Прошло около двух лет после принятия Ассоциацией телекоммуникационной промышленности (TIA) и Ассоциацией электронной промышленности (EIA) совместно с Американским национальным институтом стандартизации (ANSI) стандарта категории 5, прежде чем был сделан первый шаг в разработке более скоростных кабельных систем для локальных сетей.
В сентябре 1997 года Международная организация стандартизации (ISO) одобрила предложения стандартов Категорий 6 и 7. Новые стандарты разрабатывают участники Рабочей группы 3. Организационно группа входит в Подкомитет 25 Объединенного технического комитета 1.
Мюнхен, сентябрь 1997 года. Решение
На встрече в Мюнхене было принято решение о разработке двух новых стандартов электропроводных кабельных систем. Это системы категории 6 / класса E с диапазоном частот до 200 МГц и категории 7 / класса F с диапазоном частот до 600 МГц. Предусматривается использование четырехпарных кабелей с волновым сопротивлением 100 Ом. Для категории 6 это кабели типа незащищенная (UTP) и защищенная витая пара (STP) с разъемами RJ45. Кабели незащищенная витая пара (НЗВП) без экрана и с общим экраном для всех пар широко используются в современных системах.
Для категории 7 средой передачи станет кабель типа защищенная витая пара (ЗВП). Кабели имеют экран для каждой пары плюс общий экран для всех пар. В настоящее время ограниченно используется только двухпарный вариант с особым типом разъемов. Следует особо отметить, что четырехпарные разъемы категории 7 пока находятся на этапе концептуальной разработки и выбора вариантов.
В соответствии с решением, принятым на встрече в Мюнхене, каждая из категорий должна обеспечить превышение сигнала над уровнем суммарных шумов на максимальной частоте.
Как и в случае принятия стандарта категории 5, стандарты СКС опережают разработку протоколов соответствующего класса. С учетом ошибок, сделанных в прошлом, которые привели к несоответствиям стандартов открытых кабельных систем и сетевых протоколов, особое внимание уделяется координации усилий организаций стандартизации, работающих в смежных отраслях. После встрече в Мюнхене участники Рабочей группы 3 работают в тесном взаимодействии с представителями Комитета 802 Института инженеров электроники и электротехники (ИИЭЭ).
В мае 1998 года в Токио, в январе 1999 года в Мехико и в июле 1999 года в Берлине состоялись плановые встречи группы, посвященные разработке категорий 6 и 7. Подготовка стандартов по обеим категориям ведется параллельно. Рассмотрим более детально категорию 6.
Токио, май 1998 гола, Перекройка бюджета
На встрече в Токио в мае 1998 года участники встречи пересмотрели первоначально принятые параметры категории 6 в свете предложений комитета 802 Института инженеров электроники и электротехники. Вопрос состоял в том, каким образом добиться заданного отношения сигнал / шум во всем диапазоне частот.
Обеспечение превышения уровня сигнала над уровнем суммарных собственных шумов особенно актуально на максимальной частоте. Ослабление сигнала в результате затухания и рост уровня наводок увеличиваются пропорционально частоте. На определенной частоте уровень сигнала оказывается равным уровню шума. С дальнейшим ростом частоты шумы превышают полезный сигнал.
Для обеспечения приемлемого коэффициента ошибок, характеризующего качество цифровой передачи, уровень сигнала в диапазоне частот несущей должен более чем на порядок превышать уровень шума. Цифровая обработка сигналов позволяет уменьшить требуемый уровень отношения сигнал / шум.
Параметры категории определяют данное соотношение, называемое также динамическим диапазоном, во всем спектре частот. Первоначальное предложение предусматривало расширение полосы частот до 200 МГц преимущественно за счет уменьшения наводок. На встрече в Токио было принято альтернативное решение получения большей части выигрыша за счет снижения затухания.
Этот метод достижения заданного отношения сигнал / шум имеет ряд преимуществ по сравнению с предложением, принятым в Мюнхене.
Во-первых, уменьшение затухания на 3 дБ на частоте 200 МГц означает увеличение мощности сигнала на 100%.
Увеличение мощности сигнала позволяет использовать больше уровней кодирования сигналов, улучшает устойчивость к внешним шумам и позволяет увеличивать длину каналов для приложений низших классов.
Во-вторых, снижение планки требований для наводок типа NEXT облегчает решение проблемы совместимости систем категорий 6 и 5.
Мехико, январь 1999 года. Согласование параметров
На встрече, которая состоялась в отеле Westin Resort в пригороде Мехико Канкун 25 — 29 января 1999 года, были практически согласованы параметры кабелей и разъемов категории 6.
Параметры кабелей, разъемов, линий и каналов определены до частоты 250 МГц, несмотря на то, что диапазон частот канала составляет 200 МГц. На этой частоте отношение затухание / суммарные наводки двунаправленной передачи (PS ACR) составляет 0 децибел. Это значит, что мощность сигнала равна мощности шумов от всех соседних пар кабеля.
