Витая пара и «С чем её едят?»

Кабельная линия основа любого СКС, выбор кабеля основывается на следующих исходных требований:

1. Скорость передачи данных. Как правило скорость современных кабельных линий 1Гбит/сек, иногда при недостаточном финансировании строят сети 100 Мбит/сек, что категорически не рекомендуется;
2. Длина трассы, или максимальное расстояние между портом на активном оборудовании и оконечным устройством. Как правило не более 90 метров, чем больше расстояние, тем выше требования к качеству кабеля и условиям прокладки.
3. Необходимость защиты от различных природных условий (дождь, ультрафиолет), помеховым воздействиям от электромагнитных излучений, устойчивость к грызунам и т.д.

На какие параметры витой пары следует обратить внимание для удовлетворения исходных требований? Вот основные параметры:

1. Категория кабеля;
2. Типы витой пары;
3. Материал жил;
4. Материал оболочки;

Категория кабеля.

Категории неэкранированной витой пары описываются в стандарте EIA/TIA 568 (Американский стандарт проводки в коммерческих зданиях) и в международном стандарте ISO 11801, а также приняты ГОСТ Р 53246-2008 и ГОСТ Р 53245-2008, достаточно подробно расписано здесь. С учетом того, что категории с 1 по 4 безнадежно устарели и в данный момент не используются, а категории 7 и 8 плохая альтернатива оптическому кабелю, рассмотрим 5 и 6 категории которые широко используются для организации СКС.

Категория	Полоса частот, МГц	Примечания
5	100	4-парный кабель, используется при построении локальных сетей 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T и для прокладки телефонных линий, поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4 пар.
5e	125	4-парный кабель, усовершенствованная категория 5 (уточненные/улучшенные спецификации). Скорость передач данных до 100 Мбит/с при использовании 2 пар и до 1000 Мбит/с при использовании 4 пар. Кабель категории 5e является самым распространённым и используется для построения компьютерных сетей. Иногда встречается двухпарный кабель категории 5e. Преимущества данного кабеля в более низкой себестоимости и меньшей толщине.
6	250	неэкранированный кабель (UTP) состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 10 Гбит/с на расстояние до 55 м. Добавлен в стандарт в июне 2002 года.
6A	500	состоит из 4 пар проводников и способен передавать данные на скорости до 10 Гбит/с на расстояние до 100 метров. Добавлен в стандарт в феврале 2008 года, ISO/IEC 11801:2002 поправка 2. Кабель этой категории имеет либо общий экран (F/UTP), либо экраны вокруг каждой пары (U/FTP).

Каждая отдельно взятая витая пара, входящая в состав кабеля, предназначенного для передачи данных, должна иметь волновое сопротивление 100±15 Ом, в противном случае форма электрического сигнала будет искажена и передача данных станет невозможной. Причиной проблем с передачей данных может быть не только некачественный кабель, но также наличие «скруток» в кабеле и использование розеток более низкой категории, чем кабель.

Типы витой пары

При пролегании витой пары вблизи линий электропитания, мощных источников электромагнитного излучения, или аппаратуры создающей сильные электромагнитные помехи, такие факторы как качество изоляции и экранирование кабеля, приобретают дополнительное значение. Как правило, для предотвращения наводок, и потерь сигнала, сетевой кабель прокладывают не ближе 15 см от бытовой электропроводки, однако для каждого конкретного случая расстояние определяется отдельно. Выделяют следующие разновидности кабеля:

• UTP – кабель в простой оболочке, без брони или защитного экрана (неэкранированная витая пара). Обычно прокладывается внутри помещений.
• FTP – экранированная витая пара (экран из фольги).
• STP – здесь в защитный экран помещена каждая пара проводов и между двумя оболочками проложена броня из проволочной сетки.
• S/FTP он же SSTP – кабель с двойным экранированием. Первый оплетает каждую пару по отдельности, второй – охватывает весь пучок.
• U/STP – аналог STP, но без внешней брони.
• SFTP – эта экранированная витая пара имеет наиболее толстый кабель из всех. Имеет три экрана: внутренний, охватывающий парные жилы и два внешних. Один из фольги, другой из проволочной сетки.

Материал жил.

Как правило токопроводящие жилы кабеля изготавливают из меди, однако для удешевления применяют также алюминий покрытый медью. Эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды называется поверхностным эффектом или скин-эффектом. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое. Толщина токопроводящего слоя рассчитывается по форме:

Где  — удельное сопротивление (Ом*метр),  — скорость света (метр/сек),  — относительная магнитная проницаемость (близка к единице для меди, серебра, и т. п.), f — частота переменного тока (Герц).

Для примера переменный ток с частотой 100МГц течет в поверхностном слое алюминия толщиной 0,0083 миллиметра, для 500МГц толщина токопроводящего слоя составляет 0,0037 миллиметра.

Расположение меди в наружном слое, а алюминия внутри проводника, а не наоборот, крайне важно. С одной стороны, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода, в целом, с другой — медь защищает расположенную под ней металл от коррозии. Алюминий весьма активно окисляется и покрывается тонкой оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает большое переходное сопротивление в местах контакта алюминиевых проводов и делает невозможной пайку алюминия обычными методами.

Из плюсов проводников из омедненного алюминия стоит отметить низкую стоимость и вес. Что касается минусов то их значительно больше:

• Хрупкий, проводник ломается при небольших радиусах изгиба;
• Непредсказуемое изменение характеристик при последующей перекладке кабеля;
• Меньшая длина рабочих сегментов по сравнению с медными проводниками;
• Плохая совместимость с PoE (Power over Ethernet) который обеспечивает электропитание абонентских устройств, для чего требуется очень низкое сопротивление по постоянному току. В случае биметаллической жилы постоянный ток будет протекать по центральной алюминиевой жиле. Алюминий имеет гораздо большее сопротивление, чем медь, что повлечет за собой омические потери и нагрев кабеля.

Несмотря на то, что у кабелей с омедненной жилой существует много противников, дешевизна подстегивает исследования и разработку различных видов проводников:

1. CCS (Copper Clad Steel  — омедненный стальной проводник)

Самый простой и самый дешевый вариант. Широко доступен и широко используется в дешевых коаксиальных кабелях. Витая пара со стальной жилой, плакированная медью (ССS) достаточно редкое предложение, но, тем не менее, присутствует на рынке. По некоторым данным такие кабели более-менее стабильно  работают на дистанциях до 30 метров, поддерживают только 10 Мбит/сек.

2. CCA (Сopper Сlad Aluminum – омедненный алюминиевый проводник) 

Китайская промышленность выпускает несколько видов проволоки — с разным содержанием меди: ССА-10 (10% меди) и ССА-15 (15%), а также ССА-32 (32%). Заявленное удельное сопротивление ССА-10 равно 0,02743 Ом*мм2/м. В витых парах обычно используют ССА-10 и ССА-15. «Рабочая дистанция» у таких кабелей  –  80–120 метров.

3. CCAG (Copper Clad Aluminum and Silver) – алюминий плакированный медью, с добавлением серебра).  

То же, что и CCA, но для улучшения рабочих характеристик добавлено серебро.

4. CCAM (Copper Clad Aluminum & Magnesium Alloy) — омедненный алюминиево-магниевый сплав)

То же, что и ССА, но вместо алюминия применяется алюминиево-магниевый сплав. По утверждению разработчиков данных конструкций, качественная плакировка с добавлением в материал серебра или магния позволяет добиться более качественного омеднения и более высоких характеристик по сравнению с CCA. Заявленное удельное сопротивление 0,02676 Ом*мм2/м. Заявленная «рабочая дистанция»  – 150 — 200 метров на скорости 100 мбит/сек.

5. ССС (Copper Clad Copper – омедненная медь)

Словосочетание «омедненная медь» (англ. Copper Clad Copper) означает жилу, в которой середина выполнена из медного лома или сплава 62% меди и 38% цинка, а верхний слой – из качественной электротехнической меди.  Заявленная «рабочая дистанция» – около 180 — 220 метров. 

При производстве кабелей связи может быть использована медь разного качества. Условно можно выделить три класса:

Класс меди	Содержание кислорода в меди	Удельное сопротивление (Ом*мм2/м)	Степень чистоты, %
A	безкислородная (oxygen-free-copper)	0.0165 — 0.0168	99,995
B	низкокислородная (oxygen-low-copper)	0.0165 — 0.0168	98-99
C (second hand)	неизвестно	0.0190 — 0.2500	неизвестна

В соответствии с международным стандартом (IACS), величина удельного сопротивления меди используемой для электрических проводников должна составлять 0.017241 Ом*мм2/м при температуре 20° C. Чем выше сопротивление, тем, естественно, хуже проводник.

6. BC (Bare Copper) – чистая медь

По заявлению производителей ВС — это 99,9% медь (без содержания кислорода). Сопротивление проводника сечением 0,5 мм заявляется около 90 Ом /км . Рабочая дистанция – более 300 метров. 

Материал оболочки.

Разные материалы применяют для оболочки витых пар, существует следующие обшивки витой пары и их маркировка:

• Полипропилен (РР). Применяется при прокладке сооружений снаружи. Отличается стойкостью к высокому температурному режиму.
• Пластикаты поливинилхлоридные (PVC или ПВХ), имеющие хорошие электрические характеристики используются при внутренней прокладке, это самая распространённая оболочка.
• Полиэтилен (РЕ). Применяется при внешних работах по укладке и монтаже витой пары, не боится непогоды и перепадов температуры, часто снабжён тросиком для натягивания между опорами.
• Low Smoke Zero Halogen (LSZH, иногда обозначается LS0H). Оболочка из мало дымного безгалогенного компаунда хороша тем, что не горит и не выделяет токсичных веществ. Применяется в местах, где есть вероятность причинения вреда людям от токсичного газа. 
• Огнестойкая (FR). Устойчива к открытому огню и на сегодняшний день стандартами определено время от получаса до трёх часов, в течение которого обшивка может функционировать.
• Low Smoke (LS). Отличается малым выделением дыма в процессе горения.
• Бронь (В). В качестве брони используется полоска из стали, которой переплетают снаружи витую пару.

Заключение.

Наиболее популярным материалом является ПВХ. Он практически по всем параметрам, в том числе и противопожарным, подходит для помещений, но не годится для наружного использования. Это объясняется тем, что ПВХ, усиленный пластификаторами и разными химическими добавками, переносит перепад температур, изгибы и растяжения, но является влагопроницаемым и неустойчивым к УФ материалом. Для наружной прокладки в основном используется полиэтилен. Этот материал устойчив к температурным перепадам и ультрафиолетовому излучению, влагонепроницаем.

Для воздушной прокладки, обратите внимание на наличие дополнительного несущего элемента (троса или проволоки). Он примет на себя все нагрузки, и не позволит кабелю оборваться.

При прокладке домашней, или небольшой офисной сети нужно учесть следующие требования:

•  Витую пару необходимо прокладывать на расстоянии не менее 15 см от бытовой электропроводки, при этом необходимо минимизировать количество и протяженность участков с параллельным расположением силовых и информационных линий. Для этажных и межэтажных магистральных линий с высокой концентрацией информационных кабелей идеальным вариантом будет прокладка кабелей электросети и витой пары вдоль противоположных стен Только в этом случае можно дать максимальную, но не 100% гарантию, что UTP кабель будет полностью защищен от внешнего ЭМИ.
•  Пересечение проводов электросети, и витой пары должно быть строго перпендикулярным.
•  Если вышеозначенные требования невыполнимы, по каким-либо причинам, для снижения воздействия необходимо использовать экранированный кабель. При этом кабель должен быть заземлен с двух сторон, иначе вместо защиты жил витой пары от ЭМИ, экран станет антенной для помех.

Как выбрать качественную витую пару

С параметрами и условиями внешней среды все ясно. А как же выбрать и купить витую пару, которая подойдет к конкретным условиям прокладки, и что при этом она будет нужного качества?

•  Прежде всего, убедитесь, что перед вами сертифицированный кабель. Хоть он и несколько дороже кустарных аналогов, прослужит в разы дольше. А заодно вы будете уверены, что приобретете именно то, за что платите, ведь безымянные производители экономят на всем, нарушая стандарты толщины проводника и изоляции, требования к качеству компонентов;
•  Обратите внимание на материал жил, отличить медь от плакированного кабеля можно соскоблив верхний слой жилы. Также можно нагреть кончик жилы в пламени зажигалки, при этом омедненный алюминий сильно изгибается в месте нагрева, медный кабель деформируется значительно меньше.
• Оцените кабель визуально и на ощупь. Изоляция должна быть однородной, гладкой, без всевозможных шершавостей и уплотнений, с однородной окраской.
•  Проверьте толщину жилы. Для этого понадобится микрометр. Толщина жил кабеля указывается в маркировке кабеля в виде AWG XX. AWG (от англ. American Wire Gauge) — американская система маркирования толщины проводов, а значение ХХ и будет определять толщину жилы. У кабеля калибра AWG24 толщина проводника 0,511мм, у AWG25 – 0,455мм.

Результат выбора некачественного или нестандартного кабеля только один: пропадание сигнала, и, как следствие, нестабильная работа сети. Если жилы тоньше стандартных, то контакт в модуле (сетевой разъем) может полностью отсутствовать. Некачественная изоляция может потрескаться и/или рассыпаться, и, если кабель проложен снаружи здания, то под изоляцию будет попадать вода, которая рано или поздно может оказаться в сетевом оборудовании. Если кабель проложен в помещении, то разрушение изоляции сделает кабель более уязвимым к механическим повреждениям. Некачественное омеднение снижает токопроводящие свойства жил.

Особенности и специфика выбора кабеля для решения разных задач

Основные требования, которые ставит проектировщик СКС, сводятся к стабильной работе сети, минимизации потерь, и максимальному строку службы сети. Задачи, решение которых требует выполнения вышеозначенных требований, различны. Для наиболее типичных проектов небольших офисных или домашних сетей, при соблюдении правил прокладки, достаточно будет купить витую пару UTP кабель как при прокладке к роутеру, так и от роутера к компьютеру. Для более крупных офисных сетей так же предпочтительнее использовать UTP, поскольку при использовании экранированного кабеля возникают дополнительные трудности с заземлением экрана: согласно стандартам ANSI/TIA/EIA-568-A и международного стандарта ISO/IEC 11801 экран должен быть заземлен с обоих концов на шине телекоммуникационной системы заземления. Именно в связи с трудностями заземления, FTP рекомендуется использовать при прокладке межсерверных, внутрикластерных линий в пределах общего контура информационной «земли», либо в пределах разных контуров, но с выполнением всех требований к контурам заземления информационных цепей.