новости
статьи
.технологии

тестирование кабельных систем на основе витой пары для 10-гигабитных приложений

Стандарты Ethernet для 10-гигабитных скоростей передачи были завершены и опубликованы в середине 2006 года. В этой статье представлен обзор требований к кабельным системам на основе витой пары для гигабитных приложений и методов измерения и сертификации их рабочих характеристик.

тестирование и сертификация систем для приложений 10GBASE-T в полевых условиях

Пропускную способность кабельного канала невозможно определить в отрыве от других факторов. Передатчик кодирует цифровые данные, генерирует электрические сигналы для передачи и подает их в кабельный сегмент. Физический канал должен быть в состоянии передать сигнал от передатчика к приемнику на заданное расстояние и обеспечить приемлемое качество сигнала на дальнем конце, на входе в приемник. Приемник также должен соответствовать определенным требованиям и успешно выполнять свою задачу, корректно обрабатывая приходящие сигналы, если их параметры соответствуют спецификациям. Требования к передатчику, кодированию сигнала, параметрам приемника и передаточным характеристикам канала должны изучаться и рассматриваться в комплексе, как единая система.

Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) разрабатывает и периодически обновляет стандарт IEEE 802.3, описывающий сети Ethernet. Рабочая группа по 10-гигабитным сетям Ethernet в 2006 году завершила разработку стандарта IEEE 802.3an. Для создания спецификаций на активное сетевое оборудование институт IEEE использовал методы экспертной оценки, а для разработки требований к кабельным каналам привлекались организации по стандартизации кабельных систем – Ассоциация телекоммуникационной промышленности (TIA) и Международная организация по стандартизации (ISO).

Компания Fluke Networks активно участвовала в работе исследовательских комитетов TIA и ISO с момента их основания. Вклад компании Fluke Networks позволил разработать практичную и эффективную методику тестирования внешних перекрестных наводок Alien Crosstalk (AXTalk). Выяснилось, что внешние перекрестные наводки Alien Crosstalk – это критичный параметр, определяющий возможность или невозможность передачи сигналов Ethernet 10 Гбит/с (10GbE) в канале на основе витой пары. Далее мы поясним физическую сущность этого семейства параметров, а также методику их тестирования. Полевое тестирование установленной кабельной системы на основе витой пары на применимость для приложений 10GBASE-T включает в себя измерение всех параметров, определенных в действующем стандарте TIA/EIA-568-B для кабельных систем категории 6 (Cat 6). К ним относятся:

- вносимые потери (Insertion Loss);

- возвратные потери (Return Loss);

- перекрестные наводки на ближнем конце по модели «пара-пара» (Pair-to-pair NEXT);

- интегральные перекрестные наводки на ближнем конце (Power Sum NEXT);

- эквивалентные перекрестные наводки по модели «пара-пара» на дальнем конце (ELFEXT);

- интегральные перекрестные наводки на дальнем конце (Power Sum ELFEXT);

- задержка распространения (Propagation Delay);

- длина (Length);

- смещение задержки (Delay Skew).

Пределы тестирования 10GBASE-T совпадают с пределами тестирования кабельных систем категории 6 в диапазоне до 50 МГц, но полный диапазон тестирования для приложений Ethernet 10 Гбит/с вдвое шире – все параметры специфицированы до 500 МГц, так как без этого невозможно обеспечить такие высокие скорости передачи. Кроме того, к списку параметров тестирования для приложений Ethernet 10 Гбит/с нужно добавит внешние перекрестные наводки Alien Crosstalk, описываемые в этой статье.

понятие параметра Alien Crosstalk и его влияние на работоспособность приложений 10 Гбит/с

Передача сигналов в сетях 10GBASE-T использует полосу пропускания до 500 МГц, и это значительно больше, чем привычная полоса до 100 МГц, пригодная для гигабитных сетей (1000BASE-T). При работе на таких высоких частотах следует учитывать дополнительные эффекты, которые раньше не сказывались на работе, поэтому придется расширить список параметров тестирования. Новое семейство параметров получило название Alien Crosstalk - внешние перекрестные наводки.

