Auszug aus LAN line 5/2000  SCHWERPUNKT VERKABELUNG "Gigabit Ethernet im Backbone" 05.2000     lan500_d.html     1/6 Oft kann die Infrastruktur bleiben Als die Entwickler von Gigabit Ethernet die Anforderungen an High-speed-Backbones definierten, haben sie auch an die bestehenden Verkabelungen gedacht. In vielen Fällen wird es ausreichen, allein die aktiven Komponenten zu tauschen. Trotzdem muss die installierte Basis einigen Anforderungen genügen, vor allem, wenn sie auch für zukünftige Anwendungen noch geeignet sein soll. Die Entwickler des derzeit in der Einführung befindlichen Gigabit Ethernet gingen sehr früh der Frage nach, ob und wie ein bestehendes LWL-Netz (LWL: Lichtwellenleiter) auch für dieses Hochgeschwindigkeitsprotokoll verwendet werden kann. Die amerikanische TIA (Telecommunication Industries Association) bildete bereits 1996 eine Taskgroup 2.2, die einen Rundversuch mit den seinerzeit marktverfügbaren LWL-Fasern durchführte. Sie untersuchte zum Beispiel, wie Multimode-Fasern darauf reagieren, wenn sie bei einer Übertragungsrate von 1 GBit/s mit einem Laser angeregt werden. Parallel dazu entwickelte IEEE 802.3z die Systemstandards, die heute unter der Bezeichnung 1000Base-SX und 1000Base-LX bekannt sind. Die dort zugrunde gelegten Anschlussreichweiten basieren auf den in der installierten Basis anzutreffenden Glasfasern. Dem Betreiber ausgedehnter Backbones werden die überbrückbaren Reichweiten mit Multimode-Fasern kurz vorkommen, und schon mehren sich die Anwender, die bereit sind, sich auf eine Zukunft mit Singlemode-Fasern im lokalen Netz einzustellen. Bei Neuinstallationen von LWL-Backbones bieten sich dem Errichter heute jedoch Alternativen, bei denen er ohne große Zusatzinvestitionen eine einfach zu handhabende und zukunftssichere Verkabelung realisieren kann, wenn er entsprechend hochwertige Fasern einsetzt. Mit diesem Hintergrundbericht sollen Netzbetreiber Bewertungsmaßstäbe an die Hand bekommen, um ihre individuelle Netzwerkinfrastruktur möglichst wirtschaftlich konzipieren zu können. GRUNDLAGEN Seit den frühen Entwicklungen der LWL-Technik haben sich im Wesentlichen zwei Typen von Lichtwellenleitern durchgesetzt: die Multimode-Faser (MM-Faser) mit Gradienten-Indexprofil (das heißt, der Brechungsindex verändert sich kontinuierlich im Faserquerschnitt) und die Singlemode-Faser (SM-Faser) mit Stufen-Indexprofil (nur zwei verschiedene Brechungsindizes, wobei der Kern zur Übertragung dient). Die MM-Faser kann mit preiswerten LEDs angeregt werden, zeigt jedoch übertragungstechnische Nachteile auf größeren Strecken, die wesentlich durch die Laufzeitunterschiede der Moden (Moden-Dispersion) hervorgerufen werden.

Auszug aus LAN line 5/2000  SCHWERPUNKT VERKABELUNG "Gigabit Ethernet im Backbone" 05.2000     lan500_d.html     2/6 Moden sind die verschiedenen möglichen Ausbreitungszustände in der Faser oder anschaulich gesprochen: die potentiellen Wege des Lichts durch die Faser, die sich aus den unterschiedlichen Eintrittswinkeln in die Faser ergeben. Die Laufzeitunterschiede führen zu einer Impulsverbreiterung der übertragenen Signale, sodass sich die MM-Faser aus Systemsicht wie ein Tiefpassfilter verhält. Das heißt: Speist der Anwender ein Signal mit einer hohen Frequenz in die Faser ein, so weitet sich dieser Impuls während der Übertragung in der Faser zeitlich so weit auf, dass er sich mit seinen Nachbarimpulsen vereinigt. Bild1. Moden-Anregung mit lichtemittierenden Dioden, LEDs und mit Laserdioden Quelle: Plasma Optical Fibre Bild 2. Zeitlicher Verlauf der Lichtleistung am Empfänger Quelle: Plasma Optical Fibre Die Empfangselektronik kann dann die ursprünglich eingespeisten Impulse nicht mehr rekonstruieren. Die Grenzfrequenz, ab der diese Vermischung der Signale auftritt, kann aus der modalen Bandbreite (oder dem Bandbreitenlängenprodukt) der Faser abgeleitet werden; sie sinkt jedoch in jedem Fall mit der Länge des LWLs. Daher kann einer bestimmten Länge der Faser eine aus der modalen Bandbreite resultierende Übertragungsfunktion zugeordnet werden. Praktisch anzutreffende Werte sind zum Beispiel um die 1000 MHz bei 1300 nm Lichtwellenlänge auf einer ein Kilometer langen Strecke und 400 MHz bei 850 nm. Die SM-Faser vermeidet das Problem der Moden-Dispersion, da wegen des kleinen lichtführenden Kerns nur eine Mode ausbreitungsfähig ist. Dadurch erlangt sie ein rechnerisches Bandbreitenlängenprodukt von größer 10 GHz km, das nur noch durch seine chromatische Dispersion begrenzt wird. Das heißt, es treten nur noch Laufzeitunterschiede auf, weil der Brechungsindex der Faser materialbedingt für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich ist oder weil sich die Lichtintensität bei unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlich auf den Faserquerschnitt verteilt. Dem Vorteil hoher Bandbreite steht jedoch gegenüber, dass die kleinen Kerndimensionen eine hochpräzise Stecker- und Spleißtechnik sowie kostspielige Laser zur Anregung erfordern. Das erklärt die heute vielerorts anzutreffende Verteilung: SM-Fasern in Weitverkehrsnetzen (WANs) und MM-Fasern im Unternehmensnetz (LAN).

Auszug aus LAN line 5/2000  SCHWERPUNKT VERKABELUNG "Gigabit Ethernet im Backbone" 05.2000     lan500_d.html     3/6 Doch durch die zunehmenden Bandbreiten werden SM-Fasern auch für den LAN-Bereich wirtschaftlich immer interessanter. Gigabit Ethernet erfordert allerdings zwingend Laser-Elemente, da eine Modulationsgeschwindigkeit von 1 GBit/s mit LEDs aus physikalischen Gründen schlicht nicht zu realisieren ist. Interessant war daher, wie sich konventionelle MM-Fasern bei der Anregung mit Lasersendern verhalten. . Bild 3. Typische Fehlerbilder im Faserkern sind der abrupte Abfall des Brechungsindex (dip), die Plateaubildung (flat top) sowie ein zu steiler Verlauf des Brechungsindex (peak). Beim plasmaaktivierten Aufbau des Indexverlaufs (PCVD-Prozess) sind die Brechungsindizes so eng toleriert, dass diese Fehlbilder nicht auftreten. Quelle: Plasma Optical Fibre Bild 4. Offset-gespleißtes Patch-Kabel zur Moden-Konditionierung Quelle: IEEE MULTIMODE-FASERN MIT LASER-ANREGUNG Eine LED leuchtet eine relativ große Fläche aus und weist eine große Strahlöffnung auf. Daher wird der lichtführende Bereich der LWL überstrahlt, sodass alle Moden Lichtenergie transportieren. Regt ein Laser bei der MM-Faser aber nur die kernnahen Moden an, transportieren diese einen höheren Energieanteil als bei der LED-Anregung. Auf den kurzen Strecken eines LANs kommt es praktisch zu keiner Moden-Mischung, sodass dieser Anregungszustand bis zum Empfänger erhalten bleibt. Erste praktische Versuche mit konventionellen MM-Faser und Laseranregung zeigten paradoxerweise eine deutlich geringere Systembandbreite als aus der modalen Bandbreite der Faser zu erwarten gewesen wäre. Die Erklärung liegt in der starken Betonung der Kernmoden. Bild 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Lichtleistung am Empfänger. Es bilden sich bei bestimmten Fasern so genannte Plateaus aus, die die Auswertung des Signals durch die Empfängerelektronik erheblich beeinträchtigen.

