Симметричные кабели для сетей доступа в зданиях

Обновлено 18 мая 2017 - 6 лет назад

Ради минимизации затрат на создание сетей доступа операторы связи отказываются от оптики в пользу симметричных кабельных решений.

В то время как строительство магистральных линий уже в основном завершено, полным ходом идет создание той части сетей доступа, которая предоставляет услуги широкому кругу частных пользователей. Физический уровень этих сетей реализуется на основе кабельных трактов или средств радиосвязи. Беспроводной доступ достигает необходимого уровня эффективности лишь в отдельных случаях, поэтому мы исключим его из рассмотрения.

Для реализации "кабельного варианта" могут использоваться оптические, медно-жильные и комбинированные (гибридные) решения, причем последние два заметно популярнее чисто оптического подхода. Благосклонность операторов связи к проводным решениям имеет под собой объективную основу: как показывает анализ трафика на абонентской стороне сетей доступа, высокая пропускная способность оптического кабеля в большинстве случаев оказывается ненужной. Средний пользователь-"белка" не в состоянии воспринять всю информацию, поступающую к нему на скорости выше 50 Мбит/с - и еще меньше он способен заполнить обратный канал таким же высокоскоростным потоком. Де-факто это означает, что 100 Мбит/с FastEthernet становится основным типом оборудования, обслуживающего "последний метр последней мили".

Физический уровень как сети доступа, так и СКС строится на одной и той же элементной базе. Однако, в отличие от СКС, в современных реалиях клиент (пользователь Интернета) не оплачивает строительство соединительной линии до провайдера. Последний компенсирует свои затраты из ежемесячной платы, т.е. стоимость элементной базы для него критична. Учитывая это, а также из соображений минимизации CAPEX и OPEX, основным типом оборудования в современных сетях доступа является 100 BASE-TX, также известный как IEEE 802.3u, а сама кабельная линия строится на симметричном LAN-кабеле.

Еще одним преимуществом отказа от оптической технологии является возможность значительно сократить крупные формальные инвестиции в проект и снизить требования к уровню оборудования и культуре персонала. Последнее обстоятельство особенно важно для региональных компаний.

Структура симметричной линии и требования

Основные характеристики проводной симметричной линии сети доступа определяются условиями, которые задает район их установки. С точки зрения системы они следующие:

используется активное сетевое оборудование, которое работает по биполярной схеме и поэтому создает значительно меньше (около 3 дБ) переходных шумов;
можно полностью отказаться от перекрестной схемы построения коммутационного поля, установить точку консолидации в линейной части и перейти к схеме прямого подключения, что заметно улучшает соотношение сигнал/шум на входе приемника;
Максимальная длина коммутационных шнуров практически не требуется, а более короткие шнуры уменьшают общее затухание на пути сигнала;
нет необходимости в дистанционном питании маломощных абонентских оконечных устройств.

Полученный выигрыш в помехоустойчивости может быть использован как для улучшения качества работы линии, так и для увеличения ее длины сверх стандартных 100 м, характерных для кабельных трактов СКС.

При этом средняя длина сети доступа значительно увеличивается: по данным Ростовского филиала "Ростелекома" до 20% абонентов подключены к Интернету трактами длиной более 100 м. Причина в том, что из-за отсутствия выделенных технических помещений в типовых жилых домах приходится отказываться от многоуровневой структуры, характерной для офисов, в пользу централизованной архитектуры.

В Российской Федерации действуют два стандарта, ГОСТ Р 53538-2009 и ГОСТ Р 54429-2011, стандартизирующие характеристики кабелей с медными жилами для цифровой передачи, которые могут использоваться в сетях доступа. Основное различие между ними заключается в том, что в первом случае характеристики приведены в диапазоне частот до 2 МГц при длине 1 км, а во втором - в диапазоне 1-100 МГц и выше, при длине 100 м.