Разработка стандарта категории 5е для Gigabit Ethernet привела к расширению числа характеристик и для категории 6. Параметр, характеризующий качество двунаправленной передачи сигналов (PS ACR), который зависит от отношения затухания (Attenuation), и суммарных наводок (PS NEXT) был дополнен рядом других. Это возвратные потери (Return Loss), отношение затухания к суммарным наводкам однонаправленной передачи (PS ELFEXT), задержка (Delay) и фазовый сдвиг (Skew).
Эти характеристики необходимо учитывать для протоколов, использующих все четыре пары для передачи сигналов одновременно в обоих направлениях. После модификации категории 5 измерения на соответствие данным параметрам является обязательным условием для ресертификации установленных кабелей.
Параметры канала категории 6 / класса E (длина 100 метров)
По сравнению с каналом категории 5 динамический диапазон на частоте 100 МГ расширен на 16 дБ. Затухание улучшено на 3 дБ, двунаправленные наводки NEXT — на 13 дБ. Возвратные потери уменьшились на 3 дБ, отношение затухания к однонаправленным наводкам (ELFEXT) повышено на 6 дБ.
С учетом двукратного расширения частотного диапазона категория 6 знаменует существенный прогресс электропроводных систем. (О «конкуренции» электропроводных и оптоволоконных систем — в статье «Локальная сеть — кварц или медь»).
Необходимость одновременного учета перекрестных (NEXT) и однонаправленных наводок (FEXT) дуплексной передачи потребовало особого рассмотрения проблем совместимости. По определению стандартов кабельные системы новых категорий должны обеспечивать работу приложений низших классов. Кроме того, элементы разных производителей соответствующей категории призваны быть взаимозаменяемыми. Эти требования не являются надуманными и влияют на варианты использования систем заказчиками.
Речь идет о совместимости категорий и совместимости элементов. Проблема, которую обсуждали на встрече в Мехико, оказалась в центре дискуссии в Берлине.
Берлин, июль 1999 года. Проблема совместимости
По результатам встречи участников Рабочей группы 3 Международной организации стандартизации в Берлине параметры базовой линии и канала класса Е не претерпели изменений. В центре внимания оказались проблемы совместимости, затронутые на предыдущей встрече. Они были выделены в отдельную группу:
- совместимость разъемов (механическое соответствие разъемов различных производителей);
- совместимость категорий (возможность создания канала из кабелей разных категорий / классов);
- совместимость элементов (электрическое соответствие разъемов различных производителей).
До встречи в Берлине вопросы механической совместимости разъемов вплоть до категории 6 не вызывали сомнений. Стандарт RJ 45, определяющий параметры штекеров и разъемов, является безальтернативным для электропроводных локальных сетей. Единый тип разъемных соединений — это одно из важных преимуществ таких систем по сравнению с оптоволоконными.
В определенном смысле участники встречи решили сделать шаг назад, чтобы найти приемлемое решение. Однако данная проблема не нова. Производители СКС давно пытаются улучшить параметры традиционных коннекторов. Более того, даже действующие стандарты гарантируют только механическую совместимость.
Несколько ведущих компаний отрасли проводит разработку либо имеет серийную продукцию, основанную на принципиально новых конструкциях и методах монтажа коннекторов. Пионером в этой области является компания ITT NS&S, Великобритания, которая создала новый тип разъемов еще в 1991. Это обеспечило резерв параметров, который не исчерпан до настоящего времени и превосходит возможности категории 6 по увеличению длины каналов. При этом обеспечены все виды совместимости.
Совместимость категорий предусматривает возможность построения канала из элементов разных категорий. Такая ситуация будет типичной для пользователей, которые установят СКС категории 6, рассчитывая на длительный срок эксплуатации системы. В настоящее время гигабитные приложения используют в магистральных каналах и для подключения серверов.
Через несколько лет эти приложения станут абонентскими. Следовательно, гигабитная среда передачи будет использована для приложений класса D — Fast Ethernet, ATM 155 и др. Для снижения расходов эксплуатации системы заказчики выберут дешевые соединительные кабели категории 5 / 5e. Они вправе ожидать, что такие каналы будут иметь параметры, приемлемые для работы сети.
Однако проект стандарта в редакции предложений, принятых на встрече в Мехико, не обеспечивает совместимости категорий. Более того, не все производители гарантируют совместимость категорий собственных систем. Это значит, что базовая линия шестой категории плюс соединительные кабели пятой категории не обеспечат функциональных параметров канала категории 5.
Еще более серьезной проблемой является гарантия совместимости элементов. Она предусматривает возможность построения базовых линий из кабелей и разъемов разных производителей.
Суть проблемы заключается в том, что для систем категории 6 разработчики решают проблему компенсации разбалансировки витых пар, неизбежную при монтаже разъемов, частным образом. Особенность наводок при однонаправленной (FEXT) и двунаправленной (NEXT) приемо-передаче заключается в том, что улучшение NEXT происходит за счет ухудшения FEXT и наоборот.
Кроме того, каждый тип разъема имеет разный уровень наводок при сбалансированных NEXT и FEXT. Это зависит от размеров и типа коннектора, а также геометрии расплетенных витых пар. Достаточно представить себе многообразие решений и конструктивного исполнения коннекторов, чтобы понять масштаб проблемы.
Проблема совместимости элементов остается одним из важнейших нерешенных вопросов стандартизации категории 6. Без этого стандарт нельзя считать открытым, а систему структурированной.
Специалисты Института инженеров электроники и электротехники выражают серьезную обеспокоенность данной проблемой, поскольку она напрямую затрагивает интересы производителей активного оборудования. Если производители кабельных систем компенсируют разбалансировку гнездовых и штекерных разъемов различными способами, канал, собранный из элементов разных производителей, не обеспечит параметров категории 6. То же может произойти и с разъемами, установленными в активных устройствах, которые не будут совместимыми по методу компенсации шумов в канале.
Такая ситуация недопустима, поскольку может привести к тому, что производители активного оборудования будут вынуждены устанавливать в сетевые устройства класса Е гнездовые разъемы с различными методами компенсации наводок типа NEXT и FEXT. Это способно разрушить один из основных принципов СКС — открытость. Другими словами, кабельная система будет обеспечивать работу ограниченного перечня сетевых устройств.
Участники комитета полагают, что совместимость элементов нельзя обеспечить без существенных изменений предложений категории 6. Более того, в данной организации стандартизации утвердилось мнение о том, что им «не удастся гарантировать совместимости элементов разных производителей».
Еще один фактор — отсутствие приложений класса Е и нежелание руководства Института инженеров электроники и электротехники разрабатывать такие протоколы прежде, чем появятся более конкретные требования рынка.
Решением этих проблем занимаются участники Технического комитета 48В. После принятия комитетом решений и выработки рекомендаций Рабочая группа 3 вернется к рассмотрению вопросов совместимости. Возможно, изучив рекомендации Технического комитета, Рабочая группа 3 придет к выводу о необходимости принципиального изменения конструкции кабельных разъемов. Безусловно, это потребует подготовки спецификаций гнездовых и штекерных разъемов и их включения в новую редакцию стандарта.
Выводы
Несмотря на отсутствие протоколов класса Е, Международная организация стандартизации продолжает активную разработку категории 6. Новый стандарт призван обеспечить двукратное расширение диапазона частот по сравнению с категорией 5 и учет ряда новых параметров для более эффективного использования среды передачи.
Параметры категории 6 практически определены, что дает ориентиры разработчикам новых систем и пользователям.
Анализ результатов встреч в Мехико и Берлине позволяет сделать вывод о серьезных затруднениях в решении проблем совместимости, которые сводятся к конструкции разъема. Детальное изучение комитетом 48В существа вопроса заставляет усомниться даже в возможности принятия единого типа разъема, обеспечивающего механическую совместимость. Это сигнал о том, что эволюционное совершенствование традиционных коннекторов, разработанных для речевых приложений, достигло своего предела.
Разработчики стандарта стоят перед выбором — новый тип разъемов или отказ от принципа совместимости категорий.
Радикальный вариант, означающий переход на новый тип коннекторов, потребует подготовки спецификаций гнездовых и штекерных разъемов и их включения в новую редакцию стандарта.
Если преобладает консервативный подход, основанный на традиционных решениях, второе издание стандарта ISO / IEC 11801 может содержать дополнительные ограничения. В частности, придется отметить, что в случае использования линий категории 6 и соединительных кабелей категории 5 существует риск работы канала на уровне ниже, чем категория 5.
На практике это означает необходимость замены большого числа существующих соединительных кабелей. Вероятно, этого не удастся избежать. Но даже и в этом случае полная совместимость категорий не будет обеспечена.
Критериями выбора систем категории 6 до принятия стандартов могут стать наличие у производителей СКС принципиально новых типов кабельных разъемов и предоставление заказчикам гарантий совместимости.
Примечание.
Стандарт категории 6 принят и опубликован в июне 2002 года. Комитету электропроводных кабельных систем TIA TR-42.7 и Консорциуму категории 6 удалось решить проблемы совместимости путем разработки спецификаций гнездовых и штекерных разъемов, а также методик и технологии тестирования. Ноябрь 2002 года.
Результаты тестирования канала категории 6. Август 2003 года.
Автор: Воловодов А.А., ООО «Эколан Тек».
Статья опубликована в журнале «Сети и системы связи» (8 выпуск, 1999 год).