Обычные перекрестные наводки характеризуют помеховый сигнал, наведенный с одной пары на другую под оболочкой одного и того же кабеля. Такие наводки нежелательны, поскольку они генерируют в парах шум, препятствующий передаче целевого сигнала. Этот эффект сродни телефонному разговору по линии с очень сильными помехами. Приемное устройство может просто не суметь отличить сигнал, посланный передатчиком с другого конца линии, от шума, возникшего в результате перекрестных наводок. Для передачи данных величина перекрестных наводок – параметр очень критичный. Величина наводок возрастает с ростом частоты передаваемого сигнала, при этом высокочастотные сигналы подвержены большему затуханию, чем низкочастотные, и по мере распространения в среде кабеля целевой сигнал слабеет все больше и больше. Комбинация этих двух факторов – причина того, что на определенной частоте шум, создаваемый перекрестными наводками, сравняется по мощности с целевым сигналом от передатчика. Как правило, это происходит на частотах около 10 МГц в каналах категории 5е (при полной длине канала 100 м) и на частотах около 40 МГц для полных каналов категории 6.



Рис. 1. Параметр NEXT характеризует наводки, генерируемые «сигналом от А к В», на пару номер 2, по которой в приемник поступает «сигнал от В к А».

Надежная передача данных на этих (и на более высоких) частотах уже невозможна, если только не использовать в активном оборудовании чрезвычайно сложные методы цифровой обработки сигналов. Именно это явление ограничивает полосу пропускания в кабельных системах на основе витой пары. Перекрестные наводки на ближнем конце (NEXT) характеризуют помеховый сигнал, возникающий и измеряемый на том же конце канала, где расположен передатчик. На рис. 1 показаны перекрестные наводки в системе, задействующей для работы две пары. Если передача сигналов осуществляется одновременно по нескольким парам, как в сетях 1000BASE-T и 10GBASE-T, то необходимо учитывать и тестировать также перекрестные наводки FEXT на дальнем конце. Показанные на рис. 1 и 2 перекрестные наводки возникают между парами одного и того же кабеля, под одной и той же внешней оболочкой. Внешние наводки Alien Crosstalk, по сути, явление того же типа, но теперь помеховый сигнал наводится со стороны пар других кабелей, расположенных по соседству. Внешние наводки Alien Crosstalk представляют серьезную проблему в системах на основе неэкранированной витой пары (UTP); это основной источник помех для 10-гигабитных приложений в системах UTP. На рис. 3 показано, как в паре возникают помехи Alien Crosstalk, наведенные на нее со стороны пар соседних кабелей.

Перекрестные наводки Alien Crosstalk измеряются по тому же принципу, что и обычные параметры NEXT и FEXT, с той лишь разницей, что пары принадлежат разным кабелям. Поскольку на тестируемую пару (обычно называемую парой-жертвой) воздействуют наводки со стороны всех кабелей в пучке, параметры внешних перекрестных наводок PSANEXT и PSAFEXT необходимо определять по совокупности сочетаний пар, принадлежащих всем кабелям в пучке.



Рис. 2. Параметр FEXT характеризует наводки на пару номер 4 со стороны сигнала, распространяющегося в том же направлении, что и целевой сигнал самой пары номер 4. Помеха затрудняет распознавание целевого сигнала в приемнике номер 4.



Рис. 3. Параметр Alien Crosstalk характеризует внешние перекрестные наводки, генерируемые парами, расположенными в кабелях, соседствующих в пучке с кабелем-жертвой. Внешние перекрестные наводки Alien Crosstalk подразделяются на внешние наводки на ближнем конце Alien NEXT и внешние наводки на дальнем конце Alien FEXT.

