Ж у р н а л   о   к о м п ь ю т е р н ы х   с е т я х   и   т е л е к о м м у н и к а ц и о н н ы х   т е х н о л о г и я х
СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ on-line
  ПОИСК: ПОДПИСКА НА НОВОСТИ: НОМЕР:
    ДОМОЙ • Архив: Новостей | Конференций | НомеровПодписка
 
   
 
   
    
РЕДАКЦИЯ
 
Все о журнале
Подписка
Как проехать
Где купить
Отдел рекламы
График выхода журнала
Адреса в Интернет

РУБРИКАТОР
   
• Инфраструктура
• Информационные
   системы

• Сети связи
• Защита данных
• Кабельные системы
• Бизнес
• Колонка редактора
• Электронная
   коммерция

• Только на сервере
• Системы
   учрежденческой
   связи

• Новые продукты


Rambler's Top100

  

Межкабельные наводки

Джон Грин, А. А. Воловодов

Cтруктурированные кабельные системы (СКС) являются основой локальных сетей офисов и телекоммуникационной инфраструктуры зданий. Затраты на их монтаж относят к капитальным, поскольку срок службы СКС составляет не менее 10 лет. Загрузка локальных сетей возрастает на порядок каждые пять лет , что обуславливается внедрением новых протоколов и ростом числа пользователей. Чтобы не заменять СКС уже в первой четверти ее гарантийного срока, необходимо проектировать и создавать ее с учетом требований будущих приложений. При этом приходится решать новые проблемы, в частности такие, как межкабельные наводки.

Объединенные в жгут неэкранированные кабели могут создавать недопустимый уровень помех, препятствующий работе гигабитовых приложений. Это один из ключевых вопросов, обсуждаемых в настоящее время в комитетах по стандартизации. Для уменьшения взаимного влияния кабелей может потребоваться ужесточение требований стандартов на СКС, изменение правил прокладки кабелей или принятие других мер.

Что такое межкабельные наводки?

Межкабельные наводки можно определить как нежелательные электромагнитные сигналы в жгутах кабелей. Измеряются они отношением уровня сигнала, подаваемого на активную витую пару (пары) одного кабеля, к уровню сигнала, наведенного в контрольной паре другого кабеля.

Наводки наибольшего уровня возникают между витыми парами, имеющими одинаковый шаг скрутки. Они маркированы одним цветом, потому можно говорить, например, о наводках между синими или коричневыми парами.

Если в жгуте более двух кабелей, появляется эффект суммарных межкабельных наводок. Кроме равношаговых, и остальные пары оказывают негативное воздействие друг на друга. Как и в случае с помехами между парами внутри кабеля, межкабельные наводки могут быть двунаправленными (Alien NEXT) и однонаправленными (Alien FEXT). Влияние последних на работу приложений для СКС еще не изучено и потому не рассматривается в данной статье. По этому поводу можно лишь сказать об особенностях наводок, появляющихся в результате емкостной и индуктивной связи между витыми парами. Емкостная и индуктивная составляющие наводок действуют в фазе (складываются) на удаленном от передатчика конце кабеля и в противофазе (вычитаются) на стороне передатчика. У пар с разным шагом скрутки преобладает емкостная составляющая наводок, а у однотипных пар обе составляющие сопоставимы. Уровень наводок на удаленном конце кабеля оказывается больше, чем на ближнем. Другими словами межкабельные однонаправленные наводки могут преподнести еще больше неприятных сюрпризов, чем двунаправленные.

В чем опасность межкабельных наводок

Вносимые соседними кабелями дополнительные помехи превышают уровень наводок между парами внутри кабеля, что снижает отношение сигнал/шум канала. В результате уменьшаются динамический и частотный диапазоны среды передачи, что может влиять на работу приложений.

Специалисты Американского национального института стандартизации и Ассоциации телекоммуникационной и электронной промышленности предлагают пересмотреть предельные значения затухания сигнала и наводок для канала категории 6, чтобы гарантировать определенную в проекте стандарта на СКС этой категории полосу пропускания канала 200 МГц. Эти изменения должны обеспечить требуемое отношение сигнал/шум в верхнем диапазоне частот при любых условиях прокладки кабелей.

