eng
Выпуск #8/2018
Е.Кандзюба, А.Семенов
Предельное затухание витой пары с повышенным волновым сопротивлением
Предельное затухание витой пары с повышенным волновым сопротивлением
Просмотры: 2038
Обоснована возможность увеличения дальности действия систем связи на основе сетевых интерфейсов Fast Ethernet за счет наращивания волнового сопротивления линейных и шнуровых кабельных изделий из витых пар. Определены предельные значения волнового сопротивления. С целью сохранения работоспособности типовых методик расчета с привлечением разработанного ранее метода оценки главной части шенноновской пропускной способности формируемого тракта direct connection найдены фактические значения коэффициентов рабочего затухания и дана его зависимость от ожидаемой протяженности тракта.
УДК 654.152, DOI: 10.22184/2070-8963.2018.77.8.42.46
УДК 654.152, DOI: 10.22184/2070-8963.2018.77.8.42.46
Теги: direct connection channel fast ethernet high-impedance twisted pair lan cables lan-кабели витая пара с повышенным волновым сопротивлением тракт direct connection
Введение
Создание современных объектов недвижимости сегодня невозможно осуществлять без использования на них информационно-телекоммуникационной системы (ИТС). Количество подсистем, которые включаются в состав этого инфраструктурного компонента, за последние полтора десятка лет существенно увеличилось, чему в немалой степени способствует популярная концепция умного дома. В результате реализуемая ИТС включает в себя не только классические телефонию и компьютерные сети, но и системы видеонаблюдения, контроля доступа, интеллектуального управления оборудованием инженерного обеспечения здания и т.д.
Общими характерными чертами для вновь вводимых подсистем ИТС в реалиях реализуемых на практике проектов являются:
• большая удаленность терминальных устройств от обслуживающих их технических помещений нижнего уровня, что делает невыгодным использование мультиплексирования на нижних уровнях ИТС;
• сложности организации промежуточных распределительных пунктов в любом виде их исполнения;
• относительно невысокие требования к скорости передачи, которые реализуются на недорогом оборудовании, функционирующем по стандарту IEEE 802.3u.
К этому следует добавить рост популярности применения централизованных структур, которые можно строить на базе сетевой технологии 100BaseTx. Такой подход позволяет в итоге снизить:
• стоимость линии в сравнении с волоконно-оптическим аналогом;
• последующие эксплуатационные расходы.
Сильной стороной решений, основанных на базе техники 100BaseTx, является их потенциальная готовность к поддержке дистанционного питания подключаемых терминалов на основе серийных стандартизованных технологий PoE и PoE+ (в перспективе и PoE++).
Однако стремление к применению централизованных структур в новых видах подсистем ИТС входит в противоречие с максимальной протяженностью кабельного тракта, допускаемой действующими стандартами: 100 м.
В таких условиях увеличение дальности действия стандартного сетевого интерфейса с переходом к так называемому "длинному" Ethernet (часто называемого также Long Ethernet) становится актуальной задачей, решать которую можно различными способами.
Далее рассмотрен вариант построения линейной части системы на кабеле с увеличенным волновым сопротивлением, что дает значимое повышение предельной протяженности тракта по сравнению со стандартным нормативом в 100 м [1].
В основе этого варианта лежит тот факт, что коэффициент характеристического затухания для неэкранированного симметричного LAN-кабеля, который является определяющим звеном для систем "длинного" Ethernet, рассчитывается как [2]:
, (1)
где: R0 – активное сопротивление провода витой пары; Z – волновое сопротивление; G – проводимость изоляции.
В реальных линиях то есть при фиксированных R0 и G требуемый результат достигается наращиванием Z. Оборотной стороной такого подхода становится рассогласование линии с приемником и передатчиком. Соответственно, положительный эффект от увеличения Z в определенной степени снижается.
