Übungsaufgaben zu Lichtwellenleitern und SFP-Modulen

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Erstelle neue Übungsaufgaben zum Thema „Lichtwellenleiter und SFP-
Module“.

Bauplan: Halte Dich an Aufbau, Kompetenzstufen, Operatoren,
Anforderungsbereiche, Punkte und Zeitschätzung, die im Artikel
https://oer-informatik.de/aufgaben-aufbau beschrieben sind.

Fachliche Grundlage:
- https://oer-informatik.de/lichtwellenleiter
- https://oer-informatik.de/strukturierte-verkabelung
- https://oer-informatik.de/netzwerke-grundlagen
- Stilbeispiel: https://oer-informatik.de/lichtwellenleiter-uebungsaufgaben

Die Aufgaben sollen Inhalte zu diesen Schlagwörtern abdecken:
- Lichtwellenleiter
- Glasfaser
- Multimode
- Singlemode
- SFP-Modul
- Medienwahl
- galvanische Trennung
- Dämpfungsbilanz

Kompetenzstufe: Kernkompetenz (alternativ: Basiskompetenz, Profilkompetenz, Expertise)
Anzahl: 1 Aufgabe mit Teilaufgaben
Bearbeitungszeit in Minuten ca.: <5 bis 30 min>
Szenario: eines der Szenarien aus dem Bauplan

Vorgehen:
1. Lies zuerst die verlinkten Artikel. Kannst Du keine Webseiten
   abrufen, sag mir das, statt zu raten.
2. Steht bei einer Angabe noch ein Platzhalter in <…>, frag mich
   zuerst danach. Richte Punkte und Zahl der Teilaufgaben nach der
   Bearbeitungszeit (ca. 0,9 min je Punkt).
3. Gib je Aufgabe Titel mit Kompetenzstufe, Ausgangssituation und
   Teilaufgaben mit Operator und Punktzahl aus, dazu die geschätzte
   Bearbeitungszeit.
4. Gib die Beispiellösungen mit Punkteverteilung erst aus, wenn ich
   danach frage.

Zutreffend (1 Punkt): Technisch ist eine Kupferstrecke von 90 m mit Cat-7-Kabel zulässig, auch für 10GBASE-T.

Widerlegung (je Gegebenheit 2 Punkte), zum Beispiel:

• Volles Leerrohr: Ein Cat-7-Verlegekabel ist dick und steif und lässt sich neben den beiden vorhandenen Kabeln kaum noch einziehen. Ein Glasfaserkabel ist bei gleicher oder höherer Kapazität deutlich dünner und leichter und enthält mehrere Fasern als Reserve.
• Offene Kabelpritsche und Kundendaten: Kupferleitungen strahlen ab und lassen sich an zugänglichen Stellen vergleichsweise leicht anzapfen. Bei einer Glasfaser müsste man die Faser biegen oder auftrennen; das verändert die Dämpfung messbar und fällt auf. Für die Messdaten der Kundenaufträge ist die Glasfaser deshalb die sicherere Wahl.
• Auch richtig: Kompressoren, Schweißgerät und Prüfstand erzeugen Störfelder, die in Kupfer einkoppeln, Licht in der Faser aber nicht beeinflussen.

Je Zeile 1 Punkt (beide Spalten richtig):

Je Nachteil 1 Punkt, zum Beispiel: aufwendigere Montage (Spleißen, Konfektionieren) mit teurem Werkzeug und Messtechnik; empfindlich gegen Biegen, Knicken, Quetschen und Verschmutzung; keine Stromversorgung über die Leitung (kein PoE); teurere aktive Komponenten (Transceiver).

da) Je Teil 1 Punkt: Port 27 ist auf beiden Seiten mit SFP-Modulen für 1000BASE-SX bestückt; diese übertragen höchstens 1 Gbit/s. An Faser und Wellenlänge liegt es nicht, denn beide sind dieselben wie an Port 25. Für 10 Gbit/s werden auf beiden Seiten SFP+-Module 10GBASE-SR (850 nm) gesteckt, wie an Port 25.

