Основные тенденции развития оптических и симметричных кабелей для структурированных кабельных систем

Структурированная кабельная система (СКС) уже давно превратилась практически в обязательный атрибут современного офиса. Отсутствие СКС в офисном здании рассматривается в подавляющем большинстве случаев как анахронизм и заметно снижает рыночную стоимость такого объекта недвижимости.

Сданную в эксплуатацию структурированную кабельную систему можно рассматривать как совокупность так называемых стационарных линий (англ. permаnent link). В процессе формирования трактов (англ. cannel) передачи информации они соединяются друг с другом и подключаются к активному сетевому оборудованию коммутационными шнурами. Таким образом, процесс создания СКС сводится к решению двух главных проблем: отработке конструкции кабельных изделий и соединителей различных видов. Каждый такой компонент должен обладать заранее заданными характеристиками по пропускной способности в определенном частотном диапазоне. В рамках данного обзора с учетом основной направленности журнала мы сосредоточим свое внимание на различных кабельных изделиях, применяемых для построения СКС.
Хорошо известно, что кабельная техника носит чисто пассивный характер и за счет этого отличается явно выраженным техническим консерватизмом. Сама СКС, как отдельное направление, очень молода, так как официально сформировалось только в 1991 году с принятием первого профильного американского стандарта. Тем не менее, СКС относится к одному из самых динамично развивающихся направлений информационных технологий и телекоммуникаций. Отрасль продолжает регулярно радовать всех причастных к ней технических специалистов интересными новинками и развивается достаточно динамичными темпами.

Российский рынок СКС

В силу целого комплекса причин для подавляющего большинства ведущих производителей техники СКС российский рынок не является стратегически важным по состоянию на сегодняшний день. Тем не менее, справедливости ради отдельно укажем на то, что этими же производителями отечественный рынок рассматривается как один из наиболее перспективных. Резонность такого подхода без проблем обосновывается даже простым анализом годовых оборотов и динамикой их изменения. К сожалению, объективное общепризнанное исследование этого сегмента рынка кабельной техники до сих пор не произведено и поэтому сейчас можно привести только некоторые приблизительные оценки.
Из последних обзоров BSRIA и данных ВНИИ кабельной промышленности, приведенных на конференции CABEX 2010, можно сделать вывод о том, что «компонентная» (т.е. без учета работ на инсталляцию и потребления обязательных сопутствующих элементов типа монтажного конструктива и декоративных кабельных каналов) емкость российского рынка СКС составляет примерно 500 миллионов долларов. В докризисный период этот сегмент демонстрировал впечатляющие темпы роста на уровне около 20% в год. Последнее явно свидетельствует о его ненасыщенном характере и больших перспективах дальнейшего роста при стабилизации экономики.
На собственно информационные кабельные системы из приведенных цифр приходится примерно половина всего годового оборота. Большие объемы потребления данной техники в смежных областях объясняются ее чрезвычайно высокой функциональной гибкостью в сочетании с дружественностью к пользователю. Так элементная база СКС широко используется при построении таких популярных объектов, как системы пожарно-охранной сигнализации, системы обеспечения функционирования инженерного обеспечения здания («умный дом») и аналогичных им.

Кабели СКС

Объем потребления различных кабельных изделий несколько превышает в денежном выражении объем потребления соединителей (соотношение примерно 3 : 2), что, собственно говоря, объясняет справедливость названия самой области техники. При этом свыше 80% по длине всех кабельных изделий составляют 4-парные горизонтальные кабели, остальное приходится на многопарные магистральные и оптические кабели.
При построении офисных СКС допускается применение симметричных и оптических кабелей, причем последние представлены изделиями как с многомодовыми волокнами калибром 50/125 и 62,5/125 с различным коэффициентом широкополосности, так и с одномодовыми световодами (обычными и с подавленным водяным пиком). В СКС других разновидностей список разрешенных кабельных изделий существенно расширяется. Так, например, соединительные линии с сетями связи общего пользования центров обработки данных (ЦОД) в необходимых случаях могут быть реализованы на коаксиальных кабелях. Функциональные возможности кабельных систем для промышленных предприятий существенно расширяет возможностью использования оптических кабелей с кварц-полимерными и чисто полимерными волокнами (последние — в двух различных разновидностях).
Подавляющее большинство СКС в настоящее время реализуется в офисных зданиях. Россия, как известно, расположена в Евразии, и поэтому естественным образом ряд принципиальных подходов в области телекоммуникаций, в широком смысле этого термина, основан на европейских стандартах. На этом фоне СКС, как сегмент рынка, выбивается из общей картины своим явным тяготением в сторону американских подходов. В частности, более 90% всех кабельных систем создается с использованием основной для США неэкранированной элементной базы с привлечением для этого кабелей U/UTP.