Устранить негативное влияние рассогласований на концах кабеля с помощью серийного оборудования не представляется возможным ввиду отсутствия доступных согласующих трансформаторов (балунов). Это является прямым следствием ориентации промышленности на выпуск только 100-омных сетевых интерфейсов, LAN-кабелей и соответствующего коммутационного оборудования. Однако от установки балунов в рассматриваемой области можно вполне отказаться. Этому способствует однонаправленный характер передачи данных по отдельным витым парам кабеля, который характерен для оборудования стандарта 100Base-Tx. В результате даже сильные обратные отражения не оказывают влияния на качественные показатели функционирования канала связи.
В известных авторам источниках потенциальные возможности предлагаемого метода снижения коэффициента затухания не оценивались. Целью данной работы является устранение имеющегося пробела.
Расчетная модель
В основу модели для выполнения последующего анализа были положены такие положения:
• с учетом фокусной области применения оборудования "длинного" Ethernet, которой по состоянию на сегодня стали системы видеонаблюдения, кабельный тракт реализуется по хорошо адаптированной к ней схеме direct connection (рис.1б);
• параметры элементной базы, используемой для построения симметричного тракта direct connection, полностью соответствуют требованиям стандарта ISO/IEC 11801:2017 и положенных в его основу нормативных документов за исключением волнового сопротивления;
• шнуровой и линейные кабели имеют идентичные характеристики, за исключением повышенного коэффициента затухания;
• кабельный тракт рассматривается с позиций электрически длинной линии, в которой рассогласование ближнего конца не оказывает обратного влияния на дальний, и наоборот;
• повышенное затухание шнурового кабеля учитывается обращением к "электрической длине" L = Llc + 1,5Lpc, где Llc и Lpc – протяженность линейного стационарного кабеля и кабеля коммутационного шнура соответственно.
Фактически последнее положение носит преимущественно формальный характер. Свою роль тут играет то, что из соображения удобства администрирования информационной проводки в реальных линиях "длинного" Ethernet применяются шнуры минимальной длины, а сам тракт имеет физическую протяженность свыше 100 м. С учетом этой особенности различия электрической и физической длин нивелируются, что позволяет несколько упростить последующий анализ.
Определение рабочего затухания
Следуя подходу [3], определим дополнительные потери мощности передаваемого сигнала при условии наличия двух неоднородностей в кабельном тракте как:
(2)
где R = 100 Ом – входное и выходное сопротивление приемника и передатчика сетевого интерфейса соответственно; Z – волновое сопротивление линейного кабеля.
Сетевые интерфейсы Fast Ethernet достаточно эффективно используют шенноновскую пропускную способность кабельного тракта. Главная часть этой характеристики в отношении линий "длинный" Ethernet была определена в [4]. С учетом наличия внутреннего рассогласования кабельного тракта по входу и выходу активного сетевого оборудования она преобразуется в:
, (3)
где fu – верхняя граничная частота симметричного тракта, X = Z / 100 – нормированное к 100 Ом волновое сопротивление, ACR(f) = NEXT0 – 15lg f – α(f)L –
защищенность сигнала от переходной помехи ближнего конца, NEXT0 – переходное затухание тракта на частоте 1 МГц, α – коэффициент характеристического затухания.
Для учета влияния единственного разъемного соединителя тракта на величину переходной помехи параметр NEXT0 может приниматься на 1,5–2 дБ меньше того значения, которое фигурирует в стандартах.
Частотная характеристика коэффициента затухания α(f) в соответствии со стандартом [5] описывается следующим образом:
(4)
где для элементной базы категории 5е нормируется: а = 1,95, b = 0,022, с = 0,25.
Фактически для коэффициента первого слагаемого в расчетах используется a = 1,97 вместо стандартного значения. Такой подход дает возможность простыми средствами учесть потери в единственном разъемном соединителе рассматриваемого кабельного тракта.
Обычно коэффициент a оказывается значимо меньше тех величин, которые фигурируют в стандартах. Имеющаяся разница не принимается во внимание и рассматривается как запас расчета.
