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Die Erfindung betrifft einen aktiven
Verteiler für
Daten und Strom in einem lokalen Kommunikationsnetzwerk.
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Kommerzielle Netzwerke zur Datenübertragung,
die mit hoher Übertragungsrate
von mehr als 1Mibt/s arbeiten, erfordern eine individuelle Planung der
Netzwerkstruktur und eine sorgfältige
Verlegung der Datenleitungen unter HF-Gesichtspunkten. So entsteht
ein maßgeschneidertes
Netzwerk, welches für
die speziellen Verhältnisse
optimiert ist. Alle Leitungen müssen
bei diesen hohen Übertragungsraten mit
dem Wellenwiderstand abgeschlossen werden. Anderenfalls entstehen
störende
Signalreflexionen. Planung, Ausführung,
Betrieb und Service derartiger Netzwerkstrukturen sind entsprechend
den Bedürfnissen
der jeweiligen kommerziellen Nutzer ausgerichtet. In solchen Netzen
können
passive Verteilerfelder (Patch Panel) und aktive Verteiler, nämlich Signalregeneratoren
wie Hub, Switch und Router eingesetzt werden, die in einem zentralen
Raum konzentriert sind, wobei jedes aktive Element seine eigene
Stromversorgung besitzt. In der Regel erfolgt die Stromversorgung über Installationsdosen,
die entweder als Wanddosen in Wände
eingebaut sind, oder aber über
Steckdosenleisten in den Verteilerschränken. Normalerweise hat jedes
angeschlossene Gerät und
jeder aktive Verteiler eine eigene autarke Stromversorgung.
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Im kommerziellen Bereich werden häufig sternförmige Verkabelungsstrukturen
eingesetzt, die zahlreiche und umfangreiche Kabelbündel erfordern. Diese
werden in abgehängten
Decken, in Hohlraumböden
oder in Kabelkanälen
verlegt. Eine solche Verlegungsart ist im Privatbereich in der Regel
nicht möglich.
Zur Erweiterung bereits bestehender Netzwerke muss bei sternförmiger Verkabelungsstruktur eine
Verbindung von dem Erweiterungspunkt bis zu dem zentralen Sternpunkt
hergestellt werden, was sich in einer hohen Zahl von Kabelneuverlegungen bei
Veränderung
im Netzwerk niederschlägt.
Alternativ hierzu ist es möglich
autarke Stand-alone-Geräte in
einer dezentralen Struktur zu verwenden, was zu einer Baumstruktur
führt.
Eine solche Baumstruktur benötigt
aber zahlreiche dezentrale Stromversorgungen, die aus dem normalen
Stromnetz gespeist werden. In Wohn- und Privatbereichen stellen
solche Stand-alone-Geräte
mit ihren notwendigen Stromversorgungen störende Fremdkörper dar,
die das Bild der Inneneinrichtung beeinträchtigen.
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Weil die Datenleitungen bei den hohen Übertragungsraten
wellenwiderstandskonform abgeschlossen werden müssen, kann die Stromversorgung
nicht mit einfachen Mitteln über
die Datenleitungen realisiert werden. Die Übertragung der Versorgungsspannung über Datenleitungen
ist bisher nur bei Bussystemen mit niedrigen Bitraten möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen aktiven Verteiler für
Daten und Strom in einem lokalen Kommunikationsnetzwerk zu schaffen,
der imstande ist, sowohl Daten als auch eine Lieferspannung zu verteilen
und an mehrere, dafür
geeignete Verteiler weiterzugeben. Auf diese Weise soll die Installation
eines zweiten Netzes zur Stromversorgung vermieden werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt
erfindungsgemäß mit den
im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach ist für die Stromversorgung
des Datenknotens des Verteilers und der anderen Verteiler eine zusätzliche
Leitung vorgesehen, die zu jedem Datenanschluss einen Stromanschluss aufweist
und eine Lieferspannung verteilt. An diese Leitung ist ein Umsetzer
angeschlossen, der aus der Lieferspannung eine geregelte Betriebsspannung
für den
Datenknoten erzeugt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verteiler
wird eine Lieferspannung, die einem der Stromanschlüsse zugeführt wird,
auf sämtliche
anderen Stromanschlüsse
verteilt. Jeder Datenanschluss bildet mit einem Stromanschluss ein
Anschlusspaar. Diese Anschlusspaare verbinden Verteiler untereinander. An
jedes Anschlusspaar kann entweder ein gleichartiger Verstärker, oder
ein beliebiges anderes Datengerät,
typischerweise ohne eigene Stromversorgung, angeschlossen werden.