db)

• Ursache (2 Punkte): Beide Seiten empfangen überhaupt kein Licht; −40 dBm ist der untere Anzeigewert, an den funktionierenden Ports liegen die Werte zwischen etwa −3 und −6 dBm. Wäre nur eine Faser beschädigt, käme auf einer Seite noch Licht an. Sehr wahrscheinlich sind Sende- und Empfangsfaser nicht gekreuzt: Der Sender jeder Seite trifft auf den Sender der anderen Seite.
• Prüfen und beheben (2 Punkte): Belegung des Patchfelds mit der Dokumentation vergleichen; mit einer Rotlicht-Prüfquelle (VFL) an der freien Faser prüfen, an welchem Stecker das Licht auf der Gegenseite ankommt (nie in die Faser schauen). Dann an einer Seite die Polarität tauschen, z. B. die beiden Stecker des Duplex-Patchkabels tauschen, und Status und Empfangsleistung erneut prüfen.

Je Aspekt 1 Punkt, zum Beispiel: Auf beiden Seiten Module desselben Typs (gleicher Standard 10GBASE-SR, gleiche Wellenlänge 850 nm); Faserart und Faserklasse des Verlegekabels passend zum Modul (Multimode OM3/OM4) und Länge innerhalb der Reichweite; Module müssen zum Switch passen (SFP+-Steckplatz, ggf. vom Hersteller freigegebene bzw. codierte Module); Steckertyp an Patchfeld und Modul (LC-Duplex) bzw. passende Patchkabel.

2 Punkte: Ethernet über Twisted-Pair-Kupfer ist für höchstens 100 m je Strecke (90 m Verlegekabel plus Patchkabel) spezifiziert. Auf 160 m wird das Signal so stark gedämpft und gestört, dass keine stabile Verbindung zustande kommt; ohne aktive Zwischenkomponente (Switch, Repeater) ist die Strecke zu lang.

Je Aspekt 1 Punkt, zum Beispiel:

• Powerline überträgt die Daten über die Stromleitungen und arbeitet nur zuverlässig, wenn beide Adapter im selben Abschnitt der Elektroinstallation stecken.
• Die Steckdose der Stele wird aus der Unterverteilung von Gebäude C versorgt, der Etagenverteiler steht in Gebäude A. Über getrennte Unterverteilungen und unterschiedliche Phasen hinweg kommt meist keine stabile Verbindung zustande.
• Der Stromkreis der Außenbeleuchtung kann tagsüber abgeschaltet sein; dann fiele auch die Datenverbindung aus. Vorschaltgeräte der Leuchten stören das Signal zusätzlich.

Ergebnis: Der Vorschlag ist für diese Anbindung ungeeignet.

3 Punkte für einen begründeten Vorschlag, zum Beispiel: Glasfaser (Multimode OM3/OM4 oder Singlemode) im vorhandenen Leerrohr bzw. neu verlegt. 160 m sind für Glasfaser problemlos möglich, die Verbindung ist unempfindlich gegen Witterung und Störfelder, galvanisch getrennt (Stele draußen, andere Unterverteilung, Blitzgefahr) und schwer abzuhören. Alternativ mit Begründung: Richtfunk, wenn kein Leitungsweg zur Verfügung steht, mit Nachteilen bei Witterung und Verfügbarkeit.

2 Punkte für den Aufbau, 2 Punkte für die Begründung:

• Aufbau: Switch im Etagenverteiler mit SFP-Modul (z. B. 1000BASE-SX) → Patchkabel zum LWL-Patchfeld → Glasfaser-Verlegekabel zur Stele → in der Stele ein Medienkonverter (Glasfaser auf Kupfer), am besten mit PoE+-Ausgang, oder Medienkonverter plus PoE+-Injektor → kurzes Patchkabel zum Player.
• Stromversorgung: Eine Glasfaser überträgt nur Licht, keine elektrische Energie; PoE ist über sie nicht möglich. Medienkonverter und Player (über PoE+) brauchen deshalb Strom aus der Steckdose in der Stele. Diese hängt an der Außenbeleuchtung und könnte tagsüber abgeschaltet sein – die Elektrofachkraft des Schulträgers muss einen Dauerstromkreis bereitstellen.

