Теория "витой пары". Снижение затухания горизонтальных кабелей: насколько возможно и когда уместно

Для уменьшения влияния переходного затухания применяются кабели с витыми (скрученными) парами. Это многожильные кабели, у которых жилы скручены по парам или четверкам.

Принцип борьбы с помехами переходного затухания заключается в том, что при скрутке провода, влияющие на отдельные участки кабеля, наводят электромагнитную энергию, равную по амплитуде и противоположную по направлению, как это показано на рис. 6.7. При идеально сбалансированной скрутке (равный шаг скрутки, идеальная симметрия проводов) переходное затухание равно нулю.

Однако в реальной обстановке имеется большое различие амплитуд наведенных сигналов. Оно возникает из-за различного расположения проводов и их различного сопротивления (см. асимметрию).

В связи с проблемой устранения переходного затухания большое внимание уделяется симметрированию проводов разговорного тракта (провода a и b). Любая нагрузка, подключаемая к одному проводу, должна иметь аналог по сопротивлению, подключаемый к другому проводу.

Шумы (помехи)

Рис. 6.8. Метод устранения помех с помощью "скрещивания" проводов

Наличие шумов может, в частности, значительно снизить максимальную длину абонентской линии, которую можно использовать для высокоскоростной связи. В больших городах это помехи от электротранспорта, от мощного промышленного оборудования (включение и отключение мощного оборудования), помехи, возникающие из-за воздействия радиопередатчиков, излучение находящегося рядом радиопередатчика передачи данных. Источником помех может стать разнородность оборудования: например, применение в одном помещении электромеханических и электронных систем. В современных системах, применяющих абонентские устройства передачи данных, большое значение имеет показатель коэффициент импульсных помех.

Коэффициент импульсных помех служит для цифровой оценки состояния линии, он указывает количество ошибок на определенное число переданных битов. Нормальным считается коэффициент ошибок - это означает, что на битов в канале появляется одна помеха, которая может привести к ошибке. Минимально приемлемая величина коэффициента ошибок (допускается обычно при применении радиотракта) составляет . Величина считается хорошей. Следует учитывать, что эти показатели условны. Они измеряются за определенный интервал времени, например, за час. Но в реальности в течение каждого интервала они распределяются неравномерно и могут приходить концентрированно (пачкой). Поэтому иногда вводят коэффициент "пачечности" (концентрации ошибок), который показывает отношение количества ошибок, полученных в данном интервале времени, к ожидаемому среднему по всем интервалам.

Для преодоления ошибок применяются различные алгоритмы, которые будут рассмотрены далее. Помехи ухудшают качество приема речи, а при передаче данных могут привести к неверному их принятию или задержкам, замедляющим реальную скорость обмена данными (скорость модема).

Наибольшие проблемы возникают при ухудшении этого коэффициента и при контроле качества канала со стороны передающих или принимающих устройств. Если эти устройства настроены на отключение канала при превышении ошибки, то при случайных возмущениях в сети часто происходит полное отключение станции. Поэтому при автоматическом контроле этого параметра необходимо оставлять возможность регулировки порога.

Измерение затухания

Стандартный уровень шума, относительно которого измеряются помехи, равен 1 пВт или Вт. Это равняется принятому акустическому порогу слышимости (см. раздел 1.1 в части "Акустические свойства человеческого уха"). В относительных единицах дБм (децибелмилливатт, мощность, отсчитываемая относительно одного милливатта) это составляет 90 дБм.

Мощность, измеряемая относительно эталона 1 пВт, называется эталонной и обозначается в дБэт. Мощность, указанная в дБэт, показывает, насколько уровень шума превышает эталонный.

Уровень 20 дБэт равен 70 дБм, т.е. уровню, измеренному относительно одного децибела.

И наоборот,

Однако, как мы уже отмечали в разделе 1.1, акустическое восприятие человеком звука зависит от частоты. Эта чувствительность изображается кривой на рис. 1.2 (Диаграмма слуха) и имеет максимум на частоте 1000 Гц. Поэтому при измерении мощность шума усредняют (взвешивают) в соответствии с псофометрической кривой, учитывающей уровень слышимости в соответствии с чувствительностью человеческого уха. Приблизительно эта величина составляет 0,562 от мощности шума, измеренной в пВт. Эта мощность называется псофометрической мощностью и обозначается пВтп. Поэтому мощность, выражаемая в дБм, легко пересчитывается в дБп (децибелы псофометрические).