Поскольку первый случай не обеспечивает достаточной пропускной способности, в дальнейшем мы будем ограничиваться изделиями, изготовленными по ГОСТ Р 54429-2011 (их называют LAN-кабелями). В этом нормативном документе прямо указано, что LAN-кабели сетей доступа могут иметь несколько худшие параметры передачи, что, однако, не влияет на технико-экономическую эффективность создаваемых линий. Фактически это означает, что стандарт допускает отход от канонического принципа универсальности для СКС и переход на специализированную продукцию. Эта особенность открывает перспективы модернизации конструкции симметричных кабелей витая пара, а основной целью их оптимизации становится снижение капитальной части финансовой нагрузки на оператора связи.

Мы рассмотрим области внедрения такого подхода, доведенные до уровня практической реализации.

Горизонтальные кабели с малой парой

Ограничение скорости передачи до 100 Мбит/с позволяет использовать в качестве активного сетевого оборудования устройства с интерфейсами 100 BASE-TX, работающие по двухпарной схеме. Двухпарные кабели, запрещенные для прокладки в СКС, разрешены в сетях доступа. Отпускная цена такого кабеля ниже, чем у стандартного четырехпарного, за счет меньшей материалоемкости.

Производство LAN-кабелей характеризуется высокой степенью автоматизации, поэтому заводская цена этой продукции определяется в первую очередь стоимостью сырья. Значительные колебания мировых цен на медь и нефть в последние годы не позволяют сделать точные расчеты, но если предположить, что медь и пластик вносят одинаковый вклад в стоимость четырехпарного изделия, то переход на двухпарный вариант, по оценкам, даст выигрыш в стоимости на значительные 25%.

Дополнительным преимуществом двухпарных кабелей является их большая гибкость и меньшая площадь поперечного сечения. Это особенно важно для узловой области их применения, учитывая недостаточные размеры стояков современных жилых зданий и их загромождение не только другими кабелями, но и просто строительным мусором.

Для производства двухпарных LAN-кабелей выгодно то, что в их корпусе гораздо легче соблюсти стандарты по параметру структурных возвратных потерь SRL, благодаря чему можно формировать сердечник кабеля из проводов одинакового диаметра.

Среди основных недостатков малопарных LAN-кабелей отдельно стоит отметить невозможность гигабитных скоростей передачи и сложность их массового применения для создания сетей инженерных систем управления зданием (вентиляция, водоснабжение, контроль доступа и т.д.), роль которых в последние годы стремительно возрастает и которые вполне могут быть подключены к оператору связи.

Кабели с биметаллическими жилами

Когда сетевые интерфейсы 100 BASE-TX работают на частотах в десятки мегагерц, заметен поверхностный эффект: смещение тока по поверхности провода. В этой ситуации можно использовать двухслойные провода, в центральной части которых чистая электротехническая медь заменяется более дешевым металлом. В качестве заменителей могут быть использованы: медь низкого качества с повышенным удельным сопротивлением (продукция ССС), алюминий (продукция ССА), сталь (продукция ССС).

Наиболее распространенным является так называемый омедненный провод - провод с центральной алюминиевой частью и медной оболочкой. Его сильными сторонами являются не только снижение стоимости (алюминий в несколько раз дешевле меди), но и веса. Преимущество в весе достигается за счет меньшего удельного веса алюминия.

К сожалению, кабели с такой структурой витой пары не позволяют обеспечить высокую дальность связи: она обычно не превышает 70 м. Это заметно меньше, чем у обычного LAN-кабеля, который стабильно работает на скорости 100 Мбит/с на длине не менее 120 м. Здесь играет роль особенность интерфейсов 100 BASE-TX, которые передают информацию в базовой полосе. Шенноновская пропускная способность витой пары графически пропорциональна площади треугольника abc на рисунке. Для медной витой пары она пропорциональна площади треугольника abd, который меньше из-за повышенного коэффициента затухания  на более низких частотах. Недостаток полосы пропускания компенсируется уменьшением затухания из-за ограничения длины.

Результаты расчетов и экспериментов показывают, что кабели с биметаллическими жилами на скоростях не более 100 Мбит/с удовлетворительно функционируют при длине пути не более 70 м. Для увеличения этого значения в начале 2016 года использовались биметаллические кабели с увеличенной толщиной медного слоя (диапазон до 90 м), а также изделия класса ССС.

