Optisches Leistungsbudget einer Faserstrecke

Eine Glasfaserstrecke funktioniert, wenn am Ende noch genug Licht ankommt, damit der Empfänger es sicher auswerten kann. Das optische Leistungsbudget ist die Rechnung dafür: Was der Sender maximal hergibt, abzüglich dem, was unterwegs verlorengeht, muss über der Mindestempfindlichkeit des Empfängers liegen — mit Reserve.

Natürliche Erklärung

Anders als der Schleifenwiderstand einer Kupferleitung wird eine Glasfaserstrecke nicht in Volt oder Ohm gerechnet, sondern in Dezibel — demselben logarithmischen Maß, das auch die Einfügedämpfung verwendet. Das hat einen praktischen Vorteil: Weil Dezibel-Werte sich addieren statt multiplizieren, lässt sich die gesamte Streckendämpfung einfach aus ihren Bestandteilen zusammenzählen, egal ob sie aus Faserlänge, Steckverbindungen oder Spleißen stammen.

Drei Verlustarten setzen sich zur Streckendämpfung zusammen, und sie verhalten sich sehr unterschiedlich:

Die Faserdämpfung wächst mit der Länge und ist bei Multimode-Faser deutlich höher als bei Singlemode — rund 3,0 dB je Kilometer bei 850 nm gegenüber rund 0,4 dB je Kilometer bei 1310 nm. Für die Streckenlängen, die auf einem Grundstück vorkommen — Häuser messen selten mehr als 100 m Kantenlänge —, bleibt dieser Anteil auch bei Multimode-Faser meist unter einem Dezibel.

Die Steckverbinderdämpfung ist unabhängig von der Länge und hängt allein von der Anzahl der Steckstellen ab. Jede Kupplung — Sender zum Patchfeld, Patchfeld zum Patchfeld, Patchfeld zum Empfänger — kostet einen festen Betrag, üblicherweise im Bereich von 0,3 dB je Verbindung für sauber konfektionierte Steckverbinder. Bei einer kurzen Strecke mit mehreren Patchfeldern dazwischen kann dieser Anteil größer werden als die Faserdämpfung selbst.

Die Spleißdämpfung entsteht nur dort, wo zwei Faserenden dauerhaft verbunden werden — beim Übergang von Außenkabel auf Innenkabel etwa. Ein Schmelzspleiß dämpft typisch unter 0,1 dB und ist damit der günstigste Verlust der drei; die Verfahren dazu stehen bei Glasfaser in der Praxis.

Am Ende steht eine einfache Subtraktion: Vom Leistungsbudget des gewählten Übertragungsverfahrens — Sendeleistung minus Empfängerempfindlichkeit, beides im Datenblatt der Optik — zieht die Rechnung Faserdämpfung, Steckverbinderdämpfung und Spleißdämpfung ab. Was übrig bleibt, ist die Reserve. Üblich ist, davon zusätzlich eine Alterungsreserve von rund 3 dB abzuziehen, bevor die Strecke als freigegeben gilt — sie deckt Verschmutzung, leichte Fehljustage beim späteren Umstecken und die Alterung der Sendediode.

Dämpfungswerte für die gängigen AV-Wellenlängen

Die Faser selbst ist nach ITU-T G.652.D noch enger spezifiziert — rund 0,4 dB/km bei 1310 bis 1625 nm und rund 0,3 dB/km bei 1550 nm als Höchstwert des reinen Fasermaterials, typisch eher 0,2 dB/km bei 1550 nm. Für die Planung einer Gebäudestrecke wird trotzdem mit den etwas großzügigeren Werten der Verkabelungsnorm gerechnet, weil dort Kabel, Steckerkonfektionierung und Betriebsbedingungen bereits eingepreist sind.

Steckverbinder- und Spleißdämpfung, belegt statt geschätzt

Der oft zitierte Richtwert von 0,3 bis 0,5 dB je Steckstelle liegt damit zwischen dem, was ein sauber konfektionierter Steckverbinder in der Praxis erreicht (0,1 bis 0,3 dB), und dem, was eine Norm als Höchstwert für die Freigabe verlangt (0,75 dB generisch, 0,25 bis 1,0 dB je nach IEC-61755-Güteklasse). Für eine Planungsrechnung mit Reserve ist der Höchstwert die richtige, konservative Annahme; für die Bewertung einer bereits gemessenen Strecke zählt der tatsächliche Wert.

