertragungsstandard definiert nicht nur das Material. Auch zulässige Länge, Frequenzbereich, Steckverbinder, Sendeleistung, Empfangsempfindlichkeit und Codierung müssen zusammenpassen. Eine mechanisch passende Verbindung ist daher nicht automatisch elektrisch, optisch oder protokollseitig kompatibel.

Leitungscodierung, Modulation und Demodulation

Leitungscodierung ordnet Bits oder Bitgruppen direkt Signalzuständen und Übergängen auf einem Übertragungsweg zu. Modulation verändert Eigenschaften eines Trägers. Am Empfänger wird der Vorgang rückgängig gemacht; bei Modulation spricht man von Demodulation.

Ein Modem ist ein Gerät oder Funktionsblock für Modulation und Demodulation, aber nicht für jede physische Netzwerkverbindung erforderlich. Ethernet-PHYs und optische Transceiver übernehmen ebenfalls komplexe Signalverarbeitung, werden jedoch nicht pauschal als klassische Modems bezeichnet.

Bitrate, Symbolrate und Synchronisation

Ein Symbol ist ein unterscheidbarer Signalzustand oder Signalabschnitt. Ein Symbol kann ein Bit, mehrere Bits oder durch zusätzliche Codierung auch nur einen Teil der Nutzinformation repräsentieren. Deshalb sind Symbolrate und Bitrate nicht automatisch identisch.

Sender und Empfänger benötigen eine zeitliche Vereinbarung. Der Takt kann über eine separate Leitung bereitgestellt, aus den Signalübergängen zurückgewonnen oder durch definierte Präambeln und Trainingsfolgen stabilisiert werden. Lange Folgen ohne geeignete Übergänge erschweren die Taktrückgewinnung; Leitungscodes und Scrambler wirken dem entgegen.

Serielle, parallele und mehrspurige Übertragung

Seriell bedeutet, dass Bits zeitlich nacheinander über eine Leitung beziehungsweise Lane übertragen werden. Parallel bedeutet, dass mehrere Bits gleichzeitig über mehrere Leitungen laufen. Moderne schnelle Systeme verwenden häufig mehrere serielle Lanes parallel. Damit ist die Schnittstelle insgesamt mehrspurig, während jede einzelne Lane seriell arbeitet.

Parallele Übertragung ist auf kurzen, genau abgestimmten Wegen weiterhin sinnvoll, etwa zwischen Speichercontroller und RAM. Über größere Entfernungen sind serielle differenzielle Lanes meist besser beherrschbar, weil Laufzeitunterschiede und Übersprechen zwischen vielen parallelen Leitungen schwieriger werden.

Multiplexing: ein Übertragungsweg, mehrere Kanäle

Multiplexing fasst mehrere Übertragungen so zusammen, dass sie einen gemeinsamen physikalischen Weg nutzen können. Ein Multiplexer kombiniert die Kanäle; ein Demultiplexer trennt sie am Ziel wieder. Die Kanäle sind dabei nicht zwingend einzelnen Benutzern fest zugeordnet - sie können ebenso Dienste, Datenströme oder technische Verbindungen repräsentieren.

CWDM und DWDM

WDM ist das optische Gegenstück zur Frequenzaufteilung. CWDM verwendet vergleichsweise große Abstände zwischen den vorgesehenen Wellenlängen und eignet sich für kostengünstigere Mehrkanalverbindungen. DWDM arbeitet mit dichter liegenden Frequenzkanälen und ermöglicht deutlich mehr beziehungsweise flexibler aufgeteilte Kanäle.

Die ITU-T definiert dafür Spektralraster. G.694.2 beschreibt das CWDM-Wellenlängenraster; G.694.1 das feste und flexible DWDM-Frequenzraster. Welche Reichweite und Datenrate möglich sind, hängt zusätzlich von Faser, Transceivern, Verstärkung, Dispersion, Leistungsbudget und Kanalplanung ab.

Störeinflüsse und Grenzen der Übertragung

Auf jedem realen Übertragungsweg wird ein Signal verändert. Dämpfung reduziert die Signalleistung, Rauschen und Übersprechen überlagern das Nutzsignal, Reflexionen entstehen durch Fehlanpassungen und Dispersion verbreitert optische Impulse. Funk kommt zusätzlich mit Mehrwegeausbreitung, Abschattung und konkurrierenden Sendern zurecht.

Die Physical Layer stellt hierfür geeignete Codierung, Entzerrung, Fehlerkorrektur nahe der PHY, Trainingsfolgen und Messwerte bereit. Trotzdem sind Grenzwerte einzuhalten. Wenn Link, Geschwindigkeit oder Fehlerrate auffällig sind, beginnt die Fehlersuche bei Medium, Steckern, Transceivern, Reichweite, Signalqualität und ausgehandeltem Betriebsmodus.

• Dämpfung und unzureichendes Leistungsbudget
• Rauschen, elektromagnetische Störungen und Übersprechen
• Reflexionen durch beschädigte oder nicht passende Komponenten
• Dispersion und Biegeverluste bei Glasfaser
• Interferenzen, Abschattung und Mehrwegeausbreitung bei Funk
• Unterschiedliche Standards, Wellenlängen, Pinbelegungen oder Datenraten

Typische Komponenten der Schicht 1