Сообщение о разрабатываемых кабельных стандартах на Категорию 6, Категорию 7 и волоконно-оптические кабели.

При разработке кабельных стандартов на медную и оптическую проводку была проделана огромная работа, но путь к утверждению некоторых из них оказался намного длиннее и извилистее, чем предполагалось сначала. Тем не менее в этой области произошли столь позитивные сдвиги, что на поставленный в названии статьи вопрос уже можно дать ответ: «Совсем чуть-чуть».

Мы рассмотрим круг вопросов, связанных с разработкой двух стандартов Категории 6 и Категории 7 для кабельных систем на базе медной проводки, а также стандарта на новую кабельную технологию на базе многомодового волокна диаметром 50 мк с использованием лазера с излучением в диапазоне 850 нм.

На международном уровне стандарты на коммуникационную проводку объединены в стандарт 11801 Международной организации по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO), основным же американским стандартом является TIA/EIA-568-B (Telecommunications Industry Association/Electronic Industries Alliance). И тот и другой почти полностью совпадают между собой, а обе организации плотно контактируют на уровне рабочих групп, придерживаясь единой избранной политики.

КАТЕГОРИЯ 6

В конце 1997 г. ISO предложила новую кабельную систему (в соответствии со стандартом ISO 11801 Класса E или стандартом TIA/EIA-568 Категории 6), в которой бы обеспечивалась такая же суммарная защищенность от помех (Power Sum Attenuation-to-Crosstalk Ratio, PSACR) на частоте 200 МГц, какую стандарт на Категорию 5 определяет для этого параметра на частоте 100 МГц.

Рабочие характеристики популярной ныне Категории 5 определяются в частотном диапазоне от 1 до 100 МГц. При разработке стандарта на Категорию 6 ставилась задача расширения верхней границы этого диапазона до 250 МГц в целях поддержки в будущем технологий со скоростями, превышающими Gigabit Ethernet (GigE). (Сравнение предложенных ограничений на затухание сигнала и уровень переходных помех для Категории 5e и Категории 6 представлено на Рисунке 1.) Вероятно, скорость GigE — предел для проводки Категории 5 (или 5e). Расширение рабочего диапазона частот кабельной системы обеспечит более высокие скорости передачи данных, а также снизит стоимость GigE.

Рисунок 1. Сравнение предложенных ограничений для затухания и переходных помех между Категорией 5е и Категорией 6.

В технологиях Ethernet (10BaseT), Token Ring и Fast Ethernet (100BaseT) используются только две из четырех пар в горизонтальной проводке, однако GigE изменил это положение, задействуя все четыре пары. Это значительно усугубляет проблему переходного затухания — сигналы от одной пары создают индуктивные наводки в другой, в результате чего на приемник поступает искаженный сигнал.

Для проводки Категории 5 учитывается главным образом переходное и погонное затухание (по крайней мере, именно эти параметры считались наиболее важными при первоначальной разработке спецификации). Минимизация затухания означает, что большая часть сигнала достигает другого конца кабеля, а ослабление переходного затухания подразумевает снижение фонового шума, который и загрязняет сигнал.

Самый серьезный источник перекрестных помех — ближний (к приемнику) конец кабеля. Именно поэтому в нормативном критерии для систем кабельной проводки Категории 5 первоначально особое внимание уделялось установлению ограничений на величину переходного затухания на ближнем конце (Near End CrossTalk, NEXT). Однако с повышением частоты увеличивается как погонное (уровень сигнала в приемнике снижается), так и переходное затухание (помехи возрастают). В этом случае еще сложнее обеспечить уровень сигнала выше уровня переходного затухания, поэтому необходимо предупредить даже самые незначительные причины возникновения помех.

Ограничения устанавливаются и для величины переходного затухания на дальнем конце (Far End CrossTalk, FEXT). Данный параметр характеризует, какая доля сигнала в смежной паре (исходящего из дальнего по отношению к приемнику конца кабеля) доходит до приемника (см. Рисунок 2). Параметр Equal Level FEXT (ELFEXT) определяет переходное затухание на дальнем конце с учетом затухания в кабельной системе.

Рисунок 2. Пример NEXT и FEXT.