тестирование параметров Alien Crosstalk


В этом разделе описываются методика и стратегия тестирования внешних наводок Alien Crosstalk. Методика тестирования описывает конфигурацию программного и аппаратного обеспечение тестеров, которые будут использоваться для измерения внешних перекрестных наводок в пучке кабелей. Стратегия тестирования описывает общий подход к выполнению измерений в установленной кабельной системе. В большинстве случаев с экономической точки зрения нецелесообразно, а то и просто невозможно провести измерение внешних перекрестных наводок по абсолютно всем сочетаниям пар. Компания Fluke Networks разработала экспериментальные модели приборов и методики измерения на базе тестера DTX-1800 CableAnalyzer; они позволяют проводить измерения внешних перекрестных наводок в нужной полосе частот. Эти методики тестирования уже апробированы и используются многими производителями кабельных систем, чтобы проводить измерения параметров Alien Crosstalk как в лабораторных, так и в полевых условиях. Модули Alien Crosstalk будут предлагаться вместе с тестером DTX-1800, когда исследовательские разработки будут полностью завершены.

методика измерения

Для тестирования параметра NEXT в кабельной системе основной и удаленный модули сертификационного тестера подключаются к обоим концам тестируемого сегмента и синхронизируют свои действия. Для тестирования параметра Alien NEXT основной и удаленный модули прибора DTX-1800 необходимо подключить к разным кабельным сегментам; для этого используются адаптеры постоянной линии. Между основным и удаленным модулем придется установить дополнительное соединение, которое позволит модулям работать согласованно. Специальные модули Alien Crosstalk устанавливаются в задние отсеки обоих модулей прибора DTX-1800; они подключаеются к тем же разъемам, к которым могут подсоединяться оптические модули – например, модули DTX-MFM. После того, как в каждый модуль прибора будет установлен модуль Alien Crosstalk, между ними необходимо подключить обычный коммутационный шнур, который будет служить для синхронизации работы модулей. Дальние концы тестируемого сегмента остались открытыми и не подключены к модулям прибора. Между тем, открытый конец сегмента приводит к обратному отражению очень существенной доли тестового сигнала, что, в свою очередь, пагубно сказывается на точности измерений. Поэтому на концах этих двух сегментов нужно установить специальные заглушки: они позволят избежать отражения сигналов и обеспечат необходимую точность измерений. Подключения основного и удаленного модулей прибора DTX-1800 позволяет провести измерение внешних перекрестных наводок Alien NEXT по модели «пара-пара» между двумя кабелями в пучке. Для двух кабелей существует 16 сочетаний пар для измерения NEXT. Прибор DTX-1800, подключенный к сегменту, проводит измерение параметра Alien NEXT (внешние перекрестные наводки на ближнем конце) для всех 16 комбинаций пар в диапазоне от 1 до 500 МГц примерно за 30 секунд.

Для тестирования параметра Alien FEXT (внешние перекрестные наводки на дальнем конце) для двух кабелей в пучке модули тестера подключаются к различным концам кабельного сегмента. Приборы должны быть оснащены теми же модулями Alien Crosstalk, что были описаны ранее для измерений параметра Alien NEXT. Чтобы обеспечить согласованную работу основного и удаленного модулей прибора DTX-1800, необходимо задействовать еще одну кабельную линию: либо один из установленных сегментов в системе, либо дополнительную линию, которая вообще не используется. Открытые концы сегментов, участвующих в измерениях, необходимо закрыть теми же заглушками, что мы использовали для тестирования параметра Alien NEXT. Использование этого метода в полевых условиях дало очень хорошие результаты. Очень важна такая характеристика прибора, как уровень собственного шума. Он должен находиться в определенных пределах, чтобы тестер мог измерять с большой точностью даже слабые внешние перекрестные наводки Alien Crosstalk.

измерения интегральных параметров (Power Sum)

Как уже упоминалось, тестирование внешних перекрестных наводок Alien Crosstalk не останавливается на измерении внешних наводок только между отдельными парами. При реальной работе сети все пары кабелей в пучке одновременно задействованы в полнодуплексной передаче сигналов – то есть данные передаются по каждой паре одновременно в обоих направлениях. Поэтому на каждой паре обязательно будет сказываться влияние от передачи сигналов, которая идет по всем другим парам в кабельном пучке. Такое совокупное влияние характеризуется параметрами интегральных внешних перекрестных наводок на ближнем (Power Sum Alien NEXT, PSANEXT) и дальнем (Power Sum Alien FEXT, PSAFEXT) концах, причем оба этих параметра являются расчетными.

Для расчета необходимо, чтобы основной модуль прибора DTX-1800 был подключен к портативному компьютеру через порт USB. Запущенная на этом компьютере программа будет импортировать результаты измерения внешних наводок NEXT или FEXT по модели «пара-пара» и по мере вовлечения в тестирование все новых кабелей из пучка рассчитает интегральные внешние перекрестные наводки.

стратегия тестирования параметров Alien Crosstalk

Получить интегральные параметры Power Sum для каждой пары в кабельном пучке – очень непростая задача; она требует много времени и ресурсов. Как мы уже говорили, для каждого дополнительного кабеля в пучке к расчетам интегрального параметра Power Sum надо будет добавить 16 новых сочетаний пар.

Если кабели, показанные на рис. 3, по всей длине сегмента сохраняют свое взаимное расположение, то мы получим конфигурацию, в которой один кабель окружен шестью другими; это считается наихудшим случаем при измерении внешних наводок Alien Crosstalk. Это действительно наихудший случай, так как в реальной жизни вероятность того, что все семь кабелей сохранят такое взаимное расположение по всей длине сегмента, очень невелика. Кабель, расположенный в центре и окруженный шестью другими, является жертвой наводок с их стороны. Для расчета интегрального параметра Power Sum Alien NEXT для четырех пар этого центрального кабеля придется выполнить измерение наводок Alien NEXT по модели «пара-пара» для 96 сочетаний пар (то есть 6 раз по 16). Общая продолжительность такого тестирования составит около 180 секунд (или трех минут); к этому, конечно, надо добавить еще и некоторое время на физическое подключение/отключение тестовых шнуров и на загрузку результатов измерений в персональный компьютер. Все это, конечно, здорово, но ведь мы протестировали только один кабель из пучка, да и сам пучок кабелей был маленький. А ведь большинство пучков в реальных кабельных системах насчитывает гораздо больше кабелей. С одной стороны, стандарты утверждают, что внешние перекрестные наводки Alien Crosstalk очень критичны для реализации приложений 10GBE в системах, основанных на витой паре. Следовательно, для проверки пригодности кабельной системы для высокоскоростных сетевых приложений просто необходимо проводить полевое тестирование передаточных характеристик. С другой стороны, продолжительность тестирования при этом должна вписываться в рамки разумного.

рекомендации по выборочному тестированию параметров Alien Crosstalk

Разумный подход к измерению внешних перекрестных наводок Alien Crosstalk предусматривает выборочное тестирование, причем его следует проводить на тех сегментах, которые вызывают наибольшие сомнения в их характеристиках. Общая стратегия включает в себя следующие положения:

1. Тестировать следует только самые длинные сегменты из тех, которые предполагается использовать под приложения 10GBASE-T; короткие сегменты (менее 50 м), скорее всего, не будут подвержены таким проблемам. Необходимо помнить, что вносимые потери всегда возрастают с увеличением длины сегмента и с ростом частоты сигнала. Это означает, что целевые сигналы, достигающие дальнего конца длинного сегмента, имеют меньшую мощность, в результате уменьшается отношение сигнал/шум, то есть увеличивается восприимчивость к внешним перекрестным наводкам Alien Crosstalk. Телекоммуникационным стандартам еще предстоит определить значение вносимых потерь, при котором внешние наводки Alien Crosstalk становятся значимым источником возмущения.

2. Если для работы приложений 10GBASE-T необходимо сертифицировать большое количество кабелей в пучке, следует выбрать несколько самых длинных кабелей в качестве объектов измерения (кабелей-жертв) и проверить, сходны ли получаемые для них значения параметров PSAXtalk. Если кабельные пучки большие, то имеет место некоторое усреднение параметров PSAXtalk по всем кабелям. Тогда получается, что параметры PSAXtalk для различных кабелей в пучке стремятся к некоему среднему значению. Если полученные результаты PSAXtalk для выбранных кабелей не дают большого разброса значений, и при этом все они вписываются в допустимые пределы, то никакого дополнительного тестирования проводить не нужно.