Если сигнал шума имеет мощность , то затухание, выраженное в дБм, равно

а затухание, выраженное в дБп,

Учитывая, что эталонный уровень

Для полноты изложения отметим, что в Северной Америке принято учитывать частотную зависимость восприятия звука с помощью C-взвешивания. Кривая восприятия звука определяется путем измерения чувствительности на различных типах телефонных аппаратов (не менее 500). В этом случае диаграмма восприятия звука несколько отличается от псофометрической. Приблизительно эта величина составляет 0,631 от мощности шума, измеренной в пВт. В этом случае

Задержка передачи

Задержка передачи информации (запаздывание) измеряется временем между поступлением сигнала на вход системы передачи и появлением его на выходе. На это время влияют: параметры линии, параметры аппаратуры, быстродействие и алгоритмы обработки.

Задержка информации приводит к наличию эффекта эха при передаче речи. А фазовые задержки могут привести к ошибкам в передаче данных или к уменьшению скорости передачи за счет времени, необходимого для исправления ошибок.

Пупиновские катушки

Для использования существующей абонентской кабельной сети с целью передачи интегральной информации следует упомянуть еще одно решение, применяемое на абонентском участке в целях увеличения дальности передачи информации в речевом диапазоне - это пупиновские катушки. Известно, что высокие частоты спектра речи подвержены затуханию больше, чем низкие. Это определяется преимущественно емкостным характером абонентской линии. Зависимость затухания от частоты приводит к искажениям речевого сигнала, которые называются "амплитудными искажениями". В существующих сетях получило распространение введение искусственной индуктивности, которая ослабляет емкостный характер. Эти устройства получили название "пупиновские катушки" (по имени их изобретателя, словацкого ученого Пупина). Эти катушки используются на длинных межстанционных и абонентских сельских линиях. Улучшая параметры речи, они препятствуют расширению частотного диапазона (например, для услуг, требующих широкой полосы частот) .

Отводы

Существует три категории отводов абонентской линии в распределительной или магистральной сети. Первый - отвод для подключения резервного оборудования (jumping-off). Он используется в качестве резервной линии для подключения телефонного аппарата в другое место (например, дополнительная розетка). Большую часть времени он находится в состоянии, когда к нему не подключена аппаратура. Отвод для перехвата информации (taping) подразумевает включение оборудования, которое само активно принимает информацию.

Если использование кабельных отводов и допустимо в аналоговых телефонных сетях, обычно такие отводы оказывают серьезное воздействие на работу цифровых систем передачи. Цифровой сигнал, передаваемый по кабелю абоненту, попадает также и в каждый кабельный отвод. Отраженный от конца такого отвода сигнал накладывается на исходный сигнал, подаваемый абоненту, что приводит к значительному увеличению числа ошибок. К цифровому абонентскому тракту не должно быть подключено никакое телефонное оборудование.

Еще один тип отвода - неиспользуемая пара (bridged tap): дополнительная пара проводов, проложенная рядом с основными парами кабеля. Она обычно ни к чему не подключена, но может понадобиться в будущем для подключения нового пользователя. Короткие неиспользуемые пары не влияют на сигналы в речевой полосе, но могут быть чрезвычайно вредны для цифровых сигналов высокой частоты.

Потери

Качество обслуживания телефонных вызовов на сети определяется вероятностью потерь (отказов в обслуживании) из-за отсутствия свободных и доступных коммутационных приборов или каналов.

Определению всех понятий и расчету потерь посвящена большая область теоретических исследований. Для детального рассмотрения этих вопросов рекомендуются книги . Кратко приведем нормы на обслуживания.

Имеются потери двух типов - явные потери и потери по ожиданию. В первом случае при отсутствии свободных путей или каналов заявка снимается с обслуживания, во втором случае - ставится на ожидание. Она снимается с обслуживания, если время ожидания превышает заранее заданную величину.

