СКС категории 8 (Cat 8): что скрыто в новом стандарте?

Принятый официально 14 июля 2016 г. кабельный стандарт ANSI/TIA-568-C.2-1 на категорию 8 (Cat8) содержит требования к каналу на основе витой пары длиной до 30 м – традиционный 4-парный кабель оконцован 8-позиционными модульными гнездами RJ-45. Конфигурация отличается от общепринятого 100-метрового канала, описанного стандартом TIA 568-C.2, уменьшенной длиной и меньшим количеством точек соединения – их максимум две, а не четыре. В таких каналах для подключения активного оборудования могут использоваться только межсоединения, на концах задействовано только по одной единице коммутационного оборудования: порт патч-панели или розетки на одном конце и порт патч-панели или розетки на другом.

Эта конфигурация отлично подходит для центров обработки данных, как с топологией «top of rack» (в каждом шкафу устанавливается сетевой коммутатор), так и с топологией «end of row» (крайний шкаф в каждом ряду играет роль распределителя и содержит патч-панели, горизонтальные кабели от которых ведут к панелям, установленным во всех остальных шкафах ряда). Ограничение по количеству точек соединения не имеет для ЦОД практического значения, поскольку в них нет нужды ни в кросс-соединениях (для чего потребовалась бы вторая патч-панель на конце), ни в использовании консолидационной точки (что повлекло бы за собой установку еще одной патч-панели в середине сегмента). На самом деле, для всех конфигураций с тремя или четырьмя коннекторами в канале характерна одна и та же монтажная проблема: участки горизонтальных кабелей с полнотелыми жилами (solid) приходится оконцовывать модульными вилками, что всегда нежелательно.

Когда производители кабельных систем проводят тестирование эталонного канала на соответствие требованиям к характеристикам передачи, они обязаны использовать так называемый «худший случай» – конфигурацию с четырьмя коннекторами в канале, включая консолидационную точку. Но даже при заводских испытаниях правильная организация консолидационной точки может представлять сложность.

Конфигурация канала категории 8 включает в себя два модульных гнезда. Максимальная длина фиксированного горизонтального кабеля – 24 м. Суммарная длина модульных аппаратных шнуров калибра 24 AWG – максимум 6 м.

В канал категории 8 входят два модульных гнезда*, максимальная длина горизонтального кабеля составляет 24 м. (*Спецификации класса I, аналога категории 8 в международном стандарте ISO/IEC, также подразумевают использование 2 модульных гнезд RJ-45, в то время как класс II описывает использование двух экранированных модулей с не-RJ-интерфейсом.) Суммарная длина аппаратных шнуров на обоих концах составляет 6 м, причем длина может быть распределена между ними неравномерно. Минимальная длина аппаратных шнуров не нормируется, хотя численное моделирование «худшего случая» подразумевает использование шнуров длиной не менее 0.5 м.

Изменение требований к конфигурации канала в категории 8 в сравнении с предшествующими категориями вызвано тем, что частотный диапазон расширился вчетверо относительно категории 6А – потолок частот составляет не 500 МГц, а 2000 МГц. Чтобы оборудование могло воспользоваться таким широким диапазоном, к каналу передачи предъявляются гораздо более строгие требования по вносимым потерям, перекрестным наводкам и возвратным потерям. Максимальная толщина проводников для систем на основе витой пары, допускаемая стандартом, соответствует калибру 22 AWG, и это ограничивает возможности улучшить значение вносимых потерь в горизонтальном сегменте. На самом деле, даже калибр 22 AWG создает определенные сложности, поскольку кабель получается довольно жесткий, а его внешний диаметр достигает 9 мм. В таких условиях единственный реальный способ обеспечить хорошие характеристики передачи в канале – уменьшить его длину.

Замеры электрических характеристик (вносимых потерь) для пар кабелей категорий 7 и 8 подтверждают применимость кабелей категории 8 в частотном диапазоне свыше 1000 МГц (1 ГГц).