GigE использует четыре пары кабеля, причем все они задействуются одновременно. Это значит, что в любой из них переходные помехи будут наводиться от трех других пар. Поэтому возникает необходимость проводить суммирование мощности — математическую процедуру сложения всех переходных помех в каждой паре со стороны трех остальных. Суммарные характеристики определяются для переходного затухания как на ближнем, так и на дальнем концах.

В рассматриваемом случае следует принять во внимание еще один фактор. Речь идет о разнице в задержке на распространение сигнала (propagation delay) между парами. В идеальной среде сигнал, передаваемый по каждой паре, должен достичь противоположного конца кабеля за абсолютно одинаковое время, если же этого не происходит, разница во времени поступления сигнала приводит к «перекосу задержки» (delay skew). GigE и аналогичные технологии опираются на передачу сигнала по четырем парам для достижения более высоких скоростей передачи. На передающем конце отправляемые данные должны быть разбиты на четыре блока, и каждая часть данных посылается по одной из четырех пар. На другом конце информация принимается и затем собирается в первоначальное сообщение. «Перекос» может стать помехой в процессе «сборки» данных и поэтому должен быть сведен к минимуму.

Все эти измерения более «строги» (требовательны) к Категории 6, чем к Категории 5, либо расширенной Категории 5e. Производители кабелей могут увеличить пропускную способность своих кабельных систем, применяя проволоку более крупного калибра (для снижения затухания) либо наращивая количество витков в парах (для минимизации уровня перекрестных помех). Еще один метод снижения уровня перекрестных помех состоит в применении специального разделителя с круглым или крестовидным сечением. (Суммарные наводки, а, следовательно, и переходное затухание между парами могут быть функцией расстояния между ними.)

Хотя многие требования на Категорию 6 уже определены, остается еще одна загвоздка, но связана она не с кабелями, а с соединителями. В Категории 6 известные 8-позиционные соединители RJ-45 используются уже на пределе своих возможностей. С увеличением частот длина волны оказывается сопоставима с размерами соединителя. В этом случае происходят непредсказуемые (и нежелательные) вещи. Например, в диапазоне от 100 до 250 МГц параметр NEXT для соединителя снижается более быстро, чем от 1 до 100 МГц.

Однако указанное обстоятельство не останавливает тех, кто занимается разработкой соединителей типа RJ-45, в их стремлении соответствовать жестким требованиям Категории 6. Проблема заключается в том, что работать это оборудование сможет только в том случае, когда вилка соединителя вставляется в гнездо устройства от того же самого производителя. Пользователи же хотят, чтобы система была эффективна независимо от того, какая вилка с каким гнездом сопрягается. Совместимость всегда была чем-то вроде «священной коровы» при построении сетей.

Труднее всего точно определить характеристики соединителя, ведь измерению поддается лишь состыкованная система (когда вилка вставлена в гнездо). (К примеру, затухание составляет 100%, если вилка не находится в гнезде.) Но когда ряд комбинаций вилок и гнезд проверен и при этом одна из них не удовлетворяет требованиям, то какой из элементов следует считать непригодным — вилку или гнездо?

Рабочий комитет по Категории 6 предлагает осуществлять проверку с помощью стандартных тестовых соединителей — вилок и гнезд. Например, при сопряжении ее со стандартным гнездом вилка определенного производителя должна соответствовать всем рабочим характеристикам в соответствии с требованиями стандарта. Нетрудно предположить, что существует масса различных мнений на предмет того, что же считать стандартным соединителем.

Проблема выпуска новых соединителей, полностью отвечающих требованиям Категории 6, оказалась настолько сложной, что в настоящее время речь идет даже о некотором снижении требований к их характеристикам. Соответственно к кабелю должны предъявляться более высокие требования, чтобы характеристики сквозных соединений оставались на должном уровне.

Еще одна проблема, с которой столкнулся новый стандарт, — это баланс. Он характеризует способность кабельной системы подавлять шум (синфазную помеху) со стороны внешней среды. Требования к этому параметру пока обсуждаются, и в проекте стандарта рядом с ним до сих пор стоит прочерк. Баланс кабелей на витой паре и соединителей будет определяться на основании двух лабораторных измерений: Longitudinal Conversation Loss (LCL) и Longitudinal Conversation Transfer Loss (LCTL). Оба характеризуют долю синфазного напряжения, преобразуемого кабельной системой в разностный сигнал.

