автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование характеристик передачи и взаимного влияния симметричных кабелей структурированных кабельных систем

На правах ртоп

СУРОВЦЕВА Ольга Федоровна

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕДАЧИ И ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ СИММЕТРИЧНЫХ КАБЕЛЕЙ СТРУКТУРИРОВАННЫХ КАБЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность: 05 12.13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003175379

Санкт-Петербург - 2007

003175379

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Университете Телекоммуникаций им проф. М А Бонч-Бруевича

Научный руководитель-

Кандидат технических наук, профессор Патрик О Г

Официальные оппоненты.

Доктор технических наук Парфенов Ю А

Кандидат технических наук, доцент Виноградов В В

Ведущая организация - ОАО «Гипросвязь СПб»

Защитадиссертапкшсостоится«Л3> 7 7 2007 г

в ±6__ часов в ¿йюауд на заседании диссертационного совета Д 219 004.01 при Санкт-Петербургском Государственном Университете Телекоммуникаций им проф М А Бонч-Бруевича по адресу 191186, Санкт-Петербург, наб реки Мойки, д 61

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета Автореферат разослан « _____2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Волков В Ю

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В современной деловой и повседневной жизни общества компьютерные сети играют важную роль На сегодняшний день развитее технологий передачи данных характеризуется бурным развитием компьютерных сетей.

Компьютерные сети, называемые также вычислительными сетями, или сетями передачи данных, являются логическим результатом эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилизации - компьютерных и телекоммуникационных технологий.

Использование вычислительных сетей приводит к совершенствованию коммуникаций, то есть к улучшению процесса обмена информацией и взаимодействия между сотрудниками предприятия, а также его клиентами и поставщиками Сети снижают потребность предприятий в других формах передачи информации, таких как телефон или обычная почта

Сегодня трудно найти сколько-нибудь крупное предприятие, на котором не было хотя бы односегментной сети Все больше и больше появляется крупных сетей с сотнями рабочих станций и десятками серверов, некоторые большие организации и предприятия обзаводятся частными глобальными сетями, объединяющими их филиалы, удаленные на тысячи километров

Компьютерные сети постоянно совершенствуются, увеличиваются скорости передачи информации, расширяется спектр предоставляемых услуг, стираются грани между локальными и глобальными сетями

Желание унифицировать и стандартизировать оборудование компьютерных сетей привело к созданию структурированных кабельных систем (СКС), параметры которых жестко регламентируются международным (ISO/IEC 11801) и европейским (EN 50173) стандартами

В большинстве публикаций, относящихся к СКС, акцент сделан на применение кабелей с диаметром токоведущих жил, равным 0,5 мм Характеристики кабелей с диаметром токоведущих жил 0,4 мм и 0,6 мм отсутствуют, хотя указанные стандарты это допускают

Появление все более высокоскоростных технологий передачи информации, таких как Gigabit Ethernet (GE) и lOGigabit Ethernet (10GE), использующих новые методы модуляции и кодирования, требует знания

1

характеристик передачи и взаимного влияния в более широком диапазоне частот по сравнению с технологиями Ethernet и Fast Ethernet.

В указанных стандартах не нашел отражения такой важный вопрос как достоверность передаваемой информации в зависимости от длины кабеля на горизонтальном участке СКС.

Как показали исследования, существующие конструкции кабелей СКС не оптимальны, так как не отвечают ни одному из критериев ни по затуханию, ни по стоимости

Решение указанных проблем позволит проектным организациям повысить качество проектных работ и поможет внедрению новых прогрессивных технологий передачи информации, а разработчикам кабелей СКС позволит снизить стоимость как существующих, так и вновь разрабатываемых конструкций кабелей

Предмет исследования. Теоретически и экспериментально исследуются передаточные функции симметричных кабелей СКС в широком диапазоне частот.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является определение достоверности передаваемой информации по горизонтальному участку СКС в зависимости от скорости передаваемой информации и длины участка

Для достижения этой цели решались следующие задачи Возможность применения кабеля СКС UTP-100 пятой и шестой категорий на длинах, больших, чем это регламентируют стандарты EN 50173 и ISO/EEC 11801 для технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.

Оценка характеристик передачи существующих конструкций кабелей СКС в широком диапазоне частот и рассмотрение возможности оптимизации конструкции кабеля в зависимости от выбранного критерия разработки при соблюдении требований международного и европейского стандартов

Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использовались методы теории цепей, теории численного анализа, теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна Впервые найдено аналитическое выражение для определения активного сопротивления симметричной цепи непосредственно через ее конструктивные размеры в широком диапазоне частот без использований функций Бесселя

В результате аппроксимации по методу наименьших квадратов получены упрощенные формулы для расчета коэффициента затухания и величины модуля волнового сопротивления витой пары кабеля СКС с различным диаметром токоведущих жил в широком диапазоне частот

На основе частотной модели сделана оценка значимости отдельных видов помех: от взаимного влияния на ближнем и дальнем концах, термического шума и помех, создаваемых встречным потоком в результате отражений (возвратные потери).

Установлена зависимость между вероятностью ошибки при передаче информации и предельно-допустимой длиной горизонтального участка СКС

В результате теоретического анализа найдено оптимальное соотношение диаметров изолированной и неизолированной токоведущих жил кабеля СКС типа UTP-100, при котором выполняются требования стандартов EN 50173 и ISO/ffiC 11801.

