Cтруктурированные кабельные системы (СКС), составляют основу локальных сетей офисов и телекоммуникационную инфраструктуру зданий. Затраты на их создание относят к капитальным. Срок службы - не менее 10 лет.

Если речевые приложения не предъявляют особых требований, то информационные буквально сотрясают стандарты среды передачи. Сетевая нагрузка возрастает на порядок каждые пять лет, что требует замены категорий СКС, которые были выбраны под текущие протоколы.

Чтобы не пришлось менять проводку уже в первой четверти гарантийного срока, необходимо смотреть в будущее. При этом проблемы, не существовавшие еще вчера, выходят на первый план. Одна из них - межкабельные наводки.

Кабельный жгут или параллельно проложенные неэкранированные кабели могут создавать недопустимый уровень помех работе гигабитных протоколов. Это один из ключевых вопросов, обсуждаемых в настоящее время в комитетах стандартизации.

Для ограничения их влияния может потребоваться ужесточение спецификаций стандартов, изменение правил прокладки кабелей или принятие других мер.

Что такое межкабельные наводки?

Межкабельные наводки можно определить как нежелательные электромагнитные сигналы от проложенных в жгутах смежных кабелей. Измеряются как отношение сигнала, подаваемого на активную витую пару (пары) одного кабеля, к сигналу, наведенному в контрольной паре другого кабеля.

Наибольший уровень наводок возникает между витыми парами, имеющими одинаковый шаг скрутки. Все проводники имеют цветовую маркировку, потому можно говорить, например, о наводках между синими или коричневыми парами.

Если в жгуте более двух кабелей, появляется эффект суммарных наводок. Кроме равношаговых, и остальные пары оказывают негативное воздействие.

Как и для помех между парами, межкабельные наводки могут быть двунаправленными (Alien NEXT) и однонаправленными (Alien FEXT). В данной статье анализируются только двунаправленные наводки.

В чем опасность межкабельных наводок?

Соседние кабели вносят дополнительные помехи, превышающие их уровень между парами внутри кабельной оболочки. Это снижает отношение сигнал / шум канала и может повлиять на работу протоколов. В результате уменьшаются динамический и частотный диапазоны канала.

Специалисты Американского национального института стандартизации и Ассоциации телекоммуникационной и электронной промышленности предлагают пересмотреть значения затухания и наводок, чтобы обеспечить заданный диапазон частот 200 МГц, определенный для категории 6. Эти изменения должны обеспечить требуемое отношение сигнал / шум в верхнем диапазоне частот для любых условий прокладки кабелей.

Важно учесть, что даже после монтажа системы эффект межкабельных наводок невозможно обнаружить с помощью стандартных измерений. Следовательно, для устранения проблемы придется ужесточать параметры стандартов или принимать другие меры.

Почему проблема не возникала ранее?

Расширение частотного диапазона требует учета источников наводок, которые прежде не принимались во внимание. На частотах до 20 МГц, требуемых для работы протоколов класса С, например, Ethernet, сигнал затухает незначительно. Пренебрежимо малы и наводки. Отношение сигнал / шум многократно превышает требования протоколов.

В системах категории 5 существенно возрастает затухание и наводки. В каналах максимальной длины их отношение оказывается недостаточным для работы протоколов класса D (Fast Ethernet, ATM 155). При этом основным источником помех являются кабельные разъемы. Изменение волнового сопротивления зависит, прежде всего, от геометрии проводников. Расплетение витых пар для монтажа гнездовых разъемов создает максимальный электромагнитный шум. Разъем создает в несколько раз больше шумов, чем кабель длиной 100 метров.

Мощность межкабельных наводок выше, чем у межпарных, и сопоставима с наводками от расплетенных пар. Однако проблем у систем категории 5 не возникает благодаря схеме передачи.

В протоколе Fast Ethernet одна пара работает на передачу, другая на прием. Все пары, маркированные одним цветом, передают сигналы в одном направлении.

Особенность двунаправленных наводок (NEXT) в том, что они практически не зависят от длины кабеля, хотя и возникают на всем протяжении канала. Это объясняется затуханием сигнала. Для канала категории 5 максимальной длины величина затухания составляет 24 дБ. Другими словами, мощность сигнала на удаленном конце падает в 250 раз. Соответственно снижается и уровень наводок. Наводки от дальнего конца кабеля также затухают, прежде чем попадают на вход в приемник.

Таким образом, двунаправленные наводки максимальны на обоих концах канала и существуют только между разнотипными парами. Такие пары имеют разный шаг скрутки, что снижает уровень взаимных наводок. В жгутах это влияние еще меньше, чем внутри кабельной оболочки.

При работе гигабитных протоколов межкабельные наводки не только превышают межпарные, но и создают больше проблем.

Во первых, протокол Gigabit Ethernet использует все четыре пары для одновременной передачи данных в обоих направлениях. В результате возникает необходимость учета суммарных межкабельных наводок между парами с одинаковым шагом скрутки.

Во вторых, межкабельные наводки оказываются преобладающими. Расширение частотного диапазона до 200 МГц потребовало улучшения конструкции коннекторов. Наводки разъемов и кабелей стали сопоставимыми.

В третьих, в отличие от наводок между парами межкабельные наводки невозможно компенсировать. Подобный учет двунаправленных наводок (NEXT) и возвратных потерь (Return Loss) с помощью цифровой обработки сигналов позволяет подавить наводки из других пар и уменьшить битовый коэффициент ошибок до приемлемого уровня. Процессорная обработка дает увеличение отношения сигнал / шум на 6 дБ.

В четвертых, кабели категории 6 более уязвимы для межкабельных наводок по сравнению с категорией 5. При их производстве требуется точнее выдерживать шаг скрутки. Следовательно, идентичные пары смежных кабелей оказывают большее влияние друг на друга.

Длина жгута и канала

Для учета межкабельных наводок следует различать понятия жгута и канала. Жгут представляет собой параллельно проложенные кабели, фиксированные стяжками. Как правило, длина жгута не превышает 90 метров - максимальной длины базовой линии.

Канал - это среда передачи сигналов между двумя устройствами активного оборудования. Канал включает линию, абонентские и сетевые кабели. В некоторых случаях соединительные кабели также могут объединяться в жгуты. В частности, коммутационные кабели фиксируются стяжками для удобства администрирования. Длина канала для класса приложения, соответствующего категории СКС, не должна превышать 100 метров.

Как и в кабеле, в жгуте возникают наводки двунаправленной и однонаправленной приемопередачи.

Источниками двунаправленных межкабельных наводок служат точки максимального приближения однотипных пар друг к другу. Со стороны розетки проблема может не возникать, если одно из гнезд используется для компьютера, другое – для телефона. На другом конце линии – подключении к панели - двунаправленные межкабельные наводки неизбежны.

Двунаправленные межкабельные наводки повышают требования к качеству монтажа. Чрезмерная затяжка жгутов приводит к изменению геометрии витых пар и приближению пар друг к другу. Это ухудшает балансировку и увеличивает все виды электромагнитных помех.

Хотя длина жгута для двунаправленных наводок не имеет значения, длину канала следует учитывать. При увеличении длины канала затухание возрастает, что ухудшает параметр сигнал / шум.

Однонаправленные наводки зависят как от длины жгута, так и длины канала. Рекомендации стандарта прокладки кабельных каналов EIA/TIA 569 таковы, что жгуты составляют практически всю длину линии – от панели до розетки. В жгутах к многопортовым розеткам информационные приложения будут подвергаться межкабельным наводкам на всей длине линии.

На практике общий уровень межкабельных наводок будет зависеть от числа кабелей в связке, длины жгута и типа прокладки.

Измерения межкабельных наводок

Компания ITT NS&S, Великобритания, провела исследования межкабельных наводок для двух типов кабелей: неэкранированных и экранированных. Жгут состоял из двух кабелей. Это не худший вариант. Как показано на схеме 1, связка из нескольких кабелей может создавать эффект суммарных шумов. Увеличение числа кабелей в связке усложняет картину наводок. С одной стороны, взаимодействующие пары удаляются друг от друга, с другой – возникает больше комбинаций наводок.

