Considerations in outside fiber-optic cable design | Corning

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Besonderheiten bei der Glasfaserkabel-Konzeption für Außenanlagen

Besonderheiten bei der Glasfaserkabel-Konzeption für Außenanlagen

Bündeladerkabel, Bändchen- und Mikro/Minikabel stehen für die Glasfaserverkabelung im Außenbereich zur Wahl

von Derek Whitehurst

Seit der Einführung von Glasfaserkabeln Mitte der 1970er Jahre gab es einen anhaltenden Innovationsanstieg bei Herstellung, Materialien und Netzwerksystemen. Diese Innovationen haben das Design und die Einsatzmöglichkeiten von Außenkabeln einschließlich Bündeladerkabel, Ribbon bzw. Bändchenkabel und Mikro-Minibündelkabel verbessert. Das Kabel, mit dem die faseroptische Revolution in den 1970er Jahren begann, war die Bündelader-Konfiguration, bei der die Glasfasern vor den Strapazen der Installation geschützt wurden, indem alles von relativ steifen Schutzmänteln oder -röhren umschlossen wurde. Diese Konstruktion ist  auch heute noch weitverbreitet und wird in anspruchsvollen Einsatzgebieten rund um den Globus eingesetzt.

In den 1990er Jahren entstanden Bändchenfaserdesigns mit höheren Faserzahlen, die eine signifikante Zeit- und Kostenersparnis beim Fusionsspleißen ermöglichten. Der Grund: Mehrfachfusionsspleißen führt zur schnelleren Wiederherstellung des Netzwerks und zur Steigerung des Projektumsatzes.

In den frühen 2000er Jahren wurden in Europa erstmals Mikro-Minibündelkabel entwickelt – als innovativer Ansatz für die Installation eines optischen Netzwerks in einer  Kanalumgebung mit wenig Platz. Diese verkleinerten und gebündeltenen Röhrenkabel mit erhöhter Faserzahl pro Querschnittsfläche konnten mit weniger Kosten und Störungen installiert werden als einem neuen Tiefbauprojekt (Rip & Replace). 

In der Regel haben sich die verschiedenen Kundengruppen auf einen Hauptkabeltyp für ihr Netzwerk oder ihre Anwendung festgelegt. Da Netzwerke jedoch immer komplexer werden und die Anforderungen an die Bandbreite steigen, kommt es immer häufiger vor, dass mehrere Kabelfamilien im selben Netzwerk verwendet werden. In diesem Artikel befassen wir uns mit Bündeladerkabeln (loose tube), Bändchenfaserkabel (ribbon) und Mikro-Minibündelkabeln (micro loose tube) und gehen der Frage nach, wie die Eigenschaften der geringen Dämpfung, Skalierbarkeit und Roll-Out-Geschwindigkeit bestimmen, wo sich die einzelnen Kabelfamilien in die verschiedenen Segmente des Netzwerks einfügen.

Im ersten Schritt sollten Interessenten ihre spezifische Anwendung und die gewünschten Leistungsmerkmale analysieren, um eine sinnvolle Auswahl an Glasfaserkabelkonstruktionen zu treffen. Doch dabei werden abhängig von der spezifischen Anwendung einzelne Leistungsmerkmale in ihrer Bedeutung höher gewichtet als andere. Ein Netzwerkeigner kann sich zum Beispiel auf die Bereitstellungs- oder Wiederherstellungsgeschwindigkeit konzentrieren, während ein Netzwerkdesigner sich auf die Systemleistung konzentriert. Ein Installateur hingegen achtet vermutlich verstärkt auf die Sicherheit und die Benutzerfreundlichkeit von Kabeln und Hardware.

 

   
  Die wichtigsten Glasfaserkabelfamilien für Außenanlagen: Bündeladerkabel, Mikro-Minibündelkabel sowie Bändchenkabel.  

 

Geringste Dämpfung oder geringste Latenz

Eine Netzwerkleistung der Spitzenklasse steht sicherlich bei jedem Endverbraucher ganz oben auf dem Wunschzettel. Die Kunden verlangen für ihre glasfaserbasierten Kommunikationsdienste eine geringe Signallatenz (Signalverzögerung) und eine geringe Dämpfung (Signalverlust) – dieser Erwartung an die Übertragung gerecht zu werden, muss immer oberste Priorität sein. 

