• Новости
• Блоги
• Аналитика
• Новости компаний
• В СНГ и в мире
• Анонсы

Снижение затухания горизонтальных кабелей: насколько возможно и когда уместно

Необходимость непрерывного повышения объема и скорости передачи информации заставляет совершенствовать качественные показатели кабельных трактов. Однако возможности снижения затухания горизонтальных кабелей уже практически исчерпаны и сохраняются только для ЦОДов с их небольшой протяженностью линий.

Естественное стремление обеспечить нормальное быстродействие информационно-телекоммуникационной системы (ИТС) стимулирует внедрение каналов связи с постоянно увеличивающейся пропускной способностью.

Тенденция к переходу на все более быстродействующую технику высоких категорий четко прослеживается на всех уровнях информационной кабельной системы. Не стала исключением ее горизонтальная подсистема, которая в подавляющем большинстве случаев реализуется на электропроводной симметричной элементной базе. Стандартные симметричные кабельные тракты СКС отличаются высокой шенноновской пропускной способностью в сочетании с относительно небольшой шириной полосы пропускания. Необходимость максимально полно использовать потенциальные возможности этой направляющей системы вынуждает разработчика сетевых интерфейсов задействовать сложные многопозиционные линейные сигналы, требовательные к качественным показателям канала связи. Малейшее невыполнение норм по этим параметрам приводит к резкому снижению пропускной способности и, соответственно, падению потребительской ценности ИТС в целом, что недопустимо.

Особенности обеспечения качества сигнала в симметричных кабельных СКС

Техника локально-вычислительных сетей (ЛВС) предполагает, что при переходе на аппаратуру следующей по быстродействию ступени темп передачи в подавляющем большинстве случаев увеличивается на порядок. Это является необходимым условием обеспечения значимой экономической выгоды от внедрения более совершенной техники.

Одним из ключевых факторов, определяющих качество передачи информации в любой системе электросвязи, становится отношение сигнала к шуму на входе ее приемника при достаточной ширине полосы пропускания. Превалирующим типом помехи в электропроводных симметричных трактах СКС являются переходные шумы. Мешающие воздействия прочих разновидностей, также в определенных пределах влияющие на качество передачи с точностью, достаточной для выполнения инженерных расчетов, считаются второстепенными. Этому в немалой степени способствует высокая эффективность их подавления самим сетевым интерфейсом при соответствующей обработке смеси сигнала с шумом на приеме и коррекции на передающем конце.

В качестве численной меры величины отношения сигнала к шуму в СКС привлекается параметр ACR – показатель защищенности от переходной помехи. Для учета особенностей схемы передачи и обработки линейного сигнала, используемых в современных высокоскоростных интерфейсах, его дополнительно указывают для обычного, суммарного и межэлементного влияния, а также для ближнего и дальнего концов тракта.

Несложно показать, что защищенность не зависит от уровня выходного сигнала передатчика и численно равна разности между величинами соответствующего переходного и рабочего затухания, т.е. определяется исключительно самим кабельным трактом. Например, используемая еще в первых редакциях стандартов междупарная защищенность на ближнем конце находится как

ACR = NEXT – IL, дБ,

где NEXT – переходное затухание на ближнем конце, IL – рабочее затухание.

Другие разновидности защищенности получаются простой заменой NEXT на величину соответствующего переходного затухания.

Предельная пропускная способность симметричного тракта определяется известным соотношением Шеннона и для современной мультигигабитной техники используется с высокой степенью полноты (примерно на 60% в 10-гигабитных системах). Поэтому при переходе на следующее по быстродействию поколение сетевой аппаратуры величина ACR должна быть увеличена примерно на 10 дБ во всей рабочей полосе частот. Это необходимо для обеспечения вероятности битовой ошибки не свыше 10-12, фиксируемой спецификациями IEEE.

Из приведенного соотношения следует, что наращивать ACR можно двумя на первый взгляд равнозначными способами: уменьшением IL и наращиванием NEXT.

