2.3 Netzwerkmedien

Das passende Medium auswählen

Ein Übertragungsmedium wird nicht allein nach der höchsten beworbenen Datenrate ausgewählt. Eine fachgerechte Planung betrachtet die gesamte Strecke einschließlich Steckverbindungen, Patchfeldern, Transceivern, Funkumgebung und Reserven. Das langsamste oder qualitativ schwächste Glied kann die Verbindung begrenzen.

Backbone-Konzepte in Gebäuden

Die Primär- und Sekundärverkabelung bildet das Rückgrat einer strukturierten Verkabelung. Bei einem verteilten Backbone stehen aktive Komponenten in mehreren Verteilern. Ein zusammengefasster, auch collapsed genannter Backbone bündelt zentrale aktive Technik an einem Standort und führt längere passive Strecken dorthin.

Keine Variante ist grundsätzlich richtig oder falsch. Gebäudestruktur, zulässige Leitungslängen, Brandabschnitte, Wegeredundanz, Stromversorgung, Kühlung und Wartbarkeit bestimmen die geeignete Lösung. Lichtwellenleiter sind im Backbone häufig vorteilhaft, weil sie große Entfernungen überbrücken und Potentialunterschiede zwischen Gebäuden nicht elektrisch übertragen.

Elektrische Grundlagen: Widerstand und Impedanz

Der Gleichstromwiderstand beschreibt, wie stark ein Leiter einen Gleichstrom hemmt. Er hängt unter anderem von Material, Länge, Querschnitt und Temperatur ab. Bei hochfrequenten Datensignalen reicht dieser Wert nicht aus: Kabel und Abschluss bilden ein Wechselstromsystem mit frequenzabhängigen kapazitiven und induktiven Anteilen. Dessen Verhältnis von Spannung zu Strom wird als Impedanz bezeichnet.

Ändert sich die Impedanz an einem Stecker, einer Quetschung, einem zu stark aufgedrehten Adernpaar oder einem ungeeigneten Kabelabschnitt, wird ein Teil des Signals reflektiert. Solche Rückflussverluste können die Signalqualität verschlechtern. Deshalb müssen Kabel, Stecker und Anschlussmodule als normgerechte Übertragungsstrecke zusammenpassen.

Koaxial- und symmetrische Kupferkabel

Koaxialkabel besitzt einen Innenleiter, ein Dielektrikum und einen konzentrischen Außenleiter beziehungsweise Schirm. Es prägte frühe Ethernet-Varianten und wird heute weiterhin beispielsweise für Breitband-Kabelnetze, Antennen- und HF-Verbindungen eingesetzt, ist aber nicht das übliche Medium moderner Ethernet-Arbeitsplatzverkabelung.

Symmetrische Kupferverkabelung verwendet vier verdrillte Adernpaare. Die beiden Leiter eines Paares führen gegensinnige Signalanteile. Ein Empfänger wertet die Differenz aus; gleichartig eingekoppelte Störungen können dadurch weitgehend unterdrückt werden. Unterschiedliche Schlaglängen der Paare reduzieren das Übersprechen.

• Der erste Buchstabe bezeichnet den Gesamtschirm, der zweite Teil die Schirmung der verdrillten Paare.
• Ein Schirm wirkt nur im korrekt geplanten Gesamtsystem aus Kabel, Anschlusskomponenten, Potentialausgleich und fachgerechter Montage.
• Zu enge Biegeradien, Zug, Knicke und zu weit aufgedrehte Paare verschlechtern die Übertragungseigenschaften.

Anschlüsse und Abschluss von Kupferstrecken

Der im LAN umgangssprachlich RJ45 genannte Steckverbinder ist technisch ein modularer 8P8C-Stecker beziehungsweise eine passende Buchse mit acht Positionen und acht Kontakten. Installationskabel werden üblicherweise auf Patchfelder und Anschlussdosen aufgelegt; flexible Patchkabel verbinden anschließend die Geräte. Die Belegungen T568A und T568B sind in 2.2 dargestellt.

