Оценка работы сети на физическом уровне

Заключение

Наблюдение за ошибками и коллизиями на канальном уровне сети позволяет обнаружить неисправные сетевые устройства и планировать возможную модернизацию.

Литература

1. Н.Г. Сачков, Е.А. Русакова, А.В. Паршин. Основы эксплуатационного обслуживания информационных систем железнодорожного транспорта. - М.: МАРШРУТ, 2005. - 415 с.

2. Семенов А.Б., Стрижаков С.К.,Э Сунчелей И.Р. Структурированные кабельные системы. 5-е издание. - М.: ДМК Пресс, 2004. - 639 с.

УДК 621.39

ОЦЕНКА РАБОТЫ СЕТИ НА ФИЗИЧЕСКОМ УРОВНЕ

Аббасова Т.С., Ибрагимов Д.Ш.

ГОУ ВПО «МГУС», г. Москва

При проектировании в электротехнических комплексах информационных систем на основе локальной вычислительной сети необходим подробный анализ электрических параметров кабелей и кабельных соединений.

Постановка задачи: для анализа сети на физическом уровне описать назначение проводимого теста и порядок проведения тестирования. Среда передачи - электрический кабель витая пара Категории 5е.

Ниже приведен перечень тестов для определения электрических параметров кабеля [1,2].

1) Целостность цепи

Основная задача этого теста - выявить ошибки монтажа соединителей или кроссировки (замыкания, обрывы, перепутанные жилы). Поскольку ошибки подобного рода на практике преобладают, то существует большое количество недорогих приборов, единственной функцией которых является только контроль целостности цепи. Полнофункциональные тестеры СКС, как правило, предоставляют более полную информацию о характере ошибки, вплоть до схемы соединения, по которой монтажник может точно идентифицировать дефект.

2) Характеристический импеданс

Поскольку передача данных ведется на высоких частотах, то немаловажную роль имеет импеданс линии: величина ее сопротивления переменному току заданной частоты и постоянство импеданса по всей линии (кабелю и соединителям) для всего диапазона рассматриваемых частот. Это объясняется тем, что сигнал, отраженный от точек с аномальным импедансом, будет накладываться на основной сигнал и искажать его. Для кабеля из витых пар импеданс обычно составляет 100 Ом. Для линий Категории 5е импеданс нормируется для диапазона частот 1.. .125 МГц и должен составлять 100 Ом +/-15%. Основные причины неоднородности импеданса:

• нарушение шага скрутки в местах разделки кабеля около соединителей (максимальное расстояние, на которое жилы могут быть развиты при разделке, - 13 мм);

• дефекты кабеля (повышенное сопротивление жил, пониженное сопротивление изоляции, нарушение шага скрутки);

• неправильная укладка кабеля (применение скоб и хомутов для крепления, малый радиус изгиба, заломы и «барашки» из-за неправильной отмотки);

• некачественная опрессовка соединителей или использование некачественных соединителей.

Аналогичные проблемы возникают на прошедших тестирование линиях при подключении к ее розеткам некачественных (не соответствующих требованиям заданной категории) коммутационных шнуров, переходников или расщепителей линии (сплиттеров).

3) Возвратные

Оценка влияния, вносимого неоднородностями импеданса, выражается таким параметром, как обратные потери (отношение амплитуды переданного сигнала к амплитуде отраженного в дБ). Если дефект порождает в линии существенную неоднородность импеданса, то обратные потери будут малы, так как большая часть энергии сигнала будет отражена от неоднородности. Так, в случае обрыва или замыкания кабеля обратные потери будут равны 0.

При высокоскоростной передаче важное значение приобретает согласование отдельных элементов тракта, при низких скоростях оно не оказывает заметного влияния. Линия всегда содержит устройства, характеристики которых не очень хорошо согласованы с основным кабелем - соединители, панели переключений, шнуры, что и вызывает отражения сигнала.

4) Параметры влияния между двумя парами

К параметрам влияния между двумя парами относятся: переходное затухание на ближнем конце (Near End Crosstalk, NEXT); переходное затухание на дальнем конце (Far End Crosstalk, FEXT); защищенность на ближнем конце (Attenuation-to-Crosstalk Ratio, ACR); защищенность на дальнем конце (ELFEXT). В четырехпарном кабеле учитывается влияние на пару остальных трех пар. Для этого замеряют суммарную мощность (PowerSum) помехи, наведенной от трех пар. Такие параметры имеют приставку PS. Остальные два параметра (PS ACR и PS ELFEXT) рассчитываются аналогично тому, как это имеет место для двухпарного случая:

PS ACR = PS NEXT - Att,

PS ELFEXT = PS FEXT - Att.