Суммарные потери любого типа от абонента до абонента не должны превышать:

при связи через городскую телефонную сеть - 0,03;
при связи через пригородную зону - 0,04;
при связи через междугороднюю сеть - 0,005.

Эти потери следует разделять на станционные и линейные. Поскольку стоимость линейных сооружений больше стоимости станционной аппаратуры, для станций устанавливаются нормы небольшой величины, а оставшаяся часть приходится на потери из-за отсутствия линий и каналов.

Для станций существуют следующие нормы:

от абонента до входа (выхода) станции - 0,001,
и между двумя входами (выходами) станции - 0,005.

В конце отметим, что норма потерь очень отражается на техникоэкономических показателях сети: чем меньше норма потерь, тем больше требуется установить оборудования.

Качество обслуживания

Рассмотренные выше показатели потери характеризуют только одну сторону услуги передачи речи. В современных сетях телекоммуникаций применяется характеристика качество обслуживания. Эта характеристика является комплексной при оценке класса и качества услуг.

Все виды трафика можно разделить на три основные категории .

Трафик реального времени включает в себя аудио и видеоинформацию, критичную к задержкам при передаче. Обычно качество характеризуется явными потерями. Допустимые значения задержек обычно не превышают 0,1 с (сюда входит время на обработку пакетов конечной станцией). Кроме того, задержка должна иметь малые флуктуации (с ними связан эффект "дрожания"). При сжатии информации трафик данной категории становится очень чувствительным к ошибкам при передаче, а из-за жестких требований к задержкам при передаче потоков в режиме реального времени возникающие ошибки не могут быть исправлены с помощью повторной посылки.

Трафик транзакций (интерактивный). При передаче этого вида трафика задержки не должны превышать 0,1 с. В противном случае пользователи будут вынуждены прерывать работу и ждать ответа на свои сообщения. Такая схема обмена информацией снижает производительность труда, а разброс в значениях задержек может привести к возникновению чувства дискомфорта у пользователей. В некоторых случаях превышение допустимого времени задержек приводит к сбою рабочей сессии.

Трафик данных. Задержки при передаче трафика этой категории могут иметь практически любые значения и достигать даже нескольких секунд. Для такого трафика полоса пропускания более важна, чем время задержек: увеличение пропускной способности сети влечет за собой уменьшение времени передачи. Приложения, передающие большие объемы данных, разработаны преимущественно в расчете на предоставление им всей доступной полосы пропускания сети.

Следующим шагом на пути к реализации коэффициента качества обслуживания QoS стала разработка механизма явного управления скоростью трафика (ECR - Explicit Rate Control), который в течение ряда лет довольно активно используется в сетях ATM. В последнее время все чаще высказывается мнение, что ECR можно применять также со стеком протоколов TCP/IP. Этот механизм способен работать автономно либо совместно с существующими алгоритмами организации очередей. Основные задачи, которые он позволяет решать:

рост производительности каналов связи;
уменьшение времени ожидания реакции сети;
увеличение степени детализации сетевого управления благодаря контролю за отдельными потоками трафика.

Преимущества ECR таковы:

возможность точного управления распределением полосы пропускания между входящими и исходящими потоками трафика;
снижение нагрузки на сеть, связанной с повторной передачей пакетов с ошибками;
уменьшение длины очередей в маршрутизаторе (и, как следствие, снижение нагрузки на его центральный процессор);
значительное сокращение времени доставки пакета и уменьшение его флуктуаций, более быстрая адаптация к изменениям ситуации. Реализацию этого механизма можно изучить в и .

Краткие итоги

В первом случае при отсутствии свободных путей или каналов заявка снимается с обслуживания, во втором случае - ставится на ожидание. Она снимается с обслуживания, если время ожидания превышает заранее заданную величину.