С учетом фактических величин a, b и c выражение (3) может быть заменено достаточно точной оценкой сверху:
(5)
Для минимизации ошибки аппроксимации в частотном диапазоне [0–100 МГц], который в свою очередь включает в себя рабочий частотный диапазон сетевого интерфейса Fast Ethernet, принималось α1 = a + 10b. Переход на оценку (5) делает дальнейший анализ заметно более удобным.
Вычисление интеграла (3) при условии (5) дает: , (6)
где Y(fu) – поправка.
Y(fu) существенно влияет на значение W. С учетом того, что для конкретной конструкции кабеля она представляет собой константу, то есть не оказывает влияния на полученные далее результаты. Поэтому ее величина не конкретизируется, а сама поправка исключается из дальнейшего рассмотрения.
Возникающая в процессе интегрирования (3) неопределенность вида x ln x при x, близких к нулю, устранена с помощью предельного перехода.
Выражения (1) и (3) в комбинации дают:
(7)
где X = Z / 100 – нормированное волновое сопротивление.
Нахождение минимального значения с учетом рассогласования по входу и выходу для фиксированного L с учетом (2) осуществляется путем решения уравнения:
, (8)
где k = 100 / L.
Поиск решения (8) удобно выполнить методом хорд. Соответствующий ему итерационный процесс имеет вид:
. (9)
В качестве нулевого приближения при использовании (9) целесообразно взять следующее значение для X0 = 1. Дополнительно имеет смысл принять .
Несмотря на относительно невысокую скорость сходимости, процесс (9) удобен для практического применения и позволяет достичь ошибки менее 1% максимум за 10 итераций.
Результаты расчетов представлены в табл.1. На основании этих расчетов, используя формулу определения коэффициента рабочего затухания:
,
получены значения коэффициента αp рабочего затухания, представленные в отдельном столбце.
Существенный практический интерес представляет оценка эффективности рассмотренного способа снижения коэффициента затухания по сравнению с иными вариантами решения рассматриваемой задачи.
В качестве возможного объекта для сравнения можно взять конструкцию кабеля, которая сохраняет значение волнового сопротивления 100 Ом. Необходимый положительный эффект достигается наращиванием диаметра жилы отдельных проводов витой пары до предельного разрешенного стандартами значения в 0,64 мм. В результате такого увеличения значение R0 уменьшается в полтора раза, что на основании (1) соответствует снижению αр до 1,53 дБ/100 м, то есть обеспечивается примерно 10%-ный дополнительный выигрыш. Отдельного упоминания заслуживает факт того, что кабели с большим диаметром токопроводящей жилы позволяют осуществлять дистанционное питание сетевых интерфейсов по технологиям класса РоЕ на большем расстоянии.
Заключение
Коэффициент рабочего затухания линейного кабеля систем "длинного" Ethernet с повышенным волновым сопротивлением может быть снижен до значений чуть выше 16 дБ/100 м на частоте 100 МГц, то есть уменьшен примерно на треть по сравнению со стандартной конструкцией U/UTP.
Наращивание волнового сопротивления линейного кабеля систем "длинного" Ethernet свыше 200 Ом лишено практического смысла.
С точки зрения технической эффективности снижение затухания за счет увеличения волнового сопротивления несколько уступает подходу, в основе которого лежит наращивание диаметра токопроводящей жилы кабеля.
Снижение коэффициента затухания линейного кабеля за счет увеличения его волнового сопротивления целесообразно рассматривать как полноценный вспомогательный способ увеличения дальности действия сетевых интерфейсов "длинного" Ethernet.
ЛИТЕРАТУРА
1. Семнов А., Кандзюба Е., Руденко В. "Длинный" Еthernet – дальше, дальше и дальше // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2017. № 7. С. 32–36.
2. Андреев В.А., Портнов Э.Л., Кочановский Л.Н. Направляющие системы электросвязи. Том 1. – М.: Горячая линия-Телеком, 2011. 422 с.
3. Кулешов В.Н. Теория кабелей связи: Учебник. – М.: Государственное издательство по вопросам связи и радио, 1950. 419 с.
