Abnahmemessungen und Fehlersuche an Verkabelungssystemen: Teil 1 - Grundlagen und Normen

Vorwort

Die folgende Reihe von Beiträgen behandelt die Abnahmemessung und Fehlersuche an Kupfer-Twisted-Pair-Verkabelungen. Dieses Einführungsdokument soll Ihnen einen Einblick in die messtechnischen Grundlagen und normativen Hintergründe einer Abnahmemessung geben. In weiteren Teilen der Reihe werden einzelne Messungen im Detail beschrieben. Es geht dabei weniger darum die Fehlersuche in einfachen Parametern wie z.B. der Verdrahtung zu beschreiben, sondern um das Erkennen von Zusammenhängen von Installationsfehlern oder Beschädigungen mit dem Hochfrequenzverhalten von Übertragungsstrecken. Deswegen werden in den nächsten Dokumenten auch die Parameter Übersprechen (NEXT) und Einfügedämpfung und die dabei auftretenden Fehlerquellen thematisiert.

 

Abnahmemessung hilft allen Beteiligten

Die Abnahmemessung ist heutzutage eines der Schlüsselpunkte und ein wichtiger Bestandteil jedes Pflichtenhefts bei IT Infrastruktur Projekten.

Warum ist das so?

Zu Zeiten von 10 MBit/s und auch noch bei 100 MBit/s Ethernet war es ausreichend, wenn die 2 Aderpaare des Twisted-Pair-Kabels „irgendwie“ 1:1 angeschlossen waren. Solange die Drähte am richtigen Kontakt endeten, konnten die Netzwerkkarten schon kommunizieren und Daten übertragen. Heutzutage ist 1,000 MBit/s mit bidirektionaler Parallelübertagung über 4 Aderpaare die technische Grundausstattung. Anspruchsvollere Anwendungen und Rechenzentren brauchen schon mindestens 10 Gbit/s oder höhere Datenraten. Über Kupfer kann zurzeit maximal 40 Gbit/s übertragen werden, über LWL schon bis zu 400 Gbit/s.

Bei Datenraten von 1 Gbit/s aufwärts über Kupferverkabelung reicht ein bloßes Vorhandensein der Aderpaare nicht mehr aus. Gleichermaßen gilt bei LWL-Verkabelungen, dass es nicht reicht, wenn die LWL-Fasern irgendwie zusammengesteckt sind. Die Qualität der Produkte, aber auch die Qualität der Installationsarbeit spielt eine große Rolle in der späteren Leistungsfähigkeit des Endproduktes Verkabelung.

Es reichen schon kleinste Produktfehler oder Fehler beim Anschluss der Komponenten oder Einbringen der Kabel und eine Übertragung über 1 GBit/s oder mehr wird nicht mehr oder zumindest nicht verlustfrei funktionieren.

Damit Projekte reibungsfrei abgeschlossen werden können, ist daher eine Abnahmemessung mit einem Feldmessgerät – oder auch Zertifizierer genannt – für alle drei daran beteiligten Parteien praktisch unumgänglich.

Die Abnahmemessung gibt dem Installateur die Sicherheit, dass sein Produkt „installierte Verkabelung“, für das er die Verantwortung trägt, den im Pflichtenheft oder Angebot angegebenen Spezifikationen entspricht.

Für den Planer ist die Abnahmemessung mit einem Zertifizierer die höchste und sicherste Qualitätsstufe im Qualitätsplan der Gebäudeinfrastruktur und somit ein wichtiger Bestandteil damit die Netzwerkgeräte des Projektes in Betrieb gehen können und die Kommunikation gemäß Spezifikationen funktionieren wird.

Für den Endkunden ist die Abnahmemessung zum einen ein Garant, dass die IT Verkabelung nach Spezifikation funktioniert und die geplanten Anwendungen unterstützen wird und zum anderen auch oft die Grundlage für die Produktgarantien der Hersteller der Verkabelungskomponenten.

Nationale und internationale Normen

Die Grundlage für Abnahmemessungen bilden weltweit Normenwerke für Einzelkomponenten, Verkabelungen, Installation und Messung. Normen sind von größter Bedeutung um die Kompatibilität und Interoperabilität von Verkabelungs-Produkten sicherzustellen.

