Optiske kabling utgjør en stadig større andel av de nettverkene som benyttes i dag. Årsaken er mange med det umettelige markedet for båndbredde er i stor grad basert på at overføring over IP nett går raskest på optisk kabel. Noe av årsaken er at stadig fler benytter PC nettet til å se video/film, spill og annen underholdning som IP telefoni, store bildefiler, etc, etc.. Dessuten benytter fiber nett i all hovedsak samme TCP/IP teknologien mhp dataoverføring og konfigurering av ethernet (kobber), switcher/routere, trådløst Wifi og samme overvåkings muligheter med SNMP, samme IP adressering, osv.
Selv om ethernet basert på kobber kabel fortsatt er det overlegent mest brukte kabelsystemet i bygninger er det en del situasjoner der kabler basert på overføring av lys (optisk kabel) er klart å foretrekke. Eksempler er som nevnt underholdning men også krav om lange strekk som kan gi forskjellig jord potensial i hver ende. Av denne grunn vil kabling utendørs som oftest være basert på optisk kabel, men også innendørs brukes dette stadig oftere. Bruk av optiske kabler er også blitt en standard mellom servere fremfor infiniband (som er en kopper standard som klarer 10Gb opp til 15 meter).
Kabel typer og hastigheter
Som ved alle artikler om teknologi går utviklingen raskt fremover og beskrivelsene nedenfor kan være utdatert når dette leses selv om vi vil gjøre forsøk på å holde siden oppdatert. Detaljer rundt dette spesialområdet bør imidlertid søkes hos de forskjellige leverandørene fremfor oss. Det er i hovedsak 2 kabeltyper som benyttes av optiske nettverk. Dette er det som ofte kalles for «Multi Mode» (også kalt for short range) og «single mode» (ofte kalt for long range). Begge utgavene leveres for bruk i 1Gb nettverk og 10Gb nettverk. I tillegg har det blitt introdusert en ny standard som har fått betegnelsen ER (extended range). Og som i det meste av annen datakommunikasjon er det altså snakk om Giga BIT og ikke Giga byte. Dessuten finnes såkalt «Loose Tube» der fiber kjernen «flyter» i en fleksibel masse (gel) inne i coatingen. I kabel typen som beskrives som «Tight Buffer» er alt innenfor kapslingen av kabelen festet og i kontakt med hverandre (dette er den vanligste typen kabel).
Disse to typene er igjen delt opp i 2 typer der den optiske kjernen i kabelen har forskjellig tykkelse. Den tykkeste støtter den høyeste hastigheten. Nedenfor har vi satt opp en enkel tabell som sier noe om de forskjellige alternativene. Short range kabel (MM) har den høyeste hastigheten. Noen optiske kabeltyper er beregnet til kun en bestemt frekvens. Det er derfor viktig å planlegge et optisk kabelnett på en helt annen måte enn et kobber-nettverk som håndterer mange forskjellige frekvenser.
| Type transmisjonskabel | Tykkelse | Båndbredde pr km | Bølgelengde | Kabel lengder ved 1Gb | Demping/attenuation |
|---|---|---|---|---|---|
| Multi Mode (MM) | 62,5 µm (50µm) | 500 MHz | 850 nm/1300 nm | 275 m - 1 km | 1-63 dB/km |
| Single Mode (SM) | 9 µm | 100 GHz | 1310 nm - 1550 nm | 5 km - 40 km | 0,4-0,25 dB/km |
Dette tilsier at Multi Mode kabel overfører et større spekter av bølgelengder enn Singel Mode ettersom begge kan overføre IR mens MM overfører lys helt ned til frekvenser som nærmer seg synlig lys. Dermed benyttes ogsp forskjellige typer lasere for MM og SM utstyr. En laser type som kalles for Fabry-Perot klarer alt ra 850 til 1550 nm. VCSEL klarer bare området rundt 850nm mens DFB laser bare klarer området rundt 1550nm.
Når det gjelder tykkelse står µm for «micro meter» eller «µ» som er milliontedel meter. 62,5µm tilsvarer dermed 0.00625cm.
Bølgelengden er beskrevet som nm («nano meter») som er 1:1000 micro meter.
Økes kabel lengden til det dobbelte vil hastigheten falle til ca 20% ved bruk av samme type kabel og mottaker/sender utstyr
Alt dette er imidlertid estimater og må avklares med kabelleverandør, etc. da det er under kontinuerlig endring og avhengig av hver enkelt produsent.
Båndbredden er imidlertid avhengig av bølgelengde og avstand. Dette tilsier at om den optiske kabelen kortes ned til 100 meter kan båndbredden øke til 1 GHz. Til sammenlikning har en Cat 5 kobber kabel en båndbredde på 100 MHz (dvs bare 10%) over den samme kabellengden.
Alle disse tallene er basert på kabel brukt i bygninger. Om det er snakk om kabler brukt i en større sammenheng/infrastruktur som nedgravd i grøfter for telefon og internett vil disse kablene ha VESENTLIG høyere kapasitet og kabellengder.
WDM Wavelength Division Multiplexing
WDM er en type multiplexing der en multiplexer flere bølgelengder (farger) for å oppnå høyere dataoverføringskapasitet på samme kabel. Det er i utgangspunktet 2 typer WDM teknikker.
a) DWDM (Dense Wavlength Division Multiplexing). Dette er en løsning som ofte også kalles for «optisk multiplexing». De flesete DWDM systemer tilbyr 1 til 100 kanaler på 1 til 100 GHz hver avhengig av kabeltype og multiplexer.
b) CWDM (Course Wavlength Division Multiplexing). Dette er en rimeligere løsning som etterlater noe større rom mellom kanalene. Som oftest medfører dette at teknikken deler opp signalet til 8 kanaler.
Multiplexing øker dermed antall kanaler fra 1 til 4, 8, 16, opp til 100 kanaler samtidig over samme optiske kabel vha lysbryting/filter/reflektor. Frekvensene (lyset brytes da i begge ender (sender og mottaker) av kabelen.Hvis lilla lys benyttes har dette en frekvens på ca 400 nm mens rødt lys har en bølgelengde på ca 700nm. Men for datakommunikasjonen med optisk lys benyttes det ikke synlig lys men i IR området. Det benyttes både lysbrytere/linser, filter og reflektorer (det som kalles TTF eller «Thin Film Filter) for å plukke ut de forskjellige båndbreddene som benyttes for hver enkelt kanal. I praksis betyr dette at en spesifikk frekvens kan plukkes ut av en kabel ved bruk av riktig utstyr mens de 31 ??? andre kanalene videresendes til andre mottagere langt unna. Men produsentene benytter forskjellige teknologier for å separerer eller samle kanalene. Navnene på disse teknologiene er f.eks. Fused Fiber Coupler, Arrayed Waveguide Grating og Interleaver baserte løsninger.
Vi kommer tilbake med en grafisk fremstilling som beskriver denne teknikken.
Tegninger ovenfor viser signalgangen (lys pulsene) sin transport gjennom de to fiber typene som benyttes. Den øverste MM overføringen beskrives ofte som Step index. En annen type (ikke avbildet) kalles for Graded index
Redusert kabel lengde
Men tallene som er nevnt er faktisk likevel ikke tall som kan benyttes i enhver sammenheng. Ethernet og andre kobber kabler som benyttes i ex miljø (miljø med eksplosjonsfare som f.eks. i olje/gass industrien) ha begrensninger mhp den energien som sendes ut på en slik kabel. Det samme gjelder den energien som ligger i det laser lyset som benyttes til å sende data ut på optiske kabler. Dermed kan en laser som benyttes innenfor optisk nettverk i Ex sone 0 og 1 ha en begrensning i lysintensiteten (energien) og dermed også begrense de fleste av verdiene som er oppgitt ovenfor inkludert overføringshastigheter og kabellengder. Ofte benyttes en for for attenutator til slike formål både for kobber og optisk nettverk
Konnektorer
Det finnes mange typer konnektorer og alle kan benyttes sammen med Multi Mode og Single Mode kabler. SC er nok den mest populære med LC som en god nummer 2. SC blir også kalt subscriber connector eller standard connector mens LC kalles for lucent connector eller local connector. LC connectorer har som oftest 2 ledere holdt sammen av en plastikk clip. Det same kan ST konnetoren ha men leveres oftere som en single connector.Men også ST, som vare den første konnektoren som ble tatt i bruk på optiske nett er fortsatt i bruk. Noen bruker også FDDI (MIC) konnektorer. Konnektorene benytter ofte forskjellige typer kontaktpunkter som beskrives som PC, UPC og APC og er delvis basert på det faktum at lysrefleksjoner fra kabel til kabel mottaker kan være kritisk mht dataoverføring/støy.
SC konnektor for optisk nettverk
Dobbel LC konnektor for optisk nettverk
I tillegg til konnektorene finnes det SFP – Small Form factor Plugable tranceiver. Dette er utbyttbare mottagere og sendere som står i router/switcher/media konvertere etc .Dette gjør det mulig å bytte fra f.eks. Multi Mode kabel til Singel Mode eller omvendt.
Disse SFP enhetene leveres dessuten i forskjellige typer som SX, LX, Ex, ZX og EZX som støtter forskjellige båndbredder og dermed også overføringsdistanser.
Fordeler i forhold til tradisjonelle kobber kabler (cat 5, cat 6 og cat 7)
Kobber og optiske kabler benyttes både sammen og til hvert sitt bruksområde. En må derfor veie fordeler og ulemper opp mot hverandre. Listen nedenfor kan ikke regnes som riktig for alle bruksområder, men isteden må hver enkelt bruker se hva som er mest egnet nå og evt i nærmeste fremtid.
| Optisk | Kobber | |
|---|---|---|
| Sikkerhet |
|
|
| Vekt |
|
|
| RF/EMI immunitet |
|
|
| Båndbredde |
|
|
| Holdbarhet |
|
|
| Pris |
|
|
Overnevnte punkter er det som ofte beskrives på mange nettsider som fordeler ved optisk kabling. For egen del vil jeg nevne egenskapene ved lange strekk i tillegg. Signal tap og støy er en av tingene som gjør optisk kabling mer egnet for lange strekk. Men det er ingen tvil om at jordingsproblemer også er en stor feilkilde ved lange strekk. Optisk overføring involverer ingen direkte jording, men medfører at mediakonverter i begge ender av kabelen kan bruke sin egen jording selv om det skulle være 1000 volt i forskjell. Kobber vil generere støy bare ved noen få volt i forskjellig jordingspotensiale.
- Sikkerhet. For noen miljøer er det sikrere å benytte optiske kabler ettersom det ikke går an å koble seg inn på eksisterende kabler slik en kan ved å avisolere en kobber kabel og koble seg til.
- Lav vekt. Avhengig av kabel type vil vekten av optisk kabel være vesentlig mindre enn ved bruk av kobber. Vekt reduksjonen er ofte mellom 20% – 60%. For enkelt miljø som innenfor luftfart, forsvar, offshore, etc finnes det bruksområder der vekt er avgjørende.
- Lite tap av kapasiteten pga støy eller elektriske signaler pga f.eks. ohmsk motstand i kabelen. Ved riktig kabling vil det være mindre tap av hastighet pga. f.eks. elektromagnetisk støy som f.eks. fra store 3-fase motorer eller switche frekvenser fra tennere på lysstoffrør etc., noe som igjen medfører lengre kabelstrekk. Det foreligger teorier om at 60% av hastighets reduksjon i kobber kabel skyldes EMI.
