Razdel_4

4. Телекоммуникационные каналы

4.1.Свойства физических каналов

Вразделе 1.3 было введено понятие телекоммуникационного канала (канала связи) как совокупности технических устройств и линии связи, необходимых для передачи сигнала между пунктами связи. Линию связи, представляющую собой физическую среду, в которой распространяется сигнал, называют физическим каналом. Классификация физических каналов приведена на рис. 4.1.

Физические каналы

Кабельные

Кабель на витой паре			Коаксиальный кабель			Волоконнооптический кабель

Беспроводные

Радиоканалы Открытые оптические каналы

Рис. 4.1.

4.1.1. Кабели на витой паре

Витая пара представляет собой два изолированных медных провода, скрученных вместе. Скрутка проводов позволяет уменьшить индуктивность проводов, приводящую к ограничению технической скорости. Кроме того, скрутка проводов способствует уменьшению электрических помех, наводимых соседними парами (перекрестные помехи), а также внешними источниками, например, двигателями, реле и т.п. Все провода в кабеле обычно имеют один и тот же диаметр, хотя в специальных кабелях встречаются провода разных диаметров. В таких кабелях провода с большим диаметром часто используются для передачи высокочастотного сигнала, поскольку потери сигнала снижаются при увеличении диаметра проводника.

Кабель на витой паре характеризуется исключительной простотой монтажа и ремонта повреждений. К недостаткам такого кабеля относятся низкий уровень защищенности от электромагнитных помех, сравнительно большой уровень собственных излучений, способствующих затуханию сигнала, а также возможности "прослушивания" передаваемых сигналов. Для уменьшения недостатков на практике (в том числе и в локальных вычислительных сетях) иногда используют экранированный кабель (Shielded Twisted Pair, STP) - несколько витых пар, помещенных в защитную оболочку, которая заземляется. Неэкранированный кабель на витой паре (Unshielded Twisted Pair, UTP) также широко используется в качестве среды передачи в локальных вычислительных сетях. Кроме того, он применяется в телефонных сетях.

Типичные значения диаметра проводов- 0,4; 0,5; 0,63 и 0,9 мм (это диаметр самого провода). Провода покрываются изоляционным материалом, поэтому общий диаметр каждого провода с изоляцией больше и обычно в два раза превышает диаметр самого провода. До 60-х гг. ХХ века применялась бумажная изоляция. Затем в качестве изоляционного материала стали использовать поливинилхлорид (ПВХ) или полиэтилен. Тип и толщина слоя изоляционного материала определяют емкость между проводами в паре. ПВХ обычно используется для внутренних кабелей, а полиэтилен – для внешних. Следует иметь в виду, что при горении ПВХ выделяет хлорный газ и другие вредные для здоровья людей вещества. Это привело к необходимости разработки специального изоляционного материала, который не выделяет вредных веществ при горении, а кабель, в котором он используется, получил название "кабель с малодымной изоляцией".

Провода в кабеле имеют определенный цвет изоляции, и поэтому пользователю легко выбрать провода, которые он собирается подключать. Провода с бумажной изоляцией маркировались цветными полосками через определенные интервалы вдоль провода. Современное пластмассовое покрытие провода кодируется цветом в соответствии с установленным стандартом. Каждый провод имеет два цвета: основной и вторичный, который используется либо при нанесении продольной волосы вдоль провода, либо для полос вокруг провода, наносимых через определенные интервалы.

Телекоммуникационные кабели могут содержать от 2 до 3000 витых пар. Число пар в кабелях внутренней проводки не превышает 200.

Входное полное сопротивление (импеданс) витой пары можно смоделировать двумя последовательно включенными сопротивлениями, параллельно одному из которых включена емкость (рис.4.2).

а)

320 Ом 1050 Ом

б)

100 Ом 560 Ом

	230 нФ			68 нФ
		Рис.4.2.
На рис.4.2а представлена эквивалентная			схема замещения		полного входного

сопротивления телефонной линии для диапазона звуковых частот. На рис. 4.2б показана

высокочастотная эквивалентная схема замещения	полного входного сопротивления
телефонной линии для частот выше звукового диапазона.
В диапазоне звуковых частот входное полное	сопротивление витой пары имеет

емкостный характер, но с увеличением частоты реактивная составляющая постепенно уменьшается и входное полное сопротивление можно считать активным. Так, например, на частоте 100 кГц входное полное сопротивление витой пары имеет активный характер и равно 100 Ом. Зависимость входного полного сопротивления витой пары с проводом диаметром 0,5 мм от частоты показана на рис. 4.3. Учитывая, что в диапазоне звуковых частот входное полное сопротивление витой пары изменяется в несколько раз от значения 1500 Ом на частоте 300 Гц до значения приблизительно 250 Ом на частоте 3,4 кГц, при расчетах трансформаторов и других элементов линейного тракта в звуковом диапазоне частот его принимают равным постоянному значению 600 Ом, которое имеет место только на фиксированной частоте 1200 Гц. Это сделано для того, чтобы упростить процесс расчетов и измерений характеристик линий на витой паре, а также иметь опорную точку отсчета для сравнения этих характеристик.