В современных сетях телекоммуникаций применяется характеристика качество обслуживания. Эта характеристика является комплексной при оценке класса и качества услуг.
Трафик реального времени включает в себя аудио и видеоинформацию, критичную к задержкам при передаче. Обычно качество характеризуется явными потерями. Допустимые значения задержек обычно не превышают 0,1 с (сюда входит время на обработку пакетов конечной станцией).
Трафик транзакций (интерактивный). При передаче этого вида трафика задержки не должны превышать 0,1 с. В противном случае пользователи будут вынуждены прерывать работу и ждать ответа на свои сообщения.
Трафик данных. Задержки при передаче трафика этой категории могут иметь практически любые значения и достигать даже нескольких секунд.
Схема, включаемая в линию и выполняющая переход от двухпроводной линии к четырехпроводной, называется дифференциальной системой (hybrid).
При работе дифференциальной схемы возможен переход информации с цепей передачи на цепь приема, как это показано на рисунке пунктирной линией.

Такой переход вызывает у абонента эффект эха. Явление "эхо" заключается в поступлении в приемник сигнала передатчика.

В цифровых системах для улучшения качества тракта применяется цифровая схема эхокомпенсации. Ее принцип заключается в том, что передаваемая в линию информация через цепь задержки передается в сумматор, стоящий в цепи приема. Там она вычитается (алгебраически суммируется) из принимаемого потока. Задержка и параметры сигнала выбираются таким образом, чтобы при вычитании уничтожить сигналы, перешедшие из собственной цепи передачи.
Метод эхоподавления основан на том, что при передаче информации закрывается (ослабляется) цепь собственного приема. При эхоподавлении может происходить ухудшение качества связи в момент, когда оба абонента активны, а тракт приема одного из них заблокирован.

Максимальное затухание между двумя телефонными аппаратами на городской телефонной сети должно быть не более 28 дБр (децибел-разность). В данном случае все величины затухания показаны от уровня предыдущей точки. При этом затухание абонентских линий (АЛ) не должно превышать 4,5 дБ для кабеля с диаметром жил 0,32 и 3,5 дБ для жил с большим диаметром.

Затухание станционного четырехполюсника не должно превышать 1 дБ на РАТС (районных АТС) и 0,5 на узловых станциях (исходящего УИС или входящего сообщения - УВС).

При четырехпроводной коммутации затухание станционного четырехполюсника узловых станций принимается равным нулю. При переходе от двухпроводного соединения к четырехпроводному тракту затухание равно 1дБ. При использовании электронных АТС затухание на участках с системой передачи ИКМ должна быть 7 дБ. Распределение затухания в дБ на ГТС приведено на рис. 2.6 .

Рис. 2.6.

Переходное затухание

Переходное затухание - величина, которая характеризует относительное количество энергии, переходящей вследствие электромагнитной связи из одной цепи в другую; выражается в децибелах. Так же как обычное затухание, оно измеряется отношением мощности на выходе к мощности на входе. Но в данном случае входным является мощность полезного сигнала одной цепи, выходным - мощность этого же сигнала в соседней цепи. Этот эффект обязательно имеет место между соседними цепями (жилами кабеля, проводами воздушной линии). Он может порождаться переходами сигналов из приемника в передатчик, а также при преобразовании четырехпроводной линии в двухпроводную и обратным преобразованием.

Различаются переходное затухание:

измеряемое на ближнем конце (NEXT - Near End Cornstalk) . Имеется в виду переход мощности от одной пары к другой, который измеряется на конце, ближнем к передатчику пары, подверженной влиянию;
измеряемое на дальнем конце (FEXT - Far End Cornstalk) . Имеется в виду переход мощности от одной пары к другой, который измеряется на конце, дальнем от передатчика пары, подверженной влиянию. Измерение проводятся во всем диапазоне рабочих частот, т.е. для речевого сигнала - в диапазоне частот 300-3400 Гц.

Меры по уменьшению переходного затухания.

Кабель с витыми парами

Для уменьшения влияния переходного затухания применяются кабели с витыми (скрученными) парами . Это многожильные кабели, у которых жилы скручены по парам или четверкам. Принцип борьбы с помехами переходного затухания заключается в том, что при скрутке провода, влияющие на отдельные участки кабеля, наводят электромагнитную энергию, равную по амплитуде и противоположную по направлению, как это показано на рис.2.7 . При идеально сбалансированной скрутке (равный шаг скрутки, идеальная симметрия проводов) переходное затухание равно нулю.

