Datakeskusten optiset kaapeloinnit​

Digitalisaation lisääntyessä yhteiskunnan eri osa-alueilla, kiinteiden ja langattomien laajakaistaverkkojen käytön lisääntyessä sekä uusien 5G-verkkojen mahdollistamien erilaisten sovellutusten, kuten esineiden internetin myötä, tietoliikenneverkoissa liikkuu yhä suurempia tietomääriä. Tietomäärien tallennus, käsittely ja jakaminen mahdollisimman nopeasti eli mahdollisimman pienin viivein vaatii yhä enemmän uusia ja paikallisia konesaleja eli datakeskuksia. Datakeskuksilta taas vaaditaan yhä suurempien tietomäärien varastointi- ja käsittelykykyä sekä nopeutta. Tämä asettaa haasteita varsinkin uusien datakeskusten suunnittelulle, jotta niiden elinkaari olisi mahdollisimman pitkä, vaikka niiden eri laitteiden ja palvelinten elinikä olisikin vain muutamia vuosia.  

Datakeskus (tai konesali) on rakennus tai sen tila, jonka pääasiallinen tehtävä on toimia tietojenkäsittelylaitteiden ja niitä tukevien toimintojen vaatimien laitteiden ja järjestelmien sijoituspaikkana. Datakeskuksissa tarvitaan suuri määrä tietoliikenneyhteyksiä kytkimien, palvelimien, tallennuslaitteiden ja muiden laitteiden välillä. Näiden muodostamat verkot voivat olla hyvinkin eri kokoisia sekä myös erilaisia rakenteiltaan ja kokoonpanoiltaan. Koska datakeskukset ovat kiinteistöjä, niin näissä toimii samanlainen yleiskaapeloinnin periaate kuin muissakin kiinteistöissä, jolloin kaapelointi on selväpiirteinen toteuttaa, hallita ja laajentaa. Eurooppalaisessa standardissa EN 50173-5 on määritelty datakeskusten yleiskaapeloinnin rakenneperiaate, jonka toiminnalliset osat on esitetty kuvassa 2.

Datakeskuksen yleiskaapeloinnissa käytetään parikaapelointia ja optista kaapelointia. Kaapeloinnin suorituskykyvaatimukset ovat suuremmat kuin esimerkiksi toimistokiinteistössä. Parikaapeloinnin tulee tukea vähintään 10 Gbit/s sovelluksia ja optisessa kaapeloinnissa 40 Gbit/s tai 100 Gbit/s ja jatkossa jopa 400 Gbit/s sovelluksia. Suuret kaapelimäärät ja niiden päättämiset tuovat mukanaan myös asennusteknisiä haasteita. Alla kuvassa 3 on esitetty datakeskusten yleiskaapeloinnin rakenneperiaate ja toiminnalliset osat standardin EN 50173-5 mukaisesti ja suomenkielisiä nimityksiä noudattaen. Kuvassa on esitetty myös eri osissa tyypillisesti vaadittava komponenttien ja kaapeloinnin suorituskyky.

Optisen kaapeloinnin käyttö datakeskuksissa

Optisen kaapeloinnin merkitys datakeskuksissa on koko ajan kasvanut ja kasvaa edelleen, sillä optisen kaapeloinnin avulla päästään parikaapeleita suurempiin siirtonopeuksiin ja sitä myöten tietojenkäsittelyssä pienempiin viiveisiin. Optisen kaapeloinnin etuja parikaapeleihin verrattuna voidaan esittää, huomattavasti suuremman siirtokapasiteetin lisäksi, seuraavasti:

• Kaapelit ovat pieniä kooltaan. Optisen kaapeloinnin on arvioitu säästävän kaapelointitilaa jopa 60 % parikaapeleihin verrattuna.
• Kaapelit ovat keveitä.
• Optisessa kaapeloinnissa ei synny kuitujen tai kaapeleiden välillä ylikuulumisia.
• Optisiin kaapeleihin eivät vaikuta mitkään sähköiset häiriöt.
• Optinen kaapelointi säästää datakeskusten tehonkulutusta: optisten kuitujen liitäntämoduulien tehonkulutus on eri lähteiden mukaan vain 0,5–1 W kun taas parikaapeleiden liitäntämoduulien tehonkulutus on 5–6 W.

Kun suunnitellaan uusia datakeskuksia, niin suunnittelussa pyritään huomioimaan datakeskusten elinkaari. Vaikka laitteiden ja palvelinten elinkaari olisikin vain muutamia vuosia, niin runkokaapelointi voidaan suunnitella kestämään vuosikymmeniä. Tämän vuoksi optisen kaapeloinnin osuus uusissa datakeskuksissa on hyvin suuri. 

