3.2.1 Медные кабели в сети доступа
Подробные сведения по применению медных кабелей в сети доступа приведены в [8,9,15]. В этом разделе будет уделено внимание как общим вопросам использования медных кабелей в CД так и обращено внимание на ряд специфических особенностей, связанных со структурированными кабельными системами и кабельным телевидением. Разновидности медных кабелей для CД представлены графически на рисунке 3.7.
Рисунок 3.7 Разновидности медных кабелей для сетей доступа
Низкочастотные телефонные кабели выпускаются и применяются на сетях для передачи речевых сообщений и для работы аппаратуры цифровой передачи с низкими скоростями. Кабели имеют различные конструкции изоляции, оболочки, способы скрутки, емкость, диаметр жил. Так городские кабели с медными жилами в свинцовой оболочке, изготавливаемые по ГОСТ 20802-75, отличаются тремя признаками: диаметром токопроводящих жил, количеством пар, типом защитных покровов. Подробные конструкции этих кабелей рассмотрены в [8]. У этих кабелей токопроводящие жилы изготавливаются из медной проволоки диаметром 0.4, 0.5, 0.7, мм. Жилы изолируются сплошным слоем бумажной массы или телефонной бумаги, положенной по спирали с перекрытием. Это воздушно бумажная изоляция
По типу защитных покровов различают четыре типа кабелей:
ТГ - в свинцовой оболочке для прокладки в кабельной канализации, по стенам зданий, для подвески;
ТБ – в свинцовой оболочке, с плоской стальной броней и защитным наружным слоем для прокладки в грунт;
ТБГ – в свинцовой оболочке, с плоской стальной броней, с противокоррозионной защитой для прокладки в помещениях, в коллекторах и тоннелях;
ТК – в свинцовой оболочке, с броней из круглых стальных, оцинкованных проволок с защитным наружным покрытием для прокладки под водой, в грунтах, для вертикальной прокладки. Число пар в кабелях может колебаться от 10 до 1600. Изолированные жилы скручиваются в пары с шагом не более 250 мм. При группировании пар используются повивная и пучковая скрутка. Кабели нуждаются в содержании под избыточным воздушным давлением.
Телефонные кабели с полиэтиленовой изоляцией жил в пластиковой оболочке до 1.07.2000г. изготовлялись по ГОСТ 22498-77 и предназначались для распределительных и магистральных линий ГТС при эксплуатационных температурах от –50 о до +60о C. Это были кабели типа ТПП – в полиэтиленовой облочке для прокладки в телефонной канализации, по стенам зданий и для подвески и их разновидности (ТППБ – бронированные плоскими лентами, ТППБбШп – защитный наружный шланг, ТППт - со встроенным тросом для подвески и т.д.).
Токопроводящие жилы этих кабелей изготавливались из медной проволоки диаметром 0.32; 0.4; 0.5 и 0.7мм и изолировались сплошным полиэтиленом. Изолированные жилы скручивались шагом не более 100мм. в виде пар и четверок. Изолированные пары и четверки скручивались в сердечник с повивами или в пучки. Кабели предусматривали алюминиевый экран.
Для повышения надежности кабелей и эффективности борьбы с проникновением влаги под оболочку были разработаны герметизированные кабели с гидрофобным заполнителем типа:
ТПЭПЗ – телефонный, с полиэтиленовой изоляцией, экраном из алюминиевой фольги, гидрофобным заполнителем, в полиэтиленовой оболочке;
ТППЗПБ – аналогичный, но бронированный ленточным слоем и в полиэтиленовым шланге и т.д.
При этом определяющими характеристиками являются:
-километрическое затухание ([дБ/км]) при различных температурах;
-переходное затухание на ближний и дальний конец (А0[дБ]; Аl[дБ]);
-величина переходных и внешних помех;
-волновое сопротивление (|Zв| Ом);
-сопротивление шлейфа R0 [Ом/км].
В таблице 3.1 приведены характеристики кабелей типа Т и ТПП при температуре t=20оC.
Таблица 3.1 Характеристики кабелей Т, ТПП
Частота, кГц. |
Тип
Т с парной скруткой. |
Тип
ТПП с пучковой скруткой. |
||
Изоляция
воздушно-бумажная; 0.5 мм, R0 = 168 Ом/км. |
Изоляция
полиэтиленовая; 0.5 мм, R0 = 180 Ом/км. |
|||
|Zв|, Ом. |
,дБ/км. |
|Zв|, Ом. |
,
дБ/км. |
|
0.8 3.0 10.0 20.0 50.0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1200 1500 2000 |
972 480 263 191 143 130 124 122.5 122.5 122 121.5 121 121 121 121 120.5 120.5 120.2 |
1.2 2.14 3.61 4.61 5.66 6.79 8.61 10.44 12.18 13.66 15.01 16.36 17.4 18.44 19.56 21.58 24.01 28.1 |
892.5 461 255 185.5 135.3 121.8 116.0 114.3 113.0 112.4 111.8 111.1 110.5 110.5 109.9 109 108.5 107.2 |
1.22 2.37 3.95 5.08 6.36 7.14 8.36 9.97 11.3 12.6 13.72 14.69 15.64 16.7 17.38 19.2 21.08 23.85 |
Переходное затухание на ближний конец между парами имеет наименьшее значение в малопарных кабелях (10x2x0.4). В кабелях большой емкости эти влияния существенно меньше из-за взаимного экранирования.