- Kapasitet. Optiske kabler har vesentlig høyere kapasitet/båndbredde selv om kobber kabler kommer raskt etter. Dette er kapasitet som benyttes der det er stor datatrafikk med mange terminaler og/eller der det er behov for mye video trafikk, etc.
- Holdbarheten er høyere såfremt kabelen ligger i ro uten fysiske påkjenninger. Dessuten skjer det ingen «irring» i kontaktpunkter slik det gjør for kobber kabel.
- Pris regnes imidlertid som en ulempe for optisk kabling. Men det er ofte ikke selve kabelen som er dyrere men switcher/routere/mediakonvertere i begge ender samt kostnader ved spleising av kabler, etc, etc. Men prisene nærmer hverandre mer og mer.
Det finnes sikkert en mengde andre årsaker også til å velge optiske kabler, mens en del vil si at det finnes like mange grunner til å velge kobber. En må bare ta hensyn til det bruksområde en selv har.
Nedenfor er en enkel beskrivelse av optisk kabel vers kobber kabel.
| Kobber | Fiber | |
|---|---|---|
| Kabel lengder | 100 m | 275m - 1 km (opp til 40km eller mer for SM) |
| Båndbredde | 600MHz | 1-100GHz |
| EMI støy | Ja | Nei |
| Crosstalk | Ja | Nei |
| Jordfeil problem | Ja | Nei |
| Vekt | Tyngre | Lettere |
| Tykkelse | Tykkere | Tynnere |
Spesifikasjon av optiske kabler
I mange tilfeller beskrives kun de fysiske målene på kjernen, dvs f.eks. 62,5 eller 9 µm eller mikro meter. Mens i andre tilfeller beskrives alle lagene i kabelen. Det kan f.eks. være 62,5/125/250 som da henviser til selve kjernen (62,5), det som kalles cladding (det materialet som forhindrer lyset å slippe ut av kabelen), og til slutt det siste tallet (250) som henviser til det som defineres som coating og er det materialet som beskytter det som er innvendig og samtidig øker styrken i kabelen. I dette tilfellet betyr det at diameteren på kjernen (det lysførende laget) er det samme som tykkelsen på cladding, og at coatingen/beskyttelsen er dobbelt så tykk som de to andre lagene. Etterhvert har det blitt vanlig å legge mange flere lag utenpå kjernen. Noen ganger blir det så mye som 5-6 lag + kjernen for å oppnå enda bedre egenskaper på kabelen.
Årsak til forskjellige hastigheter ved multi mode og single mode
Ved bruk av multi mode kabler vil lyset kunne få en vinkel mellom senter av kjernen og laget som skal beskytte mot at lyset slipper ut (clading). Noe lys vil slippe ut og signalet vil dermed svekkes. Ved bruk av multi mode vil det samtidig sendes ut signaler med forskjellig «frekvens» noe som medfører at gjennom kabelen vil enkelte lyssignaler kollidere med lyssignaler av en annen frekvens og redusere datamengden som overføres. Noe av dette problemet er imidlertid senere løst med såkalt gradert lysindeksering av kjernen og evnen til refleksjoner som dermed er høyest i midten av kjernen og reduseres desto lenger ut en kommer. At noe lus slipper ut og noe lys kolliderer gjør at multi mode teknologien ikke kan overføres over like lange avstander som Single Mode der alle data sendes på samme frekvens og dermed ikke slipper ut eller kolliderer.
Signal Tap / Attenuation
Leverandørerene beskriver som oftest signal tapet som skjer i kabelen over en lengde på 1000 meter. En Multi Mode kabel som overfører data i det som kalles «graded index» har et typisk tap på 3 dB/km. Multi mode kabel beregnet for Step index har et tap på typisk 4-6 dB/km. Single mode har derimot et tap på bare 0,25-0,4dB/km.
