Горизонтальные кабели с расширенным частотным диапазоном

Для нормального функционирования информационной системы необходимо обеспечить требуемое качество передачи данных. На канальном уровне этот параметр определяется вероятностью битовой ошибки P_ош. При заданной скорости обмена данными P_ош не должна превышать определенного порогового значения на линиях максимальной длины. Вероятность ошибки представляет собой интегральную характеристику и в равной степени зависит как от используемого активного оборудования, так и от особенностей линейной части системы связи. Соблюдение ограничений, зафиксированных в стандартах СКС, гарантирует соответствие нормам в пределах кабельного тракта.

Потребительские свойства линии улучшаются, если производитель обеспечивает хорошее согласование отдельных компонентов и предусматривает для элементной базы определенное превышение стандартных параметров. Одним из таких параметров является ширина полосы пропускания, или, что эквивалентно, верхняя граничная частота.

ЗАПАСЫ ПО ПАРАМЕТРАМ И СТАНДАРТЫ СКС

Стандарты СКС задают ряд параметров линий. Их соблюдение гарантирует достижение требуемого качества функционирования системы связи. Дополнительно предусматривается ряд запасов относительно необходимого минимума. Их наличие дает возможность:

• компенсировать естественное старение техники в течение 10-летнего срока использования;
• блокировать отрицательные последствия ухудшения параметров в процессе прокладки и монтажа кабельных линий;
• демпфировать деградацию характеристик линии из-за негрубых ошибочных действий пользователей во время эксплуатации СКС.

Заметим, что уже само требование обязательного соблюдения всех параметров обеспечивает определенный запас. Иначе говоря, выход за пределы установленных ограничений для одной или даже нескольких характеристик, в том числе ключевых, вполне может быть компенсирован локальным соблюдением требований по другим.

Следовательно, заданное качество передачи на канальном уровне может быть достигнуто даже при незначительном нарушении некоторых норм. Выполнению данного правила способствует эксплуатация техники в щадящем режиме, что предполагает:

• уменьшение верхней частоты линейного сигнала для снижения затухания и отказ от схемы параллельной передачи с целью уменьшения мощности шумов даже с сохранением класса приложения (например, переход в обоснованных случаях от использования Gigabit Ethernet к Fast Ethernet, которые относятся к одному классу D);
• сокращение предельно допустимой протяженности тракта относительно нормативных значений, зафиксированных в стандартах;
• отказ от использования схемы кросс-коннекта и применения консолидационной точки в сочетании с переходом на схему прямого включения горизонтального кабеля в разъем сетевого интерфейса (схема direct connection).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОЧЕГО ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА СИММЕТРИЧНОГО ТРАКТА СКС

Кабельный тракт СКС образуется последовательным соединением нескольких компонентов. По мере увеличения частоты затухание сигнала в нем увеличивается с темпом несколько выше 10 дБ/декада. С учетом этого факта классическое определение верхней граничной частоты, часто используемое в радиотехнике и основанное на модели простейшей RC-цепочки, оборачивается значительным недоиспользованием возможностей как тракта в целом, так и его ключевого элемента — линейного кабеля.

Для устранения названного недостатка за верхнюю граничную частоту целесообразно принять то ее значение, при котором величины коэффициента рабочего и переходного затухания на ближнем конце сравниваются друг с другом. Именно данное определение положено в основу действующей нормативной базы СКС. Оно применяется как к отдельным компонентам, так и в отношении тех комплексных объектов (стационарная линия и тракт), которые собираются из них.

С точки зрения физики процесса такое определение обосновывается следующим образом. Линия связи должна функционировать с заданным качеством. Его численной мерой может служить вероятность ошибки Рош, которая пропорциональна отношению сигнала к шуму (C/Ш) на входе решающего устройства сетевого интерфейса. В симметричных трактах за «сигнальную» составляющую отношения С/Ш отвечает рабочее затухание, монотонно растущее по мере увеличения частоты f, а «шумовую» часть отношения С/Ш определяет переходное затухание, монотонно падающее при тех же условиях. Поэтому наращивать рабочую ширину полосы пропускания имеет смысл только в случае роста отношения С/Ш. Это может быть достигнуто путем расширения диапазона рабочих частот сетевого интерфейса, но только до той частоты f_в, на которой напряжение сигнала становится равным напряжению помехи.

Таким образом, граничная частота f_в находится как решение уравнения PS – NEXT(f) = IL(f), где PS – NEXT(f) — суммарное переходное затухание на ближнем конце, а IL(f) — рабочее затухание (рис. 1).