Optisten kuitujen tyypit datakeskuskaapeloinneissa

Datakeskusten optinen kaapelointi perustuu yksi- ja monimuotokuituihin. Datakeskusten tyypillisesti lyhyiden etäisyyksien ja liityntämoduulien hinnan vuoksi monimuotokuitujen käyttö on ollut yksimuotokuituja yleisempää. Laitteiden hintakehitys ja datanopeuksien kasvu ovat ohjanneet ja tulevat edelleen ohjaamaan kehitystä yhä enemmän yksimuotokuitujen suuntaan. Monimuotokuituja kuitenkin käytetään edelleen, ja niistä pyritään puristamaan yhä enemmän nopeutta kehittämällä uusia monimuotokuidun tyyppejä ja kategorioita, mutta haittapuolena on näiden korkea hinta ja heikko saatavuus.

Monimuotokuitujen käyttö

Monimuotokuidun suorituskyvyn minimivaatimus on kuitukategoria OM3. Tätä parempi kategorian OM4 kuitu mahdollistaa varsinkin yli 10 Gbit/s nopeuksilla pitemmät siirtoetäisyydet. Siirryttäessä nopeuksiin 25 Gbit/s, 40 Gbit/s tai 100 Gbit/s monimuotokuitujen siirtoetäisyydet putoavat selvästi. Yli 100 metrin etäisyyksillä yksimuotokuitu on edellä mainituilla nopeuksilla ainoa vaihtoehto. Lisäpiirteeksi monimuotokuitujen käytössä tulee yli 25 Gbit/s nopeudella ja lyhyilläkin matkoilla, että kumpaankin siirtosuuntaan vaaditaan useita rinnakkaisia kuituja. 40 ja 100 Gbit/s nopeuksilla tarvitaan neljä kuitua kumpaankin siirtosuuntaan eli yhteensä kahdeksan kuitua. Tällaista rinnakkaisten kuitujen käyttöä kutsutaan paralleelioptiikaksi. 

Kun siirrytään yhä suurempaan siirtonopeuteen eli 400 Gbit/s nopeuteen, tarvitaan monimuotokuiduilla jo 32 rinnakkaista kuitua! On selvää, että tällaisella 32-kuituisella yhteydellä vikatodennäköisyys on huomattavasti suurempi kuin esimerkiksi 2-kuituisella yhteydellä. Jos 8- tai 32-kuituisen siirtotien yksikin kuitu tai kuituliitos ei täytä vaatimuksia, joudutaan hylkäämään koko siirtotie. Tällaisten siirtoteiden mittauksissakin on omat haasteensa.

Kuitumäärien hillitsemiseksi on kehitetty uusia monimuotokuituja, joita voidaan käyttää usealla aallonpituudella. Uudeksi monimuotokuitujen kategoriaksi on näin saatu aikaan OM5, jolla on OM4-kuidun vaimennus- ja kaistanleveysominaisuudet, mutta sillä voidaan siirtää neljä aallonpituutta 100 nm:n levyisellä aallonpituusalueella 850 nm:n aallonpituusikkunassa. OM5-kuitu vastaa siis neljää OM4-kuitua. OM5-kuidun varjopuolena on erittäin korkea hinta verrattuna esimerkiksi OM3-kuituun ja heikko saatavuus.

Monimuotokuidun rajat tulevat vastaan

Nopeuksien kasvaessa monimuotokuidun rajat alkavat tulla vastaan. Vaihtoehtoina ovat usean kuidun rinnakkainen käyttö tai uudet usean aallonpituuden OM5-monimuotokuidut. Usean rinnakkaisen kuidun käyttö on kömpelöä ja johtaa suuriin kuitumäärin siirtotietä kohti. Toinen vaihtoehto eli useamman aallonpituuden käyttö (WDM) on jo yksimuotokuiduissakin käytössä, joten siinä ei ole mitään periaatteellisesti uutta. Molemmissa vaihtoehdoissa monimuotokuiduilla saavutettava etäisyys rajoittuu kuitenkin enintään sataan metriin. Kun yksimuotokuitujen liitäntämoduulien hinnat ovat myös lähestyneet monimuotokuitujen liitäntämoduulien hintoja, niin suuntaus on kuitutyyppien osalta monimuotokuiduista yksimuotokuituihin.

