Характеристики гигабитной проводки

Высокоскоростные кабельные системы требуют повышенного внимания к их характеристикам передачи: волновому сопротивлению, вносимым и возвратным потерям.

C переходом к гигабитным сетям параметры проводки усложнились, а их набор увеличился. К традиционным — затуханию (attenuation), переходному затуханию на ближнем конце (NEXT loss) и защищенности на ближнем конце (ACR) — добавились переходное затухание на дальнем конце (FEXT loss) и защищенность на дальнем конце (ELFEXT). Кроме того, из-за применения четырехпарной передачи для 1000 BaseT Gigabit Ethernet потребовалось все параметры представлять в суммарном выражении как влияние трех пар на четвертую (Power Sum).

В предыдущих статьях этого направления (см. статьи автора «Четырехпарная проводка для Gigabit Ethernet» и «На пути к Категории 6» в январских номерах «Журнала сетевых решений/LAN» за 2000 г. и 2001 г., соответственно) подробно рассматривались в основном параметры влияния. На высоких частотах большее внимание следует уделить характеристикам передачи — волновому сопротивлению (characteristic impedance) и его регулярности, а также возвратным потерям (return loss) и вносимым потерям (insertion loss).

НЕРЕГУЛЯРНОСТИ В ТРАКТЕ

С ростом скоростей передачи все большее воздействие оказывают неоднородности тракта и связанные с ними параметры — регулярность волнового сопротивления пар (выраженная через структурные возвратные потери) и отражения от соединительных устройств. Стандарты на компьютерную проводку не описывают пространственные неоднородности входящих в тракт кабельных компонентов — это не их задача, зато они формируют требования к структурным возвратным потерям кабелей и к возвратным потерям соединительных устройств, а также всего тракта. В стандартах не указывается частотная структура возвратных потерь компонентов, поскольку она зависит от оборудования, на котором изготовляют кабели для локальных сетей, и от конструкции соединительных устройств. Но общий вид частотных зависимостей данного параметра для различных элементов стандартами определен довольно строго, и производители, как правило, стремятся эти требования к кабелям, шнурам и соединителям выполнить.

Какие трудности могут возникнуть при определении параметров передачи скоростных кабельных трактов? Надо иметь в виду, что такие тракты содержат большое число разнородных элементов, соединенных в линию, работающую в очень широком диапазоне частот. Тракт (channel) локальной сети состоит из горизонтального кабеля длиной до 90 м, нескольких соединителей (до четырех) и шнуров (до трех) общей длиной до 10 м. Передаваемый по тракту сигнал не только затухает по ходу распространения, но и отражается в точках соединений, а также в самом кабеле.

На Рисунке 1 показано стрелками разного размера, что в местах соединений сигнал претерпевает довольно большие отражения, а в длинном горизонтальном кабеле — намного меньшие. Однако интегральный эффект отражений в кабеле зачастую превышает суммарные отражения от соединителей.

В стандарты на проводку введены требования к возвратным потерям для всех компонентов: соединителей, шнуров и горизонтального кабеля. Нормирование возвратных потерь для всего тракта в стандартах также приводится, и оно складывается из норм на компоненты, входящие в тракт. Существующие на данный момент требования к возвратным потерям компонентов и трактов опубликованы в упомянутых в предисловии статьях.

Внутри длинного кабеля отражения возникают от структурных неоднородностей: неравномерного диаметра проводов, непостоянства шагов скрутки пар, крутых изгибов при прокладке и др. На нижних частотах (до ~20 МГц) этот эффект довольно слаб из-за того, что длина волны достаточно велика, по сравнению с длиной линии. Следовательно, количество отражений на длине 100 м относительно невелико, и результирующие структурные возвратные потери небольшие. С ростом частоты до 100 МГц и выше число действующих нерегулярностей, в связи с укорочением длины волны, увеличивается, и эффективность отражений возрастает. Особенно сильно потери на отражение проявляются для кабелей Категорий 6 и 7, рабочий диапазон которых расширяется до 250-600 МГц, поэтому и требования к конструктивным элементам кабелей новых категорий резко повышаются. Это означает, что диаметр накладываемой на провод изоляции должен быть значительно стабильнее, а скрутка пар должна производиться более равномерно, чем у кабелей Категорий 3 и 5е. Повышенные требования выдвигаются при скрутке пар в сердечник, а также при наложении защитной оболочки. Определенные ограничения выдвигаются при прокладке таких кабелей, чтобы уменьшить отражения от изгибов.

