Обзоры
Будущее структурированных кабельных систем
0

Будущее структурированных кабельных систем

Практика прошлого и настоящего

Перед тем как говорить о будущем СКС, хотелось бы обратиться к опыту прошлого и настоящего. До 1984 г. коммуникационные кабельные системы (communications’ wiring systems), как они тогда назывались, не являлись предметом широкого обсуждения. Скорость передачи данных в них была сравнительно невысокой, а требования к полосе пропускания — минимальными, равно как и другие требования к разработке и монтажу кабельных систем. Их установкой и сопровождением занимались исключительно телефонные компании. Когда были необходимы услуги по передаче данных, состав кабельной системы определялся поставщиком активного оборудования, а ее установку выполнял сам производитель оборудования или специализированный независимый субподрядчик.

Положение начало меняться в середине 80-х годов. Появление новых сред, используемых для связи, соединительных устройств и интерфейсов, а также отсутствие технических условий и стандартов на средства передачи плюс введение собственных кабельных систем — все это внесло смятение в ряды пользователей. Чтобы устранить этот беспорядок и создать какие-либо типовые кабельные системы, нужно было учредить специальный орган по стандартизации, деятельность которого могла бы сосредоточиться на коммерческом построении систем кабельной связи. После введения первого стандарта в 1991 г., разработанного Ассоциацией телекоммуникационной промышленности и Союзом электронной промышленности (TIA/EIA), был выпущен целый ряд спецификаций и технических условий практически по всем аспектам структурированных кабельных систем. Эти документы определили направление развития быстродействующих телекоммуникационных систем. Большинство прежних и настоящих систем передачи цифровой информации, используемых в коммерческом мире, строилось на основе неэкранированных витых пар (Unshielded Twisted Pair — UTP). Системы на базе UTP приобрели большую популярность, поскольку они оказались экономичными, прекрасно подходили для разных применений и сравнительно просто устанавливались.

Каждый раз с появлением более скоростных сетевых технологий изготовители выдвигали новые технические требования для UTP и компонентов кабельной системы, утверждаемых, в конце концов, службами стандартизации. По сравнению с 1991 г., когда для UTP была установлена минимально допустимая полоса пропускания 16 MHz, сейчас мы уже имеем дело с такими скоростями передачи, которые требуют полосы пропускания не менее 200 MHz. Возникает вопрос, при каком быстродействии UTP станут более сложными для применения и менее экономичными, чем другие среды?

Будущие направления развития

Можно предположить, что и в дальнейшем условия для передачи коммерческой информации будут включать требования обязательного присутствия как низкой, так и высокой скорости. Некоторые применения, такие, как передача речи, встроенные системы автоматики, системы сигнализации и охранные системы, будут, как и раньше, использовать полосу низких частот. Ее придется увеличивать лишь тогда, когда вместе с передачей голоса потребуется передавать пакеты цифровых данных. Что, пожалуй, останется неизменным, так это необходимость передачи больших объемов информации за все более короткое время. Кроме того, требования к полосе существенно повысятся, когда нужно будет передавать графическую информацию (диаграммы, изображения), научные модели, устраивать селекторные видеоконференции либо, например, создавать многотерминальные базы данных или другие системы с передачей большого объема информации за короткое время.

Рассматривая историю развития систем связи, можно заметить, что скорость передачи информации возрастает примерно на порядок каждые десять лет. Мы уже видели, что скорость локальных сетей на UTP увеличилась с 10 Mbps в середине 80-х годов до 100 Mbps в середине 90-х и до 1 Gbps в конце 90-х годов, и сейчас уже составляются стандарты для передачи со скоростью 10 Gbps. А что будет в 2010 или 2020 году? Здесь можно процитировать слова Билла Гейтса, главы компании Microsoft, который заявляет, что "не пройдет и десяти лет, как мы добьемся сколь угодно большой полосы пропускания". Какой же будет при этом среда — UTP, коаксиальный кабель, оптоволокно или радиоканалы?

