Дефицит категории 5

В настоящее время системы категории 5 оказалась в таком же положении, как и категории 3 в 1995 году. И тогда и сейчас был достигнут пик установок. Приложения, полностью использующие ресурсы среды передачи, стали абонентскими. Системы начали использовать по максимуму возможностей. Появились новые стандарты, требующие замены кабельной инфраструктуры. Принятый в 1995 году стандарт протокола ATM 155, а в 1999 году — Gigabit Ethernet, разработаны с учетом перехода на новую среду передачи.

Стандарты

Кабельные системы локальных сетей перешли на качественно новый этап после принятия стандартов. Разрозненные несовместимые частные кабельные проводки, создающие массу проблем, уступили место хорошо организованным открытым системам.

Под структурированной кабельной системой (СКС) понимают среду передачи телекоммуникационных сигналов здания (комплекса зданий), создаваемую в соответствии с общепризнанными стандартами.

Международные, европейские и национальные стандарты определяют структуру СКС, рабочие параметры конструктивных и функциональных элементов, принципы проектирования и монтажа СКС, методику измерения рабочих параметров, правила маркировки и администрирования.

Структурированные системы обеспечивают длительный срок эксплуатации, функциональность, гибкость, надежность, снижают стоимость эксплуатации. Использование СКС создает основу для повышения эффективности современной организации.

Совокупность параметров определяется категорией. Важнейшей характеристикой категории является диапазон частот. Категория 3 с диапазоном частот 16 МГц была принята в 1991 году, категория 5, которая расширила диапазон до 100 МГц в 1995 году.

Категория

Категория 5 разрабатывалась для простых схем передачи. Их четырех витых пар задействовались только две, одна из которых работала на передачу, другая — на прием. Для оценки качества передачи сигналов требовалось учесть уменьшение мощности в результате затухания и наличие шумов, наводимых другой парой. Усложнение схем передачи потребовало учета наводок всех пар, или суммарных наводок.

Для иллюстрации наводок можно привести пример распространения волн на поверхности воды, имеющего ту же природу, что и передача электромагнитных сигналов. Оба явления имеют волновую природу.

Движение объекта по воде вызывает волны на ее поверхности. Чем выше скорость, тем сильнее волна. Волны действуют на другие объекты, движущиеся, например, в канале навстречу друг другу. Движение прекратилось — волны исчезли.

Электромагнитные волны, с помощью которых передается сигнал, вызывают появление нежелательных сигналов в соседних парах или наводок. Как и в природе, последствия возмущения среды могут варьироваться от несущественных до ощутимых и даже опасных. Скорость передачи данных уменьшается в результате повторной отправки дефектных пакетов. Дальнейшее увеличение наводок приводит к сбоям сетевых протоколов.

Особенность распространения электромагнитных волн состоит в том, что с повышением частоты мощность наведенных сигналов возрастает. При изменении частоты сигнала от 1 до 100 МГц мощность наводок в канале категории 5 возрастает в тысячи раз.

Наводки являются собственными шумами системы. Существуют и внешние шумы. В некоторых ситуациях они оказываются сопоставимыми с собственными шумами кабельного канала или превышают их. Их можно сравнить с волнами, создаваемыми в результате, например, ветра. В любом случае внешние помехи следует принимать во внимание, начиная с этапа проектирования СКС и в течение всего срока эксплуатации.

Применение сбалансированных протоколов и скрутка витых пар позволили уменьшить влияние наводок и увеличить диапазон частот электропроводных кабелей.

Но и сами сигналы являются волнами. Полезный сигнал ослабляется в результате затухания. Представьте себе волну на водной поверхности бассейна. Чем дальше от источника колебаний, тем меньше амплитуда. При увеличении частоты затухание электромагнитных волн возрастает. Иными словами крупные волны исчезают медленнее, чем рябь на воде. В результате неравноценного затухания волн разной длины волновая картина искажается по мере удаления от источника.