Je Fall 2 Punkte (1 Punkt Entscheidung, 1 Punkt Begründung), zum Beispiel:

• (1) Bis zum Pavillon: OM4. 10GBASE-SR reicht auf OM3 nur bis 300 m, die Strecke ist mit 320 m (plus Patchkabel) zu lang. Auf OM4 sind 400 m möglich; es bleibt eine Reserve von etwa 80 m.
• (2) Mit Verlängerung: Singlemode OS2. Die Gesamtstrecke von gut 900 m überschreitet jede Multimode-Reichweite bei 10 Gbit/s und auch die 550 m von 1000BASE-SX; auch der Abschnitt von 600 m ab dem Pavillon läge darüber. 10GBASE-LR überbrückt auf Singlemode 10 km; eine aktive Zwischenstation ist nicht nötig.

Je Zeile 1 Punkt:

• Prüfung (2 Punkte): Für 10 Gbit/s genügt OM4 (120 m < 400 m). Für 25 Gbit/s reicht OM4 nicht, denn 25GBASE-SR ist nur bis 100 m spezifiziert, die Trasse ist mit 120 m länger (dazu kommen noch Patchkabel).
• Empfehlung (2 Punkte): Singlemode OS2. Damit lassen sich beide Ausbaustufen und spätere Datenraten über dieselbe Faser betreiben; die etwas teureren LR-Module sind günstiger als ein zweiter Tiefbau. Verlegt wird ein längswasserdichtes Außenkabel mit Reservefasern (z. B. 12 Fasern). Ebenfalls vertretbar mit Begründung: OM4 jetzt und später mehrere 10-Gbit/s-Verbindungen über Reservefasern bündeln statt auf 25 Gbit/s zu gehen.

2 Punkte für den Begriff, 1 Punkt für die Fasertypen: In einer Multimodefaser breitet sich das Licht auf vielen Wegen (Moden) unterschiedlicher Länge aus. Die Anteile eines Lichtimpulses kommen deshalb zu unterschiedlichen Zeiten an, der Impuls wird zeitlich verbreitert (Laufzeitunterschiede). Bei hoher Datenrate und großer Länge verschwimmen aufeinanderfolgende Impulse; das begrenzt Bandbreite und Reichweite. In einer Gradientenindexfaser sinkt die Brechzahl nach außen, sodass Licht auf den äußeren, längeren Wegen schneller läuft – die Modendispersion wird stark verringert. In einer Singlemodefaser gibt es nur einen Mode und damit keine Modendispersion.

Je Zeile ½ Punkt: Multimode sind 1, 3, 5 und 8; Singlemode sind 2, 4, 6 und 7.

Je Tätigkeit 2 Punkte, zum Beispiel:

• Vor dem Bohren: Leitungen suchen: Mit einem Leitungssuchgerät und anhand der Pläne prüfen, ob in der Decke Strom-, Wasser- oder Heizungsleitungen oder Bewehrung liegen, damit nichts beschädigt wird und niemand gefährdet ist.
• Vor dem Bohren (auch richtig): persönliche Schutzausrüstung anlegen: Schutzbrille, Gehörschutz, Sicherheitsschuhe und ggf. Staubschutz bei Bohrarbeiten über Kopf.
• Nach dem Durchführen: Brandschott herstellen: Nach dem Durchführen die Öffnung mit einem zugelassenen Brandschottsystem (z. B. Brandschutzmörtel, -kissen oder -manschette) wieder verschließen, damit Feuer und Rauch sich nicht über die Durchführung ausbreiten; das Schott kennzeichnen und dokumentieren.
• Vor dem Bohren (auch richtig): Durchbruch abstimmen: Lage und Größe vorher mit der Schule bzw. dem Schulträger (Statik, Brandschutzkonzept) abstimmen.

