Das InfoTip Kompendium

Ein kostenloser Service der InfoTip Service GmbH

Zum Anfang der
Seite scrollen

Kupfer und Lichtwellenleiter - Übertragungsmedien

Inhaltsverzeichnis

1. Kupfergebundene Übertragungsmedien

1.1 Koaxialkabel

Das klassische Ethernet verwendete Koaxialkabel, was aber in modernen Netzen praktisch vollständig von Twisted Pair-Kabeln (TP) und Lichtwellenleiter (LWL) abgelöst wurde.

Abb. 1: Koaxialkabel
Abb. 1: Koaxialkabel
Abb. 2 : Twisted Pair-Kabel (S/FTP PiMF)
Abb. 2 : Twisted Pair-Kabel (S/FTP PiMF)

1.2 Twisted Pair

Twisted Pair ist ein vier-, acht- oder mehr-adriges Kupferkabel, bei dem jeweils zwei Adern miteinander verdrillt sind. Durch die Verdrillung kompensieren sich Leitungskapazität und -induktivität. Dadurch steigt die Übertragungsbandbreite und die mögliche Übertragungsreichweite wird praktisch nur durch die Dämpfung des Wirkwiderstandes begrenzt. Die Verwendung von symmetrischen Signalen (Differentialspannungen) erhöht die Festigkeit gegen elektromagnetische Störstrahlung.

Abb. 3: Twisted Pair Adernpaar
Abb. 3: Twisted Pair Adernpaar

Twisted Pair-Kabel gibt es in zahlreichen Varianten. Twisted Pair-Verbindungen werden außer in der Kommunikationstechnik (Netzwerkkabel, Telefonkabel) auch bei HDMI-, DVI- und LVDS-(in LCD/Plasma-TV zwischen Signalprozessor und Display) Verbindungen eingesetzt. Die Anzahl der Leiterpaare im Kabel hängt dabei von der benötigten Datenübertragungsrate ab.
In Netzwerken wird für jede Übertragungsrichtung (senden, empfangen) wird jeweils ein Adernpaar (bei 100BaseT4 und 1000BaseT jeweils zwei) genutzt. Die Übertragungsreichweite ist abhängig vom Aufbau des Kabels, von der Dämpfung (=Länge) des Kabels und von den externen Störeinflüssen. Twisted Pair-Kabel für Netzwerke gibt es in zahlreichen Varianten:

Abb. 4: Twisted Pair Kabeltypen
Abb. 4: Twisted Pair Kabeltypen
U/UTP-Kabel (Unshielded/Unshielded Twisted Pair, nicht abgeschirmte verdrillte Leitungen) gehörten früher typischerweise der Kategorie 3 an. Inzwischen gibt es sie auch als CAT-5/5e-Kabel. UTP-Kabel sollten im industriellen Bereich oder in der Datentechnik mit hohen Datenraten nicht verwendet werden.
S/UTP-Kabel (Screened/Unshielded Twisted Pair) haben einen Gesamtschirm aus einem Kupfergeflecht zur Reduktion der äußeren Störeinflüsse.
F/UTP-Kabel (Foilshielded/Unshielded Twisted Pair) besitzen zur Abschirmung einen Gesamtschirm, zumeist aus einer alukaschierten Kunststofffolie. CAT 5 / CAT 5e
U/FTP-Kabel (Unshielded/Foilshielded Twisted Pair, früher FTP) Die Leitungsadern sind paarweise mit Folie abgeschirmt. Man unterscheidet:
        - PiMF = Paarweise in Metallfolie
        - ViMF = Vierer in MetallfolieCAT 6
S/FTP (Shielded / Foilshielded Twisted Pair) sollten in Bereichen mit hoher Störstrahlung (z.B. Büros mit mehreren PCs) eingesetzt werden.CAT 6e / CAT 7
SF/FTP-Kabel (Screened/Shielded Twisted Pair) besitzen eine Abschirmung für jedes Kabelpaar sowie eine doppelte Gesamtschirmung. Hierdurch kann eine optimale Störleistungsunterdrückung erreicht werden. Auch das Übersprechen zwischen den einzelnen Adernpaaren wird so wirksam unterdrückt.
CAT 7

