Четырехпарная проводка для 10 Gigabit Ethernet

В отличие от переходных помех внутри кабеля, межкабельные переходные влияния не могут быть рассчитаны и в точности компенсированы путем цифровой обработки сигналов. Единственный способ борьбы с этими помехами — улучшение конструкции кабеля и способов его прокладки.

В июне 2006 г. был одобрен стандарт IEEE 802.3an на 10 Gigabit Ethernet (10GBaseT). Некоторые компании недавно выпустили продукцию, отвечающую этому стандарту. Для десятигигабитной проводки важное значение приобретает новый параметр — межкабельные переходные помехи (Alien NEXT, ANEXT). Такие наводки невозможно подавить — они носят стохастический, а не детерминированный характер. Межкабельные помехи зависят от взаимного расположения компонентов, составляющих тракт передачи, а их суть состоит в нежелательном влиянии друг на друга проходящих по ним сигналов при параллельной прокладке кабелей. Межкабельные переходные помехи зависят от затухания в тракте передачи и, в конечном счете, от его длины. Требования к параметру ANEXT становятся жестче по мере увеличения затухания тракта, а значит — его протяженности. Наиболее ярко выражена эта проблема для неэкранированной проводки, тогда как для экранированных систем ее решение существенно упрощается. Появившаяся в результате новейших разработок неэкранированная проводка Категории 6а призвана удовлетворить требованиям 10GBaseT.

Каковы отличия Категории 6а от канонической Категории 6? Первое состоит в том, что полоса частот Ка-тегории 6а в два раза шире (500 МГц), чем у Категории 6 (250 МГц). Дополнительно введен новый параметр — межтрактовые помехи (ANEXT). Ранее он не применялся, так как для используемых способов кодирования не требовалась столь высокая помехозащищенность. 16-уровневое кодирование (PAM 16), принятое для 10GBaseT, требует устранения даже очень слабых помех. Кроме того, влияние межкабельных помех нельзя снизить за счет цифровой обработки сигналов (Digital Signal Processing, DSP), это можно сделать только путем усовершенствования конструкции кабелей и условий их прокладки.

Требования к параметрам NEXT и PS NEXT также пришлось значительно ужесточить по сравнению с Категорией 6. Потери (затухание тракта) — правда, ненамного, — также уменьшены, но все же снижение вносимых потерь заметно. В нормативные документы введены требования к PS ANEXT для трактов передачи 10GBaseT. Зависимость этого параметра от частоты и вносимых потерь показана в Таблице 1.

Таблица 1. Минимально допустимое значение PS ANEXT тракта для поддержки 10GBaseT (дБ).

Всем предъявляемым требованиям соответствуют кабельные системы Категории 7/Класса F, по которым приложения 10GBaseT могут функционировать при дальности до 100 м и даже больше. Системы Категории 6/ Класса E в экранированном исполнении также могут быть рекомендованы для трактов передачи длиной до 100 м. Гарантией их применимости для поддержки 10GBaseT является представление производителем характеристик трактов в диапазоне до 500 МГц, измерение которых проводилось с использованием новейшего испытательного оборудования.

НЕЭКРАНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

В качестве примера рассмотрим неэкранированные кабельные системы компании SYSTIMAX Solutions (см. также врезку «Развитие СКС SYSTIMAX»). Решение GigaSPEED X10D из семейства GigaSPEED позволяет передавать данные со скоростью 10 Гбит/с по линии длиной до 100 м и соответствует стандарту 10GBaseT. При работе над этими кабельными системами конструкторы использовали «нисходящий» (от готового тракта к компонентам), действительно системный подход. Сначала были определены цели в виде конкретных характеристик тракта, а затем применены средства моделирования для нахождения оптимальных параметров тракта и входящих в него компонентов. Весь тракт проектируется, производится и испытывается целиком как единая система.

Как показывает предшествующий опыт, модель тракта, ориентированная на параметры отдельных компонентов, порождает серьезные трудности в прогнозировании параметров собранного, готового тракта. Реальные тракты отличаются друг от друга длиной горизонтального кабеля, длинами входящих в них шнуров, числом и типами соединителей, направлением включения этих соединителей (прямое и обратное) и т. д. Возможны сотни тысяч комбинаций элементов тракта, каждая из которых отличается по характеристикам. Некоторые комбинации компонентов проводки могут даже привести к резкому и непредсказуемому в обычных условиях снижению характеристик, вместе с общим ухудшением надежности кабельной системы.

Тракт (Channel) состоит из горизонтальных кабелей, соединительных шнуров, информационных розеток и панелей переключения. Все компоненты, входящие в GigaSPEED X10D, разработаны заново. Полоса частот тракта расширена до 500 МГц, а компоненты имеют еще большую широкополосность. Тракт, сконструированный в соответствии с изложенным выше системным подходом из компонентов GigaSPEED X10D, превосходит проект стандарта на новый Класс Е.

В состав решения GigaSPEED X10D входят кабели серии 1091, параметры которых близки к предусмотренным для Категории 7. Снижение уровня межкабельных помех достигается с помощью новой конструкции защитной оболочки, внутренняя поверхность которой имеет продольные ребра. Это также облегчает разделку кабеля и делает его более гибким.

При изготовлении кабелей применена новая технология скрутки пар (CTAT), разработанная в SYSTIMAX Labs. Кабели этой серии выпускаются с обычной, огнестойкой и LSZH-оболочкой (последняя не содержит галогенов и отличается минимальным дымовыделением при пожаре). Кабель 1091 обладает широкополосностью свыше 500 МГц и обеспечивает работоспособность приложений с темпом передачи до 10 Гбит/с в тракте длиной 100 м.

Одновременно с кабелями разработаны новые информационные розетки и соединительные шнуры. В GigaSPEED X10D применяются розетки MGS500 с надлежащими полосами пропускания. Соединительные шнуры GS10E состоят из гибких кабелей и разъемов усовершенствованной конструкции. Шнуры, кабели и розетки совместно позволяют оптимизировать тракт в соответствии с заданными требованиями. Для обеспечения требуемой широкополосности тракта GigaSPEED X10D были исследованы сотни сочетаний кабелей, розеток и шнуров с применением методики модальной декомпозиции (MDM), также разработанной в SYSTIMAX Labs. Это позволило инженерам добиться оптимальных параметров тракта при различных комбинациях длин кабелей и шнуров. В результате можно быть уверенным в том, что при сложных конфигурациях тракта его пропускная способность будет достаточной для работы самых скоростных приложений. Заметим, что розетки MGS500 и шнуры GS10E имеют новую конструкцию соединителей, созданную с применением моделирования их электромагнитных полей. Методика моделирования (CFPM), также разработанная в SYSTIMAX Labs, позволяет значительно уменьшить переходные помехи в тракте.

В случае неэкранированных проводок увеличить переходное затухание межкабельных помех (ANEXT loss) можно следующими способами: а) разнести кабели на некоторое расстояние в кабелепроводе; б) увеличить диаметр оболочки кабелей; в) использовать несистематическую укладку кабелей в лотке.

Увеличение расстояния между кабелями оказывается на практике малопригодным решением из-за нехватки места в кабелепроводе. Компания SYSTIMAX Solutions выбрала второй путь, при этом она предложила оригинальное решение: защитная оболочка сделана ребристой. Острые ребра идут вдоль внутренней стороны оболочки, так что результирующий диаметр увеличивается, при сохранении объема используемого материала. Этот прием позволил довести ANEXT loss до приемлемой величины. В результате у кабелей марок 1091, 2091 и 3091 с ребристой оболочкой ANEXT loss находится в пределах нормы.

Эти нововведения в конструкции кабелей, соединителей и шнуров позволяют обеспечить характеристики компонентов и всего собранного тракта с четырьмя соединителями на уровне требований улучшенной Категории 6/нового Класса Е (см. Таблицу 2). При этом все компоненты сохраняют обратную совместимость с обычными компонентами Категории 6 и трактом Класса Е в традиционном исполнении, а уровень межкабельных переходных помех (ANEXT) снижается до приемлемого.

Таблица 2. Параметры тракта GigaSPEED X10D.

Другие компании также выпустили неэкранированную продукцию для 10 Гбит/с. Среди них можно выделить Siemon, поскольку в ее линейке имеются кабельные системы с поддержкой 10 Гбит/c всех трех видов: экранированная, неэкранированная и волоконно-оптическая, под общим наименованием 10Gip. Неэкранированная проводка 10G6, рассчитанная на передачу потока 10 Гбит/с, содержит вновь разработанное модульное соединение с рабочей полосой частот 500 МГц. Новый розеточный модуль 10G6MAX в сочетании со шнуром 10G6 обеспечивает необходимые характеристики тракта передачи для поддержки приложения 10GBaseT. Совместно с указанным соединительным оборудованием используется горизонтальный кабель 10G6 UTP, также предлагаемый компанией Siemon. В документации указывается полоса пропускания кабеля 550 МГц, но защищенность на ближнем конце (ACR) у этого кабеля имеет положительное значение только до 400 МГц.

