Структура и требования симметричной линии

Введение
Если строительство магистральных линий связи на сегодня в основном завершено, то создание той части сетей доступа, которая предоставляет услуги широкому кругу частных пользователей, находится в самом разгаре. Физический уровень этих сетей реализуется на основе кабельных трактов или средств радиосвязи. Беспроводный доступ достигает необходимого уровня эффективности только в отдельных случаях, поэтому мы исключим его из рассмотрения.
Для исполнения «кабельного варианта» может привлекаться оптическое, медножильное и комбинированное (гибридное) решение, причем два последних заметно более популярны, чем чисто оптический подход. Благосклонность операторов связи к электропроводным решениям имеет объективную основу: как показывает анализ трафика на абонентском участке сетей доступа, высокая пропускная способность оптического кабеля в большинстве случаев оказывается невостребованной. Среднестатистический «белковый» пользователь не в состоянии воспринимать всю ту информацию, которая поступает к нему со скоростью свыше 50 Мбит/с – и тем более он не в состоянии наполнить обратный канал столь же скоростным потоком. Де-факто это означает, что основным типом аппаратуры, обслуживающей «последний метр последней мили», становится 100 Мбит/с FastEthernet.
Физический уровень и сети доступа, и СКС строится на однотипной элементной базе. Однако, в отличие от СКС, в современных реалиях заказчик (пользователь интернета) не оплачивает строительство соединительной линии до провайдера. Последний же компенсирует свои расходы из абонентской платы, т.е. стоимость элементной базы для него критична. С учетом этого и из соображений минимизации CAPEX и OPEX основным типом аппаратуры на современных сетях доступа становится 100 BASE-TX, известный также как IEEE 802.3u, а сама кабельная линия строится на симметричном LAN-кабеле.
Еще одно преимущество отказа от оптической технологии – это возможность существенно уменьшить большие формальные инвестиции в проект и снизить требования к уровню оснащенности и культуры персонала. Последние обстоятельства бывают особенно важны для региональных компаний.
1 Структура и требования симметричной линииОсновные особенности электропроводной симметричной линии сети доступа определяются условиями, которые задаются областью их инсталляции. С системной точки зрения они состоят в следующем:
применяется активное сетевое оборудование, работающее по двухпарной схеме и создающее за счет этого заметно меньшие (примерно на 3 дБ) переходные помехи;
возможны полный отказ от схемы кросс-коннекта построения коммутационного поля, установка точки консолидации в линейной части и переход на схему прямого подключения, что заметно улучшает отношение сигнал/шум на входе приемника;
практически не востребованы коммутационные шнуры максимальной длины, а шнуры меньшей длины снижают общее затухание в тракте передачи сигнала;
нет необходимости в дистанционном питании маломощных оконечных абонентских устройств.
Достигаемый за счет этого выигрыш в помехозащищенности может быть использован как для улучшения качества функционирования линии, так и для наращивания ее протяженности сверх нормативных 100 м, характерных для кабельных трактов СКС.
Одновременно на сетях доступа заметно увеличивается средняя протяженность тракта: так, по данным Ростовского филиала ПАО «Ростелеком» до 20% абонентов подключаются к интернету по трактам протяженностью более 100 м. Причина в том, что из-за отсутствия в типовых жилых зданиях выделенных технических помещений приходится отказываться от характерной для офисов многоуровневой структуры в пользу централизованной архитектуры.
В Российской Федерации действуют два стандарта, ГОСТ Р 53538-2009 и ГОСТ Р 54429-2011, нормирующих характеристики кабелей с медными жилами для цифровой передачи, которые могут применяться на сетях доступа. Основное отличие между ними в том, что в первом случае характеристики задаются в частотном диапазоне до 2 МГц на длине в 1 км, а во втором – в диапазоне 1–100 МГц и выше, на длине в 100 м.
Поскольку в первом случае не обеспечивается достаточная ширина полосы пропускания, в дальнейшем мы ограничимся изделиями, выполненными по ГОСТ Р 54429-2011 (они называются LAN-кабелями). В этом нормативном документе в явном виде указано, что LAN-кабели сетей доступа могут иметь несколько худшие передаточные параметры, что, однако, не сказывается на технико-экономической эффективности создаваемых линий. Фактически это означает, что стандарт допускает отход от канонического для СКС принципа универсальности и переход на специализированные изделия. Эта особенность открывает перспективы модернизации конструкции симметричных кабелей из витых пар, и главной целью их оптимизации становится снижение капитальной части финансовой нагрузки на оператора связи.
Мы рассмотрим направления реализации такого подхода, доведенные до уровня практического внедрения.
2 Горизонтальные симметричные кабелиОграничение на скорость передачи до 100 Мбит/с позволяет применять в качестве активного сетевого оборудования устройства с интерфейсами 100 BASE-TX, работающие по двухпарной схеме. Двухпарные кабели, запрещенные для установки в СКС, допускаются на сетях доступа. Отпускная цена такого кабеля ниже, чем у стандартного четырехпарного, из-за меньшей материалоемкости.
