За последнее время в России появилось множество гибридных волоконно-коаксиальных сетей (HFC). Эти сети обладают огромной широкополосностью: полоса пропускания доходит до 1500 МГц, а в распределительном сегменте достигает 2500 МГц. Современные гибридные сети отличаются тщательным проектирование магистральной части, но недостаточной проработкой внутридомовой разводки. Эти и понятно: строящие сети компании уделяют повышенное внимание магистрали, а разводку делают, как правило, уже операторы сетей.
Относительно новой тенденцией в развитии этого направления является гибридная сеть с пассивным коаксиальным сегментом. По таким коаксиальным сетям распределяются сигналы телефона, телевидения и Internet. Любопытная метаморфоза произошла в последнее время с одним из основных приложений до гибридных сетей. Вначале подобные сети сплошь ориентировались на развитие местной телефонии, но глобальное наступление мобильной связи в корне подорвало это направление, имевшее целью «второй телефон» в семье.
В данном разделе рассматривается домовая коаксиальная разводка, с акцентом на распределение трафика Internet. Заметим, что число пользователей «кабельного Internet» в США и Канаде составляет 25% от общего числа подключенных к сети. Это говорит о хорошо развитой инфраструктуре кабельных сетей, которые уже давно служат не только для трансляции телевидения. Выделение ТВ-каналов на подобной сети не обсуждается, так как этой проблеме посвящены специализированные издания по кабельному телевидению.
Переход на топологию «звезды». Техника информационной проводки в жилых домах претерпевает в настоящее время коренные изменения. Если недавно наиболее распространенной топологией была «шина», то теперь на первый план постепенно выходит «звезда». Еще лет 10—15 назад только телефоны подключались отдельными парами проводов, а телевизоры и компьютеры присоединялись по «шинной» топологии. В последние годы и телевизоры, и тем более компьютеры все чаще и чаще включают по «звездообразной» схеме, когда оконечные устройства подсоединяются отдельными кабелями. Сначала на эту топологию перешли компьютерные сети, а теперь переходят и телевизионные. В статье автора «Мультимедийные кабельные системы» (см. майский номер «Журнал сетевых решений/LAN» за 2003 г.) изложено промежуточное решение, когда компьютеры подключены по схеме «звезда», а телевизоры присоединяются к общей «шине». Рисунок 1. Коаксиальная сеть в многоквартирном доме.
На Рисунке 1 показана коаксиальная домовая система распределения, построенная по схеме «куста» («иерархической звезды»), где от усилителя + разветвителя кабели «ветками» («лучами») расходятся по квартирам. В каждой квартире устанавливается разветвитель, от которого новые «ветки» (новые «лучи») в свою очередь протягиваются к розеткам (второй уровень). При необходимости распределить информацию внутри отдельного помещения устанавливают дополнительные разветвители (это будет уже третий уровень).
С переходом на топологию «звезды» потребление медных кабелей для домовой проводки значительно увеличилось. По времени это совпало с уменьшением потребности в подобных кабелях для внешних сетей, так как там они заменяются на оптические. Возможно, что именно последнее обстоятельство и привело к распространению «звездообразной» схемы в домовых информационных сетях. Вследствие быстрой замены электрических кабелей на оптические на кабельные заводы для производства медных кабелей некоторое время испытывали нехватку заказов на магистральных линиях. С широким же распространением «звездной» проводки в домовых распределительных сетях вероятность подобного дефицита заказов на кабельных заводах уменьшилась. За прошедшее время характеристики распределительных коаксиальных кабелей резко улучшились, а сами они стали значительно дешевле.
Доступ в Internet. Большинство современных устройств для доступа в Internet по коаксиальным сетям соответствует спецификации для службы передачи данных по коаксиальным кабелям (Data Over Cable Service Interface Specification, DOCSIS). У этого стандарта имеются две основные версии: DOCSIS 1.0 и DOCSIS 2.0, для которых опубликованы Рекомендации Международного Союза Электросвязи UTI j.112 и j.122. Все ведущие производители оборудования (Cisco, 3Com, Bay Network, Ericsson, Motorola) выпускают кабельные модемы, соответствующие стандарту DOCSIS. Применительно к российским сетям более подходит версия этого стандарта Euro DOCSIS, так как она отвечает используемому в России частотному плану.
