|ГЛАВНАЯ|   |О ЖУРНАЛЕ|    |ПОДПИСКА|   |ФОРМЫ СОТРУДНИЧЕСТВА|  |КОНТАКТЫ|   |СОДЕРЖАНИЕ НОМЕРА|  |НОВОСТИ|    |ВАКАНСИИ|     |АРХИВ|  |IT-СТРАНСТВИЯ|

№ 2 (3) 2002

   

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примечание редактора

   Действительность оказалась суровее. На практике провести измерение существующими у инсталляторов тестерами по модели Permanent link оказалось невозможно. Причина банальная: отсутствие специальных адаптеров. Тестирование проводились по модели Basic link. Для этого нужны только специальные измерительные патч-корды, стандартно прилагаемые к тестерам. Если эти патч-корды безнадежно вырабатывают свой ресурс, инсталлятор может заменить их обычными патч-кордами (не измерительными) и провести измерения по модели «канал». Отличия будут состоять не в самой процедуре измерений, а в интерпретации результатов. Так, для модели Permanent link допустимое затухание сигнала (параметр Attenuation) на частоте 100 МГц определяется стандартом в 20,6 дБ — это максимально допустимое затухание для горизонтального участка кабеля длиной 90 м. Для модели Basic link максимальное значение параметра Attenuation равно 21,6 дБ (учитывается возможное дополнительное затухание в измерительных шнурах); для модели канала — 24,0 дБ (учитывается возможное максимальное затухание в двух соединительных шнурах по 5 м каждый).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

Сравнительные испытания СКС, проведенные в тестовой

лаборатории редакции журнала (см. «Парад планет»,

С&Б, № 1, 2002 г.), вызвали не только положительные

эмоции от смелости и новизны эксперимента, но и

множество вопросов. В данной статье предложены

критерии сравнения характеристик различных систем.

 

А какой смысл в построении моста через реку,

с точки зрения щуки?

А.Стругацкий, Б.Стругацкий

«За миллион лет до конца света»

 

Никита ЮРЧЕНКО

 

 

Наверное, даже сами участники проведенного тестирования не ожидали получить настолько интересные результаты. Это чувствовалось даже до выхода статьи в печать. И я рад, что смелость идеи и усилия по ее реализации моих коллег по редакции были высоко оценены инсталляторами оборудования. Можно говорить об отсутствии чистоты эксперимента, неидеальных условиях, различном измерительном оборудовании (не эталонном и не лабораторном), неоднозначной интерпретации результатов. С другой стороны, на мой взгляд, в этом же заключается и его преимущество: все состоялось в условиях, приближенных к реальным (линейный тестер, множество кабелей в одном коробе и т.д.). Радует даже тот факт, что после публикации результатов осталось множество вопросов. Ведь понимание проблем и совместный поиск их решения могут только улучшить результаты.

Мне же хотелось бы внести свою лепту в обсуждение, интерпретацию условий тестирования и полученных результатов. Конечно, я понимаю субъективность собственного подхода, так как специализируюсь только по линейно-кабельному оборудованию. Но, прочитав эпиграф, надеюсь, вы не осудите некоторую однобокость моих суждений.

 

По какой схеме измерять?

Полностью согласен с редакцией в вопросе объектов измерения. Два основных стандарта по измерениям СКС на симметричных кабелях, с которыми мне приходилось работать (IEC 61935 и EN 50174), однозначно определяют объекты тестирования. Это канал (Channel) и постоянная линия (Permanent link). На мой взгляд, модель базовой линии (Basic link) безнадежно устарела. По такой схеме можно определить только целостность проводников и их карту (Wire map), что, собственно, и предусмотрено стандартом IEC 61935-1. (У редакции имеется своя точка зрения на этот во­прос — см. «Примечание редактора». Ред.)

Конечно, инсталлятор будет стремиться показать вам и дать гарантию на постоянную линию самую надежную часть системы, а не на канал. Ведь повреждение горизонтального кабеля, проложенного в каналах скрытой проводки, маловероятно. Инсталлятору не хочется давать гарантии на параметры СКС, учитывающие соединительные шнуры в этажном распределителе и кабели рабочей области (Work area). После десятка переключений на кроссовой панели соединительные шнуры будут иметь совсем другие параметры. А на кабель возле компьютера легко наступить или просто задеть его так, что произойдет небольшое смещение контак­ов в вилке. Тем не менее, указанные выше стандарты (да и здравый смысл) требуют обязательного тестирования канала и составления протокола. Только канал является законченным участком сети, и его параметры определяют качество связи.

Еще один момент, с которым мне никак не хочется соглашаться, касается верхней частоты тестируемого диапазона. Вроде бы, умом все понимаю: и что тестеры старые жалко выбрасывать, и что нормы на основные параметры явно завышены для частоты 100 МГц. Но сердцем согласиться не могу. Ведь в статье абсолютно справедливо замечено, что именно высокие частоты критичны для основных параметров передачи (затухания, переходные влияния между цепями). И учитывая небольшие случайные отклонения в процессе переходных влияний, вы не можете дать никакой гарантии, что на верхней частоте не получите всплеск, превышающий норму (с учетом погрешностей инструментальной и измерительного метода). А аппроксимация это, как говорили в старину, от лукавого... Во всяком случае, я был свидетелем того, что производители кабеля категории 5е и 6 (сертифицированного в Украине) абсолютно четко проверяют все параметры передачи в каждом кабеле, на частоте 125 МГц и 200 МГц, соответственно (согласно EN 50174).

 

Какие параметры измерять?

Не вызывает сомнения, что основным показателем качества работы СКС является соотношение сигнал/ шум или коэффициент ошибок при передаче цифровой информации. Среди значительного количества параметров, обеспечивающих заданное качество передачи, стандартом IEC 11801 определены и нормированы следующие:

-  номинальное волновое сопротивление (Nominal impedance);

-  потери на отражение (Return loss);

-  затухание (Attenuation);

-  переходные влияния между цепями на ближнем конце (NEXT, PS NEXT);

-  отношение затухания к переходным помехам, т.е. защищенность на ближнем конце (ACR, PS ACR);

-  защищенность на дальнем конце (ELFEXT, PS ELFEXT);

- сопротивление цепи на постоянном токе (DC loop resistance);

- задержка распространения (Propagation delay);

- смещение задержки (Delay skew);

- продольные потери на преобразование, т.е. баланс, симметричность (Longitudinal to differential conversion loss);

- сопротивление связи экрана (Transfer impedance of shield).

Последнее, само собой, относится только к экранированным системам и не представляет для нас интереса.

Среди этих параметров тестерами измерены и выбраны для анализа в статье всего шесть (Attenuation, NEXT, PS NEXT, ELFEXT, PS ELFEXT, Return loss). Какие же из указанных параметров действительно важны? Ответ на этот вопрос зависит от того, в каком режиме (дуплекс, полудуплекс и т.п.) и по какой системе связи (двухпроводной, четырехпроводной, четырехпарной и т.п.) работает система. И все же попытаемся оценить степень их важности.

1. Затухание линии (или канала) в любом случае остается важнейшей характеристикой, от которой зависит уровень полезного сигнала на приеме.

2. Переходные влияния на ближнем конце вносят наибольший вклад в суммарные помехи, так как в этом случае сигнал помех практически не подвергается затуханию в линии. При передаче во встречных направлениях по двум парам из четырех следует учитывать переходные влияния между двумя парами (pair-to-pair NEXT), а при передаче по всем четырем парам — суммарное влияние трех пар на одну (PS NEXT).

3. Защищенность на дальнем конце будет эквивалентна соотношению сигнал/шум при передаче сигналов в одном направлении по соседним цепям (т.е. в пределах одного кабеля). В этом случае источником помехи для приемника, расположенного на дальнем конце, будет генератор, расположенный на ближнем конце. Опять же, при передаче по двум парам следует учитывать защищенность на дальнем конце между парами (ELFEXT), а при передаче по четырем парам — суммарную защищенность на дальнем конце (PS ELFEXT).

4. Защищенность на ближнем конце соответствует соотношению сигнал/шум при передаче сигналов во встречных направлениях по соседним цепям, расположенным в пределах одного кабеля. Здесь источником шума являются переходные влияния на ближнем конце, а уровень сигнала берется с учетом затухания в линии. Аналогично предыдущему параметру, при передаче по двум парам следует учитывать защищенность на ближнем конце между парами (ACR), а при передаче по четырем парам — суммарную защищенность на ближнем конце (PS ACR).

5. Потери на отражение характеризуют степень «неидеальности» режима бегущих волн, т.е. неоднородность цепи и несогласованность ее подключения на концах (соединения пара/разъем и разъем/разъем). Существенную роль этот параметр будет играть именно при передаче сигналов во встречных направлениях по каждой паре, так как отраженный от дальнего конца (или от неоднородности в цепи) сигнал будет играть роль помехи для собственного приемника. Особенно важна равномерность частотной характеристики этого параметра.

6.  Задержка распространения характеризует уменьшение скорости распространения волны в цепи по сравнению со скоростью света в свободном пространстве, т.е. определяется реактивными параметрами цепи. Значительно больший интерес, на мой взгляд, представляет смещение задержки. Этот параметр характеризует разность в скорости распространения между различными парами, что особенно важно при передаче отдельных составляющих общего сигнала по различным парам.

Оставшиеся параметры либо не играют существенной роли для СКС, либо связаны с параметрами, уже рассмотренными выше (например, сопротивление цепи постоянному току непосредственно связано с затуханием).

В качестве вывода можно сказать, что при работе в стандарте 10BaseT или 100BaseT важнейшим параметром, определяющим качество сигнала, будет ACR (или PS ASR). При передаче сигналов Gigabit Ethernet гармонический корректор компенсирует переходные влияния на ближнем конце, зная форму сигналов передаваемой последовательности. Поэтому считается, что на приемник в качестве помех будут воздействовать только переходные влияния от генератора с дальнего конца. Тогда соотношение сигнал/шум будет определяться параметром PS ELFEXT.

Но даже в условиях работы гармонического корректора, вычитающего передаваемый сигнал из принимаемого, все равно остаются переходные влияния на ближнем конце. Это связано с тем, что поступающие на приемник вследствие переходных влияний помехи от разных участков линии будут складываться. Причем складываться они будут со сдвигом по фазе, вызванным различием времени их прохождения. А поскольку этот процесс носит вероятностный характер и связан с неидеальностью технологии производства кабеля и даже условиями его прокладки, учесть его полностью не сможет даже самый «умный» корректор. Насколько эффективно корректор учитывает параметры линии, судить не берусь. Но опыт измерения кабелей категории 5е показал, что PS ASR в худших случаях составляет 20-24 дБ, а PS ELFEXT — 30-35 дБ. Следовательно, для того, чтобы говорить о преимущественном влиянии с дальнего конца (т.е. определяющей роли параметра PS ELFEXT), подавляющее действие корректора должно составлять не менее 10-15 дБ.

 

Как оценить полученные результаты?

В процессе проведения измерений для некоторых параметров и некоторых СКС были получены результаты, объяснение которым сходу дать затруднительно. Попробую высказать свои предположения по этим случаям.

1.  Различие затухания отдельных пар в пределах одного кабеля можно объяснить несколько отличающейся длиной пар (т.к. различные пары используют различные шаги скрутки), мизерными отклонениями в геометрических размерах проводников и изоляции, а также небольшим отличием параметров соединительных шнуров. У отдельно взятых кабелей для СКС, с которыми мне приходилось иметь дело, разброс затухания различных пар был не более 2,1 дБ/100 м на частоте 100 МГц (при разности сопротивлений до 0,5 Ом/100 м и разности емкостей до   0,2 нФ/100 м). Так что полученный разброс результатов можно считать вполне удовлетворительным.

2. Отдельный случай превышения нормы затухания на частоте 3,6 МГц объяснить затрудняюсь, но думаю, что это связано с соединительными шнурами. В любом случае при превышении кабелем нормы затухания даже на 0,1 дБ на любой частоте он был бы отбракован!

3. Полученное существенное различие характера влияния на ближнем конце различных пар друг на друга, наоборот, — очень характерно для симметричного кабеля. Во-первых, различные пары имеют различный шаг скрутки, и, во-вторых, такие влияния носят случайный характер, что красноречиво отображается графиком частотной зависимости NEXT.

4.  Потери на отражение в прямом и обратном направлении, естественно, всегда будут различными. Это связано, в первую очередь, с разными разъемами и соединительными шнурами на противоположных концах. В отдельно взятом кабеле отражения сигнала достаточно небольшие (из-за технологических микронеоднородностей), но перепад значений Return Loss для различных частот может составлять до 25-30 дБ! Т.е. все полученные результаты можно считать приемлемыми.

5.  Довольно сложно объяснить сильно отличающийся характер кривых частотной зависимости PS ELFEXT. При измерении отдельно взятых кабелей эти кривые выглядят достаточно равномерно (в отличие, например, от PS ACR) и отличаются для разных пар на 2-8 дБ. В основной же статье (см. рис. 10, с. 61, «С&Б», № 1(2), 2002) прослеживается частотно-периодический характер зависимости, т.е. явно присутствуют резонансные эффекты. По иллюстрациям в журнале можно примерно определить период в 15 МГц. Если бы тестирование проводилось по модели канала, то роль внутренних резонаторов (в этом случае) могли бы играть отдельные участки между соединениями в этажном распределителе, а также отрезок абонентского кабеля рабочей области. При длине последнего примерно в 10 м это будет соответствовать половине длины волны сигнала 15 МГц. Для периодических всплесков примерно в 45 МГц длина полуволны составит примерно 3,3 м. Связано ли это с другим шнуром, возможно ли такое для различных пар одного и того же кабеля? Объяснить не берусь. Здесь нужно провести дополнительные эксперименты.

 

Как определить лучшего?

При оценке соответствия параметров заданным нормам возможны самые разнообразные подходы. Самый тривиальный случай, конечно, — оценка параметра по единственному значению, например, сопротивление линии на постоянном токе. Здесь все ясно: если результат ниже нормированного значения, то все в порядке. И при сравнении различных систем тоже просто: наименьшее значение соответствует наилучшему результату. Гораздо сложнее выполнить оценку при сравнении параметров, заданных своими частотными характеристиками.

Во-первых, предельные значения параметров в основных стандартах заданы, как правило, в табличной форме, а нормативные кривые, «зашитые» в ПЗУ линейных тестеров и лабораторного оборудования, являются аппроксимацией. Следовательно, если какой-то параметр имеет «всплеск», превышающий граничную кривую на частоте, не соответствующей таблице стандартов, то формально такое несоответствие можно игнорировать. С другой стороны, те же стандарты (IEC 61935, EN 50174) рекомендуют проводить измерения частотных зависимостей параметров во всем диапазоне частот и с как можно меньшим шагом перестройки частоты (для основных параметров — 150—250 кГц).

Во-вторых (и это не менее важно), все основные стандарты показывают, как сравнить с нормой результаты, полученные для одной системы, даже в различных случаях (при измерениях различными приборами, при повторных измерениях, при измерениях с разных сторон). Но ни один стандарт не пишет, как сравнить между собой результаты, полученные для различных систем!

Что же можно придумать в нашем случае? Для начала обратимся к опыту ранних телекоммуникационных систем. В «большой» связи (магистральные, внутризоновые линии и т.п.) используются два простых критерия.

1. Для аналоговых систем передачи на симметричных кабелях сравнение с нормой производится на верхней частоте диапазона (рис. 1). Это вполне логично, так как именно там наблюдается самое большое затухание в линии и самые сильные переходные помехи.

 

 

И так определить лучшую систему достаточно просто. Но при передаче цифровых сигналов очень часто как раз на самых верхних частотах передается лишь небольшая часть энергии общего сигнала, и такая оценка не будет эффективной.

 Для цифровых систем передачи сравнение производится на полутактовой частоте частоте наибольшей энергии сигнала, передаваемого в коде HDB-3 (рис. 2).

 

 

При таком сравнении в полной мере учитывается энергетический спектр цифрового сигнала и так же просто производить сравнение различных систем. В то же время такой метод удачен только при использовании кода или ему подобных сигнальных структур, так как при таком кодировании в спектральной характеристике есть ярко выраженный пик и значительная часть энергии сигнала передается на частотах, близких к полутактовой. Для других линейных кодов этот критерий не слишком удачен.

 

Теперь попробуем рассмотреть и другие критерии оценки результатов, хотя некоторые из них уже указывались в основной статье.

3. Для СКС на симметричных кабелях стандартом IEC 61935 предлагается определять по частотной характеристике параметра наихудший случай, т.е. значение параметра, наиболее близко находящегося от допустимой границы. Затем измеряется запас (разность между нормой и результатом) для различных систем и производится их сравнение (рис. 3).

 

 

Наверное, с этим можно согласиться при измерении в лабораторных условиях и при значительной равномерности частотной характеристики. Но такой подход совершенно не учитывает ряда серьезных моментов. Опыт измерений показал, что разные тестеры могут показать различные наихудшие случаи на различных частотах. Не учитывается возможный износ шнуров, изгиб кабелей и масса различных флуктуаций.

4. Авторы эксперимента за основу сравнения систем взяли критерий максимального интегрального запаса, т.е. общего отклонения частотной характеристики от граничной кривой (рис. 4).

 

 

Такой метод хорош тем, что, с одной стороны, он (в отличие от предыдущего) не позволяет случайному одиночному «всплеску» повлиять на общую картину частотной зависимости. С другой стороны, различные резонансные (или квазирезонансные) явления могут вызвать довольно значительные периодические (или апериодические) «всплески» на характеристике (кстати, такие результаты и были получены при некоторых измерениях). Уже сам этот факт должен насторожить инсталляторов. Здесь возможно неполное согласование пар с генератором и/или с нагрузкой, некачественные разъемы и т. п., а рассматриваемый метод будет складывать максимумы с минимумами и получать «среднюю температуру по больнице». А ведь для большинства параметров (особенно для потерь на отражение) в большей степени важна равномерность характеристики!

5. Лично мне, как и нашему главному редактору, больше всего нравится идея представления энергетически взвешенной частотной характеристики. В этом случае значение параметра на каждой частоте умножается на коэффициент, определяемый по нормированной энергетической спектральной характеристике (рис. 5). Здесь мы как бы имеем дело с модифицированным способом 2. То есть в соответствии с используемым кодом передачи учитывается реальное распределение по спектру полезного сигнала и наибольшее внимание сосредоточивается на частотах, на которых переносится максимум энергии. В дальнейшем, как мне кажется, следует перейти к способу 3 и сравнивать уже взвешенные характеристики по запасу для наихудшего случая. Не думаю, что является удачным расчет некоего среднеквадратического коэффициента, представляющего вместо характеристики одно число. Можно ли вложить «в голову» тестера такое математическое обеспечение? Вряд ли это проблема. Проблема, вероятно, в другом... Мир сетевых технологий постоянно меняется и развивается. Если появятся другие коды и приложения, то придется менять (или дописывать) программное обеспечение тестера. Не берусь решать, является ли это действительно сложной задачей.

6. Давайте вспомним, что определяющим для СКС является все-таки не набор параметров с их частотными характеристиками, а качество связи. Еще один способ, взятый из «большой» связи (пригодный, правда, для интегрального, а не для параметрического сравнения) измерение коэффициента ошибок в системе. На мой взгляд, прекрасная идея была высказана в основной статье. Тестер должен эмулировать псевдослучайную последовательность сигналов физического уровня, соответствующих основным сетевым протоколам. А коэффициент ошибок позволит объективно оценить удовлетворенность пользователя и системой, и работой инсталлятора. Недостаток же такого подхода заключается в его преимуществе: если вы получите большой коэффициент ошибок, то сложно сказать, из-за чего они возникают, какие компоненты и какие параметры в этом «виноваты».

 

Что еще можно измерить?

Как и все в нашей жизни, условия работы СКС не идеальны. И если эксплуатация сети внутри помещения позволяет практически пренебречь механическими и климатическими факторами, то вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС) остаются. Исходя из этого, я думаю, было бы интересно протестировать работу систем в условиях электромагнитных влияний различного характера.

Для того чтобы определиться с характером электромагнитных воздействий, которые мы должны смоделировать, рассмотрим их источники. В пределах офиса электромагнитные влияния на работу СКС, в частности, могут оказывать:

 сеть электропитания (если телекоммуникационные кабели проложены недалеко от сетевых), особенно в условиях сильных кратковременных бросков напряжения, вызванных включением и выключением мощных устройств;

 люминесцентные лампы, особенно в процессе включения и выключения;

 различные электродвигатели бытовой техники (пылесос, холодильник и т.п.);

 мобильные телефоны.

Поэтому предлагаю провести измерение параметров систем либо измерение коэффициента ошибок в следующих условиях:

1. Проложить в общем коробе кабель сети электропитания. Организовать кратковременные броски напряжения питания.

2. Подвергнуть компоненты системы излучению от НЧ генератора (как гармонического, так и импульсного).

3. Подвергнуть компоненты системы излучению от ВЧ генератора (как гармонического, так и импульсного).

Кроме того, было бы интересно провести измерение такого параметра, как смещение задержки, так как на предельных длинах канала превышение нормы именно по этому параметру (при соответствии норме всех остальных) может приводить к ошибкам в системе.

Возможно, стоит измерить параметр PS ACR, чтобы сравнить его с PS ELFEXT.

Обязательно нужно передать по системам реальные (или эмулированные) сигналы Gigabit Ethernet как в условиях помех, так и без них, и определить количество пакетов с ошибками.

Интересно также оценить своего рода запас устойчивости системы, если включить в нее на каком-либо участке искусственную линию определенной длины и промерять опять же коэффициент ошибок.

В общем, впереди еще много интересных и полезных экспериментов, которые не только позволят нам сравнить представленные СКС, но и выявить проблемы и вместе поискать решения.

 

 Никита ЮРЧЕНКО,

«Сети и бизнес»,

nikita_ur@ukr.net

 

№ 2 (май) 2002