3. Внешние перекрестные наводки PSANEXT необходимо измерять для длинных сегментов (больше 50 м). Это самый типичных случай для тех систем категории 6, что уже установлены у заказчиков. Начинать тестирование нужно в точке, где сходится вместе большое количество кабелей (например, на коммутационной панели), и в качестве источников наводок на кабель-жертву следует использовать соседние с ним кабели. Продолжать тестирование (то есть добавлять новые кабели, играющие роль источников наводок) надо до тех пор, пока в ответ на это добавление меняются результаты PSANEXT.

4. Если в одном пучке оказываются и короткие, и длинные кабели, то для длинных сегментов надо тестировать параметр PSAFEXT. В качестве источников наводок на длинный кабель-жертву следует использовать соседние с ним короткие кабели, в точке, где сходится вместе большое количество кабелей – то есть на коммутационной панели. Добавлять новые кабели, играющие роль источников наводок, надо до тех пор, пока в ответ на это добавление меняются результаты PSAFEXT. Поскольку частотная характеристика для этого параметра тестирования хорошо предсказуема, то для тестирования достаточно использовать только одну частоту – 100 МГц.

применимые типы кабелей

Институт IEEE рассмотрел типы кабелей, перечисленные в таблице на рис. 4, с точки зрения их применимости для приложений 10GBASE-T.



Рис. 4. Типы кабелей, которые поддерживают приложения 10GBASE-T.

Если в комментариях указано, что система «Поддерживает приложения 10 Гбит/с (техническое требование IEEE)», то это означает, что требования к активному оборудованию (передатчикам и приемникам) были сформулированы таким образом, чтобы оно корректно работало в таких системах даже в худшей конфигурации, где шесть кабелей расположены вокруг одного кабеля-жертвы. Нетрудно заметить, что 55-метровый канал категории 6 – это один из сегментов, которые изначально должны соответствовать требованиям приложений 10GBASE-T.

Другими словами, если вы проектируете кабельную систему для информационного центра, в котором все сегменты имеют длину 55 метров или меньше, то уже существующей обычной кабельной системы UTP категории 6 может оказаться вполне достаточно. Монтаж такой системы потребует пристального внимания, особенно в том, что касается качества заделки разъемов. И хотя технические требования к компонентам дополненной категории 6 (Augmented Cat 6, она же Cat 6A) еще не были приняты окончательно и не публиковались, тем не менее, специалистам в области кабельных систем рекомендуется включать в спецификации и использовать только усовершенствованное коммутационное оборудование, предназначенное для систем категории 6A: это позволит минимизировать внешние наводки Alien Crosstalk на коммутационных панелях.

И последнее, но не менее важное соображение: кабельные системы, для которых производительность критически важна (в тех же информационных центрах, например), обязательно должны проходить сертификацию на параметры внешних наводок Alien Crosstalk в соответствии с уже описанными методиками.

Требования к кабельным системам, в которых будут реализовываться приложения 10GBASE-T, изложены в двух проектах стандартов. Первый из них –телекоммуникационный бюллетень TSB-155, разработанный Ассоциацией Телекоммуникационной Промышленности TIA. Второй – Приложение 10 к стандарту TIA/EIA-568-B (TIA/EIA-568-B.-10). Почему в этой области исследований появилось два нормативных документа, а не один? Первый документ, бюллетень TSB-155, рассматривает требования к кабельной системе для поддержки приложений Ethernet 10 Гбит/с, причем с возможным ограничением по длине сегмента. Этот документ предназначен для того, чтобы оценивать применимость существующих систем категории 6 для реализации приложений 10GBASE-T. Второй документ – Приложение 10, выпущенное ассоциацией TIA – вводит понятие новой категории: дополненной категории 6 (Augmented Cat 6, она же обозначается как категория 6A), которая обеспечивает запас по характеристикам в сравнении с обычной категорией 6 и предназначена для поддержки приложений 10GBASE-T в полном канале длиной 100 м. Системы дополненной категории 6 обеспечивают больший запас над минимальными требованиями по характеристикам, гарантирующими применимость 10-гигабитных приложений Ethernet, причем как для внешних перекрестных наводок Alien Crosstalk, так и для привычных параметров, учитывающих взаимные эффекты внутри одной и той же оболочки кабеля, на частотах свыше 50 МГц.

рекомендации

При использовании кабеля категории 6 или 6A особое внимание следует уделить проектированию кабельной системы, чтобы минимизировать внешние наводки Alien Crosstalk. Рекомендации, позволяющие уменьшить внешние наводки Alien Crosstalk, сводятся в основном к правилам укладки кабеля в пучки и организации правильного распределения кабельных потоков к точкам заделки. Необходимо помнить, что требования к параметрам систем, в которых будут использоваться приложения 10GBASE-T, указаны в расширенном диапазоне частот (до 500 МГц), и что необходимо строго соблюдать правила монтажа, иначе качество системы неминуемо пострадает. Предполагается, что за интегральные внешние перекрестные наводки Power Sum Alien Crosstalk (PSAXtalk) ответственны только кабели, расположенные в одном и том же пучке. Следовательно, наводки PSAXtalk будут тем меньше, чем меньше кабелей собрано в пучок. Описанная ранее стратегия тестирования становится только эффективнее, если поддерживать в пучке небольшое количество кабелей. Оптимальное количество кабелей в пучке, особенно в кабельных системах категории 6 – один. Настоятельно рекомендуется не собирать в пучок больше 4 кабелей. Стягивать кабели в пучок надо без чрезмерных усилий; кабельные хомуты-стяжки следует размещать на расстоянии 30 сантиметров или более друг от друга.

В большинстве случаев наводки Alien NEXT сильнее всего сказываются на первых метрах сегмента, начиная с того конца, где размещено измерительное оборудование. Проведенные работы по моделированию и верификации экспериментальных сегментов показали, что наводки Alien NEXT в удаленной (от тестера) части сегмента почти не влияют на интегральные наводки PSANEXT, за исключением тех случаев, когда кабели сохраняют свое взаимное расположение в пучке на протяжении всей длины. Следовательно, упорядоченное расположение коммутационных шнуров, точек заделки кабелей на коммутационных панелях, а также качество заделки проводников могут сильно влиять на уровень внешних перекрестных наводок. Слишком близкое расположение кабелей увеличивает наводки Alien Crosstalk.

Из приведенных нами рекомендаций по стратегии и методике тестирования логически следует, что при тестировании параметров Alien Crosstalk в системе необходимо располагать подробными сведениями о ее топологии. Это позволит определить, какие кабели расположены в одних и тех же пучках. Полезно также составить и использовать систему обозначений кабелей, в которой идентифицировался бы не только сам кабель, но и пучок, в котором он увязан.

заключение

10-гигабитная технология Ethernet предъявляет к кабельным системам на основе витой пары высокие требования. Потребуется не только обеспечивать высокое качество систем обычной категории 6, но и проводить дополнительные измерения, которые гарантировали бы, что внешние перекрестные наводки Alien Crosstalk находятся в допустимых пределах. Возможен и другой вариант: устанавливать системы не обычной, а дополненной категории 6 -Augmented Cat 6. В любом случае, качество работы по монтажу будет играть существенную роль в обеспечении того, что кабельное оборудование будет без проблем поддерживать эту новую сверхбыструю сетевую технологию. Полевая сертификация обычных параметров тестирования и внешних перекрестных наводок Alien Crosstalk – это единственный способ гарантировать, что система действительно будет поддерживать 10-гигабитные приложения Ethernet.

Дополнительную информацию вы можете найти на сайте http://flukenetworks.pns.by или получить в офисе официального дистрибьютора Fluke Networks в РБ ЗАО «Профессиональные сетевые системы» по адресу: г. Минск, ул. Тимирязева, 65б-308. Тел./факс: (017) 290-83-73.


обсудить статью
© сетевые решения
.
.