Компания Reichle & De-Massari (R&M) пошла другим путем — ее решение занимает промежуточное положение между неэкранированными и экранированными кабельными системами. Идея состоит в том, что в оболочку кабеля внедряются отрезки фольги. Эти отрезки изолированы друг от друга, при этом они достаточно коротки, чтобы не вызвать дополнительное излучение из кабеля, но расположены достаточно часто, чтобы гасить переходные помехи. Такая технология получила наименование «отрезки для подавления волн» (Wave Reduction Patterns, WARP).

Технология WARP обеспечивает увеличение степени защиты от внешних наводок, т. е. решение основной задачи при создании тракта передачи для 10GBaseT. При применении технологии WARP емкостная связь между кабелями компенсируется во всей рабочей полосе частот благодаря встроенным отрезкам фольги, выполняющим роль экрана. Отрезки фольги уменьшают также индуктивную связь, компенсируя наводимые помехи. Таким образом, суммарная защищенность возрастает с увеличением частоты, что и требуется для реальных трактов. В соответствии с этими принципами была разработана система Real10 UTP R&M, у которой запас по PS ANEXT составляет 20 дБ во всем рабочем диапазоне частот. Экранированные информационные розетки и оптимизированные шнуры переключений лишь улучшают характеристики тракта.

Необходимо отметить, что привычная для неэкранированных систем методика монтажа при этом сохраняется неизменной. Экранирующие элементы в кабеле не связаны между собой, т. е. между ними не течет ток и поэтому не требуется заземление. При этой технологии не нужно увеличивать размеры кабелепроводов и панелей переключения, что обычно требуется при использовании других решений. Тракты, выполненные с использованием технологии WARP, гармонично дополняют широкую гамму решений, предлагаемых другими производителями. Компания R&M пришла на рынок 10GBaseT позже других, но применила новейшие квазиэкранированные технологии при конструировании неэкранированных кабельных систем, с целью получения наиболее эффективных результатов.

ЭКРАНИРОВАННАЯ ПРОВОДКА

Для поддержки 10GBaseT компания AMP Netconnect предлагает экранированную продукцию Категории 6. Система содержит как экранированные модульные гнезда SL, так и интегральные компоненты (двухпортовые розетки и 24-портовые панели PCB). В последних применено групповое экранирование портов, благодаря чему удалось существенно снизить стоимость в расчете на один порт. Все компоненты прошли лабораторные испытания и превосходят требования к проводке Категории 6.

Модульные гнезда SL предназначены для оконцевания только кабеля PiMF Compact, а в интегральные розетки и панели могут быть заделаны любые кабели PiMF. Панели переключений поставляются двух типов: PCB и модульные, которые заполняются модулями SL полностью или частично. Такие панели имеют индивидуальное экранирование каждого модуля, предлагают большую гибкость в выборе задействованных портов и могут содержать вставки с коаксиальными и оптическими входами.

Результаты испытаний системы Category 6 Shielded в независимых лабораториях показали ее соответствие 10GBaseT. В частности, она прошла тестирование в сертификационной лаборатории Delta (Дания). Испытаниям подверглись следующие пробросы (Permanent Link, по стандарту ISO/IEC 11801:2002):

а) кабель PiMP Compact + панель PCB Кат. 6 + модульное гнездо SL;

б) кабель PiMP Compact + панель PCB Кат. 6 + Кат. 6 розетка DIN (AMPTWIST);

в) кабель PiMP 600 МГц + панель PCB Кат. 6 + Кат. 6 розетка DIN (AMPTWIST);

г) кабель PiMP 600 МГц + панель ACO Plus со вставкой Кат. 6 + розетка ACO Plus со вставкой Кат. 6;

д) кабель PiMP 600 МГц + панель ACO Plus со вставкой Кат. 7 + розетка ACO Plus со вставкой Кат. 7.

Условия прокладки кабельной системы были приближены к реальным, проведенные измерения характеристик передачи и межкабельных помех (Alien Crosstalk) в диапазоне частот от 1 до 625 МГц подтвердили их соответствие требованиям стандарта.

