Тестирование кабельных систем на основе медной витой пары для сетевого приложения 10-гигабит Ethernet. Миф или реальность. Евгений Запорощенко, главный технический специалист Сертификация структурированных кабельных систем – один из самых важных этапов сдачи кабельной системы офисного здания или территории заказчика в эксплуатацию. Ровно пять лет назад, с принятием очередной редакции международного стандарта ISO/IEC 11801, специалисты-кабельщики, наконец-то, смогли официально констатировать, что работа высокоскоростных гигабитных сетевых приложений, таких, как 1000BASE-T и 1000BASE-TX, специфицированных для работы, соответственно, по категориям СКС 5е и 6, определяется не только параметрами переходного затухания на ближнем и дальнем конце (NEXT, FEXT) и защищенностью от переходных помех (ACR), но также суммарными и эквивалентными параметрами затухания (PSNEXT, PSFEXT, PSACR, ELFEXT,.. и др.). Эти характеристики легли в основу создания новой группы измерительных кабельных анализаторов уровней IIe и III для сертификации СКС категорий 5е и 6 . Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) разрабатывает и периодически обновляет стандарт IEEE 802.3, определяющий параметры LAN-сетей на основе приложений Ethernet. Проект 2.1 Рабочей Группы IEEE 802.3an стандартизации на 10-гигабитный сетевой протокол Ethernet для передачи по медной витой паре (10GBASE-T) еще находится в стадии обсуждения, а специалистам по СКС уже удалось определить многие существующие проблемы и уточнить новые требования в этой области. Ожидается, что Рабочая Группа по 10-гигабитным сетевым приложениям Ethernet завершит разработку стандарта IEEE 802.3an до конца 2007 г. Для создания спецификаций на активное сетевое оборудование институт IEEE использует методы экспертной оценки, а для разработки требований к кабельным каналам СКС привлекает организации по стандартизации кабельных систем – Ассоциацию телекоммуникационной промышленности (TIA) и Международную организацию по стандартизации (ISO). Параметры СКС, определяющие тестирование и сертификацию кабельных систем для приложений 10GBASE-T в полевых условиях Характеристики каналов СКС нельзя оценивать в отрыве от других мешающих факторов, существующих в кабельной системе. Так, характеристики передатчика, системы линейного кодирования сигнала, параметры приемника и передаточная характеристика канала должны быть рассмотрены в комплексе, в виде единой системы параметров. В процессе работы 10-гигабитного Ethernet сетевого приложения по СКС новых стандартизируемых категорий кабельных систем 6А (с граничной частотой полосы пропускания до 500 МГц) и категории 7А (с граничной частотой полосы пропускания до 1000 МГц) выяснилось, что огромное влияние на передачу данных по каналам СКС оказывают внешние межкабельные наводки Alien Crosstalk (AXTalk). Параметры внешних межкабельных наводок (Alien Crosstalk) в большинстве случаев определяют возможность или невозможность передачи сигналов 10-гигабитного Ethernet сетевого протокола (10GBASE-T) в канале СКС на основе медной витой пары. Поэтому разъяснение сущности данного явления представляет несомненный интерес, как с точки зрения самой СКС, так и с точки зрения определения методики его тестирования. В полевое тестирование канала инсталлированной кабельной системы на основе медной витой пары для работы сетевого приложения 10GBASE-T входит измерение всех параметров, определенных в действующем стандарте ISO/IEC 11801, TIA/EIA-568-B, CENELEC 50173 для кабельных систем категории 6. К тестируемым параметрам относятся: вносимые потери (Insertion Loss), возвратные потери (Return Loss), переходое затухание на ближнем конце для модели «пара-пара» (Pair-to-pair NEXT), суммарное переходное затухание на ближнем конце (Power Sum NEXT), эквивалентное переходное затухание для модели «пара-пара» на дальнем конце (ELFEXT), суммарное эквивалентное переходное затухание на дальнем конце (Power Sum ELFEXT), задержка распространения сигнала (Propagation Delay), длина (Length) и неравномерность задержки распространения сигнала (Delay Skew). Диапазон тестирования для сетевого протокола 10GBASE-T совпадает с пределом тестирования для кабельных систем категории 6 в диапазоне частот до 250 МГц, но полный диапазон тестирования для приложений 10-гигабитного Ethernet шире в два раза, поскольку все параметры тестирования специфицированы до частоты новой категории СКС 6А - 500 МГц. Без этого просто нереально обеспечить такие высокие скорости передачи в канале СКС, как 10 Гбит/с. Дополнительно, к общему списку тестируемых параметров для сетевого приложения 10-гигабит Ethernet необходимо добавить еще и внешние межкабельные наводки Alien Crosstalk. Межкабельные наводки и их влияние на передачу данных в каналах 10-гигабитных сетевых приложений Работа сетевого приложения 10GBASE-T в канале СКС категории 6А использует суммарную полосу пропускания до 500 МГц с передачей сигнала по 4-м кабельным парам на скорости до 2500 Mбит/с каждая. Это значительно выше, чем уже знакомая многим кабельщикам полоса частот до 100 МГц, рекомендуемая производителями СКС для работы 1-гигабитных сетей Ethernet по протоколу 1000BASE-T. Поэтому, при работе на высоких частотах следует учитывать дополнительные пераметры кабельного влияния, которые раньше не сказывались на работе. Группа параметров, учитываемых при работе 10-гигабитных сетевых приложений получила название Alien Crosstalk - внешние межкабельные наводки. Стандартные переходные помехи характеризуют мешающий сигнал, наведенный с одной кабельной пары на другую в одном и том же кабеле (рис.1). Данные помехи нежелательны, поскольку они являются источниками мешающих посторонних шумов, препятствующих передаче данных по кабелю. Эффект их влияния можно сравнить с внятным или невнятным переходным разговором, возникающим в многопарных кабелях при работе с сигналами аналоговой телефонии. Приемник сигнала оказывается не в состоянии различить сигнал на фоне переходных помех, генерируемых другими кабельными парами. Для передачи по каналам СКС параметры влияния становятся очень критичными. Величина переходных помех возрастает с ростом частоты передаваемого сигнала. При этом высокочастотные сигналы подвергаются большему затуханию, чем низкочастотные, следовательно, по мере распространения в медной среде передачи электрического симметричного кабеля, исходный сигнал ослабевает все больше и больше.