Рис. 1. Определение верхней граничной частоты и мера пропускной способности симметричного кабельного тракта

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ ТРАКТА

Пропускная способность тракта определяется требованиями в отношении обеспечиваемой скорости передачи и необходимыми эксплуатационными запасами. Из теории передачи сигналов известно, что увеличить пропускную способность «зашумленного» канала связи при неизменной мощности сигнала можно только до некоторого предела. Данная задача решается за счет соответствующей предварительной обработки передаваемого сообщения. Наибольший эффект достигается в случае максимально полного приближения линейного сигнала к белому шуму. В сетях Ethernet это обеспечивается с помощью двух основных приемов:

• применение блочного линейного кода;
• скремблирование исходного сообщения в передатчике (соответственно на приемном конце осуществляется обратное преобразование).

Предельная пропускная способность W канала связи с шумами впервые была определена Клодом Шенноном в конце 40-х годов прошлого века. Согласно полученным им результатам, численное значение W применительно к симметричному горизонтальному тракту СКС в условиях преобладающего влияния переходной помехи на ближнем конце составляет:

где K(f) — коэффициент, учитывающий наличие шумов иных видов, а f_н и f_в — нижняя и верхняя граничная частоты соответственно.

При выполнении расчетов в качестве нижнего предела интегрирования можно принять f_н = 0. Коэффициент 4 в формуле учитывает возможность параллельной передачи по четырем витым парам одновременно.

Геометрическая интерпретация шенноновской пропускной способности представлена на рис. 1. Из чертежа следует, что величина W пропорциональна площади треугольника ABD, нижняя и верхняя стороны которого ограничены кривыми IL(f) и PS – NEXT(f) соответственно, а за левую границу берется ось ординат.

Характер частотной зависимости переходного и рабочего затуханий приводит к тому, что увеличение f_в всегда является следствием хотя бы одного из двух возможных событий: увеличения PS – NEXT и/или уменьшения IL. Таким образом, при росте f_в относительно значения f_c, зафиксированного в стандартах, обязательно увеличивается отношение сигнала к шуму и растет площадь треугольника ACE. Отсюда вытекает, что при прочих равных условиях кабель с расширенным частотным диапазоном позволяет получить более качественный и/или скоростной канал связи.

ОСОБЕННОСТИ НОРМИРОВАНИЯ F_В

При определении f_в не учитывается помеха от обратных отражений (RL). Это связано с тем, что она эффективно подавляется приемником сетевого интерфейса в процессе предварительной обработки линейного сигнала до его поступления на вход решающего устройства. Одновременно игнорируется переходная помеха на дальнем конце, которая в области высоких частот оказывается заметно меньше помехи от ближнего конца.

Использование при расчете PS-NEXT вместо NEXT не оказывает радикального влияния на величину f_в. Это происходит по двум причинам:

• междупарное и суммарное переходные затухания различаются ненамного (обычно не более чем на 3 дБ);
• передача в базовой полосе частот приводит к тому, что на пропускную способность W тракта решающее влияние оказывают его характеристики в низкочастотной части спектра.

Для доказательства можно обратиться к рис. 2, полученному в результате численного интегрирования приведенной выше формулы Шеннона. Из него следует, что небольшое уменьшение f_в не приводит к значительным потерям пропускной способности, которая определяется преимущественно низкочастотной частью рабочего диапазона. Данное свойство позволяет пренебречь известным эффектом сужения результирующей полосы при последовательном включении нескольких элементов и нормировать их характеристики до верхней граничной частоты f_c тракта, а не до f_в.

Рис. 2. Зависимость пропускной способности стандартного симметричного тракта Категории 5е (с учетом 40-процентного запаса) от степени использования полосы

Кроме того, увеличение пропускной способности за счет простого наращивания f_в имеет определенные ограничения с точки зрения эффективности. Например, для 25-процентного выигрыша по W необходимо увеличить f_в примерно в 1,5 раза.

ПУТИ НАРАЩИВАНИЯ ШИРИНЫ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ

Из определения f_в непосредственно вытекает, что пропускную способность можно увеличить как снижением затухания, так и увеличением переходного затухания.

Для снижения затухания применяют:

• изолирующие материалы с меньшими диэлектрическими потерями;
• изоляцию из пленко-пористых или пленочных пленко-пористых структур;
• витые пары с проводами увеличенного диаметра;
• изолирующие покровы с внутренним структурированием.

