Наиболее серьезной проблемой при передаче сигналов интерфейсов 10GBaseT являются межкомпонентные переходные помехи, которые в последнее время стали предметом пристального внимания со стороны комитетов по нормированию. В отличие от переходных влияний на ближнем и дальнем концах они носят статистический характер, не могут быть рассчитаны в детерминированной форме и компенсированы путем цифровой обработки сигналов.

Обеспечение функционирования интерфейсов 10 Gigabit Ethernet (10GbE) на уровне медной части структурированной проводки представляет собой качественный скачок в технологии. Побудительным стимулом к ее разработке стал известный закон Мура, согласно которому количество транзисторов на кристалле удваивается каждые 18-24 месяца. Кроме того, меры по увеличению скорости информационного обмена стимулируются активным совершенствованием и развитием офисного и мультимедийного программного обеспечения, которому для его функционирования требуется все большая емкость.

Интерфейсы 10GbE уже успешно используются в магистральной части обычных информационных систем, сетях хранения и в вычислительных центрах. Практическая доступность этой технологии отодвигает массовое внедрение волокна до рабочего места (Fiber to the Desktop, FTTD) на неопределенную перспективу. Как следствие, до сих пор основная масса информационных систем строится в соответствии с принципом «медь до рабочего места» (Copper to the Desktop, CTTD), немаловажным достоинством которого является возможность дистанционного питания конечных устройств по Ethernet (Power over Ethernet, PoE).

О многообещающих перспективах техники 10GbE говорит хотя бы то, что в работе над проектом IEEE 802.3an участвуют примерно 800 инженеров из 400 различных компаний.

ЦЕЛИ И ОГРАНИЧЕНИЯ НОРМИРОВАНИЯ 10GbE

На пленарном заседании IEEE 802.3, состоявшемся в Сан-Антонио в ноябре 2004 г., эксперты зафиксировали и внесли в проект стандарта IEEE 802.3an-D1.2 следующие принципиальные положения:

  • способ модуляции - PAM16;
  • информационная линейная скорость - 800 мегасимволов в секунду;
  • кодирование в соответствии с принципом Double Square (DSQ) - 128 точек по схеме 8 х 8 х 2 бит;
  • частота Найквиста - примерно 400 МГц, B = 2,5/2 х lg8 ГГц.

С целью поддержки передачи сигналов 10GbE специалисты ка-бельной отрасли на своем форуме, проходившем с 10 по 14 января 2005 г. в мексиканском городе Икстапе, с учетом известных к этому моменту положений проекта IEEE 802.3an приняли решение о стандартизации нового «расширенного» Класса Е, в основу которого положен тракт передачи сигнала с верхней граничной частотой 500 МГц. Необходимость внедрения очередной разновидности кабельных линий обусловлена тем, что функционирование интерфейсов 10GbE совсем не поддерживается оборудованием Класса D/Категорией 5, а оборудованием Класса Е/Категорией 6 — только условно или с определенными ограничениями.

В настоящее время всем требованиям интерфейсов 10GbE к тракту передачи удовлетворяет только оборудование Класса F/Категории 7.

При условии следования стандартам ISO/IEC 11801 и EN 50173 (во второй редакции) гарантируется тракт передачи длиной до 100 м с четырьмя разъемными соединителями. Вероятность ошибки не превышает 10-12, а электромагнитная совместимость соответствует требованиям CISPR и FCC Класса А. Для улучшения критически важного для 10GbE параметра отношения сигнала к шуму необходимо уменьшить затухание и ввести нормы по межкомпонентным переходным наводкам, чтобы минимизировать уровень возмущающих сигналов. Параметры Alien NEXT и FEXT описывают нежелательные взаимные электрические влияния, возникающие в кабельных каналах и на коммутационном поле технического помещения при параллельной прокладке кабелей.

ПЕРСПЕКТИВЫ 10GBASET

В 2003 г. рабочая группа 10GBaseT комитета IEEE 802.3 приступила к исследованию, целью которого было определение возможности передачи сигналов 10 Gigabit Ethernet по медножильным кабельным трактам. В 2004 г. после получения положительного результата, что официально подтверждает документ о принятии проекта (Project Acceptance Request, PAR), началась разработка стандарта IEEE 802.3an. В рамках этого направления был представлен первый проект («IEEE 802.3an D1.2: физический уровень и параметры управления для 10 Гбит/с — тип 10GBaseT»). На середину и конец 2005 г. запланированы и другие подобные проекты. Утверждение окончательной редакции стандарта ожидается к середине 2006 г.

Какие же технические проблемы препятствуют внедрению техники 10GBaseT в широкую инженерную практику? Увеличение скорости передачи в 10 раз по сравнению с тем значением, которое достигается при использовании нынешнего стандартизованного интерфейса 1000BaseT, существенно ужесточает требования к кабельной системе. Причем частотный диапазон нормирования таких критически важных параметров, как, например, затухание, возвратные потери и NEXT, расширяется до 500 МГц.

В проекты нормативных документов введены следующие положения:

  • рабочее затухание (параметр IL) на опорных частотах (для тракта). Предлагаемая характеристика соответствует действующим на сегодняшний день нормам для Класса F при условии применения кабелей Категории 7 (см. Таблицу 1);
  • возвратные потери на опорных частотах (для тракта) (см. Таблицу 2);
  • переходное затухание на опорных частотах (для тракта) (см. Таблицу 3);
  • суммарное межкомпонентное переходное затухание на опорных частотах (для тракта) (см. Таблицу 4).
Таблица 1. Рабочее затухание на опорных частотах.
Таблица 2. Возвратные потери на опорных частотах.
Таблица 3. Переходное затухание на опорных частотах.
Таблица 4. Суммарное межкомпонентное переходное затухание на опорных частотах.

Наибольшую трудность при создании тракта передачи сигналов 10GbE представляет устранение или уменьшение до требуемого уровня межкомпонентных переходных помех. Интенсивность этого процесса во многом зависит от взаимоположения отдельных компонентов, образующих тракт передачи, а его суть состоит в нежелательном взаимном электрическом влиянии, возникающем в кабельных каналах и на коммутационном поле технического помещения при параллельной прокладке кабелей. Подавление этого воздействия — сложная инженерная задача. В отличие от переходных влияний на ближнем и дальнем концах межкомпонентные переходные помехи носят статистический характер, не могут быть рассчитаны в детерминированной форме и компенсированы путем цифровой обработки сигналов на принимающей стороне. Единственно возможные способы борьбы с данной составляющей помех — изменение конструкции кабеля и соблюдение процедур инсталляции.

Требования к межкомпонентной переходной наводке зависят от затухания в тракте передачи сигнала и, тем самым, от его длины. Требования к параметру PSANEXT ужесточаются по мере увеличения затухания и, соответственно, длины тракта. Численные значения на опорных частотах еще не утверждены и рассматриваются в комитетах IEEE 802.3an и ISO/IEC JTC1 SC25 WG3. В наибольшей степени проблема проявляется в неэкранированных кабельных системах, тогда как достижение требуемых параметров в экранированной проводке сложностей не составляет.

Возможно ли значительное уменьшение или даже полное устранение межкомпонентных переходных помех? Задача может быть решена несколькими способами, каждый из которых имеет различную эффективность. В случае применения неэкранированной проводки приходится считаться с тем, что она очень чувствительна к внешним влияниям, и даже простое уменьшение помех до безопасного уровня достигается только при очень тщательном выполнении инсталляционных работ. Таким образом, реализация проекта на основе неэкранированной элементной базы крайне сложна и требует больших затрат на этапе инсталляции.

НЕЭКРАНИРОВАННЫЕ КАБЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Как же противостоять межкомпонентным влияниям в случае применения неэкранированной элементной базы? Увеличение расстояния между проложенными кабелями в канале оказывается мало перспективным из-за недостатка места. Прокладка кабеля в металлических трубах — очень эффективное решение, но стоимость его чрезвычайно высока. Увеличение расстояния между отдельными розеточными модулями на панелях имеет своим прямым следствием уменьшение плотности портов коммутационного поля и дальнейшее удорожание проекта. При использовании кабелей U/UTP новейших конструкций с заявленными величинами параметров ANEXT и AFEXT улучшение ситуации с межкабельными переходными помехами еще не подтверждено, в то время как значительное повышение цены изделий не нуждается в дополнительных комментариях. Мало того, до сих пор не выпускается измерительная техника для исследования ситуации с межкабельными переходными помехами в инсталлированной проводке в объективной количественной форме.

Рисунок 2. Экранированная кабельная система для поддержки передачи сигналов 10 Gigabit Ethernet на расстояние 100 м: горизонтальный кабель и розеточный модуль.

Экранирование коммутационных шнуров в технических помещениях позволяет значительно улучшить ситуацию с переходными наводками, однако при этом не достигается непрерывность экрана. Использование же экранированных конструкций в линейной части структурированной проводки полностью снимает проблему зависимости уровня возмущающих воздействий от окружающей среды, отличается высокой эффективностью и не увеличивает общей стоимости решения. При применении экранированных линейных кабелей качество их конструкции можно проверить как при проектировании, так и после инсталляции. Кабели S/FTP с индивидуальным экранированием отдельных витых пар представляются наилучшим решением для формирования физического уровня систем 10 Gigabit Ethernet. Кроме того, в настоящее время они обеспечивают возможность получения трактов длиной до 100 м.

Рисунок 3. Жгут из семи кабелей U/UTP. Эллиптическая форма поперечного сечения достигается за счет несимметричного сепаратора, что улучшает параметры межкабельного переходного затухания.

Так на какое максимальное расстояние может быть обеспечена передача сигналов 10-гигабитного Ethernet по инсталлированной ранее кабельной системе? Всем предъявляемым требованиям полностью отвечают системы Категории 7/ Класса F, которые уже могут быть использованы для передачи на расстояние вплоть до 100 м и даже более.

Рисунок 4. Прокладка неэкранированных кабелей в форме регулярных жгутов (синий) с неудовлетворительным параметром PSANEXT и в виде нерегулярной связки с улучшенными параметрами по межкабельным влияниям (зеленый).

Системы Категории 6/Класса Е в экранированном исполнении рекомендуются при длине тракта передачи до 100 м. Технической предпосылкой для возможности их применения в проектах является гарантия производителем параметров в частотном диапазоне до 500 МГц. Немаловажную роль играет тип экрана и способ его подключения.

Системы Класса Е/Категории 6 в неэкранированном варианте исполнения пригодны для трактов длиной до 55 м. При этом необходимо осуществить проверку их соответствия требованиям по параметру межкомпонентных переходных наводок.

Системы Класса D/Категории 5 не поддерживают функционирование интерфейсов 10GbE и в дальнейшем для этих применений рассматриваться не будут. Тем не менее при наличии инсталлированной ранее проводки этого класса далеко не все потеряно: при формальном невыполнении требований IEEE 802.3an ее характеристики могут быть улучшены и доведены до нужного уровня. Вот примеры мероприятий, которые позволяют осуществить такую модернизацию:

  • применение экранированных коммутационных шнуров вместе с соответствующими аксессуарами вместо ранее использованных неэкранированных;
  • значительное уменьшение длины тракта передачи сигнала;
  • переход на коммутационном поле от схемы кроссконнекта к схеме интерконнекта;
  • отказ от использования так называемых точек консолидации.

В этом направлении наблюдается значительная активность. К настоящему времени опубликованы международные и европейские нормативы (в виде технических сообщений), цель которых — оценка пригодности уже существующей кабельной проводки для передачи сигналов 10GbE. В известных документах содержатся также рекомендации по модернизации имеющихся СКС и улучшению их характеристик до уровня, отвечающего требованиям к кабельной системе в соответствии со спецификацией этого сетевого интерфейса.

Иван Энгельс — руководитель направления ICT Cables & Systems компании Kerpen.


? AWi Verlag


Структурированные кабельные системы для новых инсталляций

В новых инсталляциях, к которым предъявляется требование полной пригодности для поддержания функционирования сетевых интерфейсов 10GbE, могут быть использованы следующие разновидности кабельных систем:

  • системы нового Класса F/новой Категории 7 (1000 МГц), которые предполагается использовать для передачи данных и поддержки систем мультимедиа (включая передачу телевизионных сигналов);
  • системы Класса F/Категории 7 (600 МГц);
  • системы расширенного Класса Е/расширенной Категории 6 (500 МГц) в экранированном исполнении.

Поскольку для систем расширенного Класса Е/расширенной Категории 6 требования по параметру PSANEXT окончательно не утверждены, использование их неэкранированного варианта может быть рекомендовано только с определенными оговорками.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями