Межкабельные наводки AXT оказывают существенное влияние в каналах СКС категории 6A

Евгений Запорощенко, главный технический специалист
ООО «Сонет Инвест», к.т.н., доцент

Способность сетевой электроники подавлять внутренние наводки в кабелях СКС, сделала межкабельные наводки единственным и наиболее важным фактором снижения производительности сетевой передачи по протоколу 10GBase-T.

Протокол сетевой передачи 10GBase-T с недавнего времени стал более доступным для операторов центров обработки данных (ЦОД), в качестве эффективного и экономичного средства достижения скорости передачи 10-Гбит/сек, работающего по кабельной системе СКС категории 6A на основе электрического симметричного кабеля (медной витой пары). Категория 6A в СКС была специально разработана с техническими характеристиками работы для совместимых кабельных систем и поддержки 10 Гбит/с передачи. И, хотя прошло уже довольно много времени с тех пор, как был доработан кабельный стандарт на категорию 6А, произошло увеличение инсталляций и развертывания сетевого оборудования, работающего по протоколу 10GBase-T, снова категория 6A стала пристальным центром внимания всей нашей кабельной отрасли.

В этой статье мы обсудим взаимодействие сетевой электроники и кабельных систем, сделав упор на протокол 10GBase-T и категорию 6A СКС. Детально рассмотрим категорию 6A и межкабельные наводки (AXT) с точки зрения производительности сетевого оборудования и объясним, почему они являются наиболее критичными для систем СКС в поддержке протокола передачи 10GBase-T.

Сигнал (голубая кривая) и суммарное отношение сигнал/шум (PSN1; красная кривая) указаны с пределами по стандарту TIA-568-C. Это ограничивает отношение сигнал/шум (SNR), опускающееся ниже нуля после 200 MГц. Протокол 10GBase-T не в состоянии работать на таких уровнях SNR без других дополнительных мер по снижению уровня в канале.

Электрические характеристики

Для того, чтобы лучше понять роль и значение различных электрических характеристик кабельной системы категории 6A, давайте рассмотрим шесть ключевых характеристик подробнее.

Вносимые потери (IL) – характеристика СКС, обусловленная фактором потерь (затуханием) в кабельной системе. Снижение уровня сигнала по мере его прохождения от пункта передачи к точке приема и характеризует вносимые потери. Потери сигнала или мощности (диэлектрические потери) также связаны с вносимыми потерями. Эти потери суммируются с затуханием и отражениями от всех компонентов кабельного канала, определяя, таким образом, суммарные вносимые потери в канале. Потери-затухание в канале можно рассматривать в виде сигнального уровня, поскольку они определяют силу сигнала, который направляется из точки передачи в пункт приема. Фактически, те характеристики, которые мы будем рассматривать далее, используют термин «затухание», означающий вносимые потери.

Подавление помехи PSNEXT на 40 дБ (изображено слева пунктирной стрелкой). Подавление помех PSNEXT дает выигрыш в уменьшении межкабельных наводок (AXT) более 10 дБ. В результате суммарные межкабельные наводки (PSANEXT) будут в пределах нормы.

Несколько других электрических характеристик могут рассматриваться в виде уровней шума, поскольку они характеризуют помехи, которые могут и оказывают влияние на полезный сигнал при его передаче в канале СКС. Пять отдельных параметров, в итоге, определяют общий уровень шума в канале: возвратные потери (RL); суммарные переходные помехи на ближнем конце (PSNEXT); суммарная защищенность от переходных помех на дальнем конце (PSACRF), суммарные межкабельные наводки на ближнем конце (PSANEXT), суммарная защищенность от переходных межкабельных наводок на дальнем конце (PSAACRF).

Как видно, некоторые из этих характеристик используют термин защищенность от переходных помех. Как отмечалось ранее, термин «затухание» часто используется во взаимодействии с вносимыми потерями. Таким образом, вносимые потери можно рассматривать, как количественную оценку уровня сигнала. Отношение сигнал-шум (SNR) канала СКС рассчитывается путем вычитания суммарной составляющей всех источников помех (RL, PSNEXT, PSACRF, PSANEXT, PSAACRF) из общего уровня сигнала (IR). Общая канальная помеха включает в себя указанные составляющие, плюс то, что называется «уровнем помехи», «собственный шум» или "внешний полосовой или внеполосный шум". Этот внешний шум также иногда описывают в виде внешнего фонового шума. Опять же, это способствует увеличению общего уровня шума в канале.