Auf diese Weise können Kommunikationsnetzwerke
in beliebigen Strukturen erzeugt werden, wobei jeweils Datenleitungen
und Versorgungsleitungen einen einheitlichen Leitungsstrang bilden,
der nur einen einzigen Anschluss erfordert.
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Der erfindungsgemäße Verteiler eignet sich insbesondere
für Kommunikationsnetzwerke,
die im privaten Bereich benutzt werden, wo es zweckmäßig ist,
möglichst
wenig Kabel zu verlegen. Der Verteiler kann als Wandinstallation
ausgeführt
werden, wobei die gesamte Verkabelung unter Putz gelegt werden kann.
Der erfindungsgemäße Verteiler
kann einen oder mehrere Wandausgänge
enthalten. In jedem Fall werden diese jeweils mit einem einzigen
Stecker kontaktiert, um ein Gerät
anzuschließen.
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Die Lieferspannung ist nicht notwendigerweise
gleich der Betriebsspannung. Zweckmäßigerweise handelt es sich
um eine höhere
Spannung, die in einem aus Verteilern gebildeten Netzwerk verteilt wird,
wobei diese Lieferspannung in jedem Verteiler in eine Betriebsspannung
umgesetzt wird, welche für den
Betrieb des Datenknotens, der den Kern des Verteilers bildet, geeignet
ist. Die zusätzliche
Leitung, in der Darstellung als Ringleitung ausgeführt, ordnet
jedem Datenanschluss einen Stromanschluss zu. Sie verbindet also
sämtliche
Stromanschlüsse
des aktiven Verteilers untereinander. Wichtig ist, dass diese Leitung
grundsätzlich
allen Stromanschlüssen,
die gleiche Lieferspannung zuführt,
die bei einer Vernetzung mehrerer gleichartiger aktiver Verteiler
automatisch auf das ganze Netz verteilt wird, so dass die aktiven
Verteiler und ggf. auch die daran angeschlossenen Endgeräte die Versorgungsspannung
erhalten.
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Der erfindungsgemäße aktive Verteiler eignet
sich insbesondere für
Kommunikationsnetzwerke im häuslichen
oder privaten Bereich oder in kleinen internen Netzen des kommerziellen
Bereichs. Mit ihm können
Netzwerke mit geringem Kabel- und Verdrahtungsaufwand gebildet werden,
die jederzeit ausbaufähig
und erweiterbar sind. Auf diese Weise können Computer und andere Datenliefergeräte und/oder Empfangsgeräte an das
Netz angeschlossen werden. Der Verteiler ist einerseits dafür bestimmt,
mit anderen gleichartigen Verteilern verbunden zu werden, um ein
Netzwerk zu bilden und andererseits dazu, an die Datenanschlüsse Endgeräte, wie
beispielsweise Computer, anzuschließen.
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Unter Einsatz des erfindungsgemäßen aktiven
Verteilers kann die Netzwerkverkabelung standardisiert werden. Ein
Netzwerk ist auch im laufenden Betrieb erweiterbar. Es kann ohne
großen
Planungsaufwand und ohne Neukonfiguration mitwachsen. Die Verlegetechnik
für die
Kabel ist einfach und folgt in der Regel einer Baumstruktur. Der
Verteiler kann so ausgebildet werden, dass er in eine Wandinstallationsdose
eingesetzt werden kann, wie sie in der elektrischen Installationstechnik üblich ist.
Des weiteren sind Verteiler so auszubilden, dass sie entweder für die Aufputzmontage
oder aber auch in Verteilerschränken
einsetzbar sind.
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Das Netzwerk wird in der Regel mit
einer Zentrale realisiert, die in einem Verteilerschrank montiert
wird und sowohl eine Datenzentrale als auch eine Stromzentrale bildet.
Von dieser Zentrale wird vorzugsweise je ein Leitungsstrang in jeden
der Räume
gelegt und dort werden aktive Verteiler installiert, an die die
Endgeräte
angeschlossen werden können. Auf
diese Weise kann die Anzahl der von dem zentralen Verteiler abgehenden
Kabelstränge
relativ klein gehalten werden, so dass der Installationsaufwand gering
ist. Die Unterverteilung in den jeweiligen Räumen erfolgt unter Einsatz
von Hub- oder Switch-Elementen, zweckmäßigerweise in Unterputzinstallation.