Eingangsgrößen und Einheiten

dBm ist ein absoluter Pegel bezogen auf 1 Milliwatt, dB ein reines Verhältnis. Die Differenz zweier dBm-Werte ergibt deshalb korrekt einen dB-Wert — das ist genau der Schritt, mit dem P_Budget aus P_Sender und P_Empfänger,min entsteht.

Gültiger Bereich und Annahmen

Die Formel gilt für jede passive optische Strecke — Sender, Faser, Steckverbinder, Spleiße, Empfänger —, unabhängig von Wellenlänge und Übertragungsart, solange alle Verluste als Dezibel-Werte vorliegen. Sie gilt für Multimode- ebenso wie für Singlemode-Fasern; nur die Zahlenwerte für Dämpfungskoeffizient und Steckverbindertyp unterscheiden sich.

Angenommen wird eine rein passive Strecke ohne aktive Verstärkung unterwegs — Zwischenverstärker oder optische Repeater ändern die Rechnung grundlegend und sind hier nicht erfasst. Angenommen wird außerdem, dass mit dem ungünstigsten Fall gerechnet wird: minimale Sendeleistung, maximal zulässige Empfängerempfindlichkeitsgrenze, Norm-Höchstwerte für jede Verlustquelle. Eine real gemessene Strecke liegt fast immer darüber.

Grenzen

Die Formel bewertet nur die Amplitude, nicht die Bandbreite. Eine Strecke kann dämpfungsseitig komfortabel im grünen Bereich liegen und trotzdem für eine bestimmte Datenrate zu lang sein, weil bei Multimode-Faser die modale Bandbreite die Reichweite begrenzt, nicht die Dämpfung — ausgeführt bei Faserklassen OM und OS. Leistungsbudget und Bandbreitenbudget sind zwei getrennte Prüfungen.

Rückflussdämpfung ist nicht enthalten. Was von einer Stoßstelle zum Sender zurückreflektiert wird, kann diesen stören, obwohl die Durchgangsdämpfung unauffällig bleibt — eine andere Messrichtung mit eigenen Grenzwerten, siehe Rückflussdämpfung.

Biegeverluste und Verschmutzung stecken nur pauschal in der Alterungsreserve. Eine zu eng verlegte Faser oder eine verschmutzte Endfläche kann einzeln mehr kosten, als die Reserve hergibt — die Ursachen dafür und ihre Vermeidung stehen bei Glasfaser in der Praxis.

Bei den auf einem Grundstück üblichen Längen ist die Faserdämpfung fast nie die Auslegungsgröße. Das Rechenbeispiel unten zeigt, dass selbst eine mehrere hundert Meter lange Strecke ihr Budget bei Weitem nicht ausschöpft. Wo die Rechnung tatsächlich knapp wird, liegt es fast immer an der Zahl der Steckverbindungen oder an einer besonders budgetknappen Hochgeschwindigkeitsoptik — nicht an der Länge der Faser.

Rechenbeispiel

Kurze Multimode-Strecke im Gebäude. Eine OM4-Strecke, 80 m lang (die im Bestand als übliche Obergrenze für Hausstrecken genannte Länge, siehe Faserklassen OM und OS), angesteuert mit 1000BASE-SX bei 850 nm über zwei Steckverbindungen (Sender direkt zu Empfänger, keine Patchfelder dazwischen):

text P_Budget = −9,5 dBm − (−17 dBm) = 7,5 dB (IEEE 802.3, 1000BASE-SX)

Streckendämpfung (typisch): Faser: 3,0 dB/km · 0,080 km = 0,24 dB 2 Steckverbindungen · 0,3 dB = 0,60 dB Summe = 0,84 dB

Reserve = 7,5 dB − 0,84 dB = 6,66 dB ≈ 6,7 dB

Selbst mit TIA-Höchstwerten statt typischen Werten gerechnet (Faser 3,5 dB/km, Steckverbinder 0,75 dB) bleiben 7,5 − (0,28 + 1,5) = 5,72 dB Reserve. Für eine Multimode-Strecke im Wohnhaus ist das optische Budget damit praktisch nie das Problem.

Längere Singlemode-Strecke zu einem Nebengebäude. 250 m Länge auf OS2-Faser, angesteuert mit 1000BASE-LX bei 1310 nm, über drei Steckverbindungen (Patchfeld am Haus, Medienkonverter am Nebengebäude, Reserve-Steckstelle) und einen Schmelzspleiß am Gebäudeeintritt:

text P_Budget = −9,5 dBm − (−23 dBm) = 13,5 dB (1000BASE-LX, Herstellerangabe)

Streckendämpfung (typisch): Faser: 0,4 dB/km · 0,250 km = 0,10 dB 3 Steckverbindungen · 0,3 dB = 0,90 dB 1 Schmelzspleiß = 0,10 dB Summe = 1,10 dB

Reserve vor Alterungszuschlag = 13,5 − 1,10 = 12,4 dB Reserve nach 3 dB Alterungsreserve = 9,4 dB

Auch hier bleibt eine große Reserve — 250 m sind für eine Singlemode-Strecke eine kurze Distanz, die 1000BASE-LX-Optik ist für 10 km spezifiziert.