Yksimuotokuitujen käyttö

Nykyinen televerkkojen yleisin kategorian OS2-yksimuotokuitu soveltuu kaikille etäisyyksille ja siirtonopeuksille datakeskuksissa. Tämän kuidun käyttö on välttämätön yli 150 metrin etäisyyksillä ja rajapinnoissa yleiseen televerkkoon. Siirtonopeudesta riippumatta kuituja tarvitaan laitteiden väleillä vain kaksi kappaletta eli toinen meno- ja toinen paluusuuntaan. Yksimuotokuitujen käyttö edellyttää tosin jatkoksissa ja liitinliitoksissa monimuotokuituja suurempaa kohdistustarkkuutta ja on liitinpäiden epäpuhtauksien kannalta monimuotokuituja kriittisempää. Nämä seikat ovat kuitenkin täysin hallittavissa eivätkä ole mikään ongelma.

Datakeskusten optiset kaapelit ja kaapelointien toteutus

Tyypillisiä piirteitä datakeskusten optisissa kaapeloinneissa ovat seuraavat:

• Kaapelimäärät voivat olla kaikilla tasoilla eli pää-, vyöhyke- ja laitekaapeloinneissa hyvin suuret ja alati kasvavat.
• Rakenteina suositaan mahdollisimman pienikokoisia ja kokonaan kuivia rakenteita, joissa kuitumäärät ovat 12 kuidusta ylöspäin.
• Kaapelipituudet ovat tyypillisesti melko lyhyet.
• Pyritään käyttämään valmiskaapeleita eli valmiiksi liittimiin tai liittimien kanssa erilaisiin koteloihin päätettyjä kaapeleita. 

Datakeskusten kaapelitiet

Optiset kaapelit sijoitetaan datakeskuksissa joko kaapelihyllyille tai nostetun lattian alle. Mikäli datakeskuksessa käytetään laitekaappien väleillä sekä optisia kaapeleita että parikaapeleita, tulee nämä kaapelit sijoittaa toisistaan erilleen, sillä parikaapelit kooltaan suurempina ja painavampina voivat puristaa hentoisempia optisia kaapeleita. Kuitujen suojauksessa tulee myös huomioida se, että jos laitekaappien väleille asennetaan pieniä yksi- tai kaksikuituisia kytkentäkaapeleita, tulee ne sijoittaa näitä varten kehitetyille hyllyille, sillä esimerkiksi lankahyllyillä kuituihin syntyy helposti puristumia ja taipumia aiheuttaen vaimennusta. Kuvassa 6 on esimerkki kuituhyllyistä.

Kuituliittimet

Datakeskusten optisissa kaapeloinneissa ja laiteliitännöissä kaikkein yleisin liitin on LC-duplex (kuva 7). Tämän rinnalle on yleistynyt monimuotokuiduissa paralleelioptiikan käytön vuoksi monikanavainen MPO-liitin (MPO = Multi-fiber Push-On). Liittimestä käytetään myös nimitystä MTP, mutta tämä on US Connectin paranneltu ja nimeämä versio MPO-liittimestä ja ainoastaan tämän yrityksen valmistama, joten sen vuoksi liittimestä käytetään yleisesti MPO-nimitystä. Liittimestä, kuva 8, on uros- ja naarasversiot, joista urosliittimiä käytetään muun muassa paneelien sisäpuolella ja laiteliitännöissä ja naarasliittimiä kytkentä- ja trunkkikaapeleissa. MPO-liitintä on myös saatavana 12- ja 24-kuituisina versioina, joista 12-kuituinen on tällä hetkellä yleisin. 24-kuituisen liittimen etuna on suurempi liitäntätiheys, minkä etuna on puolta pienempi määrä niin sanottuja trunkkikaapeleita. 24-kuituisen liittimen käytön haasteena on valmistuksen vaativuus, joka nostaa liittimen hintaa huomattavasti.

Liittimien polariteetit

Kuitujen polariteetin hallinta on tärkeää kaksikuituisia ja useampikuituisia liitäntöjä käytettäessä eli LC-duplex- ja MPO-liittimissä, jotta yhteyden pään lähettimet saadaan kytkettyä kaapeleiden toisissa päissä vastaanottimiin ja päinvastoin. Kuitujen polariteetin hallinta on varsinkin MPO-liittimillä osoittautunut melko haastavaksi.

MPO-liittimien polariteetti

MPO-liittimiä käytettäessä on oltava tiedossa käytettävä polariteetti, jotta kytkennät toteutuvat oikein. Polariteettejä on standardeissa määritelty kolme tapaa eli A, B ja C. Myös liitinadaptereiden valinta perustuu polariteettiin. Näistä yleisin ja standardeissa EN 50174-1 ja ISO/IEC 14763-2 suositeltu on vain polaritetti B. 