Методы уменьшения рабочего затухания

Для уменьшения величины рабочего затухания разработчик кабеля может использовать несколько основных приемов:

• увеличить диаметр провода витой пары;
• использовать для изготовления проводников материалы с меньшим удельным сопротивлением;
• применить более качественную изоляцию с уменьшенными диэлектрическими потерями;
• улучшить степень согласования волновых сопротивлений тех отдельных компонентов, последовательное сопротивление которых образует кабельный тракт СКС;
• увеличить номинальное значение волнового сопротивления свыше 100 Ом.

Увеличение диаметра токопроводящей проволоки витой пары свыше 0,64 мм нецелесообразно из-за опасности возникновения несовместимости с IDC-контактами кабельной части разъемов существующего коммутационного оборудования.

Электротехническая медь, применяемая для изготовления проводов витых пар, практически идеальный материал, уступающий по своим характеристикам только серебру, переход на которое невозможен по экономическим причинам. Кроме того, задействованный в сетевых интерфейсах Ethernet способ передачи в базовой полосе делает технически крайне неэффективным обращение к заметно более экономичным биметаллическим проводам, когда тонкий слой серебра наносится только на поверхность медного провода.

Также в значительной степени исчерпаны резервы улучшения качества изоляции. Современные полимерные материалы, используемые для формирования изолирующих покрытий медных проводников, отличаются предельно малыми потерями. Кроме того, относительная диэлектрическая проницаемость доведена до величины около 1,5. Это достигается в том числе за счет применения пустотелых материалов, получаемых за счет вспенивания или структурирования (рис. 1). Ее дальнейшее существенное снижение проблематично из-за сложностей, связанных с обеспечением механической стабильности самого изоляционного покрытия.

Улучшение степени согласования отдельных компонентов позволяет приблизить рабочее затухание к характеристическому (теоретическому минимуму). Действующие редакции стандартов фиксируют, что для современных компонентов допустимое значение отклонения волнового сопротивления от номинального не превышает ±15% во всем рабочем частотном диапазоне. Следовательно, степень приближения к оптимуму достаточно высока и значимого прогресса в этой области ожидать не приходится.

Увеличение волнового сопротивления как прием, не требующий перехода на иные исходные материалы, позволяет добиться серьезных результатов. Например, применение 120-омных кабелей, которые допускались для использования в СКС стандартами еще в 1995 г., для широко распространенной категории 5е на частоте 100 МГц при 100-метровой протяженности линии дает выигрыш около 5 дБ. Однако при этом из-за потери свойства обратной совместимости резко усложняется эксплуатация кабельной системы. Причина в том, что существенное увеличение уровня отражений в точке с разным волновым сопротивлением не позволяет гарантировать работоспособность гигабитной сетевой аппаратуры и ее более скоростных модификаций при прямом подключении к стационарной линии. Обращение к согласующим элементам в независимости от варианта их исполнения сопряжено с рядом очевидных неудобств эксплуатационного плана и считается крайне нежелательным.

Из изложенного прямо вытекает, что возможности известных методов снижения затухания достаточно ограничены и прорыва в этой области ожидать не приходится. Не случайно спецификации кабельных трактов перспективной категории 8, разрабатываемые в настоящее время, исходят из линейно-логарифмической интерполяции характеристик коэффициентов затухания элементной базы категорий 6а и 7а в ВЧ-части спектра линейного сигнала 40-гигабитных сетевых интерфейсов (рис. 2).

Увеличение переходного затухания

В широкой инженерной практике много способов улучшить характеристики отдельных компонентов и комплексных объектов электропроводной подсистемы СКС по переходным влияниям. Для улучшения внутрикабельного переходного затухания привлекаются следующие:

• уменьшение шага скрутки витых пар вплоть до величин менее 10 мм;
• введение в конструкцию сердечника сепаратора витых пар;
• применение индивидуального для каждой пары экранирования.

Межкабельное переходное затухание для изделий категории 6а и выше наращивается до требуемого значения следующими мерами:

• искусственное увеличение эффективного внешнего диаметра неэкранированных конструкций с целью снижения межкабельных влияний;
• использование оплеточных и пленочных экранов (в последнем случае возможно их незаземленное исполнение).

Из приведенного перечня следует, что те изменения, которые положены в основу коррекции конструкции кабеля, носят исключительно механический характер. За счет этого они не требуют радикальной перестройки кабельного производства и внедрения новых материалов.