Рис.1.влияние на кабельную пару наведенных помех с соседних пар Комбинация указанных факторов и является причиной того, что на определенной частоте шум, создаваемый переходной помехой становится сравним по мощности с исходным сигналом передатчика. Обычно это происходит на частотах около 120 МГц в каналах СКС категории 5е (при максимальных длинах канала 100 м) и на частотах около 240 МГц для тех же длин, но в СКС категории 6. Для более надежной и подлинной передачи данных во всем спектре частот необходимо использовать в активном сетевом оборудовании схемы цифровой обработки сигналов (DSP), которые выполняют компенсацию большинства переходных помех. Помимо описанного выше параметра NEXT, в каналах с сетевыми протоколами 1000BASE-T и 10GBASE-T необходимо учитывать еще и переходные помехи на дальнем конце (FEXT). Внешние межкабельные наводки Alien Crosstalk представляют серьезную проблему в системах на основе неэкранированной витой пары (UTP); это основной источник помех для 10-гигабитных приложений в неэкранированных кабельных системах UTP. На рис. 2 показано, как в кабельной паре возникают внешние межкабельные наводки Alien Crosstalk, наведенные со стороны пар соседних кабелей.
Рис.2. внешние межкабельные наводки Alien Crosstalk. Влияние на кабельную пару наведенных помех с соседних пар других кабелей Внешние межкабельные наводки Alien Crosstalk измеряются аналогично обычным параметрам NEXT и FEXT, с той лишь разницей, что измеряемые пары принадлежат разным кабелям. Поскольку на тестируемую пару (обычно ее называют «парой-жертвой») воздействуют наводки со стороны всех кабелей в пучке, параметры суммарных внешних наводок PSANEXT и PSAFEXT необходимо определять по совокупности сочетаний пар, принадлежащих всем кабелям в пучке. Измерение внешних межкабельных наводок В большинстве случаев с экономической точки зрения нецелесообразно, а то и просто невозможно провести измерение внешних межкабельных наводок по всем сочетаниям пар. По данным компании Fluke Networks, число измерений всех комбинаций наводок в кабельном пучке будет отражаться экспоненциальной зависимостью. Формула подсчета числа требуемых измерений: N*(N-1)/2 для A-NEXT на каждом конце линии + N*(N-1) для измерений A-FEXT на одном конце линии, где N-количество тестируемых звеньев ПД. В расчет принимаются следующие данные:10 сек./тест + 5 сек. для запуска теста. Для измерения всех комбинаций наводок, например, для 500 звеньев ПД, понадобится 11.088 тестов, т.е. около 46 часов непрерывных измерений. Нижеуказанные примеры свидетельствуют об огромном количестве тестов, которое необходимо для выполнения полевых измерений внешних наводок. Пример 1: измерение 10-ти звеньев ПД: понадобится 45+45 + 90 тестов = 180 тестов. Fluke Networks уже разработала экспериментальные модели приборов и методики измерения на базе кабельного анализатора уровня IIIе DTX-1800 CableAnalyzer™; они позволяют проводить измерения внешних перекрестных наводок в нужной полосе частот. Эти методики тестирования уже апробированы и используются многими производителями кабельных систем при проведении измерений параметров Alien Crosstalk как в лабораторных, так и в полевых условиях. Модули Alien Crosstalk, по заявлениям Fluke Networks, будут предлагаться вместе с кабельным анализатором Fluke DTX-1800, когда исследования данной проблемы будут полностью завершены и специфицированы стандартами. Не остается в стороне от данной проблемы и компания IDEAL Industries. Самый современный представитель поколения популярной серии сертификационных тестеров IDEAL – тестер уровня IIIе LANTEK® 6A, по утверждению фирмы-производителя, признан первым в мире кабельным сертификационным измерительным прибором, совместимым со спецификациями проекта стандарта TIA/EIA-568-B.2-10 / ISO/IEC 11801:2002 2nd Ed., предполагаемого к ратификации в 2007 г, способным выполнять сертификацию кабельной проводки вплоть до категории 6А с граничной частотой полосы пропускания до 500 МГц. Интересно отметить, что IDEAL выполняет апгрэйд существующих тестеров LANTEK® 6 до версии LANTEK® 6A, таким образом, у пользователей тестеров LANTEK® 6 появится еще одна возможность «продления жизни» существующего рабочего измерительного оборудования. Стратегия тестирования параметров внешних межкабельных наводок Получить интегральные параметры Power Sum для каждой пары в кабельном пучке довольно сложная задача. Это