Auszug aus LAN line 5/2000  SCHWERPUNKT VERKABELUNG "Gigabit Ethernet im Backbone" 05.2000     lan500_d.html     4/6 Dieser Verlauf sollte idealerweise einer Parabel entsprechen, sodass die Faser für alle Moden sowohl im zentralen Bereich des Kerns als auch in dessen Randbereich gleich lang erscheint. Der Herstellungsprozess der Vorform, aus der später die LWL-Faser gezogen wird, macht gerade den zentralen Kernbereich zur Problemzone. Bei der OVD-Methode (Outside Vapor Desposition) zum Beispiel wird der Verlauf der verschiedenen Brechungsindizes über Beschichtungen von außen aufgebracht, beim MCVD-Verfahren (Modified Chemical Vapor Desposition) wird ein Glasrohr von innen beschichtet und der Faserkern erst am Ende eingebracht. Und beim PCVD-Verfahren (Plasma Activated Chemical Vapor Desposition) werden diese Schichten in einem Plasma auf das Glasrohr gedampft. Dieses Verfahren ermöglicht einen nahezu idealen Parabelverlauf der Brechungsindizes. Bei den anderen kommt es zu Plateaus und anderen Fehlformen. Die Plateaus sind auf Laufzeitunterschiede zwischen den Kernmoden (DMD: Differential Mode Delay) zurückzuführen. Diese treten zwar auch bei einer LED-Anregung auf, wirken sich dort aber in der Gesamtbilanz kaum aus, weil sich die Lichtenergie im Wesentlichen auf die Rand-Moden konzentriert. Die Bandbreite einer MM-Faser ist somit stark abhängig von den Anregungsbedingungen. Diese Effekte lassen sich umgehen, wenn die Vorform für die Faser nach dem PCVD-Prozess (Plasma Activated Chemical Vapor Deposition) gefertigt wird. Denn die sehr kontrollierte Glasabscheidung und ein patentiertes Reinigungsverfahren sorgen dafür, dass das Brechungs-Indexprofil nahe am Idealzustand liegt (parabelförmig). GIGABIT-ETHERNET-SPEZIFIKATIONEN IEEE 802.3z spezifizierte mit Rücksicht auf bestehenden Installationen eher konservative Anschlusslängen (Tabelle 1). Hierzu sind jedoch gleichzeitig die Anregungsbedingungen definiert worden. Diese sehen vor, dass der Betrieb bei 850 nm Wellenlänge mit VCSEL-Elementen (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) erfolgt, die einen definierten CPR-Wert (Coupled Power Ratio) aufweisen. Bei 1300 nm Lichtwellenlänge muss der Anwender Fabry-Perot-Laser einsetzen. Das sind alles Laserelemente, die aus der SM-Fasertechik stammen und nur sehr wenige Moden anregen. Und will der Anwender diese in Kombination mit minderwertigen Fasern einsetzen, benötigt er für Gigabit Ethernet spezielle, Moden-konditionierende Patch-Kabels wie es im Bild 4 dargestellt ist. Dieses Spezial-Patch-Kabel nutzt den Umstand aus, dass auch Fasern, die im Kern einen ungünstigen Brechungsindex-Verlauf aufweisen, im Randbereich in etwa das Idealprofil haben. Bei diesem Patch-Kabel regt deshalb eine SM-Faser genau diese Kernrandzone der MM-Faser an und umgeht damit buchstäblich die Kernzone.