В таблице 3.2 приведены примеры переходных затуханий на ближний конец для ТПП 10x2x0.4 длиной 285 м на частоте 2048 кГц.
Таблица 3.2 Характеристики затухания на ближний конец кабеля ТПП 10x2x0.4 (единицы измерения, дБ)
Влияющая
пара |
Пара,
подверженная влиянию |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
- 48 43 43 47 47 54 50 45 47 |
47 - 53 49 47 51 57 53 46 47 |
44 54 - 50 42 52 47 45 55 44 |
42 49 49 - 42 42 42 46 55 48 |
47 48 41 41 - 57 57 49 44 45 |
49 51 49 43 58 - 58 46 53 55 |
55 54 47 41 56 59 - 56 44 44 |
48 56 47 47 53 45 47 - 54 48 |
44 46 56 54 43 51 47 56 - 38 |
45 47 46 50 45 54 42 48 39 - |
Учет температурной зависимости затухания кабеля должен производится через соотношение:
,
где 0-километрическое
затухание кабеля при температуре 20оC, -коэффициент
(для медных проводов ~ 0.04), t- текущая температура.
Последние усовершенствования медных кабелей базируются на новых стандартах России ГОСТ Р 51311-99. Это кабели марки ТПП в различных модификациях (ТППэп, ТППэп3, ТППэп Б и т.д.) [8]. Диаметры жил кабеля 0,32; 0,4; 0,5; 0,64; 0,7. Шаг скрутки пар от 100 до 500-600 мм. В кабелях предусмотрена заливка гидрофобным заполнителем.
Для внутридомовой проводки в случае реализации цифровых услуг ISDN(2В+D, 30В+D) требуется замена кабеля ТРП на кабель с хорошим значением переходных помех. Такими кабелями являются ТПВ АД – телефонный, полиэтиленовой изоляции жил, поливинилхлоридная оболочка сетей абонентского доступа.
Примеры этих кабелей приведены в таблице 3.3.
Таблица 3.3 Кабели типа ТПВАД
Марка
Кабеля |
Области
применения |
ТПВ ФД 1x2x0.5 1x2x0.5 1x2x0.5 1x2x0.5 |
Кабели
с цилиндрическим сердечником для передачи сигналов до 200 КГц
внутризданий |
| ТПВЭ АД 2(1x2x0.5) 2(2x2x0.5) 2(4x2x0.5) |
Кабели
с двумя параллельно уложенными экранированными группами для
передачи сигналов до частот 2048 КГц внутри зданий |
Область применения кабелей – сеть абонентского доступа:
-неэкранированные до 200 кГц
-экранированные до 200 кГц;
-экранированные до 2048 кГц.
Конструкции этих кабелей обеспечивают переходные затухания между цепями на ближнем конце в строительной длине на частотах 0,1; 100; 200; кГц – 90, 80, 70 дБ соответственно.
Проблемы низкочастотных медных кабелей для развития сетей доступа создают трудности по развертыванию широкополосных цифровых услуг. В чем заключаются эти проблемы?
Абонентские линии, как правило, неоднородны. Пары кабелей, подключаемые в распределительном шкафу и распределительных коробках к плинтам оконечных устройств, могут иметь различный диаметр жил, т.е. различные волновые сопротивления. Вдоль линии обычно располагается несколько соединительных и разветвительных муфт. Увлажненные и загрязненные плинты в распределительных шкафах, неупорядоченные кроссировки между ними приводят к увеличению проводимости между цепями на постоянном и переменном токах, что приводит к возрастанию взаимных влияний. Кроме того, контакты нестабильны на сростках жил в муфтах, окисляются, особенно при попадании влаги в кабель. Возникающая асимметрия зависит и от температуры.
Указанные факторы подробно рассмотрены в [8].