Структурные возвратные потери (SRL) кабеля суммируются с потерями на отражение соединительных устройств, что приводит к увеличению общих возвратных потерь (RL) передающего тракта. График суммарных возвратных потерь представляет собой сильно изрезанную кривую, пример которой изображен на Рисунке 2. Видно, что на нижних частотах кривая не менее изрезана, чем на верхних. Изрезанность на нижних частотах вызвана в основном отражениями от соединителей, в то время как на верхних она обусловлена внутренними отражениями в кабеле. Обратим внимание, что амплитуда изрезанности кривой уменьшается с ростом частоты — это обусловлено увеличением затухания волны в кабеле при распространении. Для кабелей Категории 5е данный эффект проявляется еще в слабой мере, но для кабелей Категорий 6 и 7 явление насыщения проявляется полностью.

Если на кривой возвратных потерь хорошо видна гармоническая составляющая, это значит, что какие-то две нерегулярности особенно велики (на Рисунке 2 это видно). Наиболее частую периодичную составляющую вызывают два соединителя, расположенные далеко друг от друга: например, соединения горизонтального кабеля с розеткой и кросс-панелью. В то же время длинные «волны» на графике возвратных потерь обычно обусловлены нерегулярностями, находящимися близко (соединения на концах одиночного шнура).

ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПАР

В стандартах на структурированные кабельные системы волновое сопротивление витых пар задано в пределах 100?15% (Ом). Замечу, что этот параметр в теории определен для сечения пары, а фактически — на небольшом ее отрезке (до 1/8 длины волны) и зависит от частоты. Прямо измерить волновое сопротивление реального кабеля невозможно, так как он обладает существенной неоднородностью, и поэтому прибегают к косвенным методам — измеряют входное сопротивление (input impedance), и уже через него вычисляют волновое сопротивление.

В кабелях связи для измерений волнового сопротивления традиционно используется метод холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ). При этом методе дважды измеряют входное сопротивление — при холостом ходе и коротком замыкании на выходе линии, а волновое сопротивление вычисляют как Z_в = (Z_хх х Z_кз)^1/2. Этот метод был достаточно хорош раньше, при низких частотах (примерно до 20 МГц). При высоких частотах (до 100 МГц и выше) начинают играть роль нерегулярности волнового сопротивления витых пар, описанные в предыдущем разделе, что приводит к большим ошибкам нахождения волнового сопротивления через измерения входного.

Попробуем разобраться в причинах ошибок. Из-за нерегулярностей кривая входного сопротивления на верхних частотах становится сильно изрезанной (см. Рисунок 3), и выделить из нее собственно волновое сопротивление крайне сложно. Попытки это осуществить делались неоднократно, но об окончательных результатах говорить рано. Нахождение волнового сопротивления по измерениям входного в нижней части диапазона (на Рисунке 3 — до 20 МГц) не представляет особых трудностей — можно применить так называемое «сглаживание», т. е. выделение некоего текущего среднего значения. Попытки применить «сглаживание» в верхней части рабочего диапазона пока, на мой взгляд, успехами не увенчались. До сих пор относительно неплохо удается измерить только входное сопротивление тракта.

Что же делать для точного нахождения волнового сопротивления кабельных изделий? Поскольку описанный выше способ на высоких частотах явно непригоден, я рекомендую применить известный метод, используемый для оценки параметров радиочастотных кабелей. Прием состоит в определении волнового сопротивления по результатам измерений емкости пары и ее электрической длины. К сожалению, этот метод довольно трудоемок, плохо поддается автоматизации и поэтому не получил широкого распространения.