Для доступа в Internet по домовой коаксиальной сети нужны кабельные модемы, причем у абонента находится индивидуальный модем, а у провайдера — станция кабельных модемов (CMTS). Коаксиальные кабели, CMTS и абонентский модем образуют систему подключения пользователя к Internet. Для доступа в Internet и пользования другими интерактивными услугами в сети необходимо организовать восходящий поток (upstream), от абонента к головной станции. Кроме того, желательно, чтобы компьютеры были объединены в локальную сеть Ethernet, так как подача столь мощного потока к единственному пользователю экономически невыгодна.
Частотный диапазон кабельной сети разбивается следующим образом. Полоса 47—600 МГц выделяется под нисходящий поток (downstream), часто называемый «прямым каналом»: по нему передается основной трафик телевещания. Частотная полоса 600—862 МГц, предназначается для интерактивных услуг, требующих обратной связи с абонентом. Под восходящий поток (upstream), часто называемый «обратный канал», отводится полоса 5—42 МГц, он служит для передачи трафика от абонента. Разделение нисходящего и восходящего потоков (для формирования прямых и обратных каналов) осуществляется с помощью кабельных модемов. Управление всей системой происходит с головной станции кабельных модемов CMTS, расположенной у провайдера Internet. Разветвители и розетки. Коаксиальные разветвители используются как для всего дома, так и на этажах. Согласно получившей распространение в настоящее время схеме (см. Рисунок 1) на каждом этаже устанавливают разветвитель (splitter) на два, четыре, шесть или даже восемь отводов. (на Рисунке 2 показан разветвитель компании WISI с восемью коаксиальными выходами). Подобные устройства позволяют распределить сигнал как по квартирам, так и по комнатам одной квартиры. В последнем случае телевизионный сигнал от домового усилителя лучше всего доставить до квартиры отдельным коаксиальным кабелем, как показано на Рисунке 1. При таком подключении каждая квартира на этаже фактически будет иметь индивидуальный ввод, что резко повышает качество сигнала. Особенно это важно при интерактивном режиме, так как дополнительные стыки в значительной степени ухудшают качество как прямого, так и обратного потоков.
Коаксиальные розетки бывают двух видов — проходные и оконечные. Первый тип применяется при последовательном соединении, когда организуется цепочка из розеток. Второй тип используется для непосредственного подключения оконечных устройств — телевизоров, видеомагнитофонов, модемов. Такие розетки нашли широкое распространение в современных сетях кабельного телевидения, построенных по схеме «куста». Коаксиальные розетки имеют один, два или три выхода. Наиболее часто устанавливают розетки с двумя гнездами типа МЭК — для телевидения и радио. Розетки с тремя гнездами используют для приема кабельного и спутникового телевидения, а также для УКВ-радио. Впрочем, встречаются и весьма экзотические экземпляры, предназначенные не только для телеустройств, но и имеющие специальное гнездо для подсоединения кабельного модема. Подобные оконечные розетки представляют наибольший интерес для подключения к Internet, так как они позволяют подключать кабельный модем непосредственно, без использования внешнего по отношению к розетке разветвителя.
КОАКСИАЛЬНЫЕ КАБЕЛИ
Ниже рассмотрены конструктивные элементы и характеристики кабелей итальянского производства. Основные параметры конструкции показаны на Рисунке 3. Данные о коаксиальных кабелях других производителей опубликованы в статье автора в октябрьском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 2000 г.
Внутренний проводник. Для изготовления внутренних проводников применяется медная и (намного реже) сталемедная проволока. Надо заметить, что применение медной проволоки в качестве внутреннего проводника увеличивает срок службы и обеспечивает большую гибкость кабеля при прокладке и монтаже.
Рисунок 3. Три наиболее распостраненные конструкции коаксиальных кабелей для внутридомовой проводки.
Необходимость применения твердой медной и сталемедной проволоки в качестве центрального проводника вызвано следующими причинами. В разъемах типа F, широко распространенных в коаксиальных системах, центральный штырь отсутствует, а вместо него обычно используется внутренний проводник коаксиального распределительного кабеля. Таким образом достигается значительная экономия в сетях.