Требования к компонентам, звену передачи данных или каналу категории 6A, указанные в американском стандарте ANSI/TIA-568-C.2, охватывают диапазон частот (или полосу частот) вплоть до граничной частоты 500 МГц. Как таковые, рабочие значения электрических характеристик, описанные здесь, также как и остальные, указаны для частот до значения 500 МГц. Как видно из графиков, кривые производительности для категории 6A по параметрам IL суммарный шум (PSN1) пересекаются между частотами 200 МГц и 250 МГц, менее, чем полпути к верхнему 500 МГц пределу частотного диапазона для категории 6A. Теоретически, в точке пересечения, где шум оказывается сильнее сигнала, обработка и восстановление полезного сигнала оказывается невозможным в точке приема. В этом случае, протокол 10GBase-T не будет работоспособным на частотах выше приблизительно 200 МГц.

Улучшение отношения сигнал/шум (SNR)

Тем не менее, теоретическое утверждение о неработоспособности протокола 10GBase-T, не является реальностью, поскольку существует два основных способа увеличения параметра SNR канала до уровня, который делает успешной передачу протокола. Перечислим эти 2 способа:
1) применение кабельных компонентов с характеристиками, превышающими стандартные и минимизирующих возможное затухание, следствием которого является уменьшение затухания полезного сигнала;
2) применение активных компонентов для исключения шума в канале.

Существует несколько вариантов достижения способа 1-улучшения производительности кабельных компонентов, однако каждый из вариантов имеет несколько последствий. Например, увеличение диаметра кабеля может послужить компромиссом в снижении показателя IL или внутренних межпарных наводок (достижимо при помощи разделения пар в кабеле). Установка кабельного экрана поможет значительно улучшить показатели по межкабельным наводкам (AXT), но подобное улучшение будет достаточно сложной задачей для неэкранированных кабелей, которые давно являются привычными и удобными для промышленности.

Остается только второй способ: применение активных компонентов для устранения шумов в канале СКС. Роль активных компонентов в снижении уровня шума в канале значительно возросла с ростом скорости передачи в сетях Ethernet с 10 Мбит/с (10Base-T) до 10 Гбит/с (10GBase-T) сегодня. Используемый здесь термин "активные компоненты" больше относится к микросхемам цифровых сигнальных процессоров (DSP), встроенным в сетевые трансиверы и, получившим называние PHY. Мы тоже будем использовать термин PHY.

С ростом скорости передачи в сетях, PHY для работы в активном оборудовании для медных решений СКС становятся все более значимыми, так как позволяют уменьшить шумы в канале и, таким образом, уменьшить затухание сигнала, сделав успешным его передачу. Оборудование PHY, работающее по протоколу 10GBase-T, содержит сразу несколько технологий улучшения передачи, в том числе: алгоритмы кодирования, методы компенсации помех, цифровую обработку сигналов (DSP) и снижение радиочастотной интерференции (RFI). Без этих методов снижения и компенсации в оборудовании PHY, уровни шумов для канала на компонентах категории 6А будут чрезмерно высокими.

Сегодня 10GBase-T PHY использует технологии компенсации, которые являются эффективными для снижения RL, NEXT и FEXT до уровня, ниже допустимых помех AXT. Например, для 10GBase-T PHY характерно достижения уровня подавления суммарных межпарных наводок на ближнем конце (PSNEXT) до -40-дБ, при помощи технологии компенсации. Такой результат подавления устанавливает значение PSNEXT канала на 10 дБ ниже уровня межкабельных наводок (AXT). Аналогично, технология эхокомпенсации в состоянии увеличить параметр RL канада до величины 55 дБ или более, и та же самая технология цифровой обработки сигналов (DSP), которая увеличивает PSNEXT, также может улучшить и PSFEXT на 20 дБ и более. При таких низких уровнях отношения сигнал-шум, достижимых при помощи компенсаторов помех PHY, внутренние межпарные наводки становятся незначительными и не оказывают существенного влияния на общий уровень шума в канале. Поэтому, оборудование 10GBase-T PHY и кабельные компоненты категории 6A, по праву "созданы друг для друга". Оборудование подавления помех PHY дает возможность производителям компонентов категории 6A экономически более выгодно поддерживать работу СКС на протоколе 10GBase-T.

В типовом варианте, при использовании PHY в технологии шумоподавления и снижении PSNEXTна 40 дБ, PSFEXT на 20 дБ и RL на 55 дБ, дополнительное улучшение параметра PSNEXT или PSFEXT более чем на 4 дБ не приводит к существенному снижению суммарного шума в канале. Так, вспоминая первый метод улучшения отношения сигнал/шум в канале при помощи повышения производительности кабельных компонентов, после технологии шумоподавления с PHY, вся дальнейшая их модификация, призванная улучшить уровни собственных шумов, не дает практического выигрыша в улучшении характеристик по суммарной мощности шума.

С другой стороны, улучшение производительности канала и, соответствующее снижении межкабельных наводок (AXT), вызванное улучшением производительности кабельных компонентов, не приводит напрямую к снижению общего уровня шума в канале. Но, например, уменьшение AXT на 6 дБ приводит к автоматическому снижению суммарной мощности шума на 6 дБ.