Производство LAN-кабелей отличается высокой степенью автоматизации, поэтому заводская цена этих изделий определяется преимущественно стоимостью сырья. Существенные колебания мировых цен на медь и нефть в последние годы не позволяют провести точные расчеты, но если допустить, что медь и пластик вносят равный вклад в стоимость четырехпарного изделия, то переход на двухпарный вариант, по оценкам, дает выигрыш в стоимости в значимые 25%.
Дополнительное преимущество двухпарных кабелей – большая гибкость и меньшее поперечное сечение. Это особенно важно для фокусной области их применения, учитывая недостаточные размеры стояков современных жилых зданий и их захламленность не только другими кабелями, но и просто строительным мусором.
Для производства двухпарные LAN-кабели выгодны тем, что в их случае заметно проще выполнить нормы по параметру структурных обратных потерь SRL, за счет чего можно формировать кабельный сердечник из проводов одинакового диаметра.
Среди основных недостатков малопарных LAN-кабелей следует отдельно упомянуть невозможность гигабитных скоростей передачи и сложность их массового применения для создания сетей управления инженерными системами здания (вентиляция, водоснабжение, контроль доступа и т.д.), роль которых в последнее время быстро повышается и к обслуживанию которых вполне может подключиться оператор связи.
При работе сетевых интерфейсов 100 BASE-TX на частотах в десятки мегагерц заметно проявляется поверхностный эффект: вытеснение тока на поверхность провода. В этой ситуации можно применять двухслойные провода, в центральной части которых чистая электротехническая медь заменяется более дешевым металлом. В качестве заменителей могут использоваться: менее качественная медь с увеличенным удельным сопротивлением (изделия ССС), алюминий (изделия ССА), сталь (изделия ССS).
Наибольшее распространение получила так называемая омедненка – провод с центральной алюминиевой частью и медной оболочкой. Его сильные стороны – снижение не только стоимости (алюминий в разы дешевле меди), но и массы. Выигрыш по погонной массе достигается из-за меньшего удельного веса алюминия.
К сожалению, кабели с подобной структурой витых пар не позволяют получить высокую дальность связи: она, как правило, не превышает 70 м. Это заметно меньше, чем у обычного LAN-кабеля, который при скорости 100 Мбит/с устойчиво работает на длинах по меньшей мере 120 м. Свою роль здесь играет особенность интерфейсов 100 BASE-TX, которые передают информацию в базовой полосе. Шенноновская пропускная способность витой пары в графической форме пропорциональна площади треугольника abc на рисунке. Для «омедненки» она пропорциональна площади треугольника abd, которая меньше из-за повышенного коэффициента затухания на нижних частотах. Недостаток пропускной способности компенсируется уменьшением затухания за счет ограничения длины.
Результаты расчетов и экспериментов свидетельствуют о том, что кабели с биметаллическими проводниками на скорости не свыше 100 Мбит/с удовлетворительно функционируют при протяженности тракта не свыше 70 м. Чтобы повысить это значение, в начале 2016 г. стали применять биметаллические кабели с увеличенной толщиной медного слоя (дальность действия до 90 м), а также изделия класса ССС.
ГОСТ Р 54429-2011 не запрещает использовать при построении сетей доступа LAN-кабели с диаметром медных жил витых пар меньше 0,5 мм. Расчеты, подтвержденные экспериментами, показывают, что дальность связи до 120 м вполне обеспечивается изделиями с диаметром 0,44–0,46 мм при условии, что для их изготовления применяется качественная электротехническая медь и изоляция с малыми диэлектрическими потерями.
Проблема дистанционного питания не возникает в первую очередь из-за того, что этот сервис не пользуется особой популярностью при построении сетей доступа. Если такая необходимость появляется, следует помнить о том, что оборудование РоЕ (потребляемая мощность оконечного устройства не свыше 13 Вт) изначально рассчитывалось на кабели СКС категории 3 с диаметром жилы 0,4 мм.
Для удобства применения поставщики и производители обычно выделяют кабели этой разновидности в отдельную группу с собственной хорошо узнаваемой торговой маркой.
Задача создания абонентских линий сетей доступа протяженностью свыше 100 м решается двумя способами. Один из них – применение репитеров (о котором пойдет речь ниже), другой – внедрение кабелей с большей дальностью действия, которые отличаются от обычных увеличенным диаметром жил витых пар. В качестве прототипа таких изделий обычно используются так называемые РоЕ-кабели категории 5е, которые были созданы для управляемых телекамер систем дистанционного наблюдения.
Относительно небольшой шаг скрутки изделий категории 5е дополнительно снижает коэффициент затухания. В сочетании с ограниченной (100 Мбит/с) скоростью передачи и упрощенной структурой линии это позволяет добиться дальности действия заметно больше 200 м (в известных автору случаях – до 270 м).
Возможность применения репитеров Ethernet обусловлена специализированным характером абонентских линий сетей доступа. Репитер восстанавливает форму и амплитуду сигнала, поступающего на его вход. Проведенные эксперименты показывают, что, несмотря на отсутствие полной регенерации, такие устройства позволяют по меньшей мере утроить протяженность линии без ухудшения качества ее функционирования.
Репитер – малопотребляющее устройство, поэтому он может питаться от источника РоЕ по свободным парам (четырехпарный линейный кабель) или в режиме «поверх данных» (двухпарное линейное изделие) от местного и удаленного источника. Сильной стороной этой техники является то, что она при необходимости работает в режиме «на транзит», обеспечивая работоспособность РоЕ-совместимого устройства на другом конце линии.
3 Многопарные симметричные кабелиКабели предназначены для эксплуатации в местных первичных сетях связи номинальным напряжением дистанционного питания до 225 или 145 В переменного тока частотой 50 Гц или напряжением до 315 и 200 В постоянного тока соответственно.
Для прокладки в телефонной канализации, в коллекторах, шахтах, по стенам зданий и подвески на воздушных линиях связи. Кабели применяют в условиях, не характеризующихся повышенным внешним электромагнитным влиянием. При прокладке, монтаже и эксплуатации кабелей не допускается попадание влаги или почвенных электролитов под оболочку кабеля через его концы. Подача внутрь сердечника или нанесение на наружную поверхность кабелей веществ, вредно воздействующих на его изоляцию и оболочку, не допускается. Допускается эксплуатация кабелей без гидрофобного заполнения с числом пар 100 и более под избыточным давлением воздуха или азота 0.049 - 0.098 МПа (0.5 - 1.0 кгс/см2).
Жилы объединены по 5,10,30,50,100,200,400 пар.
1.Токопроводящая жила из медной мягкой круглой проволоки.
2. Изоляция:
в кабелях марки ТППэп (ГОСТ)- сплошная полиэтиленовая;в кабелях марки ТПпП, ТППэп (ТУ 088) - пленко-пористо-пленочная полиэтиленовая, состоящая из трех слоев:
- слой сплошного полиэтилена,
- слой пористого полиэтилена,
- слой сплошного полиэтилена. 
3. Скрученная пара.
4. Скрутка - элементарные пяти- или десятипарные пучки.
5. Главные 50- или 100-парные пучки.
6. Скрученный сердечник.
7. Поясная изоляция - ленты поливинилхлоридные.
8. Экран - алюмополимерная лента, под экраном проложена медная луженая контактная проволока.
9. Оболочка из полиэтилена.
Заключение
Из-за рабочих частот полосы 1–100 МГц симметричные тракты на основе LAN-кабелей в любом их исполнении нельзя тестировать традиционным связным измерительным оборудованием. Разработка же специализированных кабельных сканеров проблематична, поскольку потенциальный рынок сбыта таких приборов довольно мал.
Выходом в данной ситуации может стать использование стандартных кабельных сканеров СКС с дополнительным подтверждением конечного результата на соответствие нормам даже в случае индикации FAIL. При таком подходе потребуются дополнительно решить ряд задач, в числе которых:
разработка новых и адаптация существующих методик к новой области с их утверждением на уровне стандарта предприятия;
отнесение нестандартных для СКС видов линий к одной из разрешенных конфигураций (например, прямое подключение измеряется по модели тракта);
дополнительное обучение персонала правилам тестирования и интерпретации полученных результатов.
Симметричные горизонтальные кабели имеют в ближайшем будущем хорошие перспективы для построения абонентских линий сетей доступа. Кабели, оптимизированные для решения этой задачи, целесообразно выделить в самостоятельный подкласс.
Сильные стороны ряда симметричных изделий могут быть реализованы только в случае высокой профессиональной квалификации проектировщиков, инсталляторов и обслуживающего персонала.
Функциональные возможности симметричных линий сетей доступа можно заметно расширить за счет предложения комплексного решения из линейных кабелей и активного сетевого оборудования.
Для тестирования их качества можно пользоваться существующими сканерами СКС при условии соответствующего выбора моделей измерения и интерпретации результатов инструментального контроля.
Список использованной литературы
1. Семенов А.Б., Стрижаков С.К., Сунчелей И.Р. Структурированные кабельные системы. М.: Компания АйТи, ДМК Пресс, 2004. 640 с.
2. Самарский П.А. Основы структурированных кабельных систем. М.: Компания АйТи, ДМК Пресс, 2005. 216 с.
3. http://www.adp.ru/passive/teh_doc/for_test.htm
4. http://www.cnts-net.ru/stati/statia40.dhtml