Электрическая изоляция. У многих изделий она выполнена из физически вспененного полиэтилена высокой плотности (PEEG). Такой вспененный газом (а не химическим способом) диэлектрик содержит до 60% воздуха и до 40% полиэтилена, что и обеспечивает рекордно низкое затухание кабелей. Применение изоляции с высоким содержанием воздуха имеет еще одно преимущество: температурный коэффициент изменения параметров оказывается существенно меньше.
Технология физического вспенивания гарантирует четкое разделение воздушных пор в диэлектрике, что препятствует распространению влаги вдоль изоляции и обеспечивает дополнительную стабильность параметров на весь срок службы. В кабелях CAVEL на изоляцию наносят тонкий слой полиизобутилена (технология PIB), что препятствует проникновению влаги в диэлектрик. Сочетание вспененной газом изоляции и технологии PIB замедляет старение вследствие воздействия основных внешних факторов — температуры и влажности.
Физически вспененный диэлектрик по прочности не уступает сплошному полиэтилену, ранее использовавшемуся для изоляции коаксиальных радиочастотных кабелей. По этой причине кабели с физически вспененной изоляцией достаточно устойчивы к механическим нагрузкам, ударным повреждениям, многократным изгибам с минимальным радиусом, оставаясь при этом достаточно гибкими. При деформации таких кабелей (кручении, изгибах, протягивании) их частотная характеристика (параметр SRL — структурные возвратные потери) не меняется. Обратим внимание на еще одну особенность кабелей с физически вспененным диэлектриком: они значительно легче изделий со сплошной изоляцией — большая ценность для монтажников и эксплуатирующего персонала. Наиболее распространенная конструкция с физически вспененной изоляцией показана на Рисунке 3.1.
Компания Bieffe применяет технологию химического вспенивания диэлектрика. В то же время она использует специальное покрытие внутреннего проводника для того, чтобы не происходило отслоение изоляции. С наружной стороны пористый диэлектрик также имеет специальный (черный) защитный слой, применение которого позволяет стабилизировать параметры кабеля. Как первый, так и второй технологические приемы, разработанные компанией Bieffe, запатентованы. Соответствующая конструкция представлена на Рисунке 3.2.
Внешний проводник. В большинстве кабелей применяются двухслойные внешние проводники: либо алюминиевая фольга и оплетка медной луженой проволокой, либо медная фольга и оплетка голой медной проволокой. Алюминиевая проволока, широко применяемая в американских и китайских кабелях, данными компаниями для изготовления оплетки не используется. В случае повышенных требований по экранировке в ряде конструкций применяется двойная оплетка. Фольга (как алюминиевая, так и медная) для прочности и гибкости ламинирована полимерной пленкой.
Описанное строение внешнего проводника, при его хорошей гибкости, позволяет достичь высоких показателей эффективности экранирования. Значения этого параметра, согласно фирменным каталогам, лежат в пределах от 75 до 90 дБ, в зависимости от плотности (коэффициента покрытия) оплетки. Для оплетки плотностью 30—55% характерна эффективность экранирования от 75 до 80 дБ; для достижения более высокого экранирования (от 85 до 90 дБ) плотность оплетки должна составлять 75—95%. Заметим, что оплетка медной проволокой прекрасно зарекомендовала себя в производстве, ее технология хорошо отработана и является необходимым техпроцессом большинства кабельных заводов. В то же время она обеспечивает высокую гибкость кабелей, а также возможность пайки при заделке заземлителей.
Защитная оболочка. В кабелях, как правило, используются пожаробезопасные пластикаты; в некоторых конструкциях применяются малодымные, не содержащие галогенов композиции. Последние почти не выделяют ядовитый дым, находясь в открытом пламени, поскольку в своем составе не содержат галогенов. Все это оказывается чрезвычайно важным при укладке кабелей в закрытых помещениях, особенно с высокой плотностью заселения: больницах, отелях, школах, театрах, офисных зданиях, магазинах.
