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Planung, Bau und Betrieb von Kommunikationsnetzwerken (1)

Anwendungsneutrale Kommunikationsnetzwerke

Auf einen Blick Lichtwellenleiter und WLAN gehören nun zum Konzept der anwendungsneutralen Kommunikationsnetze

Die strukturierte Gebäudeverkabelung per Kupfer ist nun nur noch Teil der anwendungsneutralen Kommunikationsnetze (DIN EN 50173-1)

Auf aktive Komponenten geht diese Empfehlung »LAN 2018« nicht ein
Diese Empfehlung beschreibt den Bau anwendungsneutraler Kommunikationsnetze (LAN) nach DIN EN 50173-1 [1] als Bestandteil der Gebäudeinfrastruktur. In späteren Teilen geben wir Hinweise zu den notwen­digen Betriebsräumen.

Bislang wurden bei zahlreichen Ländern und Kommunen technische Informationen gepflegt, die sich mit dem Aufbau von derartigen LAN-Verkabelungen beschäftigen. Diese wurden schon in mehreren Fällen durch die vorherige Empfehlung »LAN 2016« abgelöst.

Länder und Kommunen, die über keine eigene Richtlinie verfügen, können jetzt auf eine bundesweit anerkannte Empfehlung zurückgreifen.

LWL und WLAN gewinnen ­immer mehr Bedeutung

Ergänzt wurden Abschnitte über drahtlose Verbindungen da z. B. Richtfunk im Primärbereich und eine WLAN-Versorgung im Tertiärbereich eine immer größere Bedeutung ­einnehmen. Es ist aber, insbesondere im ­Bereich der WLAN-Versorgung, nicht abzusehen, dass diese leitungsgebundene Verbindungen vollständig ablösen. Des Weiteren wurde die Energieversorgung von Endgeräten über die LAN-Kabel (PoE) jetzt ausführlicher behandelt. Außerdem wurde die Empfehlung aktualisiert und im Bereich der Checkliste erste Erfahrungen eingearbeitet.

Betreiber und Verwalter

In dieser Beitragsserie sind die Verantwortlichkeiten zwischen Betreiber, liegenschaftsverwaltender Stelle, hausverwaltender Stelle, Nutzer, Bedarfsträger etc. nicht klar zu trennen und überschneiden sich teilweise. Zudem sind lokale Regelungen zu beachten. Deshalb wird im Folgenden zur Vereinfachung generell der Begriff »nutzende Verwaltung« verwendet.
Bild 1:	Netzstruktur nach DIN EN 50173
Bild 1: Netzstruktur nach DIN EN 50173

Komponenten des Verkabelungssystems

Bei der strukturierten Datenverkabelung unterscheidet man nach DIN EN 50173-1 [1] die drei Bereiche (Bild 1):
  • Primärbereich
  • Sekundärbereich
  • Tertiärbereich.

Primär- und Sekundärnetz

Im Primär- und Sekundärbereich dienen üblicherweise Kabel mit Lichtwellenleitern (LWL) zur Verbindung der einzelnen Datenverteiler. Die LWL-Kabel sind dabei mehrfaserig zu verlegen, d. h. mit mindestens zwölf Fasern. Die erforderliche Faserart und -qualität hängt dabei von der erforderlichen Länge und dem vorgesehenen Übertragungsverfahren ab. Die maximal möglichen Längen bei Einsatz des Ethernet-Protokolls zeigt die Tabelle 1. Später gehen wir noch auf weitere Differenzierungen der Längen ein. Andere Übertragungsverfahren werden hier nicht betrachtet, da sie kaum noch eingesetzt werden.
Tabelle 1: Zulässige Dämpfungswerte (Dämpfungsbudget) für LWL-Klassen
Tabelle 1: Zulässige Dämpfungswerte (Dämpfungsbudget) für LWL-Klassen
Bei Lichtwellenleiterkabeln (normiert in DIN EN 60794-1-1 [2]) unterscheidet man zwischen Mehrmoden- (auch als Multimode- oder Gradientenfaser bezeichnet) und Einmodenfasern (auch als Singlemode- oder Monomodefaser bezeichnet).

Die Fasern werden eingeteilt in:
  • fünf OM-Kategorien (Mehrmoden) bzw.
  • zwei OS-Kategorien (Einmoden)
unterschiedlicher Qualität.

Die Übertragungsreichweite der eingesetzten Faserkategorie hängt ab von der Daten­rate und der genutzten Wellenlänge (850 nm oder 1300 nm). Bei 850 nm sind mit OM1- und OM2-Fasern Übertragungsraten von 10 Mbit/s ... 1 Gbit/s bis 300 m möglich. Die Übertragung von 4 Gbit/s ist dagegen auf unter 100 m begrenzt, während mit Fasern der Kategorien OM3 und OM4 Entfernungen von ca. 300 m überbrückt werden können.