Кроме вносимых потерь необходимо учитывать и межкабельные наводки – это тоже значимый фактор, особенно для высоких частот. Исследования показали, что межкабельные наводки в неэкранированной витой паре UTP слишком высоки, чтобы можно было реализовать передачу данных по протоколу 40GBase-T. Чтобы добиться приемлемых значений межкабельных наводок, необходимо прибегать к экранированию. Это может быть как общий экран, охватывающий 4 пары (кабель F/UTP), так и индивидуальное экранирование каждой пары плюс общий экран в виде фольги или оплетки (кабели F/FTP и S/FTP соответственно). Ожидается, что в категории 8 будет использоваться в основном индивидуальное экранирование пар. В США это может повлечь за собой некоторые сложности с соблюдением требований к сбалансированности кабеля и его противопожарным характеристикам, поскольку большинство кабелей S/FTP изготавливаются для международного рынка по международным, а не американским критериям (например, тип оболочек LSZH или LS0H, а не принятая в Штатах классификация кабелей как пленумных).

Приложения

Кабельные системы категории 8 призваны поддерживать приложения 40GBase-T в соответствии с недавно опубликованным стандартом IEEE 802.3bq – именно для этого и разрабатывалась категория 8. Не будет большой натяжкой сказать, что это обеспечивает скорость передачи данных в 4 раза выше, чем протокол 10GBase-T, описанный стандартом IEEE 802.3an. Приложения 10GBase-T по факту задействуют полосу пропускания до 400 МГц, а 25% запаса по частоте до 500 МГц необходимы для фильтров защиты от наложения спектров. Для протокола 40GBase-T требуется диапазон частот до 1600 МГц с аналогичным 25-процентным запасом до 2000 МГц, что и указано в спецификациях на кабель Cat 8. Фактически, итоговые требования к каналу передачи – это компромисс между возможностями кабельной среды и параметрами трансиверов на физическом уровне, с учетом применения довольно сложных алгоритмов коррекции ошибок.

Канал категории 8 за счет использования экранирования обеспечивает существенное улучшение значений межкабельных наводок PSANEXT по модели суммарной мощности в сравнении с каналом категории 6A.

Итоговые характеристики кабельной среды определяются вносимыми потерями, возвратными потерями и перекрестными наводками, причем на последние два показателя в основном влияют свойства коннекторных соединений. К счастью, схемотехника на физическом уровне может быть доработана таким образом, чтобы компенсировать перекрестные наводки и возвратные потери – это возможно при условии, что возвратные потери не превышают определенного порогового значения. Поскольку возвратные потери и перекрестные наводки непосредственно зависят от характеристик коннекторных соединений, перед производителями коннекторов и кабелей встала задача доработать конструкции разъемов. Перекрестные наводки в кабеле можно практически устранить за счет индивидуального экранирования пар, но с возвратными потерями все не так просто, и это представляет серьезную проблему в диапазоне высоких частот от 1.25 до 2.00 ГГц. Перекрестные наводки в кабеле «выдадут» себя резкими всплесками значений на отдельных значениях в верхнем диапазоне частот. Задача производителей кабеля в этом случае – сдвинуть подобные участки вправо по шкале и вытеснить выбеги за пределы частотного диапазона, используемого приложением.

Как показала история протокола 10GBase-T, компенсировать межкабельные наводки на физическом уровне не так-то просто. Для приложений 10GBase-T величина наводок со всех соседних кабелей на любую пару-жертву должна вписываться в 60 дБ на частоте 100 МГц. Для приложений 40GBase-T необходимо удержаться в более строгих рамках: 75 дБ на частоте 100 МГц и 65.5 дБ на частоте 2000 МГц. Это существенно более жесткие пределы, и для соответствия им приходится отдавать предпочтение экранированным системам.

На графике вносимых потерь для канала категории 7A хорошо заметны всплески на высоких частотах относительно графика для категории 8. График возвратных потерь для категории 8 демонстрирует значительный запас до предельной кривой.