Рис. 2.7. Метод устранения помех с помощью "скрещивания" проводов например, применение в одном помещении электромеханических и электронных систем. В современных системах, применяющих абонентские устройства передачи данных, большое значение имеет показатель коэффициент импульсных помех

Коэффициент импульсных помех служит для цифровой оценки состояния линии, он указывает количество ошибок на определенное число переданных битов. Нормальным считается коэффициент ошибок - это означает, что на битов в канале появляется одна помеха, которая может привести к ошибке. Минимально приемлемая величина коэффициента ошибок (допускается обычно при применении радиотракта) составляет . Величина считается хорошей. Следует учитывать, что эти показатели условны. Они измеряются за определенный интервал времени, например, за час. Но в реальности в течение каждого интервала они распределяются неравномерно и могут приходить концентрированно (пачкой). Поэтому иногда вводят коэффициент "пачечности" (концентрации ошибок), который показывает отношение количества ошибок, полученных в данном интервале времени, к ожидаемому среднему по всем интервалам. Для преодоления ошибок применяются различные алгоритмы, которые будут рассмотрены далее. Помехи ухудшают качество приема речи, а при передаче данных могут привести к неверному их принятию или задержкам, замедляющим реальную скорость обмена данными (скорость модема). Наибольшие проблемы возникают при ухудшении этого коэффициента и при контроле качества канала со стороны передающих или принимающих устройств. Если эти устройства настроены на отключение канала при превышении ошибки, то при случайных возмущениях в сети часто происходит полное отключение станции. Поэтому при автоматическом контроле этого параметра необходимо оставлять возможность регулировки порога.

На рисунке 10.9 представлены схемы для измерения переходных затуханий.

Рис.10.9. а) Схема измерения переходного затухания на дальнем конце

Рис.10.9. б) Схема измерения переходного затухания на ближнем конце

Величина переходного затухания, как правило, велика (по нормам от 50 до 139 дБ). Поэтому в цепи, подверженной влиянию, приходится контролироватьвесьма малые уровни, поскольку подача при измерениях во влияющую цепь слишком большого входного напряжения недопустима (это не соответствовало бы нормальному режиму работы влияющей цепи и, кроме того, вызвало бы но всех соседних, работающих, а не измеряемых цепях слишком большие помехи). Естественно, что эти обстоятельства вынуждают в обеих схемах рис. 10.9 использовать метод сравнения. Для обеих схем фиксируют значения затуханий| магазинов, когда показания высокоомиого индикатора одинаковы в о6оих положениях ключа К. Переходное затухание на ближнем конце для схемы рис. 10.9а определяют по формуле

a 0 =a m +10 lg|Z c2 /Z c1 | , (10.14)

а переходное затухание на дальнем конце для схемы рис. 10.9б находят из формулы

a 1 =a m +10 lg|Z c2 /Z c1 |+a c1 , (10.15)

где Z c2 и Z c1 - соответственно характеристические сопротивлении влияющей цепи I и подверженной влиянию цепи II; a c1 - характеристическoe затухание влияющей цепи.

Разность уровней сигнала и помехи, определяемая из (10.15) величиной
a m +10 lg|Z c2 /Z c1 | , характеризует защищённость цепи II от цепи I, по дальнему концу и численно равна ей, если направление передачи по обеим цепям от станция А к станции Б, а уревни передачи и затухания обеих цепей одинаковы. Защищённость на ближнем конце при одинаковых яаараялениях и уровнях передачи совпадает по величине с переходным затуханием на ближнем конце, а при разных же направлениях передали существенно меньше его.

Широко распространенным прибором дли измерения переходных затуханий является прибор КИПЗ 300 Вместо магазина затуханий в нем используется высокоомный делители напряжения (поэтому при сборке схемы, аналогичной рис. 10.9б, выход цепи нагружается на Z c1 ) Погрешность измерений прибором КИПЗ-300 порядка ±2.0 дБ, диапазон частот - от 0,2 до 300 кГц

Как правило, переходное затухания иа передающем конце измеряют с обоих концов усилительного участка, но без перемены мест влияющей и подверженной влиянию цепей (по принципу взаимности это не изменило бы затухания). Защищённость же на дальнем конце измеряют с одной стороны усилительного участка, но с переменой мест влияющей и подверженной влиянию цепей.

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.