То же явление наблюдается и в кабельных каналах. Амплитуда сигнала с частотой 100 МГц на выходе из канала максимально допустимой длины оказывается в сто и более раз меньше, чем у того же сигнала в диапазоне до 1 МГц. Частотную характеристику восстанавливают с помощью эквалайзеров. Для этого коэффициент усиления прибора возрастает с частотой.

При этом усиливается не только уровень сигнала, но и уровень шума. Это происходит в верхнем диапазоне частот, где отношение сигнал / шум минимально. В стандартном канале категории 5 на частоте 100 МГц мощность сигнала уменьшается на 24 дБ или в 250 раз. Полезный сигнал превышает уровень помех, вызываемых наводками соседней пары, на три децибела или всего в полтора раза. С учетом суммарных наводок этот показатель (PS ACR) на частоте 100 МГц равен нулю.

В соответствии со стандартами максимальная длина канала составляет 100 метров. Параметры приведены для комбинации худших пар.

Относительные значения выражены в логарифмической шкале. Десять децибел равны одному белу или десяти в первой степени. Таким образом, десять децибел — это один порядок изменения величины.

Значение затухания и наводок измеряются полевыми тестерами, их отношение (ACR) рассчитывается с помощью программного обеспечения того же прибора. Деление соответствует логарифмическому вычитанию. Зеленая линия ACR — это разница между красной линией затухания (Attenuation) и синей линией наводок (NEXT). Разница, поскольку делению в десятичной соответствует вычитание в логарифмической шкале.

Частотный диапазон

На графике стандартных параметров канала категории 5 показана линия требуемого превышения сигнала над уровнем шума для протокола ATM 155. Без учета внешних помех это отношение затухания и наводок (ACR). Данный параметр относится к стандартам протоколов и обеспечивает работу ATM 155 с заданным коэффициентом ошибок.

График фиксирует несоответствие требований протокола и среды передачи, которое следует рассмотреть подробнее. Метод кодирования сигналов NRZ, протокола ATM 155 с тактовой частотой 155,52 МГц позволяет уменьшить вдвое полосу частот. Таким образом, диапазон частот несущей составляет 77,76 МГц. С учетом первой гармоники, необходимой для получения коэффициента ошибок 10^–10, диапазон удваивается до 155,52 МГц.

Стандартный канал категории 5 максимальной длины обеспечивает полосу 100 Мгц с незначительным резервом. Нулевой запас превышения мощности сигнала на шумом при этом будет на частоте 115 МГц.

Энергия спектра сигнала АТМ 155 на частотах свыше 100 МГц составляет в среднем около 5%. Тем не менее, эта энергия необходима для восстановления формы импульса и важна для получения заданного коэффициента ошибок.

Острота проблемы сглаживается двумя факторами: лучшими параметрами пар, выделенных для АТМ 155, и меньшей длиной каналов.

Для передачи сигналов АТМ 155 задействованы пары, расположенные на крайних контактах (1–2 и 7–8) коннектора, которые во всех случаях имеют лучшие параметры NEXT, чем предусмотрено стандартами. Нулевое значение отношения затухания и перекрестных наводок (ACR) в каналах максимальной длины для этих пар отмечается на частотах 130–150 МГц.

Каналы меньшей длины позволяют расширить динамический диапазон за счет уменьшения затухания. При уменьшении длины канала до 30–40 метров отношение затухания к наводкам (ACR) возрастает более чем на 10 дБ.

В результате, категория 5 в большинстве случаев обеспечивает работу АТМ 155 с приемлемым коэффициентом ошибок. Для того чтобы быть уверенным на 100% в соответствии канала требованиям всех сетевых протоколов, требуется измерение полевым тестером со специальным программным обеспечением.

Такой прибор позволяет инструментально измерять значения затухания, наводок и рассчитывать их отношение (ACR). Измерения проводятся для пар / комбинаций пар с учетом последовательности и в диапазонах частот всех действующих протоколов. Каковы же параметры, используемые для измерений на соответствие требованиям протоколов?

