Stau auf der letzten Meile

Die Herausforderungen für Glasfasernetze in und um Rechenzentren

| Autor / Redakteur: Roshene McCool MEng CEng und Matthew Guinan* / Ulrike Ostler

Zugangsnetze zeichnen sich durch eine schnell wachsende Anzahl an Verbindungen aus, die über Flächen mit einer Spannweite von bis zu 20 Kilometer verteilt sind.
Zugangsnetze zeichnen sich durch eine schnell wachsende Anzahl an Verbindungen aus, die über Flächen mit einer Spannweite von bis zu 20 Kilometer verteilt sind. (Bild: Corning)

Aufgrund der prognostizierten exponentiell wachenden Datenraten und Netzteilnehmer – getrieben durch konvergente Netz, die Festnetz- und Mobilkunden sowie das Internet der Dinge (IoT) miteinander integrieren und verknüpfen müssen, – steigt der Druck auf die Netzbetreiber, immer mehr Glasfasern in bestehenden Verteil- und Rechenzentren zu managen. Doch der Platz ist knapp und es gibt diverse, nicht immer, empfehlenswerte Alternativen.

In Zugangsnetzen und modernen Vermittlungs- beziehungsweise Rechenzentren kommt es zu einem massiven Anstieg an Glasfaserverbindungen. Jeder Anschlusspunkt benötigt eine Glasfaser, womit die Anzahl der Kabel, die für die Netzwerkverbindungen benötigt werden, extrem schnell ansteigt, während Wegerechte und Platz für Leitungswege für diese Fasern begrenzt oder schnell ausgeschöpft sind.

Folglich ist es wichtig, möglichst viele Fasern in Kabel mit sehr kleinem Durchmesser einzubringen. Dafür ist eine hochkomplexe Technik erforderlich. In diesem Artikel betrachten wir zunächst die treibenden Faktoren der steigenden Glasfaserzahl. Im Anschluss stellen wir zwei raumsparende Kabeldesigns vor, die es Betreibern ermöglichen, ihren Platz effizienter zu nutzen und sich der Herausforderung der Anschlussverteilung und -verdichtung erfolgreich zu stellen.

Neue Zugangsnetze

Zugangsnetze sind das Bindeglied, das die Bandbreite direkt zum Kunden bringt. Die gestiegene Nachfrage der Verbraucher treibt derzeit das Bandbreitenwachstum in die Höhe. Die jährlich prognostizierte Wachstumsraten liegen bei

  • 47 Prozent im Bereich mobile Netze,
  • 24 Prozent im Bereich IP-Netzwerke und
  • 34 Prozent im Bereich Maschine-zu-Maschine-Verbindung (siehe: Cisco, Complete Visual Networking Index (VNI) Forecast 2017-2022, 2017).

Künftig werden also nur Glasfaserverbindungen in der Lage sein, die Datenmengen zu übertragen. Als Reaktion darauf installieren Netzbetreiber Glasfasernetze, die näher zum Kunden gehen - in die Wohnungen, ins Büro, in die Firmen, zur Mobilfunkantenne oder zum Straßenverteiler oder Kabelverzweiger.

Ergänzendes zum Thema
 
Kurzgefasst: Die Glasfaser-Alternativen

In vielen Fällen verfügt das Glasfasernetz über Endpunkte, die sowohl Festnetz- als auch Mobilfunkkunden und zunehmend auch mehr Maschinen-zu-Maschinen-Kommunikationen im Zusammenhang mit dem Internet der Dinge versorgen. Das bezeichnet man als konvergentes Netzwerk.

Diese Zugangsnetze zeichnen sich durch eine Vielzahl von Verbindungen aus, die auf regionale Gebiete über Strecken von bis zu 20 Kilometer verteilt sind. Da die Verbindungsendpunkte zunehmen und es notwendig wird, diese Endpunkte über ein weitreichendes regionales Gebiet zu verteilen, erhöht sich die Anzahl an Glasfaserkabeln auf den vorhandenen Kabeltrassen um Kunden mit lokalen Rechenzentren, Vermittlungsstellen und Netzknoten zu verbinden.