Mechanische Eigenschaften von Glasfaserkabeln

Neben den optischen Eigenschaften des Glasfaserkabels ist auf den Aufbau des Kabels bezüglich des Einsatzes zu achten. Eine Glasfaser kann nicht wie ein Kupferkabel ungeschützt zu einer Kabelseele verseilt werden. Die Faser wird daher mit einer Ummantelung versehen. Man unterscheidet zwischen einer losen Ummantelung (Bündelader/Hohlader) und einer festen Ummantelung (Vollader), siehe Bild 2.
Bild 2: Aderntypen bei Lichtwellenleiterkabeln
Bild 2: Aderntypen bei Lichtwellenleiterkabeln
Bei einer Hohlader liegt die Faser lose in einer Hülle ohne Füllmaterial. Die unterschiedlichen Materialien können Temperaturschwankungen besser ausgleichen und die Zugentlastung wird verbessert (Bild 2).

Bei der Variante Bündelader befinden sich mehrere Fasern in einer Hülle. Die Hülle ist meist mit einem wasserabweisenden Gel gefüllt. Bündeladern eignen sich für die Verlegung in rauer Umgebung (z.B. den Außenbereich).

Bei der Kompaktader – einer Kombination aus Hohlader und Vollader – ist der Hohlraum zwischen Faser und Hülle geringer und mit einer Gleitschicht gefüllt. Bei der Vollader hat die Glasfaser eine ­feste Umhüllung. Dieses Glasfaserkabel ist kompakt und flexibel, das Kabel wird jedoch durch den direkten Kontakt zwischen Hülle und Faser empfindlich gegen Zugbelastung und Temperaturschwankungen.

Bei der Kabelseele werden mehrere Bündeladern um ein Zentralelement zur sogenannten Kabelseele verseilt. Das Zentralelement besteht aus einem GFK-Stab, der für die thermische und mechanische Stabilisierung der Kabelseele sorgt.

DIN EN 50173-1 [1] definiert für die Lichtwellenleiter Link-Klassifizierungen (OF-Klassen, optical fiber) nach deren maximaler Reichweite in Metern. Für jede Klasse ist die maximale Dämpfung der Übertragungsstrecke festgelegt. Man muss mindestens die Klasse auswählen, deren maximale Reichweite für den jeweiligen Anwendungsfall benötigt wird.

Einmodenfasern haben einen deutlich kleineren lichtleitenden Kern als Mehrmodefasern, somit ist die Lichteinkopplung und Faserverbindung schwieriger. Einmodenfasern eignen sich für größere Übertragungs­distanzen und Bandbreiten. Für kürzere Distanzen im Sekundärbereich kann man weiterhin Mehrmodefasern verwenden. Einmodenfasern sind für den Einsatz der optischen Datenkommunikation um λ = 1310 nm bzw. λ = 1550 nm bestimmt. Bei diesen Wellenlängen liegt das Dämpfungsminimum des Fasermaterials.

Berechnung der Dämpfung

Um das zulässige Dämpfungsbudget einzuhalten, ermittelt man die abzusehende Dämpfung. Hierzu muss, wie in Bild 3 dargestellt, der Aufbau der Strecke betrachtet werden. Da es bei der örtlichen Montage sehr schwierig ist, Stecker in der erforderlichen Qualität an einer Faser anzubringen, werden üblicherweise sogenannte Pigtails eingesetzt. Dabei handelt es um eine ca. 2 m lange Faser, an die werksseitig ein Stecker angebracht ist. Solche Pigtails werden dann örtlich an die jeweiligen Faserenden des zuvor verlegten LWL-Kabels gespleißt.
Bild 3: LWL-Strecke
Bild 3: LWL-Strecke
Die Berechnung der optischen Dämpfung erläutert folgendes Beispiel. Errichtet werden soll eine 250 m lange Stecke mit Mehrmodenfasern und einem Betrieb bei 1300 nm. Es sind daher die Anforderungen der Klasse OF 300 mit maximal 1,95 dB einzuhalten. Berücksichtigt werden:

2 x Steckerdämpfung je 0,20 dB                     0,40 dB

2 x Spleißdämpfung je 0,10 dB                        0,20 dB

250 m Faserdämpfung mit 1,0 dB/km             0,25 dB

Summe                                                          0,85 dB

Die Anforderungen (max. 1,95 dB) werden somit eingehalten.