ПОТЕРИ И ЗАДЕРЖКА СИГНАЛА

Сигнал, распространяясь по тракту, теряет свою энергию. Процесс уменьшения амплитуды сигнала при передаче от начала линии к концу называется затуханием (или ослаблением) и обозначается английским термином attenuation. На нижних частотах рабочего диапазона (до ~50 МГц) потери сигнала при передаче почти совпадают с собственным затуханием кабельного тракта. При переходе к более высоким частотам (до 100 МГц и выше) потери обуславливаются не только собственным затуханием, но и отражениями в тракте, рассмотренными в предыдущих разделах. Этот процесс меняет плавный («гладкий») ход кривой затухания на слегка извилистый, что хорошо видно на Рисунке 4. Это нашло свое отражение в стандартах: в их новых версиях термин attenuation заменяется на insertion loss (вносимые потери), где учитывается добавка потерь на отражение. В простой, не совсем верной трактовке вносимые потери равны сумме затухания и потерь на отражение. По графикам Рисунка 4 мы видим, что из-за отражений в тракте общие потери слегка увеличиваются, по сравнению с регулярной парой, а сама кривая приобретает довольно извилистый характер.

Согласно стандартам, задержка сигнала в линии также нормируется. На задержку сигнала влияют длина пары, ее шаг скрутки и, в небольшой мере, регулярность. Норма на задержку в тракте составляет 555 нс, а на перекос задержки — 50 нс, что легко выполняется в современных кабельных трактах. При еще больших скоростях передачи, возможно, этот параметр приобретет критический смысл. В настоящее время обычный разброс задержек в парах составляет 10-12 нс между крайними значениями.

Согласно многочисленным публикациям, тракт, собранный из однотипных компонентов одного производителя, обычно удовлетворяет требованиям стандартов на Категории 5е и 6. Сложнее обстоит дело при сборке линии из компонентов разных производителей — здесь часто бывает, что удовлетворить требованиям высших категорий не удается.

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Часто возникает вопрос: для каких приложений будет использована Категория 6? Существующий Gigabit Ethernet 1000 BaseT функционирует по проводке Категории 5e. Других, более скоростных приложений для локальных сетей пока не просматривается. Для чего же выпускать Категорию 6 с диапазоном рабочих частот в 250 МГц?

Попробую ответить на этот вопрос. Во-первых, проводка Категории 6 не является чем-то принципиально новым — она лишь слегка отличается конструктивно от всем привычной проводки Категории 5e, т. е. она представляет собой эволюционное развитие Категории 5 и обратно с ней совместима. Во-вторых, по Категории 6 лучше, свободнее работает нынешняя версия Gigabit Ethernet 1000 BaseT, когда передача и прием осуществляются одновременно по четырем парам проводов. Главное же заключается в том, что Категория 6 сможет поддерживать новую спецификацию Gigabit Ethernet: она также задействует все четыре пары, но с передачей по одним двум парам и приемом по другим двум парам в противоположные стороны. В печати уже имеются сведения о разработке 1000 BaseTX Gigabit Ethernet, по аналогии с 100 BaseTX Fast Ethernet, самой распространенной сейчас версией.

В принципе возможно создание более скоростных систем для медной проводки: например, с темпом передачи 2,5 Гбит/с, как промежуточный вариант между 1GE и 10GE. Скорость 2,5 Гбит/с позволяет организовать стыки с сетями ATM, имеющими на одной из иерархических ступеней темп передачи около 2,5 Гбит/с. Таким образом, подобные потоки могут поступать по медной проводке в локальную сеть и по ней распределяться. Это дает хороший стык между транспортной сетью с довольно высокой скоростью передачи и локальной корпоративной сетью.

Повторюсь: Категория 6 довольно мало отличается от Категории 5e, и она входит в практику почти незаметно. Внешне компоненты Категории 6 выглядят почти так же, как и Категории 5e, они давно выпускаются серийно. Например, продукция GigaSPEED компании Avaya, соответствующая Категории 6, присутствует на рынке в полном комплекте уже несколько лет. Как можно надеяться, перспективы у Категории 6 хорошие, выпуск компонентов организован несколькими компаниями, а монтаж на объектах идет полным ходом.