Для уменьшения проникновения влаги под оболочку кабеля магистральные кабели, прокладываемые в канализации, имеют между оплеткой и защитной оболочкой слой желейного заполнителя. При образовании трещин в защитной оболочке желе затекает в появившуюся щель и полимеризуется на воздухе, чем достигается предохранение кабеля от проникновения влаги и стабильность его характеристик в течение всего срока службы.
Температурные условия эксплуатации кабелей с разными защитными оболочками следующие: с оболочкой из поливинилхлорида (PVC) — от -300С до +800С; с оболочкой из безгалогенной композиции с низким дымовыделением (LSZH) — от -250С до +800С; с оболочкой из светостабилизированного сажей полиэтилена — от -400С до +80С. Влияние условий эксплуатации эксплуатации. По условиям применения коаксиальные кабели разделяются на подвесные (воздушные), подземные и для внутренней укладки в помещениях. Подвесные часто содержат стальной трос, заделанный в оболочку во время изготовления на производстве. Подземные кабели должны обладать высокой влагонепроницаемостью, как продольной, так и поперечной. Для достижения этого свойства применяют ряд приемов, состоящих в следующем. Обе поверхности изоляции (внутреннюю и внешнюю) покрывают слоем полимера, герметизирующим диэлектрик с двух сторон и не позволяющим влаге проникать в изоляцию. Часто пористый диэлектрик «приклеивается» к центральному проводнику с помощью слоя сплошного полиэтилена. В свою очередь, фольгированная пленка, входящая в состав экрана, также приклеивается к тому же диэлектрику, но с наружной стороны.
Для предотвращения распространения влаги вдоль изоляции применяются специальные технологические приемы для разделения (несмыкания) пор в диэлектрике. Весь комплекс мер не позволяет влаге проникать в радиочастотный тракт (внутренний проводник — электрическая изоляция — внешний проводник) кабеля способствует сохранению стабильности его параметров при любых внешних условиях в течение многих лет.
Электрические параметры. Затухание сигнала при распространении напрямую зависит от чистоты и стабильности исходных полимеров для изготовления изоляции, а также качества проводниковых материалов, используемых при изготовлении кабелей. Этому вопросу в коаксиальных кабелях итальянского производства уделяется большое внимание. Вследствие высокой степени наполнения изоляции газом коэффициент затухания таких кабелей ниже, чем у других конструкций.
Еще недавно коэффициент затухания кабелей для широкополосных распределительных систем задавался в полосе до 2150 МГц. В новейших каталогах итальянских предприятий приводятся значения этого параметра на частотах до 2500 МГц — это свидетельствует о значительном росте частотного диапазона как эксплуатации, так и нормирования их характеристик.
Волновое сопротивление выпускаемых в Италии коаксиальных кабелей находится в пределах 75(3 Ом (для тонких конструкций) и 75(2 Ом (для более толстых). Эффективность экранирования для аналоговых систем — от 75 до 80 дБ; для цифровых спутниковых систем (DIGITAL SAT) — от 85 до 90 дБ. Относительная скорость распространения сигнала в кабеле, в зависимости от конструкции изоляции, составляет 80—85% от скорости света.
При передаче по коаксиальному кабелю цифровых сигналов высокое экранное затухание обеспечивает защищенность от внешних помех. Особую роль эта характеристика играет при использовании сложной амплитудно-импульсной модуляции высоких порядков. По этой причине достигнутые ранее уровни экранировки (для аналоговых сигналов — до 75 дБ, для цифровых — до 90 дБ) перестают удовлетворять современным требованиям к спутниковым системам передачи информации.
В последнее время разработана новая серия кабелей марки CAVEL, с особо надежной экранировкой — у некоторых изделий она составляет более 110 дБ. Общий вид такого кабеля показан на Рисунке 3.3. Изменения в конструкции внешнего проводника состоят в следующем. Теперь экран стал трехслойным (фольга — оплетка — фольга), а внешний слой фольги в области перекрытия («нахлеста») закорочен путем отгибания наружу внутреннего края фольгированной пленки. Таким способом достигаются электрическая герметичность внешнего экранного слоя и затухание экранирования, превышающее на большей части частотного диапазона 5—2150 МГц величину 100—110 дБ.