Требования сетевых протоколов

Важнейшими параметрами, которые требуются для усиления и восстановления в приемниках, является уровень затухания в заданном диапазоне частот, и отношение сигнал / шум. Без учета внешних помех и возвратных потерь отношение сигнал / шум равно отношению затухания и наволок (ACR).

По полосе частот действующие приложения делят на классы — от А до D. Приложения класса D — это сетевые протоколы, требующие эффективную полосу частот канала до 100 МГц. Другими словами, среда передачи категории 5 предназначена для приложений класса D. Приложения класса C — 16 МГц, класса B — 1 МГЦ, класса A — 100 КГц.

Требования протоколов и возможности среды передачи приведены в таблице.

Красным цветом отмечены параметры сетевых протоколов, выходящие за рамки категории 5 и дефицит качества сигнала.

По затуханию сигналов проблем нет. Среда передачи обеспечивает требуемые параметры. Сложнее обеспечить превышение сигнала над уровнем шума.

Для АТМ 155 отношение сигнал / шум на частоте до 100 МГц должно составлять не менее 16 дБ. Протокол Fast Ethernet требует превышения сигнала над уровнем шумов не менее 17 дБ на частоте до 80 МГц. Канал категории 5 максимальной длины дает для худших пар всего 3,1 дБ. При этом совершенно не учитываются внешние шумы.

Итак, явное несоответствие требуемого и фактического отношения сигнал / шум, которое составляет на максимальной частоте один-два порядка.

Разница в параметрах пар не оговаривается и не учитывается стандартами. В каналах максимальной длины протоколы могут работать нормально, потому что используют не самые худшие пары. Однако резерв этих пар не известен.

Сертификация по худшим параметрам не позволяет учитывать резервы других пар и инструментально гарантировать работу протоколов. Типичная гарантия — соответствие параметрам базовой линии категории 5. Такая гарантия создает ситуацию неопределенности и даже лотереи, когда заказчик не может быть уверенным в работе протоколов и даже не соответствии параметрам канала, а получает характеристики фиксированного кабеля с двумя разъемами на концах.

В любой системе есть несколько процентов линий, имеющих максимальную длину. Нельзя сбрасывать со счета и человеческий фактор. Даже на коротких линиях возможен монтаж разъемов с превышением допусков нарушения геометрии витых пар. Небрежный монтаж уменьшит резерв, имеющийся у отдельных пар и канала в целом.

Формально, тестирование подтвердит соответствие базовой линии / канала категории 5. Однако при работе сетевых протоколов класса D может отмечаться недопустимо высокий уровень ошибок или более серьезные проблемы, возникающие из-за несоответствий стандартов физического уровня и среды передачи.

Результат — уменьшение скорости передачи данных из-за повторной передачи пакетов, остановка кадров в режиме АТМ видео, сбой протоколов и даже отсутствие приема в канале.

Такие случаи имеют место. При этом формально нельзя предъявить претензий производителям СКС и интеграторам, которые предоставили гарантии соответствия системы категории 5. Заказчик платит за гарантии на 15, 20 и более лет, но уже первое включение оборудования показывает, что эти гарантии бесполезны.

Данная проблема пока еще не стала массовой, благодаря меньшей длине каналов и использованию приложений низших классов. Однако она нередко проявляется в отсутствии или незначительном росте скорости передачи данных после замены 10 мегабитных карт и сетевых устройств на 100 мегабитные.

Проблемы категории 5

Даже без учета будущих потребностей категория 5 имеет дефицит ресурсов.

Во-первых, за прошедшие пять лет производительность абонентских компьютеров увеличилась в десятки раз, а скорость передачи данных в сетях возросла в несколько раз. Это означает увеличение сетевой нагрузки примерно на порядок.