Важно учесть, что после монтажа системы эффект межкабельных наводок невозможно обнаружить с помощью стандартных методик и средств измерений. Следовательно, для уменьшения их уровня придется ужесточать требования стандартов или принимать другие меры.

Почему проблема не возникала ранее

Расширение частотного диапазона и усложнение схем передачи сигналов требуют учета тех источников наводок, которые прежде не принимались во внимание. На частотах до 20 МГц, на которых работают приложения класса С, например протокол Ethernet, сигнал затухает незначительно. Малы и наводки. Отношение сигнал/шум многократно превышает требования этих приложений.

С увеличением частоты сигнала уровни затухания и наводок в кабеле возрастают. В каналах категории 5 максимальной длины их отношение оказывается недостаточным для работы приложений класса D (протоколы Fast Ethernet, ATM 155). При этом основным источником помех являются кабельные разъемы. Дело в том, что расплетенные витые пары в гнездовых разъемах создают сильный электромагнитный шум. Уровень наводок в разъеме в несколько раз выше, чем в кабеле длиной 100 м.

Для неэкранированных витых пар уровень межкабельных наводок сопоставим с уровнем наводок от расплетенных пар. Однако проблем в работе приложений класса D, которые используют всю полосу частот канала категории 5, не возникает благодаря схеме передачи сигналов в них. Так, в канале 100Base-TX одна витая пара работает на передачу, другая на прием (рис. 1). Все пары разных кабелей, передающие сигналы в одном направлении, маркированы одним цветом.

Особенность внутрикабельных двунаправленных наводок (Near End Crosstalk — NEXT) заключается в том, что их уровень практически не зависит от длины кабеля, хотя возникают они на всем его протяжении. Это объясняется затуханием сигнала. Для канала категории 5 максимальной длины максимально допустимое значение затухания на частоте 100 МГц составляет 24 дБ. Другими словами, мощность сигнала на дальнем конце канала падает в 250 раз. Соответственно снижается и уровень наводимых там сигналов, которые также затухают прежде, чем попадают в приемник.

Таким образом, внутрикабельные двунаправленные наводки имеют максимальное значение на концах канала и существуют только между разнотипными парами. Разный шаг скрутки этих пар снижает уровень взаимных наводок. Что касается межкабельных двунаправленных наводок в жгуте, то они тоже возникают только между разнотипными парами. Их уровень ниже уровня внутрикабельных двунаправленных наводок. Следует отметить, что между однотипными парами в жгуте даже при двухпарных схемах передачи возникают однонаправленные наводки, воздействие которых на работу приложений класса D никогда не изучалось.

Межкабельные двунаправленные наводки приходится учитывать при работе гигабитовых приложений. Тому есть несколько причин.

Во-первых, поскольку в канале Gigabit Ethernet 1000Base-T данные передаются по всем четырем парам в обоих направлениях одновременно, межкабельные двунаправленные наводки возникают между парами с одинаковым шагом скрутки. (Передатчики и приемники теперь находятся на каждом из концов каждой витой пары.)

Во-вторых, межкабельные наводки оказываются преобладающими по своему уровню. Расширение частотного диапазона до 200 МГц потребовало улучшения конструкции разъемов.

В результате наводки в разъемах стали меньше, а на первый план вышли наводки между однотипными парами разных кабелей.

В-третьих, с помощью цифровой обработки сигналов можно подавить двунаправленные наводки между парами внутри кабеля, но межкабельные наводки таким образом скомпенсировать нельзя. Цифровая обработка позволяет достичь эффекта, эквивалентного увеличению отношения сигнал/шум на 6 дБ.

В-четвертых, по сравнению с кабелями категории 5 кабели категории 6, используемые для обеспечения работы перспективных приложений, более уязвимы с точки зрения межкабельных наводок. Дело в том, что при их производстве точнее выдерживается шаг скрутки — следовательно, однотипные пары смежных кабелей оказывают более сильное влияние друг на друга.

Длины жгута и канала

Для учета межкабельных наводок следует различать понятия “жгут” и “канал”. Жгут представляет собой параллельно проложенные кабели, фиксированные стяжками. Как правило, длина жгута не превышает 90 м. Это максимальная длина базовой линии.

