Testen der modernen Highspeed- Multimode-Glasfaserinfrastruktur

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1 Testen der modernen Highspeed- Multimode-Glasfaserinfrastruktur Welche Lichtquelle sollten Sie verwenden oder vorschreiben? Private Netzwerke in Gebäude- und Campus- Umgebungen arbeiten zunehmend mit Highspeed-Applikationen wie Gigabit Ethernet, um immer mehr Bandbreite für eine immer schnellere Datenübertragung zu liefern. Um höhere Übertragungsraten zu erzielen, müssen 1- oder 10-Gb-Ethernet-Netzwerkgeräte wie Router und Switches schnelle - Inhalt Überblick Zertifizierung von Glasfaserstrecken... 3 Grundlagen der Glasfaserübertragung.. 4 Anforderungen für Applikationen Lichtquellen anstelle von langsameren s (Lumineszenzdioden) verwenden. Bei der Datenübertragung kommen also sowohl als auch -Lichtquellen zum Einsatz. Welche Art von Lichtquelle sollten Sie für die Zertifizierung von Glasfaserstrecken gebrauchen?

2 EXIT Loss (M->R) Input Fiber nm Loss: Limit: Margin: nm Loss: Limit: Margin: TALK F1 F2 F3 DTX-1800 CABLEANALYZER ENTER PASS 0.92 db 2.30 db 1.38 db 0.88 db 3.36 db 2.48 db Press SAVE when done Other View Dir. Ref. TEST SAVE TEST TALK DTX-1800 SMARTREMOTE PASS TEST FAIL TALK TONE LOW BATTERY Technischer Anwendungsbericht Testen der modernen Highspeed- Multimode-Glasfaserinfrastruktur Welche Lichtquelle sollten Sie verwenden oder vorschreiben? Highspeed-Netzwerkgeräte für Singlemode-Verbindungen sind mit FP-n (Fabry-Perot) ausgestattet. Die in LANs verwendeten FP- emittieren Licht gewöhnlich mit der Wellenlänge von 1310 oder 1550 nm. Um die Dämpfung von Singlemode-Verbindungen zu messen, sollten Sie eine ähnliche -Lichtquelle verwenden. Wenn die zur Messung gebrauchte Lichtquelle den Eigenschaften der Lichtquelle im Netzwerkgerät entspricht, liegt der gemessene Wert sehr nahe an der tatsächlichen Dämpfung des Netzwerksignals. Bei Multimode-Verbindungen ist die Sache etwas komplizierter. Netzwerkgeräte für Multimode-Glasfaser können mit - oder -Lichtquellen arbeiten. Die meisten Netzwerkgeräte für 10/100 Mb Ethernet verwenden -Lichtquellen, während 1- oder 10Gb-Ethernet-Geräte licht nutzen. Der für Multimode-Glasfaser am häufigsten verwendete typ ist VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting ). Bei VCSEL-lichtquellen beträgt die Wellenlänge des Lichtes nm. Sie unterstützen hohe Datenraten und sind auch wesentlich preisgünstiger als FP-. Eine -Lichtquelle mit nm und ein VCSEL mit nm emittieren Licht auf unterschiedliche Weise. Technisch ausgedrückt unterscheiden sich die Einkopplungsbedingungen der beiden Lichtquellen. Eine emittiert das Licht relativ gleichförmig in den gesamten Kern einer Multimode-Glasfaser. Ein VCSEL dagegen sendet einen schmalen Lichtstrahl aus, der in der Mitte des Glasfaserkerns am hellsten ist, nach außen hin schnell abdunkelt und den Kern nahe der Grenzschicht zum nicht mehr beleuchtet. Diese unterschiedlichen Einkopplungsbedingungen beeinflussen auch die Dämpfungsmessung. Mit einer -Lichtquelle wird in der Regel eine höhere Dämpfung gemessen als mit einem VCSEL. Um diesen Unterschied zu verdeutlichen, haben wir eine 200 m lange 62,5-µm-Multimode-Glasfaserstrecke