4. Семенов А.Б., Кандзюба Е.В. Перспективы увеличения протяженности симметричного кабельного тракта систем цифрового видеонаблюдения // Перспективные технологии в средствах передачи информации. Материалы 12-й международной научно-технической конференции. Т.1 / Владимирский государственный университет – Владимир: ВлГУ, 2017. С. 215–218.
5. ISO/IEC 11801-1:2017 Information technology – Generic cabling for customer premises – Part 1: General requirements // International standard. Edition 1.0. 2017. 160 p.
Создание современных объектов недвижимости сегодня невозможно осуществлять без использования на них информационно-телекоммуникационной системы (ИТС). Количество подсистем, которые включаются в состав этого инфраструктурного компонента, за последние полтора десятка лет существенно увеличилось, чему в немалой степени способствует популярная концепция умного дома. В результате реализуемая ИТС включает в себя не только классические телефонию и компьютерные сети, но и системы видеонаблюдения, контроля доступа, интеллектуального управления оборудованием инженерного обеспечения здания и т.д.
Общими характерными чертами для вновь вводимых подсистем ИТС в реалиях реализуемых на практике проектов являются:
• большая удаленность терминальных устройств от обслуживающих их технических помещений нижнего уровня, что делает невыгодным использование мультиплексирования на нижних уровнях ИТС;
• сложности организации промежуточных распределительных пунктов в любом виде их исполнения;
• относительно невысокие требования к скорости передачи, которые реализуются на недорогом оборудовании, функционирующем по стандарту IEEE 802.3u.
К этому следует добавить рост популярности применения централизованных структур, которые можно строить на базе сетевой технологии 100BaseTx. Такой подход позволяет в итоге снизить:
• стоимость линии в сравнении с волоконно-оптическим аналогом;
• последующие эксплуатационные расходы.
Сильной стороной решений, основанных на базе техники 100BaseTx, является их потенциальная готовность к поддержке дистанционного питания подключаемых терминалов на основе серийных стандартизованных технологий PoE и PoE+ (в перспективе и PoE++).
Однако стремление к применению централизованных структур в новых видах подсистем ИТС входит в противоречие с максимальной протяженностью кабельного тракта, допускаемой действующими стандартами: 100 м.
В таких условиях увеличение дальности действия стандартного сетевого интерфейса с переходом к так называемому "длинному" Ethernet (часто называемого также Long Ethernet) становится актуальной задачей, решать которую можно различными способами.
Далее рассмотрен вариант построения линейной части системы на кабеле с увеличенным волновым сопротивлением, что дает значимое повышение предельной протяженности тракта по сравнению со стандартным нормативом в 100 м [1].
В основе этого варианта лежит тот факт, что коэффициент характеристического затухания для неэкранированного симметричного LAN-кабеля, который является определяющим звеном для систем "длинного" Ethernet, рассчитывается как [2]:
, (1)
где: R0 – активное сопротивление провода витой пары; Z – волновое сопротивление; G – проводимость изоляции.
В реальных линиях то есть при фиксированных R0 и G требуемый результат достигается наращиванием Z. Оборотной стороной такого подхода становится рассогласование линии с приемником и передатчиком. Соответственно, положительный эффект от увеличения Z в определенной степени снижается.
Устранить негативное влияние рассогласований на концах кабеля с помощью серийного оборудования не представляется возможным ввиду отсутствия доступных согласующих трансформаторов (балунов). Это является прямым следствием ориентации промышленности на выпуск только 100-омных сетевых интерфейсов, LAN-кабелей и соответствующего коммутационного оборудования. Однако от установки балунов в рассматриваемой области можно вполне отказаться. Этому способствует однонаправленный характер передачи данных по отдельным витым парам кабеля, который характерен для оборудования стандарта 100Base-Tx. В результате даже сильные обратные отражения не оказывают влияния на качественные показатели функционирования канала связи.
В известных авторам источниках потенциальные возможности предлагаемого метода снижения коэффициента затухания не оценивались. Целью данной работы является устранение имеющегося пробела.