Перекрестные наводки NEXT на ближнем конце, измеряемые в канале для пар внутри кабеля, на высоких частотах тоже зависят в основном от свойств коннекторного соединения. Требования категории 8 в большой степени построены на результатах математического моделирования поведения коннекторных соединений на высоких частотах. Конструкция и внешние размеры модульной вилки остались прежними, чтобы обеспечить обратную совместимость с предшествующими категориями. Согласованные характеристики вилки и гнезда рассчитывались по методам, разработанным для категории 6A, диапазон частот при этом был расширен в несколько раз. Но моделирования для создания новых компонентов недостаточно. Когда дело доходит до практического изготовления продукции на производстве, обеспечить соответствие новым требованиям очень непросто. К счастью, доработка схемотехники позволяет справиться в том числе с внутренними наводками между парами – их можно свести к приемлемому уровню.

Возвратные потери в канале тоже представляют серьезную проблему. Конструкция коннектора должна обеспечить баланс между компенсацией перекрестных наводок и величиной возвратных потерь. Удержать его нелегко. На высоких частотах гораздо сложнее обеспечить в системе равномерное волновое сопротивление 100 Ом, даже если не принимать во внимание необходимость компенсировать перекрестные наводки между парами. Флуктуации импеданса приходится гасить даже на коротких участках внутри коннекторов. Чтобы удержать параметры в нужных рамках, приходится прибегать к новым методам моделирования, дорабатывать конструкцию коннекторов и кабелей, и эта задача ложится на плечи производителей. Многие доступные на сегодня конструкции кабелей могут демонстрировать резкие пики по возвратным потерям в диапазоне около 1 ГГц (1000 МГц) и выше. При этом некоторые производители продукции для европейского рынка изначально очень неохотно относились к самой идее обеспечивать характеристики кабелей в частотном диапазоне порядка 1.6 ГГц, ведь для этого нужно изменить и конструкцию кабеля, и методы контроля качества на производстве.

Соединение активного оборудования напрямую

Стандарт на категорию 8 имеет интересную особенность – в нем предусмотрено использование канала прямого соединения «direct attach channel». Такая топология обходится без коннекторных соединений внутри канала, на итоговые характеристики влияют только модульные вилки на концах. В прежних конфигурациях концевые вилки шнуров, подключаемые к портам активного оборудования, вообще не считались частью канала. Их параметры в совокупных характеристиках не учитывались, измерения охватывали участки, начиная с кабеля. В лабораторных условиях характеристики действительно можно измерить таким образом – для этого концевые разъемы откусывают, подключая к лабораторному анализатору зачищенные концы проводников. Но в полевых условиях в подавляющем большинстве случаев измерения проводят не для канала, а для постоянной линии. И даже когда на объектах тестируется канал, делается это программным исключением характеристик коннекторных соединений на концах из совокупных результатов: полевые тестеры отсекают часть измерений, ориентируясь по шкале времени.

В канале прямого соединения категории 8 нет коннекторных соединений внутри сегмента. Параметры модульных вилок на концах канала должны учитываться в совокупных характеристиках.

В новых же каналах, соединяющих оборудование напрямую, исключать из рассмотрения характеристики концевых модульных вилок нельзя, особенно если учесть, что часть из них может устанавливаться в полевых условиях. Уже разработаны модульные вилки, предназначенные для полевого монтажа и обеспечивающие характеристики коннекторного соединения категории 6A и категории 8. Для тестирования каналов прямого подключения приходится использовать методы измерений, изначально разработанные для патч-шнуров – в них параметры коннектора фигурируют в совокупном результате. На практике это приводит к тому, что для сертификации на категорию 8 необходимо иметь специальные насадки к полевому тестеру.