Одиночный импульс, посланный передатчиком, начнет распространяться вдоль линии со скоростью, характерной для данного кабеля. По мере распространения сигнала в линии происходит его затухание - потеря мощности сигнала вследствие того, что часть энергии сигнала рассеивается в виде потерь. Затухание Att (attenuation) - это отношение мощности сигнала на выходе передатчика к мощности сигнала на входе приемника, выраженное в децибелах:

P U

Att = -10 • Lg-B = -20 • LgUB, [дБ]

PA U A

где РА - мощность переданного сигнала, РВ - мощность принятого сигнала, иА и иВ -напряжения в точках А и В.

Чем меньше затухание, тем сильнее сигнал на входе приемника, тем лучше связь. Затухание зависит от длины кабеля и частоты. Тестирование этого параметра проводится

для всего диапазона рабочих частот. Оценка результата тестирования для каждой пары

выводится на основании худшего результата.

При прохождении сигнала по витой паре создается электромагнитное поле, которое взаимодействует с сигналами, передаваемыми по соседним парам. В зависимости от того, осуществляется двунаправленная или однонаправленная передача сигнала, важно оценить

влияние наведенной сигналом помехи на ближнем или на дальнем конце по отношению к источнику сигнала. Поэтому влияние наведенного сигнала при передаче по одной паре на один полезный сигнал, передаваемый по другой паре, оценивают с помощью двух параметров: переходное затухание на ближнем конце (near-end crosstalk, NEXT), переходное затухание на дальнем конце (far-end crosstalk, FEXT).

NEXT - это параметр двунаправленной передачи, характеризующий затухание сигнала помехи, наведенного сигналом передатчика на смежную пару (Рис. 1).

При двунаправленной передаче наибольший интерес представляет сигнал перекрестной помехи на ближнем конце смежной пары. Это связано, во-первых, с тем, что приемник смежной пары при двунаправленной передаче располагается на ближнем конце и, следовательно, перекрестная помеха может быть им воспринята как полезный сигнал. Во-вторых, помеха на ближнем конце имеет большую величину, поскольку уровень сигнала во влияющей линии по направлению к концу В затухает.

Рис. 1. Перекрестные помехи в кабеле при двунаправленной передаче NEXT = - 20-Lg

где UA - амплитуда переданного сигнала, UXA - амплитуда помехи на ближнем конце. Чем выше значение NEXT, тем меньше влияние помех между двумя парами проводников. Тестирование кабеля проводится для двух концов кабельной цепи. Указывается наихудшее значение NEXT для каждой из 6 комбинаций пар. Как и затухание, значение NEXT пропорционально длине отрезка кабеля, поэтому оно

указывается для отрезка определенной длины. При одновременной передаче и приеме информации по всем четырем парам необходимо учитывать влияние помех на дальнем от передатчика конце линии. Это параметр однонаправленной передачи ББХТ, характеризующий затухание сигнала помехи, наведенного сигналом передатчика на смежную пару.

где UXB - амплитуда помехи на дальнем конце В.

Чем выше значение FEXT, тем меньший уровень имеет наводка в соседних парах и тем лучше качество передачи. Тестирование проводится для двух концов кабельной цепи. Параметр FEXT в отличие от NEXT зависит от длины линии на всем ее протяжении. Две линии с использованием одних и тех элементов, но разной длины, будут иметь разные значения FEXT. Поэтому нормируется параметр, характеризующий равноуровневые перекрестные наводки на дальнем конце ELFEXT (Equal level Far and Cross talk). На экран сканера выводятся результаты, рассчитанные как разность между измеренными потерями FEXT и затуханием сигнала в возмущающей паре:

При тестировании необходимо измерить этот параметр для всех возможных комбинаций пар с обоих концов кабельной системы. За результат измерения принимают наихудшее значение ЕЬБЕХТ (наименьшее абсолютное значение).

РБКЕХТ - величина наведенного от нескольких передатчиков (при двунаправленной передаче) нежелательного сигнала помехи, измеренного на ближнем от передатчика конце, на одну из пар. Тестирование дает один результат на каждую пару кабеля.

РБЕЬБЕХТ (потери суммарной мощности при однонаправленной передаче) -величина наведенного от нескольких передатчиков нежелательного сигнала помехи, измеренного на дальнем от передатчика конце, на одну из пар относительно уровня принимаемого сигнала, измеренного на той же паре.

FEXT = - 20-Lg(UXB/UA), [дБ]

ELFEXT = FEXT-Att.

PSELFEXT = PSFEXT - Att.