Фокус - межкабельные наводки

Межкабельные наводки занимают центральное место во многих дискуссиях об СКС категории 6А c протоколом 10GBase-T по причине использования беспрецедентной полосы пропускания. Протокол 10GBase-T использует в пять раз большую полосу пропускания, нежели 1000Base-T (500 МГц против 100 МГц). Кроме того, система передачи по протоколу 10GBase-T использует большую часть из выделенной 500 МГц полосы частот в канале, нежели протокол 1000Base-T использует то же самое из выделенной ему 100 МГц полосы частот на канал передачи данных. Следовательно, с позиции передачи, протокол 10GBase-T является значительно более сложным, нежели 1000Base-T.

Практически, использование протокола передачи 10GBase-T по СКС категории 6A вносит потенциальное влияние межкабельных наводок. Типичная кабельная система категории 6A содержит достаточно большое количество кабелей, связанных и находящихся в пучке, которые совместно протягиваются через воздуховоды, лотки, лестницы телекоммуникационные шкафы и стойки. Результатом межкабельных наводок является помеховый сигнал передачи, наводящийся с одного кабеля на другой.

Техническая спецификация на СКС категории 6A, в ANSI/TIA-568-C.2 содержит тестирование межкабельных наводок в варианте «6 вокруг 1» (6 "влияющих» кабелей расположены вокруг 1 подверженного влиянию), с использованием идентичных кабелей СКС. Однако, на практике, кабели различных категорий, например, категории 5e или категории 6 часто устанавливаются рядом с кабелями категории 6A. Влияние кабелей, имеющих разные категории, может быть значительным, если кабель категории 6A имеет недостаточную защищенность к межкабельным наводкам. Кроме того, другие кабели категории 6A, находящиеся в пучке, выпускаемые разными производителями кабельной продукции, могут быть источниками межкабельных наводок, таким образом, что кабель «жертва» не будет достаточно защищенным от этого влияния.

Суммарная мощность шума, допустимая стандартом TIA для категории 6а (PSN1- красная линия) существенно снижена при помощи метода подавления шумов (отображено PSN2 желтой линией). Зеленая пунктирная линия (PSN3) отображает общий уровень шума с добавлением 4 дБ в результате подавление межпарных наводок PSNEXT и PSFEXT. Аналогично для PSN2. Однако, улучшение межпарных наводок на 6 дБ автоматически приводит к снижению общего уровня шума на 6 дБ.

Вдобавок ко всему, кабели категории 6A, смонтированные в полевых условиях не имеют хорошей балансировки, зато имеют асимметрию между витками пар проводников. Подобная асимметрия вызывает дисбаланс, что может привести к увеличению перекрестных помех до недопустимых значений для других кабелей. Дополнительно разъемные соединения и другое пассивное оборудование могут быть причиной шума, который распространяется в канале и может стать источником помех в соседних кабелях. Факторы, описанные выше, могут суммироваться и стать источником потенциальных межкабельных наводок для СКС категории 6А, которая не предназначена для защиты от их мешающего действия.

Тестирование, которое проводилось в исследовательских лабораториях, подтвердило факты существования межкабельных наводок в канале. В частности, кабель категории 6А, соответствующий стандарту, не проходит тестов по параметру (PSANEXT), когда его окружают другие влияющие на него в пучке кабели категории 6А. Кабель категории 6A не предназначен для защиты от межкабельных наводок со стороны кабелей категории 6 или категории 5е. Категории 6A кабель не предназначен для защиты от межкабельных наводок, формируемый из категории 6 или категории 5e. Кабели, предназначенные для подавления всех форм межкабельных наводок, будут работать значительно лучше в таких условиях.

Как отмечалось ранее, совершенствование кабельной системы по параметрам внутренних межпарных наводок не уменьшает общей производительности канала и общего отношения сигнал/шум. Однако, совершенствования кабельной системы в сфере межкабельных наводок снижают общий уровень шумов в канале, предоставляя возможность схемотехнике лучшие условия работы, нежели функционирование в ситуации с окружением кабелями других производителей категорий 5е, 6 и 6А.

Несмотря на то, что возможности современных 10GBase-T PНY существенно выросли и превышают тот уровень технологий, который существовал для передачи протокола 10GBase-T в 2006 году, технологии подавления помех являются значительно более эффективными при компенсации источников внутренних шумов, нежели влияний извне (межкабельных наводок). Как таковые, межкабельные наводки являются ограничивающим фактором для СКС категории 6A сегодня. И наиболее эффективным способом увеличения отношения сигнал/шум в канале СКС категории 6A является применение системы, которая обеспечивает уровень межкабельных наводок в пределах требований стандарта.