Категории симметричных кабелей СКС
и скорость передачи информации

Симметричные кабели СКС делятся на так называемые категории с верхней граничной частотой нормирования полной совокупности их параметров, Таблица 1. Часть производителей кабельной техники из соображений маркетингового характера и расширения функциональных возможностей может менять указанные значения без изменения номера категории.

При построении современной сетевой аппаратуры широко применяется многоуровневое кодирование, схемы параллельной передачи, а также аппаратурные подавители переходных помех различной природы и помех от отражений. Это позволяет использовать в условиях реальной эксплуатации примерно 60% от теоретической (шенноновской) пропускной способности симметричного кабеля и тракта на его основе. Поэтому на практике СКС в зависимости от категории применяемой элементной базы обеспечивают скорость передачи, численные значения которых в Мбит/с заметно превышают верхнюю граничную частоту при ее указании в МГц. Данные по этим величинам, представленные в таблице 1, требуют дополнительного пояснения.
Во-первых, среднестатистический пользователь не воспринимает информацию, поступающую к нему со скоростью свыше 60—70 Мбит/с. Одновременно различного рода видеоконференции, которые требуют значительного повышения указанного значения, не получили ожидаемого развития и не смогли составить даже значимую конкуренцию, а тем более, заменить совещания и коллективные обсуждения «в живую». Основная масса симметричных кабельных линий организуется в области горизонтальной подсистемы и предназначена для обслуживания рядовых пользователей ресурсов информационной системы. Отсюда немедленно вытекает вывод о том, что основным типом горизонтального 4-парного кабеля как в настоящее время, так и в обозримой перспективе будут являться изделия категории 5е.
Во-вторых, функциональные возможности кабелей категории 6 недостаточны для полноценной поддержки функционирования 10-гигабитной техники и избыточны для Gigabit Ethernet. Поэтому, с учетом заметно большей дороговизны этой элементной базы, ожидаемого в конце 90-х гг. прошлого столетия вытеснения созданной ранее техники категории 5е не произошло по объективным причинам, в первую очередь технического характера.
В-третьих, шенноновская пропускная способность (указана в скобках в последней колонке Таблица 1) 100-метрового кабельного тракта на элементной базе категории 7 составляет 55 Гбит/с. Изделия этой категории поступили в массовую коммерческую продажу еще в середине 90-х гг. последнего десятилетия прошлого века. За прошедшее с этого момента время техника получила существенное развитие, что выразилось, в частности, в стандартизации элементной базы категории 7а. Она обеспечивает как минимум в 1,5 раза более широкий, по сравнению с предшественником, частотный диапазон (верхняя граничная частота составляет как минимум 1 ГГц) и обладает улучшенными помеховыми свойствами. Таким образом, в самой ближайшей перспективе следует ожидать появления СКС, рассчитанных на номинальную скорость 40 Гбит/с (в конце 2008 года экспериментально показана возможность передачи 50-гигабитного информационного потока с качеством, достаточным для коммерческого применения). Кроме того, скорость 100 Гбит/с по симметричным кабельным трактам с полноценной 100-метровой протяженностью не выглядит фантастикой.
Областью применения 40- и 100-гигабитной техники становятся линии связи в тех областях, в которых отсутствуют упомянутые выше принципиальные ограничения системы «человек-машина». Такими областями являются магистральные подсистемы крупных СКС и особенно центры обработки данных (ЦОД). Фактором, дополнительно стимулирующим применение симметричных кабелей в ЦОД для формирования трактов передачи, является заметно меньшая средняя протяженность линии связи (около 30 м против 40 м в правильно спроектированной офисной СКС). Сюда следует также добавить исчезающе малую вероятность появления в составе тракта точки консолидации, а также построения коммутационного поля кабельной системы по схеме кросс-коннекта, дополнительно ухудшающей характеристики тракта. Последнее позволяет значимо выиграть по отношению сигнала к шуму и направить полученный выигрыш на увеличение скорости передачи.

Перспективы применения
экранированной техники

Многократно доказано, что правильно спроектированная и инсталлированная с нужным качеством экранированная кабельная система обладает заметно лучшими характеристиками по сравнению с неэкранированной. На современном этапе развития техники данное свойство в обычных условиях может быть хорошо востребовано преимущественно в ЦОД. Проекты офисных кабельных систем, в которых требуется защита от несанкционированного доступа к передаваемой информации и нормальное функционирование в условиях сильных электромагнитных помех достаточно редки и не меняют картину в целом.
Столь высокие перспективы экранированной техники обусловлены тем, что в ЦОД уже в настоящее время в массовых масштабах требуются скорости 10 Гбит/с. Ожидается, что в ближайшее время типовое значение скорости будет увеличено до 40 и 100 Гбит/с. Неэкранированная техника обеспечивает шенноновскую пропускную способность не свыше 20 — 25 Гбит/с, т.е. на скоростях в 40, а тем более, 100 Гбит/с она перестает функционировать уже принципиально.
Немаловажное значение имеет факт того, что ЦОД как архитектурный объект отличается предельно малыми габаритами. Во всей площади знания его доля не превышает 2—5%. В таких небольших по площади технических помещениях естественным образом заметно проще построить качественное телекоммуникационное заземление по сравнению с обычным офисом, где доля площади для размещения пользователей и, соответственно, организации информационных розеток СКС, в среднем по проектам достигает 65%.

Неэкранированные и полуэкранированные
конструкции категории 6а

В тех случаях, когда скорость передачи информации не превышает 10 Гбит/с, возможно применение неэкранированной техники и привычного для пользователей сетевого интерфейса на основе гнезда модульного разъема (RJ-45). Данные изделия функционируют на частотах до 500 МГц, что вынуждает вводить в их конструкцию ряд усовершенствований по сравнению со своими менее скоростными предшественниками.
В U/UTP кабелях категории 6а в обязательном порядке применяется сепаратор, который обеспечивает надежное отделение витых пар друг от друга с целью обеспечения требуемого значения междупарного и так называемого суммарного (все пары влияют на одну) переходного затухания. Одновременно данный компонент сердечника несколько увеличивает механическую стабильность конструкции. На практике используются как пластинчатые, так и многосекционные сепараторы, причем последние обеспечивают лучшие характеристики и получили заметно более широкое распространение (рис. 1).

Одной из проблем, возникающей при практическом применении неэкранированной техники на частотах свыше примерно 300 МГц, является необходимость подавления межкабельной переходной помехи, возникающей между парами с одинаковым шагом скрутки («одноцветными» парами разных кабелей).
Для достижения поставленной цели используются как проектные приемы (отказ от использования при прокладке жгутования пучков кабеля в пользу нерегулярной укладки, что уменьшает длину взаимодействия), так и конструктивные решения. Последние сводятся к увеличению эффективного диаметра кабеля.
Одним из направлений работы в данной области является увеличение толщины оболочки, что позволяет сохранить удобную при прокладке круглую форму кабеля. Масса готового изделия и его гибкость удерживается в приемлемых пределах за счет структурирования внутренней поверхности оболочки формированием на ней прямоугольных и треугольных выступов.
Второе направление увеличения эффективного диаметра кабеля заключается в отказе от круглой формы оболочки с одновременным приданием кабелю принудительной осевой закрутки. Такой эффект достигается введением в состав кабельного сердечника корделя, а также применением жесткой профилированной оболочки с овальной или треугольной формой поперечного сечения при шаге закрутки в несколько сантиметров.
Объективная необходимость обеспечения хороших свойств неэкранированных кабелей категории 6а по межкабельной переходной помехе привело к внедрению в широкую инженерную практику полуэкранированных конструкций (иначе кабелей с незаземленным экраном). В простейшем случае его функции могут выполнять, в частности, кабели U/FTP, индивидуальный пленочный экран которых наложен металлизацией внутрь. Недостатком такого подхода является возможность образования токовых петель, снижающих эффективность экрана. Для его устранения предложено применение общих экранов с разрывами металлизации через примерно 15 см или исполнением металлизации в виде многочисленных, но не связанных друг с другом элементов овальной формы (рис. 2).