Целью эксперимента было сравнение уровней двунаправленных (NEXT) и двунаправленных межкабельных наводок (Alien NEXT) в связке неэкранированных и экранированных кабелей.

Для измерений использовалось следующее оборудование и элементы:

• векторный сетевой анализатор Rohde & Schwarz ZVRL;
• волновые адаптеры Minns;
• резисторы нагрузки с активным сопротивлением 100 ом.

Для сравнения были выбраны:

• два неэкранированных кабеля категории 6 длиной 90 метров
• два экранированных кабеля категории 6 длиной 90 метров

Кабели длиной 90 метров были проложены параллельно и фиксированы стяжками через 30 см. Измерительный прибор был подключен в соответствии со схемой 3.

Для согласования волнового сопротивления прибора и кабелей использовался волновой адаптер (ВА) с диапазоном частот 1 – 250 МГц. Не задействованные пары были нагружены резисторами с сопротивлением 100 ом.

Сначала измерялись традиционные двунаправленные наводки. Результаты измерений шести комбинаций двунаправленный наводок (NEXT) в полосе частот 1 – 200 МГц фиксировались в табличной и графической форме.

Межкабельные наводки измерялись следующим образом. Сетевой анализатор подавал сигнал на синюю пару одного кабеля. Уровень наведенного сигнала измерялся в синей паре другого кабеля во всем диапазоне частот. Тестирование проводилось последовательно для каждой из пар.

Все измерения повторялись для линии экранированных кабелей категории 6.

Результаты документировались в табличной и графической форме.

Сравнение межкабельных наводок линии с максимально допустимыми значениями NEXT канала не случайно. Соединительные кабели соединяют жгутами настолько редко, что нет необходимости рассматривать такие ситуации особо. С другой стороны, важно представлять не превышают ли наводки в линии пределов, определяемых для канала.

Как видно из графика 1 межкабельные наводки в неэкранированных линиях создают существенно больший шум, чем традиционные двунаправленные наводки. Они настолько значительны, что превышают значения NEXT для канала, определенные проектом категории 6. Это объясняется тем, что пары с одинаковым шагом скрутки оказываются уязвимыми для наводок от аналогичных пар.

Следует отметить, что на низких частотах эффект межкабельных наводок возрастает, так как отклонения в длине шага однотипных пар оказываются меньше по сравнению с длиной волны.

На графике 2 показаны уровни собственных и межкабельных перекрестных наводок экранированных кабелей ISCS XE. В этом случае межкабельные наводки на один – три порядка меньше двунаправленных наводок и на два – четыре порядка меньше пределов категории 6. Следовательно, для экранированных кабелей они могут не приниматься во внимание.

Поэтому последующий анализ относится только к неэкранированным системам.

Сравнение и анализ

На графике 3 сведены результаты измерений межкабельных наводок неэкранированных и экранированных кабелей. Для анализа влияния межкабельных наводок на работу Gigabit Ethernet приведены максимально допустимые уровни наводок канала категории 5е.

Кроме того, показан уровень затухания для канала категории 5е и превышения сигнала над шумом без учета компенсации NEXT методом цифровой обработки сигналов (на графике 3 - ACR Gigabit Ethernet without DSP). Динамический диапазон, требуемый для работы протокола, выделен вертикальной штриховкой зеленого цвета.

Полоса частот протокола Gigabit Ethernet составляет 125 МГц. Это определяется пятиуровневым кодом PAM 5 с двухбитовым кодированием.

График наглядно показывает, почему проблема межкабельных наволок не имеет значения на частотах ниже 30 МГц. Несмотря на то, что суммарные межкабельные наводки больше двунаправленных наводок (NEXT) категории 5е, превышение мощности сигнала над уровнем шумов является более чем достаточным - около 30 дБ или 10³ раз.

На частотах выше 30 МГц суммарные межкабельные наводки неэкранированных кабелей не превышают допустимые значения NEXT категории 5е. Тем не менее, они могут повлиять на работу гигабитных приложений, поскольку их невозможно компенсировать процессорной обработкой.

В районе максимальных частот на графике 3 можно видеть, что сигнал в буквальном смысле слова извлекается из шумов. Фактически так и происходит. На сумматор, обозначенный знаком “+” на схеме 2, цифровые сигналы двунаправленных наводок и возвратных потерь от всех смежных пар подаются в противофазе и подавляются. Таким образом, сигналы на входе в приемник выделяются из шумов.

Однако возвратные потери (Return Loss), однонаправленные наводки (FEXT) и межкабельные наводки (Alien NEXT, Alien FEXT) невозможно уменьшить таким образом. Другими словами, уровень межкабельных наводок должен быть на 6 дБ меньше, чем межпарных. Разница на графике в диапазоне частот 70 - 125 МГц не превышает 4 дБ.

В результате, возможно увеличение битового коэффициента ошибок и появление других проблем работы протокола Gigabit Ethernet в системах категории 5е на каналах максимальной длины.

Следует отметить, что измерения проводились между парами двух смежных кабелей. Это не худший из возможных вариантов прокладки, которые могут включать жгуты до 12 кабелей. Расчетные параметры суммарных межкабельных наводок и их влияние на уменьшение частотного диапазона категории 6 приведены на графике 4.

Проект стандарта категории 6 определяет диапазон частот канала величиной 200 МГц. Результаты измерений компании ITT NS&S продемонстрировали уменьшение частотного диапазона даже для связки из двух неэкранированных кабелей. С учетом суммарных межкабельных наводок частотный диапазон составит около 160 МГц. Принимая во внимание невозможность компенсации межкабельных двунаправленных наводок методом цифровой обработки сигналов (ЦОС), для жгутов из шести и более кабелей полоса частот может сузиться до 120 – 130 МГц.

Международная организация стандартизации (ISO) изучает ограничения полосы частот категории 6, вызываемые межкабельными наводками. Вариантом решения проблемы является разработка методики их измерений. Если окажется, что межкабельные наводки превышают допустимые значения, потребуется принятие специальных мер. Среди них – ужесточение параметров кабелей или изменение правил прокладки.

Межкабельные наводки можно контролировать тремя методами:

• уменьшением источников шумов, что улучшает параметр сигнал / шум кабеля. Для этого придется ужесточить спецификации категории 6;
• изменением параметров монтажа. Это приведет к ограничениям в использовании кабельных связок, недопустимости полного заполнения коробов;
• применением экранированных кабелей.

Контроль межкабельных наводок требует учета многих факторов. Невозможность тестирования во время или после монтажа ставит под сомнение эффективность решения проблемы только соблюдением рекомендаций монтажа.

Однако для уже установленных систем категорий 5е и 6 данные мероприятия не применимы, что может привести к проблемам не только для будущих приложений класса E но и для действующего протокола Gigabit Ethernet. Следует также учесть тот факт, что допустимое затухание в системах категории 5е на несколько децибел выше, чем категории 6. В результате диапазон частот оказывается урезанным еще на 15 – 20 МГц.

До того времени, когда выход будет найден, простейшее и наиболее эффективное решение – выбор экранированных систем. Они обеспечивают решение проблемы межкабельных наводок и беспроблемную работу гигабитных приложений.

Рекомендации прокладки кабелей

Для минимизации межкабельных наводок неэкранированных кабелей их следует располагать свободно и не параллельно. Заполнение коробов не должно превышать 40%.

Распространенная в настоящее время практика фиксации кабелей стяжками может быть отменена. Для вертикальных каналов эти рекомендации будет особенно сложно выполнить, поскольку фиксация в данном случае предотвращает чрезмерные продольные нагрузки, приводящие к растягиванию кабелей и ухудшению их параметров.

Если все эти меры окажутся неэффективным, остается уменьшение длины каналов, которое позволит достичь заданного отношения сигнал / шум путем уменьшения затухания.

Заключение

Анализ результатов тестирования показывает, что неэкранированные кабели не являются стабильной платформой для будущих высокоскоростных приложений. Экранированные системы обеспечивают надежную защиту от межкабельных наводок и более пригодны для гигабитных протоколов.

Организации стандартизации будут вынуждены пересмотреть спецификации проекта стандарта категории 6, либо изменить практику прокладки неэкранированных кабелей.

Принимая во внимание серьезность затронутой проблемы, следует оценить неэкранированные системы на предмет достижения ими своего предела.