Um sicherzustellen, dass die geforderten Kabeleigenschaften auch noch nach der Verlegung eingehalten werden, muss man die Verlegevorschriften der Hersteller unbedingt einhalten. Die notwendigen Spleißverbindungen sind ausschließlich als Fusionsspleiße auszuführen. Die maximale Dämpfung je Spleiß beträgt 0,1 dB. Bessere Werte sind nicht zu fordern, da man sie auf der Baustelle nur mit unverhältnismäßig großem Aufwand einhalten kann.

Auf die Anschlusstechnik gehen wir in späteren Teilen dieser Beitragsserie ein. Die Normen DIN EN 50173-1 [1], DIN EN 50174-x [3, 4], DIN EN 50346 [5] und DIN EN 61935-1 [6] sind einzuhalten. Ergänzende Kupferverbindungen sind u. U. sinnvoll für Dienste, welche aus regulatorischen und/oder wirtschaftlichen Gründen nicht im Kommunikationsnetz oder über LWL übertragen werden können (z. B. Sondernetze wie Brandmeldeanlagen).

Redundanz berücksichtigen

Je nach Verfügbarkeitsanforderung kann es erforderlich sein, im Primär- und Sekundärbereich eine redundante Auslegung der Verkabelung zu berücksichtigen. Man unterscheidet hierbei zwischen einer
  • reinen Wegeredundanz und
  • einer Kabelredundanz.
Bei der Wegeredundanz (Bild 4) ist darauf zu achten, dass eine getrennte Leitungsführung bis in den Datenverteilerschrank erfolgt. Hierzu gehört auch eine getrennte Hauseinführung. Diese sollten möglichst weit auseinander liegen. Bei einer Kabelredundanz wird dieselbe Kabeltrasse mit mehreren Kabeln verwendet. Hierbei ist die Ausfallwahrscheinlichkeit höher als bei der Wegeredundanz. Ob und in welchem Umfang Redundanzen einzusetzen sind, hängt von der benötigten Verfügbarkeit des Standorts bzw. Verteilers ab und ist mit der nutzenden Verwaltung abzustimmen.
Bild 4: Wege- und Kabelredundanz
Bild 4: Wege- und Kabelredundanz
Im Primärbereich kann je nach Nutzungszweck auch eine Redundanz auf unterschiedlichen Trägermedien erfolgen (z. B. erste Anbindung LWL, zweite Anbindung Funk oder Kupfer). Aufgrund der unterschiedlichen Ausprägung der Übertragungscharakteristik (Bandbreite, Delay (Verzögerung) usw.) ist auch dies mit der nutzenden Verwaltung abzustimmen.

Für die Umsetzung der Redundanz im Sekundärbereich wird empfohlen, ausgehend von den redundanten Gebäudeverteilern jeweils eine direkte Verbindung zu den Etagenverteilern im Tertiärbereich durch eine passive Durchschaltung herzustellen. Das Dämpfungsbudget darf dabei nicht überschritten werden. Diese direkte Redundanz führt zu kürzeren Ausfallzeiten im Vergleich zur indirekten Redundanz (Bild 5).
Bild 5: Indirekte und direkte Redundanz
Bild 5: Indirekte und direkte Redundanz

LWL im Primärnetz

Bild 6: LWL- Erdkabel
Bild 6: LWL- Erdkabel
Der Primärbereich stellt die gebäudeübergreifende Verkabelung zwischen den Gebäuden auf einem Gelände (Campusbereich) dar. Ist nur ein Gebäude vorhanden, besteht der ­Primärbereich nur aus dem Gebäudeverteiler.

Im Außenbereich sind Erdkabel (Bild 6) mit metallfreiem Nagetierschutz, Längs- und Querwassergeschützt möglichst in Rohr zu verlegen. Um Kabel nachziehen zu können, ist der Einsatz von Kabelaufteilungsrohren sinnvoll.

Micro Cable-System (MCS)

Bild 7:	Multirohrsystem für direkte Verlegung
Bild 7: Multirohrsystem für direkte Verlegung
Anstelle von konventionellen Kabelkanalanlagen mit Leerrohren können Multirohrsysteme eine wirtschaftliche Alternative sein. Die Glasfasern werden mittels Druckluft in die Leerrohre eingeblasen. Wie in Bild 7 dargestellt stehen unterschiedliche, technische Ausführungen jeweils von mehreren Herstellern zur Verfügung. Die Entscheidung für ein System muss anhand der örtlichen Gegebenheiten erfolgen. Die Einzelrohre mit geringem Innendurchmesser von 4 … 20 mm werden in Leerrohr-Bündeln, Strings (»Flachkabel«) oder in »Kabeln« zusammengefasst. Die Systeme – teilweise auch in Einzelrohre – sind für die direkte Erdverlegung geeignet. Ein Einziehen von Multirohrsystemen in (vorhandene) Rohre / Kabelanlagen ist möglich.