	1600
, Ом	1400
	1200
Сопротивление	1000
	800
	600
	400
	200
	0
	0,3	0,6	1,2	4,8	19,2	76,8	307
				Частота, кГц
			Рис.4.3.

Затухание сигнала в кабеле на витой паре сильно зависит от частоты передаваемого сигнала. Затухание возрастает пропорционально частоте, но в определенных частотных полосах затухание остается практически постоянным (рис.4.4).

	70
дБ/км	60
	50
	40
,
Затухание
	30
	20
	10
	0
	0,3	3,6	307	1230	10000
			Частота, кГц
			Рис. 4.4.

В зависимости от основной области применения и соответственно конструкции, кабельные изделия на основе витых пар подразделяются на четыре основных вида:

– горизонтальный кабель;

–магистральный кабель;

–кабель для шнуров;

–провод для перемычек.

Далее будут рассмотрены первые две разновидности кабеля.

Горизонтальный кабель типа "витая пара", конструктивные особенности

Горизонтальный кабель типа "витая пара", предназначен для использования на участке от коммутационного оборудования в кроссовой этажа до информационных розеток рабочих мест.

Наиболее распространенные на практике конструкции содержат четыре витые пары. По видам скрутки проводников горизонтального кабеля различают парную и

четверочную (см. рис. 4.5).

Рис.4.5 Виды скруток витых пар:

а) парная; б) четверочная

Четверочная скрутка позволяет добиться меньших внешних габаритов кабеля, большей стабильности его конструкции и лучших электрических характеристик, однако кабель с четверочной скруткой более сложен в производстве и разделке и поэтому достаточно мало распространен.

В качестве материала изоляции проводников обычно используется поливинилхлорид, встречаются также другие изоляционные материалы, например, полиолефин, полиэтилен и полипропилен.

Применяются как сплошные, так и вспененные материалы, причем последние позволяют получить несколько лучшие электрические характеристики, однако являются более дорогими и применяются преимущественно в кабелях с верхней граничной частотой выше 100 МГц.

С целью снижения уровня затухания проводники горизонтального кабеля изготавливаются из монолитной (Solid) медной проволоки.

Отдельные витые пары образуют кабельный сердечник, покрытый общей для всех пар внешней защитной изоляционной оболочкой толщиной примерно 0,5-0,6 мм.

Для придания сердечнику определенной структуры в процессе производства и ее сохранения во время эксплуатации может применяться обмотка пар полимерными ленточками или нитями.

Внешняя оболочка окрашивается обычно в серый цвет различных оттенков,

встречаются также другие стандартные для конкретного производителя цвета (синий, фиолетовый, белый, красный). Оранжевая окраска обычно указывает на то, что оболочка изготовлена из негорючего материала.

Конструкции, предназначенные для внешней прокладки, снабжаются полиэтиленовой оболочкой, так как этот материал обладает существенно более высокой влагостойкостью по сравнению с поливинилхлоридом и огнестойким компаундом.

На внешнюю оболочку наносятся маркирующие надписи, в которых указывается тип кабеля, диаметр и тип проводников, характеристики оболочки, наименование производителя и его фирменное обозначение кабеля, наименование стандарта и сертифицирующей лаборатории, а также футовые или метровые метки длины.

Экранированный и неэкранированный горизонтальный кабель типа "витая пара"

Взависимости от наличия или отсутствия дополнительных экранирующих покрытий отдельных витых пар и/или сердечника в целом горизонтальные кабели из витых пар

подразделяются на неэкранированные и экранированные.

Всвою очередь, среди экранированных конструкций различают кабели с общим

внешним экраном, с экранами для каждой пары и с одновременным экранированием отдельных пар и сердечника в целом.

Экранирование применяют для повышения переходного затухания (NEXT), снижения уровня электромагнитных излучений (ЭМИ) и для повышения помехозащищенности.

Внешний вид различных вариантов кабелей изображен на рис. 4.6 .

Рис.4.6 Конструкции горизонтальных кабелей

Рис.4.7 Экранированный и неэкранированный кабель "витая пара"

1.Внешняя оболочка

2.Витая пара

3.Общий экран

4.Дренажный проводник

5.Экран витой пары

Областью применения кабелей S/UTP является построение горизонтальной подсистемы структурированной кабельной системы (СКС) при значительном уровне внешних наводок (производственные цеха и другие помещения с источниками сильных электромагнитных полей) или при повышенных требованиях к безопасности кабельной системы (защита от несанкционированного доступа).

S/STP-кабели обладают в сравнении с STP улучшенными характеристиками по защите от внешних помех и по уровню ЭМИ, однако основным их преимуществом перед другими конструктивными решениями являются значительно более высокое (на 10 ... 15 дБ и более при условии правильного монтажа) значение NEXT.

На сегодняшний день считается, что обеспечить передачу линейных сигналов с тактовой частотой свыше 250-300 МГц на требуемое стандартами расстояние 90 м можно только с использованием конструкции S/STP.

STP- и S-STP-кабели следует применять во всех случаях, перечисленных для S/UTPкабелей, в тех ситуациях, когда:

–требуется получение кабельных сегментов, превышающих по длине 90 м;

–при построении систем передачи данных, для которых электрические характеристики кабелей категории 5 являются недостаточными;

–должны выполняться повышенные требования по защите от несанкционированного доступа к передаваемой информации.

Хотя параметры кабелей с индивидуальной экранировкой каждой пары могут существенно превосходить требования категории 5 (особенно по параметру NEXT и соответственно по параметру ACR), следует иметь в виду, что пока не существует стандартов ни на увеличенные длины сегментов, ни на сети, для работы которых электрические характеристики неэкранированных витых пар категории 5 являются недостаточными.

UTP-кабели в сравнении с экранированными обладают следующими преимуществами:

–меньшая стоимость;

–меньшая трудоемкость монтажа и эксплуатации;

–отсутствие повышенных требований к внутреннему заземляющему контуру здания;

–лучшие массогабаритные показатели;

–меньший радиус изгиба.

Основными преимуществами экранированных конструкций являются

потенциально лучшая защита от внешних электромагнитных наводок, повышенная механическая прочность в случаях применения оплеточных экранов и более эффективная защита от несанкционированного доступа к передаваемой информации.

Магистральный кабель

Магистральный кабель предназначен для использования в магистральных подсистемах СКС для связи между собой помещений кроссовых.

Вподсистеме внешних магистралей обычно большая часть маршрута прокладывается горизонтально, в подсистеме внутренних магистралей - вертикально.

С целью снижения коэффициента затухания проводники изготавливаются из монолитной медной проволоки.

Вотличие от горизонтального кабеля магистральные конструкции содержат более четырех витых пар и поэтому часто называются многопарными.

Аналогично горизонтальным кабелям они различаются по категориям от 3 до 5, причем магистральные кабели категории 4 встречаются на практике очень редко.

Конструкция кабеля зависит от его емкости.

Категории кабеля	Количество пар
3	25,50,75,100,200,300,600,900,1800
5	25,50,100

При числе пар до 25 они помещаются в общую оболочку.

В случае емкости свыше 25 пар они разбиваются на пучки по 25 пар в каждом, совокупность которых образует кабельный сердечник.

Рис.4.8 Многопарные магистральные кабели:

а) 25-парный кабель категории 5 б) 300-парный кабель категории 3

В некоторых конструкциях в качестве основы сердечника использован центральный

стеклопластиковый стержень.
Провода		одного	пучка	скрепляются		полиэтиленовыми	ленточками.
Снаружи	сердечник		защищается		общей	диэлектрической	оболочкой.

Кроме неэкранированных магистральных кабелей в ограниченном количестве производятся S/UTP-конструкции, у которых под внешней диэлектрической оболочкой находится экран, закрывающий кабельный сердечник. Аналогично горизонтальным кабелям на их оболочку наносится маркировка, включающая в себя тип, данные по диаметру проводников и их количеству, наименование тестирующей лаборатории, а также футовые или метровые метки длины.

Магистральные кабели подразделяются на кабели внутренней и внешней прокладки.

Основным отличием кабеля внешней прокладки от внутриобъектного является применение специальных мер и конструктивных решений по защите кабельного сердечника от попадания в него влаги. Наиболее часто эта проблема решается использованием внешней полиэтиленовой оболочки. Некоторые типы телефонных кабелей имеют гелиевое заполнение внутренних пустот сердечника. Дополнительная защита кабельного сердечника от попадания влаги и механических воздействий выполняется броней из алюминиевой или стальной гофрированной ленты.