5) Отношение затухания к наводкам

Это (логарифмическая) разница между перекрестными наводками и затуханием сигнала линии, выраженная в децибелах. Этот параметр связан с параметром отношения сигнал/шум (Signal/Crosstalk Ratio, SCR), который позволяет оценить качество принятого сигнала, но отличается от него. Отношение затухания к наводкам рассчитывается по следующей формуле:

ACR = NEXT - A,

где ACR - отношение затухания и наводок; NEXT - перекрестные наводки, измеренные между любыми двумя парами кабеля; А - затухание сигнала в линии.

Чтобы избежать неопределенности, требуется тестировать линии предельно допустимой длины, хотя это противоречит положению (организаций по стандартизации) о том, что не требуется измерений параметров передачи линий, собранных из стандартных кабелей и разъемов.

6) Задержка распространения сигнала и длина линии

Для надежной работы на высоких скоростях необходимо, чтобы задержка распространения сигнала не превышала заданную задержку и была одинакова для всех пар кабельной линии. Измерение длины кабеля осуществляется в соответствии с принципом рефлектометрии.

7) Уровень шумов в линии

Наводки - не единственный источник шума при передаче электромагнитных сигналов. Предполагается, что уровень шумов от других источников во всем диапазоне частот меньше, по крайней мере, 10 дБ.

Иногда электромагнитные и радиопомехи делают невозможной устойчивую передачу сигнала в линии. Большинство тестеров СКС позволяют измерить уровень шумов для последующего анализа и устранения их причин.

Самые распространенные шумы - это импульсные помехи от расположенного вдоль трассы мощного электрооборудования (моторов, пускорегулирующей аппаратуры, светильников дневного света и т. п.) или силовой проводки к ним. Очень часто для устранения подобной проблемы кабель достаточно переместить на несколько метров в сторону. Гораздо реже работе мешает расположенное поблизости радиопередающее оборудование. Устранение помех в этом случае потребует экранировки кабеля или его укладки в металлических каналах.

8) Измерение длины кабеля

Длина тракта и проброса представляет собой сумму длин горизонтального кабеля и всех оконечных и коммутационных шнуров. Для оценки длины используется рефлектометрический метод. Суть этого метода состоит в том, что в витую пару излучается короткий электрический импульс и измеряется интервал времени задержки до прихода отраженного сигнала. Тогда длина кабеля может быть оценена по формуле:

кабеля = NVP •C •Т изм/2

где NVP (nominal velocity of propagation) - отношение скорости распространения электромагнитных волн в данном конкретном кабеле к скорости света в вакууме;

С - скорость света в вакууме;

T^ - временной интервал между моментами излучения зондирующего импульса и прихода отраженного сигнала.

Оценка, полученная по формуле 2.10, иногда называется электрической длиной кабеля. В данном случае наблюдается некоторая путаница понятий: в зависимости от контекста электрической длиной называют эффективную длину по времени прохождения сигнала или по величине его затухания. По полярности отраженного импульса можно дополнительно определить эффективность согласования витой пары на дальнем конце кабеля. Если сопротивление Rjj нагрузки превышает модуль волнового сопротивления Zu кабеля (например, при разомкнутых концах кабеля), то отраженный импульс имеет положительную амплитуду. При R^jZ^ (скажем, в случае короткого замыкания) этот импульс имеет отрицательную амплитуду, а при согласованной нагрузке на дальнем конце он отсутствует, так что длину кабеля измерить нельзя.

Технический бюллетень TSB-67 требует измерения Тизм для всех четырех пар. Вычисления по формуле 2.10 производятся для наименьшего из четырех значений Тизм. Динамический диапазон тестера должен быть достаточным для работы с кабелем максимальной длиной не менее 310 м. Это позволяет выполнять входной контроль кабеля при его поставке в самой популярной 305-метровой (1000-футовой) упаковке.

Измеренная электрическая длина сравнивается с максимально допустимой длиной канала или базовой линии.

9) Проверка разводки проводников пар по контактам модульного разъема

В правильно смонтированном канале или базовой линии проводники витых пар должны подключаться к контактам оконечных модульных разъемов с одними и теми же номерами, то есть так же, как в прямых оконечных и коммутационных шнурах. Пример

правильного подключения проводников пар согласно схеме Т568В показан на рис. 2 а, там же изображены типовые ошибки (рис. 2 б, в, г), допускаемые монтажниками при установке модульных разъемов.