 

Entsprechend der möglichen Übertragungsbandbreite sind Twisted Pair-Kabel in Kategorieren eingeteilt:

Kategorie Einsatzbereich Bandbreite
CAT-1   Alarmsysteme und analoge Sprachübertragung  
CAT-2   Sprache und RS232-Schnittstellen  
CAT-3   Datenübertragung 16 MHz 
CAT-4   Datenübertragung 20MHz
CAT-5   Datenübertragung 100 MHz
CAT-5e   Datenübertragung 250 MHz
CAT-6   Datenübertragung 500 MHz
CAT-7   Datenübertragung 600 MHz

Die Preisunterschiede zwischen CAT-5e- Kabeln und CAT-7-Kabeln ist so gering, dass es sich bei Neuinstallation auf jeden Fall empfiehlt, CAT-7-Kabel einzusetzen. Dieses ist als einziges Kupfermedium in der Lage mit dem kommenden 10GBit-LAN verwendet zu werden.  

2. Verbinder

Abb. 5: RJ-45 Stecker
Abb. 5: RJ-45 Stecker

Der typische Standardverbinder für die Twisted-Pair-Verkabelung eines kupfergebundenen Ethernet-Netzwerkes ist der 8polige Western-Modularstecker RJ-45 ( 8P8C), auch RJ-48 oder RJ-49 genannt. RJ-45 Steckverbindungen können auf zwei Arten belegt sein, wobei die Belegung nach T568B am weitesten verbreitet zu sein scheint:

Belegung nach EIA/T-T568A   Belegung nach EIA/T-T568B   SIGNAL
Pin Farbe Pin Farbe 10BaseT/100BaseTX 100BaseT4/1000BaseT
1 weiß-grün 1 weiß-orange TX+ D1+
2 grün 2 orange TX- D1-
3 weiß-orange 3 weiß-grün RX+ D2+
4 blau 4 blau   D3+
5 weiß-blau 5 weiß-blau   D3-
6 orange 6 grün RX- D2-
7 weiß-braun 7 weiß-braun   D4+
8 braun 8 braun   D4-

Bei 1:1-Verbindungen sind beide Beschaltungen sind elektrisch zueinander kompatibel. Nur bei Erweiterungen von fest verdrahteten Netzen ist festzustellen, welche Belegung bereits vorgegeben ist.
Normale Verbindungskabel (" Patchkabel") mit RJ-45-Steckern sind 1:1 verschaltet, d.h. Pin 1 des einen Steckers geht auf den Pin 1 des anderen Steckers usw. Nur in besonderen Fällen, wenn z.B. zwei Netzwerkkarten direkt miteinander verbunden werden sollen oder wenn Netzwerkkomponenten (z.B. Hubs älterer Bauart) über keinen dedizierten Uplink-Port verfügen, kann der Einsatz von Crossover-Kabeln notwendig werden.

3. Lichtwellenleiter (LWL)

Sind mit der Netzwerkverkabelung weite Strecken zu überwinden, z.B. zwischen einzelnen Gebäuden auf einem Fabrikgelände ("Campusbereich"), sind sehr hohe Datenübertragungsraten (z.Zt. bis zu 170Gb/s) gefordert oder wenn sich die Datenübertragung per Kupferkabel aus technischen Gründen (z.B. bei extremer Störstrahlung) oder aus Gründen der Sicherheit verbietet, werden Lichtwellenleiter (LWL, Glasfasern) als Übertragungsmedium eingesetzt. Die Lieferprogramme der Hersteller erlauben mittlerweile die Übertragungsstrecken bis zum Einzelplatz komplett auf der Basis von LWL auszuführen.