Известно несколько вариантов макроструктурирования изоляции проводов. До уровня серийного производства доведена только технология AirES (см. монографию: Семенов А.Б. Классические СКС. — М.: Горячая линия — Телеком, 2016. — 462 с.). В настоящее время правообладателем этой технологии — после череды приобретений — стала компания CommScope.

Отдельно укажем, что возможности снижения затухания витых пар без увеличения их волнового сопротивления и наращивания диаметра токопроводящей жилы уже исчерпаны.

Увеличение переходного затухания NEXT или PS-NEXT достигается:

• подбором шагов скрутки отдельных пар с общим сокращением их величины и переходом на сложные разновидности скруток кабельного сердечника (последний прием используется в первую очередь для улучшения суммарного переходного затухания);
• внедрением сепараторов витых пар для увеличения расстояния между ними;
• переходом на плоские кабели с рядным расположением отдельных витых пар на одном или двух уровнях;
• обращением к различным видам экранирования.

Анализ рис. 1 показывает, что при прочих равных условиях увеличение переходного затухания дает больший результирующий эффект в части увеличения W по сравнению с уменьшением затухания. Это определяется различным характером частотной зависимости (~1/f против ~√f соответственно).

ДОСТОИНСТВА КАБЕЛЕЙ С РАСШИРЕННЫМ ЧАСТОТНЫМ ДИАПАЗОНОМ

По ряду параметров, значимых как для потребителя, так и для системного интегратора, кабели с расширенным частотным диапазоном нормирования характеристик заметно превосходят обычные.

Если протяженность тракта менее классических 100 м, максимальная скорость обмена данными увеличивается. Соответственно, становится возможна передача 10-гигабитного потока по кабельным трактам, собранным из стандартных компонентов Категории 6, что обосновывается на рис. 3, б. Длина линии уменьшается до тех пор, пока площади треугольников ADC (Категория 6а) и ABE (Категория 6) не сравняются.

Рис. 3. Частотные характеристики затухания и переходного затухания при отказе от соблюдения 100-метрового канона протяженности тракта: а — выигрыш по длине тракта при сохранении скорости; б — увеличение скорости за счет меньшей длины

Данный принцип был использован в нормативной базе: в спецификациях сетевых интерфейсов 10GBase-T определена возможность их работы по кабельным трактам Категории 6 протяженностью до 37–55 м. Новейшим примером практического использования этого свойства является возможность подключения по кабельным трактам Категории 5е и 6 точек радиодоступа с портами на 2,5 и 5 Гбит/с при условии ограничения длины 50 или 75 м.

Инсталляционный кабель с увеличенным f_в позволяет системному интегратору успешно наращивать скорость передачи. При этом необходимо выполнение определенных дополнительных проектных ограничений. На практике это достигается за счет:

• замены шнуров и розеток на изделия более высокой категории;
• отказа от кросс-коннекта и применения точки консолидации;
• минимизации длины коммутационных шнуров.

Для достижения необходимого эффекта привлекаются один из перечисленных приемов или их произвольная комбинация.

Данный подход оказывается возможен благодаря открытости современных стандартов: характеристики отдельных компонентов различных категорий задаются таким образом, что их можно без ограничений использовать в составе одной линии. Зафиксированный в стандарте принцип «слабого звена», формально ограничивающий класс линии, обходится путем увеличения фактической величины отношения С/Ш не только в кабеле, но и в иных компонентах тракта.

В ряде европейских стран при построении домашних сетей большой популярностью пользуется передача сигналов аналогового телевидения по кабельным трактам СКС. Для этого вида телекоммуникационного сервиса при эфирном варианте трансляции исходного 60-канального сигнала верхняя граничная частота составляет 862 МГц, а в случае спутникового телевидения со значительно большим количеством каналов может достигать 2,4 ГГц.

Стандартные частотные диапазоны нормирования характеристик трактов СКС и аналогового телевидения не совпадают. После частичного или полного устранения этого несоответствия за счет увеличения f_в появляется возможность обеспечить нормальное качество воспроизведения изображения на бытовом телевизионном приемнике.

Контроль характеристики рабочего затухания гарантирует отсутствие его выбросов в верхней части рабочего диапазона, которые могут возникнуть из-за проявления известного эффекта электрического скрещивания (рис. 4).