mit einer - und einer VCSEL-Lichtquelle gemessen (siehe Abbildung 1). Mit der wurde bei nm eine um 0,20 db höhere Dämpfung gemessen als mit dem VCSEL. Dieses typische Ergebnis kann bei einem engen Dämpfungsbudget den Ausschlag zwischen einem PASS- oder FAIL-Urteil geben. Zertifizierung von Glasfaserstrecken generische/beliebige Lichtquellen oder spezielle Vorgaben? Nach den TIA- und ISO-Standards gehört zur Zertifizierung von Glasfaserstrecken eine Dämpfungsmessung beider Glasfasern mit den beiden üblichen Wellenlängen sowie eine Polaritätsprüfung beider Glasfasern. (Horizontale Verkabelungen bis zu einer Länge von 100 m müssen nur mit einer Wellenlänge getestet werden.) Der Standard TIA-568-B.1 verweist auf TIA-Standard (Messung der optischen Dämpfung installierter Multimode-Glasfaser- Kabelanlagen OFSTP-14). In Anhang A des letzteren Standards ist die Coupled Power Ratio (CPR) für Glasfaser-[Licht-]quellen definiert. Ein Messverfahren zur Ermittlung des CPR-Wertes einer Lichtquelle wird festgelegt, und Lichtquellen werden von Kategorie 1 ( Overfilled ) bis Kategorie 5 ( Very Underfilled ) klassifiziert. Allgemein lässt sich sagen, dass eine -Lichtquelle in Kategorie 1 fällt, während ein 1 m 200 m 3 m Lichtquelle Dämpfung mit nm 0,79 db VCSEL mit nm 0,59 db Anschlusskabel Zu testende Verbindungen Patchpanel Abb. 1: Beispiel einer Multimode-Strecke im Backbone Fluke Networks 2

3 FP- in der Regel Kategorie 5 zuzuordnen ist. In Abschnitt 3 des Standards TIA werden die Lichtquellen behandelt. Absatz lautet (aus dem amerikanischen Englisch übersetzt) wie folgt: Die Bedingungen der Modenanregung durch die Lichtquelle werden nach dem Verfahren in Anhang A einer Kategorie von 1 bis 5 zugeordnet. Sofern in einem maßgeblichen Dokument nicht anders festgelegt, sind Lichtquellen der Kategorie 1 zu verwenden und im Testbericht gemäß Abschnitt aufzuführen. Lichtquellen der Kategorie 1 führen zur Messung der höchsten Dämpfung für die Kabelanlage und damit zum sichersten Testwert. Die Industriestandards für strukturierte Verkabelungen betonen besonders die generische Natur dieser Systeme. Hinsichtlich der Implementierung der installierten Verkabelungsstrecken werden keinerlei Annahmen getroffen. Wie dem obigen Zitat zu entnehmen, ist der Signalverlust in Multimode-Verbindungen größer (schlechter), wenn man die Einkopplungsbedingungen von -Lichtquellen (CPR-Kategorie 1) zugrunde legt. Sofern also nicht in den Auftragsspezifikationen spezielle Anforderungen an die Lichtquelle oder die Implementierung der Verkabelungsstrecken gestellt werden, empfehlen die Standards für strukturierte Verkabelungen den Gebrauch einer -Lichtquelle zur Zertifizierung und Messung von Multimode-Verkabelungsstrecken, um dem Worst Case Rechnung zu tragen. Testart Neue Verkabelungsinstallation Installieren, testen und zertifizieren Zertifizieren für Netzwerk-Upgrade 10/100 Mbit/s 1/10 Gbit/s Vorhandene Verkabelungsanlage Übertragungsrate des Netzwerks 1/10 Gbit/s Glasfasertyp MM -optimierte Glasfaser (MM) MM Netzwerkgerät VCSEL VCSEL Lichtquellen Testgerät VCSEL applikationsspezifisch* generisch VCSEL* * Hinweis: Der gemessene Dämpfungswert einer Übertragungsstrecke