LC- ja MPO-liittimet datakeskuskaapeloinneissa

Datakeskusten laiteliitännöissä on yleisimmin LC-liitännät. Kun näiltä liitännöiltä lähdetään eteenpäin käyttäen kuitukytkennöissä MPO-liittimiä, käytetään yhteyksien molemmissa päissä MPO-LC-haaroitussarjoja. Nämä sarjat ovat yleensä sijoitettu moduuleihin, joiden etupuolella on LC-liitännät ja takapuolella MPO-liitin tai -liittimet. Moduulit toimitetaan polariteetin mukaan, jolloin polariteetti tietäen saadaan kytkennät toteutettua halutulla tavalla.

MPO-liitin yksimuotokuiduilla

MPO-liittimiä käytetään datakeskuskaapeloinneissa myös yksimuotokuitujen liitännöissä. Liittimen etuna on pieni koko verrattuna siihen, että kaapeli päätettäisiin LC-duplex-liittimiin. Yksi 12-kuituinen MPO-liitin on kooltaan vain neljännes kuudesta LC-duplex-liittimestä. MPO-liittimen haittapuolena yksimuotokuiduilla on LC-liittimiin verrattuna hieman suurempi liitosvaimennus ja herkkyys likaantumiselle. Lisäksi riittävän heijastusvaimennuksen aikaansaamiseksi yksimuotokuitujen MPO-liittimien tulee olla APC-hiottuja. Näistä ja polariteetin hallinnan vaikeudesta johtuen useissa uusissa datakeskuksissa suositaan yksimuotokuituja ja LC-duplex-liittimiä.

Naficonin datakeskustuotteet

Naficon on kehittänyt viime vuosien aikana täydellisen valikoiman tuotteita datakeskusten optisiin kaapelointeihin. Mekaniikkatuotteet tulevat suomalaisilta alihankkijoilta, metritavarana olevat kaapelit eri yhteistyökumppaneilta, mutta kaikki valmiskaapelit MPO-liittimiä myöten valmistetaan itse. MPO-liittimillä varustetut kaapelit tulivat aikaisemmin yhteistyökumppaniltamme Seikoh Giken’iltä, mutta tänä vuonna näiden liittimien asennukset on aloitettu meidän Dubain tehtaalla. Koska datakeskusten rakentamiset ja niiden optisten kaapelointien toteutukset ovat niin Suomessa kuin yleensä kaikkialla maailmassa vielä melko uusi asia, niin alaa seurataan varsin tiiviisti kehittäen samalla uusia kaapelointiratkaisuja.

Nykyiset datakeskustuotteet 

• 19”:n kehikko ja liitinmoduulit:
  • Moduulirakenteeseen kuuluu 19”:n kehikko ja liitinmoduulit.
  • Moduulirungon korkeus on 1 U ja siihen sopii neljä liitinmoduulia.
  • Liitinmoduuleja on kahta tyyppiä:
    • LC-liitinmoduuli, johon on päätetty 24-kuituinen, notkea ja pienikokoinen FTMSU-sisä-/ulkokaapeli. Liitinmoduulit voivat olla kaapelin molemmissa päissä.
    • MPO/LC-liitinmoduulit. Moduulien takaosassa on kaksi paikkaa MPO-liittimille ja edessä 24 LC-liitintä kytkettyinä kuuteen LC-quad-liitinadapteriin.
• MPO-paneeli:
  • Paneelin takaosassa on paikat 2–16 MPO-liittimelle.
  • Etuosassa on paikat LC-quad- tai MPO-liitinadapterille,
• HD-LC-paneeli:
  • Modulaarinen 1 U:n korkuinen paneeli, johon sopii yhteensä 6 kpl 24-kuituisia MPO-LC -liitinmoduuleja.
  • Paneeliin voidaan kytkeä enimmillään 144 LC-liitintä.
• Kytkentäkaapelit:
  • Kytkentäkaapeleita on saatavana 8-, 12- ja 24-kuituisina ja asiakaspituuksina.
  • Kuituvaihtoehdot ovat OM3, OM4 ja OS2.
  • Kaapeleiden molemmissa tai toisissa päissä voi olla MPO-liitin ja toinen pää on varustettu LC- tai SC-liittimillä.
• Trunkkikaapelit:
  • Kaapeleita on saatavana 12-, 24-, 48-, 72-, 96-, 144- ja 192-kuituisina.
  • Kuituvaihtoehdot ovat OM3, OM4 ja OS2.
  • Liittimet voivat olla kaapeleiden toisissa tai molemmissa päissä.
  • Liitinvaihtoehdot ovat LC, SC ja MPO.
  • Kaapeleiden pituudet ovat vapaasti valittavissa.

Lähteet

Kiinteistöjen optiset kaapeloinnit. Nestor Cables Oy 2017.
Moduuli- ja konesalituotteet. Naficon 2019.
Useita internetistä löytyneitä artikkeleita.