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In vorteilhafter Weiterbildung der
Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Stromanschluss des aktiven
Verteilers eine den betreffenden Strang überwachende Überwachungsschaltung
aufweist, die z.B. eine Strombegrenzung durchführt und/oder im Falle eines Überstromes
nur diesen Leitungsstrang von der Lieferspannung trennt. Dadurch
wird verhindert, dass im Falle eines Kurzschlusses an einem der
Verteiler des Netzwerks die Stromversorgung in dem gesamten Netzwerk
zusammenbricht. Vielmehr wird automatisch sichergestellt, dass nur
der betreffende Verteiler mit dem entsprechenden Netzwerksegment abgeschaltet
wird, während
das Netzwerk im übrigen weiterhin
funktionsfähig
bleibt. Durch diese Sicherungsmaßnahmen wird auch verhindert,
dass ein Verteiler zu viel Strom zieht und sich unzulässig erwärmt. Dies
ist insbesondere bei Unterbringung der Verteiler in Wanddosen von
Vorteil, weil in einer Wanddose die Möglichkeiten der Wärmeabführung gering
sind.
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Die Erfindung betrifft ferner ein
lokales Netzwerk, das unter Benutzung der aktiven Verteiler aufgebaut
ist. Ein solches Netzwerk weist eine Zentrale mit mehreren Anschlüssen auf,
wobei jeder Anschluss mit einem eigenen Netzwerk aus Verteilern verbunden
ist. Die Anschlüsse
der Zentrale bestehen jeweils aus einem Datenanschluss und einem
Stromanschluss.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
einer Verkabelungsstruktur eines lokalen Netzwerks, das unter Benutzung
der erfindungsgemäßen Verteiler
realisiert ist,
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2 ein
Prinzipschaltbild des aktiven Verteilers mit einem Datenknoten,
einer Ringleitung zur Verteilung der Lieferspannung und Datenanschlüssen sowie
Stromanschlüssen,
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3 eine
Phantomschaltung zum Trennen von Daten und Lieferspannung, die über ein
einziges Kabel übertragen
werden, und
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4 eine
schematische Darstellung der Zentrale mit einem Teil des Datennetzwerks
und der Stromversorgung.
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In 1 ist
ein lokales Netzwerk 10 dargestellt, dessen Kernstück von einer
Zentrale 11 gebildet wird. Im einfachsten Fall enthält die Zentrale
lediglich einen Hub zur Verbindung der einzelnen Stränge 12 untereinander.
Zusätzlich
sind in dieser Zentrale erfindungsgemäße Maßnahmen notwendig, um die aktiven
Verteiler AV über
die Stränge 12 mit der
benötigten Lieferspannung
zu versorgen. Dies kann z.B. durch ein passives Verteilerfeld (Patch
Panel) mit integrierter Phantomspeiseeinrichtung und einem entsprechenden
Netzteil erfolgen.
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In der Regel wird die Zentrale jedoch
aus Leistungsgründen
einen Switch und/oder Router enthalten. Die Einspeisung der von
den aktiven Verteilern benötigten
Lieferspannung erfolgt bei dafür
vorgesehenen Geräten
direkt, oder aber durch ein zusätzliches
Verteilerfeld mit integrierter Phantomeinspeisung. Ein Hub ist ein
einfacher Datensplitter, der Daten gewissermaßen blind auf die abgehenden
Leitungen verteilt. Ein Switch ist dagegen ein gesteuerter Verteiler,
der Daten selektiv nur an ausgewählte Empfänger weiterleitet.
Ein Router legt die Datenverbindungen einschließlich der Zwischenstationen
bei unterschiedlichen Netzwerken bzw. mehreren Verbindungsmöglichkeiten
fest.
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Die Zentrale hat mehrere Anschlüsse A,B,C,D,
an die jeweils ein Strang 12 in Form eines Kabels angeschlossen
werden kann. Jeder Strang 12 führt in einen Raum, R1,R2 ...
in dem ein Unternetzwerk SN installiert ist. Jedes Unternetzwerk
SN kann aus mehreren aktiven Verteilern AV bestehen. Jeder Verteiler
AV enthält
mehrere Anschlüsse A0,A1,A2,A3. Der aktive Verteiler AV kann über jeden dieser
Anschlüsse
bidirektional mit anderen Geräten kommunizieren.
An diejenigen Anschlüsse
des Verteilers, die nicht für
das Unternetzwerk SN benötigt werden,
können
externe Geräte
angeschlossen werden, beispielsweise Datensendegeräte oder
Datenempfangsgeräte.