Eventuelle Verbindungsstellen werden mit speziellen druckdichten Muffen verbunden. Hierdurch entsteht eine druckwasserdichte Punkt-zu-Punkt-Rohrverbindung zwischen beiden Endpunkten. In diese Einzelrohre werden LWL-Faserbündel eingeblasen, evtl. mit leichter Schutzhülle, jedoch ohne Mantel, Zugentlastung und Armierung. Durch das geringe Gewicht dieser Faserkonstruktion können Fasern über Entfernungen > 1 km eingeblasen werden – bei günstiger Trassenführung auch deutlich weiter. Für die Abzweige zu den Gebäuden bzw. für das Anbringen von Verbindungsmuffen sind Hilfsschächte vorzusehen. Eine Erweiterung ist nur mit den speziellen einblasfähigen Lichtwellenleitern möglich.

Im Primärbereich werden Einmoden-LWL-Fasern der Kategorie OS2 empfohlen um Übertragungsraten wie z. B. 100 Gbit/s gewährleisten zu können (Tabelle 2).
Tabelle 2:	Technische Daten von Einmoden-LWL-Fasern
Tabelle 2: Technische Daten von Einmoden-LWL-Fasern
Im Primärbereich sollten Stecker des Typs E2000 8°APC eingesetzt werden, damit man sie von den im Tertiärbereich üblichen LC-Duplex-Steckern optisch unterscheiden kann. Die Reichweite bei den genannten Verfahren beträgt grundsätzlich 10 km bei 1 310 nm und 40 km bei 1 550 nm.

Verschiedene Übertragungsverfahren

100 Base-LX

Die Fast-Ethernet-Schnittstelle 100Base-LX arbeitet mit einem Fasernpaar aus Einmodenfasern (Tabelle 3). Aus der Bezeichnung 100Base geht hervor, dass die Schnittstelle eine Datenrate von 100 Mbit/s unterstützt und in der Basisbandtechnik (Base) arbeitet. Der Buchstabe »L« steht für Long Wavelength, das »X« für lokale Netze (LAN). Die Wellenlänge liegt bei 1 310 nm, das Bandbreitenlängenprodukt beträgt 500 MHz ∙ km.
Tabelle 3:	Verfahren für Einmodenfasern
Tabelle 3: Verfahren für Einmodenfasern

1000 Base-LX

1000Base-LX ist eine Gigabit-Ethernet Schnittstelle. Bei dieser Variante kommt ein Laser mit einer Wellenlänge von 1310 nm (spezifiziert sind 1270 nm bis 1355 nm) zum Einsatz. 1000Base-LX kann mit Mehrmodenfasern und mit Einmodenfasern arbeiten.

10 GBase-ER

Die 10GBase-ER-Schnittstelle ist eine 10GbE-Schnittstelle für lokale Netze, sie eignet sich auch für Weitverkehrsnetze und Stadtnetze. Aus der Bezeichnung 10GBase-ER lässt sich folgendes ablesen: 10 G steht für 10-Gigabit-Ethernet, Base für Basisband, das »ER« steht für »Extended Range«, was sich auf die Wellenlänge der Einmodenfaser mit 1 550 nm bezieht.

40 GBase-LR4

Unter 40-Gigabit-Ethernet gibt es mehrere Schnittstellen für Glasfaser, eine davon ist 40GBase-LR4, mit der Entfernungen von bis zu 10 km überbrückt werden können. Aus der Bezeichnung 40GBase geht hervor, dass die Schnittstelle eine Datenrate von 40 Gbit/s unterstützt und in Basisbandtechnik (Base) arbeitet. Die Bezeichnung LR4 steht für die Übertragung über Licht über vier nach der ITU-Spezifikation G.694.2 spezifizierte Wellenlängen von 1270 nm, 1290 nm, 1310 nm und 1330 nm.

100 GBase-LR4

Unter 100-Gigabit-Ethernet gibt es mehrere 100GbE-Schnittstellen für Glasfaser, eine davon ist 100GBase-LR4.

Drahtlose Kommunikations­systeme im Primärnetz

Stehen gebäudeübergreifende LWL-Verkabelungen nicht zur Verfügung und können diese auch nicht geschaffen werden, bieten sich als verbindendes Element drahtlose Kommunikationssysteme mit gerichteter Übertragung an. Drahtlose Systeme können auch eingesetzt werden, wenn auf bestimmten Abschnitten im Primärnetz, z. B. zur Erhöhung der Verfügbarkeit, redundante Verbindungswege verlangt werden (Bild 8).
Bild 8: WLAN-Antenne; Standard nach IEEE 802.11
Bild 8: WLAN-Antenne; Standard nach IEEE 802.11
Bei einer möglichen Realisierung ist auf folgendes zu achten:
  • Notwendige Bandbreite
  • Anforderungen an IT-Sicherheit
  • Anforderungen an Verfügbarkeit
  • Mögliche Beeinträchtigungen beim Funkfeld und Reichweite (feste/mobile Hindernisse, Störer, Wetterbedingungen)
  • Art der eingesetzten Übertragungssysteme (z. B. Richtfunk, WLAN, Laserlicht)
  • Senderstandorte und Antennen an sicheren Bereichen (außerhalb Handbereich) anbringen
  • Kabeltyp und Kabellänge für die Zuleitung
  • Vorgaben zur Genehmigungspflicht der eingesetzten Funkgeräte
Die Wahl der Übertragungssysteme und der aktiven Komponenten hängt von technischen, betrieblichen, organisatorischen und örtlichen Gegebenheiten ab. Diese müssen mit der nutzenden Verwaltung und den Verantwortlichen für den Betrieb abgestimmt werden.
Tabelle 4:	Normative Anforderungen an Mehrmodenfasern
Tabelle 4: Normative Anforderungen an Mehrmodenfasern

LWL im Sekundärnetz

Der Sekundärbereich umfasst die Netzverbindungen zwischen dem Gebäudeverteiler (GV) und den Etagenverteilern (EV). Gibt es keine Etagenverteiler, entfällt der Sekundärbereich. Eingesetzt werden vorzugsweise Kabel mit Mehrmodenfasern der Kategorie OM3 nach DIN EN 50173-2 [7].

In der Regel wird eine Faser der Kategorie OM3 bis ca. 300 m ausreichen. Bei längeren Stecken oder wenn die maximale Dämpfung um die erforderliche Linkklasse zu erreichen nicht eingehalten werden kann oder die zu übertragende Datenrate dies erfordert, müssen höherwertige Fasern eingesetzt werden.
Tabelle 5:	Aktuelle technische Daten von Mehrmodenfasern
Tabelle 5: Aktuelle technische Daten von Mehrmodenfasern
Die Grenzwerte in der Tabelle 4 sind der Norm entnommen. Die sich auf dem Markt befindlichen Fasern haben in der Regel bessere Werte.

Empfohlene Dämpfungswerte, die zu installierende Kabel erreichen sollten, zeigt Tabelle 5. Somit können Installationslängen der Kabel nach Tabelle 6 erreicht ­werden.
Tabelle 6:	Maximale Länge von Mehrmodenfasern
Tabelle 6: Maximale Länge von Mehrmodenfasern

Literatur

[1] DIN EN 50173-1:2011-09: Informationstechnik – Anwendungsneutrale Kommunikationskabelanlagen; Teil 1 Allgemein

[2] DIN EN 60794-1-1:2016-10 (VDE 0888-100-1): Lichtwellenleiterkabel - Teil 1-1: Fachgrundspezifikation – Allgemeines (IEC 60794-1-1:2011)

[3] DIN EN 50174-1:2015-02 (VDE 0800-174-1): Informationstechnik - Installation von Kommunikationsverkabelung – Teil 1: Installationsspezifikation und Qualitätssicherung

[4] DIN EN 50174-2:2015-02 (VDE 0800-174-2): Informationstechnik – Installation von Kommunikationsverkabelung – Teil 2: Installationsplanung und Installationspraktiken in Gebäuden

[5] DIN EN 50346:2010-02: Informationstechnik – Installation von Kommunikationsverkabelung – Prüfen installierter Verkabelung

[6] DIN EN 61935-1:2010-07 (VDE 0819-935-1): Spezifikation für die Prüfung der symmetrischen und koaxialen informa­tionstechnischen Verkabelung – Teil 1: Installierte symmetrische Verkabelung nach der Normenreihe EN 50173 (IEC 61935-1:2009, modifiziert)

[7] DIN EN 50173-2:2011-09: Informationstechnik – Anwendungsneutrale Kommunikationskabelanlagen; Teil 2: Bürogebäude.

Teil 2

Über die Autoren
Autorenbild
Wilfried Müller

Obmann des Fernmeldeausschusses

Autorenbild
Anne Janssen-Bokämper, Benjamin Pfister, Ronald Gockel, Michael Huber-Mall

Mitglieder des AMEV Fernmeldeausschuss

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