Beispiel: Wenn man verschiedene CAT6A Produkte verschiedener Hersteller (Buchsen, Kabel, Patch Kabel, etc) zusammen mischt, sollten alle zueinander kompatibel sein und eine Strecke nach EN50173-1 Klasse EA ergeben, was in der Abnahmemessung entsprechend geprüft wird. Diese Klasse-EA-Strecke ermöglicht dann Ethernet-Übertragung bis 10 Gbit/s. Gäbe es die entsprechenden Normen nicht, müssten Planer und Installateure bei jeder einzelnen Komponente der Verkabelung selbst sicherstellen, dass ALLE mechanischen-, elektrischen- und ggf. auch Umgebungsspezifikationen eine Übertragung bis 10 GBit/s ermöglichen.

International werden verkabelungsrelevante Normen bei ISO (International Organization for Standardization) und IEC (International Electrotechnical Commission) behandelt. Auf europäischer Ebene geschieht dies bei Cenelec (Comité Européen de Normalisation Électrotechnique) als EN-Norm und auf deutscher Ebene bei der DKE als VDE-Norm. In der Regel werden die meisten Normen auf ISO/IEC Ebene herausgegeben und viele davon auf europäischer bzw. deutscher Ebene als EN- und VDE-Normen „gespiegelt“. Die EN- und VDE-Normen sind in der Regel inhaltsgleich mit der entsprechenden ISO/IEC-Norm, müssen dies aber nicht zwangsläufig sein. Z.B. enthalten Nationale Normen oft länderspezifische Vorworte oder Anhänge. Es muss auch nicht unbedingt jede Norm auf EN- bzw. VDE-Ebene gespiegelt werden. Viele Normengruppen bestehen lediglich nur auf ISO/IEC- und EN-Ebene.

Anderseits ist es aber auch nicht ausgeschlossen, dass auf Länder- bzw. Europaebene Normen herausgegeben werden, die nicht auf internationaler Ebene gespiegelt werden.

Es empfiehlt sich daher bei Ausschreibungen auf die genaue Version und Ausgabe der Norm zu achten und den Inhalt der jeweiligen Norm zu prüfen.

Unterschieden werden muss zudem noch zwischen einer Norm und einer Technischen Regel (Eng. Technical Report). Eine Norm hat grundsätzlich mehr Gewicht als eine Technische Regel. Letzte kann lediglich als Empfehlung für eine spezielle Anwendung gesehen werden.

Erwähnenswert ist im Zusammenhang mit Normen auch ANSI/TIA da diese Bezeichnung auch in Europa oft auf Produkten gefunden werden kann. ANSI/TIA sind rein amerikanische Normen für Produkte und Verkabelungen. Eine Abnahmemessung in Europa nach einer amerikanischen ANSI/TIA ist in der Regel nicht empfehlenswert.

Wichtig ist auch zu wissen, dass es nicht „die eine allesumfassende“ Verkabelungsnorm gibt, sondern Normen in verschiedenste Themengruppen aufgeteilt sind.

Ebenfalls sollte erwähnt werden, dass Normen keine Gesetze sind, sondern lediglich definierte Mindestanforderungen, um Produkte oder Prozesse kompatibel zu machen.

Normen werden jedoch rechtlich relevant, sobald sie in Verträgen zitiert werden. Schließen z.B. ein Installateur und ein Bauträger einen Vertrag, in dem der Installateur eine Verkabelung gemäß EN50173-1 Klasse EA installieren soll, so wird der Leistungsumfang gemäß dieser Klasse rechtlich bindend für den Installateur.

Normen Themengruppen

Auf Produktebene gibt es Normen für alle relevanten Komponenten wie Stecker, Buchsen, Kabel, Verteiler, etc. Auf Verkabelungsebene werden Verkabelungsklassen definiert, die auf den Komponentennormen aufbauen. Die Verkabelungsklassen wiederum unterstützen verschiedene Anwendungen, z.B. werden alle Ethernet-Anwendungen wie 1 GBit/s Ethernet bei IEEE definiert.

Wie installiert werden muss, wird in Installationsnormen beschrieben. Wie gemessen werden muss, wird wiederum in separaten Messtechniknormen definiert.

Das folgende Schaubild beschreibt einen groben Überblick über den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Normungsthemen.