В качестве еще одного примера рассмотрим состав и параметры четырехпарной экранированной проводки компании Kerpen. Самая широкополосная из выпускаемых ею кабельных систем, ELine 1200, имеет весь необходимый набор кабелей, шнуров, балунов как для телевизионной, так и для компьютерной распределительных систем. Основным компонентом, определяющим широкополосность кабельной линии Kerpen ELine 1200 EC7, является кабель MegaLine 8. Четырехпарный, с индивидуально экранированными парами (PiMF), этот кабель имеет рабочую полосу до 1500 МГц. Насколько можно судить по имеющейся информации, кабель работоспособен до частоты 1500 МГц и выше.

Таблица 3. Развитие медных компонентов СКС SYSTIMAX.

С целью поддержки разнообразных функций в систему Kerpen ELine 1200 введено много различных шнуров и балунов, обеспечивающих работу каждого отдельного приложения. Все шнуры на одном конце имеют разъем EC7, а на другом — разъем для соответствующего приложения: для телефона — RJ-11, для компьютера — RJ-45, для телевизора — балун и разъем F или МЭК. Шнур для 10 Gigabit Ethernet с одного конца армирован четырехпарным разъемом EC7, а с другого — оканчивается модернизированным разъемом RJ-45, характеристики которого полностью соответствуют этому высокоскоростному режиму.

Набор соединительных шнуров в системе ELine 1200 выполнен из гибких экранированных кабелей MegaLine 726 и MegaLine 727, с рабочими полосами 900 и 600 МГц соответственно. Без сомнения, кабельная система ELine 1200 может применяться, с большим запасом по характеристикам, для передачи 10 Гбит/с на расстояние 100 м. Кроме ELine 1200 EC7 Kerpen выпускает еще две экранированные кабельные системы, полностью соответствующие требованиям 10GBaseT: ELine 600 GG45 (Класс F/ Категория 7) и ELine 500 RJ45S (Класс E/расширенная Категория 6).

По мнению специалистов компании Nexans, приложение 10GBaseT наиболее эффективно поддерживается экранированными кабельными системами. Для этих задач экранированная проводка обладает серьезными преимуществами перед неэкранированной. Для поддержки 10GBaseT предлагаются следующие экранированные решения Nexans: LANmark-610G, LANmark-6A и LANmark-7. Наименование кабельных систем и их характеристики представлены в Таблице 4. Все элементы протестированы до частоты 500 МГц. В Nexans гарантируют функционирование 10GBaseT в соответствии со стандартом IEEE 802.3an, а также необходимый запас по ANEXT в полевых условиях.

Таблица 4. Гарантированный запас параметров по сравнению со стандартом.

Кабели Nexans 10G имеют меньшие размеры и допускают меньшие радиусы изгиба при монтаже, чем аналогичные неэкранированные изделия. Шнуры также меньше по габаритам, гибче и поставляются стандартными длинами, в то время как в неэкранированных шнурах используются более толстые проводники.

Компания Siemon разработала полностью экранированную кабельную систему 10Gip, с собственным соединителем TERA. Рабочая полоса этой проводки составляет 1200 МГц, что позволяет использовать ее и для передачи телевизионного сигнала. Горизонтальная подсистема состоит из розетки TERA, кабеля S/FTP (аналогичного кабелю PiMP 1200 МГц) и панели переключений с гнездами TERA. По такой кабельной системе могут функционировать все типы современных сетей: компьютерные, телефонные и телевизионные, а также сети управления зданием.

Особый интерес, на мой взгляд, представляет использование подобных кабельных систем в жилых домах. Новый стандарт ISO/IEC 15018 предусматривает три вида домовой слаботочной проводки:

• информационная и телекоммуникационная (т. е. компьютерная и телефонная);
• широкополосная (в основном, для телевидения);
• контрольная, командная и коммуникационная (для систем управления).

Четырехпарный соединитель TERA этим стандартом рекомендован к применению во всех трех видах домовой проводки. Наиболее целесообразно его использование для широкополосных приложений, в том числе — для телевидения.

В стандарте IEC 61076-3-104 описаны требования к соединительному оборудованию Категории 7 на базе разъема TERA. Он представляет собой соединитель, отличный от RJ-45, и прошел всю процедуру международной стандартизации для четырехпарной экранированной системы. Теперь к нему имеется и балун (переходник от симметричной проводки к коаксиальной), с помощью которого можно либо присоединить разъем TERA к сети телевидения, либо подсоединить к четырехпарной экранированной сети с помощью балуна устройства (телевизоры, видеомагнитофоны и т. п.), обычно работающие только в коаксиальной сети.

Развитие СКС SYSTIMAX

Достижения SYSTIMAX Solutions далеко не случайны — они являются результатом многолетней последовательной работы в данном направлении. Мне довелось познакомится с СКС SYSTIMAX в начале 1993 г., и с этого времени я внимательно слежу за ее развитием. В том же году в составе СКС SYSTIMAX появилось решение HIGH-5. В HIGH-5 входили два кабеля 1061A и 2061A — для горизонтальной проводки, гибкий кабель 1064 — для соединительных шнуров; панели переключений 110 Patch Panel и Jack Panel 1100 Cat 5. Эти компоненты обеспечили — впервые в мире — создание тракта передачи с полосой 100 МГц, способного передавать трафик до 100 Мбит/с (Категория 5). Этапы развития СКС SYSTIMAX показаны в Таблице 3.

Через пару лет была разработана линейка продуктов SYSTIMAX под маркой PowerSUM. История этого названия следующая. В это время для четырехпарных кабелей вводились параметры влияния не только между двумя парами (Pr-Pr), но и для всех четырех пар — для случая, когда три пары оказывают влияние на четвертую. Такие параметры (суммарные, PowerSUM) потребовались потому, что в компьютерных сетях для достижения необходимой скорости стандартами стала предусматриваться возможность одновременной передачи сигнала по всем четырем парам кабеля. Сначала соответствующие сети появились для проводки Категории 3 (100VG-AnyLAN), а затем — для Категорий 5 и 5е (1000BaseT). Вот для этих сетей, функционирующих по четырем парам, и вводился PowerSUM.

Семейство SYSTIMAX PowerSUM (Катего-рия 5е) носило промежуточный характер, что видно хотя бы из его «нефирменного» названия. В него входили: кабели 1061c и 2061c, розеточные модули MPS100, шнуры D8SA, панели 110PB2 Patch Panel и 1100 Cat5PS и др.. Спустя два года было создано действительно революционное решение GigaSPEED для поддержки скоростей передачи свыше 1 Гбит/с (будущая Категория 6). Эти решения получили общее название «Гигабитная проводка», т. е. соответствующие кабельные системы были непосредственно предназначены для гигабитных скоростей передачи. На основе серии моих статей, посвященных гигабитной проводке, было подготовлено учебное пособие для вузов «Высокоскоростные кабельные системы для компьютерных сетей» («Русская панорама», 1999 г.), а затем — обобщающая статья в «Журнале сетевых решений/LAN».

Решение GigaSPEED, созданное в 1997 г., внедряется в России начиная с 1998 г. Оно включает три кабеля (1071A, 2071A и 3071A), розеточные модули сначала MGS200, затем MGS300, шнуры переключений сначала D8GS, а затем D8CM, панели VisiPatch, Patch MAX GS и M 1000 P5. GigaSPЕED полностью соответствовало Категории 6.

Далее последовала разработка кабельных систем SYSTIMAX для скоростей, намного более высоких, чем 1 Гбит/с. Одно время в качестве следующего этапа развития технологии обсуждались скорости 2,5 Гбит/с, но в конце концов специалисты пришли к выводу технической осуществимости передачи со скоростью 10 Гбит/с на базе медных кабельных систем. Первыми представителями таких систем стали GigaSPEED XL (создание — 2001 г., внедрение в России — 2002 г.), GigaSPEED X10D (создание — 2004 г., внедрение в России — 2005 г.). В состав GigaSPEED XL вошли следующие компоненты: кабели 1071E и 1081A, 3071E и 3081A; розеточный модуль MGS400; соединительный шнур GS8E; панели переключений VisiPatch, Patch MAX GS3; 1100 GS3.

Решение GigaSPEED XL носило, на мой взгляд, также некий промежуточный характер. Так, в XL сначала использовался кабель 1071E, затем в дополнении к нему появился кабель 1081A с крестообразным разделителем, который в решении GigaSPEED X10D не применяется. Для создания GigaSPEED XL использовались те же инновации, которые затем применялись при разработке GigaSPEED X10D — метод модальной декомпозиции (MDM), технология прецизионной скрутки (CTAT) и моделирование полей соединителей (CFPM). Именно они позволили достичь таких великолепных характеристик, которые и обусловили возможность передачи 10 Гбит/с по неэкранированным парам (Категория 6а). В состав системы входят: кабели 1091, 2091 и 3091; розеточный модуль MGS500; соединительный шнур GS10E и универсальная панель UMP SYSTIMAX как для меди, так и для оптики. Качественный скачок — от 1 к 10 Гбит/с произошел именно при переходе от GigaSPEED к GigaSPEED X10D.