Техника структурированной кабельной системы (СКС) на протяжении последних трех десятков лет выполняет функции основы физического уровня внутриобъектовых информационных систем. Сильная сторона проводки данной разновидности и сопутствующей ей инфраструктуры — фиксация её основных параметров с помощью хорошо гармонизированных стандартов различного уровня. Согласно требованиям действующих нормативных документов для организации линейной части СКС могут быть использованы волоконно-оптические и электропроводные из витых пар кабели. В силу ряда объективных причин [1] наиболее массовая по количеству линий и ресурсоемкая горизонтальная подсистема строится преимущественно на основе кабелей из витых пар. Доля допускаемых стандартами проектов класса FTTD (Fiber-to-the- Desk — волокно до рабочего места) в классическом варианте и в качестве централизованной структуры [2] предельно мала и, по данным BSRIA, не превышает 1-2 %. Наблюдающийся в последнее время, преимущественно за океаном, некоторый рост её популярности в связи с внедрением технологии PoLAN (Passive Optical LAN — локальная вычислительная сеть на основе технологии пассивной оптической сети) пока радикально не меняет эту картину [3, 4].
СКС — достаточно дорогостоящий по капитальным затратам компонент информационной инфраструктуры, а полный или частичный отказ кабельной системы зачастую влечёт за собой тяжёлые последствия в виде прекращения информационной поддержки деятельности как ключевых отделов, так и организации целиком. Поэтому естественные требования пользователя информационной кабельной системы к её бесперебойному функционированию обеспечиваются производителем выполнением ряда мероприятий. Среди них: подбор соответствующей элементной базы; разработка технологий монтажа стационарных линий и трактов с передачей соответствующего ноу-хау партнёрам через систему обучения [5]; проведение выборочной проверки качества выполнения монтажа; выполнение различных видов тестирования как необходимого условия выдачи системной гарантии различного уровня [6].
Последнее следует понимать в расширенном смысле: даже при отсутствии требований со стороны производителя в выполнении сертификационных измерений, монтажная организация в рамках внутреннего контроля качества выполняемых работ все равно осуществляет инсталляционные измерения смонтированной проводки. При этом характер таких измерений зачастую мало чем отличается от сертификационных.
Проблема эксплуатационного тестирования СКС
Необходимость тестирования кабельных линий СКС в процессе текущей эксплуатации возникает довольно часто. В основной массе случаев соответствующие процедуры инициируются жалобами пользователей на потерю связи между рабочей станцией локальной вычислительной сети (ЛВС) и сервером (телефоном и учрежденческо-производственной автоматической телефонной станцией — УПАТС). Причина этого нежелательного события может крыться в неисправности активного сетевого оборудования и кабельных трактах СКС. Измерения призваны локализовать место появления неисправности, выявить причины, облегчить устранение и проверить качество выполнения ремонтных работ.
За те три десятка лет, которые прошли с момента выделения СКС в самостоятельное техническое направление кабельной техники, доля затрат на реализацию этого компонента информационной инфраструктуры объекта недвижимости кратно выросла с исходных 5-7 %. Понимание этого факта инициировало ряд предложений по исправлению сложившейся ситуации (более подробно данный вопрос проанализирован в [7]). Тем не менее пока основная масса вновь создаваемых кабельных систем реализуется по классическим принципам.
Служба эксплуатации внутри- объектовой информационной системы может решить задачу восстановления работоспособности после различных повреждений собственными силами или обращением к внешним ресурсам. При всей технической эффективности второго пути он обладает двумя неустранимыми недостатками. Таковыми считаются высокая стоимость сервисного договора и — что, возможно, даже более важно — большое время реакции на поступивший запрос (обычно, не менее четыре часов). Применение резервирования, как средства восстановления связи до прибытия бригады внешних специалистов, также невыгодно с экономической точки зрения, так как практически удваивает стоимость СКС [8]. Поэтому, по крайней мере, первичную диагностику отдел автоматизации должен выполнять своими силами.
Стоит ожидать, что основная масса возможных дефектов кабельной системы сосредоточена на уровне горизонтальной подсистемы. Это определяется:
- наличием, в отличие от магистральных подсистем, прямого доступа пользователей к части элементов стационарных линий и трактов и связанных с этим повышенных рисков механических повреждений;
- количественной многочисленностью горизонтальных линий;
- минимальной механической прочностью компонентов, используемых при реализации линий этой части СКС.
Первичная диагностика выполняется с помощью тестирующих приборов различного уровня. Стоимость кабельного сканера, как единственного полноценного тестирующего устройства, довольно высока. При этом затраты на его приобретение не зависят от масштабов кабельной системы. С другой стороны, большинство реализуемых СКС относятся к малым и средним, что подтверждает статистика, приведённая на рис. 1. Коллизию, возникающую при таком положении дел, можно решить простым отказом от приобретения сканера. Для этого, правда, потребуется выполнение некоторых дополнительных условий.
Рис. 1. Гистограмма количества портов в реализованных проектах СКС
Рост стоимости кабельных сканеров как тенденция
Кабельный сканер представляет собой полноценное средство измерения и включается в реестр Росстандарта. За последнюю четверть века его и так не малая исходная стоимость возросла почти втрое. Это определяется усложнением техники за счёт увеличения верхней граничной частоты рабочего диапазона смонтированных линий со 100 до 1500 МГц; расширением перечня тестируемых параметров, что требует больших аппаратных и вычислительных ресурсов; введением ряда хорошо востребованных на практике дополнительных сервисных функций; инфляцией; стремлением производителя к наращиванию функциональных возможностей выпускаемой техники.
Последнее выражается внедрением подхода Fiber on Board, когда сканер снабжается дополнительным разъёмом или слотом для подключения модуля тестирования оптической подсистемы, предложением опциональных приставок для работы со шнурами и кабелями, появлением модулей для тестирования оборудования РоЕ (Power over Ethernet — технология дистанционного питания маломощного терминального оборудования Ethernet по витопарным кабельным трактам СКС).
Минимизация вероятности получения неверных показаний за счет человеческого фактора достигается максимально полной автоматизацией процесса измерений. Как тестирующий прибор, сканер самостоятельно выполняет следующие основные действия: в широких пределах контролирует корректность построения схемы тестирования; определяет фактические характеристики смонтированных линий; осуществляет их сравнение с нормативными требованиями стандартов с пересчётом при необходимости к стандартной длине; формирует обобщающий результат в форме «соответствует/не соответствует нормам».
Ошибки выбора неверных моделей тестирования и начальных настроек устраняются возможностью их дистанционного задания со стороны менеджера проекта и формированием жёсткой связи с проектной документацией. Примером практической реализации такого подхода является концепция ProjX компании Fluke Networks.
Фактически в зоне ответственности специалиста, работающего с прибором, при полноценном использовании возможностей современной техники остаётся только: запуск и принудительное прекращение (при необходимости) процесса тестирования; выполнение первичного анализа результатов; вызов процедур поиска неисправности при возникновении такой необходимости и анализ результатов их выполнения.
Как измерительное оборудование, сканер отличается предельной «дружественностью» к оператору, освобождая его от выполнения большинства рутинных операций типа проверки необходимости проверки и начальной настройки, автоматического формирования идентификаторов тестируемых объектов и т. д. Глубина обработки полученных данных и схема их представления, в том числе в графической форме на экране цветного дисплея, достаточны для точной интерпретации результатов и выявления места дефекта тестируемой линии.
Оборотной стороной высокой степени автоматизации становится то, что она также вносит свою определённую лепту в увеличение стоимости оборудования даже при современном уровне развития микроэлектроники.
Причины усложнения профессиональных кабельных сканеров
Современное активное сетевое оборудование, которое работает по кабельным линиям СКС, не только обеспечивает двунаправленную передачу по каждой витой паре, но и максимально полно использует её предельную шенноновскую пропускную способность. Последняя в данном случае равна
где:
- 0,66 — нормируемый IEEE эксплуатационный коэффициент запаса;
- G−ACR(ƒ) — полная защищённость сигнала от помех;
- ƒu — верхняя граничная частота кабельного тракта.
Достижение предельной технической эффективности сетевого оборудования обеспечивается обращением к последним достижениям микроэлектроники. В рамках реализации этой стратегии разработчики сетевых интерфейсов применяют сложные алгоритмы формирования линейного сигнала в передатчике и его обработки на приёмном конце. Соответственно, сканер должен обязательно учитывать как схему функционирования сетевых интерфейсов, так и типичные условия эксплуатации техники СКС.
Данная особенность влечёт за собой неизбежное расширение перечня характеристик, непосредственно тестируемых и определяемых расчётным путём при использовании прибора.
С другой стороны, требуемые качественные показатели передачи цифрового сигнала по кабельному каналу связи определяются двумя основными параметрами: отношением сигнала к шуму на входе решающего устройства приёмника и формой обрабатываемого им сигнала.
Форма сигнала зависит в первую очередь от частотных свойств объекта тестирования. В случае кабелей из витых пар и линий на их основе они задаются протяжённостью объекта и в существенно меньшей степени категорией элементной базы, которая использована для его формирования. Конкретное значение верхней граничной частоты (ƒu) при обращении к межпарной защищённости (ACR(ƒ)) определяется решением уравнения: ACR(ƒ)=NEXT(ƒ)−IL(ƒ)=1.
Осциллирующий характер параметра NEXT(ƒ), который в довольно широких пределах потенциально может менять значение верхней граничной частоты, в данном случае не имеет существенного значения. Это определяется тем, что шенноновскую пропускную способность симметричного тракта определяют преимущественно его параметры в низкочастотной части спектра [9].
Обращение для определения ƒu других видов переходных помех не приводит к качественному изменению конечного результата.
Шумовые характеристики задаются главным образом переходными помехами различных разновидностей. Соответственно кабельный сканер должен определять их фактические значения с учётом применяемой схемы организации связи. При формировании вывода о пригодности объекта для передачи сигналов определённых приложений дополнительно принимается, что эффективность функционирования цепей шумоподавления, которые в обязательном порядке вводятся в состав схемы приёмников, работающих на скоростях 1 Гбит/с и выше, не может быть меньше определённого минимального значения. Обеспечение запасов по этому параметру находится в зоне ответственности разработчика активного сетевого оборудования.
Из представленных соображений непосредственно вытекает, что современный кабельный сканер должен измерять и рассчитывать с заданным уровнем точности следующие разновидности переходного затухания ближнего и дальнего концов: обычное межпарное; суммарное межпарное; межкабельное в междупарном и суммарном вариантах.
Добавление в этот перечень затухания возвратных потерь и других нормируемых стандартами СКС характеристик и необходимость работы в широком частотном диапазоне (до 500 МГц — в случае техники категории 6А и 2000 МГц — для техники категории 8) приводит к тому, что процесс тестирования превращается в сложную измерительно-расчётную процедуру.
Пути упрощения эксплуатационных измерений
Опыт реализации проектов построения СКС показывает, что заказчик кабельной системы не испытывает негатива в отношении специализированного и редко используемого в практике эксплуатации измерительного оборудования в том случае, если его финансовый «вес» в итоговой спецификации поставляемых материалов и выполняемых работ не превышает 3-5 %. Несложный расчёт показывает, что данное условие выполняется для объектов, содержащих как минимум примерно полторы тысячи портов, т. е. для абсолютного меньшинства реализуемых проектов.
Возникающее противоречие между необходимостью выполнения измерений и объективно запретительной ценой соответствующего оборудования можно устранить несколькими способами: организационными мероприятиями — обоснованно исключить из перечня обязательных как можно большую часть измерений, в том числе и сертификационных; минимизировать количество случаев, при наступлении которых возникает потребность в выполнении эксплуатационных измерений; в процессе текущей эксплуатации производить только безусловно необходимые измерения и в том объёме, который требуется для восстановления нормальной работоспособности внутриобъектовой информационной системы.
Наиболее сложной измерительной процедурой является определение межкабельной помехи для кабельных трактов категории 6А. На рис. 2 показана конфигурация «шесть вокруг одного», которая положена в основу определения соответствующих разновидностей переходных затуханий (параметры группы AxEXT и PS-AxEXT, x=N или F, где N и F обозначают ближний (Near) и дальний (Far) концы линии соответственно). Тестирование требует: подачи испытательных сигналов в 24 пары влияющих кабелей; соответствующих вычислительных ресурсов памяти для хранения полученных результатов; разработки сложных алгоритмов. Все это в комплексе неизбежно усложняет прибор и заметно сказывается на его цене.
Рис. 2. Модельная схема "шесть вокруг одного" для описания межкабельного влияния
Измерения межкабельных переходных влияний можно не проводить при целенаправленном выборе соответствующей конструкции горизонтального кабеля. На рис. 3 представлены два варианта таких изделий, широко распространённые в коммерческой продаже. Заметно лучшие массогабаритные показатели конструкций F/UTP определяют их большее распространение [10]. Заодно экран существенно улучшает условия теплоотвода, что делает F/UTP-конструкции предпочтительными при обращении к технологии РоЕ [11].
Рис. 3. Варианты конструкций горизонтальных кабелей категории 6а: U/UTP (а); F/UTP (б)
Недостаток чисто экранированных конструкций в виде требования качественного телекоммуникационного заземления устраняется введением полуэкранированных конструкций с незаземлённым разрывным экраном. Их меньшая эффективность в части подавления мешающих электромагнитных воздействий в данном случае несущественна, так как действующий механизм отражения надёжно снижает межкабельную помеху до безопасного уровня.
Минимизация количества случаев выполнения эксплуатационных измерений обеспечивается: применением для построения СКС продукции ведущих производителей; обязательной сертификацией проекта; соблюдением правил проектирования кабельной системы.