Практическая ценность Найденная зависимость отклонений характеристик передачи от конструктивного разброса отдельных элементов кабельного сердечника позволяет контролировать процесс производства кабелей и разрабатывать новые, более совершенные конструкции кабелей Количественная оценка уровня помех, обусловленных взаимным влиянием, термическим шумом и встречным потоком, позволила установить предельно-допустимые длины горизонтальных участков СКС при использовании высокоскоростных технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet

Найдена оптимальная конструкция симметричного кабеля СКС, которая позволяет существенно уменьшить стоимость кабеля, при этом сокращается расход такого остродефицитного материала, как медь

Реализация и внедрение результатов исследований Разработанные компьютерные программы по оценке уровней помех от взаимного влияния, термического шума и встречного потока были использованы в учебном процессе кафедры Линий связи СПбГУТ им проф М. А Бонч-Бруевича для обучения студентов специализации «Банковские системы связи» при выполнении ими курсового проекта на тему: «Проектирование коммуникационных подсистем»

Результаты теоретических исследований могут быть использованы при разработке новых, более совершенных конструкций симметричных кабелей.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались-

на конференциях профессорско-преподавательского состава СПб ГУТ в 2002-2006 гг. (4 доклада),

на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов СПб ГУТ в 2002 году,

на седьмой международной конференции «Информационные сети, системы и технологии» в г Минске 16-18 октября 2001 г

Публикации. Основные положения диссертации публикованы в 8 научных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 122 страницах текста, содержит 49 таблиц, иллюстрирована 48 рисунками, список литературы содержит 64 наименования

Основные положения, выносимые на защиту. Определение активного сопротивления симметричной цепи в широком диапазоне частот, непосредственно через ее конструктивные размеры без использования трудоемких расчетов с использованием функций Бесселя,

Аналитическое определение отклонения параметров передачи через отклонения конструктивных размеров витой пары кабеля СКС ЧТР-100

Установление предельно-допустимой длины горизонтальной проводки симметричных кабелей СКС в зависимости от заданной вероятности ошибки при приеме информации

Оптимизация отношения диаметров изолированной и неизолированной токоведущих жил витой пары кабелей СКС по критерию минимума затухания при условии соблюдения требований стандартов ЕЙ 50173 и КОЛЕС 11801

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи работы, перечислены ее основные научные результаты, приведены сведения об апробации этих результатов и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дана общая характеристика компьютерных сетей, включая топологию, способы кодирования информации, применение различных направляющих систем, а также обзор американского (АЫ81/Т1А/ЕГА-568-В), международного (КОЛЕС 11801) и европейского (ЕМ 50173) стандартов на структурированную кабельную систему (СКС)

На основании сравнения достоинств и недостатков различных схем построения СКС показано, что наиболее предпочтительной является звездообразная топология.

Сравнение различных типов направляющих систем для построения горизонтального участка СКС показало, что для «витой» пары в настоящее время не существует альтернативы.

Для достижения больших скоростей передачи информации вплоть до 10 Гбит/с на «витой» паре необходимо применять многоуровневое кодирование В настоящее время при работе со скоростью передачи 100 Мбит/с применяется 3-х уровневый код МЬТ-З, при скорости 1000 Мбит/с - 5-ти уровневый код РАМ-5, при скорости 10 Гбит/с предполагается использовать код РАМ-12.

Сравнение стандартов на СКС (американского, международного и европейского) показало, что они очень похожи друг на друга, но необходимо отметить, что международный стандарт (КО/ВЕС 11801) предусматривает два подхода к построению СКС Первый подход следует стандарту АК81/Т1АУЕ1А-568-В, где указывается максимальная длина кабеля Второй — не определяет расстояние между конечными точками, а право его выбора остается за проектировщиком в зависимости от характеристик кабеля

Во второй главе приведены результаты исследования конструктивных и электрических характеристик симметричных кабелей СКС типа ЦТР с различным диаметром токоведущих жил Поскольку экспериментальный метод определения характеристик передачи ограничен возможностями измерительной аппаратуры, то в качестве основного метода ис-

следования был выбран аналитический. Сопоставление результатов исследования обоими методами в диапазоне частот до 100 МГц показало их хорошее совпадение.

Определение характеристик передачи в широком диапазоне частот - достаточно трудоемкий процесс. Поэтому частотная зависимость для основных параметров передачи (коэффициент затухания и волновое сопротивление) была аппроксимирована с использованием метода наименьших квадратов.

Частотная зависимость коэффициента затухания была аппроксимирована функцией вида.

а(/) = Лл/7+Л.2 /. (1)

а частотная зависимость волнового сопротивления - функцией вида'

\гв\=г1+г2/4/. (2>

Значения коэффициентов аппроксимации для кабелей с различным диаметром токоведущих жил представлены в табл. 1

Таблица 1

Коэффициенты аппроксимации

Ах Аг 2, 2г

0,4 24,0 0,092 94,7 17,2

0,5 18,6 0,079 95,4 13,0

0,6 16,5 0,079 94,8 12,0

Аппроксимация наклона частотных характеристик величин переходного затухания на ближнем конце и защищенности на дальнем конце показала, что он составляет 15,5 дБ/дек для Ао и 20 дБ/дек для А3.

Полученные формулы позволяют оценить номинальные значения параметров передачи и не дают представление о том, в каких пределах могут колебаться эти значения.