Кабели высоких категорий
с уменьшенной дальностью действия

Статистика, накопленная в процессе реализации ЦОД, наглядно свидетельствует о том, что средняя протяженность линейного кабеля в них составляет примерно 25 — 30 м, т.е. оказывается более чем на треть меньшей по сравнению с СКС офисного назначения. В этой ситуации обязательное выполнение норм на предельную протяженность тракта в 100 м (90 м линейного кабеля + 10 м на шнуровые изделия) оказывается явно избыточным. С другой стороны, для кабелей ЦОД более важным становятся массогабаритные показатели, т.к. их улучшение значительно облегчает функционирование системы воздушного охлаждения активного сетевого оборудования. Кроме того, в ЦОД отсутствует необходимость поддержки функционирования оборудования дистанционного питания в независимости от варианта (РоЕ, РоЕ+ и РоЕ++).
С учетом перечисленных выше особенностей некоторыми производителями предложены кабели с уменьшенным до примерно 0,52 мм диаметром токоведущей жилы витых пар. Такой подход позволяет довести внешний диаметр кабеля до 6—7 мм против значений около 7,5 мм, обычных для неэкранированных изделий категории 6а первых поколений. При этом они, формально не соответствуя требованиям категории 6а за счет уменьшения общей длины, обеспечивают требуемое для нормальной работы отношение сигнала к шуму на входе приемника 10-гигабитного сетевого интерфейса Ethernet.
Возможность применения кабелей с уменьшенной дальностью действия для построения обычных офисных СКС физически блокируется тем, что их поставка осуществляется сегментами протяженностью не выше 60 м.
Дополнительно отметим, что уменьшения внешнего диаметра 4-парного неэкранированного кабеля категории 6а без отказа от возможности построения 100-метровых горизонтальных трактов можно добиться также изменением конструкции самой витой пары. Пример такого изделия с пластинчатым разделителем отдельных проводов приведен на рис. 3.

Оптика или медь в СКС?

Одной из проблем, возникающей перед автором проекта построения СКС, является выбор типа среды передачи на различных уровнях кабельной системы. В наиболее массовых офисных кабельных системах стандарты разрешают применять для решения этой задачи пять различных типов кабелей: симметричные с волновым сопротивлением 100 Ом и четыре разновидности оптических, в том числе три многомодовых.
В настоящее время функциональные возможности симметричных и оптических линий оказываются достаточно близкими, а с точки зрения обеспечиваемой скорости передачи их возможности совпадают в том случае, если протяженность кабельного тракта не превышает 100 м. Очень схожие результаты дают и расчеты экономических параметров, согласно которым оптические линии безусловно проигрывают симметричным на скоростях до 10 Гбит/с при длинах трактов вплоть до примерно 150 м (рис. 4).

Одновременно можем констатировать, что оптическая техника не поддерживает функционирование классической телефонной системы предприятия как второго основного потребителя ресурсов офисной СКС. Нельзя упускать из вида также то, что в проектах «волокно до рабочего места» резко обостряется проблема гарантированного электропитания телефонов. С учетом этого получаем, что горизонтальная подсистема СКС в настоящее время и в обозримой перспективе должна строиться на симметричных кабелях, категория которых (5е) была обоснована выше из других соображений.
В области магистральных подсистем, где имеем значительно большие расстояния и необходимость обеспечения гальванической развязки, начинают в полной мере сказываться преимущества оптической техники по широкополосной «дальнобойности». На этом уровне она используется в массовых масштабах.

Оптические кабели

Оптические кабели СКС согласно действующим стандартам представлены многомодовыми и одномодовыми изделиями.
При этом линии на их основе обладают одинаковым быстродействием, определяемым исключительно активным сетевым оборудованием. В данной ситуации в качестве главных критериев выбора типа кабеля становятся соображения стоимости решения и удобства последующей его эксплуатации.

График, приведенный на рис. 5 наглядно свидетельствует о том, что многомодовая техника сохраняет свое ценовое преимущество при протяженности линии от 600 до 1200 м (в зависимости от скорости передачи). Данную картину радикально не меняет даже освоение скоростей 40 и 100 Гбит/с, где из-за особенностей построения сетевых интерфейсов протяженность многомодового тракта не превышает 100 — 125 м. Расчеты показывают, что с учетом статистики распределения длин от 40 до 70% всех кабельных трактов может быть построено с привлечением многомодовой техники. Таким образом, в данной ситуации в процессе выбора типа элементной базы нельзя воспользоваться также таким значимым для практики реализации проектов аргументом, как сокращение номенклатуры оборудования.
Еще одним доводом в пользу многомодовой техники является ее несколько меньшая требовательность к соблюдению условий эксплуатации. Многомодовые оптические кабели не столь критичны к чистоте оптически активных поверхностей волокон, сращиваемых в разъемном соединителе, а также менее чувствительны к соблюдению требований в отношении минимального радиуса изгиба.