Auszug aus LAN line 5/2000  SCHWERPUNKT VERKABELUNG "Gigabit Ethernet im Backbone" 05.2000     lan500_d.html     5/6 PCVD-GEFERTIGTE FASERN ALS ALTERNATIVE Statt aufwendiger Patch-Kabel oder gar der Verwendung reinrassiger SM-Fasertechnik sollte ein Netzbetreiber, der zu Gigabit Ethernet migrieren will, besser auf MM-Faserqualitäten zurückgreifen, die nach dem PCVD-Verfahren gefertigt sind. Mit diesem Verfahren lassen sich MM-Fasern mit einer Präzision herstellen, dass sie die für Gigabit Ethernet relevanten  Übertragungsmerkmale über bis zu 2000 m lange Anschlussleitungen übertragen können. Damit wird erstmals wieder eine zu EN 50173 normkonforme LWL-Backbone-Installation ausschließlich mit MM-Fasern möglich. Bild 6 zeigt ein typisches Augendiagramm einer 2200-m-Teststrecke bei 1300 nm an einer 50-µm-Faser.   Bild 5. Die Hicap-Kabel aus der UC2000-Baureihe von NK Networks werden nach dem PCVD-Verfahren hergestellt Bild 6. Augendiagramm einer 50-µm-Faser bei 2200 m Faserlänge und angeregt mit einem Fabry-Perot-Laser bei 1300 nm; die Faser wurde nach dem PCVD-Verfahren hergestellt. Quelle: Plasma Optical Fibre 1000Base-SX Distanz 1000Base-LX Distanz 62.5/125µ 160 MHz*km 220 m 500 MHz*km 550 m 200 MHz*km 275 m 50/125µ 400 MHz*km 500 m 400 MHz*km 550 m 500 MHz*km 550 m 500 MHz*km 550 m Anregung Durch einen definierten CRC- Wert, der eine gleichmäßige Moden- Verteilung sicherstellen soll. Option bei minderwertigen Multimode-Fasern: Verwendung eines Moden- konditionierenden Patch-Kables. Tabelle: Anschlusslängen für Gigabit Ethernet nach IEEE 802.3z

Auszug aus LAN line 5/2000  SCHWERPUNKT VERKABELUNG "Gigabit Ethernet im Backbone" 05.2000     lan500_d.html     6/6   Kern-/ Manteldurchmesser 1000Base SX 850 nm 1000Base LX 1300 nm 62.5/125 µm 400 m 1000 m 50/125 µm 750 m 2000 m Tabelle: Mögliche Anschlusslängen für Gigabit Ethernet mit Fasern, die nach dem PCVD-Verfahren hergestellt wurden EINFACHE MIGRATIONSKONZEPTE Die im Kernbereich mit minimalem DMD (Differential Mode Delay: Laufzeitunterschiede zwischen den Kern-Moden) einhergehende MM-Faser ermöglicht einfache Migrationskonzepte. Dank bewährter Kabelbauformen (Bild 5) kann der Betreiber die Verkabelung zunächst für Fast Ethernet nutzen und muss später für die Aufrüstung zu Gigabit Ethernet nur noch einen “Kartentausch” vornehmen. In Tabelle 2 sind die direkt erreichbaren Anschlusslängen zusammengefasst. Dem Netzerrichter steht mit diesem Übertragungsmedium ein Instrument zur Verfügung, das auf die Fragen eines künftigen Netzausbaus einfache Antworten liefert. Bei heutigen Netzlasten wird kein unnötiger Overhead installiert, und bei steigendem Bedarf ist ein Aufrüsten mit niedrigen Upgrade-Kosten jederzeit möglich. Mit diesen hochwertigen Multimode-Fasern wird ein LWL-Backbone dadurch tatsächlich zu einer universellen Verkabelung. (Carsten Fehr, Gerard Kuyt/db) Carsten Fehr ist Produktmanager Datenkabel bei NK Networks in Köln und Gerard Kuyt Produktmanager LWL bei Plasma Optical Fibre in Eindhoven. Beide Firmen sind Tochterunternehmen der Draka Holding.