Netzwerk-Grundlagen – charakteristische Eigenschaften von Übertragungsmedien

Kupfer, Glasfaser, Kunststoff und Funk – Für jede Datenübertragung das richtige Medium

17.10.2007 | Autor / Redakteur: Gerhard Kafka / Andreas Donner

Der optischen Datenübertragung gehört die Zukunft
Der optischen Datenübertragung gehört die Zukunft

Das Übertragungsmedium ist die wichtigste Komponente des physikalischen Layers. Generell stehen neben einer Funkübertragung im Medium Luft die Materialien Kupfer und Glas als Übertragungsmedien zur Verfügung. Kunststofffasern erweitern derzeit den möglichen Material-Pool. Welches Medium sich für welchen Anwendungsfall am besten eignet, hängt von zahlreichen Faktoren ab und unterliegt einem ständigen Wandel.

Kupfer ist der Basiswerkstoff für Telefon-, Daten- und Koaxialkabel sowie für Stromkabel, über die mittels PLC (Power Line Communication) ebenfalls Daten übertragen werden können. Die Glasfaser findet man in Backbone-Netzen der Unternehmen sowie in öffentlichen Netzwerken. Funkwellen sind die Basis für Bluetooth, RFID, WLAN, Richtfunk sowie 2G- und 3G-Mobilfunknetze.

Aus den Anfängen der elektrischen Informationsübertragung kennen wir die verdrillte Kupfer-Doppelader, die schon als Medium für die Telegrafie und Telefonie eingesetzt wurde. Um die Reichweite der Telefonsignale zu erhöhen, wurden insbesondere in den USA aber auch in Europa Pupinspulen installiert. Weil diese Spulen Frequenzen oberhalb von 4 kHz nicht übertragen, können pupinisierte Leitungen nicht für die verschiedenen DSL-Dienste eingesetzt werden. Die DSL-Technologie verschaffte übrigens den Netzbetreibern ein spätes ROI, weil darüber z.B. mit VDSL2 symmetrische Datenraten bis 100 Mbit/s erzielt werden können.

Koaxialkabel und Stromleitungen bestehen ebenfalls aus Kupfer und werden heute weltweit als Infrastruktur für multimediale Kommunikationsdienste benutzt. In Deutschland sind Angebote für Triple-Play-Dienste über das Fernsehkabel und die Stromleitung jedoch eher die Ausnahme. Abseits der Ballungsräume gelegene und ländliche Gebiete werden per Satellit versorgt. Funkwellen sind des Weiteren die Basis für mobile Kommunikationsdienste über Netze der zweiten und dritten Generation und für den Internetzugang über öffentliche WLAN-Hotspots sowie künftig auch für WiMAX-Dienste.

Verdrillte Kupferkabel

Die auf einer für die Telefonie benutzten Kupfer-Doppelader erzielbare Bitrate wird hauptsächlich von der Dämpfung des Kabels und von unerwünschten Störungen bestimmt. Die Dämpfung bewirkt, dass das Nutzsignal über die Entfernung immer schwächer wird. Dieser Effekt wirkt umso stärker, je höher die Frequenz des übertragenen Signals ist. Die Dämpfung nimmt außerdem mit der Länge des Kabels zu und ist umso größer, je dünner der Durchmesser des Kabels ist. Dem Nutzsignal überlagern sich Störsignale, die zu unerwünschten Veränderungen und damit zu Übertragungsfehlern führen können.

Diese Störsignale werden z.B. durch das Nebensprechen von benachbarten Leitungen in einem Kabelbündel eingekoppelt. Sie können aber auch über elektromagnetische Felder von Funkdiensten oder aus Störimpulsen benachbarter elektrischer Geräte entstehen. Um die Einstrahlungen zu vermindern werden die einzelnen Drähte miteinander verdrillt. Solche Kabel werden u.a. als Sternvierer, Diesel-Horst-Martin-Vierer und Paarverseilung bezeichnet.

Die Übertragungseigenschaften eines verdrillten Kupferkabels und damit die Qualität der übertragenen Signale werden durch eine Vielzahl von Parametern bestimmt. Zu den wichtigsten zählen:

  • Aderdurchmesser in mm
  • Leiterwiderstand in Ohm/km
  • Widerstandsunterschied in Ohm
  • Betriebskapazität in nF/km
  • Kapazitive Kopplung in pF
  • Wellenwiderstand Z in Ohm
  • Wellendämpfung alpha in dB/km
  • Nebensprechdämpfung in dB
  • Nahnebensprechdämpfung an (NEXT)
  • Fernnebensprechdämpfung af - alpha (FEXT)
  • Erdunsymmetriedämpfung au in dB
  • Kopplungswiderstand Rk in Ohm/km
  • Produkt R*C in Ohm x nF/km
  • Betriebsverlustfaktor tan delta
  • Isolationswiderstand in Gigaohm
  • Spannungsfestigkeit in V (Ader/Ader, Ader/Metallmantel)

Die für Unternehmensnetze verwendeten Datenkabel bestehen aus acht Kupferadern und werden in unterschiedlichen Kategorien sowohl ungeschirmt als auch geschirmt angeboten. Seit der Übertragung von 1 Gbit/s Ethernet auf Kupferkabeln werden für die Datenübertragung alle vier Adernpaare benutzt, wobei nun ein Paar gleichzeitig von den anderen drei durch Übersprechen (Powersum NEXT und EL-FEXT) beeinflusst werden kann.