Канал — это среда передачи сигналов между двумя активными сетевыми устройствами. Он состоит из базовой линии, абонентского, коммутационного и сетевого кабелей. В некоторых случаях сетевые и коммутационные кабели объединяются в жгуты для удобства администрирования. Длина канала для поддержки приложения, класс которого соответствует категории СКС, не должна превышать 100 м.

Источниками межкабельных двунаправленных наводок в жгуте служат точки, где однотипные пары максимально приближены друг к другу. Со стороны абонентской розетки эти наводки могут и не возникать, если одно из ее гнезд используется для подключения компьютера, а другое — для подсоединения телефона. На другом же конце линии — на коммутационной панели — они неизбежны.

Межкабельные двунаправленные наводки повышают требования к качеству монтажа. Чрезмерная затяжка жгутов приводит к изменению геометрии витых пар и дополнительному приближению их друг к другу. А это ухудшает балансировку пар и увеличивает уровень всех видов электромагнитных помех. Хотя уровни межкабельных и внутрикабельных двунаправленных наводок практически не зависят от длины кабеля, при увеличении длины канала затухание возрастает, что негативно сказывается на отношении сигнал/шум.

Напротив же, уровни межкабельных и внутрикабельных однонаправленных наводок обуславливаются как длиной жгута, так и длиной канала. Стандарт по прокладке кабельных каналов EIA/TIA-569 рекомендует, чтобы жгуты составляли практически всю длину линии — от коммутационной панели до розетки. В случае если жгуты будут подведены к многопортовым розеткам, информационные приложения подвергнутся межкабельным наводкам на всей длине линии .

На практике общий уровень межкабельных наводок зависит от числа кабелей в жгуте, его длины и типа прокладки.

Измерения межкабельных наводок

Британская компания ITT Industries Network Systems and Services (ITT NS&S) исследовала межкабельные наводки для неэкранированных и экранированных кабелей. Целью исследования было сравнение уровней внутрикабельных и межкабельных двунаправленных наводок в связке из двух неэкранированных или экранированных кабелей.

Для измерения уровня наводок использовались векторный сетевой анализатор ZVRL фирмы Rohde & Schwarz, волновые адаптеры фирмы Minns, нагрузочные резисторы сопротивлением 100 Ом. Среду передачи составляли два неэкранированных кабеля категории 6 длиной 90 м каждый и два экранированных кабеля категории 6 типа ISC S XE компании ITT NS&S такой же длины. Кабели прокладывались параллельно и фиксировались стяжками с шагом 30 см. Измерительный прибор был подключен так, как показано на рис. 2.

Волновой адаптер (ВА) с диапазоном рабочих частот от 1 до 250 МГц использовался для согласования волнового сопротивления анализатора и кабелей. Незадействованные концы пар были нагружены резисторами с сопротивлением 100 Ом.

Сначала измерялись уровни традиционных двунаправленных наводок между всеми парами внутри одного неэкранированного кабеля (шесть комбинаций NEXT) в полосе частот от 1 до 200 МГц; затем — межкабельные двунаправленные наводки. При этом сетевой анализатор подавал сигнал на синюю пару одного кабеля и измерял уровень наведенного сигнала на ближнем конце в синей паре другого кабеля в том же диапазоне частот. Аналогичные измерения проводились для всех других однотипных пар. Все измерения повторялись для экранированных кабелей категории 6.

Измеренные межкабельные двунаправленные наводки в базовой линии (кабель длиной 90 м) сравнивались с максимально допустимыми значениями двунаправленных наводок, определенными стандартами для канала. И делалось это не случайно. Ведь соединительные (абонентские, коммутационные, сетевые) кабели объединяют в жгуты настолько редко, что учитывать наводки между ними нет необходимости. Кроме того, важно знать, не превышают ли межкабельные наводки в линии предельных значений, установленных для всего канала.

На рис. 3 показано, что межкабельные наводки в неэкранированных кабелях создают существенно больший шум, чем внутрикабельные. И они настолько значительны, что превышают предельный уровень для канала категории 6. Это объясняется тем, что пары с одинаковым шагом скрутки оказываются более уязвимыми для появления наводок, чем пары с разным шагом.