Кабели с уменьшенным диаметром жилы

ГОСТ Р 54429-2011 не запрещает использовать при построении сетей доступа LAN-кабели с диаметром медной жилы витой пары менее 0,5 мм. Расчеты, подтвержденные экспериментами, показывают, что дальность связи до 120 м вполне обеспечивается изделиями диаметром 0,44-0,46 мм, при условии, что для их изготовления использована высококачественная электротехническая медь и изоляция с низкими диэлектрическими потерями.

Проблема удаленного питания не возникает в первую очередь из-за того, что данная услуга не пользуется особой популярностью при построении сетей доступа. Если же такая необходимость возникнет, следует помнить, что оборудование PoE (потребляемая мощность оконечного устройства не превышает 13 Вт) изначально проектировалось для кабелей СКС категории 3 с диаметром жилы 0,4 мм.

Для удобства использования поставщики и производители обычно выделяют кабели этой разновидности в отдельную группу с собственным хорошо узнаваемым фирменным названием.

Кабели с увеличенным радиусом действия

Задача создания линий сети абонентского доступа длиной более 100 м решается двумя способами. Один из них - использование повторителей (о них речь пойдет ниже), другой - внедрение кабелей с большей дальностью действия, которые отличаются от обычных увеличенным диаметром жил витой пары. 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 5e еще больше снижает коэффициент затухания. В сочетании с ограниченной (100 Мбит/с) скоростью передачи и упрощенной структурой линии это позволяет достичь дальности действия более 200 м (до 270 м в известных автору случаях).

Использование ретрансляторов

Возможность использования повторителей Ethernet обусловлена специализированным характером абонентских линий сетей доступа. Повторитель восстанавливает форму и амплитуду сигнала, поступающего на его вход. Эксперименты показали, что, несмотря на отсутствие полной регенерации, такие устройства позволяют как минимум втрое увеличить длину линии без ухудшения качества ее работы.

Ретранслятор является маломощным устройством, поэтому он может получать питание от источника РоЕ по свободным парам (четырехпарный линейный кабель) или в режиме "по данным" (двухпарный линейный продукт) от местного и удаленного источника. Сильной стороной этого метода является то, что при необходимости он работает в режиме "in-transit", обеспечивая работоспособность РоЕ-совместимого устройства на другом конце линии.

Проблема с полевыми испытаниями

Из-за рабочей полосы частот 1-100 МГц симметричные тракты на основе LAN-кабелей в любом их исполнении не могут быть проверены с помощью традиционного коммуникационного измерительного оборудования. Разработка специализированных кабельных сканеров проблематична, поскольку потенциальный рынок для таких устройств достаточно мал.

Выходом в данной ситуации может быть использование стандартных кабельных сканеров СКС с дополнительным подтверждением конечного результата на соответствие, даже в случае индикации FAIL. Такой подход потребует решения ряда дополнительных задач, в том числе:

разработка новых и адаптация существующих методик к новой области с утверждением их на уровне стандарта предприятия;
отнесение нестандартных для СКС типов линий к одной из разрешенных конфигураций (например, прямое соединение измеряется моделью пути);
дополнительное обучение персонала правилам проведения тестирования и интерпретации результатов.

Подводя итог

Симметричные горизонтальные кабели имеют хорошие перспективы в ближайшем будущем для строительства абонентских линий сетей доступа. Кабели, оптимизированные для решения этой задачи, целесообразно выделить в самостоятельный подкласс.

Сильные стороны ряда симметричных изделий могут быть реализованы только при высоком уровне профессионализма проектировщиков, монтажников и обслуживающего персонала.

Функциональность симметричных линий сети доступа может быть значительно расширена за счет предложения комплексного решения линейных кабелей и активного сетевого оборудования.

Существующие сканеры СКС могут быть использованы для проверки их качества при условии соответствующего выбора моделей измерения и интерпретации результатов инструментального контроля.

Заказать