Трудно делать точный прогноз о дате завершения работы над стандартом Категории 6. Проблема сопряжения разнородных элементов сети и тестирование — основные, действительно нетривиальные проблемы, над которыми бьются специалисты TIA TR-42.7 (рабочая группа, отвечающая за стандарт на Категорию 6). Требования к балансу в настоящее время находятся в процессе разработки, и речь о них идет уже не в сослагательном наклонении, а в будущем времени. Возможно, нам придется подождать до следующей переработки стандарта, после которой он наконец примет окончательный вид.

КАТЕГОРИЯ 7

Если Категория 6 (ISO 11801, класс E) представляет кабельные системы с неэкранированными витыми парами с максимально возможными на данный момент развития техники характеристиками, то Категория 7 (ISO 11801, класс F) описывает такую же кабельную систему с экранированными витыми парами. Как ожидается, Категория 7/класс F будет специфицировать характеристики кабельной системы до 600 МГц, что существенно выше верхнего предела 250 МГц для Категории 6. Одно это говорит о возможностях экранированной витой пары. В Категории 7/Класс F экранируются как каждая пара в отдельности, так и все вместе, обеспечивая дополнительное подавление шума (сокращая его излучение).

Вообще-то экранированная витая пара непопулярна на американском рынке, однако в Европе и других странах мира ей принадлежит значительная доля рынка. Поэтому TIA не прилагает усилий для работы над стандартом Категории 7. Этот стандарт — прерогатива ISO.

Экранированные кабели Категории 7/ Класса F будут иметь существенно больший диаметр, чем кабели Категории 6/Класса E и прочая кабельная проводка с неэкранированными витыми парами; ее будет сложнее устанавливать из-за необходимости более бережного обращения и большего предельно допустимого радиуса изгиба.

Вводя требование на экранирование отдельных пар, стандарт Категории 7/Класса F тем самым добивается существенного снижения уровня перекрестных помех между парами. Действительно, в Категории 7/Класс F предусматривается положительное значение защищенности во всем диапазоне частот до 600 МГц, причем основной вклад в достижение данной цели вносит заметное уменьшение перекрестных помех, а не снижение затухания.

Однако и здесь возникает все та же проблема соединителей, для которых довольно трудно соблюсти строгие ограничения на уровень перекрестных помех. Давно применяемый в отрасли 8-позиционный модуль типа RJ, состоящий из вилки и гнезда, просто не был рассчитан на эксплуатацию при 600 МГц для всех четырех пар. Он стал бы проблемой для Категории 7, что неудивительно, и несколько производителей занялись разработкой нового соединителя специально для этой категории. Однако, даже обладая полной свободой действий, далеко не всем удалось добиться требуемых эксплуатационных характеристик.

В настоящее время определены два типа соединителей для Категории 7: гибридный RJ-45 с внутренним переключением на стандарт Категории 7 и одна из новых конструкций, обладающая улучшенными характеристиками по сравнению со всеми предыдущими соединителями типа RJ. До сих пор ни один из модульных соединителей не отвечает установленным Категорией 7 требованиям. Вместе с тем, принципиально новая конструкция соединителя позволяет выйти за пределы ограничений Категории 7. В конце августа в Мюнхене прошло заседание подкомитетов и рабочих групп ISO/IEC JTC1 SC25 WG3, где было принято решение оставить оба типа соединителя во второй редакции стандарта ISO/IEC 11801. Ожидается, что в конце 2001 г. этот документ станет окончательным проектом комитета, после чего уже никакие технические изменения не могут быть внесены.

Помимо высоких характеристик другое преимущество индивидуально экранированных пар — надежность изоляции, применяемой для экранирования. Это позволяет разделить пары внутри четырехпарного кабеля, так что они могут быть использованы различными приложениями, требовательными к отсутствию взаимных помех. Например, с помощью двух пар могут передаваться данные: одна из оставшихся служит в качестве аналоговой телефонной линии, а последняя пара используется для передачи видео.

Категория 7 довольно привлекательна, поскольку поддерживает расширенный диапазон рабочих частот и обеспечивает одновременное выполнение нескольких различных приложений. Однако эти достоинства Категории 7 во многом сводятся на нет более высокими ценами и сложностью инсталляции, связанной с экранированием и громоздкостью кабеля. В целом ожидается, что Категории 7 будет пользоваться наибольшим спросом в Европе и тех странах, где экранированная витая пара уже популярна.