3.1. Aufbau und Prinzip

In einem LWL werden die Informationen nicht, wie in einem Kupferkabel, elektrisch übertragen, sondern mit Licht. Der eigentliche LWL ist eine Faser aus Glas oder Kunststoff. Jede Faser besteht aus zwei Schichten. Der konzentrische Kern besteht aus einem optischen Material mit einem hohen Brechungsindex, der Mantel (" Cladding") aus einem Material mit niedrigem. Licht, das in einem bestimmten Winkelbereich auf den Übergang von Kern zum Mantel trifft wird dort vollständig reflektiert. Über solche fortlaufenden Totalreflexionen pflanzt sich das Licht durch den LWL bis zum Ende der Faser fort.
Je steiler der Einfallswinkel des Lichts bei der Einspeisung in den LWL ist, desto häufiger wird die Lichtwelle reflektiert. Mit jeder Reflektion der Lichtwelle wird der Weg, des sogenannten Modes, länger. Licht, das wenig häufig reflektiert wird, hat einen kürzeren Weg und durchläuft die Faser schneller. Es ist Licht niedrigen Modes. Licht, das sehr häufig reflektiert wird, hat eine niedrige Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Faser. Er ist Licht hohen Modes. Erzeugt die Lichtquelle des Senders ein nicht-kohärentes Licht, tritt das Licht mit einer Vielzahl unterschiedlicher Winkel in die Faser ein. Dadurch entstehen natürlich durch die unterschiedlichen Moden Laufzeitunterschiede zwischen den Signalanteilen. Ein Eingangsimpuls mit steilen Flanken wird dadurch verschliffen und in seiner Breite gedehnt. Je länger ein Kabel ist, desto höher wird auch diese sog. Dispersion (Einheit: ns/km) Die Dispersion beeinflusst direkt die Übertragungsbandbreite der Glasfaserverbindung.

Abb. 6: Aufbau und Prinzip eines Lichtwellenleiters
Abb. 6: Aufbau und Prinzip eines Lichtwellenleiters

Da die Fasern sehr dünn und empfindlich sind, werden sie zum mechanischen Schutz mit einer Kunststoffbeschichtung (" Coating") und einem Schutzüberzug versehen. In einem LWL-Kabel können mehrere Fasern, sogar in mehreren Bündeln, zusammen gefasst sein.

3.2. Typen von Lichtwellenleitern

Jede LWL-Übertragungsstrecke besteht zumindest drei Komponenten:
- aus einem Sender, der ein modulierten Lichtstahl in den LWL schickt. Das kann beispielsweise eine LED sein, deren Strom von einem Modulator gesteuert wird.
- dem LWL. Hier kommen je nach Anforderungen unterschiedliche Typen zum Einsatz.
- Am anderen Ende des LWL befindet sich der Empfänger. Im einfachsten Fall ist dies eine Fotodiode (PIN-Diode oder Avalanche-Diode) mit einem nachgeschaltetem Verstärker.
Auf längeren Glasfaserstrecken, z.B. zwischen Städten, sind zur Auffrischung des Signal Repeater zwischengeschaltet. Der Abstand der Repeater ist abhängig vom LWL-Typ. Grundsätzlich sind drei verschiedene Glasfasertypen zu unterscheiden. Nicht alle Typen sind für alle Anwendungen einsetzbar.

Multimode-Glasfaser mit Stufenindex-Profil

Der einer Multimode-Glasfaser mit Stufenindex ist der einfachste Typ von LWL und entspricht dem zuvor beschriebenen Aufbau. Der Lichtbrechungsindex der beiden Schichten ist über den Radius der Schichten konstant. Wird als Lichtquelle des Senders ein Punktstrahler, wie sie ihn z.B. eine LED darstellt, eingesetzt, ist der Effekt der Dispersion besonders ausgeprägt. Da die Dispersion mit der Länge des Kabels zunimmt, werden Multimode-Glasfaser mit Stufenprofil hauptsächlich in kurzen Verbindungen, z.B. als Verbindungskabel in Patchfeldern, verwendet.