Рис. 4. Частотные характеристики затухания: 1 — обычного горизонтального кабеля; 2 — кабеля с увеличенным fв

Выигрыша по f_в за счет снижения затухания наиболее просто добиться увеличением диаметра проводов с витыми парами. Дополнительным полезным эффектом становится заметно большая эффективность функционирования системы дистанционного питания терминальных устройств в режиме максимальной мощности потребления (различные варианты системы PoE). Свою роль играют падение активного шлейфового сопротивления и связанное с этим уменьшение рассеиваемой мощности в кабеле.

В кабелях Категории 6 и выше расширения рабочего частотного диапазона наиболее просто добиться за счет индивидуального экранирования пар. Это позволяет отказаться от сепаратора, то есть уменьшить диаметр, и тем самым улучшить массогабаритные характеристики изделия по сравнению с неэкранированными функциональными аналогами.

Большие запасы по ключевым параметрам делают возможным привлечение для выполнения инсталляционных работ менее квалифицированных специалистов. Это снижает затраты на реализацию проекта без потерь гарантийной поддержки со стороны производителя СКС.

КАБЕЛИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ТРАКТОВ УВЕЛИЧЕННОЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ

Кабели, имеющие расширенный частотный диапазон, позволяют преодолеть ограничения стандартов в отношении предельной протяженности линии без ухудшения пропускной способности. Выигрыш может достигать 20–25%. Эти возможности показаны на рис. 3, а. Для тракта максимальной длины справедливо равенство площадей треугольников ACE и ABD.

Такие конструкции имеют ряд особенностей. Основные из них заключаются в следующем:

• использование в качестве прототипа изделий высокой категории (не ниже 6A), упрощающих достижение требуемого f_в;
• применение структур с индивидуальным экранированием витых пар для наращивания NEXT и выполнения норм по перекосу задержки (skew) за счет больших шагов скрутки;
• увеличение диаметра проводника, в том числе до предельных значений, согласно действующим стандартам (0,64 мм или калибр 22AWG).

Фокусной областью применения таких изделий считаются системы видеонаблюдения на основе IP-камер, которые быстро набирают популярность. Многие из них имеют влагостойкое исполнение и могут применяться за пределами здания.

ПРЕДЛОЖЕНИЕ КАБЕЛЕЙ С РАСШИРЕННЫМ ЧАСТОТНЫМ ДИАПАЗОНОМ

На рынке доступны серийные образцы кабелей всех категорий, имеющих расширенный частотный диапазон. При этом поставщики придерживаются двух несколько различающихся, хотя и довольно похожих стратегий представления своей продукции.

Наиболее часто (Leoni, General Cable, Prysmian) производитель декларирует тестирование в расширенном частотном диапазоне для кабельных изделий категорий от 6 до 7А включительно. Например, вместо 250 МГц для Категории 6 заявляется 400 МГц. Продукция включается в состав СКС с сохранением всего комплекса фирменных гарантий в части продолжительности эксплуатации, перечня поддерживаемых приложений и аналогичных им параметров.

При втором варианте указывается максимальная гарантированная протяженность тракта. Такие решения возможны как для классов D и E (компании Corning Cable Systems и Reichle & De-Massari соответственно), так и для линий недавно ратифицированной Категории 8.2 (Datwyler, Nexans). При этом для классов D и E ключевые параметры обычно приводятся в расширенном частотном диапазоне. Продукты же Категории 8.2 пока тестируются до частот 2000 МГц, а в технической документации указывается возможность превышения 30-метрового стандартного предела.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Горизонтальные кабели с расширенной частотной полосой нормирования параметров обладают не только лучшими характеристиками по пропускной способности, но и улучшенными функциональными возможностями.
2. Для достижения ощутимого полезного эффекта верхняя граничная частота должна превышать стандартные значения не менее чем на 50%.
3. Подобную продукцию предлагают преимущественно европейские кабельные заводы; американские производители идут на этот шаг только в случае осуществления широкомасштабной деятельности в Старом Свете.
4. При реализации классической СКС применение компонентов категорий 5е и 6 улучшенного типа наиболее целесообразно в крупных сетях при наличии точек радиодоступа, подключаемых к сети предприятия по каналам связи на скорости 2,5 и 5 Гбит/с.
5. Горизонтальные кабели с улучшенными частотными свойствами могут быть широко востребованы в системах видеонаблюдения, для которых требуется проложить линии протяженностью свыше 100 м.

Андрей Семенов, директор по науке компании «СУПР», заведующий базовой кафедрой СКС в МТУСИ. Роман Королев, магистрант МТУСИ.