Проблема диаметра горизонтальных симметричных кабелей СКС и способы её решения

Из соображений удобства построения и последующей эксплуатации информационное кабельное хозяйство отмеченного выше назначения в подавляющем большинстве случаев строится в форме структурированной кабельной системы (СКС). В основу подобного подхода положен ряд её хорошо известных и общепризнанных среди широкого круга специалистов достоинств.
СКС как технический объект на системном уровне со степенью полноты, достаточной для решения основных практических задач, нормирован довольно многочисленными стандартами глобального и регионального масштаба: ISO/IEC 11801, TIA/EIA-568, EN-50173, TIA-854, TIA-942, IEC 61156 и т.д. В части, посвящённой рассмотрению отдельных компонентов тракта передачи, в этих же документах с большей или меньшей степенью подробности определены базовые принципы конструкции симметричных кабелей СКС.

РОСТ ДИАМЕТРА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ КАБЕЛЕЙ СКС КАК ТЕНДЕНЦИЯ
Характерной особенностью современного этапа развития техники СКС является устойчивая тенденция к росту внешнего диаметра горизонтальных кабелей. Данный процесс носит объективный характер, а в его основе лежит целая совокупность побудительных мотивов самого разнообразного плана.
В первую очередь растёт диаметр проводника. Это происходит несмотря на крайне нежелательные последствия увеличения материалоёмкости изделия в целом и опережающего роста его стоимости из-за наблюдающегося в последнее десятилетие резкого, исчисляемого разами роста цены меди и нефти как основных сырьевых компонентов при изготовлении проводов витых пар. Неизбежность наращивания диаметра обусловлена:
• переходом на технику более высоких категорий (см. таблицу) в связи с постоянным ростом требований к пропускной способности кабельных трактов СКС со стороны сетевых интерфейсов;
• массовое использование техники РоЕ дистанционного питания оконечной сетевой аппаратуры, а также её более совершенных вариантов РоЕ+ и в перспективе РоЕ++.

Тенденцию роста диаметра проводников в неявной форме признают даже основные нормативные документы. Они содержат положение о том, что при допустимом диапазоне изменения величины данного параметра в 0,4–0,6 мм значительная часть IDC-контактов коммутационной техники категории 5е и выше не гарантирует нормального подключения проводников с диаметром менее 0,5 мм.
Независимо от категории линейных кабелей рост общего диаметра этих изделий определяется увеличением как относительных, так и абсолютных объёмов применения экранированных линейных кабелей. Особенно явно этот процесс характерен для изделий категорий 7 и 7а с общими оплеточными экранами, которые по своим параметрам вполне могут быть использованы при построении 40- и даже 100-гигабитных линий.
Отказ от элементов экранирования также не позволяет удержать внешний диаметр линейного кабеля от роста по мере увеличения категории. В данном случае свою лепту вносит уменьшение шага скрутки с целью наращивания всех видов внутрикабельного переходного затухания. За счёт этого в сердечнике четырёхпарного кабеля с канонической конструкцией витые пары существенно менее плотно прилегают друг к другу. Немедленно появляющаяся при этом задача получения механически стабильной структуры решается преимущественно за счёт применения жёсткой оболочки увеличенной толщины, что тоже не способствует уменьшению диаметра.
Определённое стимулирующее влияние на рост внешнего диаметра оказывает также целый ряд конструктивных нововведений прошедшего десятилетия, которые в массовом масштабе применяются в современных горизонтальных кабелях с целью улучшения характеристик изделий по различным видам переходных влияний. Наиболее значимыми из них могут считаться следующие:
• внедрение сепараторов для улучшения всех видов внутрикабельных переходных затуханий;
• наращивание эффективного диаметра неэкранированных конструкций категории 6а, которые в настоящее время весьма популярны при строительстве СКС для центров обработки данных, с целью улучшения характеристик по межкабельному влиянию.

В последнем случае с целью сохранения гибкости на приемлемом уровне и некоторого ограничения роста массы используются два основных приёма. Первым из них является структурирование внутренней поверхности оболочки выступами треугольной или трапециевидной в сечении формы высотой несколько десятых миллиметра. Второй приём основан на отходе от традиционной круглой формы в пользу треугольной (компания Brand-Rex) или овальной (TE-ADC-Krone) с дополнительной осевой закруткой всей структуры.
Нельзя забывать также о необходимости повсеместного применения LSZH-конструкций в связи с ужесточением требований по пожарной безопасности зданий. Компаунды, используемые при изготовлении внешней оболочки серийных кабельных изделий с подобными свойствами, обладают меньшей механической прочностью по сравнению с широко использовавшимся ранее ПВХ. Для сохранения значений этого параметра, приемлемых с точки зрения используемых технологий прокладки и типовых условий эксплуатации, разработчик кабеля вынужден идти на увеличение толщины оболочки.

АКТУАЛЬНОСТЬ ЗАДАЧИ МИНИМИЗАЦИИ ДИАМЕТРА И ЕЁ ОСОБЕННОСТИ
Из соображений достижения высокой эксплуатационной надёжности и получения функциональной гибкости, а также с учётом конструктивных особенностей типовых терминальных приборов, СКС, как известно, реализуется по звездообразной топологии. Примерно 85% всех людских и материальных ресурсов, необходимых для её создания, направляется на реализацию горизонтальной подсистемы. В основной массе случаев линейная часть горизонтальной подсистемы таких сетей в реалиях сегодняшнего дня создаётся на базе четырёхпарных симметричных кабелей, которые подключаются к соответствующему коммутационному оборудованию. Такой подход отличается рядом известных достоинств, обсуждение которых выходит за рамки данной статьи. Одновременно можем констатировать, что количество потребителей ресурсов современных СКС независимо от области применения растёт достаточно высокими темпами в связи с переходом в области жилого и общественного строительства на концепцию «умного дома», а также массовым строительством центров обработки данных (ЦОД).
Совокупность этих факторов приводит к необходимости прокладки в здании всё большего количества горизонтальных кабелей. В свою очередь это делает весьма актуальной задачу улучшения массогабаритных показателей этих изделий. В случае её успешного решения проект построения информационно-вычислительной системы предприятия в части его физического уровня и непосредственно взаимодействующих с ним инфраструктурных компонентов получает целую совокупность значимых преимуществ:
• возможность улучшения массогабаритных показателей кабель-каналов и достижения высоких эстетических характеристик помещений для размещения пользователей;
• снижение пожарной нагрузки на здание;
• увеличение гибкости кабелей, что в свою очередь делает выполнение инсталляционных работ менее трудоёмким;
• упрощение и увеличение эффективности функционирования наиболее часто используемой на практике системы воздушного охлаждения активного сетевого оборудования в центрах обработки данных;
• определённое снижение капитальных затрат на СКС любого функционального назначения из-за меньшего расхода исходных материалов, по меньшей мере при сохранении остальных характеристик.

Отметим, что задачу оптимизации конструкции можно поставить несколько иначе в более узкой специальной форме без потери общности. При переходе к такой формулировке она сводится к минимизации внешнего диаметра изделия с сохранением всех остальных параметров для обеспечения полного соответствия требованиям действующих и перспективных редакций нормативных документов. В качестве целевой функции допустимо, хотя и не так эффективно, выбрать также уменьшение погонной массы кабеля при по крайней мере сохранении неизменным его внешнего диаметра (фактического или эквивалентного).
В процессе достижения поставленной цели вполне возможно ограничиться соблюдением гарантий выполнения только тех параметров, которые критически важны с точки зрения обеспечения требуемых качественных показателей тракта передачи информации в фокусной области применения линейного изделия. В этом случае системная гарантия на соответствие требованиям стандарта заменяется фирменной гарантией на работу конкретного приложения или их закрытого перечня.
Подходы к решению задачи уменьшения внешнего диаметра отличаются достаточно большим разнообразием. Основная масса представленных решений доведена до уровня серийного производства и доступна для заказа или прямой поставки со складов производителей и их дистрибьюторов.

ИЗМЕНЕНИЕ ФОРМЫ СЕПАРАТОРА
Расстояние между отдельными витыми парами горизонтального кабеля из-за некоторой «рыхлости» структуры сердечника и различных шагов скрутки меняется вдоль оси и является статистической величиной с определённым спектром распределения. Сепаратор используется для принудительного увеличения среднего значения данного процесса и улучшения за счёт этого параметров изделия по всем видам переходных влияний. Подобный конструктивный приём, несмотря на свою относительную простоту, отличается очень высокой эффективностью и впервые был использован в серийной технике категории 6 ещё в конце 90-х годов.

Классический сепаратор выполнен в форме четырёхлучевой осесимметричной звезды (рис. 1). Дополнительно внешние концы лучей могут быть снабжены расширениями-упорами, что несколько улучшает устойчивость кабеля к воздействию сжимающих усилий. При применении сепаратора в кабельном сердечнике формируются четыре камеры, в каждую из которых помещается по отдельной витой паре.
Главным отрицательным следствием от введения в состав сердечника классического сепаратора является заметное ухудшение массогабаритных показателей готового изделия, что обусловлено в первую очередь значительными габаритами центральной части сепаратора из-за необходимости обеспечения его механической прочности и стабильности при изгибах во время прокладки. С целью исправления этого недостатка предложено и доведено до уровня серийного производства несколько решений, которые делятся на две основные группы.
Первую группу решений образуют те из них, которые основаны на переходе на двухкамерную конструкцию, формируемую с помощью пластинчатого сепаратора. В данном случае разработчик пользуется тем фактом, что межпарное переходное затухание не является одинаковым для всех комбинаций пар и размещает в одной секции те пары, которые имеют некоторый запас по этому параметру. По такому пути пошли компании TE-ADC-Krone (СКС типа CopperTen) и Commscope (СКС типа Systimax). При этом кабель CopperTen вполне допустимо рассматривать как квазидвухкамерную конструкцию за счёт того, что в центральной части сепаратора сформирован небольшой гребень, дополнительно удерживающий витые пары в правильной позиции.
Применение пластинчатых сепараторов вместо звездообразных позволяет также удержать в приемлемых пределах такую важную в процессе выполнения инсталляции характеристику, как гибкость кабеля.
Вторая группа основана на сохранении четырёхкамерной схемы сердечника, в том числе при применении сепаратора с иной, более компактной формой (рис. 2 – СКС типа IBDN 10GX компании Belden-CDT).

Сепаратор четырёхкамерных конструкций может быть выполнен по разрезной схеме из механически независимых элементов, что также улучшает гибкость кабеля и несколько уменьшает трудоёмкость его монтажа. В данном случае разработчик воспользовался известным свойством структур вида «шесть вокруг одного», расположил одну пару по оси сердечника, а остальные разместил вокруг неё.
Для доведения количества элементов первого и единственного «повива» формируемой структуры до шести сердечник дополнен тремя филлерами стержневого типа.

Они физически отделяют пары друг от друга и позволяют получить механически стабильную конструкцию (рис. 3). Кабель рассматриваемой разновидности с запасом отвечает по своим параметрам требованиям категории 6а и применяется в СКС типа Z-Max компании Siemon.

СПЕЦИАЛЬНАЯ ФОРМА ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЭКРАНОВ
Как известно, согласно стандарту ISO/IEC 11801 экраны горизонтальных кабелей делятся на групповые и индивидуальные для каждой пары. При этом последние в реальных конструкциях применяются исключительно в плёночном исполнении. Плёночный экран изготавливается из тонкой полимерной ленты с односторонней металлизацией.
Основная масса экранированных горизонтальных кабелей имеет общий плёночный экран, который эффективно защищает отдельные витые пары кабеля от ВЧ-наводок внешнего происхождения. Главным средством борьбы с внутрикабельными переходными помехами считается уменьшение шага скрутки. Использование для этой цели индивидуальных экранов возможно технически, их применение в явном виде разрешено стандартами, на рынке доступны серийные образцы такой продукции. Однако такая конструкция вполне может рассматриваться как нерациональная из-за чрезмерно высокой эффективности элементов экранирования (фактически двойное экранирование). В свою очередь кабель с общим пленочным экраном при всех его технологических достоинствах обладает неудовлетворительными массогабаритными показателями.
В процессе выполнения работы по устранению указанного недостатка в самом начале 2000-х годов компанией Draka был предложен экран S-типа, который удачно объединяет в себе сильные стороны индивидуального и группового вариантов экрана.
Плёнка для его изготовления имеет увеличенную ширину, а её концы завёрнуты в противоположные стороны, что позволяет сформировать две камеры для укладки в каждую из них по одной витой паре (рис. 4). За счёт исключения экрана из состава поясных покрытий, а также более плотной укладки отдельных пар в сердечнике в сочетании с возможностью некоторого увеличения шага скрутки без потерь по величинам NEXT и PS-NEXT диаметр изделия уменьшен примерно на 10–15%. В настоящее время данный вариант кабеля на правах ОЕМ-продукта является штатным линейным компонентом СКС категории 6 английской компании Hellermann Tyton.

ОТКАЗ ОТ СОБЛЮДЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ТРЕБОВАНИЙ БАЗОВЫХ СТАНДАРТОВ
При построении СКС автор проекта на самом первом этапе решает проблему выбора среды передачи. В СКС офисного типа в силу целого ряда причин доминирующее положение занимают симметричные кабели. В СКС для ЦОД, нормативная база которых фактически скопирована с их офисного прототипа, картина совершенно аналогична. Однако кабельные системы данного назначения имеют значимую особенность в виде заметно меньшей средней протяжённости стационарной линии (менее 30 м против примерно 40 м у прототипа).
Факт значимо меньшей средней протяжённости горизонтальных линий позволяет выполнить системную подстройку конструкции основного кабеля под конкретную область применения и получить существенный общий выигрыш.
Сигнал на выходе кабеля должен иметь определённую защищённость от помехи, что формализуется требованиями соблюдения норм по параметру ACR в различных вариантах его определения. В простейшем случае межпарной переходной помехи на ближнем конце ACR = NEXT – IL, где NEXT – переходное затухание, IL = αL – рабочее затухание, α – коэффициент затухания, L – протяжённость линии. При ограничении L определённым заранее заданным значением можно нарастить α без ухудшения ACR или такого снижения отношения сигнала к помехе, при котором начинается ухудшение качества передачи.
Если разработчик увеличивает активное сопротивление провода, которое прямо связано с затуханием, то это приводит к уменьшению диаметра проводника и общему снижению диаметра кабеля. По такому пути пошли разработчики компаний Brand-Rex и Berk-Tek.
Ухудшение работы телефона в данном случае считается малосущественным по двум причинам. Во-первых, тракт передачи на таком кабеле ограничен по длине. Во-вторых, в ЦОД отсутствует сама необходимость поддержки функционирования телефонной сети предприятия.
С целью блокировки возможности ошибочного или намеренного применения подобных кабелей в обычных офисных СКС их поставка может производиться в бухтах протяжённостью не более 70 м.

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ИЗОЛЯЦИИ ПРОВОДОВ
Известно, что коэффициент затухания α и волновое сопротивление z_в идеального симметричного кабеля полностью определяются его первичными параметрами. Затухание может быть рассчитано следующим образом:

где R – активное сопротивление провода, а G – проводимость его изоляции. Одновременно для волнового сопротивления симметричного кабеля справедливо следующее известное соотношение, описывающее его зависимость от геометрических размеров и конструкции отдельных проводов:

где k₁ – постоянный коэффициент, a – расстояние между осями проводников витой пары, r – радиус проводника.

Из пары этих соотношений немедленно вытекает, что при фиксированном z_в без увеличения или же за счёт определённого наращивания коэффициента затухания уменьшить a, т.е. достигнуть уменьшения диаметра кабеля, можно только за счёт снижения проводимости изоляции G, которая полностью или частично парирует рост R. Последнего можно добиться за счёт снижения числа носителей зарядов в изоляции технологическими приёмами. Хорошо известно применение для этой цели пористой и плёнко-пористой изоляции. В середине первого десятилетия нового столетия данная задача была оригинально решена не изменением состава и вспениванием материала, а структурированием той части его поверхности, которая непосредственно контактирует с медью проводника. Идею этого приёма демонстрирует рис. 5. Практически он применяется в горизонтальных кабелях СКС типа CopperTen компании TE-ADC-Krone (технология AirES).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Задача снижения внешнего диаметра горизонтальных кабелей СКС входит в перечень актуальных направлений развития этой разновидности кабельной техники и может быть решена самыми разнообразными способами.
2. Выбор одного из методов уменьшения внешнего диаметра или же их совокупности во многом определяется технологическими возможностями производящего предприятия.
3. Настоятельные требования практики в отношении уменьшения внешнего диаметра кабеля являются мощным аргументом в пользу пересмотра некоторых положений базовых стандартов СКС, наиболее значимым из которых является обеспечение 100-метровой протяжённости горизонтального тракта.