Aus Sicht der Feld-Messtechnik ist der Bereich der Messtechniknormen ausschlaggebend. Hier wird im Detail beschrieben wie im Labor und im Feld gemessen werden muss. Es wird ebenfalls spezifiziert wie genau mindestens gemessen werden muss und wie die Genauigkeiten ermittelt werden. Auf der Kupfer-Seite ist die IEC 61935-1 für die Messungen an strukturierter Verkabelung und die IEC 61935-2 für Messungen an Rangierkabeln ausschlaggebend.

Die Messtechniknormen enthalten in der Regel keine Grenzwerte und erscheinen für den Endkunden lediglich auf dem Datenblatt der Geräte. Für den Endkunden ist hier lediglich wichtig, dass die Geräte den jeweiligen Genauigkeitsklassen für Kupfermessungen entsprechen – siehe Tabelle weiter unten.

 

Ist z.B: eine Abnahmemessung nach EN50173-1 Klasse FA bis 1,000 MHz gefordert, so muss das Messgerät mindestens der Genauigkeitsstufe V entsprechen.

Ein WireXpert 4500 übertrifft sogar die Anforderungen der Stufe VI. Ein WireXpert 500 oder 500-PLUS übertrifft die Genauigkeitsstufe IIIe und kann ebenfalls auf Stufe VI aufgerüstet werden. Hierzu ist lediglich eine kostenpflichtige Lizenz und eine erneute Werkskalibierung nötig.

 

Kupfer Installations- und Übertragungsstrecke und EzE in kurzen Worten erklärt

Die Installationsstrecke (engl. Permanent Link) und die Übertragungsstrecke (engl. Channel Link) sind die beiden bis dato normalerweise verwendeten Konfigurationen. Neu hinzugekommen ist die sog. EzE (Ende-zu-Ende) Streckendefinition (engl E2E, End-to-End Link).

Für die Abnahmemessung ist wichtig, was in der Messung beinhaltet ist und was ausgeblendet werden muss. Diese Grenzen werden auch als Referenzebenen bezeichnet.

Referenzebenen

Die WireXpert Serie setzt die Referenzebene je nach Channel-Link-, Permanent-Link- oder E2E-Messung entsprechend den Anforderungen der Normen. Wichtig ist hier, dass je nach Messart die unerwünschten Anteile wie z.B. Steckverbinder oder Teile der Messkabel komplett aus der Messung ausgeblendet werden.

Übertragungsstrecke (engl. Channel Link)

Bei der Channel-Link-Messung muss die fest installierte Strecke inklusive aller Rangierschnüre gemessen werden. Allerdings darf der erste und letzte Stecker der Strecke nicht mitgemessen werden.

Bei der Channel-Link-Messung müssen die jeweiligen Rangierschnüre der jeweiligen Strecke verwendet werden.
Die Rangierschnüre müssen nach der Messung vor Ort bleiben. Werden diese von der Strecke entfernt, ist die Messung nicht mehr gültig.

Installationsstrecke (engl. Permanent Link)

Bei der Permanent-Link-Messung darf nur die fest installierte Strecke gemessen werden. D.h. die Messkabel müssen fast komplett aus der Messung ausgeblendet werden. Die Mess-Stecker am Ende des Messkabels müssen in der Messung enthalten sein. Die erste und letzte Buchse der Strecke muss mitgemessen werden.

„EzE“ Link – Ende-zu-Ende Verkabelung (engl. „E2E“ oder End-to-End Link)

Die EzE-Messung wird ähnlich einer Permanent Link Messung durchgeführt, d.h. die Messung beginnt kurz vor der ersten Steckverbindung und endet kurz nach der letzten Steckverbindung. Da die EzE-Strecke mit Steckern anfängt und endet, muss das Messgerät entsprechend die Messung an einer Messbuchse beginnen. Da viele EzE-Verbindungen an schwer zugänglichen Bereichen enden, z.B. als Anschluss für einen Access Point in der Zwischendecke eines Büros, wird die EzE-Messung mit der WireXpert-Serie mit speziellen Messadaptern und -kabeln mit entsprechenden Messbuchsen durchgeführt

Zu messende Parameter

Für die Abnahmemessung wichtig sind die Grenzwerte aus den Verkabelungsnormen, wie z.B. EN50173-1 Klasse EA, definiert bis 500 MHz. Diese Grenzwerte sind in allen Zertifizierungsgeräten implementiert. Welche Parameter mit welchem Grenzwert gemessen werden müssen hängt ganz von der jeweiligen Norm bzw. Leistungsklasse ab.