Два главных требования, неизбежно предъявляемых к любой кабельной системе, — это ее технические характеристики и экономичность (в том числе и простота установки). Без сомнения, системы на оптоволокне и экранированных витых парах (Shielded Twisted Pair — STP, или SFTP) менее капризны и обеспечивают большую полосу пропускания, чем UTP. Однако сегодня они не получили столь широкого распространения. И все же, смогут ли UTP и системы на других средах обеспечить необходимую полосу пропускания для будущих приложений? Станут ли они при этом достаточно экономичными? Давайте же посмотрим на предлагаемые решения.

Неэкранированная витая пара

В
настоящее время ведутся работы с целью стандартизации UTP с полосой пропускания
до 250 MHz. Многие изготовители объявляют о наличии у них изделий, которые превосходят
даже еще не утвержденные спецификации. Известно, что для того чтобы принять стандарт
на UTP категории 6, необходимо преодолеть ряд трудностей как технического, так
и политического характера. И все же можно рассчитывать на то, что с ними рано
или поздно справятся. Хотя общее мнение таково, что UTP еще не приблизилась к
своему теоретическому пределу. Все же остается открытым вопрос о жизнеспособности
UTP при дальнейшем увеличении скорости передачи информации. Если эффективность
использования полосы пропускания не повысить, применив новые технологии, то стоимость
электроники, трудности при установке и требования к тестированию могут снизить
преимущества UTP по сравнению с другими возможными реализациями. Следует заметить,
что в настоящее время не планируется разрабатывать стандарт для Ethernet 10 Gbps
на медном кабеле.

Экранированная витая пара

STP
представляет собой 150-омный кабель стандарта 22-AWG с экраном вокруг каждой отдельной
пары и, кроме того, с дополнительным общим экраном. На сегодняшний день экранированная
витая пара характеризуется полосой в 300 MHz. Сейчас эта система изучается службой
стандартизации ISO/IEC для возможного принятия ее в качестве стандарта категории
7 со спектральной полосой пропускания 600 MHz. Несмотря на то что эта среда хорошо
подходит для передачи данных, затраты на соответствующие компоненты и установку
ограничивают ее использование особыми условиями и лишь некоторыми странами. Несомненно,
пределы полосы пропускания для STP еще не достигнуты, однако, как и в случае UTP,
камнем преткновения для применения таких систем является экономический фактор.
Установка STP требует присутствия высококвалифицированных монтажников и немалых
трудозатрат, если делать все правильно. Промышленные эксперты сомневаются, что
конечные пользователи или фирмы, занимающиеся установкой каналов связи, примут
STP с распростертыми объятиями.

Витая пара
с защитной оболочкой

Кабель типа витой пары с защитной оболочкой (Screened Twisted Pair — ScTP,
или Foil Twisted Pair — FTP) был разработан в основном для того, чтобы создать
экранированную среду, которая является более дешевой и проще монтируется, чем
экранированная витая пара. Это тип кабеля, который удовлетворяет всем физическим
характеристикам и требованиям передачи, оговоренным в стандартах TIA/EIA 568A,
но создает дополнительную защиту от окружающих электрических помех. ScTP выпускается
с четырьмя парами и представляет собой 100-омный кабель стандарта 24-AWG с оболочкой
вокруг всех четырех пар и характеризуется полосой до 300 MHz. Хотя его легче монтировать,
все же кабель типа ScTP страдает от отсутствия признания, как и STP.

Стеклянное оптоволокно

В
течение многих лет приверженцы волоконной оптики как среды для передачи информации
выступали с заявлениями о том, что это — идеальная среда передачи будущего. TIA/EIA
предложили многомодовое оптическое волокно 62,5/125 мкм в качестве одной из трех
рекомендуемых сред для горизонтальной проводки. И ни дальность передачи, ни полоса
пропускания не были уязвимым местом для любых быстродействующих приложений, пока
не появилась технология 1000Basе-T Ethernet. Сегодняшние исследования показывают,
что информационная емкость и эффективность связи по мощности для светоизлучающих
диодов у оптоволокна типа 62,5/125 мкм в диапазоне коротких волн являются недостаточными
для того, чтобы удовлетворять требованиям дальности передачи.