Lichtwellenleiter

Da die zu übertragenden Datenmengen kontinuierlich zunehmen, müssen die Übertragungsmedien möglichst zukunftssicher ausgewählt werden. Hinsichtlich der erzielbaren Datenraten liegen die Vorteile eindeutig bei den Lichtwellenleitern.

Die höchsten Kapazitäten und Reichweiten stellt die Glasfaser zur Verfügung während die im Vergleich dazu preiswerteren Kunststofffasern für die kommerzielle Campus- und private Heimverkabelung zum Einsatz kommen. Die Hersteller von optischen Übertragungssystemen versuchen seit Jahren mit immer neuen Rekordmeldungen als Marktführer zu brillieren. Den augenblicklichen Bandbreiten-Rekord hält Alcatel-Lucent mit 12,8 Tbit/s über eine Entfernung von 2.550 km auf einer einzigen Glasfaser. Dafür wurden anlässlich der ECOC im September in Berlin insgesamt 160 Kanäle im WDM-Verfahren mit jeweils 80 Gbit/s moduliert. Damit ist der Weg zu optischen Ethernet-Netzen mit Übertragungsraten von 100 Gbit/s geebnet.

Ähnlich wie bei Kupferleitern existieren auch für Lichtwellenleiter verschiedene Parameter, welche die Übertragungseigenschaften beeinflussen. Ein wesentlicher Vorteil der Lichtwellenleiter liegt darin, dass sie gegenüber elektromagnetischen Störungen unempfindlich sind. Zu den messbaren Parametern zählen u.a.:

  • Optische Dämpfung
  • Optische Rückflussdämpfung
  • Chromatische Dispersion
  • Rückstreuung(OTDR)
  • Reflexion
  • Polarisation
  • Optische Spektralanalyse
  • Bandbreite
  • Bitfehlerrate
  • Q-Faktor

Funkwellen

In einem idealen Funkkanal würde das Empfangssignal lediglich aus einem einzigen Pfad gewonnen werden und somit eine ideale Rekonstruktion des Sendesignals darstellen. In der realen Umgebung wird das Nutzsignal während der Übertragung aber durch verschiedene Einflüsse verändert. Dadurch besteht das empfangene Signal nicht nur aus der ursprünglich gesendeten Information, sondern auch aus Reflexionen, Streuungen und Brechungen. Zusätzlich fügt der Funkkanal dem Nutzsignal noch einen Rauschanteil hinzu. Bewegen sich darüber hinaus Sender oder Empfänger oder beide gleichzeitig, so führt dies zu einer Verschiebung der Trägerfrequenz (Doppler-Effekt).

Funksignale werden ferner durch andere Frequenzen beeinflusst, welche erzeugt werden

  • von anderen Systemen, die im gleichen Frequenzbereich operieren
  • von gleichen Systemen, die im selben Raum betrieben werden
  • von Mischfrequenzen und Oberwellen, die von anderen Systemen erzeugt werden und
  • von nicht entstörten bzw. fehlerhaft arbeitenden Systemen.

Durch eine sorgfältige Wahl von Codier- und Modulationsverfahren lassen sich Störeinflüsse reduzieren sowie die maximale Übertragungsrate innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereiches erhöhen. Zu den modernsten Modulationsverfahren zählen OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) und SOFDMA. Auch eine sorgfältige Planung der Antennenstandorte in Verbindung mit der Wiederverwendung von Frequenzkanälen trägt zu einer Verminderung von Störungen bei.

Funkbasierte Technologien werden heute auf breiter Basis praktisch eingesetzt. Grundsätzlich stehen lizenzfreie und lizenzpflichtige Frequenzbänder zur Verfügung. Im Nahbereich sind dies RFID und Bluetooth. Mit WLAN und UWB werden Reichweiten bis zu 100 m erzielt. In ländlichen Gebieten bietet sich WiMAX – arbeitet sowohl in lizenzfreien als auch in lizenzpflichtigen Frequenzbereichen – als alternative Zugangstechnologie zu DSL an. Für eine landesweite Abdeckung sorgen schließlich lizenzierte zellulare Mobilfunksysteme der zweiten (GSM) und dritten (UMTS) Generation, die augenblicklich mit LTE (Long Term Evolution) in Richtung einer vierten Generation weiterentwickelt werden.

Über den Autor

Gerhard Kafka arbeitet als freier Fachjournalist für Telekommunikation in Egling bei München

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