Die Verteiler AV werden jeweils in einer Installationsdose montiert,
wie sie in elektrischen Versorgungsnetzen als Unterputzdose benutzt wird.
Die Verteiler werden durch fest im Raum, in der Regel unter Putz,
installierte Leitungen verbunden. Auf diese Weise entsteht eine
eigene Netzinstallation mit Datenanschlüssen, deren aktive Verteiler
aus dem eigenen Netzwerk heraus mit Energie versorgt werden.
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2 zeigt
den Aufbau eines aktiven Verteilers AV. Dieser enthält als Herzstück einen
Datenknoten 13, bei dem es sich um einen Switch oder Hub handeln
kann. In jedem Fall enthält
der Datenknoten 13 aktive Verstärker zur Datenverteilung und
geeignete Einrichtungen für
das Datenmanagement der ankommenden und abgehenden Daten. Der Datenknoten 13 ist
in der Regel als integrierter Baustein konzipiert.
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Die Anschlüsse A0 bis
A3 des Verteilers AV bestehen jeweils aus
einem Datenanschluss D0 bis D3 und
einem Stromanschluss S0 bis S3.
Jedem Datenanschluss ist also ein Stromanschluss zugeordnet. Die
Stromanschlüsse
So bis S3 sind durch eine Leitung 14 untereinander
verbunden. Der Verteiler enthält
eine Versorgungsschaltung 15 zur Erzeugung der Betriebsspannung
für den
Datenknoten 13. Während
die Verbindungsleitung 14 und die damit verbundenen Stromanschlüsse eine
Lieferspannung von beispielsweise 24 V führen, erzeugt die mit der Verbindungsleitung 14 verbundene
Versorgungsschaltung 15 aus der Lieferspannung eine niedrigere
Betriebsspannung von beispielsweise 5 V. Die Lieferspannung und
die Betriebsspannung sind typischerweise Gleichspannungen. Die Höhe der Lieferspannung
kann entsprechend den Leitungslängen
und den Spannungsverlusten auf den Zuleitungen variieren. Dagegen
ist die Betriebsspannung, die von der Versorgungsschaltung 15 erzeugt
wird, eine stabilisierte Gleichspannung. Zur Umsetzung der Lieferspannung
auf die Betriebsspannung kann ein Abwärts-Schaltregler (Step-Down-Regler)
eingesetzt werden, der stets die gewünschte Spannung herstellt,
unabhängig
von der anliegenden Lieferspannung.
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Jeder der Stromanschlüsse S0, S1, S2,
S3 des aktiven Verteilers kann eine Überwachungsschaltung 16 enthalten.
Damit wird die Höhe
des durch den betreffenden Stromanschluss fließenden Stroms überwacht.
Die Überwachungsschaltungen 16 sind
mit einem in dem Datenknoten 13 enthaltenen Strommanager
verbunden, der in Abhängigkeit
vom Strom und Spannung entsprechende Steuermaßnahmen durchführt. So
kann beispielsweise der Strom in jedem der Stromanschlüsse auf
einen Maximalwert begrenzt werden. Dadurch werden thermische Überlastungen vermieden.
Wenn an einem der Stromanschlüsse
ein Kurzschluss auftritt, wird dies ebenfalls erkannt und führt zur
Abschaltung des betreffenden Stromanschlusses. Jede Überwachungsschaltung 16 enthält einen
Stromsensor 17 und einen Schalter 18. Durch selektives
Abschalten eines einzelnen Anschlusses wird vermieden, dass im Falle
eines Kurzschlusses oder eines anderen Fehlers das gesamte Netzwerk
funktionsunfähig
wird.
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Bei dem Ausführungsbeispiel von 2 werden die Daten und die
Lieferspannung über
separate Leitungen übertragen,
die jedoch zu einem Kabel zusammengefasst sein können. Der Verteiler hat getrennte
oder gemeinsame Steckbuchsen zum Einstecken des Steckers eines Kabels,
durch welches ein externes Gerät
an das Netz angeschlossen wird. Das Datennetzwerk versorgt sich
selbst mit der erforderlichen Lieferspannung für die komplette Unterverteilung.
Im vorliegenden Fall wird die Lieferspannung in der Zentrale 11 (1) erzeugt, jedoch können auch mehrere
Stromversorgungen im Netzwerk verteilt angeordnet sein.
