Optische Messtechnik für LAN Verkabelungen im Feldeinsatz

29. Oktober 2015

Glasfaserkabel kommen mit zunehmender Anzahl auch in Unternehmensnetzwerken zum Einsatz. Die Anforderungen sind hier meistens hohe Datenraten oder große Entfernungen. Ein großer Vorteil liegt hier aber auch in den entfallenen Isolations- und Erdungs-problemen, die sich bei Kupferkabeln oft in sehr hohen Schirmströmen bei Kupferverkabelung geäußert hat.

Ob und wie gut das Glasfasernetz funktioniert und ob die Verkabelung auch den hohen Bandbreiten in der Praxis gewachsen ist, kann nur spezielle Messtechnik zeigen und nachweisen. Dies sprach bisher aber auch gegen den Einsatz von Glasfasern, da die Messgeräte zur Glasfaservermessung oft kompliziert zu bedienen und nicht zuletzt erheblich teurer waren als vergleichbare Geräte für Kupferverkabelung.

Mittlerweile stehen jedoch eine Reihe von handlichen und preisgünstigen Messgeräten für den Feldeinsatz bei Glasfaserstrecken zur Verfügung:  Sie reichen vom einfachen „Visual Fault Locator“ (VFL) – einer sichtbaren Lichtquelle zum visuellen Aufspüren grober Verkabelungsfehler -  über Dämpfungsmesskits und Zertifizierer für Tier 1 Messungen bis hin zur „Königsklasse“, den OTDRs (Optische Reflektometer) für Tier 2.

Daneben werden Durchsicht- oder besser Video-Mikroskope benötigt, um die empfindlichen Faserenden bei Steckverbindungen auf Staubpartikel und andere Verschmutzungen zu untersuchen.

Im Folgenden sollen die grundlegenden Anforderungen an eine LAN Glasfaser-Verkabelung zusammengefasst und anschließend die hierfür erforderliche Messtechnik näher erklärt werden.

Wie eine strukturierte Gebäudeverkabelung und somit auch die Glasfaserstrecken auszusehen haben, ist in der europäischen Verkabelungsnorm EN 50173 und dem internationalen Pendant ISO/IEC 11801 geregelt. Diese Standards teilen die Verkabelung in drei Bereiche auf: Den „Campus-Backbone“ für die Anbindung von Gebäuden, den „Building-Backbone“ für die Verbindung einzelner Etagen in einem Gebäude und die Tertiär-Verkabelung für die Anbindung der eigentlichen Arbeitsstationen. Während die Tertiär-Verkabelung in der Regel mit Kupferkabeln realisiert wird, kommen im Building- und Campus-Backbone heute meist Glasfaserkabel zum Einsatz. Zur Auswahl stehen grundsätzlich Multimode- und Singlemode-Glasfaserkabel. Beide Faserarten haben einen Außendurchmesser von 125 µm, unterscheiden sich aber grundlegend im lichtleitenden Faserkern. Der Innendurchmesser einer Singlemode-Faser liegt bei 8-9 µm – also in der Größenordnung einer Lichtwellenlänge (ca. 1 µm) - während die Multimode-Fasern einen Kerndurchmesser von 50 µm bzw. 62,5 µm besitzen.

Da aktive Multimode-Komponenten deutlich preisgünstiger sind, werden für eine Gebäudeverkabelung vorzugsweise Multimode-Glasfaserkabel verwendet. Singlemode-Kabel werden hingegen für lange Strecken wie beispielsweise bei Telekom- oder auch Transatlantik Übertragungen verwendet. Der Nachteil von Multimode-Kabeln ist, dass Sie im Vergleich zu den Singlemode-Kabeln hinsichtlich der maximalen Länge und der zu erzielenden Bandbreite eingeschränkt sind. Dies liegt nicht - wie vielleicht zu erwarten -  an der höheren Dämpfung, sondern in der Natur der Übertragung des Lichtes innerhalb dieser Fasern. Anders als in Singlemode-Fasern breitet sich das Licht in einer Multimode Faser auf mehreren Wegen („Moden“) aus. Da nicht alle Wege gleich lang sind, kommen Teile eines Lichtpulses zeitlich versetzt am anderen Ende an. Den dadurch hervorgerufenen Signalverschliff nennt man Dispersion, hier speziell Modendispersion. Die Dispersion ist abhängig von der Güte der Faser und von der Streckenlänge: Je länger die Strecke desto höher die Dispersion und desto geringer die zu erreichende Bandbreite. Im Standard EN 50173 werden vier verschiedene Faserarten für Multimode spezifiziert (OM1-OM4). Die modernere OM4 Faser bietet speziell bei den Lichtwellenlängen 850nm und 1300nm eine erheblich niedrigere Dämpfung als OM3 Fasern und ermöglicht somit Datenraten von über 40GBit/s auf Strecken bis zu 150m.