Gleichzeitig bleibt der verfügbare Platz unverändert oder wird durch Netzerweiterungen aufgebraucht. Das erhöht den Druck auf die bestehende Infrastruktur und macht es notwendig, den Nutzungsgrad zu erhöhen beziehungsweise mehr Fasern in Kabel und Rohrtrassen zu bringen, als bisher üblich

Die Rechenzentrumsnetze

In Rechenzentren sorgen Leaf-Spine-Architekturen für Millionen von optischen Verbindungen. Eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung wird gerne zwischen Rechenzentren beibehalten, damit die Switch-zu-Switch-Anbindung hergestellt werden kann. Die hochdichte Anzahl von Verbindungen innerhalb des Rechenzentrums führt daher zu einem Bedarf an hochfrequenten Verbindungskabeln zwischen den Rechenzentren eines Campus. Die dort benötigten extrem hochfasrigen Datacenter-Interconnect-Kabel können 3.000 Glasfasern oder mehr enthalten.

Gleichzeitig geht der Trend in Richtung Dezentralisierung und Edge-Computing: Rechenzentren verteilen sich vermehrt auf Standorte, die näher am Endnutzer liegen. Das Ergebnis ist eine verteilte Rechenzentrumsarchitektur, die durch hochfrequente Interconnect-Kabel verbunden ist.

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Wie in Zugangsnetzen wird es auch bei Datacenter-Interconnect-Anwendungen nötig sein, die Anzahl der Glasfasern und die Verteilung der Endpunktverbindungen zu erhöhen; aber auch hier ist der Platz innerhalb der bestehender Infrastrukturen begrenzt. Tatsächlich müssen die extrem hochfasrigen Kabel in Kanäle mit einem Durchmesser von 50 Millimeter passen, die in Rechenzentren üblich sind.

Räumliche Effizienz erfordert komplexe optische Kabeltechnik

Die größte Herausforderung für Entwickler von Glasfaserkabeln besteht derzeit darin, Designs umzusetzen, die so viele Glasfasern wie möglich in ein Kabel mit minimalen Durchmesser integrieren. Doch konkurrierende optische und mechanische Leistungsparameter sowie Industriedesign- und Installationsstandards lassen nur wenig Spielraum für eine ideale Lösung.

Abbildung 1: Konkurrierende optische und mechanische Leistungsparameter beeinflussen die ideale Lösung für Glasfaserkabel für bestimmte Anwendungen.
Abbildung 1: Konkurrierende optische und mechanische Leistungsparameter beeinflussen die ideale Lösung für Glasfaserkabel für bestimmte Anwendungen. (Bild: Corning)

Es gibt jedoch zwei räumlich effiziente Kabelkonstruktionen, die es schaffen, diese Balance herzustellen. Es handelt sich dabei um hochdichte Mini- bezeihungsweise Mikrokabel und extrem dichte Bändchenkabel.

Hochdichte Mikrokabel

Mikrokabel sind bis zu 60 Prozent kleiner und 70 Prozent leichter als herkömmliche Bündeladerkabel. Während die Anzahl an Glasfasern im Laufe der Zeit gestiegen ist, konnten die Kabeldurchmesser verkleinert werden. Heute enthält ein großes Mikrokabel 432 Fasern und hat einen Außendurchmesser von 10,8 Millimeter.

Abbildung 2 – Querschnitt eines Bündeladerkabels mit 72 Fasern im Vergleich zu einem hochdichten Mikrokabel mit 432 Fasern
Abbildung 2 – Querschnitt eines Bündeladerkabels mit 72 Fasern im Vergleich zu einem hochdichten Mikrokabel mit 432 Fasern (Bild: Corning)

Dies ist nur 0,5 Millimeter größer als das kleinste Standard-Bündeladerkabel mit 72 Fasern und einem Außendurchmesser von 10,3 Millimeter (mm). Das entspricht einer 5,5-fach höheren Faserdichte (gemessen in Fasern pro Quadratmillimeter / alle Vergleiche basieren auf Kabelkonstruktionen der Firma Corning).

Dünne Glasfasern für kleine Kabel

Erst die Verdichtung der Glasfasern ermöglicht die Verwendung kleinerer optischer Kabel. Traditionell empfohlene Single-Mode-Fasern nach G.652 ITU-Standard enthalten einen lichttragenden Kern von 9,2 Mikrometer (µm), der von einem Glasmantel umgeben ist, um das Ausdringen von Licht zu verhindern. Diese Ummantelung erhöht den Außendurchmesser der Faser auf 125 µm. Eine abschließende Acrylat-Beschichtung (Coating) zum Schutz der Faser vergrößert den endgültigen Durchmesser auf etwa 250 µm.

SMF (Single-Mode Fiber) versus MMF (Multi-Mode Fiber)

Welcher Kabel-Modus empfiehlt sich?

SMF (Single-Mode Fiber) versus MMF (Multi-Mode Fiber)

12.09.18 - Sollten für Rechenzentren standardmäßig Singlemode-Glasfaserkabel verwendet werden oder sind Multimode-Kabel für diese Zwecke die bessere Wahl? Welche Vor- und Nachteile bieten die beiden Optionen im Rechenzentrum und welche Informationen sind für die verantwortlichen Mitarbeiter relevant, die eine entsprechende Entscheidung treffen müssen? lesen

Einer Verbesserung der Eigenschaften des Coating hat Hersteller während der vergangenen Jahre befähigt, Fasern mit einer dünneren Beschichtung zu produzieren, um den gesamten Faserdurchmesser auf 200 µm zu reduzieren. Der Durchmesser des Faserkerns und Mantels von 125 µm wird aus Gründen der Spleißkompatibilität hingegen beibehalten. Die so erreichte Reduzierung der Querschnittsfläche um 33 Prozent ermöglicht, dass mehr Fasern in jede Bündelader gepackt werden können, um die Faserkapazität je Kabel oder Röhrchen zu erhöhen.

Verkleinerung von Kabeltrassen und Röhrchen

Mikrokabel werden in Mikroröhrchen – auch unter dem Namen Speedpipes bekannt - eingebaut, die in zwei wesentlichen Punkten räumlich effizient sind:

1. Überbauung in bestehenden Rohranlagen

Bei der Installation zusätzlicher Kabel in einem bereits mit anderen Kabeln belegten Kanal können durch eine Mikroröhrchen-Überbauung mehr LWL-Fasern untergebracht werden als in einem gleichgroßen Bündeladerkabel. Ein herkömmliches 96-Faser-Bündeladerkabel hat einen Durchmesser von etwa 12 Millimeter, während man in einem 12/10-Millimeter-Mikroröhrchen (Außendurchmesser 12 mm, Innendurchmesser 10 mm) ein hochdichtes Mikrokabel mit 288 Fasern einblasen kann. Das entspricht einer Steigerung der Faseranzahl um 125 Prozent.

2. Netzerweiterungen bei Neuverlegung

Ist eine neue Rohrinfrastruktur erforderlich, bieten Mikrorohranlagen mit mehreren Röhrchen mehr Kapazität bei gleicher Grundfläche wie herkömmliche Leitungen. Ein herkömmliches 40/33-Millimeter-Rohr ist ungefähr gleich groß wie ein 7 x 12/10-Millimeter-Speedpipe Rohrverband (Durchmesser zirka 40 mm).

Abbildung 3 – Beispiele für Mikroröhrchen- und Mikrokabelüberbauung für Neubaustrecken
Abbildung 3 – Beispiele für Mikroröhrchen- und Mikrokabelüberbauung für Neubaustrecken (Bild: Corning)

Während die anfängliche Installation bei beiden gleich teuer ist, bietet der Rohrverband sechs zusätzliche Röhrchen. Über die ursprüngliche Leitung angebracht, sorgen sie für eine schnelle, kostengünstige Kapazitätserweiterung mit einer Gesamtkapazität von 2.016 Fasern (7 x 288-Fasern Mikrokabel), ohne dass dafür erneut gegraben werden muss.

Ribbon- beziehungsweise Bändchenkabel mit extremer Faserdichte

In einem Flachbandkabel sind zwölf farbige Glasfasern flach in einer Reihe oder einem Band (Ribbon) untergebracht. Mehrere Bänder werden gestapelt, um Faserzahlen von bis zu 3.456 Fasern in einem einzigen Kabel zu erreichen.

Bis vor kurzem wiesen Bändchenkabel maximal 1.728 Fasern mit einem Außendurchmesser von 32 mm auf. Mittlerweile bietet eine neue Generation hochdichter Bändchenkabel doppelt so viele Fasern bei gleichem Kabeldurchmesser und damit doppelt so viel Dichte in einem Kanal mit 50 mm Durchmesser.