liegt näher am tatsächlichen Dämpfungswert der Netzwerksignale. Tabelle 1: Auswahl einer geeigneten Lichtquelle für die Zertifizierung von Multimode-Glasfaserstrecken Allerdings weiß der Eigentümer einer bestimmten Installation in der Regel, welche Applikation die Verkabelung unterstützen soll. Wird beispielsweise ein Verkabelungssystem für Gigabit Ethernet installiert, so können die Netzwerkingenieure verlangen, die Dämpfung mit den Lichtquellen zu messen, die auch nach dem Einschalten der Netzwerkgeräte (Switches, Router, Server usw.) verwendet werden. So könnten sie sich etwa dafür entscheiden, die Dämpfung der Multimode-Strecken mit VCSEL-quellen testen zu lassen. Da die zur Messung gebrauchte Lichtquelle der Lichtquelle des Netzwerkgeräts entspricht, liegt der gemessene Wert näher an der tatsächlichen Dämpfung des Netzwerksignals. Will man die Leistung einer vorhandenen Multimode-Verkabelung prüfen, um sie für ein Upgrade auf Gigabit Ethernet zu zertifizieren, so erzielt man aussagekräftigere Ergebnisse mit VSCEL- und -Lichtquellen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Standards unter allgemeinen Bedingungen die generischste Lösung empfehlen. Wenn für ein bestimmtes Verkabelungssystem aber andere relevante Informationen vorliegen, kann der Netzwerkeigentümer (oder ein Berater) durchaus andere Lichtquellen vorgeben. Die generischste Lösung besteht in der Verwendung einer Lichtquelle der CPR-Kategorie 1, also einer -Lichtquelle. Der springende Punkt dieser Erörterung ist: Wenn eine Installation nicht mit der üblichen -Lichtquelle getestet werden soll, kann und sollte man dies in der Auftragsspezifikation festlegen (siehe Tabelle 1). Fluke Networks 3

4 Grundlagen der Glasfaserübertragung - oder -Lichtquellen? emittieren Licht in einem sehr energiereichen, konzentrierten und schmalen Strahl, s dagegen in einem breiteren, diffuseren Strahl von geringerer Energie. Außerdem ermöglichen im Vergleich zu s eine weitaus höhere Impulsrate einer der wichtigsten Gründe, warum sie für Highspeed-Netzwerke nötig sind. Bei Singlemode-Verbindungen verwendet man herkömmliche Fabry-Perot-, bei Kurzwellen-Gigabit-Ethernet-Verbindungen über Multimode-Glasfaser dagegen die neuen VCSEL- (Vertical Cavity Surface Emitting ). Multimode- oder Singlemode-Glasfaser? Der wichtigste greifbare Unterschied zwischen Multimode- und Singlemode-Glasfaser besteht im Kerndurchmesser der Faser. Der Kern ist der zentrale Glasleiter, der das Lichtsignal überträgt. Multimode-Glasfaser ist mit zwei Kerndurchmessern erhältlich, 50,0 µm und 62,5 µm, während Singlemode-Glasfaser einen Nennkerndurchmesser von 9 µm aufweist. Multimode-Faser überträgt das Licht über mehrere Pfade (Moden) im Faserkern. Bei Singlemode-Faser gibt es, wie der Name schon sagt, nur einen Lichtpfad (siehe Abbildung 2). Die Entscheidung für Multimode oder Singlemode richtet sich in der Regel nicht nach den Kosten des Glasfasermediums selbst, sondern nach den Kosten der optoelektronischen Systeme (der Netzwerkgeräte), der erforderlichen Bandbreite und der Länge der Übertragungsstrecke. In Kombination mit licht liefert Singlemode eine größere Bandbreite über längere