Abb. 7: Multimode-Glasfaser mit Stufenindex-Profil
Abb. 7: Multimode-Glasfaser mit Stufenindex-Profil

Multimode-Glasfaser mit Gradientenindex-Profil

Bei Multimodefasern mit Gradienten-Profil nimmt der Brechungsindex des Kerns quadratisch zum Mantel hin ab. Die Reflexion des Lichts wird hierdurch abhängig von Eintrittswinkel geringer. Bei ausreichender Kabellänge gleichen sich die Laufzeitunterschiede für die verschiedenen Eintrittswinkel wieder aus. Die Dispersionseffekte wirken sich dadurch kaum aus. Das Ausgangssignal wird nur geringfügig verbreitert. Erhebliche Leistungssteigerungen erfuhren Multimode-Fasern durch den Einsatz von flächig strahlenden Lasern VCSEL Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)mit 850 nm)als Sender und durch die Optimierung des Gradientenprofils an die jeweiligen Lasertypen. Multimodefasern mit Gradienten-Profil werden hauptsächlich für Verbindungen von Gebäuden oder Etagen eingesetzt.

Abb. 8: Multimode-Glasfaser mit Gradientenindex-Profil
Abb. 8: Multimode-Glasfaser mit Gradientenindex-Profil

Monomode-Glasfaser mit Stufenindex-Profil

Singlemode- oder Monomodefasern haben üblicherweise einen Kern mit sehr kleinem Durchmesser (3-10mm). Hierdurch können sich die Lichtwellen nur direkt entlang der Kernachse durch den LWL fortpflanzen. Es gib somit nur einen Mode und folglich keine Dispersion. Dadurch sind wesentlich größere Übertragungsdistanzen (>100km ohne Repeater) und höhere Datenraten (50Gbit/s) als mit Multimode-Glasfasern möglich. Die Herstellung der Fasern ist jedoch sehr teuer und es werden spezielle Laser als Sender benötigt.

Abb. 9: Monomode-Glasfaser mit Stufenindex-Profil
Abb. 9: Monomode-Glasfaser mit Stufenindex-Profil

Arbeitswellenlängen von LWLs

Mit abnehmender Wellenlänge steigt die Dämpfung des Signales durch Streuverluste (gestrichelte Linie). Durch den Herstellungsprozess bedingt, können auch geringe Mengen von Verunreinigungen durch Sauerstoffionen oder OH-Ionen in die Faser gelangen. Diese absorbieren  bestimmte Wellenlängenbereiche des Lichts und erzeugen in diesen Bereichen jene hohe Dämpfungsspitzen bei ca. 950, 1200 und 1400nm, " Waterpeaks" genannt.  Für die praktische Anwendung der LWL-Technik kommen also nur die "optischen Fenster" des Lichtleiters in Frage. Bei den meisten konventionellen Fasern liegen diese bei 850, 1300 und 1550nm.

Abb. 10: Wellenlängenabhängige Dämpfung von Glasfasern
Abb. 10: Wellenlängenabhängige Dämpfung von Glasfasern

Innerhalb dieser Wellenlängenbereichen ist eine weitere Kanaleinteilung möglich. Mit dem CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) oder DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) können mehrere Signale auf Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge auf einer Glasfaser übertragen werden. Dadurch lassen sich Glasfaserkabel mehrfach nutzen.

Jede Station wird eine bestimmte Farbe (Wellenlänge) zugewiesen, mit der sie sich mit der Gegenstelle unterhalten kann. Der Vorteil hierbei ist, dass verschiedene Farben gleichzeitig auf einer Glasfaserleitung übertragen werden können. Hierfür fasst ein Multiplexer die unterschiedlichen Farben zusammen. Diese werden dann zur Gegenstelle übertragen. Dort splittet ein Demultiplexer die einzelnen Farben wieder auf.

Abb. 12: Mehrfachnutzung eines LWLs mittels DWDM
Abb. 12: Mehrfachnutzung eines LWLs mittels DWDM

4. Komponenten in LWL-Netzwerken

Verteiler

Abb. 13: LWL Patchfeld (Foto: InfoTip)
Abb. 13: LWL Patchfeld

Netzwerke mit LWL erfordern genau wie kupfergebundene Ethernet-Netzwerke eine Verteilung der Netzwerkleitungen und ein Verteilen der Daten über Switches. Je nach Struktur des Netzwerks können (nahezu) reine optische Netzwerke oder gemischte Netzwerke eingerichtet werden.