Интенсивное внедрение на абонентских медных линиях цифровой передачи, в частности по технологии xDSL, потребовало изменения взглядов на линии связи. Традиционные кабели ТПП (ГОСТ Р 51311-99) уже не удовлетворяют современным требованиям по скорости передачи, т.к. не обеспечивают полосу частот до 100, 250, и даже 600 МГц. Поэтому в соответствии с международными стандартами:
-американским TIA/EIA 568;
-международным ISO/IEC 11801;
-европейским EN 50173
в России начат выпуск кабельной продукции структурированных кабельных систем (СКС). Кабели представляют собой специальные конструкции витых пар, обеспечивающих широкополосную передачу. Кабели определены по категориям и классам приложений (Таблица 3.4) [15,60].
Таблица 3.4 Категории кабелей СКС и приложения
Тип линии, максимальная частота сигнала. |
Класс
линии и приложения |
|||
ISO/IEC 11801 |
ISO/IEC 11801 |
EN
50173 |
TIA/EIA 568 |
|
Телефонные каналы и низкочастотный обмен данными (до 100 кГц). |
A |
- |
- |
- |
Средняя
скорость (до 1 МГц). |
B |
- |
- |
- |
Высокая
скорость (до 16 МГц). |
C |
3.4 |
3 |
3.4 |
Очень высокая скорость (до 100 МГц). |
D |
5.5е (6и7) |
5 (6и7) |
5 (6и7) |
Что представляет собой кабели СКС и продукция для соединения?
СКС (SCS-Structured Cabling System) – представляет собой универсальную кабельную проводку для локальных сетей, проектируемую и устанавливаемую без привязки к конкретным приложениям, т.е. к сетям компьютерным, телефонным, и другим.
Центральным элементом СКС выступает кабель с витыми медными и биметаллическими парами. При формировании кабеля медные пары дополнительно скручиваются между собой и получившейся свиток помещают в изоляционную оболочку с экраном или без экрана. Кроме кабеля в СКС входят розетки для подключения пользовательских устройств, кроссовое и распределительное оборудование. Пример общей архитектуры СКС на основе стандарта EN 50173 приведен на рисунке 3.8.
Как видно из рисунка зона медной кабельной проводки ограничена по протяженности. Чем обусловлено это ограничение? Прежде всего, затуханием пары кабеля и взаимными влияниями между парами одного кабеля.
Рисунок 3.8 Структура общей кабельной сети по стандарту EN 50173
Ниже рассмотрены примеры конструкций и характеристики кабелей СКС с экранированными витыми парами. Кабели обозначаются:
- UTR, Unshielded Twisted Pair, неэкранированная витая пара.
- STR, Shielded Twisted Pair, экранированная витая пара.
Рисунок 3.9 Конструкция экранированного кабеля S – STP 600/900/1000/1200 (категория 7)
На рисунке 3.9 представлена типичная конструкция экранированного симметричного кабеля с экранированными витыми парами.
На рисунке 3.10 представлена типичная конструкция неэкранированного симметричного кабеля.
Рисунок 3.10 Конструкция неэкранированного кабеля UTP 300 (категории 5)
Характерные отличительные признаки рассматриваемых конструкций:
S-STP 600/900/1000/1200
рабочий диапазон до 1200 МГц; каждая пара экранируется фольгой; сопротивление шлейфа 130 Ом/км; асимметрия шлейфа 3%; сопротивление изоляции > 5000 МОм*км; волновое сопротивление при 1-100 МГц 100 Ом; погонная емкость 43 пФ/км и т.д. [67].
UTP 300рабочий диапазон до 300 МГц; сопротивление шлейфа 185 Ом/км; асимметрия шлейфа 3%; сопротивление изоляции 5000 МОм?км; ; волновое сопротивление при 1-100 МГц 100 Ом; погонная емкость 45 пФ/км и т.д. [67].
Важнейшими характеристиками кабеля СКС являются величины затухания и переходных потерь на ближнем конце (обозначаются в литературе NEXT, Near End Cross Talk), примеры которых приведены на рисунках 3.11 и 3.12.
Кроме характеристики NEXT иногда применяют характеристику переходных помех на дальний конец линии, обозначаемую FEXT, Far End Cross Talk Loss.
Рисунок 3.12 Примеры характеристик затухания и переходных влияний для кабеля UTP 300
В настоящее время (2003/2004 годы) налажен выпуск кабелей СКС емкостью до 100 витых пар. Такие кабели могут быть использованы на протяженных линиях для организации связи по технологиям xDSL в диапазоне частот до 2 МГц.
На рисунках 3.13 и 3.14 приведены примеры характеристик затухания a0 и взаимных влияний для кабелей категорий 3, 5, 5е производства ЭЛИКС – кабель (Москва) для сетей доступа [15].
Рисунок 3.13 Максимальные затухания для кабелей компании ЭЛИКС – кабель
Рисунок 3.14 Средние значения А0 для кабелей ТПП и СКС
Как видно из рисунков кабели СКС имеют существенно лучшие показатели защиты от помех чем телефонные. Они могут быть использованы на 100% для передачи по технологиям xDSL.