Теперь пользователям приходится пересматривать рекомендации стандартов, чтобы оценить уместность этих рекомендаций в отношении будущих сетей. Можно перейти на более новые типы волокон 62,5/125 мкм либо вообще использовать многомодовые оптоволоконные кабели класса 50/125 мкм. Видимо, придется отказаться от светоизлучающих диодов в качестве приемопередающей пары и применять лазеры поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers — VCSEL) для малой длины волны (SX) или большой длины волны (LX) либо одномодовое волокно. Так называемое "новое" волокно 62,5/125 мкм обойдется дороже, чем одномодовое, а многомодовое оптоволокно 50/125 мкм более чувствительно к изгибам и имеет более высокий коэффициент потерь, чем волокно типа 62,5/125 мкм.

Большие возможности по увеличению пропускной способности оптоволокна предоставляет технология мультиплексирования с разделением по длине волны (Wave Division Multiplexing — WDM). Сегодня технология обеспечивает поддержку до 40 каналов, а в недалеком будущем эта цифра вырастет до 128. WDM снимает требование по прокладке дополнительных волокон и позволяет обойтись уже имеющимися световодами и соединительными устройствами.

Пластмассовое оптоволокно

В
настоящее время пластмассовое оптоволокно (Plastic Optical Fiber — POF) служит
для передачи данных с низкой скоростью на небольшие расстояния. Правда, недавние
технические разработки высокосортного индексированного POF позволили увеличить
полосу пропускания до значения 3 GHz/100 м. Кроме того, разработанные в последнее
время одномодовые POF, применение оптического усиления в пластмассовых волокнах,
а также новые POF-материалы с малым уровнем потерь на длинах волн до 1550 нм и
более мощные и быстродействующие источники (света) позволили реализовать ряд систем,
таких, как FDDI, ATM, Escon, Fibre Channel, SONET на базе пластмассовых оптических
волокон. Однако данный тип среды пока еще не подтвержден никакими органами стандартизации,
поскольку сегодняшняя технология не позволяет реализовать каналы длиной более
50 м с требуемой полосой пропускания. Наверное, пройдет не менее 5 лет, пока недорогие
POF станут коммерчески доступными. Наличие стандарта на изделие — решающий фактор
для признания этого изделия рынком. Но если POF будут санкционированы службой
стандартизации, потребители получат надежную и не требующую ухода систему для
применения там, где сейчас используются электрические проводные каналы связи,
причем по ценам намного ниже, чем для стекловолоконной оптики.

Беспроводная технология

Много было написано на тему того, что беспроводные сети (Wireless Networking) заменят в будущем структурированные кабельные системы. На сегодняшний день дороговизна и малые полосы пропускания беспроводных сетей оставили им лишь около 1% всех развернутых портов Ethernet. Достоинства беспроводных сетей выглядят очень соблазнительно для тех, кому приходится вести разработку, монтаж и техническое обслуживание структурированных кабельных систем: никаких забот о том, как протащить кабель в недоступные места, нет проблем с типом кабеля и т. п.

Однако при всей привлекательности радиосетей у них есть и слабые стороны. Хотя и существует стандарт для беспроводных сетей (IEEE 802.11b), взаимодействия между поставщиками этой техники пока не наблюдается. Узкополосное сетевое оборудование требует лицензирования, а нефокусируемая инфракрасная аппаратура сети может оказаться ненадежной из-за помех, создаваемых другими источниками света, например солнцем. Технология с расширением спектра (spread spectrum) позволяет в какой-то мере справиться с этими проблемами, но не обеспечивает высоких скоростей передачи данных. Стандарт IEEE 802.11b оговаривает скорость передачи в пределах 11 Mbps. Для офисов открытой планировки распространение радиоволн обычно ограничивается расстояниями 70—150 м, а для разделенных стенами диаметр сети может не превышать 30 м.

Разумеется, стоимость беспроводных сетей будет снижаться, а полоса пропускания — расширяться. Однако вряд ли при существующей технологии удастся найти решение для удовлетворения постоянных запросов на рост скорости передачи информации.

Коаксиальный кабель

Коаксиальный
кабель издавна применяется для самых разных целей, начиная от высококачественной
передачи звуковых и видеосигналов в телевидении и заканчивая разного рода связью
в базовой и широкой полосе частот. Этот кабель служил также основной средой передачи
для 10Base-5 и 10Base-2 Ethernet. Появившаяся впоследствии технология более широкополосных
систем с использованием UTP заменила коаксиальный кабель в коммерческих сетях
и оставила ему первенство лишь в старых сетях и кабельном телевидении. Теперь
благодаря легкости прокладки и экономичности рынок коммуникаций решительно повернулся
в сторону UTP. Однако прежде чем закрыть тему о коаксиальных линиях, хотелось
бы упомянуть о тех возможностях, которыми такие линии обладают.

Конечно же, коаксиальный кабель обеспечивает более широкую полосу пропускания, чем UTP, и позволяет работать с менее сложной электроникой. Можно возразить, что коаксиальному кабелю будет нелегко найти путь к сердцу монтажников и пользователей из-за трудностей при прокладке, обслуживании и более высокой стоимости. Но давайте предположим, что в отношении коаксиальных систем были приняты такие же обширные программы развития, как для UTP. Наверняка, можно было бы разработать соединительные устройства, так же легко устанавливающиеся, как и в UTP-системах. И тогда можно было бы изготовлять новые кабели, которые были бы легче по весу и имели бы меньший диаметр, чем те, что есть сейчас. А если еще добавить сюда стоимость сложнейшей электроники, особенности монтажа, требования к испытаниям и предстоящее обслуживание UTP в условиях широкополосного применения, то коаксиальные системы, возможно, оказались бы более конкурентоспособными.

Анализ стоимости

Помимо обеспечения требуемых технических характеристик, структурированная кабельная система должна быть экономичной в отношении стоимости ее комплектующих и трудозатрат. Приводимая ниже таблица составлена на базе типовой сети, включающей в себя 96 рабочих станций, каждая из которых отстоит примерно на 30 м от отсека, содержащего 4 коммутационных поля (по 24 порта в каждом), и 96 соединительных шнуров. Оптоволокно представляет собой двужильный многомодовый кабель типа 62,5/125 мкм. Следует отметить, что хотя цены в конкретных ситуациях могут отличаться от реальных, тем не менее, соотношения везде соблюдаются.

Конечно, нельзя принимать решение, основываясь только на стоимости комплектующих и материалов. Обязательно нужно учитывать требования к системе и область ее применения. Например, кабель категории 5 обеспечивает полосу 100 MHz, а категории 6 гарантирует в 2,5 раза большее значение. Если попытаться удвоить скорость передачи битовых сигналов при той же полосе, тогда значительно возрастет стоимость электроники, так как для расшифровки передаваемых сигналов потребуется более сложная аппаратура.


Среда

Цены на комплектующие, $

Кабель

Разъем

Распреде-
лительные панели

Соедини-
тельные шнуры

Один порт

UTP катег.
5

750

4,2

500

216

19,47

UTP катег.
6

1750

6

608

796

38,86

ScTP катег.
5

3800

7

640

720

60,75

STP

4500

6,75

880

1056

73,79

Коаксиальный
кабель

700

4

500

480

21,5

Оптоволокно
MM

3540

12

1540

2112

86,92

Если нет необходимости в защите от электромагнитных помех, 3—3,5-кратная стоимость
для STP и ScTP по сравнению с UTP для большинства пользователей не будет оправданной.
Применение волокна с ценой, в 4—4,5 раза превышающей цену UTP, может быть целесообразным
по нескольким причинам: отстройка от электромагнитных помех, необходимость в увеличении
полосы пропускания и большие расстояния. Однако помимо стоимости комплектующих
для оптоволоконной среды, применение оптоволокна для 10/100Base Ethernet повышает
стоимость интерфейсных карт и концентраторов в 2,8 раза по сравнению с использованием
медного кабеля. Радиосвязь чуть-чуть дороже, чем система проводной связи, но дает
намного меньшую полосу. С увеличением скорости передачи на порядок стоимость электроники
сначала возрастает в 6—10 раз, а затем снижается до 3—5 раз.

Заключение

Некоторое время UTP, наверняка, будет служить нам во всех случаях, пока не потребуется полоса пропускания свыше 100 MHz. Хотя сейчас трудно сказать, какие новые технологии появятся, можно с достаточной уверенностью заявить, что если исследования в области электронной связи будут продолжаться в том же темпе, то, вероятно, появятся также новые диэлектрики, новые производственные процессы и технические решения. Что касается технологий приема, то здесь вполне реален выход новых электронных устройств, работающих с более сложными представлениями сигналов, и даже большие достижения в области обработки сигналов, позволяющие осуществить более плотную упаковку данных при их передаче.

Экранированные витые пары и витые пары с защитной оболочкой еще долго будут использоваться в условиях сильных электромагнитных помех. Стоимость комплектующих и затраты на установку таких систем не относятся к числу их достоинств, однако они смогут надежно работать на более высоких частотах, чем UTP. Что касается возможностей коаксиальных кабельных систем, то они определятся лишь тогда, когда изготовители проявят больше внимания к разработке самих коаксиальных кабелей и соединительных устройств.

Беспроводная технология, несомненно, получит дальнейшее развитие с целью достижения большей широкополосности. Возможно, она отвоюет себе значительную долю рынка, особенно для применений в домашних условиях. Однако вряд ли можно рассчитывать на то, что эта технология станет настолько совершенной, что удовлетворит все современные требования.

А как насчет волоконной оптики? В данной области уже наблюдается медленная, но устойчивая тенденция использовать ее в сетях, требующих высокого уровня безопасности. В принципе, это разумная мера, если компания может это себе позволить. Пользователи должны рассматривать систему передачи информации как средство повышения производительности своего предприятия, а не выбирать какую-то одну технологию в противовес другой. И пусть для сегодняшних приложений Gigabit Ethernet и возможностей кабелей категории 5Е и 6 вполне хватает, но мы знаем, что в недалеком будущем (через 5—10 лет) появится технология 10 GbE, которая будет использовать только оптоволоконные каналы.

Не вызывает сомнений превосходство нового многомодового волокна над одномодовым, малой длины волны над большой длиной волны или вопрос о применении мультиплексирования с разделением по длинам волн. Разработка VCSEL с длиной излучения 1300 нм позволит использовать одномодовое оптоволокно не только для магистралей, но и для горизонтальной проводки. По-видимому, окончательное решение будет представлять собой сочетание многих существующих в настоящее время оптоволоконных технологий.

Изготовители структурированных кабельных систем всегда должны быть в курсе современных
разработок по электронным компонентам, достижений в области создания новых материалов
и всех новшеств в теории и практике передачи сигналов. Им также необходимо знать,
какие прикладные протоколы сейчас разрабатываются. И тогда, сделав свой выбор,
они должны обеспечить поддержку новых технологий и приложений с помощью своих
изделий, которые будут в состоянии передавать по каналам связи данные без затруднений,
прерываний или искажений. Единственное, о чем можно сказать с уверенностью, —
требования к скорости и качеству передачи данных уже никогда не снизятся, поскольку
любые преимущества в скорости их обработки оборачиваются для пользователя дополнительной
прибылью.

E-mail автора:
ikarpov@molex-ukraine.com


Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: