Рубрикатор |
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.
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.
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