потребует много времени и ресурсов. При проведении измерений для каждого дополнительного кабеля в пучке к расчетам суммарных параметров Power Sum надо будет добавить 16 новых сочетаний пар. Если кабели по всей длине сохраняют свое взаимное расположение, то получается конфигурация, в которой один кабель окружен шестью другими (рис.2). Это считается наихудшим возможным случаем при измерении внешних межкабельных наводок Alien Crosstalk. В реальной практике вероятность того, что все семь кабелей сохраняют такое взаимное расположение по всей своей длине крайне невелика. Кабель, расположенный в центре и окруженный шестью другими, является жертвой наводок с их стороны. Для расчета суммарного параметра Power Sum Alien NEXT для четырех пар кабеля, находящегося в самом центре, придется выполнить измерение наводок Alien NEXT по модели «пара-пара» для 96 сочетаний пар (то есть 6 раз по 16). Общая продолжительность тестирования составит около 180 секунд. Дополнительно, надо добавить некоторое время на подготовку к тесту, т.е на подключение/отключение тестовых шнуров и на загрузку результатов измерений в персональный компьютер. Все это относится к случаю тестирования только одного кабеля из пучка, да и сам пучок кабелей был небольшой. Как правило, большинство кабельных пучков в СКС насчитывают значительно больше кабелей. С одной стороны, стандарты утверждают, что внешние межкабельные наводки Alien Crosstalk очень критичны для реализации приложений 10GBASE-T в системах на основе витой пары. Следовательно, для проверки пригодности кабельной системы для высокоскоростных сетевых приложений необходимо проводить полевое тестирование характеристик передачи. С другой стороны, продолжительность тестирования при этом должна вписываться в разумные пределы. Одним из решений данной проблемы может быть выборочное тестирование внешних перекрестных наводок. Обычно проводят такие измерения там, где это вызывает наибольшие сомнения. Общая стратегия включает в себя следующие положения: Рекомендации и выводы При использовании кабеля СКС категории 6A особое внимание следует уделить проектированию кабельной системы, чтобы минимизировать внешние межкабельные наводки. Рекомендации, позволяющие уменьшить внешние наводки Alien Crosstalk, сводятся, в основном, к точному соблюдению правил укладки кабеля в пучки, рекомендованному вендором СКС и организации правильного распределения кабельных потоков к местам их заделки. Также необходимо помнить, что требования к параметрам систем СКС с возможным использованием приложения 10GBASE-T указаны в расширенном диапазоне частот полосы пропускания (до 500 МГц). Необходимо строгое соблюдение технологии монтажа СКС, в противном случае, качество системы неминуемо пострадает. Все вышесказанное было справедливо отмечено для ситуации, когда за суммарные внешние наводки Power Sum Alien Crosstalk (PSAXT) ответственны кабели, расположенные в одном и том же пучке. Следовательно, наводки PSAXT будут минимальны там, где меньше кабелей собрано в пучок. Поэтому стратегия тестирования становится только эффективнее, если монтировать в пучке небольшое количество кабелей. Оптимальное количество кабелей в пучке, особенно в кабельных системах категории 6 – примерно 1 . Рекомендуется не собирать в пучок больше 4 кабелей. Более того, топология системы позволит определить, какие кабели расположены в одних и тех же пучках. Полезно также составить и использовать систему обозначений кабелей, в которой указывался бы не только сам кабель, но и пучок, в котором он расположен. 10-гигабитная технология Ethernet предъявляет к кабельным системам на основе витой пары повышенные требования. Необходимо будет не только обеспечить высокое качество систем СКС обычной категории 6, но и провести дополнительные измерения, которые гарантировали бы, что внешние межкабельные наводки Alien Crosstalk находятся в допустимых пределах. Возможен и другой вариант: устанавливать системы не обычной, а дополненной категории 6 - Cat 6 A (Augmented). В любом случае, качество инсталляции системы будет играть существенную роль при передаче данных по мультигигабитному сетевому протоколу 10GBASE-T. Полевая сертификация обычных параметров тестирования и внешних межкабельных наводок Alien Crosstalk – это единственный способ гарантировать пользователям, что система действительно будет поддерживать сетевые 10-гигабитные Ethernet приложения. |
