Leitungsgebundene Übertragungsnetze der Informationstechnik übertragen analoge und/oder digitale Signale. Diese sind gekennzeichnet durch ihre Pegel und die höchste zu übertragende Frequenz. Dabei werden die Signale entweder von einer zentralen Stelle, als Einspeisepunkt, zu mehreren anderen Stellen übertragen oder es ist interaktive Kommunikation zwischen unterschiedlichen Stellen möglich.

Bei unidirektionaler Übertragung handelt es sich um Verteilnetze (engl. »distribution network«), während es bei bidirektionaler Übertragung Vermittlungsnetze (switching network) sind, bei denen die Verbindung zwischen den Stellen durch geeignete Verfahren frei wählbar ist.

Traditionell arbeiten die vorstehend aufgezeigten Netze mit Kupferleitungen. Dabei handelt es sich um elektrische Leitungen, die mit Hilfe elektrischer Größen (Spannung, Strom) die geführte Ausbreitung elektromagnetischer Wellen bewirken.

Varianten der elektrischen Leitungen

Bild 1: Querschnitt einer Koaxialleitung mit Darstellung des Innen- und Außenleiters

Es lassen sich folgende Varianten unterscheiden: Bei symmetrischen Leitungen gibt es verdrillte und unverdrillte (parallele) Zweidrahtleitungen. Bei unsymmetrischen Leitungen gibt es koaxiale Leitungen (auch Koaxleitungen genannt).

Symmetrische Leitungen weisen stets zwei Kupferadern mit einem definierten Durchmesser auf. Bei verdrillten Zweidrahtleitungen wechseln die Adern kreuzweise ihre Lage zwischen rechts und links. Bei enger Verdrillung weisen die Kreuzungspunkte kleine Abstände auf, während weite Verdrillung größere Abstände bewirkt. Die Abstände zwischen den Kreuzungspunkten werden als Schlaglänge bezeichnet. Die einfachste Leitungsform stellen parallele Zweidrahtleitungen dar. Bei diesen verlaufen die beiden Adern über die gesamte Leitungslänge in einem definierten konstanten Abstand zueinander.

Funktionsbedingt weisen symmetrische Leitungen den Nachteil auf, dass die elektromagnetischen Wellen teilweise auch in die Umgebung abgestrahlt werden und damit störende Effekte hervorrufen können. Es ist allerdings auch möglich, dass elektromagnetische Wellen von außen einwirken. Bezüglich dieser Problemstellung bieten unsymmetrische Leitungen Abhilfe. Bei diesen verläuft die eine Ader als Innenleiter konzen-trisch in einer geschlossenen metallischen Hülle, welche als Außenleiter die Funktion der zweiten Ader wahrnimmt. Wegen dieser gleichachsigen Lösung gilt die Bezeichnung koaxiale Leitung oder in Kurzform Koaxleitung (Bild 1). Da der Außenleiter als Abschirmung fungiert, ist die Abstrahlung und Einstrahlung elektromagnetischer Wellen bei diesem Leitungstyp nicht möglich.

Dämpfung und Störabstand

Ein wichtiges kennzeichnendes Merkmal aller elektrischen Leitungen ist die von ihrer Länge abhängige Signaldämpfung, also die Reduzierung des eingespeisten Pegels. Deren Angabe erfolgt in Dezibel (dB) pro Bezugslänge, für die 100 m typisch sind. Bei diesen Kenndaten liegt allerdings auch eine Frequenzabhängigkeit vor. Details hierzu sind aus den Datenblättern der Leitungshersteller ersichtlich. Grundsätzlich steigt die Signaldämpfung mit zunehmender Frequenz und führt damit zu einer Reduzierung des Signalpegels.

Die bestimmungsgemäße Funktion ist in jedem Netz nur dann gewährleistet, wenn das Signal an jedem Anschluss stets einen Mindestwert für den Pegel des Nutzsignals aufweist. Es sind dabei allerdings auch einwirkende Störsignale (z.B. Rauschen) zu berücksichtigen. Deshalb muss die Differenz zwischen Nutzsignal und Störsignal dem vorstehend aufgezeigten Mindestpegel des Nutzsignals entsprechen oder größer sein. Sie wird allgemein als Abstand (ratio) bezeichnet, für den betrachteten Fall ist es der Nutzsignal/Störsignal-Abstand, in Kurzform Störabstand.

Deren Werte weisen stets eine von der Struktur des jeweiligen Netzes bewirkte Ortsabhängigkeit auf. Liegen hohe Störsignalpegel in einem Netz vor, dann steigt auch der Pegel des Gesamtsignals entsprechend an. Dafür muss das jeweilige Netz ausgelegt sein.