Следует отметить, что на низких частотах эффект межкабельных двунаправленных наводок возрастает, так как отношения отклонений в длине шага однотипных пар к длине волны оказываются меньше.

На рис. 4 показаны уровни внутрикабельных и межкабельных двунаправленных наводок для экранированных кабелей ISCS XE. В этом случае межкабельные наводки на один—три порядка меньше внутрикабельных и на два—четыре порядка меньше предельных значений последних для канала категории 6. Следовательно, в случае применения экранированных кабелей межкабельные наводки могут не приниматься во внимание. Поэтому анализ, приводимый ниже, относится только к неэкранированным системам.

Сравнение и анализ

На рис. 5 представлены результаты измерений межкабельных двунаправленных наводок для неэкранированных и экранированных кабелей. Чтобы проанализировать влияние межкабельных наводок на работу протокола Gigabit Ethernet, приведены максимально допустимые уровни внутрикабельных двунаправленных наводок для канала категории 5е. Здесь стоит отметить, что уровень межкабельных двунаправленных наводок для СКС категорий 5e и 6 примерно одинаков.

На рисунке также показаны уровень затухания для канала категории 5е и 16-дБ динамический диапазон, необходимый для работы протокола Gigabit Ethernet. Этот диапазон отражает требования, предъявляемые протоколом к отношению сигнал/шум в канале без учета компенсации наводок цифровой обработкой сигналов. Полоса частот, в которой работает Gigabit Ethernet, составляет 125 МГц. Это определяется используемым в данном протоколе пятиуровневым кодом PAM 5 с двухбитовым кодированием.

Следует отметить, что уровни наводок измерялись между однотипными парами двух смежных кабелей. В жгуте же может быть до 12 и более кабелей. Поэтому для анализа условий работы протокола Gigabit Ethernet использовались значения суммарных межкабельных двунаправленных наводок для нескольких кабелей, определенные расчетным путем на основании результатов измерений. Увеличение числа кабелей в жгуте усложняет картину наводок.

Из рис. 5 видно, что на частотах менее 30 МГц проблемы межкабельных двунаправленных наводок не существует. Несмотря на то что значения суммарных межкабельных наводок больше предельных значений двунаправленных наводок в канале категории 5е, превышение мощности сигнала над уровнем шума является более чем достаточным для работы протокола Gigabit Ethernet — около 30 дБ, или 103 раз.

На частотах выше 30 МГц суммарные межкабельные двунаправленные наводки в неэкранированных кабелях не превышают предельных значений обычных двунаправленных наводок в канале категории 5е. Тем не менее они могут повлиять на работу гигабитовых приложений, поскольку их невозможно компенсировать процессорной обработкой.

В верхней части диапазона рабочих частот протокола Gigabit Ethernet сигнал приходится в буквальном смысле слова извлекать из шумов. На сумматор, обозначенный знаком “+” (рис. 1), цифровые сигналы двунаправленных наводок от всех смежных пар подаются в противофазе и подавляются. Таким образом, сигналы на входе в приемник частично очищаются от помех.

Однако возвратные потери, однонаправленные и межкабельные наводки таким образом уменьшить невозможно. Поэтому уровень межкабельных наводок должен быть по крайней мере на 6 дБ меньше, чем внутрикабельных. Как показано на рис. 5, разница этих уровней в диапазоне частот от 70 до 125 МГц не превышает 4 дБ. В результате возможно увеличение коэффициента битовых ошибок (BER) и появление других проблем в работе протокола Gigabit Ethernet в СКС категории 5е на каналах максимальной длины.

Проект стандарта на СКС категории 6 определяет ширину полосы частот канала категории 6 в 200 МГц. На рис. 6 показано, что суммарные межкабельные двунаправленные наводки уменьшают ее до 160 МГц. Если принять во внимание невозможность компенсации межкабельных двунаправленных наводок с помощью цифровой обработки сигналов, то полоса частот сужается до 120—130 МГц.

Проблема сужения полосы частот канала категории 6, вызываемого межкабельными наводками, изучается Международной организацией стандартизации (ISO). Чтобы оценить степень влияния наводок на работу сетевых протоколов, потребуется разработать надежные и точные методики их измерений. Если окажется, что уровень межкабельных наводок превысит предельный, потребуется принятие специальных мер. Среди них — улучшение параметров кабелей или изменение правил прокладки.