В работе на основе математического анализа показано, что отклонения значений параметров передачи напрямую связаны с отклонениями геометрических размеров отдельных конструктивных элементов кабельного сердечника Отклонение величины коэффициента затухания можно определить по формуле:

Да _ Are 1 Ar 1 AC а ~ ae 2 r 4 С Отклонение величины волнового сопротивления - по формуле:

bZB 1 In/-

Да Дг

Аг АС \п(а - г) г С lnr

Zв 21П(Й-Г)1_Д-Г а-г где Дае - отклонение коэффициента спиральности (скрутки), Дг - отклонение радиуса токоведущий жилы, Аа=Д<з?1 - отклонение диаметра изолированной жилы, АС - отклонение величины емкости

(4)

Таблица 2

Параметр

Кабель Дае, г, Аг, d, Aait С, А С,

мм мм мм мм мм мм нФ/км нФ/км

Siemon 1,026 0,03 0,255 0 0,92 0 48,46 3,68

PCNET 1,02 0,022 0,253 6,8 103 0,914 2,56 102 48,59 4,3

В таблице 2 приведены значения отклонений параметров кабелей с диаметром токоведущих жил 0,5 мм американской фирмы «Siemon» и тайваньской фирмы «PCNET».

В результате теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что разброс значений коэффициента затухания лежит в пределах ± 3 %, а величины волнового сопротивления — в пределах ± 5 %

В третьей главе оценивается достоверность передачи информации высокоскоростных технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet по кабелям 5 и 6 категории с различным диаметром токоведущих жил С учетом того, что в этих технологиях используются коды с различным числом уровней кодирования (MLT-3 в технологии Fast Ethernet, РАМ-5 в технологии Gigabit Ethernet), установлены различные требования к предельно-допустимой величине шума, обусловленного взаимными помехами при влиянии пар друг на друга на ближнем и дальнем концах кабеля, возвратными потерями, а также термическим шумом. Это хорошо иллюстрирует табл. 2, где допустимая мощность шума указана для воздействия сигнала единичной амплитуды

Таблица 3

рот 10"8 ю-9 Ю"10 ИГ" Ю"12 10"13 ю-'4

naonw\ вт MLT-3 5,24 4,57 4,03 3,68 3,38 3,11 2,87

ли ю-3, Вт РАМ-5 1,31 1Д5 1,0 0,92 0,84 0,78 0,72

Помимо этого на достоверность передачи информации влияет межсимвольная интерференция, когда вследствие недостаточной полосы пропускания импульсы накладываются друг на друга.

При слишком широкой полосе пропускания усиливаются внешние и внутренние помехи в кабеле.

Известно, что близким к оптимальному считается такой корректор, который минимизирует произведение длительности скорректированного импульса на полосу частот, то есть ткор • АР.

Мальм значениям произведения хкор • АР соответствуют импульсы вида*

S(/) =

А • cos(7t-) - косинусоидальной формы

1кор

А-ехр

-41п2

V ткор

- колокольной формы

А sin (я-)-синусоквадратичной формы

2т,

■•кор

где А - амплитуда импульса,

ткор - длительность импульса на уровне 0,5А.

Предпочтение отдано импульсу колокольной формы, так как из всех импульсов он дает nun ( ткор • АF )=я/4, его энергетический спектр

повторяет форму самого импульса и, наконец, значение S(t) не обращается в ноль ни при каких значениях аргумента.

Расчеты межсимвольной интерференции показали, что, если длительность откорректированного импульса не превосходит длительность тактового интервала, то, как это показали расчеты, величина межсимвольных помех не превосходит 0,125 амплитуды импульса.

Расчет мощности шумов производился с учетом аппроксимации АЧХ параметров передачи и взаимного влияния, сделанных в предыдущей главе, по формулам:

К

W,

jsin2(ях)• х2 -ехр\-0.23■ A3(fT)-7,09-x2\ix

Ц82 0 А2-4*}

1,182

W,

В.П.

= 2- А \

2 j sin2 (юг)

О и-1

•ехр[-0,23(Av^f^+A1 x fT )•/] •

ZH-ZX-

Zl

V

¿2 л/^Л .

tfc

(5)

(6)

(7) (В)

где А - амплитуда импульса, Zh - сопротивление нагрузки; x=flfT - нормированная частота, Аъ А2, Zb Z2 - коэффициенты аппроксимации.

По формулам (5, 6, 7 и 8) были построены зависимости суммарной мощности помех от длины кабеля при различных значениях вероятности ошибок в случае применения технологии Fast Ethernet по кабелю 5 категории (рис. 1) и технологии Gigabit Ethernet по кабелю 6 категории (рис. 2).

длина кабеля, м

Рис. 1. Зависимость суммарной мощности помех от длины кабеля при использовании технологии Fast Ethernet и различной вероятности ошибки

длина кабеля, м

Рис. 2. Зависимость суммарной мощности помех от длины кабеля при использовании технологии Gigabit Ethernet и различной вероятности ошибки

Сопоставление полученных значений мощности помех с нормируемыми показало, что применение технологии Fast Ethernet на кабеле 5 категории и Gigabit Ethernet на кабеле 6 категории не вызывает ограничений на длину горизонтальной проводки даже при р0ш=Ю"14- В случае применения технологии Gigabit Ethernet по кабелю 5 категории и рош не более Ю"10 длина горизонтальной проводки должна быть не менее 15 метров.

В четвертой главе рассматривается возможность оптимизации конструкции кабеля типа UTP-100 по критерию минимума затухания при условии выполнения требований международного и европейского стандартов в отношении величины волнового сопротивления.

Показано, что существующие конструкции симметричных кабелей СКС этому критерию не соответствуют и соотношение диаметров изолированной и неизолированной токоведущих жил (1,8-2,0) повторяет это соотношение для обычных низкочастотных кабелей. На это есть свои причины, главная из которых заключается в сложности аналитических выражений для определения первичных параметров передачи.

Наибольшие сложности вызывает определение активного сопротивления симметричной пары, которое определяется по формуле.

от

1+Г(кг)+-

Д=2 ге Л,

1 -Н(кг)

+ДДИ, Ом/км (9)

где ае — коэффициент спиральности, Лц - сопротивление проводника на постоянном токе; Р(кг), С(кг), Н(кг) - специальные функции, которые определяются через модифицированные функции Бесселя, к- модуль коэффициента вихревых токов; ¿Ь - диаметр голого проводника; а - расстояние между центрами проводников, аят~ дополнительное сопротивление, обусловленное потерями на вихревые токи в соседних проводниках и металлической оболочке

Ом/км (10)

где - табличное значение потерь при частоте 0,2МГц, которое зависит от числа соседних проводников и для кабеля иТР-100 может быть принято равным 7,5;/— частота в МГц

Желание упростить расчет активного сопротивления симметричной пары можно обнаружить в целом ряде работ Так, например, В. Н Кулешову удалось уменьшить число специальных функций, что позволило несколько снизить трудоемкость расчетов Более удачной попыткой следует признать формулу, приведенную у Ефимова И Е и Останьковича Г. А, в которой активное сопротивление рассчитывается непосредственно через конструктивные размеры симметричной пары

У7

Д = 0,167

1 + 0.3 ^У1 '°М/КМ (П)

Существенным недостатком приведенной формулы является большая погрешность расчетов, которая, как это показано в табл. 4 составляет более 30%

/МГц кг К*, Ом/км по ф-ле (1) К*, Ом/км по ф-ле (2) Д* Ом/км по ф-ле (3) ЛЯъл, Ом/км

1 5,36 440,5 523,5 414,6 16,77

10 16,93 1270,4 1655,5 1311,0 53,03

100 53,55 4255,3 5235,2 4145,7 167,7

1000 169,3 12865,7 16555,2 13109,8 530,3

10000 535,5 40630,6 52351,5 41457,0 1677,0

* данные приведены без учета коэффициента спиральности ж

При больших значениях аргумента, когда М^МХ и ва » вх выражения для функций Р(кг), 0(кг) и Н(кг) существенно упрощается, и учитывая то, что увеличение сопротивления в результате поверхностного эффекта можно выразить через конструктивные размеры аналогично сопротивлению внутреннего проводника коаксиальной пары, получим.

/г=2Х 4Д810~2 ^/7

(а2- 0,75<*2)

Ом/км (12)

Что касается расчетных формул для остальных первичных параметров передачи Ь, С, О, то для них специального преобразования не требуется, т к они изначально выражены через конструктивные размеры

Волновое сопротивление после подстановки в его выражение значений Ь и С можно представить в виде.

гв = ™- ^»(2,-1) ¿»(1,5,)'0М (13)

£ г

где /¿¿о

Коэффициент затухания, выраженный через конструктивные размеры, будет выглядеть следующим образом:

«.V __ у 1Г6, ф 1ШШ <14>

^ I х*-0,75) 120-^1п(Ь-1) 1п<№) УлОДг)

Оптимизация, сделанная с использованием метода «золотого сечения», показала, что это соотношение должно быть равно 2,46.

Однако, как это показано в работе в этом случае величина волнового сопротивления выходит за допустимые границы (100±15 Ом), установленные стандартами ЕМ 50173 и КОЛЕС 11801.

На рис. 1 и 2 показаны зависимости а и при оптимальном соотношении ¿/1/й?2=2,46 и фиксированном значении £^=0,92 мм, из которых видно, что минимум затухания получается при а!о=0,37 мм, а величина |2В| оказывается равной 126 Ом.

Рис. 3. Зависимость модуля волнового сопротивления от 4з при оптимальном соотношении с1\!Ы1=2,46

Рис. 4. Зависимость коэффициента затухания от при оптимальном соотношении ё\1с{2=2,46

Для того, чтобы удовлетворить требованию по величине |2,|, приходится отступить от оптимального соотношения г/,/с/2=2,46 и в этом случае получается субоптимальное соотношение, равное 2,23.

Рассмотрение зависимости а от ¿4 (рис.5) при субоптимальном соотношении <¿¡/¿2=2,23 показывает, что при а^>0,35 мм выполняется требо-

вание стандартов по предельно-допустимому значению коэффициента затухания (220 дБ/км).

Рис. 5. Зависимость коэффициента затухания от с10 при субоптимальном соотношении с1\!<12—2,23

Анализ стоимости затрат на изготовление кабеля с уменьшенным диаметром токоведущих жил (0,35 мм) и наиболее применяемым диаметром (0,5 мм) показал, что они отличаются более, чем в 2 раза. Применение кабеля с уменьшенным диаметром токоведущих жил позволяет экономить такой остродефицитный материал, как медь.

В заключении можно сформулировать следующие выводы:

1. Полученная в результате теоретического анализа формула для расчета величины активного сопротивления «витой» пары позволяет обходиться без использования функций Бесселя, а делать это непосредственно через ее конструктивные размеры.

2. Найденные аппроксимирующие выражения для величины волнового сопротивления и коэффициента затухания позволяют избегать трудоемких расчетов по их определению в широком диапазоне частот.

3. Отклонения значений волнового сопротивления и коэффициента затухания от номинальных значений зависит от конструктивного разброса отдельных элементов кабельного сердечника и при достигнутом на сегодняшний день технологическом уровне производства составляет порядка 5 % для | и 3 % для а.

4. Исследование передающих характеристик кабелей типа иТР-100 позволило установить, что при диаметре токоведущих жил равным 0,4 мм есть ограничения на максимально допустимую длину горизонтальной

проводки, а при диаметре равном 0,6 мм есть ограничения на минимально допустимую длину

5. Установленный наклон частотных характеристик величины переходного затухания на ближнем конце (15,5 дБ/дек) и величины защищенности на дальнем конце (20 дБ/дек) позволяет оценивать величину взаимных влияний на любой частоте применяемой технологии передачи информации

6 Расчет мощности помех от взаимного влияния, встречного потока и термического шума позволил установить предельно допустимые длины горизонтальной проводки при различных значениях вероятности ошибки.

7 Оптимальная конструкция кабеля с уменьшенным диаметром то-коведущих жил (г/0=0,35 мм), удовлетворяющая требованиям международного КОЛЕС 11801 и европейского ЕЙ 50173 стандартам, позволяет снизить стоимость кабеля типа 11ТР-100 более, чем в два раза.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Патрик О Г., Суровцева О Ф Определение переходных характеристик кабелей ЛВС Сборник трудов 7-ой Международной конференции «Информационные сети, системы и технологии». — Минск' Белорусский государственный экономический университет, 2001

2 Патрик О. Г, Суровцева О Ф Расчет переходных характеристик кабелей симметричной конструкции Тезисы докладов 54 НТК профессорско-преподавательского состава СПбГУТ. - СПб, 2002

3 Суровцева О Ф Оптимизация конструкций кабелей ЛВС Тезисы докладов 56 НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов СПбГУТ -СПб, 2002 г.

4 Дуданов И В, Патрик О Г, Суровцева О Ф Определение пропускной способности кабелей ЛВС Тезисы докладов 56 НТК профессорско-преподавательского состава СПбГУТ. - СПб, 2004

5 Патрик О Г , Суровцева О. Ф., Определение возвратных потерь в симметричных кабелях СКС Тезисы докладов 58 НТК профессорско-преподавательского состава СПбГУТ -. СПб . СПбГУТ, 2006

6 Патрик О. Г, Суровцева О Ф. Оценка оптимальности конструкций кабелей СКС Тезисы докладов 58 НТК профессорско-преподавательского состава СПбГУТ - СПб : СПбГУТ, 2006

7 Кочановский Л. Н., Патрик О Г, Суровцева О. Ф Оценка оптимальности конструкций кабелей СКС Труды учебных заведений связи. -СПб: СПбГУТ, 2006, №175, с. 213-216.

8 Патрик О Г, Суровцева О. Ф. Оптимизация конструкции кабеля СКС типа ШР-ЮО Статья принята редакцией журнала «Электросвязь» к опубликованию в ноябре 2007 г.

Подписано к печати 26.09 2007 г. Объем 1 печ Л Тираж 80 экз Зак № 50

Тип СПбГУТ 191186 СПб, наб р Мойки, 61

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Общая характеристика компьютерных сетей.

1.1 Структурированная кабельная система (СКС).

1.2. Структура локальных сетей.

1.3. Характеристики линейных кодов.

1.4. Стандартизация структурированной кабельной системы.

ГЛАВА 2. Конструктивные и электрические характеристики симметричных кабелей СКС.

2.1. Конструктивные характеристики.

2.2. Первичные параметры передачи.

2.3. Вторичные параметры передачи.

2.4. Аппроксимация |ZB| и а.

2.5. Определение разброса параметров передачи.

2.6. Параметры взаимного влияния.

ГЛАВА 3. Определение предельно-допустимых длин горизонтальной проводки

3.1. Достоверность передачи.

3.2. Межсимвольные искажения.

3.3. Определение нормы шумов.

3.4. Расчет мощности шумов от влияния на ближнем конце.

3.5. Расчет мощности шумов от влияния на дальнем конце.

3.6. Расчет мощности шумов от встречного потока.

3.7. Расчет мощности термического шума.

ГЛАВА 4. Оптимизация конструкции кабеля UTP.

4.1. Оптимизация по критерию минимума затухания.

4.2. Оптимизация по критерию минимума затухания с учетом требования европейского стандарта EN50173 по величине волнового сопротивления.

4.3. Оценка стоимости кабеля UTP с уменьшенным диаметром токоведущих жил.

Актуальность проблемы. В современной деловой и повседневной жизни общества компьютерные сети играют важную роль. На сегодняшний день развитие технологий передачи данных характеризуется бурным развитием компьютерных сетей.

Компьютерные сети, называемые также вычислительными сетями, или сетями передачи данных, являются логическим результатом эволюции двух важнейших научно-технических отраслей современной цивилизации -компьютерных и телекоммуникационных технологий.