Известно, что для построения сетей доступа могут быть использованы существующие сети кабельного телевидения и перспективные интерактивные сети кабельного телевидения. Структуры и стандарты КТВ существуют и развиваются независимо от других сетей, т.к. имеется свой спектр услуг с телевизионным вещанием в основе. Физической средой для передачи сигналов в КТВ чаще всего является коаксиальные кабели различных марок. Для стандартизации в этой области телекоммуникаций в 1995-1996 годах Европейским комитетом по стандартизации в электротехнике (CENELEC) выпущен стандарт EN 50117-коаксиальные кабели, используемые в кабельных распределительных сетях. Он заложил основу нормативной документации на коаксиальные кабели для широкополосных мультимедийных сетей [12,13,14].
Прежде всего стандарт устанавливает ряд диаметров по изоляции для распределительных и магистральных кабелей: 6,9; 8,8; 13.5; 19.4; 23; 29 мм. В нем определена рабочая область частот 5-862МГц, считавшаяся базовой в Европе до 1996 г.
В настоящее время (2003/2004 гг) стандарты коаксиальных кабелей для перспективных сетей находятся в обсуждении. Предполагается, что международная электротехническая комиссия (МЭКIEC) примет единый стандарт коаксиальных кабелей под индексом IEC 61196. Однако уже производятся коаксиальные кабели, отвечающие стандарту EN 50117, но рассчитанные на диапазон частот 5-2500 МГц [14]. Эти кабели отличаются рекордно низкими потерями энергии благодаря применению вспененного полиэтилена для изоляции центрального проводника от трубки. В таблице 3.5 приведены некоторые характеристики новых коаксиальных кабелей для мультимедийных сетей. На рисунке 3.15 приведены характеристики a0.
Таблица 3.5 Характеристики коаксиальных кабелей CAVEL
Элементы
конструкции. |
Назначение. |
||||
Для внутридомовой
прокладки |
Между домами |
||||
1 |
2 |
3 |
без троса(т). |
с тросом(т). |
|
Проводник внутренний, диаметр,
мм. |
Медь 1,0 |
Медь 1,13 |
Медь 1,63 |
2,2 |
2,2 |
Внешний диаметр, мм. |
5.25 |
5.29 |
7.85 |
10.05 |
- |
Диаметр защитной оболочки,
мм. |
6,6 |
6,6 |
10,1 |
12.7 |
12,7x18,5 |
Максимальный радиус изгиба,
мм (однократ./многократ). |
35/70 |
35/70 |
100 |
150 |
150 |
Сопротивление внутреннего проводника, Ом/км. |
22.5 |
18 |
8,7 |
5 |
5 |
Сопротивление внешнего проводника, Ом/км |
29 |
25 |
9 |
8,5 |
8.5 |
Испытательное напряжение,
кВ. |
3.0 |
2,5 |
8 |
8 |
8 |
Рисунок 3.15 Характеристики затухания коаксиальных кабелей CAVEL
Если сравнить характеристики затухания кабелей СКС и коаксиальных, то нетрудно увидеть, что коаксиальные имеют существенно меньшее погонное затухание, но при этом они проигрывают в цене. Коаксиальные кабели хорошо защищены от взаимных и внешних помех. Их коэффициент экранирования превышает 75 дБ в полосе частот 30-1000 МГц. Для сравнения характеристик российских и зарубежных кабелей приведена таблица 3.6 [13].
Таблица 3.6 Сравнительные характеристики коаксиальных кабелей
Тип кабеля |
РК75-4-11 |
RG-6 |
Примечание |
Затухание на
100 м |
|||
100 МГц |
10дБ |
6,9 дБ |
В ДМВ диапазоне |
1000 МГц |
40дБ |
21дБ |
по потери у РК75 в 2 раза
больше!!! |
Материал центрального проводника |
Медь |
Медь или луженая медь |
|
Диаметр центрального проводника |
0,72 мм |
1,00 мм или 1,02 мм |
Тоньше жила – больше потерь |
Диэлектрик |
Полиэтилен |
Вспененный полиэтилен с инжекцией газа |
Сплошной полиэтилен не
позволяет сделать толще центральную жилу |
Диаметр диэлектрика |
4.6 мм |
4,57 мм |
|
Внешний проводник |
|||
Фольга |
нет |
Фольга – полиэстер – фольга |
Отсутствие экрана из фольги резко снижает экранировку!!! |
Оплетка |
Медь |
Луженая медь или алюминий |
|
Покрытие |
40…60% |
40-70% |
|
Коэффициент экранирования |
50…60 дБ |
85…90 дБ |
Вот вам и фольга! |
Оболочка |
Полиэтилен |
полиэтилен или поливинилхлорид |
|
Наружный диаметр |
7.3 мм |
6.9 мм |
|