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Eine Variante, bei der der Datentransfer
und die Stromversorgung über
dieselben Leitungen erfolgen, ist in 3 dargestellt.
Hier enthält
der betreffende Anschluss, beispielsweise der Anschluss A0 eine Phantomschaltung 20, die
eine äußere Vierdrahtleitung 21 mit
einer inneren Vierdrahtleitung 22 verbindet. Das Adernpaar
der Vierdrahtleitung 21 ist mit den Enden der aus den beiden
Spulen P1 und P2 bestehenden
Primärwicklung
eines Übertragers
U1 verbunden. Die Spulen der Sekundärwicklung
sind mit SW1 und SW2 bezeichnet.
Das zweite Adernpaar der Vierdrahtleitung 21 ist in gleicher
Weise mit den Primärwicklungen
PW1,PW2 eines Übertragers
U2 verbunden. Die Sekundärwicklungen der beiden Übertrager
bilden die Vierdrahtleitung 22, die als Datenanschluss
D0 mit dem Datenknoten 13 verbunden ist.
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Über
die Vierdrahtleitung 21 wird über das erste Adernpaar der
Datenfluss in der einen Richtung und über das zweite Adernpaar der
Datenfluss in der Gegenrichtung geschickt. Beide Datenflüsse bestehen
aus Wechselspannungssignalen. Jedem Adernpaar ist eine weitere Spannungskomponente überlagert,
die zwischen den Primärwicklungen
PW1,PW2 der Übertrager
U1,U2 abgegriffen
wird. Diese Spannungspotentiale bilden die Lieferspannung. Sie werden
einer Überwachungsschaltung 16 zugeführt, deren
Ausgang den Stromanschluss S0 bildet, der
an die Verbindungsleitung 14 angeschlossen ist.
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Eine Signalleitung 23 verbindet
die Überwachungsschaltung 16 mit
dem Datenknoten 13. Auf der Informationsleitung 23 werden
Signale über
die Stärke
des Lieferstroms an den Datenknoten 13 gesendet und es
werden Befehle zum Begrenzen oder Abschalten des Stromes am Stromanschluss
So von dem Datenknoten 13 an die Überwachungsschaltung 16 geliefert.
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4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die Zentrale 11 mehrere Anschlüsse A für Leitungsstränge aufweist,
die jeweils einen Daten- und Stromversorgungsanschluss enthalten.
Jeder Anschluss A ist in einer Anschlusseinheit AE eingebettet,
die Bestandteil der Zentrale 11 ist. Die Anschlusseinheit
AE enthält ähnliche
Elemente wie die aktiven Verteiler AV, sie stellt in der Regel gleichfalls
die Funktionen bereit, die an den jeweiligen Verteilerports verfügbar sind.
Sie kontrolliert Strom- und Spannungswerte
für die
Versorgung (Lieferspannung), kann im Fehlerfall den betroffenen
Strang abtrennen und nah Fehlerbehebung wieder aufschalten. Bei
Bedarf kann auch eine Fehlermeldung (Signalisierung) abgesetzt werden.
Die Kontaktierung der abgehenden Vierdrahtleitungen 21 erfolgt
in einschlägiger
Weise entweder über
lösbare
Steckverbindungen oder über
Kontakteinheiten in Schneidklemm- bzw. Schraubklemmtechnik.
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In der Anschlusseinheit AE liegt
eine Vierdrahtleitung 24 vor, die aus einer Zweidrahtleitung
für den
Datentransport in der einen Richtung und einer Zweidrahtleitung
für den
Datentransport in der Gegenrichtung besteht. Eine Phantomschaltung 20,
die zwei Übertrager
U1 und U2 enthält, überträgt die Daten
auf eine Vierdrahtleitung 21. Dieser Vierdrahtleitung werden
in der beschriebenen Weise durch zwei Versorgungsleitungen 25,26 unterschiedliche
Spannungspotentiale überlagert,
die in der Zentrale 11 oder aber auch in einem separaten
Gerät erzeugt werden.
Auf diese Weise erfolgt über
ein Kabel, das die Vierdrahtleitung 21 enthält, sowohl
der Datentransport als auch der Transport der Lieferspannung. In
dem angeschlossenen Verteiler, der in 3 dargestellt
ist, werden Lieferspannung und Daten wieder voneinander getrennt.
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Eine weiterführende Ausgestaltung des lokalen
Netzwerkes ermöglicht
auch die Bereitstellung von niederfrequenten Diensten, z.B. Telefonübertragung über das
Datennetz.