В качестве обоснования этих утверждений можно привести следующие соображения. Продукция ведущих производителей имеет определенные запасы по ключевым параметрам (рис. 4). Сертификация проекта со стороны производителя неизбежно увеличивает качество монтажа, которое оказывает заметное влияние на функционирование кабельной системы [12].
Рис. 4. Гистограмма запасов по параметру NEXT относительно требований стандартов
категории 6а (среднее значение — 3,19 дБ при среднеквадратичном отклонении 1,73 дБ)
Одновременно в правильно спроектированной СКС вероятность превышения стационарной линией длины 70 м составляет не более 5 %. Запасы по затуханию, которые появляются из-за 20-процентного сокращения протяжённости линии относительно предельной по стандартам, увеличивают параметр ACR (защищенность сигнала) на входе приемника, что способствует безошибочному функционированию сетевого интерфейса [13].
Эксплуатационные измерения в небольших и средних запасах целесообразно проводить простейшими и относительно дешевыми измерительными приборами при условии наличия больших начальных запасов с учетом:
- крайне малой вероятности прекращения связи из-за падения отношения сигнала к шуму ниже предела, задаваемого спецификациями сетевых интерфейсов;
- наличия в спецификациях сетевых интерфейсов базовых требований к кабельным трактам, менее жестких по сравнению со стандартами СКС.
Таковыми являются, например, приборы для определения правильности разводки типа Micromapper или MicroScanner компании Fluke Networks, анализаторы Ethernet 10/100 типа LANtest, а также их многочисленные аналоги. Оборудование этого класса определяет правильность разводки, длину линии, ее непрерывность и короткие замыкания, а также некоторые другие параметры. Практическая востребованность этого вида техники задается тем, что львиная доля неисправностей кабельных линий возникает из-за механических повреждений.
Заключение
Функциональные возможности профессиональных кабельных сканеров избыточны с точки зрения текущей эксплуатации небольших и средних кабельных систем при наличии системной гарантии от производителя. В качестве рабочего тестирующего инструмента системного администратора таких сетей предпочтительны тестеры начального уровня.
Наличие у СКС системной гарантии от производителя кабельной системы резко снижает как частоту выполнения эксплуатационных измерений, так и их объем.
Современный кабельный сканер должен использоваться в первую очередь инсталляционными компаниями.
Источник: «Вестник связи» № 10 '2021
Авторы:
А.Б. СЕМЕНОВ, профессор НИУ МГСУ, доктор технических наук,
Е.К. ЗАПОРОЩЕНКО, главный технический специалист по СКС SPL Group, кандидат технических наук, доцент,
С.В. ШЕВЕЛЕВ, доцент НИУ МГСУ, кандидат технических наук
Литература
1. Семенов А.Б. Направления и перспективы развития СКС// Журнал сетевых решений LAN. 2013.
№ 10. С. 62 — 67.
2. Семенов А.Б., Аббасова Т.С. Развитие централизованной оптической архитектуры кабельных систем для вычислительных комплексов// Информационно-технологический вестник. 2016. № 2 (8). С. 117-129.
3. Шевелев С.В., Семенов А.Б. Технология PoLAN как новый формат нижнего уровня информационных систем офисных зданий // Первая миля. 2021. № 2 (94). С. 28 - 33.
4. Семенов А.Б. Технология пассивных оптических локальных сетей// Первая миля. 2020. № 1. С. 26 -32.
5. Семенов А.Б., Фомичев Б.Н. Целевая подготовка специалистов для создания и эксплуатации СКС// Вестник связи. 2012. № 2. С. 42 - 44.
6. Семенов А.Б., Стрижаков С.К., Сунчелей И.Р. Структурированные кабельные системы. — Саратов: Профобразование. 2017. 640 с.
7. Семенов А.Б. Активная консолидационная точка для офисных информационных систем// Вестник связи. 2020. № 8. С. 20 — 24.
8. Семенов А.Б. Резервирование в СКС// Вестник связи. 2004. № 10. С. 67 — 76.
9. Семенов А.Б., Королев Р.Е. Горизонтальные кабели с расширенным частотным диапазоном// Журнал сетевых решений LAN. 2017. № 1 — 2. С. 43 — 46.
10. Артюшенко В.М. Защита структурированных кабельных систем от внешних электромагнитных воздействий// Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2005. № 3 (16). С. 20 — 27.
11. Семенов А.Б. Эволюция дистанционного питания// Журнал сетевых решений LAN. 2015. № 10. С. 51- 55.
12. Смирнов И.Г. Структурированные кабельные системы — проектирование, монтаж и сертификация. — М.: Экон-Информ. 2005. 348 с.
13. Семенов А.Б., Королев Р.Е. Горизонтальные кабели с расширенным частотным диапазоном// Журнал сетевых решений LAN. 2017. № 1-2. С. 43 - 46.