Om tapet er 3,5dB over 1000 meter vil tapet over 1500 meter være 5,25dB. I tillegg kommer tapet i termineringene som er 0,5-1dB i hver ende. Dette gir totalt et tap på ca 6,5 dB. Hvis signalstyrken på produseres er på 20 dB og sensoren er på 32 dB vil det gi et rom for 12 dB signalsyrke. Et tap på 6,5dB vil gi et reelt signal på 5,5 dB og dette er godt innenfor kravet om 3dB som er standarden som er beskrevet i TIA/EIA 568A kabling standarden. Disse tallene er imidlertid under stadig bedring. Dessuten vil en del produsenter mene at de kan levere kabel med bedre spesifikasjoner, noe som ikke er usannsynlig. Dessuten skjer det tap i alle andre ledd. Det er ikke mulig å gi et eksakt tall, men følgende tall er sannsynligvis gode estimater:
Spleiser på kabelen ca 0,1dB tap pr spleis
Konnektorer ca 0,75dB pr konnektor
Reparasjoner ca 0,1dB pr reparasjon (tilsvarer en spleis)
I tillegg regnes det med en sikkerhetsfaktor på 1,7 – 3,5dB når en skal beregne tap/signal styrke.
Bruk av forskjellig utstyr som sender og mottaker
Om utstyr fra forskjellige leverandører eller forskjellige modeller fra samme leverandør benyttes kan det oppstå problemer med det som også kalles «Complications of Optical Power Budget». Dette er en problemstilling som kan skje fordi leverandørene kan operere med forskjellige sender effekter og/eller følsomhet på mottaker siden. Dette kan medføre problemer om data sendes en vei, men ikke nødvendigvis den andre veien. Ettersom TCP kommunikasjon benytter seg av handshake teknologi vil dette kunne medføre at datapakker sendes om igjen og om igjen, noe som skaper lavere overføringshastigheter. Ved valg av utstyr må en derfor kjenne både sender og mottaker spesifikasjonene. Dette beskrives ofte som «minimum transport power» og mottaks følsomhet.
Attenuator
Noen ganger kan det være behov for å dempe signalet som kommer frem til mottaker. Til dette benyttes en såkalt attenuator. Som midlertidige løsninger er det noen som velger å bøye kabelen litt mer enn spesifikasjonene tilsier (pass på at den ikke bøyes så mye at fiberen /kjernen knekker). På denne måten vil det oppstå en lekkasje av signalet ut gjennom cladding. Dette er imidlertid ikke en løsning som er å anbefale, og en attenutator vil gjøre dette på en mye mer elegant måte (attenuatorer brukes også i systemer med tradisjonelle kobber kabler og elektriske signaler). Optiske attenuatorer baserer seg ofte på en kort optisk kabelbit som er «uren» og dermed fungerer som et filter som ikke slipper gjennom alt lyset. Ofte benyttes variable attenuatorer for å finne riktig verdi på lysbegrensningen ved hver enkelt kabling.
Montering av konnektor og skjøting - Priser
En av ulempene med optiske kabler er kostnadene ved skjøting eller montering av konnektorer. Profesjonelt utstyr for skjøting av kabler kan typisk ha en pris på kr. 30.000 til 100.000,-. Mange får imidlertid til helt greie resultat med verktøy til noen få hundrelapper. Hvilken løsning en velger er dermed avhengig av bruksområde. Hvis overføringshastighet og kabellengder er kritisk vil jeg anbefale profesjonell hjelp til dette. Hvis en derimot har lykkes en del ganger med enklere verktøy og driftsikkerhet, etc ikke er kritisk er det greit å forsøke selv. Engangskostnadene ved installasjon kan med andre ord bli forholdsvis høye men om en velger å kjøpe riktig lengde med en gang og med konnektorer ferdig montert vil det ikke bli dyrere enn tradisjonelt ethernet over kobberkabel.
Copyright © 2020
Jørn Jensen
Gjengitt med tillatelse.
Om ønsker informasjon som ikke finnes på våre sider, ber vi deg kontakte oss med f.eks. en mail til vår support avdeling. Vi vil da forsøke å få opp mer informasjon så raskt som mulig.