Übertragungsstrecken als Multimode. Multimode oder -optimierte Multimode-Glasfaser? -optimierte Multimode-Faser wurde als Ergänzung zur VCSEL-Lichtquelle mit nm entwickelt, um in Gigabit-Ethernet- Netzwerken realistische Entfernungen für LAN-Applikationen zu überbrücken (Campus- oder Gebäude-Backbone). Im Hinblick auf den Kerndurchmesser und die Dämpfungseigenschaften ist sie mit herkömmlicher Multimode-Faser identisch. Was sich bei optimierter Glasfaser unterscheidet, sind die Profile des Brechungsindex. In Kombination mit der -ähnlichen Lichtquelle ermöglichen die Übertragungseigenschaften des Glasfaserkerns eine höhere Bandbreite und längere Übertragungsstrecken als bei gewöhnlicher Multimode-Faser. Abb. 2a: Multimode-Glasfaser Abb. 2b: Singlemode-Glasfaser Fluke Networks 4

5 Moden hoher Ordnung oder Moden niedriger Ordnung? Die vielen verschiedenen Pfade, die das Licht in einer Multimode-Faser nehmen kann, weisen unterschiedliche Dämpfungseigenschaften auf. Die Pfade oder Moden in der Mitte des Faserkerns nennt man Moden niedriger Ordnung ; die Moden, die sich nahe an der Grenzschicht zwischen Kern und bewegen, heißen Moden hoher Ordnung. Diese Unterscheidung ist wichtig, wenn man die Dämpfung von Multimode-Glasfasern misst. Moden höherer Ordnung sind anfälliger für Dämpfung durch Biegen der Glasfaser. An engen Biegungen gehen sie ganz verloren, während sich viele Moden niedrigerer Ordnung weiter ausbreiten. Auch wenn die Kerne an Verbindungsstellen zueinander versetzt sind, gehen Moden höherer Ordnung als Erstes verloren. Um die Wiederholgenauigkeit und Zuverlässigkeit von Multimode-Dämpfungsmessungen mit einer -Quelle zu verbessern, empfehlen die Standards, das mit der Lichtquelle verbundene Anschlusskabel um einen zylindrischen Körper zu wickeln, den so genannten Wickeldorn. Die engen Windungen oder Biegungen des Anschlusskabels eliminieren die Moden höherer Ordnung, bevor das Testsignal in die zu prüfende Strecke eingekoppelt wird. Die gemessene Dämpfung ist also niedriger, wenn das Anschlusskabel der -Lichtquelle um einen Wickeldorn gewunden wird. Beispielsweise unterschied sich bei der in Tabelle 2 beschriebenen Verkabelungsstrecke die mit Wickeldorn gemessene Dämpfung um 0,15 db von der Dämpfung ohne Wickeldorn. Einkopplungsbedingungen -Lichtquelle mit nm, kein Wickeldorn für Testkabel -Lichtquelle mit nm, 5 Windungen um 17-mm-Wickeldorn Dämpfung 0,94 db 0,79 db Tabelle 2: Unterschiedliche Dämpfungsergebnisse bei Verwendung eines Wickeldorns Da ihr Licht in einem gebündelten Strahl einkoppeln, kommt es bei Multimode-Glasfaser zu weniger Moden hoher Ordnung. Rufen wir uns dagegen ins Gedächtnis, dass s ihr Licht in einem wesentlich größeren Kegel auf die Einkopplungsfläche der Glasfaser strahlen. Dabei entstehen zahlreiche Moden hoher Ordnung. Das Licht eines VCSEL ist ähnlich wie bei einem ein schmaler, gebündelter Strahl. Somit ist die Ausbreitung des Lichtes im Faserkern eingeschränkt und die Bandbreite der Multimode- Glasfaser entsprechend größer. Da oder VCSELs wenige oder gar keine Moden höherer Ordnung erzeugen, werden sie ohne Wickeldorn verwendet. Anforderungen für Applikationen In den Spezifikationen für Applikationen