Abbildung 4 – Querschnittsbilder eines Bändchenkabels mit 1.728 Fasern im Vergleich zum hochdichten Bändchenkabel mit 3.456 Fasern
Abbildung 4 – Querschnittsbilder eines Bändchenkabels mit 1.728 Fasern im Vergleich zum hochdichten Bändchenkabel mit 3.456 Fasern (Bild: Corning)

Spleißen en masse

Wenn die Anzahl der Glasfasern auf mehrere tausend steigt, wird die zum Spleißen benötigte Zeit zu einem zentralen Thema, da das Fusionsspleißen von 3.456 einzelnen Fasern mehr als einhundert Stunden dauern würde. Glücklicherweise ermöglichen Flachbandkabel das so genannte Massenfusionsspleißen: Dabei werden zwölf Fasern auf einmal verschmolzen, was die gesamte Spleißzeit um bis zu 80 Prozent reduziert.

Dadurch kann ein Kabel mit 3.456 Fasern in weniger als 20 Stunden gesplissen werden. Diese Effizienz kann in jeder Größenordnung genutzt werden, da das Massenfusionsspleißen bei einer Faserzahl von zwölf (oder höher) schneller ist als das Einzelfusionsspleißen (laut einer Corning-Studie).

Nicht alle extrem dichten Bändchenkabel sind gleich

Viele extrem dichte Bändchenkabel tragen ein so genanntes Netzdesign, bei dem die Glasfasern nur punktuell miteinander verbunden sind. Indem sie zusammengefaltet werden, erreichen sie die erforderliche Packungsdichte. Diese Struktur ist weniger robust als die bewährten Flachbänder, bei der einzelne Fasern während des Spleißens abgetrennt werden können.

Einige Hersteller empfehlen, die Netzkonstruktion vor dem Spleißen mit Kleber zu massiven Bändern zu verbinden. Dieser Prozess, der als „Ribbonisierung“ bezeichnet wird, kann bei der Installation viel Zeit und Geld kosten.

Zudem ist bei der Packungsdichte die Mikrobiegedämpfung in solchen Konstruktionen ein ernsthaftes Problem. Viele Bändchenkabel mit extremer Dichte verfügen über Glasfasern mit empfohlenem G.657 ITU-Standard für zusätzliche Biegeunempfindlichkeit, die einen kleineren (oft 8,6 µm) Modenfelddurchmesser (kurz: MFD) aufweisen.

Mögliche Kompatibilitätsprobleme

Der Versuch diese mit herkömmlichen G.652.D-Fasern mit einem MFD von 9,2 µm zu spleißen, kann zu Kompatibilitätsproblemen bei Tests und Messungen führen. Bidirektionale Tests sind dann notwendig, bei denen das Testen und die Fehlersuche viel Zeit in Anspruch nehmen. Das kann problematisch werden bei Glasfaserkabel mit hoher Faseranzahl (mehr als 3.000).

Die Wahl eines extrem dichten Bändchenkabels mit einem erprobten, massiven Flachband von Corning macht die vorherige Ribbonisierung überflüssig und ermöglicht eine bis zu 30 Prozent schnellere Installation als die anderer hochfasriger Kabel. Diese Kabel verwenden auch Glasfasern, die eine Biegeleistung von G.657.A1 mit einem rückwärtskompatiblen G.652.D-bewerteten MDF von 9,2 µm gewährleisten.

Das bedeutet für Betreiber: 3.456 Fasern in einem 50-Millimeter-Kanal, ohne dass die Stabilität der Infrastruktur, die Effizienz der Installation oder die Abwärtskompatibilität gefährdet sind.

Hinweis: Auch in diesem Jahr findet im Vogel Convention Center, Würzburg, ein DataCenter Day statt, unter anderem mit einen „Schweden Hotspot“. Deshalb erwarten wir, die Vogel IT-Akademie als Veranstalter und DataCenter-Insider als Medienpartner, den schwedischen Botschafter Per Anders Thöresson.

Ebenfalls auf der Agenda steht Corning - mitsamt Vortrag und Ausstellung.

Besucher können sich bereits jetzt für die Veranstaltung am 22. Oktober 2019 registrieren.

* Die Autorin Roshene McCool MEng CEng arbeitet als Optical Fiber Market and Technology Development Manager und Autor Matthew Guinan als Outside Plant Cable Market and Technology Development Manager bei Corning Incorporated.

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