Растут размеры сетей. Персональные компьютеры имеются в каждом офисе и практически у каждого сотрудника. Это повысило нагрузку в разделяемых сетях оценочно еще в несколько раз. Итак, нагрузка на сеть возросла в десятки раз.

Во-вторых, соответствие канала категории 5 не гарантирует работу приложений класса D для всех ситуаций. Как показано выше, канал максимальной длины, удовлетворяющий стандартам, не обеспечивает работу приложений с заданным коэффициентом ошибок.

В третьих, неэкранированные системы категории 5 не соответствуют требованиям европейской Директивы ЭМС для офисных и, тем более, промышленных зданий.

С учетом будущих потребностей категория 5 морально устарела.

Организации стандартизации предприняли максимум усилий, чтобы буквально втиснуть Gigabit Ethernet в параметры пятой категории. Стандарт категории 5е принят в конце 1999 года. Это дает возможность ре-сертификации установленных каналов и дальнейшего использования части из них под гигабитные приложения. Тем не менее, для гарантированной работы протокола Gigabit Ethernet необходимо устанавливать СКС категории 5е.

Годом ранее — в июне 1998 года был стандартизован протокол 1000 Base СX Gigabit Ethernet для симметричных кабелей категории 5. Длина линий не может превышать 25 метров. Данный стандарт имеет ограниченное применение — подключение оборудования в пределах телекоммуникационных помещений и аппаратных — и не получил распространения.

Можно предположить, что в течение двух-трех лет пользователи начнут массовый переход на гигабитные приложения. Системы пятой категории будут вытесняться не только в новых установках, но и в результате вынужденной замены части действующих каналов.

Выбор СКС категории 5 сегодня оставит заказчикам меньше резервов на будущее, чем выбор третьей категории в начале девяностых годов.

Резерв параметров

Ведущие производители кабельных систем разрабатывают элементы и оптимизируют их таким образом, чтобы каналы имели резерв параметров. Если при этом гарантируется работа протоколов, заказчик получает нечто более ценное для него, чем соответствие категории 5. А если резерв параметров еще больше? Теоретически это означает возможность увеличения длины каналов и экономии на числе сетевых устройств.

На практике только две компании допускают увеличение длины каналов для приложений класса D. Это BICC Brand Rex, которая дарит заказчикам дополнительные 10 метров среды передачи, и ITT NS&S, трансформирующая резерв в 40–45 метров.

В дополнение к этому ITT NS&S предоставляет заказчикам гарантии на работу всех протоколов и допускает увеличение числа разъемов до семи. Для сравнения можно заметить, что в соответствии с проектом второго издания стандарта ISO/IEC 11801 категория 6 должна обеспечить 15% прироста длины каналов для приложений класса D при наличии четырех разъемов в канале.

Выводы

Стандарты призваны обеспечить длительный срок эксплуатации структурированных кабельных систем (не менее 10 лет). Развитие сетевых технологий опережает возможности среды передачи. Категория 3 просуществовала четыре года, после чего была практически полностью вытеснена системами категории 5.

Через пять лет после принятия стандартов категория 5 также морально устарела. Для работы новых сетевых протоколов требуется модификация существующих систем. Для новых систем рекомендуется выбор высших категорий. Более того, категория 5 не соответствует приложениям своего класса.

При эксплуатации систем категории 5 особое внимание следует обратить на каналы максимальной длины. На них в первую очередь могут проявиться проблемы, связанные с наличием «серых зон» стандартизации. Это не определенная стандартами разница лучших и худших пар.

Тестирование СКС на соответствие сетевым протоколам позволяет получить инструментально подтвержденные гарантии, которые важнее для пользователей, чем гарантии категории 5. Диагностика проблем и их устранение возможны на основе измерений и анализа параметров, влияющих на отношение сигнал / шум и на работу протоколов.

Длительный срок эксплуатации реально обеспечивают только те системы, которые имеют резерв параметров, трансформируемый в гарантии работы протоколов и увеличение длины каналов.

Автор: Воловодов А.А., ООО «Эколан Тек».