Шнуровые оптические кабели

Кабельные изделия данной разновидности могут быть построены по двум основным схемам. Первая из них известна как zip-cord и реализуется на основе двух индивидуальных защитных трубок диаметром 1,5—3 мм, соединенных между собой в единое целое узкой перемычкой. Кабели данной разновидности вполне могут применяться в технических помещениях, но считаются недостаточно защищенными от внешних механических воздействий, типичных для пользовательских рабочих мест. В данной области должны применяться изделия в исполнении heavy duty, отличающиеся наличием общей внешней оболочки (рис. 6).

Ранее было обосновано, что проекты класса волокно до рабочего места в современных условиях не имеют больших перспектив как в настоящее время, так и в обозримой перспективе. Отсюда вытекает, что основным типом шнурового оптического кабеля являются изделия со структурой zip-cord.
Кроме того, в современных СКС в массовом масштабе используются очень удобные в работе дуплексные оптические соединители. Это стимулирует рост объемов применения гибких шнуровых кабелей с двумя световодами под общей защитной оболочкой.

Кабели для систем интерактивного управления,
оптической идентификации и трассировки

Одной из проблем СКС является достаточно высокая трудоемкость изменения конфигурации кабельной системы, что обусловлено большим количеством линий на уровне горизонтальной подсистемы. Можно показать, что в правильно спроектированной кабельной системе техническое помещение нижнего уровня обслуживает до 600 отдельных линий, в том числе около 550 линий горизонтальной подсистемы.
Отдельные процедуры администрирования СКС, частью которой является изменение конфигурации, довольно детально описаны в американском и международном профильных стандартах. Однако даже скрупулезное выполнение содержащихся там положений обеспечивает лишь минимальную эффективность поддержки текущей эксплуатации кабельной системы. Для устранения указанного недостатка в широкую инженерную практику внедрено довольно большое количество разработок. Системы интерактивного управления автоматизируют ряд рутинных операций администрирования. Системы оптической идентификации и трассировки решают всего одну, но чрезвычайно важную задачу: обеспечивают эффективное выявление отключаемого коммутационного шнура, т.е. не позволяют ошибочно разорвать действующий тракт передачи.
Подавляющее большинство разработок в указанной области основаны на доработке кабелей коммутационных шнуров. Суть модернизации их конструкции заключается в том, что, наряду с витыми парами и волоконными световодами в них предусмотрены дополнительные цепи, которые используются для передачи идентификационных и управляющих сигналов. Функции подобных цепей исполняют как медные проводники, так и полимерные световоды большого диаметра (рис. 7).

Система оптической идентификации основана на подсветке разъема противоположного конца. Это может быть выполнено с помощью полимерных световодов, по которым передается излучение от источника света типа лазерной указки. Вторым вариантом является применение миниатюрного СД, ток на который передается по внутренним цепям. Сам светодиод обычно интегрируется в вилку разъема. В качестве одного из проводов цепи передачи тока питания СД из-за малой потребляемой мощности современных излучателей данной разновидности (единицы мА) вполне допустимо использование экранирующих покрытий кабеля.
Для реализации функции полноценной трассировки кабеля шнура используется безоболочечный полимерный световод. При подаче с одного конца излучения видимого диапазона длин волн за счет интенсивной генерации вытекающих мод в таких структурах он начинает светиться на всей длине. Для улучшения заметности такого излучения источник работает в импульсном режиме с частотой повторения порядка 1 Гц.

Заключение

1. Кабельная техника СКС на современном этапе развивается достаточно быстрыми темпами.
2. В области серийных изделий идет активное освоение субгигабитного и гигабитного частотного диапазона.
3. Основной объем кабельных изделий составляют неэкранированные горизонтальные кабели преимущественно категории 5е, обеспечивающие нормальную информационную поддержку массового пользователя как в настоящее время, так и в обозримой перспективе.
4. Общий объем потребления экранированных конструкций имеет тенденцию к увеличению. Локомотивом данного тренда выступают СКС для центров обработки данных.
5. В оптической подсистеме, даже после начала массового использования 40- и 100-гигабитной техники, будут применяться большие объемы многомодовых оптических кабелей.
6. В современных СКС достаточно хорошо востребованы кабельные конструкции для систем оптической индикации и трассировки, а также оборудования интерактивного управления