Как увеличить ACR?

Разумеется, не существует никаких противопоказаний к улучшению качественных показателей электропроводных линий СКС за счет одновременного снижения рабочего затухания и наращивания переходного затухания. В первую очередь это относится к симметричному кабелю как наиболее «шумящему» компоненту тракта.

Из представленных выше данных следует, что достижение требуемой величины ACR за счет наращивания NEXT заметно эффективнее. Проиллюстрируем это положение на численном примере. При переходе с техники категории 5е на категорию 6 шаг скрутки уменьшается на несколько десятков процентов. В конструкцию кабельного сердечника в подавляющем большинстве случаев дополнительно вводится сепаратор. Комплекс этих достаточно простых по современным меркам мероприятий дает возможность добиться увеличения NEXT на отмеченные выше 10 дБ. Кроме того, наращивание NEXT оказывается одинаковым во всем рабочем частотном диапазоне. Вносимые потери IL уменьшаются за счет увеличения диаметра токопроводящей жилы пары с 0,51 до 0,53 мм. Абсолютная величина снижения согласно требованиям стандартов составляет примерно 2 дБ на частоте 100 МГц, т.е. выигрыш по этому параметру от перехода на более качественную элементную базу оказывается достаточно малым. Более того, по мере уменьшения частоты величина выигрыша падает, что еще более снижает эффективность наращивания пропускной способности кабельного тракта этим путем.

За основу дальнейшего анализа можно принять то, что при современном уровне техники практическая необходимость в наращивании гарантированного минимального значения величины ACR в настоящее время существует только в ЦОДе. Наглядным проявлением этой тенденции стали те существенные ужесточения требований к основным параметрам электропроводных трактов, которые зафиксированы в проекте спецификаций техники перспективной категории 8. Фокусной областью применения данного оборудования рассматриваются именно аппаратные залы ЦОДа.

СКС для ЦОДа имеет ряд особенностей, совокупность которых привела к выделению данной разновидности информационных кабельных систем в самостоятельный класс со своей нормативной базой. Наряду с заметно более высокими частотами передаваемых сигналов подобные кабельные системы отличаются заметно меньшими средними длинами организуемых трактов.

В этих условиях технико-экономическая эффективность СКС может быть заметно увеличена за счет отказа от гарантированного обеспечения классической 100-метровой протяженности тракта. Обращение к такому подходу целесообразно еще и потому, что положительно сказывается на энергетической эффективности объекта в целом.

С технической точки зрения уменьшение максимально допустимой протяженности тракта до 30 м выгодно тем, что сопровождается резким падением величины IL. Например, для кабеля типа UC1500 компании Draka на верхней граничной частоте 1500 МГц выигрыш достигает 45 дБ. В данном случае (даже с учетом уменьшения выигрыша по мере снижения частоты) вклад IL в наращивание ACR и через него – шенноновской пропускной способности становится сопоставимым с тем, который достигается улучшением NEXT.

Кроме того, уменьшение общих потерь ценно еще и тем, что приводит к естественному расширению полосы пропускания (верхняя граничная частота тракта определяется по критерию ACR) и заметно упрощает схемотехнические решения при конструировании приемопередатчика сетевого интерфейса. Наиболее значима возможность сохранить в неизменности разрядность линейного сигнала и применять менее сложный приемник. 

* * *

Для увеличения пропускной способности симметричного тракта до 10 Гбит/с и выше недостаточно использования внутренних резервов существующей элементной базы и требуется обязательное улучшение ее основных параметров.

Совершенствование качественных показателей симметричного электропроводного тракта достигается преимущественно за счет улучшения характеристик горизонтального кабеля по параметрам влияния.

Резервы по минимизации коэффициента затухания горизонтальных кабелей в рамках ограничений, зафиксированных в существующих нормативных документах, и достигнутого уровня техники исчерпаны практически полностью.

Снижение общего затухания симметричного тракта актуально исключительно для ЦОДа и обеспечивается уменьшением его предельно допустимой протяженности до предела, определяемого энергетической эффективностью аппаратного зала в целом.