Eine bewährte Methode zur Minimierung von Signalverlusten ist das Design einer Bündelader: Da die Faser keiner signifikanten Belastung ausgesetzt ist und im Allgemeinen sehr tolerant gegenüber axialen Kräften ist, weisen Bündeladerkabel in der Regel die geringsten optischen Dämpfungsverluste auf. 

Eine geringere Dämpfung kann auch durch ein Upgrade auf eine verlustarme Faser erreicht werden, die speziell für Anwendungen über größere Entfernungen ausgelegt ist. Kurzum: Wenn sich das System über mehr als 100 km erstreckt, lohnt es sich aus Kostengründen, verlustarme Fasern in Betracht zu ziehen.

Signallatenz oder auch Verzögerungszeit wird definiert als die Zeitspanne, in der ein Signal in ein System eintritt, bis es aus diesem System wieder austritt. In Glasfaser-Kommunikationssystemen handelt es hierbei um Millisekunden. In den allermeisten Systemen stellt die Latenz kein Problem dar und erfüllt die Mindestanforderungen für eine zufriedenstellende Leistung des Netzwerks. In bestimmten Netzwerken jedoch kann eine geringere Latenz durchaus ein Wettbewerbsvorteil sein, wenn z.B. versucht wird, Daten schneller als die Konkurrenz zu übermitteln. Ein anschauliches Beispiel dafür ist der Hochfrequenzhandel mit Aktien. Transaktionen einige Millisekunden vor der Konkurrenz durchzuführen bedeutet, die Nase auf dem internationalen Parkett vorn zu haben und möglicherweise hohe Millionensummen an Gewinn zu erzielen.

Ribbon- bzw. Bändchenkabel haben aufgrund ihrer besonderen Konstruktionsweise einen Vorteil bezüglich der Latenzzeit im Vergleich zu einer Loose-Tube (LT) bzw. Bündelader-Konstruktion. Bei der Bündeladerkonstruktion ermöglicht die überschüssige Faserlänge, dass spannungsbedingte Beeinträchtigungen des Kabels reduziert oder gar eliminiert werden, da die Fasern quasi locker in den Röhrchen "schwimmen". Bei einer typischen LT-Konstruktion beträgt die überschüssige Faserlänge in der Regel zusätzlich 2 – 8 Prozent der gesamten Kabellänge. In einem typischen Bändchenkabel hingegen gibt es 0 bis maximal einen Bruchteil von 1 Prozent an Faserüberlänge.

Ein beispielhafter Vergleich: Betrachten wir ein 550 km langes Segment in einem Netzwerk – einmal als  Flachbandkabel, einmal als Minibündelkabel umgesetzt. Bei einem Minibündelkabel würde ein Faserüberschuss von 5 Prozent zu einer Lichtlaufzeit von 2,826 Millisekunden führen – beim Bändchenkabel ohne Faserüberschuss sind es hingegen 2,697 Millisekunden: ein eindeutiger Latenzvorteil von 0,129 Millisekunden. In einem Hochgeschwindigkeitsnetzwerk kann dieser kleinen Zeitspanne enorme Bedeutung zukommen. 

 

   
  Ganz rechts ein Standard-Bündeladerkabel in einem 1,25-Zoll-Rohrkanal. Daneben Abbildungen verschiedener Konfigurationen von Mikro-/Minikabeln und Rohrverbünden.  

 

Skalierbarkeit und zukünftige Einsätze

Explosionsartiges Wachstum rund um den Globus: Glasfaserbasierte Breitbanddienste und die damit verbundenen Netzausbauten nehmen zu, da die Dienstanbieter alles daran setzen, die Kundennachfrage nach breitbandigen Dienstleistungen zu befriedigen. Netzbetreiber unterstützen zunhmend 4G/5G sowie Fiber-to-the-Home in Zugangsnetzen, und Cloud-Anbieter vernetzen immer öfter Rechenzentren untereinander – all das erfordert Kabel mit sehr hoher Faserdichte, wobei die Zahl der Fasern in die Tausenden geht.

Ein allgemeiner Richtwert für die am besten geeigneten Kabelfamilien auf der Grundlage der benötigten Faserzahlen: Wenn das Netzwerk in der Regel unter 144 Fasern liegt, ist eine Bündeladerkabelkonstruktion wahrscheinlich die beste Option. Falls das Netzwerk mehr als 432 Fasern benötigt, könnte Bänchenkabel eine gute Alternative sein – aufgrund der Zeitersparnis beim Spleißen. Doch jedes Netzwerk ist anders – wichtig ist, neben der Faserzahl auch andere Entscheidungsparameter zu berücksichtigen. Mikro-Minibündelkabel hingegen können zusätzliche Flexibilität schaffen: Ideal zum Starten mit niedrigen Faserzahlen (zwischen 12 und 432). In einem optimal ausgelegten System kann die Faserzahl dann in der Zukunft mit minimalen Installationskosten gesteigert werden (mehr dazu weiter unten).

Mehrere Arten, Ihr Netzwerk für die Zukunft zu skalieren bieten sich an: entweder durch die Aufrüstung auf höhere Übertragungsgeschwindigkeiten oder durch das Hinzufügen weiterer Glasfasern. Im Allgemeinen ist die Nutzung bislang unausgelasteter Glasfasern die kosteneffektivste Methode und ist der Sinn einer anfänglichen Überdimensionierung. Abhängig vom Zeitrahmen für die technologische Aufrüstung einer Einrichtung ist es jedoch möglicherweise nicht erstrebenswert, zu viele Glasfasern von Anfang bereitzustellen und damit das Investbudget auszuschöpfen. Erstrebenswert  ist vielmehr die Flexibilität, die verfügbaren Glasfasern nach Bedarf zu gruppieren bzw. zu nutzen und in Zukunft weitere Glasfasern hinzufügen zu können – ohne dass die gesamte Infrastruktur grundlegend überarbeitet werden muss. Normalerweise empfiehlt Corning eine Überbelegung von Glasfaser-Designs im Bereich von 25 – 100 Prozent, abhängig von der Unsicherheit der zukünftigen Nachfrage. Bei einem Bündelader Röhren- oder Ribbonkabel gibt es bei diesem Ansatz keinen wirklichen Unterschied - es werden lediglich weitere Fasern während der anfänglichen Ausführung hinzugefügt.

Einen anderen Ansatz verfolgt das Mikro- bzw. Minikabel-System MiniXtend für Speednetpipes bzw. Mikrorohre. Ein gutes Beispiel ist die Installation eines 7-fachen Rohrbündels anstelle eines Standardkabels. Im ersten Kabelkanal könnte ein Mikro- bzw. Minikabel aus 12-288 Fasern installiert werden. Nun bestünde das beeindruckende Potenzial, in der Zukunft bis zu sechs weitere Kabel mit 288 Fasern zu installieren, was eine Kapazität von insgesamt bis zu 2016 Fasern ermöglicht. 

Mikro- und Minikabel ermöglichen ein Pay-as-you-go-Umlageverfahren und stellen somit eine ausgezeichnete kosteneffiziente Option dar, um die Netzwerkkosten bis zum Bedarfsfall aufzuschieben. Sie erlauben es außerdem, zukünftige Fortschritte im Bereich der Glasfaser schneller zu nutzen. Die Abbildung weiter oben zeigt verschiedene Konfigurationen von Mikro-bzw. Minikabeln und Mikrorohren im Vergleich zu einem Standard-Bündeladerkabel im 1,25-Zoll-Kanal ganz rechts.

Installations-/Bereitstellungsgeschwindigkeit

Ein weiterer Faktor, der bei der Kabelauswahl zu berücksichtigen ist: die Auswirkung auf die Bereitstellungsgeschwindigkeit. Die summierte Zeitersparnis durch besseren Kabelzugang und leichtere Spleißmethoden kann sich wirklich erheblichen auf die gesamte Netzwerkinstallation auswirken.

Einige neuere Minibündel-Mantelkonstruktionen lassen sich ohne Werkzeug abziehen und können die Kabelzugangszeit pro Kabel um 70 Prozent verkürzen. Man muss diese Einsparungen nur mit der Anzahl der Kabel an jedem Zugangspunkt multiplizieren, schon wird klar, wie viele Stunden sich Tag für Tag für die Produktivität zurückgewinnen lassen.

Darüber hinaus kann bei steigender Faserzahl die Spleißzeit pro Spleißstelle einen deutlichen Unterschied machen. Ein Merkmal eines Flachbandkabels besteht darin, dass die Fasern für das Massenspleißen oder die Konnektorisierung präzise organisiert sind, was das Spleißen von Flachbandkabeln im Vergleich zum Spleißen von Minibündelkabeln viel schneller macht, da 12 Fasern auf einmal gespleißt werden können, im Gegensatz zum Spleißen von einzelnen Fasern. Dieser Vorteil führt zu einer geringeren Installationszeit, geringeren Arbeitskosten bei der Installation und einer erheblich kürzeren Wiederherstellungszeit im Ernstfall. 

Als Beispiel das Spleißen eines Kabels mit sehr hoher Faseranzahl. Eine Faustregel besagt, dass ein Einzelspleiß etwa vier Minuten und ein 12-Faser-Massenschmelzspleiß jeweils etwa acht Minuten pro Spleißvorgang dauert. Das Spleißen eines Kabels mit 1728 Fasern (= 144 Massenspleißungen) würde bei einem Flachbandkabel etwa 19 Stunden ununterbrochenes Spleißen erfordern. Das Spleißen eines Minibündelkabels hingegen würde etwa 115 Stunden dauern. Wenn man diese Spleißzahlen in einem Netzwerk addiert, bedeutet dies einen enormen Zeit- und Kostenaufwand. Obwohl diese Glasfaserzahlen für die meisten Netzwerke ungewöhnlich hoch erscheinen, ist, wie bereits erläutert, die Nachfrage nach Glasfaserzahlen dieser Größenordnung äußerst realistisch und nimmt weiter zu.

Wiederherstellungsgeschwindigkeit bei Reparaturen

Fehler passieren – ganz egal wie sorgfältig ein Außenkabel installiert wurde: Erdverlegte Kabel können bei Tiefbauarbeiten durchtrennt werden, und Oberleitungen können durch umstürzende Bäume beschädigt werden. Bei einem unvorhergesehenen Netzwerkausfall hat die Wiederherstellung der Kabelverbindung oberste Priorität – so schnell wie möglich, um die Einschränkungen für die Nutzer zu minimieren.

Wie bereits erwähnt, bieten Bändchenkabel viele Vorteile bei der Wiederherstellung im Störungsfall. Mit den o.g. Richtwerten bezüglich der Spleißzeit würde das Spleißen eines 144-Faser-Bündeladerkabels ca. 10 Stunden, das Spleißen eines 144-Faser-Flachbandkabels nur 1,6 Stunden dauern. Ein zusätzlicher Aspekt bei der Planung der Notfallwiederherstellung: Bei einem Bündeladerkabel können die wichtigsten Fasern je nach Datenverkehrspriorität  identifiziert und gespleißt werden – viel präziser, als das bei einem Ribbonkabel der Fall sein kann.

Eine vorausschauende Netzwerkplanung stellt sicher, dass zusätzliche Fasern verfügbar sind, um den Weg für zukünftige Skalierbarkeit freizumachen, und auch um in Notsituationen adäquat zu reagieren. Alle Kabel sollten über eine Planungsreserve und Ersatzfasern verfügen, zumal die Fasern allein im Vergleich zu den Installations- oder Wiederherstellungskosten äußerst kostengünstig sind. Wenn man Ersatzfasern hat, ist es ein Leichtes, die Fasern auszutauschen, um den Betrieb wiederherzustellen.

Verfügbarkeitsbeschränkungen

Ein letzter erwähnenswerter Bereich ist die Verfügbarkeit von Kabeln und den entsprechenden Fasern für verschiedene Anwendungen. Mikro-Minikabel sind ausschließlich für den Einsatz in Rohrverbünden vorgesehen, so dass es keine armierten Kabeloptionen gibt. Die Faserausführungen für Hochleistungsanwendungen sind möglicherweise nicht in allen Kabeldesigns verfügbar, da sie in einigen Konfigurationen nicht optimal funktionieren. Wenn die Alternativen auf der Grundlage der für die Anwendung wichtigsten Netzwerkkriterien betrachtet werden, ist es empfehlenswert, sich einen guten Überblick über das Kabelangebot der verschiedenen Hersteller zu verschaffen. So scheiden manche Optionen gleich zu Beginn der Suche aus, und nicht erst nachdem die Auswahl getroffen wurde.

Die Hauptkabelfamilien – Bündelader-, Bändchen- und Mikro- bzw. Minikabel – bieten überzeugende Optionen für das gesamte Netzwerk. Bei strategisch-durchdachter Verwendung sind geringe Dämpfung, Skalierbarkeit sowie die Bereitstellungsgeschwindigkeit die entscheidenden Vorteile. Da die Glasfaser immer tiefer in das Netzwerk vordringt und die Anforderungen an die Bandbreite weiter steigen, wird eine sorgfältge Evaluation aller Kabeloptionen  helfen, ein zukunftssicheres und belastbares Netzwerk zu schaffen.