 

In der Regel werden folgende Parameter gemessen:
- Verdrahtungsplan (engl. Wiremap): Graphische Darstellung der Verdrahtung
- Länge
- Schleifenwiderstand
- Laufzeit
- Laufzeitdifferenz
- Einfügedämpfung
- Nahnebensprechen (eng. NEXT)
- Dämpfungs-Nahnebensprech-Dämpfungs-Verhältnis (engl. ACR-N)
- Dämpfungs-Fernnebensprech-Dämpfungs-Verhältnis (ACR-F)
- Rückflussdämpfung
- Power-Sum NEXT
- Power-Sum ACR-N
- Power-Sum ACR-F
- (Nur in bestimmten Sonderfällen: Fremd-Nebensprechen (eng. Alien-Crosstalk oder Alien-NEXT))

In den folgenden Teilen dieser Artikelserie wird auf die verschiedenen Messparameter eingegangen und diese im Detail beschrieben. Besonderes Augenmerk wird auf die Fehlersuche bei den Hochfrequenz-Parametern gelegt.

 

Ausblick

Die zurzeit „schnellsten“ Kupfer Verkabelungen bestehen aus CAT 8.1 und 8.2 Komponenten und damit verbunden Klasse I und II bis 2,000 MHz Übertragungsstrecken. Die Normen für diese Verkabelung und zugehörigen Messungen werden gegen Ende 2017 / Anfang 2018 verabschiedet. Diese Klassen werden Ethernet Geschwindigkeiten bis 25 und 40 GBit/s über 30 Meter unterstützen. Eine deutsche Anwendungsregel für Verkabelungen bis 40 GBit/s gibt es übrigens schon seit 2014.

Während die endgültigen Normen für 25 und 40 Gbit/s im Entstehen sind, arbeiten die Normengremien schon an neuen Definitionen für 25 Gbit/s über mehr als 50 Meter und sogar 50 GBit/s und 100 GBit/s über Kupfer sind im Gespräch.

Neben der Eigenschaft der Datenübertragung werden moderne Daten-Verkabelungen zusätzlich immer mehr auch für die Stromversorgung über PoE (Power over Ethernet) verwendet. Das klassische PoE reicht aus um energiesparsame Geräte zu versorgen. Zukünftige „PoE+++“-Varianten werden reichen um Geräte mit bis zu 90 W Leistung zu versorgen. Dies reicht aus um Laptops, Workstations, Monitore und sogar größere Lichtanlagen mit Energie zu versorgen. Somit wird es in Zukunft möglich sein, auch energiehungrige Ethernet basierte Geräte nur noch mit einem Kabel sowohl mit Energie als auch Daten zu versorgen.

Der neueste Trend in der Verkabelung ist ein Weggang von der typischen 4-paarigen Verkabelung hin zu 1-paarigen Verkabelungen. Die Anwendungsgebiete sind sehr vielschichtig und hauptsächlich getrieben aus dem Industriellen und Automotive-Bereich. Der Automotive-Bereich ist hauptsächlich interessiert an Strecken bis 15 m für PKWs und 40 m für LKWs/Busse mit Daten-Geschwindigkeiten von mindestens 1 GBit/s. Der Industrielle Bereich interessiert sich hauptsächlich für Strecken bis mindestens 1 km und 10 MBit/s für IoT-( Internet of Things )-Anwendungen oder z.B. Ethernet Anbindung von Sensoren, die über ein größeres Areal verteilt sind.

Ein weiterer Treiber für 1-paarige Anwendungen werden in Zukunft auch typische Büroanwendungen sein, da die klassischen Rangierkabel mit RJ45 Steckern nicht dünn genug sind um zeitgemäß schlanke Geräte wie Laptops anzusteuern. Moderne Laptops sind mittlerweile so dünn dass sie kaum mehr einen RJ45 Stecker aufnehmen können. Hier werden neue Arten von Kabeln und Steckern wohl Einzug halten.

Strukturierte Gebäudeverkabelung wächst in Zukunft also nicht nur in der Geschwindigkeit sondern hauptsächlich in die Breite verschiedenster neuer Applikationen.

 

 

Autor: Alfred Huber Leiter Technik

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