Характеристики кабелей на витой паре регламентируются в стандарте EIA/TIA 568, который был разработан усилиями нескольких организаций: Американского национального института стандартов ANSI, Ассоциации электронной промышленности EIA, Ассоциации телекоммуникационной промышленности TIA и лаборатории Underwriters Labs (UL). Этот стандарт включает 5 категорий неэкранированных кабелей на витой паре [1]:

категория 1

традиционный телефонный кабель, по которому можно передавать только речь, передача данных не допускается;

категория 2

кабель, предназначенный для передачи данных со скоростью 4 Мбит/с, состоит из 4-х витых пар;

Категория 3 специфицирована в диапазоне от 1 до 16 МГц. В настоящее время категория 3 используется только для приложений передачи речи, хотя ранее применялась и для передачи данных на скоростях вплоть до 10 Мбит/с. Даже сейчас некоторые заказчики используют для передачи данных сегменты категории 3, однако такой подход не соответствует требованиям стандартов. Даже если такой сегмент и будет работать, за его надежность никто не поручится, поэтому мы рекомендуем вам следовать стандарту и если уж использовать категорию 3, то только для телефонии. Кабели категории 3 изготавливаются с самым разным количеством пар, от одной до нескольких сотен, но в структурированных кабельных системах для применения в фиксированных сегментах можно применять только кабели с количеством пар от 4-х и более. Среди многопарных кабелей категории 3 наибольшее распространение

имеют 25-парные, хотя есть и 50-, и 100-парные, и даже больше. Все эти кабели не имеют экрана, потому что в диапазоне низких частот экранирование не требуется. Пары свиты в таких кабелях достаточно свободно, на 10 см приходится буквально 1-3 витка, поэтому не стоит ожидать от них высоких характеристик.

Категория 4

кабель, предназначенный для передачи данных со скоростью 16 Мбит/с,

Категория 5

кабель, предназначенный для передачи данных со скоростью 100 Мбит/с.

Категория 5e специфицирована в диапазоне от 1 до 100 МГц. Это расширенная категория 5. Когда попытались реализовать на кабеле категории 5 гигабитные приложения - 1000Мбит/с - оказалось, что перекрестные наводки не позволяют поддерживать такие скорости. К параметрам тестирования добавилось еще несколько пунктов, и так родилась категория 5е, по которой уже гарантированно можно реализовывать приложения 1000Мбит/с. Следует помнить, что в приложениях 100Мбит/с используются только 2 пары кабеля из 4-х, а вот гигабит задействует все 4, причем в полнодуплексном режиме.

Кабели категории 5е выпускаются как в экранированном, так и неэкранированном варианте, содержат 4 пары и пригодны как для приложений передачи данных, так и для телефонии. Пары скручены туже, чем в категории 3. Последние телекоммуникационные стандарты рекомендуют использовать в системах как минимум категорию 5е, поскольку это увеличивает универсальность: сегодня на данном сегменте может работать телефон, завтра компьютер, послезавтра опять телефон и т.д.

Категория 5е оказалась насколько удачна, что уже полностью вытеснила категорию 5, и с 2002 года использовать категорию 5 (без буквы "е") уже нельзя. Системы категории 5е на данным момент имеют в России наибольшую популярность среди структурированных кабельных систем.

Категория 6 специфицирована в диапазоне от 1 до 250 МГц. Хотя в системах категории 5е можно реализовывать гигабитный Ethernet, однако надежнее делать это в системах, обладающих более широким частотным диапазоном и более строгими характеристиками. Нельзя сказать, что системы категории 6 уже вытесняют категорию 5е, но они находят свое применение у тех заказчиков, кто хочет оставить себе резерв характеристик на будущее. Сейчас уже идут работы над дополненной категорией 6, которая нужна для реализации в медных средах приложений следующего поколения - 10Гбит/с. О выпуске такой продукции в продажу мы услышим в ближайшие годы.

Как и кабели категории 5е, продукция категории 6 выпускается в экранированном и неэкранированном вариантах. Пары скручены примерно так же, как в категории 5е, однако медные жилы, как правило, берутся несколько большего диаметра. Чтобы минимизировать наводки с пары на пару, особенно на частотах выше 200 Мгц, в конструкцию кабелей входит пластиковый разделитель - крестовина - поддерживающая пары на определенном расстоянии друг от друга.

Категория 7 специфицирована в диапазоне от 1 до 600 МГц и существует только в экранированном варианте. Каждая пара такого кабеля имеет индивидуальный экран, что необходимо для предотвращения взаимных наводок на высоких частотах. Перспективы продукции категории 7 пока не совсем ясны. С одной стороны, характеристики она дает отличные, и уже сейчас в них можно реализовывать 10Гбит/с по меди. С другой стороны, экранированные системы эффективны только при наличии правильно выполненного заземления, что само по себе недешево. К тому же конкуренцию в этой нише во многих случаях составляет волоконнооптический кабель.