МНОГОМОДОВОЕ ВОЛОКНО ДИАМЕТРОМ 50 МКМ

До настоящего времени в корпоративных сетях применялись две основные разновидности многомодового кабеля: кабель диаметром 62,5/125 мкм и более новый кабель 50/125 мкм. (Первое значение представляет диаметр сердечника стеклянного волокна, а второй — внешний диаметр оболочки.)

Основным параметром производительности является полоса пропускания — произведение частоты на длину (МГцхкм). Стандарт TIA на кабель 62,5/125 мкм предусматривает ширину полосы 160/500 МГцхкм (160 МГцхкм для источника 850 нм и 500 МГцхкм для источника 1300 нм). Это значит, что кабель длиной в 1 км способен передать сигнал в диапазоне 160 МГц от источника света с длиной волны 850 нм. Из-за того, что полоса пропускания определяется как произведение частоты на длину, при уменьшении расстояния тот же кабель мог бы передавать сигнал с более высокой скоростью, однако это соотношение не всегда линейно. Указанная характеристика очень важна, поскольку чем шире диапазон рабочих частот, тем бо?льшую скорость передачи данных может обеспечить кабель.

Нетрудно добиться широкой полосы пропускания (а следовательно, и высокой скорости передачи данных), если длина кабеля не превышает 90 м (эта величина является ограничением на протяженность медного кабеля с неэкранированными витыми парами в горизонтальных подсистемах). Однако широкая полоса пропускания и отсутствие переходного затухания позволяют применять многомодовое волокно для вертикальной кабельной проводки и на более далекие расстояния — до 300 м, согласно спецификации TIA-568-B. Таким образом, ширина полосы пропускания — хорошая характеристика для коммуникационного кабеля, поскольку она учитывает не только предлагаемый частотный диапазон, но и покрываемое расстояние.

В Таблице 1 представлены значения скоростей передачи данных, которые могут быть достигнуты на данном расстоянии для оптического кабеля с волокном диаметром 62,5/125 мкм и 50/125 мкм соответственно. Отметим, что полученные результаты отличаются в зависимости от того, какая длина волны поддерживается источником света — короткая, 850 нм, или длинная, 1300 нм.

Таблица 1. Достижимые скорости передачи для разных типов волокон.

Из таблицы видно, что оба типа волокна (62,5 и 50 мкм) могут поддерживать все возможные подсистемы кабельной проводки: горизонтальную, вертикальную и между зданиями в территориальных сетях со скоростью передачи данных до 155 Мбит/с, как с коротковолновыми, так и длинноволновыми источниками света. (Надо заметить, что источники света с длиной волны 1300 нм и соответствующая электроника намного дороже источников с длиной волны 850 нм.)

Многомодовый кабель с диаметром волокна 62,5 мкм может также использоваться в приложениях, где требуются гигабитные скорости, но в этом случае он применим с некоторыми ограничениями. Этот кабель хорош в горизонтальной проводке и даже на магистрали (вертикальная проводка внутри здания), однако в вертикальной проводке он применим лишь в случае использования источников 1300 нм.

Ни один из этих типов волоконных кабелей не в состоянии поддерживать скорости 10 Гбит/с для передачи данных на расстояние 300 м при применении недорогой электроники — последовательного источника с длиной волны 850 нм (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL). С учетом разработки стандарта 10GigE это становится проблемой. Работа над новыми стандартами на волоконную оптику ориентирована на многомодовое волокно с поддержкой скоростей 10 Гбит/с и расстояния до 300 м. К счастью, IEEE и TIA в настоящее время работают над технологиями как передачи в последовательной форме (serial), так и спектрального мультиплексирования (WDM) для скоростей 10 Гбит/с. Технология WDM позволит задействовать имеющиеся кабели с диаметром волокна 62,5 мкм и 50 мкм и осуществлять передачу по ним на расстояние до 300 м. Последовательная передача на скорости 10 Гбит/с (Serial 10GigE) с источником 850 нм потребует специального многомодового волокна при дальности более 82 м.

Оптическое волокно не передает весь спектр световых волн одинаково. Как затухание, так и полоса пропускания зависят от длины волны, а многомодовые кабели оптимизированы для поддержки самой широкой полосы пропускания и самого низкого затухания при эксплуатации в двух окнах — 850 и 1300 нм. Волокно диаметром 62,5/125 мкм разработано для поддержки наибольшей полосы пропускания для источника 1300 нм, в случае же источника 850 нм пропускная способность такого кабеля снижается. В случае многомодового волокна диаметром 50/125 мкм, наибольшая ширина полосы пропускания достигается для среднего значения длины волны источника в диапазоне от 850 до 1300 нм ради обеспечения наибольшей пропускной способности в обоих окнах. Это неплохой компромисс, позволяющий использовать сразу две длины волны, но недостаточный для поддержки скорости 10 Гбит/c.

Волокно, разрабатываемое для поддержки высоких скоростей передачи данных, должно иметь свой пик полосы пропускания либо на длине волны 850 нм, либо 1300 нм. Поскольку источник с длиной волны 850 нм значительно дешевле, чем источник для 1300 нм, основные разработки ведутся по многомодовому волокну диаметром 50 мкм с максимальной полосой пропускания при 850 нм.

Эти разработки хорошо увязываются с лазером с поверхностным излучением вертикального резонатора (VCSEL) в диапазоне 850 нм. Эти лазеры все более популярны, их отличительной чертой является высокая производительность при довольно умеренных ценах по сравнению с другими лазерными источниками.

В редакции TIA новый тип волокна был назван «оптимизированный для лазера с длиной волны 850 нм». Данному волокну для поддержки скорости 10 Гбит/с на расстояние 300 м требуется лазер, обеспечивающий ширину полосы пропускания 2000 МГц/км на длине волны 850 нм.

Таблица 2. Достижимые скорости передачи в случае волокна, оптимизированного для лазера 850 нм.

Как видно из Таблицы 2, многомодовый волоконный кабель диаметром 50/125 мкм, оптимизированный для лазерного источника с длиной волны 850 нм, может быть использован в кабельной проводке протяженностью до 300 м, представляя собой таким образом жизнеспособное решение как для горизонтальных, так и для вертикальных приложений. (Конечно же мы не ожидаем значительного спроса на 10GigE для настольных компьютеров в ближайшее время. Поддержка этих скоростей потребуется в вертикальных системах, чтобы обеспечить гигабитные скорости для настольных систем.)

ЧТО ПРОИСХОДИТ СО СТАНДАРТАМИ

Работа над стандартом для нового оптимизированного для лазера с длиной волны 850 нм многомодового волокна диаметром 50/125 мкм потребовала высокого уровня технологии, моделирования и измерений. По окончании этого процесса ожидается обсуждение методов тестирования и измерения полосы пропускания лазерного источника. Далее последует уточнение спецификаций по волоконному кабелю (документ TIA/EIA-492AAAC в процессе обсуждения). Все эти документы объединяются в стандарт TIA-568-B. Мы можем с оптимизмом ждать результатов дискуссий в начале 2002 г. на заседании рабочей группы TR-42.8 (рабочая группа, ответственная за часть стандартов TIA/EIA-568, касающихся волокна).

Подобным же образом проект Категории 6 возможно будет обсуждаться на двух или более циклах квартальных заседаний, до его завершения. Однако вопросов в отношении Категории 6 гораздо больше, чем в случае оптики. Поэтому разработка стандарта Категории 6 может протекать с непредвиденными задержками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В современном мире, где правит принцип «быстрее — значит лучше», попытки угнаться за технологией ставят новые задачи перед производителями, заказчиками и организациями по стандартизации. В соответствии с законом Мура, уже в январе должен быть принят стандарт на 40GigE, в то время как IEEE работает пока лишь над стандартом 10GigE.

Определить, в чем будет нуждаться ваша сеть через год, — не менее сложная задача. Обновление электронных устройств проходит не так болезненно, как смена горизонтальной проводки. Если вы вкладываете средства в реальные проекты, кабельная инфраструктура, основанная на стандартах, со временем себя обязательно окупит.

Джеральд Соломон — менеджер отдела маркетинга систем компании Tyco Electronics. Герберт В. Конгдон II — руководитель отдела маркетинга систем компании Tyco Electronics. Тони Бим — руководитель отдела бизнеса и развития волоконно-оптических систем компании Tyco Electronics.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями