Testowanie okablowania

Bazą dla współczesnych systemów informatycznych są systemy okablowania strukturalnego. Będąc częścią wyposażenia współczesnych budynków, stanowią szkielet sieci lokalnych i telefonicznych. Sieci okablowania strukturalnego opierają się na kablach miedzianych i światłowodowych. Pomimo niewątpliwych zalet światłowodów okablowanie miedziane jest nadal powszechnie stosowane i nic nie zapowiada, że w najbliższej przyszłości odejdzie do lamusa. Standaryzowane na początku lat dziewięćdziesiątych systemy okablowania – gwarantujące możliwość wykorzystania wielu technik transmisyjnych stosowanych w pasmie częstotliwości do 100 MHz – są obecnie na granicy swoich możliwości. Rozwój sieci w kierunku prędkości gigabitowych (Gigabit Ethernet, ATM) sprawił, że dostępne pasmo 100 MHz staje się barierą poważnie utrudniającą wykorzystanie istniejącego okablowania.

Standardy

Prace normalizacyjne organizacji międzynarodowych ISO/IEC, amerykańskich ANSI/TIA/EIA i europejskich CENELEC prowadzą do zmian w istniejących oraz definiowania nowych wymagań dla okablowania obejmującego techniki transmisyjne wykorzystujące pasmo częstotliwości do 250 MHz (klasa E/kategoria 6) i 600 MHz (klasa F/kategoria 7).

Dla okablowania strukturalnego istnieje kilka porównywalnych standardów:

• amerykański EIA/TIA 568A,
• europejski EN 50173,
• oraz międzynarodowy ISO 11801.

Standard ISO 11801 i zgodna z nim norma EN 50173 definiują zestaw siedmiu klas aplikacji i odpowiednich dla nich wymagań na elementy okablowania strukturalnego. Odpowiednikiem klas aplikacji w normach amerykańskich EIA/TIA są kategorie wymienione w nawiasach:

• Klasa A – dla realizacji usług telefonicznych z pasmem częstotliwości do 100 kHz.
• Klasa B – dla głosu i usług terminalowych z pasmem częstotliwości do 1 MHz.
• Klasa C (kategoria 3) – obejmuje typowe techniki sieci lokalnych wykorzystujące pasmo częstotliwości do 16 MHz.
• Klasa D (kategoria 5) – jest przewidziana dla szybkich sieci lokalnych i obejmuje techniki wykorzystujące pasmo częstotliwości do 100 MHz.
• Klasa optyczna – wykorzystująca łącza światłowodowe – umożliwia realizację wszystkich dostępnych technik transmisji danych. Barierą w rozwoju sieci światłowodowych jest względnie wysoki koszt komponentów optoelektronicznych.
• Rozszerzona klasa D (kategoria 5e). Większość instalacji jest zgodna z wymaganiami klasy D zdefiniowanymi w 1995 r. W 1998 r. pojawiła się aktualizacja dokumentu ISO 11801 rozszerzająca listę parametrów wymaganych dla okablowania klasy D. Przy zachowaniu pasma częstotliwości 100 MHz zaostrzono wymagania na niektóre z parametrów i zdefiniowano wymagania dla nowych (PSNEXT, PSACR, ELFEXT, PSELFEXT). Silnym bodźcem do opracowania nowych wymagań są próby wdrożenia techniki Gigabit Ethernet dla tej klasy.
• Klasa E (kategoria 6) – jest najświeższym rozszerzeniem ISO/IEC 11801 i TIA – obejmuje okablowanie, którego parametry są określone do częstotliwości 250 MHz. Stworzeniem nowych wymagań dla tej klasy zainteresowane są wszystkie ciała normujące. Pierwsze wersje specyfikacji pojawiły się w 1999 r., lecz stabilizacja standardu trwała przez kilka lat. Klasa E pozwala na implementację gigabitowego Ethernetu i transmisji ATM 622 Mb/s. Dla tej klasy wykorzystywane jest złącze typu RJ45.
• Klasa F (kategoria 7) – prace nad tym rozwiązaniem zainicjowały kraje europejskie. Pierwowzorem są normy niemieckie. W klasie tej jest możliwa realizacja aplikacji wykorzystujących pasmo do 600 MHz. Różni się ona od poprzednich klas wymogiem stosowania kabli typu STP (każda para w ekranie plus ekran obejmujący cztery pary) łączonych ekranowanymi złączami. Zakończenie prac nad standardem – związane ze zdefiniowaniem wymagań na wszystkie parametry i wyborem typu złącza – jest przewidywane pod koniec 2002 r. Dla tej klasy okablowania jest możliwa realizacja systemów transmisji danych z szybkościami sięgającymi 10 Gb/s.

Czy musimy testować kable?

Komponenty systemu okablowania strukturalnego są obecnie oferowane przez renomowanych dostawców, gwarantujących odpowiednią jakość produktu (weryfikowaną badaniami w certyfikowanych laboratoriach). Autoryzowani wykonawcy okablowania zazwyczaj wykonują pomiary sprawdzające, których efektem jest certyfikat z deklaracją zgodności z obowiązującymi normami (system okablowania jest weryfikowany uniwersalnymi testerami w miejscu instalacji). Instalatorzy z dużą znajomością tematu dokonują uruchomienia i konfiguracji sprzętu (korzystają z dobrej jakości kabli przyłączeniowych i krosujących; poprawnie działająca sieć jest świadectwem dobrze wykonanej pracy).

Ostatecznie instalacja przechodzi pod opiekę administratorów systemu. W trakcie eksploatacji okazuje się, że wraz z upływem czasu i zwiększaniem się liczby urządzeń obserwujemy problemy z prawidłowym działaniem sieci. Nie udaje się uruchomienie kolejnego przyłącza do przełącznika Fast Ethernet. Próba dołączenia kolejnego rutera do korporacyjnego przełącznika ATM kończy się niepowodzeniem ze względu na niestabilną pracę interfejsu. Obserwujemy bardzo dziwne przypadki zawieszania się serwera plików.

Bardzo szybko kojarzymy, że przyczyną problemów jest nieśmiertelny „problem kabelka”, jednak nie pomaga wymiana kabli przyłączeniowych. Po sprawdzeniu omomierzem okazuje się, że nie ma przerw w kablu. Gdzie jest błąd?

Czym i co testować?

Jeszcze do niedawna jedynym celem pomiarów okablowania miedzianego za pomocą różnych rodzajów testerów kablowych było określenie i zlokalizowanie awarii kabla teletransmisyjnego z możliwie dużą dokładnością, początkowo nie gorszą niż kilkanaście metrów na łącznym dystansie do kilkuset metrów. Najprostsze pomiary pary przewodów miedzianych za pomocą miernika rezystancji, choć niekiedy stosowane awaryjnie, nie dają wystarczającej dokładności i ogólnego poglądu na stan łącza miedzianego.

Testery kablowe przeszły bodajże największą transformację w metrologii telekomunikacyjnej: od prostych i uniwersalnych przyrządów pomiarowych do testerów kablowych o cechach oferowanych we współczesnych analizatorach sieciowych nowszej generacji. Nadal co kilka lat powstają kolejne generacje przenośnych mikroprocesorowych urządzeń kablowych – coraz mniejszych i lżejszych, ale wyposażonych w znacznie więcej funkcji pomiarowych. Olbrzymia różnorodność testerów kablowych wynika z dwóch powodów: adaptacji ich funkcji do konkretnych potrzeb testowych sieci (POTS, ISDN, xDSL czy LAN/WAN) i ciągłego wzrostu wymagań odnośnie mierzonych parametrów linii przesyłowych (kategorie, przepływności, przesłuchy, stopień obciążenia linii, inne). Produkcją najrozmaitszych testerów okablowania zajmuje się kilkadziesiąt (jeśli nie kilkaset) przedsiębiorstw na świecie, wśród nich wszystkie wiodące firmy teleinformatyczne.

Interpretacja wskazań raflektometru TDR (Time Domain Reflectometer)

Pomiary z dokładnością poniżej 1 m uzyskuje się reflektometrem kablowym TDR (Time Domain Reflectometer), mierzącym odstęp czasu między impulsem wysłanym a jego echem, czyli odbiciem sygnału od nieciągłości struktury fizycznej kabla. Nieciągłością badanego odcinka kabla może być rozwarcie, zwarcie, przerwa lub rozszczepienie pary, zmiana parametrów przewodów, zagniecenie czy przewężenie średnicy na skutek fizycznych naprężeń przewodów. Obrazy uzyskiwane za pomocą najprostszych reflektometrów analogowych (zastępujących generator impulsów i oscyloskop) umożliwiają na podstawie kształtu odpowiedzi właściwą interpretację zaistniałego błędu oraz dokładną lokalizacją odległości uszkodzenia (rys. po lewej).

Nadal często stosowane jako medium transportowe sieci lokalnych kable telefoniczne, składające się z nieekranowanych, skręconych par przewodów UTP (Unshielded Twisted Pair) i par ekranowanych STP (Shielded Twisted Pair) lub kabli współosiowych (zwanych popularnie koncentrycznymi), wymagają przeprowadzania szeregu specyficznych pomiarów określających ich przydatność do konkretnych aplikacji.

W szczególności w przewodowych sieciach LAN istnieje zapotrzebowanie na złożone i bardziej zaawansowane, najlepiej uniwersalne testery okablowania – działające wyłącznie w technice cyfrowej, lecz z analogową lub cyfrową prezentacją informacji o znacznie większej dokładności – określane jako cyfrowe analizatory kablowe. Służą one do ustalenia zgodności parametrów instalacji kablowych z odpowiednimi normami, także w odniesieniu do wymagań odpowiednich kategorii okablowania 3, 4, 5 i wyższych. W większości są to mikroprocesorowe analizatory uniwersalne, zwykle przenośne, automatycznie wykonujące kompletne sekwencje pomiarowe i prezentujące w postaci cyfrowej lub tekstowej ostateczne wyniki pomiarów. Pomiary te dotyczą głównie następujących parametrów:

• tłumienności i pojemności pary przewodów w ujęciu częstotliwościowym;
• bezwzględnej wielkości odbieranego poziomu sygnału;
• odstępu sygnału od szumu SNR (Signal to Noise Ratio), mierzonego w funkcji częstotliwości;
• występowania przesłuchów, a zwłaszcza przeniku zbliżnego NEXT w telefonicznych kablach wieloparowych;
• poziomu innych zakłóceń zewnętrznych.

Przesłuchy w torach kablowych

Przenik zbliżny NEXT i odległy FEXT

Zasadniczym elementem wprowadzającym zakłócenia w przewodowych (kable miedziane) transmisjach cyfrowych, oprócz interferencji międzysymbolowych (między kolejnymi bitami tego samego sygnału) i echa sygnału (w jednokanałowych torach prowadzących dwukierunkową transmisję), są przesłuchy między torami transmisyjnymi, zwane przenikami. Powstają one w wyniku wzajemnego oddziaływania między dwiema aktywnymi liniami komunikacyjnymi, zwykle położonymi obok siebie w wiązce na dłuższym odcinku trasy przesyłowej. Jako istotne rozróżnia się dwa rodzaje przeników: zbliżny NEXT i zdalny (inaczej odległy) FEXT (rys. po prawej). Szczególnie niebezpieczny jest przenik zbliżny NEXT (Near End Crosstalk), powstający w sytuacji, gdy we wspólnej wiązce nieekranowanych przewodów UTP (Unshielded Twisted Pair) znajdą się skręcone pary wykorzystywane w danym momencie do transmisji w przeciwnych kierunkach.

Takie oddziaływanie zawsze występuje w trakcie transmisji dupleksowej, gdy pokrywają się pasma nadawanych i odbieranych sygnałów. W wyniku sprzężenia elektromagnetycznego między parami tych przewodów część energii sygnału generowanego po stronie lokalnej jednej pary transmisyjnej przenika do innej i w stłumionej postaci oraz z niejednorodnym opóźnieniem powraca torem odbiorczym do urządzenia po tej samej stronie linii komunikacyjnej. Poziom przeniku zbliżnego zależy w dużej mierze od ułożenia par, długości linii, częstotliwości pracy i szerokości przenoszonego pasma, przyjmując najczęściej postać kolorowego szumu gaussowskiego.

Drugim elementem zakłóceń w kablach miedzianych jest przenik zdalny FEXT (Far End Crosstalk). Ten rodzaj przeniku pojawia się wówczas, kiedy dwa sygnały lub więcej (o pokrywającym się widmie) przesyła się w tym samym kierunku, lecz za pomocą różnych par przewodów miedzianych. Na skutek zjawiska indukcji elektromagnetycznej do odbiornika odległego od źródła sygnałów (po drugiej stronie toru transmisyjnego) mogą docierać w tych przypadkach, oprócz sygnału podstawowego, sygnały mające swe źródło w liniach sąsiednich. W obu przypadkach przenik zarówno zbliżny, jak i zdalny zależą od rodzaju kabla i jego tłumienności, jednak ich wpływ na przeniki nie jest jednakowy. Poprawienie parametrów kabla ze względu na przenik zbliżny nie powoduje automatycznie zmniejszenia przeniku zdalnego i odwrotnie.