Wo es tatsächlich knapp wird: 10-Gigabit auf Multimode mit mehreren Steckstellen. Dieselbe 250-m-Strecke, aber mit 10GBASE-SR bei 850 nm auf OM3-Faser und vier Steckverbindungen (Rack-Patchfeld, ein Zwischenpatchfeld, Medienkonverter, Reserve), Höchstwerte statt typischer Werte angesetzt, weil bei so wenig Budget-Reserve die konservative Rechnung zählt:

text P_Budget = −5 dBm − (−11,1 dBm) = 6,1 dB (IEEE 802.3ae, 10GBASE-SR)

Streckendämpfung (Höchstwerte): Faser: 3,5 dB/km · 0,250 km = 0,875 dB 4 Steckverbindungen · 0,75 dB = 3,00 dB 1 Schmelzspleiß · 0,3 dB (TIA-Höchstwert) = 0,30 dB Summe = 4,175 dB

Reserve vor Alterungszuschlag = 6,1 − 4,175 ≈ 1,9 dB Reserve nach 3 dB Alterungsreserve = 1,9 − 3 = −1,1 dB

Nach der konservativen Norm-Rechnung reicht das Budget nicht. Mit typischen statt maximalen Werten sieht es freundlicher aus — Faser 0,75 dB, vier Steckverbindungen à 0,3 dB = 1,2 dB, Spleiß 0,1 dB, Summe 2,05 dB, Reserve vor Alterungszuschlag 4,05 dB, danach noch 1,05 dB —, aber selbst dann bleibt kaum Luft. Der Unterschied zu den ersten beiden Beispielen liegt nicht an der Streckenlänge, die ist identisch, sondern an zwei anderen Stellschrauben: das knappere Budget der 10-Gigabit-Optik gegenüber Gigabit, und die doppelte Anzahl an Steckverbindungen. Wer hier Reserve gewinnen will, reduziert zuerst die Zahl der Patchpunkte oder wählt eine budgetgrößere Optik — nicht die Faserklasse, die spielt bei dieser Länge keine Rolle.

Verknüpfte Inhalte

Was die Einfügedämpfung allgemein ist und warum dieselbe Größe bei Kupfer, Glasfaser und Steckverbindern völlig unterschiedliche Zahlen liefert, erklärt Einfügedämpfung; die Gegenrichtung — was von einer Stoßstelle zurückreflektiert wird — steht bei Rückflussdämpfung. Welche Steckverbinderbauformen es gibt und was ihre Schliffart mit der Dämpfung zu tun hat, behandeln Glasfaser-Steckverbinder und UPC und APC. Welche Faserklasse für welche Strecke sinnvoll ist, klärt Faserklassen OM und OS; welches Modul die Faser ansteuert, der SFP-Transceiver. Reinigung, Prüfung und Spleißverfahren, die über die Alterungsreserve hinaus über Erfolg oder Misserfolg einer Strecke entscheiden, stehen bei Glasfaser in der Praxis. Was das Dezibel selbst bedeutet, erklärt Dezibel. Die spiegelbildliche Rechnung auf der Kupferseite — was am Ende einer Leitung an Spannung statt an Licht ankommt — steht bei Schleifenwiderstand einer Leitung und Spannungsabfall auf Gleichstromleitungen.

Quellen

Die Grundformel und die typischen wie normierten Dämpfungswerte für Faser, Steckverbindung und Spleiß stammen aus zwei Fachartikeln der Fiber Optic Association, die TIA-568-C wiedergeben, beide am Objekt gelesen. Die Fasergrenzwerte nach ITU-T G.652.D stammen aus einer Suchergebnis-Synthese, der Normtext lag nicht vor. Die Steckverbinder-Güteklassen nach IEC 61755-1 sind über Sekundärquellen erfasst. Die Sende- und Empfangswerte für 1000BASE-SX, 1000BASE-LX und 10GBASE-SR stammen aus technischer Dokumentation und einem Herstellerdatenblatt, nicht aus dem IEEE-802.3-Normtext selbst.