Все ошибки в разводке модульных разъемов могут быть разбиты на следующие основные группы [18]:

• реверсирование пары, Reversed Pair, (рис. 2 б) возникает в тех ситуациях, когда на разных сторонах кабельной линии взаимно меняются номера контактов модульного разъема, к которым подключаются провода пары, что приводит к смене полярности сигнала на приемной стороне;

• под перестановкой пар, Transposed Pairs, (рис. 2 в) понимается подсоединение любой пары к контактам одной из трех других пар на второй стороне кабельной линии; перестановка пар практически всегда вызывает потерю связи (например, передатчики на разных сторонах могут оказаться подключенными друг на друга) и поэтому легко обнаруживается уже на ранних этапах тестирования или опытной эксплуатации смонтированной СКС;

• разделение пар, Split Pairs (рис. 2 г) происходит при условии, что к контактам модульных разъемов, предназначенных для подключения одной пары, присоединяются провода, физически относящиеся к разным парам, то есть не перевитые между собой. Разделение пар сопровождается резким ухудшением электрических характеристик кабеля за счет возрастания затухания и падения переходного затухания;

• разрывы и короткие замыкания проводников.

Все остальные виды ошибок представляют собой комбинацию перечисленных выше основных.

Рис. 2. Типовые ошибки при установке модульных разъемов на примере схемы

разводки Т568В

Современные модели диагностических приборов СКС снабжаются графическим дисплеем, на экран которого при выполнении соответствующего теста в схематическом виде выводится фактическая разводка витых пар между оконечными разъемами тестируемого тракта распространения сигнала. По внешнему виду изображения опытный монтажник легко обнаруживает допущенную при разводке ошибку и определяет ее тип.

Основные базовые показатели (скорость и частота передачи) для физического уровня, а также параметры влияния между парами электрического кабеля приведены в табл. 1. Рассмотрены технологии Fast Ethernet (100 Мбит/с) Gigabit Ethernet (1000 Мбит/с). Для передачи данных с указанной пропускной способностью необходим кабель витая пара Категории 5е и выше.

Оценочные графики частотных зависимостей некоторых параметров кабеля, рассмотренных выше, даны на рис. 3.

Таблица 1. Стандарты 1ЕЕЕ802.3

Параметр 100БЛ8Е- ТХ 100BASE-T4 100BASE-T2 1000БЛБЕ-Т

1 2 3 4 5

Скорость передачи данных, Мбит/с 100

Скорость (частота передачи) в линии, Мбит/с 125 33,33 на пару 50 на пару 250 на пару

Метод кодирования МЬТ-3 8B6T PAM5 РЛМ5

Уровень ошибок, бит 1 на 1012 1 на 108 1 на 1010 1 на 1010

Амплитуда сигнала, В 1,9 2,1 3,15...3,85 2,14.2,4 1,0

Уровень шума (амплитуда помехи), мВ нет специфика- ций NEXT < 105 NEXT < 182 FEXT < 54,4 внешние < 25 < 30

Длина сегмента, м Кат. 3 - 100 Кат. 5 - 100 Кат. 5 - 100 м Кат. 6 - 150 м Кат. 5 - 100 м Кат. 6 - 71 м Кат. 5 - 25 м Кат. 6 - 55 м неэкранированная, 100 м экранирован

Число пар 2 4 2 4

Требования к среде передачи на 16 МГц ЛИ<10 дБ №ХТ>40,5 дБ На 2-12,5 МГц Att<12,5 дБ NEXT>33 дБ ELFEXT>23 дБ на 16 МГц Att<14,6 дБ NEXT>19,5 дБ ELFEXT>20,9 дБ PSNEXT>19 дБ PSELFEXT>19,9 дБ Delay<570 нс на 100 МГц ЛП<24,0 дБ №ХТ>27 дБ ЕЬБЕХТ>17 дБ Р8ЕЬБЕХТ>19,9 дБ КЬ>8 дБ Бе1ау<570 нс

PS FEXT

PS NEXT^^ /

Затухание

10 юо 400

д Б/100 м 70

ео

50

ло

30 30 10 о

1

Рис. 3. Сглаженные характеристики четырехпарного кабеля

Категории 5е

Проанализируем характеристики рисунка 3. Затухание, как следует из теории, растет почти пропорционально корню квадратному из частоты. Суммарное переходное затухание на ближнем конце (PS NEXT) между парами кабеля представляет собой в полулогарифмическом масштабе практически прямую линию, график которой снижается с ростом частоты.

Заключение

Оценка работы сети на физическом уровне позволяет определить рабочую нагрузку и ее влияние на ресурсы системы.

Литература

1. Семенов А.Б., Стрижаков С.К.,Э Сунчелей И.Р. Структурированные кабельные системы. 5-е издание. - М.: ДМК Пресс, 2004. - 639 с.

2. Артюшенко В.М., Аббасова Т.С. Структурированные кабельные системы. Учебное пособие. М.: МГУС, 2005. - 152 с.

3. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. М. - С.Пб. ПИТЕР, 2003. - 683 с.

УДК 621.38.654

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЛИЯНИЕ МЕЖДУ ОДНОПРОВОДНЫМИ ЛИНИЯМИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