Je Regel 1 Punkt: Mindestbiegeradius einhalten, nicht knicken; nicht quetschen (Kabelbinder locker, keine Lasten); nicht ruckartig ziehen, maximale Zugkraft beachten und nur an der Zugentlastung ziehen; Schutzkappen auf den Steckern lassen; Kabelreserve einplanen und beide Enden beschriften.

Je Gefahr 1 Punkt, je passende Schutzmaßnahme 1 Punkt, zum Beispiel:

• Laserstrahlung: Das unsichtbare Infrarotlicht aus einer aktiven Faser oder einem Modul kann die Netzhaut schädigen. Schutz: nie in Fasern oder Stecker schauen, Gegenseite vor Arbeiten abschalten, Stirnflächen nur mit einem Faser-Mikroskop mit Filter prüfen.
• Glassplitter: Abgebrochene Faserreste dringen leicht in die Haut ein oder werden verschluckt bzw. eingeatmet. Schutz: Reste sofort im Splitterbehälter sammeln, Schutzbrille tragen, am Arbeitsplatz nicht essen und trinken, Arbeitsfläche dunkel abdecken.
• Reinigungsmittel und Lichtbogen: Isopropanol ist leicht entzündlich und reizt Augen und Atemwege; das Spleißgerät erzeugt einen Lichtbogen. Schutz: für Lüftung sorgen, Alkohol vor dem Spleißen verdunsten lassen, Behälter verschlossen halten, keine Zündquellen.

3 Punkte, zum Beispiel: Auch neue Stecker können durch Abrieb der Schutzkappe, Staub oder Fingerabdrücke verschmutzt sein. Schon kleinste Partikel auf der Stirnfläche decken einen Teil des sehr dünnen Faserkerns ab; Dämpfung und Rückreflexion steigen, die Verbindung wird instabil oder fällt aus. Beim Zusammenstecken werden die Partikel zwischen die Stirnflächen gepresst und können die Ferrulen bzw. den Faserkern dauerhaft verkratzen – dann hilft kein Reinigen mehr. Deshalb: mit dem Mikroskop prüfen, trocken reinigen (Reinigungsstift oder -kassette), erneut prüfen, dann stecken.

3 Punkte für eine schlüssige Beurteilung passend zur Wahl in a):

• Bei Multimode (OM3/OM4): nicht geeignet. Das Modul ist für Singlemodefasern mit 1310 nm ausgelegt; an Multimode passen Kerndurchmesser und Wellenlänge nicht zusammen, die Verbindung wäre unzuverlässig oder käme nicht zustande und gilt nicht als normgerecht. Benötigt werden zwei 10GBASE-SR-Module (850 nm, Multimode). Stecker (LC Duplex) und Bauform (SFP+) würden zwar passen.
• Bei Singlemode (OS2): geeignet, wenn auf beiden Seiten ein 10GBASE-LR-Modul eingesetzt wird; 120 m liegen weit unter 10 km, LC-Duplex und SFP+ passen zum Switch.

• Beurteilung (3 Punkte): Der Vorschlag ist abzulehnen. Der beidseitig aufgelegte Schirm verbindet die Erdungsanlage des Containers mit der der Lagerhalle. Liegen beide auf unterschiedlichem Potenzial, fließen Ausgleichsströme über den Schirm; sie stören die Datensignale, erwärmen den Schirm und können Ports beschädigen. Schlägt ein Blitz in den frei stehenden Container ein, gelangen Überspannungen über die Leitung in die Lagerhalle.
• Eigenschaft (1 Punkt): Glasfaser leitet keinen Strom. Sie trennt beide Anlagen galvanisch, also ohne elektrisch leitende Verbindung.

