Rambler's Top100
 
Статьи
Андрей СЕМЕНОВ  Евгений КАНДЗЮБА  03 мая 2018

«Длинный» Ethernet: возможности и перспективы

Предоставление современных телекоммуникационных сервисов может быть облегчено использованием линий Ethernet увеличенной по сравнению с привычными 100 м протяженности.

Основная масса электронных сервисов, которые появились в последнее время, не предъявляют высоких требований к пропускной способности канала связи между центральным и терминальным устройствами. Даже при работе с видеоинформацией благодаря применению эффективных алгоритмов сжатия и устранению избыточности в потоке данных приемлемое для большинства практически важных случаев качество обеспечивается каналом связи с пропускной способностью чуть выше 10 Мбит/с. Однако зачастую для этих сервисов, особенно для передачи изображения в реальном масштабе времени, критична малая задержка передаваемых данных.

Поэтому информационные подсистемы для предоставления новых сервисов целесообразно реализовывать по централизованной схеме. Во-первых, централизованные системы обеспечивают минимальное и, главное, стабильное время задержки всех передаваемых пакетов. Во-вторых, размещение дополнительных коммутационных узлов новых сервисов -- задача во многих случаях трудно разрешимая, и отказ от них в централизованных структурах сам по себе достаточно выгоден.

Построение централизованной структуры существенно упрощается в случае наличия линий связи максимальной протяженности, которые применительно к информационно-телекоммуникационным системам (ИТС) часто называют «длинным» Ethernet.

Варианты организации трактов увеличенной протяженности

Для повышения технико-экономической эффективности линии «длинного» Ethernet целесообразно строить на основе существующей элементной базы. При этом могут быть использованы и волоконно-оптические, и симметричные электропроводные линии.

Волоконно-оптическая техника демонстрирует здесь такие известные достоинства, как большая дальность действия (в случае даже многомодовой техники штатно достигается 2 км на скоростях 100 Мбит/с, и есть возможность увеличения дальности до 5 км) и отсутствие необходимости выполнения новых разработок.

Однако массовому внедрению оптических линий во вновь создаваемые ИТС препятствует сложность обеспечения дистанционного питания одиночных терминальных устройств. Такое питание требует применения комбинированных волоконно-оптических кабелей с интегрированными в них выделенными медными жилами. Определенное значение имеет также более высокая стоимость и меньшая надежность оптических линий из-за неизбежного появления в цепи передачи двух дополнительных преобразований сигналов -- из электрической формы в оптическую на передаче и обратно на приеме. Поэтому основным кандидатом на формирование линейной части «длинного» Ethernet становятся симметричные кабели.

Пути наращивания дальности действия симметричных линий


Классическая техника СКС создается исходя из требований обеспечения 100-метровой протяженности тракта, но для новых областей применения этого недостаточно. Главным фактором, ограничивающим предельную дальность связи, является отношение сигнала к шуму. Для сетевых интерфейсов Fast Ethernet этот параметр полностью определяется защищенностью ближнего конца. Предельную дальность связи с сохранением качества передачи информации можно увеличить несколькими основными способами:
  • наращиванием параметра NEXT (переходного затухания на ближнем конце);
  • сокращением «электрической» длины тракта;
  • уменьшением коэффициента затухания.
Значимое для практики увеличение NEXT (на 10 дБ и более) возможно при переходе на экранированную технику или применении элементной базы категории 6 и выше. Однако и то и другое приводит к определенному росту коэффициента затухания вследствие неизбежных дополнительных потерь в металле структур типа x/FTP в первом случае и роста активного сопротивления из-за уменьшения шага скрутки неэкранированных кабелей высоких категорий -- во втором. Таким образом положительный эффект заметно нивелируется.

Типовой прием уменьшения «электрической» длины тракта основан на изменении его структуры и применении схемы direct connection (см. рисунок).



EQ – активное сетевое оборудование

Рисунок. Структура симметричного тракта:
а) классическая, со схемой подключения interconnect; б) direct connection

Необходимый эффект в данном случае достигается за счет уменьшения общей длины шнуров, которые имеют в 1,2--1,5 раза большее погонное затухание, а также за счет сокращения до одного количества разъемных соединителей в тракте (левый и правый разъемы на рис. 1 б) согласно стандартам считаются частью аппаратуры и не учитываются при формировании требований норм).

К сожалению, возможности этого способа крайне ограничены. Поэтому целесообразно в первую очередь уменьшать коэффициент затухания.

Способы снижения затухания

Коэффициент затухания симметричного тракта, представляющий собой потери в окружающих металлических элементах, в том числе в экранирующих покрытиях, минимизируется увеличением диаметра провода и наращиванием волнового сопротивления (Zв). Допустимо применение обоих приемов одновременно. Кроме того, для снижения коэффициента затухания необходимо отказываться от экранированных конструкций в пользу структур U/UTP.

Увеличение диаметра провода имеет большие перспективы за счет того, что современные высокочастотные IDC-контакты дают возможность подключать проводники диаметром до 0,8 мм, что позволяет уменьшить активное сопротивление и соответственно коэффициент затухания примерно в 2 раза по сравнению с широко распространенными кабелями СКС с диаметром жилы 0,51--0,52 мм.

На этом фоне уменьшение коэффициента затухания через наращивание Zв выглядит менее предпочтительным (волновое сопротивление можно увеличить примерно до 150 Ом, т.е. в 1,5 раза). Кроме того, эффективность этого приема снижается из-за дополнительных потерь рассогласования Zв с импедансом передатчика и приемника сетевого интерфейса, а также неизбежного роста потерь в изоляции по мере увеличения волнового сопротивления.

Предельная дальность связи


Предельная дальность действия сетевых интерфейсов Fast Ethernet определялась расчетным путем. Результаты расчетов приведены в таблице.

Расчетные величины коэффициента затухания и дальности связи сетевых интерфейсов Fast Ethernet
 

Параметры сетевых интерфейсов Fast Ethernet

Диаметр жилы, мм

0,5

0,52

0,55

0,6

0,64

Zв = 100 Ом

Коэффициент затухания

21,5

20,0

18,2

15,6

14,0

Длина, м

185

202

226

258

288

Zв = 120 Ом

Коэффициент затухания

18,3

16,3

14,8

12,8

11,5

Длина, м

221

251

268

311

345

Zв = 150 Ом

Коэффициент затухания

15,1

13,8

12,6

10,9

9,9

Длина, м

263

293

315

366

402

             


Для проверки теоретических расчетов и выявления дополнительных ограничений проводились также натурные эксперименты на опытных образцах кабелей. Цифровой сигнал IP-камеры видеонаблюдения (разрешение 2 МР, питание PoE 12 В) удалось передать на расстояние:

  • 230 м -- по кабелю с Zв = 100 Ом и диаметром жилы 0,69 мм, образец № 1;
  • 200 м -- по кабелю с Zв = 150 Ом и диаметром жилы 0,52 мм, образец № 2;
  • 270 м -- по кабелю с Zв = 100 Ом и диаметром жилы 0,644 мм, образец № 3.
Во всех экспериментах для построения линии была использована схема direct connection, подключение коммутатора производилось шнуром длиной 1,5--2,0 м категории 5е с жилами диаметром 0,52 мм.

Существенные различия в максимально допустимой длине тракта, которые показали 100-омные кабели с близкими сечениями жил (образцы №№ 1 и 3), обусловлены тем, что в образце № 1 витые пары имели изоляцию из сплошного полиэтилена, тогда как в образце № 3 применялся вспененный полиэтилен, уменьшающий емкость пары и тем самым снижающий коэффициент затухания.

Большое расхождение между реально полученными и теоретически рассчитанными максимальными длинами тракта объясняется тем, что при протяженности тракта, заметно меньшей предельной, сетевой интерфейс отключался из-за слишком большого шлейфового сопротивления витой пары.

В связи с такой особенностью серийных систем Fast Ethernet дальнейшее наращивание протяженности тракта возможно при установке промежуточных репитеров. Перспективы применения этой техники расширяет возможность дистанционного питания подключаемых устройств в сочетании с малой потребляемой мощностью их управляющих контроллеров.

* * *
Использование кабелей из витых пар при условии выполнения достаточно мягких дополнительных ограничений позволяет значительно (в два и более раз) увеличить предельную дальность связи сетевых интерфейсов Fast Ethernet. Для максимизации дальности связи без переприема целесообразно применять модернизированный кабель, а сам тракт передачи формировать по схеме direct connection. С учетом того, что главным фактором ограничения дальности связи является коэффициент затухания, линейные кабели «длинного» Ethernet должны иметь структуру U/UTP.

Андрей Семенов, профессор, МТУСИ
Евгений Кандзюба, аспирант, АТУСИ
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!