Während die Dispersion weniger von der Installation der Glasfaser, sondern vielmehr von der Fertigung beeinflusst wird, hat die Verlegung der Glasfaser einen direkten Einfluss auf die Dämpfung der Strecke und somit deren Qualität. Grundsätzlich ergibt sich die Streckendämpfung aus der Dämpfung  der eigentlichen Faser (dB/km), der Anzahl der Spleiße und der Steckverbinder. Hierzu sind Grenzwerte definiert, die es einzuhalten gilt. Wird eine Glasfaser zu stark gebogen, führt diese Biegung zu einer zusätzlichen Dämpfung oder gar zu einer Beschädigung der Faser. Daher ist es unerlässlich die vorgeschriebenen Biegeradien bei der Installation der Glasfaser einzuhalten und nicht zu unterschreiten. Eine weitere Ursache von hohen Dämpfungen können aber auch schlechte sowie verschmutzte Steckverbinder oder Spleiße sein. Dort können u. a. auch starke Reflexionen des Lichtes entstehen, die später eine Datenübertragung stören.

Nach jeder Installation aber auch im Fehlerfall empfiehlt es sich, eine Messung nach ISO/IEC 14763-3 mittels OTDR (Optical Time Domain Reflectometer, optisches Zeitbereichsreflektometer) durchzuführen. Hierbei wird ein Laserpuls von typisch wenigen Nanosekunden Dauer in die Glasfaser eingekoppelt und die Intensität des zurückgestreuten Lichts über der jeweiligen Laufzeit mit dem optischen Detektor aufgenommen. Ein OTDR funktioniert somit ganz analog einem Radargerät. Nur dass man hier keine Flugzeuge ortet, sondern aus der Rückstreuintensität den Ort und Verlust von Störungen („Ereignisse“) auf der Strecke bestimmt. Aus der Intensität des diffus rückgestreuten Lichtes lässt sich auch die Dämpfung der Glasfaser selbst bestimmen.

Das schon erwähnte FiberXpert OTDR 5000 ist beispielsweise sowohl für Multimode- wie auch Singlemode-Glasfaserkabel einsetzbar. Dabei werden für Multimode die Wellenlängen 850/1300 nm und für Singlemode die Wellenlängen 1310/1550 nm verwendet. Eine typische Messung dauert nur ein paar Sekunden, je nachdem, ob bei mehreren Wellenlängen gemessen werden soll und welche Mittelungsverfahren gewählt wurden. Anschließend erkennt das Gerät selbstständig alle Ereignisse auf der Glasfaser-Strecke. Schlechte Steckverbinder, zu kleine Biegeradien werden somit automatisch erkannt und entsprechend gekennzeichnet. Durch die Verwendung eines sehr kurzen Laserpulses verfügt das Gerät in über eine besonders kleine Totzone, was die Auflösung selbst kurz aufeinander folgender Ereignisse – also direkt benachbarter Störungen - ermöglicht.

Zusätzlich verfügt das Gerät über einen Pegelmesser, mit dem Dämpfungen noch genauer bestimmt werden können.

Sollte die Glasfaser gar gebrochen sein, dann kann mithilfe eines „Visual Fault Locators“ die Bruchstelle durch einfache visuelle Beobachtung entdeckt werden. Dabei sendet ein VFL einen mit dem Auge sichtbaren Laserstrahl mit ca. 630nm Wellenlänge (tiefrot) in das Kabel, welches an Störstellen auch durch den Mantel gut sichtbar ist.

Schließlich sind die Faserenden bei Streckverbindungen empfindlich gegenüber Verschmutzung und sollten daher vor jedem Steckvorgang überprüft werden. Der FiberXpert OTDR 5000 verfügt hierfür über einen USB Anschluss für ein Videomikroskop, mit dem die Faser-Oberflächen von Patchkabeln und in Patchpanels direkt auf dem Bildschirm des Geräts betrachtet und inspiziert werden können.

Die Mikroskopbilder können zur Dokumentation zusammen mit allen anderen Messwerten abgespeichert werden. Mithilfe der Auswertesoftware eXport können dann sowohl Berichte aus dem FiberXpert OTDR 5000 als auch Berichte aus dem WireXpert in einem Programm dokumentiert und verarbeitet werden.

Fazit: Glasfaserverkabelungen bilden das Rückgrat unternehmensweiter Vernetzung und müssen daher vor ihrer Inbetriebnahme ausreichend geprüft werden. Hierfür stehen heute preisgünstige Handmessgeräte zur Verfügung, die alle notwendigen Feldmessungen unterstützen. Erst die OTDR Messung zusammen mit der Dämpfung und einer Kontrolle der Steckeroberflächen geben dem Betreiber ein umfassendes Bild über die Qualität seiner Glasfaserinstallation.

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