• Abkürzung (1 Punkt): Small Form-factor Pluggable.
• Vorteil (1 Punkt), z. B.: Das Modul lässt sich im laufenden Betrieb tauschen; die Karte kann je nach Strecke mit einem passenden Modul (Multimode, Singlemode, Reichweite) bestückt werden; bei einem Defekt wird nur das Modul ersetzt, nicht die ganze Karte.

Je Farbe 1 Punkt (½ Punkt Klasse, ½ Punkt Eignung):

• Fehler (2 Punkte): Eine Rückflussdämpfung von nur etwa 14 dB entspricht der Reflexion an einem Übergang von Glas zu Luft: Ein großer Teil des Lichts wird an der Steckverbindung zurückgeworfen. Das passt zu einem Stecker mit geradem Schliff (PC bzw. UPC) in einer APC-Kupplung. Die gerade und die um 8° schräge Stirnfläche liegen nicht vollflächig aneinander; der Luftspalt reflektiert, und das reflektierte Licht der geraden Fläche läuft in die Faser zurück. Bei einem richtigen APC-Stecker würde die Reflexion durch den Schrägschliff aus dem Kern gelenkt.
• Beheben (2 Punkte): Kennzeichnung des Steckers bzw. Pigtails prüfen und ihn durch einen APC-Stecker bzw. ein APC-Patchkabel ersetzen; vorher die Stirnflächen von Kupplung und Steckern mit dem Faser-Mikroskop prüfen und reinigen, weil die Fehlsteckung sie beschädigt haben kann; danach die Messung wiederholen und dokumentieren.

3 Punkte für die Rechnung, 1 Punkt für die Beurteilung:

Geg.: l = 70\ \text{m} = 0{,}07\ \text{km}; \alpha = 3{,}0\ \frac{\text{dB}}{\text{km}}; n_S = 2 Steckverbindungen mit a_S = 0{,}75\ \text{dB}; n_{Sp} = 2 Spleiße mit a_{Sp} = 0{,}3\ \text{dB}

Ges.: zulässige Streckendämpfung a_{max}

a_{max} = l \cdot \alpha + n_S \cdot a_S + n_{Sp} \cdot a_{Sp}

a_{max} = 0{,}07\ \text{km} \cdot 3{,}0\ \frac{\text{dB}}{\text{km}} + 2 \cdot 0{,}75\ \text{dB} + 2 \cdot 0{,}3\ \text{dB} = 0{,}21\ \text{dB} + 1{,}5\ \text{dB} + 0{,}6\ \text{dB} = \underline{\underline{2{,}31\ \text{dB}}}

Beurteilung: Faser 1 liegt mit 0,94 dB deutlich unter dem Grenzwert und ist in Ordnung. Faser 2 überschreitet ihn mit 2,87 dB und muss nachgearbeitet werden.

3 Punkte für drei Ursachen, 1 Punkt für das Vorgehen: Mögliche Ursachen sind verschmutzte oder beschädigte Stecker- bzw. Kupplungsstirnflächen, ein schlechter Spleiß (Versatz, Luftblase, schlecht gebrochenes Faserende), ein zu enger Biegeradius (z. B. in der Spleißkassette oder an der Containerdurchführung), ein gequetschtes Kabel (Kabelbinder, Kabelschelle) oder ein falsches Patchkabel (Singlemode). Vorgehen: zuerst die Stecker mit dem Mikroskop prüfen und reinigen, dann neu messen; bleibt der Wert zu hoch, mit einem OTDR die Strecke vermessen. Es zeigt, in welcher Entfernung die zusätzliche Dämpfung liegt (Stecker, Spleiß oder Biegung), sodass die Stelle gezielt nachgearbeitet werden kann.

2 Punkte: Nicht geeignet. Ein SFP-Modul mit 1000BASE-SX überträgt nur 1 Gbit/s; für 10 Gbit/s wird ein SFP+-Modul (z. B. 10GBASE-SR) benötigt. Zwar passen Wellenlänge, Faserart und Stecker zu einer Multimodestrecke, und viele SFP+-Ports nehmen ein SFP-Modul auf – die Verbindung liefe dann aber nur mit 1 Gbit/s.