Данные и питание по одному кабелю

Согласно концепции, разработанной еще в 1980-х гг., СКС реализуется как иерархическая структура. Ее горизонтальная подсистема выполняется на базе кабелей из витых пар и соответствующего коммутационного оборудования, которые поддерживают передачу информации со скоростью до 10 Гбит/с на максимальное расстояние 100 м и отличаются относительно невысокой стоимостью, технологичностью монтажа и простотой эксплуатации. Они обеспечивают работоспособность различных видов сетевого терминального оборудования с потребляемой мощностью до нескольких десятков ватт без наличия местного источника. Последняя опция подразумевает использование технологии РоЕ.

100-метровая протяженность горизонтальных кабельных трактов была ориентирована в первую очередь на потребности ЛВС. Первые два десятка лет существования СКС как самостоятельного технического направления это вполне отвечало требованиям практики. Однако в начале 2020-х гг. ситуация радикально изменилась, поскольку широкое распространение получили различные информационные системы с выраженным тяготением к централизованной архитектуре (рис. 1). Для них 100-метровое ограничение по дальности связи – серьезный недостаток. Кроме того, терминальное оборудование таких систем сложно обеспечить дистанционным питанием по технологии РоЕ.

 

Первая из этих проблем легко решается переходом на волоконно-оптическую технику, которая поддерживает скорости вплоть до нескольких сотен гигабит в секунду на расстоянии до нескольких десятков километров. Проблема с дистанционным питанием существенно сложнее. Дело в том, что упомянутая технология РоЕ внедряется в ИТС методом фактического наложения на горизонтальную подсистему СКС в предположении ее реализации на симметричных кабелях. Поэтому оборудование стандартов IEEE 802.3at и IEEE 802.3bt изначально рассчитывалось на максимальное 25-омное шлейфовое сопротивление витой пары как средства доставки тока питания на приемник. Это существенно ограничивает предельную протяженность тех трактов, в которых не применяются репитеры PoE.

Известна технология PoF, обеспечивающая дистанционное питание различных терминальных устройств по волоконным световодам на расстоянии как минимум нескольких километров. Однако по волокнам стандартных оптических кабелей СКС она поддерживает максимальную мощность нагрузки не более 1–1,5 Вт, что закрывает ей путь в типовые проекты ИТС.

Остроту проблемы уменьшает то, что от вновь вводимых систем ИТС не требуется высокого быстродействия (они работают на скоростях не свыше 100 Мбит/с). Это позволяет увеличить дальность связи до 150–200 м за счет применения высококатегорийных кабелей. Они отличаются увеличенным диаметром токопроводящих жил (ТПЖ) витых пар и соответственно пониженным шлейфовым сопротивлением. Но и увеличенная в 1,5 и даже в 2 раза дальность действия часто слишком мала для современных проектов ИТС.

Таким образом, развитие ИТС подталкивает к широкому применению изделий новой разновидности – комбинированных кабелей (hybrid cables, согласно терминологии ISO/TIA), в сердечнике которых присутствуют и медные проводники, и волоконные световоды. Медные проводники могут использоваться и как  цепь передачи сигналов, и как средство доставки на нагрузку тока дистанционного питания, а в шнуровых кабелях – и в качестве компонента системы трассировки и интерактивного управления. Волоконные световоды поддерживают информационное взаимодействие сетевых интерфейсов, находящихся на разных концах тракта, а в шнуровых кабелях также могут быть компонентом системы трассировки и интерактивного управления.

Комбинированный кабель как функционально законченное изделие не нарушает положения стандартов СКС. Базовые нормативные документы фиксируют разрешенные типы среды передачи информационных сигналов, но не запрещают применять в сердечнике одного кабеля одновременно несколько таких сред, а также использовать одну из них не для передачи информации, а для вспомогательных технологических нужд. Последней особенностью в свое время воспользовались разработчики оборудования PoE.

Комбинированные конструкции создавались еще на ранних этапах развития техники СКС – чтобы обеспечить скоростные характеристики, необходимые для ЛВС. Так, немецкая компания Ackermann использовала кабель с двумя волокнами и двумя витыми парами в качестве основы системного решения AMCS (all media cabling system). Разработка была ориентирована на централизованные оптические архитектуры с предельной протяженностью кабельного тракта 300 м. С ее помощью предполагалось устранить основной недостаток подобных структур в их классическом исполнении: они поддерживали только функционирование ЛВС и не обеспечивали пользователей ИТС телефонной связью. Витые пары комбинированного кабеля AMCS позволяли подключать к информационной розетке обычные телефоны, а по волоконным световодам работали сетевые интерфейсы ЛВС. Однако из-за слабой востребованности централизованных оптических архитектур концепция не получила дальнейшего развития и перестала продвигаться разработчиком уже к началу 2010-х гг.

Отдельно укажем на то, что стандарты СКС не запрещают использовать в конструкции горизонтального и магистрального кабелей дополнительные металлические и непроводящие элементы. Поэтому медные жилы могут рассматриваться только как средство подачи тока дистанционного питания на терминальное устройство, и от них не требуется соответствовать определенной категории в качестве среды передачи сигнала.

Далее будем рассматривать медные токопроводящие жилы комбинированного кабеля только как средство доставки тока дистанционного питания источника PoE на нагрузку (т.е. на терминальное устройство ИТС, а при необходимости формирования трактов большой протяженности – на репитер PoE). Для минимизации доработок источника и приемника дистанционного питания при выборе сечения этих жил предельно допустимую величину шлейфового сопротивления примем равной 25 Ом. ТПЖ по калибру выбираем из ряда 24, 20, 16 и 12 AWG. Дальнейшее уменьшение калибра нецелесообразно из-за недопустимо большого снижения гибкости конструкции.

Максимальную протяженность кабельного тракта, реализованного на основе комбинированного кабеля, можно оценить по формуле:

   

где Sx – площадь поперечного сечения ТПЖ калибром x AWG, n – количество пар ТПЖ в конструкции.

Приведенные в таблице результаты расчетов следует рассматривать как консервативную оценку (т.е. реальная дальность связи по кабелю с соответствующим калибром ТПЖ будет несколько больше указанной в таблице), поскольку они не учитывают дополнительное уменьшение длины ТПЖ из-за отсутствия укрутки, а также некоторое снижение сопротивления за счет использования в качестве реперного значения ТПЖ с диаметром 0,512 мм вместо 0,5 мм.

 

В качестве меры ожидаемых длин пробросов комбинированного кабеля с учетом его назначения и области применения целесообразно принять типовые значения протяженности стационарных линий магистральных подсистем больших (несколько тысяч портов) СКС, которые разворачиваются в нескольких зданиях на общей территории. Распределение соответствующих значений подчиняется закону, близкому к экспоненциальному (рис. 2). Отличия наблюдаются только в средних значениях длин: примерно 45 м для подсистемы внутренних магистралей и около 550 м для подсистемы внешних магистралей. С учетом столь большой разницы в ожидаемых длинах номенклатуру комбинированных кабелей логично разбить на изделия внутренней и внешней прокладки.

 

При конструировании кабеля внутренней прокладки можно воспользоваться хорошими массогабаритными показателями волоконных световодов и интегрировать трубку с ними прямо в сердечник традиционного горизонтального кабеля. Интеграция возможна как при четверочной, так и при парной скрутке изолированных проводников (рис. 3). Недостаток такой конструкции – в сложности ее разделки при подключении к аппаратуре.

 

Опыт эксплуатации внутриобъектовых офисных ИТС показывает, что общая оболочка волоконно-оптических кабелей внутренней прокладки (исполнение кабеля по схеме heavy duty) на практике применяется просто как удерживающее покрытие при необходимости сохранить структуру сердечника. Промышленность учитывает этот момент и предлагает достаточно широкую номенклатуру серийных безоболочечных конструкций (рис. 4). Отсутствие у них круговой симметрии не считается серьезным недостатком из-за небольших длин организуемых стационарных линий.

 

Изделиям для внешней прокладки необходима дополнительная защита от влаги, для чего используется внешняя оболочка. Ее наличие заставляет применять модульные конструкции. Для получения круглой в сечении формы в состав кабельного сердечника можно ввести филлеры-заполнители (рис. 5).

 

Кабели внутриобъектовых систем часто приходится прокладывать в стесненных условиях, поэтому для них критически важна высокая гибкость. Из-за увеличенного по сравнению с типовыми горизонтальными кабелями сечения ТПЖ для получения необходимых изгибных параметров нужны дополнительные технические приемы.

Первый из таких приемов очевиден: отказаться от жесткой монолитной токопроводящей жилы в пользу многопроволочной. Второй прием заключается в уменьшении диаметра отдельной ТПЖ и увеличении количества таких проводников для обеспечения необходимого общего поперечного сечения. Чтобы устранить нежелательную «рыхлость» кабельного сердечника, отдельные провода дополнительно скручиваются в пару.

Отметим, что отсутствие необходимости поддерживать 100-омное волновое сопротивление и малое рабочее напряжение оборудования PoE позволяют дополнительно уменьшить толщину изоляции отдельных проводов и соответственно немного улучшить массогабаритные показатели готового кабеля.

СКС того или иного производителя, как правило, представляет собой полноценное системное решение, которое позволяет выполнять определенный класс задач без привлечения дополнительного оборудования. Данный принцип целесообразно распространить и на комбинированные кабели.

С практической точки зрения это означает необходимость расширить номенклатуру поставляемой элементной базы на источники питания и соответствующие приемники. Полезно также ввести в состав каталожного предложения влагозащищенные корпуса с возможностью подогрева – для установки телекамер, точек доступа Wi-Fi и иного аналогичного оборудования. При вхождении в состав системного решения привлекательность комбинированного кабеля для конечного пользователя существенно повышается.

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!

<< Предыдущая статья   Вернуться к содержанию   Следующая статья >>