ist durchgehend von einer Ende-zu-Ende-Übertragungsstrecke die Rede, die in den TIA- oder ISO-Standards als Channel definiert ist. Wenn die Verkabelung nach Verbindungssegmenten installiert oder getestet wird, muss man darauf achten, die Gesamtgrenzwerte für den Channel einzuhalten, damit die Applikation einwandfrei funktioniert. Die nachstehende Tabelle 3 zeigt die empfohlene Höchstlänge sowie die maximale Dämpfung der Übertragungsstrecke für unterschiedliche Applikationen. Die Anforderungen für Gigabit sind wie zu erwarten am strengsten. Die Höchstlänge ist entsprechend der Nennbandbreite der Glasfaser eingeschränkt, und die zulässige Channel-Dämpfung ist wesentlich niedriger als bei älteren Netzwerktechnologien. Die Dämpfungsgrenzwerte in den Gigabit-Ethernet-Standards nähern sich denen in den TIA- oder ISO-Standards an, während ältere Netzwerkapplikationen eine beträchtliche Reserve gegenüber den strengeren TIA-/ISO-Spezifikationen aufweisen. Die letzteren Spezifikationen geben die Leistung an, die von einem korrekt installierten Verkabelungssystem unabhängig von der Applikation zu erwarten ist. Fluke Networks 5

6 Applikation Lichtquelle (nm) Maximale Channel- Länge (m) Maximale Channel- Dämpfung (db) 62,5 µm 50 µm 62,5 µm 50 µm 10BASE-FL ,5 7,8 100BASE-FX ,3 ATM ,3 ATM ,2 7,2 ATM ,0 6,0 ATM ,0 4,0 1000BASE-SX (1) (1) 2,38 3, BASE-LX 550 2,35 2,35 (1) Hinweis: Die maximale Channel-Länge hängt vom Bandbreite-Längen-Produkt der Glasfaser ab. Die niedrigere Zahl bezieht sich auf Glasfasertypen mit geringerem Bandbreite-Längen-Produkt (160 MHz km). Tabelle 3: Anforderungen der Applikationen nach Glasfasermedium und Lichtquelle Sofern die Netzwerkapplikation keine höhere Leistung als TIA oder ISO erfordert, wird sie von der Verkabelungsinfrastruktur nicht beeinträchtigt. Die Beobachtung, dass die Vorgaben für Gigabit Ethernet am strengsten sind und fast an die TIA-/ISO-Teststandards heranreichen, könnte als Argument dienen, alle neuen Multimode-Glasfaserstrecken mit VCSEL- und -Lichtquellen zu testen. Betrachten wir ein Beispiel: Der Endanwender hat um die Installation von -optimierter Glasfaser gebeten, um künftig 1- oder 10-Gigabit-Ethernet-Implementierungen zu unterstützen. Anfänglich werden aber Systeme für 100 Mb/s installiert. Wenn man die Übertragungsstrecken mit VCSEL- und -Lichtquellen zertifiziert, weiß man, dass man nicht die Worst Case -Dämpfungswerte erhält. Die anfänglichen 100-Mb-Systeme sind davon aber vielleicht gar nicht betroffen, da sie große Dämpfungsreserven gegenüber den TIA- /ISO-Spezifikationen aufweisen. Wichtiger könnte es sein, bereits bei der Installation zu wissen, dass die Übertragungsstrecken später die Gigabit-Ethernet-Technologie unterstützen werden und den betreffenden Vorgaben für Länge und Dämpfung entsprechen. NETWORKSUPERVISION Fluke Networks P.O. Box 777, Everett, WA USA Fluke Networks verfügt über Niederlassungen in mehr als 50 Ländern auf der ganzen Welt. Kontaktinformationen für eine Niederlassung in Ihrer Nähe erhalten Sie unter Fluke Corporation. Alle Rechte vorbehalten. Printed in U.S.A. 8/ A-GRM-N Rev B Fluke Networks 6

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