Расчетная модель
В основу модели для выполнения последующего анализа были положены такие положения:
• с учетом фокусной области применения оборудования "длинного" Ethernet, которой по состоянию на сегодня стали системы видеонаблюдения, кабельный тракт реализуется по хорошо адаптированной к ней схеме direct connection (рис.1б);
• параметры элементной базы, используемой для построения симметричного тракта direct connection, полностью соответствуют требованиям стандарта ISO/IEC 11801:2017 и положенных в его основу нормативных документов за исключением волнового сопротивления;
• шнуровой и линейные кабели имеют идентичные характеристики, за исключением повышенного коэффициента затухания;
• кабельный тракт рассматривается с позиций электрически длинной линии, в которой рассогласование ближнего конца не оказывает обратного влияния на дальний, и наоборот;
• повышенное затухание шнурового кабеля учитывается обращением к "электрической длине" L = Llc + 1,5Lpc, где Llc и Lpc – протяженность линейного стационарного кабеля и кабеля коммутационного шнура соответственно.
Фактически последнее положение носит преимущественно формальный характер. Свою роль тут играет то, что из соображения удобства администрирования информационной проводки в реальных линиях "длинного" Ethernet применяются шнуры минимальной длины, а сам тракт имеет физическую протяженность свыше 100 м. С учетом этой особенности различия электрической и физической длин нивелируются, что позволяет несколько упростить последующий анализ.
Определение рабочего затухания
Следуя подходу [3], определим дополнительные потери мощности передаваемого сигнала при условии наличия двух неоднородностей в кабельном тракте как:
(2)
где R = 100 Ом – входное и выходное сопротивление приемника и передатчика сетевого интерфейса соответственно; Z – волновое сопротивление линейного кабеля.
Сетевые интерфейсы Fast Ethernet достаточно эффективно используют шенноновскую пропускную способность кабельного тракта. Главная часть этой характеристики в отношении линий "длинный" Ethernet была определена в [4]. С учетом наличия внутреннего рассогласования кабельного тракта по входу и выходу активного сетевого оборудования она преобразуется в:
, (3)
где fu – верхняя граничная частота симметричного тракта, X = Z / 100 – нормированное к 100 Ом волновое сопротивление, ACR(f) = NEXT0 – 15lg f – α(f)L –
защищенность сигнала от переходной помехи ближнего конца, NEXT0 – переходное затухание тракта на частоте 1 МГц, α – коэффициент характеристического затухания.
Для учета влияния единственного разъемного соединителя тракта на величину переходной помехи параметр NEXT0 может приниматься на 1,5–2 дБ меньше того значения, которое фигурирует в стандартах.
Частотная характеристика коэффициента затухания α(f) в соответствии со стандартом [5] описывается следующим образом:
(4)
где для элементной базы категории 5е нормируется: а = 1,95, b = 0,022, с = 0,25.
Фактически для коэффициента первого слагаемого в расчетах используется a = 1,97 вместо стандартного значения. Такой подход дает возможность простыми средствами учесть потери в единственном разъемном соединителе рассматриваемого кабельного тракта.
Обычно коэффициент a оказывается значимо меньше тех величин, которые фигурируют в стандартах. Имеющаяся разница не принимается во внимание и рассматривается как запас расчета.
С учетом фактических величин a, b и c выражение (3) может быть заменено достаточно точной оценкой сверху:
(5)
Для минимизации ошибки аппроксимации в частотном диапазоне [0–100 МГц], который в свою очередь включает в себя рабочий частотный диапазон сетевого интерфейса Fast Ethernet, принималось α1 = a + 10b. Переход на оценку (5) делает дальнейший анализ заметно более удобным.
Вычисление интеграла (3) при условии (5) дает: , (6)
где Y(fu) – поправка.
Y(fu) существенно влияет на значение W. С учетом того, что для конкретной конструкции кабеля она представляет собой константу, то есть не оказывает влияния на полученные далее результаты. Поэтому ее величина не конкретизируется, а сама поправка исключается из дальнейшего рассмотрения.
