Исследование характеристик передачи и взаимного влияния симметричных кабелей структурированных кабельных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Суровцева, Ольга Федоровна

• Суровцева, Ольга Федоровна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Суровцева, Ольга Федоровна

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование характеристик передачи и взаимного влияния симметричных кабелей структурированных кабельных систем»

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.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Суровцева, Ольга Федоровна

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Суровцева, Ольга Федоровна, 2007 год

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.