Einsatz von Verstärkern

Bild 2: Breitbandkommuniktionsnetz mit elektrischen Leitungen

Um an jedem Netzanschluss den erforderlichen Mindestwert des Nutzsignals und des Störabstands zu gewährleisten, ist der Einsatz von Verstärkern (engl.: »amplifier«) erforderlich. Deren technische Spezifikationen und ihre Platzierung im Netz müssen sorgfältig geplant werden, um Übersteuerung bei den Netzanschlüssen zu vermeiden. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass Verstärker auch selbst störende Rauschsignale erzeugen und damit den Störabstand reduzieren. Verstärker sind aktive Baugruppen für hochfrequente Signale, die für ihre bestimmungsgemäße Funktion elektrische Energie benötigen, deren Menge unmittelbar von der Technologie dieser Funktionseinheiten abhängt. Bild 2 zeigt die klassische Struktur eines Breitbandkommunikationsnetzes (BK-Netz) mit Koaxialleitungen, aus dem das Konzept des Verstärkereinsatzes ersichtlich ist.

Die erforderliche Zahl der Verstärker in einem Netz ist unmittelbar von dessen räumlicher Ausdehnung abhängig, weil die Leitungsdämpfung die ausschlaggebende Rolle spielt. Außerdem ist auch von Bedeutung, wieviele Nutzer-Anschlüsse zu versorgen sind, weil auch die dafür benötigten Komponenten Signaldämpfung bewirken. Für die Kalkulation des Energiebedarfs kann von der Leistungsaufnahme der Verstärker ausgegangen werden. Diese erfolgt 24 Stunden pro Tag und 365 Tage pro Jahr.

Für einen 20-W-Verstärker ergibt sich damit folgender Energiebedarf pro Jahr:

20 W  ∙  24 h/d  ·  365 d/y  =  175,2 kWh

Diese elektrische Leistung muss ständig bereitstehen und bewirkt deshalb entsprechende Betriebskosten. Zusammenfassend erläutert bedeutet dies: Breitbandkommunikationsnetze mit elektrischen Leitungen erfordern wegen der Signaldämpfung stets Verstärker, deren Energiebedarf kostenrelevant ist.

Übertragung mit Licht

Durch den Übergang von elektrischen Koaxleitungen (coax) auf optische Glasfaserleitungen (fibre) kann der Energiebedarf in Netzen signifikant reduziert werden. Diese arbeiten mit optischen Signalen, die aus den elektrischen Eingangssignalen mit Hife elektrooptischer Wandler (converter) gewonnen werden.

Es handelt sich in der Praxis um monochromatisches (einwelliges) Licht im Bereich der Wellenlängen zwischen 450 nm und 1600 nm, was Frequenzen im THz-Bereich entspricht.

Glasfaserleitungen werden deshalb auch als Lichtwellenleiter (LWL) bezeichnet. Ihre Funktion basiert auf der Totalreflexion von Licht an Grenzflächen von unterschiedlichem Glasmaterial. Jede LWL-Faser besteht deshalb aus einem optisch dichteren Kern, einem umgebenden optisch dünneren Mantel und einer äußeren mechanischen Schutzhülle. Es ist somit eine der koaxialen Leitung vergleichbarer Aufbau gegeben, jedoch mit unterschiedlichem Material und anderer Funktionsweise.

Licht wird beim Übergang von einem optisch dichteren Medium in ein optisch dünneres Medium vom Eingangslot weggebrochen. Die Dichte lässt sich durch die Brechzahl n beschreiben. Sie gibt an, um welchen Faktor sich das Licht gegenüber der Lichtgeschwindigkeit c0 im Vakuum langsamer ausbreitet und ist damit ein Maß für die »optische Leitfähigkeit« eines Mediums. Es gilt:

  • Kleinere Brechzahl → optisch dünnes Medium
  • Größere Brechzahl  → optisch dichtes Medium

Ausbreitung in der Faser

Bild 3: Darstellung der Totalreflexion mit Einfallswinkeln und Brechungsindizes

In einer Glasfaser wird das Licht nur dann an der Kern-Mantel-Grenzfläche durch Totalreflexion transportiert, wenn die Einkopplung in einem definierten Winkelbereich erfolgt (Bild 3). Der dafür größte zulässige Wert wird als Akzeptanzwinkel bezeichnet und bezieht sich auf die Mittelachse der Glasfaser. Bei den meisten LWL-Netzen werden Glasfasern eingesetzt, deren Kern kaum dicker ist, als die für den Betrieb eingesetzte Lichtwellenlänge. In optischen Fasern kann Licht in verschiedenen »Moden« übertragen werden.

Diese Moden sind die unterschiedlichen Wege, auf denen sich Licht innerhalb der Faser ausbreiten kann, abhängig vom Querschnitt der Faser und der Wellenlänge des Lichts. Durch den kleinen Kerndurchmesser wird sich, für die geführte Ausbreitung des Lichtsignals, auf eine Mode beschränkt. Deshalb gilt für diese Variante die Bezeichnung »Monomode-Faser«.

Diese weisen folgenden typischen Kennwerte auf:

  • Kern → Durchmesser: 8 µm / Brechzahl:  1,48
  • Mantel  → Durchmesser: 125 µm / Brechzahl: 1,46

Die wichtigste Information stellt bei Glasfasern allerdings die frequenzabhängige Signaldämpfung dar. Als typisches Beispiel sei angeführt:

  • 0,35 dB/km bei 1310 nm
  • 0,25 dB/km bei 1550 nm

Arten der Glasfaserführung

Diese sehr geringen Dämpfungswerte ermöglichen es im Gegensatz zu elektrischen Leitungen, große Entfernungen ohne Zwischenverstärkung zu überbrücken. Dieser große Vorteil wird bei neuen Netzinstallationen bereits genutzt, für die Zahl der existierende Koaxnetze  ist aus wirtschaftlichen Gründen die Umrüstung auf Glasfaser stets geboten. Es lassen sich dafür folgende Lösungsansätze unterscheiden:

  • FTTB (fibre to the building): Glasfaser bis zum Hausübergabepunkt (HÜP) im Gebäude.
  • FTTH (fibre to the home): Glasfaser bis zum Wohnungsübergabepunkt (WÜP) in der Wohnung.
  • FTTD (fibre to the device): Glasfaser bis zu den Geräten, die mit einem steckbaren Anschluss für Glasfaser ausgestattet sind.

Als Sammelbegriff für die vorstehend aufgezeigten Varianten der Glasfaserführung wird FTTX verwendet. Die Basis solcher Strukturen sind passive optische Netze (engl.: »passive optical network«, PON). Sie befinden sich jeweils zwischen einer Glasfaserabschlusseinheit (engl. »optical line terminal«, OLT) auf der Anbieterseite und Glasfaseranschlusseinheiten (engl.: »optical network unit«, ONU) auf der Teilnehmerseite. Dabei versorgt eine OLT stets eine definierte Zahl von ONUs.

Was sind passive optische Netze?

Passive optische Netze (PON) sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

  • arbeiten ausschließlich mit passiven Komponenten
  • benötigen keine Stromversorgung
  • weisen signifikant weniger Dämpfung als Netze mit elektrischen Leitungen auf
  • sind unempfindlich gegen elektromagnetische Einstrahlung.

Die Ausdehnung von PONs kann durchaus bis zu 30 km betragen. Als Datenraten für den Downstream (DS) und den Upstream (US) sind Werte im Gbit/s-Bereich realisierbar. Die einfachste Form eines PON weist nur eine Glasfaser auf. Über diese erfolgt die Übertragung von Downstream und Upstream mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen. Ein optischer Splitter auf der Nutzerseite teilt dabei das vom OLT über die Glasfaser zugeführte Signal für 32 oder 64 ONUs auf (Bild 4).

Die bei vorstehend aufgezeigter Form eines PON erforderliche Frequenzweiche nach der OLT ist nicht erforderlich, wenn Downstream und Upstream auf separaten Glasfasern übertragen werden. Dabei kann in beiden Richtungen dieselbe Wellenlänge zum Einsatz kommen (Bild 5).

Ein weiterer Lösungsansatz für ein PON besteht darin, für jede ONU eine eigene Lichtwellenlänge zu verwenden. Es handelt sich dann um ein Wellenlängenmultiplex (engl.: »wavelength division multiplex«, WDM), bei dem durch einen Demultiplexer auf der Nutzerseite die Separierung der Wellenlängen auf die einzelnen ONUs erfolgt (Bild 6). Bezogen auf den Abstand der Wellenlängen zueinander sind folgende Arten standardisiert:

  • CDWM (coarse WDM)  →  grober Wellenlängenmultiplex  (Kapazität: 18 Wellenlängen im Abstand von mindestens 20 nm)
  • DWDM (dense WDM)  →   dichter Wellenlängenmultiplex (Kapazität: Hunderte Wellenlängen im Abstand von 1,6 nm, 0,8 nm oder 0.4 nm)

Die Aufbauvarianten der PON zusammengefasst:

  • 1 Faser, unterschiedliche Wellenlängen für Downstream und Upstream
  • 2 Fasern, gleiche Wellenlängen für Downstream und Upstream
  • 1 Faser, separate Wellenlängen für jede ONU durch Wellenlängenmultiplex.

Das Ziel der Energieeffizienz ist durch Glasfasernetze erreichbar und führt zu einer Reduzierung der Betriebskosten, weil der Bedarf an elektrischer Energie für Verstärker und sonstige aktive Baugruppen entfällt. Es ist außerdem zu berücksichtigen, dass diese Lösung auch dem Umweltschutz dient, wenn es sich bei der Energieversorgung von Netzen mit elektrischen Leitungen nicht um »grünen Strom« handelt.

Autor

Ulrich Freyer, Fachjournalist, Köln

 

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net