Возникающая в процессе интегрирования (3) неопределенность вида x ln x при x, близких к нулю, устранена с помощью предельного перехода.
Выражения (1) и (3) в комбинации дают:
(7)
где X = Z / 100 – нормированное волновое сопротивление.
Нахождение минимального значения с учетом рассогласования по входу и выходу для фиксированного L с учетом (2) осуществляется путем решения уравнения:
, (8)
где k = 100 / L.
Поиск решения (8) удобно выполнить методом хорд. Соответствующий ему итерационный процесс имеет вид:
. (9)
В качестве нулевого приближения при использовании (9) целесообразно взять следующее значение для X0 = 1. Дополнительно имеет смысл принять .
Несмотря на относительно невысокую скорость сходимости, процесс (9) удобен для практического применения и позволяет достичь ошибки менее 1% максимум за 10 итераций.
Результаты расчетов представлены в табл.1. На основании этих расчетов, используя формулу определения коэффициента рабочего затухания:
,
получены значения коэффициента αp рабочего затухания, представленные в отдельном столбце.
Существенный практический интерес представляет оценка эффективности рассмотренного способа снижения коэффициента затухания по сравнению с иными вариантами решения рассматриваемой задачи.
В качестве возможного объекта для сравнения можно взять конструкцию кабеля, которая сохраняет значение волнового сопротивления 100 Ом. Необходимый положительный эффект достигается наращиванием диаметра жилы отдельных проводов витой пары до предельного разрешенного стандартами значения в 0,64 мм. В результате такого увеличения значение R0 уменьшается в полтора раза, что на основании (1) соответствует снижению αр до 1,53 дБ/100 м, то есть обеспечивается примерно 10%-ный дополнительный выигрыш. Отдельного упоминания заслуживает факт того, что кабели с большим диаметром токопроводящей жилы позволяют осуществлять дистанционное питание сетевых интерфейсов по технологиям класса РоЕ на большем расстоянии.
Заключение
Коэффициент рабочего затухания линейного кабеля систем "длинного" Ethernet с повышенным волновым сопротивлением может быть снижен до значений чуть выше 16 дБ/100 м на частоте 100 МГц, то есть уменьшен примерно на треть по сравнению со стандартной конструкцией U/UTP.
Наращивание волнового сопротивления линейного кабеля систем "длинного" Ethernet свыше 200 Ом лишено практического смысла.
С точки зрения технической эффективности снижение затухания за счет увеличения волнового сопротивления несколько уступает подходу, в основе которого лежит наращивание диаметра токопроводящей жилы кабеля.
Снижение коэффициента затухания линейного кабеля за счет увеличения его волнового сопротивления целесообразно рассматривать как полноценный вспомогательный способ увеличения дальности действия сетевых интерфейсов "длинного" Ethernet.
ЛИТЕРАТУРА
1. Семнов А., Кандзюба Е., Руденко В. "Длинный" Еthernet – дальше, дальше и дальше // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2017. № 7. С. 32–36.
2. Андреев В.А., Портнов Э.Л., Кочановский Л.Н. Направляющие системы электросвязи. Том 1. – М.: Горячая линия-Телеком, 2011. 422 с.
3. Кулешов В.Н. Теория кабелей связи: Учебник. – М.: Государственное издательство по вопросам связи и радио, 1950. 419 с.
4. Семенов А.Б., Кандзюба Е.В. Перспективы увеличения протяженности симметричного кабельного тракта систем цифрового видеонаблюдения // Перспективные технологии в средствах передачи информации. Материалы 12-й международной научно-технической конференции. Т.1 / Владимирский государственный университет – Владимир: ВлГУ, 2017. С. 215–218.
5. ISO/IEC 11801-1:2017 Information technology – Generic cabling for customer premises – Part 1: General requirements // International standard. Edition 1.0. 2017. 160 p.
Отзывы читателей