Die Leitungsverteilung kann über optische Patchfelder vorgenommen werden. Die Anschlusskabel und die Patchkabel sind zumeist vorkonfektioniert, da das Anbringen von Verbindern an LWL über spezielle Kenntnisse und Werkzeuge erwartet.

Verbinder

Abb. 14: LWL-Verbinder
Abb. 14: LWL-Verbinder

Die Hersteller von Netzwerkzubehör bieten konfektionierte Verbindungs- und Patchkabel mit einer Vielzahl von verschiedenen Steckerformen an. Meist sind die Kabel paarweise angelegt um beide Datenflussrichtungen (TX und RX) gleichzeitig herstellen zu können.

MTP/PTO-Stecker
Abb. 16: MTP/PTO-Stecker [1]


Spezialverbinder, wie beispielsweise MTP-Stecker, stellen eine Verbindung für mehrere (hier 24) Glasfasern gleichzeitig her.

Abb. 17: Medienwandler (Mediaconverter)
Abb. 17: Medienwandler (Mediaconverter)

Medienwandler

Medienwandler oder Mediaconverter verbinden die glasfaserbasierte, optische Netzwerkteile mit kupferbasierten, elektrischen Netzwerkteilen. Sie wandeln die optischen Signale in der Glasfaser in elektrische Spannungen für Twisted Pair-Kabel um und und umgekehrt wandeln sie elektrische Signale aus dem Kabel in optische Signale für die Glasfaser um.

Abb. 18: Blockbild eines Medienwandlers
Abb. 18: Blockbild eines Medienwandlers

Vor- und Nachteile einer LWL-Verkabelung

LWL haben gegenüber einer Kupferverkabelung einige erhebliche Vorteile:
+ hohe Reichweite
+ hohe Übertragungsbandbreite
+ Potentialfrei, daher auch für explosionsgefährdete Bereiche geeignet
+ hohe Störfestigkeit, LWL können sogar zu Energieversorgungskabeln parallel verlegt werden
+ hohe Abhörsicherheit

Die Nachteile einer LWL-Verkabelung sind hauptsächlich die hohen Investitionskosten:
- Material für die Verkabelung ist teuer
- teure Verbindungstechnik
- Die Montagekosten sind wegen des höheren technischen Aufwandes höher
- komplexe und teure Messtechnik
- zusätzliche Kosten für Medienkonverter auf Kupfer-Ethernet

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Foto "Abb. 16: MTP/PTO-Stecker": Lizenz: CC BY-SA 3.0 de (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/deed.en), via Wikimedia Commons; Quelle: "MPO_Stecker_HR_crop.jpg" von By Reichle & De-Massari

Rechtshinweis

Sofern auf dieser Seite markenrechtlich geschützte Begriffe, geschützte (Wort- und/oder Bild-) Marken oder geschützte Produktnamen genannt werden, weisen wir ausdrücklich darauf hin, dass die Nennung dieser Marken, Namen und Begriffe hier ausschließlich der redaktionellen Beschreibung bzw. der Identifikation der genannten Produkte und/oder Hersteller bzw. der beschriebenen Technologien dienen.

Alle Rechte an den in diesem Kompendium erwähnten geschützten Marken- und/oder Produktnamen sind Eigentum der jeweiligen Rechteinhaber und werden hiermit ausdrücklich anerkannt. Alle in unseren Artikeln genannten und ggfs. durch Dritte geschützte Marken- und Warenzeichen unterliegen uneingeschränkt den Bestimmungen des jeweils gültigen Kennzeichenrechts sowie den Besitzrechten der jeweiligen eingetragenen Eigentümer.

Die Nennung von Produktnamen, Produkten und/oder der jeweiligen Produkthersteller dient ausschließlich Informationszwecken und stellt keine Werbung dar. InfoTip übernimmt hinsichtlich der Auswahl, Leistung oder Verwendbarkeit dieser Produkte keine Gewähr.

Sollten dennoch wider unserer Absicht Rechte Dritter verletzt werden, so bitten wir um eine Benachrichtigung ohne Kostennote.