Использование вычислительных сетей приводит к совершенствованию коммуникаций, то есть к улучшению процесса обмена информацией и взаимодействия между сотрудниками предприятия, а также его клиентами и поставщиками. Сети снижают потребность предприятий в других формах передачи информации, таких как телефон или обычная почта.

Сегодня трудно найти сколько-нибудь крупное предприятие, на котором не было хотя бы односегментной сети. Все больше и больше появляется крупных сетей с сотнями рабочих станций и десятками серверов, некоторые большие организации и предприятия обзаводятся частными глобальными сетями, объединяющими их филиалы, удаленные на тысячи километров.

Компьютерные сети постоянно совершенствуются, увеличиваются скорости передачи информации, расширяется спектр предоставляемых услуг, стираются грани между локальными и глобальными сетями.

Желание унифицировать и стандартизировать оборудование компьютерных сетей привело к созданию структурированных кабельных систем (СКС), параметры которых жестко регламентируются международным (ISO/IEC 11801) и европейским (EN 50173) стандартами.

В большинстве публикаций, относящихся к СКС, акцент сделан на применение кабелей 5-ой категории качества с диаметром токоведущих жил, равным 0,5 мм. Характеристики кабелей с диаметром токоведущих жил 0,4 мм и 0,6 мм отсутствуют, хотя указанные стандарты это допускают.

Появление все более высокоскоростных технологий передачи информации, таких как Gigabit Ethernet (GE) и lOGigabit Ethernet (10GE), использующих новые методы модуляции и кодирования, требует знания передающих свойств кабелей в более широком диапазоне частот по сравнению с технологиями Ethernet и Fast Ethernet.

В указанных стандартах не нашел отражения такой важный вопрос как достоверность передаваемой информации в зависимости от длины кабеля на горизонтальном участке СКС.

Как показали исследования, существующие конструкции кабелей СКС далеко не оптимальны, так как не отвечают ни одному из перечисленных критериев: ни по затуханию, ни по величине волнового сопротивления, ни по стоимости.

Решение указанных проблем позволит проектным организациям повысить качество проектных работ и поможет внедрению новых прогрессивных технологий передачи информации, а изготовителям кабелей СКС позволит снизить стоимость как существующих, так и вновь разрабатываемых конструкций кабелей.

Предмет исследования. Теоретически и экспериментально исследуются передаточные функции симметричных кабелей СКС в широком диапазоне частот.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является определение достоверности передаваемой информации по горизонтальному участку СКС в зависимости от скорости передаваемой информации и длины участка.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

Возможность применения кабеля СКС UTP-100 пятой и шестой категории качества на длинах, больших, чем это регламентируют стандарты EN 50173 и ISO/IEC 11801 для технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.

Оценка характеристик передачи существующих конструкций кабелей СКС в широком диапазоне частот и рассмотрение возможности оптимизации конструкции кабеля в зависимости от выбранного критерия разработки СКС при соблюдении требований международного и европейского стандартов.

Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использовались методы теории цепей, теории численного анализа, теории вероятности и математической статистики.

Научная новизна. Впервые найдено аналитическое выражение для определения активного сопротивления симметричной цепи непосредственно через ее конструктивные размеры в широком диапазоне частот без использований функций Бесселя.

Получены аппроксимирующие выражения для расчета коэффициента затухания и величины модуля волнового сопротивления витой пары кабеля СКС с различным диаметром токоведущих жил.

На основе частотной модели сделана оценка значимости отдельных видов помех: от взаимного влияния на ближнем и дальнем концах, термического шума и помех, созданных встречным потоком в результате отражений.

Установлена зависимость между вероятностью ошибки при передаче информации и предельно-допустимой длиной горизонтального участка СКС.

На основе теоретического анализа найдено оптимальное соотношение диаметров изолированной и неизолированной токоведущих жил кабеля СКС типа UTP, при котором выполняются требования стандартов EN 50173 и ISO/IEC 11801.

Практическая ценность. Найденная зависимость отклонений характеристик передачи от конструктивного разброса отдельных элементов кабельного сердечника позволяет заводам-изготовителям контролировать процесс производства кабелей и разрабатывать новые, более совершенные конструкции кабелей. Теоретический анализ и экспериментальные исследования позволили выявить ряд ограничений при использовании на компьютерных сетях кабелей СКС типа UTP-100 с диаметром токоведущих жил 0,4 мм и 0,6 мм.

Количественная оценка уровня помех, обусловленных взаимным влиянием, термическим шумом и встречным потоком, позволила установить предельно-допустимые длины горизонтальных участков СКС при использовании высокоскоростных технологий Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.

Найденная в результате теоретического анализа оптимальная конструкция симметричного кабеля СКС позволяет существенно уменьшить стоимость кабеля, при этом сокращается расход такого остродефицитного материала, как медь.

Реализация и внедрение результатов исследований. Разработанные компьютерные программы по оценке уровней помех от взаимного влияния, термического шума и встречного потока были использованы в учебном процессе кафедры Линий связи СПб ГУТ им. Проф. М. А. Бонч-Бруевича для обучения студентов специальности «Банковские системы связи» при выполнении ими курсового проекта на тему: «Проектирование коммуникационных подсистем».

Результаты теоретических исследований могут быть использованы при разработке новых, более совершенных конструкций симметричных кабелей. Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались: на конференциях профессорско-преподавательского состава СПб ГУТ в 2002-2006 гг. на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов СПб ГУТ в 2002 г. на седьмой международной конференции "Информационные сети, системы и технологии" в г. Минске 16-18 октября 2001 г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 научных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения изложена на 122 страницах текста, содержит 49 таблиц, иллюстрирована 48 рисунками, список литературы содержит 64 наименования.

Выводы.

В диапазоне частот, в котором работают высокоскоростные технологии передачи информации (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 10GE), оказалось возможным выразить величину активного сопротивления витой пары непосредственно через ее конструктивные размеры, что существенно упростило задачу оптимизации конструкции кабеля.

Для того, чтобы получить минимальное затухание соотношение между диаметрами изолированной и неизолированной жилы должно быть равно 2,46. В существующих конструкциях оно лежит в пределах от 1,8 до 2,0, т.е. достаточно далеко от оптимального.

При достижения минимального затухания величина волнового сопротивления выходит за границы, определенные стандартами ISO/IEC-11801 и EN 50173 (100±15 Ом.). Чтобы удовлетворить этому критерию соотношение

Стоимость оптимизированного кабеля с уменьшенным диаметром токоведущих жил, равным 0,35 мм по сравнению с кабелем, имеющим диаметр 0,5 мм, снижается более, чем в 2 раза. При этом экономится такой дефицитный материал, как медь. должно быть уменьшено до значения 2,23.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении можно сформулировать следующие выводы:

1. Полученная в результате теоретического анализа формула для расчета величины активного сопротивления «витой» пары позволяет обходиться без использования функций Бесселя, а делать это непосредственно через ее конструктивные размеры.

2. Найденные аппроксимирующие выражения для величины волнового сопротивления и коэффициента затухания позволяют избегать трудоемких расчетов по их определению в широком диапазоне частот.

3. Отклонения значений волнового сопротивления и коэффициента затухания от номинальных значений зависит от конструктивного разброса отдельных элементов кабельного сердечника и при достигнутом на сегодняшний день технологическом уровне производства составляет порядка 5% для [Zb| и 3% для а.

4. Исследование передающих характеристик кабелей типа UTP-100 позволило установить, что при диаметре токоведущих жил равным 0,4 мм есть ограничения на максимально допустимую длину горизонтальной проводки, а при диаметре равным 0,6 мм, есть ограничения на минимально допустимую длину.

5. Установленный наклон частотных характеристик величины переходного затухания на ближнем конце (15,5 дБ/дек) и величины защищенности на дальнем конце (20 дБ/дек) позволяет оценивать величину взаимных влияний на любой частоте применяемой технологии передачи информации.

6. Расчет мощности помех от взаимного влияния встречного потока и термического шума позволил установить предельно допустимые длины горизонтальной проводки при различных значениях вероятности ошибки.

7. Оптимальная конструкция кабеля с уменьшенным диаметром токоведущих жил (ё0=0,35мм), удовлетворяющая требованиям международного ISO/IEC 11801 и европейского EN 50173 стандартам, позволяет снизить стоимость кабеля типа UTP-100 более чем в 2 раза.

1. Степанов А. Н. Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей. СПб.: Питер, 2007.

2. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети СПб.: Питер, 2006

3. Власов В. Е., Парфенов Ю. А., Рысин Л. Г., Кайзер Л. Н. Кабели СКС на сетях электросвязи. М.: ЭкоТрендз, 2006.

4. Патрик О. Г., Суровцева О. Ф., Оценка оптимальности конструкций кабелей СКС. Тезисы докладов 58 НТК СПбГУТ. : СПб.: СПбГУТ, 2006.

5. Кочановский Л. Н., Патрик О. Г., Суровцева О. Ф., Оценка оптимальности конструкций кабелей СКС. Труды учебных заведений связи. СПб.: СПбГУТ, 2006, №175, с. 213-216.

6. Костров Б. В. Телекоммуникационные системы и вычислительные сети. -М.: Десс: Техбук, 2006.

7. Каталог ООО «Эликс-Кабель» (Россия) М.: Эликс-Кабель, 2006.

8. Патрик О. Г., Суровцева О. Ф. Определение возвратных потерь в симметричных кабелях СКС. Тезисы докладов 58 НТК СПбГУТ. -: СПб.: СПбГУТ, 2006.

9. Смирнов Н. Г. Структурированные кабельные системы проектирование, монтаж и сертификация. - М.: Экон-информ, 2005.

10. Ю.Власов В. Е., Парфенов Ю. А. Кабели цифровых сетей электросвязи. М.: Эко-Трендз, 2005.

11. П.Дуданов И. В., Патрик О. Г., Суровцева О. Ф. Определение пропускной способности кабелей ЛВС. Тезисы докладов 56 НТК СПбГУТ. -: СПб.: СПбГУТ, 2004.

12. Семенов А. Б., Стрижаков С. К., Сунчелей И. Р. Структурированные кабельные системы. М.: Компания Ай Ти: ДМК Пресс, 2004.

13. Парфенов Ю. А. Кабели электросвязи. М.: Эко-Трендз, 2003.

14. М.Новиков Ю. Н., Новиков Д. Ю. и др. Компьютеры, сети, Интернет.

15. Энциклопедия. СПб.: Питер, 2003.

16. Смирнов И. Г. Как читать маркировку кабеля Вестник связи №3, 2002, с. 3.

17. Европейский стандарт EN 50173-1-2003. Информационные технологии. Общие кабельные системы. Часть 1. Основные требования и офисные помещения.

18. Международный стандарт ISO/IEC 11801-2002. Информационные технологии. Прокладка кабелей по схеме общего назначения в помещениях пользователей телекоммуникационных систем.

19. Суровцева О.Ф. Оптимизация конструкций кабелей ЛВС. Тезисы докладов 56 НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов СПб ГУТ. -СПб.:СПб ГУТ, 2002.

20. Американский стандарт TIA/EIA 568-В «Телекоммуникационные кабельные системы коммерческих зданий», 2002.

21. Патрик О. Т., Суровцева О. Ф. Расчет переходных характеристик кабелей симметричной конструкции. Тезисы докладов 54 НТК СПбГУТ. -: СПб: СПбГУТ, 2002.

22. Тонненбаум Э. Компьютерные сети. СПб.: Питер, 2002.

23. Аннабел 3. Дод. Мир телекоммуникаций. Обзор технологий и отрасли. М.: ЗАО «Олимп-Бизнес», 2002.

24. Патрик О. Г., Суровцева О. Ф. Определение переходных характеристик кабелей ЛВС. Сборник трудов 7-ой Международной конференции "Информационные сети, системы и технологии". Минск: Белорусский государственный экономический университет, 2001.

25. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 2002.

26. Каталог фирмы «Pouyet» (Франция) М., 2001.

27. Новиков Ю. В., Кондратенко С. В. Локальные сети: архитектура, алгоритмы, проектирование М.: ЭКОМ, 2000.

28. Убайдуллаев Р. Р. Волоконно-оптические сети М.: Эко-Трендз, 2000.

29. Смирнов И. Г. Структурированные кабельные системы. М.: Эко-Трендз, 1998.

30. Европейская структурированная кабельная система. Справочник по применению стандарта EN 50173. СПб.: Санкт-Петербургский центр электросвязи, 1998.

31. Гроднев И. И., Верник С. М., Кочановский JI. Н. Линии связи М.: Радио и связь, 1995.

32. Брискер А. С., Руга А. Д., Шарле Д. Л. Городские телефонные кабели М.: Радио и связь, 1991.32.1Цербо В. К. Стандарты по локальным вычислительным сетям. М.: Радио и связь, 1990.

33. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке БЕЙСИК для персональных ЭВМ М.: Наука, 1987

34. Верник С. М., Кочановский Л. Н. Оптимизация линейных сооружений связи -М.: Радио и связь, 1984.

35. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов. М: Наука, 1986.

36. Батищев Д. И. Методы оптимального проектирования. М.: Радио и связь, 1984.

37. Цым А. Ю., Камалягин В. И. Междугородные симметричные кабели для цифровых систем передачи. М.: Радио и связь, 1984.

38. Шарле Д. Л. Методика оптимального конструирования городских телефонных кабелей с алюминиевыми и алюмомедными жилами. М.: Труды ВНИИКП, вып. 24, 1982.

39. Шарле Д. Л. Конструирование и расчет городских телефонных кабелей. -М.: Энергоиздат, 1982.

40. Васильев Ф. П. Численные методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1980.

41. Моисеев Н. Н., Иванилов Ю. П., Столярова Е. М. Методы оптимизации. -М.: Наука, 1978.

42. Ефимов И. Е., Останькович Г. А. Радиочастотные линии передачи М.: Связь, 1977.

43. Гнеденко Б. В., Хинчик А. Я. Элементарное введение в теорию вероятностей. -М.: Наука, 1976.

44. Бахвалов Н. С. Численные методы. М.: Наука, 1975.

45. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. -М.: Наука, 1974.

46. Двайт Б. Г. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука, 1973.

47. Матлин Г. М. Проектирование оптимальных систем производственной связи. М.: Связь, 1983.

48. Цалиович А. Б. Методы оптимизации параметров кабельных линий связи. -М.: Связь, 1973.

49. Аболиц И. А. и др. Многоканальная связь. М.: Связь, 1971.

50. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Советское радио, 1971.

51. Абезгауз Г. Г., Тронь А. П., Копенкин Ю. Н., Коровина И. А. Справочник по вероятностным расчетам. М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1970.

52. Барк JI. С. Таблицы вероятностных функций. М.: ВЦ АН СССР, 1970.

53. Гутер Р. С., Овчинский Б. В. Элементы численного анализа и математическая обработка результатов М.: Наука, 1970.

54. Шторм Р. Теория вероятностей. Математическая статистика. Статистический контроль качества. -М.: Мир, 1970.

55. ХеммингР. В. Численные методы. -М.: Наука, 1968.

56. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1968.

57. Шварцман В. О. Взаимные влияния в кабелях связи. М.: Связь, 1966.

58. Анго А. математика для электро и радиоинженеров. М.: Наука, 1965.

59. Шиниберов П. Я., Курбатов Н. Д., Сергеева К. К., Линии связи. М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1962.

60. Лакерник Р. М., Шарле Д. Л. Полиэтилен и его применение в кабельной технике. М.: Госэнергоиздат, 1958.

61. Гроднев И. И., Укстин Э. Ф. Расчет оптимальных конструкций симметричных кабелей магистральной связи. Электросвязь, 1956, №5, с. 5665.

62. Кулешов В. Н. Теория кабелей связи. Учебник. М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1950.

63. Материалы различных Интернет-сайтов: http://www.visitlan.ru/ http://www.elixcable.ru/ http://www.ruslan-com.ru/ http://www.lincomp.ruи др.