Ein einfacher Durchgangstest erkennt nur Vertauschungen, Unterbrechungen oder Kurzschlüsse. Für den Nachweis einer installierten Übertragungsklasse misst ein geeigneter Zertifizierer zusätzlich Parameter wie Einfügedämpfung, Nah- und Fernnebensprechen sowie Rückflussdämpfung. Ein optisch ordentliches Kabel ist daher nicht automatisch eine leistungsfähige normgerechte Strecke.

• Patchkabel und Installationskabel nicht mit ungeeigneten Steckern oder Anschlussverfahren kombinieren.
• Adernpaare bis nahe an die Kontaktstelle verdrillt lassen und die Zugentlastung nutzen.
• Kategorie einzelner Bauteile und Leistung der gesamten Übertragungsstrecke nicht gleichsetzen.
• Kupfer kann heute 10 Gigabit Ethernet tragen, beispielsweise mit Cat 6A bei einer normgerecht aufgebauten Strecke bis 100 m.

Lichtwellenleiter: Aufbau und Lichtführung

Eine Glasfaser besteht aus dem lichtführenden Kern, einem Mantel mit geringerem Brechungsindex und schützenden Beschichtungen. Trifft Licht auf eine Grenzfläche, ändert es abhängig von Brechungsindex und Einfallswinkel seine Richtung. Oberhalb des Grenzwinkels wird es vollständig in den optisch dichteren Bereich zurückreflektiert. Dieses Prinzip der Totalreflexion ermöglicht die Lichtführung im Kern.

Die numerische Apertur beschreibt den Bereich von Einkopplungswinkeln, in dem eine Faser Licht aufnehmen und führen kann. Sie ist eine Eigenschaft von Kern, Mantel und Brechungsindexprofil; sie darf nicht mit der Öffnung eines Steckers verwechselt werden.

Stufenindex, Gradientenindex und Dispersion

Bei einer Stufenindexfaser ändert sich der Brechungsindex am Übergang vom Kern zum Mantel sprunghaft. Bei einer Gradientenindexfaser nimmt er im Kern stufenlos nach außen ab. Lichtwege weiter außen sind geometrisch länger, breiten sich dort aber schneller aus. Dadurch liegen die Laufzeiten verschiedener Moden näher beieinander und die modale Dispersion sinkt.

Dispersion verbreitert einen ursprünglich kurzen Lichtimpuls. Treffen benachbarte Impulse dadurch nicht mehr eindeutig getrennt beim Empfänger ein, steigt die Fehlerrate. Multimode wird vor allem durch modale und chromatische Dispersion begrenzt; bei Singlemode spielen unter anderem chromatische und bei sehr langen oder anspruchsvollen Strecken Polarisationsmodendispersion eine Rolle.

Mantelfarben von LWL-Kabeln

Bei Innen- und Patchkabeln erleichtern gebräuchliche Mantelfarben die erste Zuordnung der Faserklasse. Die Farbe ist jedoch nur ein Hinweis: Hersteller, Einsatzumgebung und regionale Vorgaben können abweichen. Für die eindeutige Bestimmung sind deshalb immer der Kabelaufdruck, die Dokumentation und gegebenenfalls eine Messung maßgeblich.

• Außenkabel sind häufig schwarz und lassen sich nicht anhand der Mantelfarbe einer Faserklasse zuordnen.
• Steckergehäuse besitzen eigene Farbcodes, beispielsweise Blau für Singlemode-PC/UPC und Grün für Singlemode-APC. Diese Steckerfarben sind nicht mit der Kabelmantelfarbe gleichzusetzen.

Dämpfung, Streuung und Biegeradius

Optische Dämpfung ist der Verlust an Lichtleistung und wird für Fasern meist in Dezibel pro Kilometer angegeben. Wesentliche Ursachen sind Absorption im Material, Rayleigh-Streuung an mikroskopischen Unregelmäßigkeiten, Steck- und Spleißverluste sowie Makro- und Mikrobiegungen. Die Verluste hängen von Faser und Wellenlänge ab.

Ein optisches Leistungsbudget addiert Faser-, Steck- und Spleißverluste sowie eine Reserve und vergleicht die Summe mit der zulässigen Differenz zwischen Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit. Ein OTDR kann Ereignisse und deren Entfernung sichtbar machen; eine Dämpfungsmessung mit Lichtquelle und Leistungsmesser bewertet die Ende-zu-Ende-Einfügedämpfung.

• Herstellerangaben für minimalen Biegeradius und Zugkraft einhalten.
• Steckerendflächen zuerst prüfen und fachgerecht reinigen; Staub ist im Verhältnis zum Faserkern groß.
• Singlemode, 50-µm- und 62,5-µm-Multimode nicht beliebig mischen: Kern- und Aperturunterschiede verursachen zusätzliche, teils richtungsabhängige Verluste.
• Messverfahren, Referenzierung, Wellenlänge und Grenzwerte müssen zur Strecke passen.

Stecker und dauerhafte Verbindungen

ST und SC sind weiterhin in Altanlagen anzutreffen. Der kleinere LC-Stecker ist in aktuellen Ethernet-Installationen weit verbreitet. MPO/MTP-Verbindungen bündeln mehrere Fasern und werden unter anderem für hochdichte Rechenzentrumsverkabelung eingesetzt. Farbe und Bauform geben Hinweise, ersetzen aber nie Beschriftung, Datenblatt und Dokumentation.

Dauerhafte Verbindungen werden häufig durch Fusionsspleißen hergestellt. Dabei werden vorbereitete Faserenden präzise ausgerichtet und verschmolzen. Mechanische Spleiße verbinden Fasern ohne Verschmelzung, weisen aber andere Eigenschaften und Einsatzgebiete auf. Jede Verbindung muss geschützt, dokumentiert und in der Dämpfungsbilanz berücksichtigt werden.

Kupfer, Glasfaser und Funk im Vergleich

WLAN als geteiltes Übertragungsmedium

WLAN nach IEEE 802.11 überträgt Daten über Funk. Alle Teilnehmer einer Funkzelle teilen sich Sendezeit, während Dämpfung, Reflexion, Abschattung, fremde Netze und andere Funkquellen die Übertragung beeinflussen. Eine angezeigte PHY-Datenrate ist deshalb nicht mit dem tatsächlich nutzbaren Durchsatz gleichzusetzen.

Ein Access Point verbindet WLAN-Clients mit dem Distribution System, meist einem Ethernet-LAN. Ein Client kann beim Bewegen zwischen überlappenden Funkzellen roamen. Der Wechsel wird grundsätzlich vom Client ausgelöst; Funktionen wie 802.11k, 802.11v und 802.11r können Nachbarschaftsinformationen, Steuerung und schnellen Übergang unterstützen, wenn Infrastruktur und Client sie passend verwenden.

WLAN-Komponenten und Frame-Arten

WLAN-Schnittstellen sind heute meist im Endgerät integriert oder als M.2-, PCIe- beziehungsweise USB-Adapter verfügbar. PCMCIA- und CardBus-Karten gehören zum Legacy-Bestand älterer Notebooks. Ein Adapter allein garantiert keine bestimmte Leistung: Antennen, Anzahl räumlicher Datenströme, unterstützte Frequenzbänder, Treiber, Access Point und Funkumgebung wirken zusammen.

IEEE 802.11 unterscheidet Management-, Control- und Data-Frames. Management-Frames unterstützen beispielsweise Erkennung, Authentifizierung und Zuordnung zu einem Netz. Control-Frames koordinieren die Übertragung, etwa mit Bestätigungen. Data-Frames transportieren Nutzdaten. Die Bezeichnung „IEEE 802.3 Wireless“ ist falsch: 802.3 beschreibt Ethernet, WLAN gehört zur 802.11-Familie.

• Automatische Ratenanpassung reagiert auf Funkbedingungen; niedrigere Modulations- und Codierungsstufen sind robuster, benötigen aber mehr Sendezeit.
• Mehr Access Points bedeuten ohne Kanal-, Leistungs- und Kapazitätsplanung nicht automatisch ein besseres WLAN.
• Sicherheit, Frequenzplanung, Sendeleistung, Clientdichte, Roaming und kabelgebundene Uplinks gehören gemeinsam zur WLAN-Planung.
• Funkwellen enden nicht an organisatorischen Grenzen; Authentifizierung und zeitgemäße Verschlüsselung sind deshalb unverzichtbar.