Межкабельные двунаправленные и однонаправленные наводки можно свести к минимуму тремя методами:

· улучшением параметров неэкранированного кабеля категории 6. Для этого придется ужесточить требования соответствующего стандарта;
· изменением параметров монтажа. Это приведет к ограничениям в использовании кабельных связок и запрету полного заполнения коробов;
· применением экранированных кабелей.

Минимизация межкабельных наводок требует учета многих факторов. Невозможность измерения уровня этих наводок во время или после монтажа СКС ставит под сомнение эффективность решения проблемы только соблюдением рекомендаций по монтажу.

Кроме того, для уже установленных систем категорий 5е и 6 указанные выше методы неприменимы. А это может привести к возникновению проблем с работой не только будущих приложений класса E, но и существующего протокола Gigabit Ethernet. Следует также учесть тот факт, что допустимое затухание в каналах категории 5е на несколько децибелов выше, чем в каналах категории 6. Это сужает полосу частот сетевого канала еще на 15—20 МГц.

До того же времени, когда решение проблемы наводок между неэкранированными кабелями будет найдено, лучше всего использовать экранированные системы.

Рекомендации по прокладке кабелей

Чтобы уменьшить наводки между неэкранированными кабелями, последние следует располагать свободно и не параллельно. Заполнение коробов не должно превышать 40%.

Распространенная в настоящее время практика фиксации кабелей стяжками должна быть по возможности отменена. (Для вертикальных каналов это будет сделать сложнее, поскольку фиксация в данном случае предотвращает чрезмерные продольные нагрузки, приводящие к растягиванию кабелей и ухудшению их параметров.)

Если эти меры окажутся неэффективными, остается уменьшить длину каналов, что позволит достичь заданного отношения сигнал/шум путем уменьшения затухания.

***

Анализ результатов измерений, проведенных компанией ITT NS&S, показывает, что неэкранированные кабели не являются стабильной платформой для будущих высокоскоростных приложений. Экранированные системы обеспечивают надежную защиту от межкабельных наводок и лучше подходят для поддержки гигабитовых протоколов.

Организации стандартизации будут вынуждены пересмотреть проект стандарта СКС категории 6 или изменить рекомендации по прокладке неэкранированных кабелей.

Принимая во внимание серьезность затронутой проблемы, следует оценить реальную верхнюю граничную частоту современных неэкранированных систем.

Об авторах:

Джон Грин, менеджер по продукции
компании ITT NS&S,
www.ittnss.com

Воловодов Александр Алексеевич,
директор EcoLAN,
www.ecolan.ru
E-mail: vaa@ecolan.ru





  
3 '2000
СОДЕРЖАНИЕ

колонка редактора

• Европа за мобильный Интернет

локальные сети

• Всегда ли удобны децибелы?

• Процессоры для ПК-серверов

• Выбираем коммутаторы Fast Ethernet 10/100 Мбит/с

• Межкабельные наводки

• Коммутационные блоки соответствуют новым требованиям

• Влияние соединительных шнуров на производительность сети

услуги сетей связи

• IP-телефония. Как обеспечить качественную передачу речи. Часть 1

• Весь Интернет - в телефонной трубке

• Портативные тестеры Е1

• IP-телефония: зри в корень

новые продукты

• Новинки от Telrad, Lucent разработала 10-Гбит/с многомодовую систему, Новые серверы AXIS, Новые серии источников бесперебойного питания от Liebert, Extreme Networks берет новую высоту

корпоративные сети

• Передача сообщений в следующем тысячелетии

• Множественный доступ в Интернет по протоколу BGP4

• Карманные компьютеры на предприятии

бизнес

• Как жить в эпоху Интернет

• Решения Lucent: надежность, скорость, открытость

• RiT Technologies на рубеже столетий

электронная коммерция

• Через все невзгоды, через испытания...

• Электронная торговля и энергетика

• Лучше дома места нет

защита данных

• Кибертеррористы испортили всю обедню

• Управление биометрической аутентификацией


• КАЛЕЙДОСКОП



 Copyright © 1997-2007 ООО "Сети и Системы Связи". Тел. (495) 234-53-21. Факс (495) 974-7110. вверх