Похожие устройства применяются и для лабораторных испытаний. Процедуры позаимствованы из технологий тестирования модульных шнуров (патч-кордов, как их иногда называют), по ним производится измерение перекрестных наводок NEXT и возвратных потерь в каналах прямого соединения. Разница в том, что длина канала прямого соединения составляет максимум 5 м. Кроме того, в отличие от патч-шнуров, к каналам прямого соединения предъявляются дополнительные требования по вносимым потерям, перекрестным наводкам PSNEXT на ближнем конце по модели суммарной мощности, перекрестным наводкам ACR-F и PSACR-F на дальнем конце, а также к задержке распространения и смещению задержки. Прочие показатели, характеризующие сопротивление петли постоянному току, сбалансированность кабеля (LCL, ELTCTL) и межкабельные наводки, для каналов прямого соединения не тестируются, однако они нормируются косвенно, поскольку эти требования предъявляются к кабелю. Каналы прямого соединения могут использовать горизонтальные кабели, как с полнотелыми жилами, так и с многожильными проводниками, и в требованиях уже учтена связанная с этим разница во вносимых потерях в среде кабеля.

Спецификации каналов прямого соединения повлияли на разработку проектов для подобных прямых сегментов в других стандартах. Комитеты, разрабатывающие стандарты для промышленных кабельных систем, давно искали методику, позволяющую включать в результаты измерений канала концевые вилки, которые ставятся в полевых условиях. Такие исследования сейчас ведут рабочие группы TIA, IEC и ISO. Однако в их случае внутри канала будет допускаться наличие дополнительных коннекторных соединений, а это неизбежно усложняет формулирование требований.

Учет потребностей PoE в СКС категории 8

Кабелям витой пары категории 8, использующим проводники большого сечения, характерна способность передавать токи значительно большей величины, чем в других системах, при этом благодаря экранированию такие кабели греются меньше – точнее, они эффективнее отводят тепло. При прочих равных условиях такие кабели можно собирать в пучки большего размера, чем в предшествующих категориях, а для приложений PoE это важное соображение. В таблице показаны максимальные размеры кабельных пучков для трех значений силы тока, рассчитанные согласно «худшему случаю» при температуре окружающей среды 45ºС. Такое значение берется исходя из того, что внутри кабельного пучка температура будет выше, вплоть до максимально допустимых 60ºС, и приращение при этом составит 15 градусов. Подобные условия можно считать предельно приемлемыми с точки зрения эффективности передачи сигналов в кабельной системе.

Максимальные размеры кабельных пучков при передаче питания PoE от 60 до 100 Вт по каждому кабелю.

Обратите внимание: размеры пучков кабелей категории 8 в несколько раз превышают размеры кабельных потоков для категории 6A. Даже в худшем случае для категории Cat8, обеспечивающей передачу 1 А по каждой паре (примерно 100 Вт на кабель), можно увязать в пучок 126 кабелей даже при закрытой трассе. Это вдвое больше, чем может позволить категория 6A. На практике это означает, что кабельные системы категории 8 можно устанавливать для поддержки 100-ваттных приложений PoE++, не заботясь о величине кабельных пучков.

Автор: Стерлинг Ваден, компания Surtec Industries

Перевод: специалисты компании «СвязьКомплект»

Об авторе

Стерлинг Ваден – вице-президент компании Surtec Industries по передовым технологиям (www.surtec.com.tw), занимает пост заместителя председателя подкомитета TR-42.7 в Ассоциации телекоммуникационной промышленности TIA и отвечает за формулирование требований к категории 8 в стандарте ANSI/TIA-568-C.2-1, спецификации ANSI/TIA-1183, ANSI/TIA-1183-1, TIA-1183-A (проект стандарта), TIA TSB-5021 (проект бюллетеня) и TIA-568-2.D (проект стандарта).

Видео

Виды тестирования витой пары: проверка, квалификация и сертификация СКС

Тестирование и сертификация СКС

Как сертифицировать канал СКС на витой паре с помощью тестера WireXpert

Посмотреть:

• Цены на УЗК
• Цены на кабельные тестеры (LAN тестеры)
• Цены на сетевые тестеры
• Цены на тестеры для сертификации СКС
• Цены WiFi анализаторы

7 преимуществ сквозных коннекторов RJ45 нового поколения

Самое полное руководство по выбору кабельного тестера для витой пары!

Бюджетный LAN тестер для витой пары: сравнение 5 популярных моделей!