10 Gb/s Sobre Cobre: Opciones para Cableado Horizontal

Resumen:

Este documento describe el desarrollo de los estándares para Categoría 6 Aumentada (Categoría 6A) desde los objetivos proyectados por el IEEE 802.3an publicados en el año 2002. Este proceso explica también la evolución del sistema de cableado Siemon de 10Gb/s sobre cobre.

Durante este período tan cambiante del panorama de 10GBASE-T, Siemon ha mantenido una posición de liderazgo. Con más de un millón de puertos de cobre 10G ip instalados alrededor del mundo, Siemon tiene más experiencia desarrollando sistemas de cableado de cobre de 10 Gigabit que cualquier otro fabricante.

Planeación para las PCs:

Con el estándar IEEE 802.3an para aplicaciones 10GBASE-T a punto de ser terminado y con la expectativa de la industria para recibir la ratificación final del documento en julio del año 2006, muchos edificios nuevos ya han sido cableados para soportar velocidades de transmisión de datos de 10Gb/s (Gigabits por segundo) en el área de trabajo. Se está impulsando la tendencia de soportar un gran ancho de banda al escritorio ya que hoy en día se sabe que la capacidad del disco duro de las PCs se duplica cada doce meses (superando el crecimiento planteado por la Ley de Moore y conduciendo a los expertos a preveer la disponibilidad de la capacidad de 2.56 terabytes para el 2007) y también que existe una creciente disponibilidad de tecnología de chips de 10 Gb/s. De hecho, varios fabricantes de chips están probando su tecnología de transmisión y recepción de 10 Gb/s y otros fabricantes se están comprometiendo a ofrecer volúmenes de producción de chips para equipo para final del año 2005.

Además de los proveedores de aplicaciones para equipo, los fabricantes de cableado de telecomunicaciones, apoyados por la votación de los estándares de desempeño de Categoría 6A de la TIA e ISO; pueden ahora ofrecer sistemas de cableado de cobre garantizados para soportar la operación de las aplicaciones 10GBASE-T. Actualmente se cuenta con una gran disponiblidad de soluciones de redes IT punta a punta capaces de mover precisa y rápidamente grandes archivos de imagen, bases de datos y video en tiempo real.

Categoría 6 Aumentada y Más:

La clave para un soporte robusto de aplicaciones 10GBASE-T en medios de cobre, es especificar las características de transmisión correctas; así como instalar el sistema bajo las normas y guías adecuadas. Afortunadamente, los estándares pendientes sobre la Categoría 6A de la TIA e ISO describen completamente los requerimientos eléctricos mínimos necesarios para asegurar una operación apropiada de la red en topologías horizontales de cableado de más de 100 metros y que contienen cuatro conectores (ej: cross connect, punto de consolidación y transmisión, y salida en el área de trabajo).

Los sistemas de cableado de cobre que ofrecen cumplir con los requerimientos de Categoría 6A, tales como las soluciones categoría 7/clase F, también soportarán las aplicaciones 10GBASE-T. El contenido técnico de los borradores de los estándares tanto de la TIA como de ISO se ha vinculado oficialmente con comités de ingeniería tales como la IEEE y BICSI y contienen todas las especificaciones de transmisión probadas para soportar la aplicación 10GBASE-T. Estos documentos actualmente circulan para su revisión y la industria anticipa que serán pubicados antes de que se ratifique el estándar de la aplicación 10GBASE-T.

Los objetivos más importantes para demostrar la factibilidad de la aplicación 10GBASE-T y el desarrollo de requerimientos de cableado para Categoría 6A, fueron los de soportar un márgen positivo en SNR (Signal to Noise Ratio) de 1 a 500 MHz y confirmar la capacidad del canal a través de los modelos de Shannon. Por primera vez fue necesario que los cuerpos de estándares de la TIA e ISO tuvieran un entendimiento completo del funcionamiento de la nueva aplicación 10GBASE-T para poder especificar detalladamente los requerimientos de desempeño. Debido a que la aplicación 10GBASE-T es la primer solución Ethernet que cancela completamente la mayoría de crosstalk en el near-end y en el far-end de un canal, los expertos tuvieron que identificar la fuente de ruido dominante externa al canal para poder asegurar el desempeño SNR. El resultado de esta evaluación condujo a un nuevo parámetro de ruido, el alien crosstalk, que se presenta en el estándar de Categoría 6A junto con nuevos límites de alta frecuencia para todos los parámetros de transmisión actualmente reconocidos (pérdida de inserción, pérdida de retorno, pérdida NEXT y ELFEXT).

Los modelos de Shannon iniciales, desarrollados por el comité de la IEE 802.3an, idenficaron la capacidad del canal que se requirió para soportar la aplicación 10GBASE-T. La simulación de capacidad con el modelo de Shannon fue importante para confirmar la viabilidad técnica de sistemas de cableado emergentes de 10Gb/s con los equipos de redes. Esta misma simulación fue utilizada por los expertos de los comités de la TIA e ISO para validar los límites de desempeño de la Categoría 6A para todos los parámetros de transmisión.

La caracterización del alien crosstalk es lo que diferencia a la Categoría 6A de todos los niveles inferiores de cableado. Hasta ahora, ningún sistema de cableado había sido catalogado para el desempeño del alien crosstalk. El alien crosstalk se define como una señal no deseada que se transmite de un cable a otro o de un canal a otro y que comunmente afecta pares con trenzados similares. De la misma manera que el parámetro de crosstalk, las medidas de par-a-par y power sum en la punta cercana y en la punta lejana se deben utilizar para caracterizar el alien crosstalk. Es interesante notar que los límites para el alien crosstalk de la Categoría 6A propuesta, es tan exigente que se pide casi el 80% menos de alien crosstalk que lo exigido para Categoría 6. En resumen, para poder soportar márgenes positivos de SNR hasta 500MHz, los sistemas de Categoría 6A están especificados para tener un promedio de 27% de mejora en la potencia de la señal (pérdida de inserción).

Debido a la investigación exhaustiva que se ha llevado a cabo con respecto al alien crosstalk, los comités de estándares están bien equipados con estrategias de diseño e instalación que llevarán a un desempeño robusto de alien crosstalk. Al revisar la configuración de la prueba de laboratorio del peor caso, que se muestra en la figura 1, es de notar que las estrategias adecuadas para reducir o mitigar el alien crosstalk incluyen:

  • Desagrupar los cables UTP utilizando prácticas de instalación especiales
  • Mantener una separación, utilizando cables UTP que tengan un diseño mejorado para alien crosstalk
  • Blindaje entre los cables con una malla o foil de metal

Figura 1: Configuración del peor caso en alien crosstalk- Seis cables externos acoplándose en uno interno

Prácticas de instalación para UTP:

Las prácticas de instalación pueden mejorar el desempeño de los sistemas de cableado de primera generación 10Gb/s UTP aún sin contar con cables diseñados para evitar el alien crosstalk . Estas técnicas pueden ser utilizadas para incrementar la capacidad del canal de Categoría 6 hasta el nivel necesario para ofrecer soporte a las aplicaciones 10GBASE-T para distancias de hasta 55m (aunque estos canales pueden no alcanzar los requerimientos pendientes de alien crosstalk de Categoría 6A). Ejemplos de prácticas de instalación UTP que pueden impactar positivamente la brecha de alien crosstalk incluyen:

  • No hacer manojos grandes de cables en los primeros 20 metros
  • Separar los cordones de parcheo y de equipo
  • Evitar tie-wraps
  • Utilizar velcro cuando sea necesario y usarlo holgado
  • Usar técnicas de administración de cable horizontal (ej: guiar los puertos nones hacia los administradores superiores y los puertos pares hacia los inferiores)
  • Poner los cables holgados en el organizador vertical
  • Evitar alta densidad de puertos en el área de trabajo y puntos de distribución
  • Reducir el llenado de los canales a un 40%

La implemetación de estas prácticas no es requerida para el sistema de cableado Categoría 6A F/UTP (algunas veces conocido como ScTP) o para Categoría 7 S/FTP (completamente blindado). Tampoco se necesita aplicarlas cuando se utilizan sistemas Categoría 6A UTP, que utilizan un diseño mejorado en cuanto al diámetros del cable (Ver tabla, página 6) que incrementa la separación entre cables.

Cables UTP con un Diámetro Mayor Representan Menor Alien Crosstalk:

La publicación pendiente de un nuevo estándar de la TIA que permitirá el incremento del diámetro de cable de par trenzado de 6.35 mm a 9 mm, está impactando dramáticamente la habilidad de la industria por controlar el alien crosstalk en el cableado UTP. Al diseñar cables UTP con chaquetas más grandes y gruesas, los expertos en cableado pueden ofrecer un medio para aislar físicamente pares trenzados de otros cables adyacentes. Como resultado, se tienen disponibles nuevos cables 6A UTP que muestran una reducción importante del alien crosstalk y que pueden ser considerados por los diseñadores e instaladores que prefieren una mayor flexibilidad y prácticas de administración de cable menos restrictivas en el cuarto de telecomunicaciones; en comparación con los cables UTP que no cuentan con un diseño mejorado contra el alien crosstalk.

El Enigma Acerca del Alien Crosstalk:

Aunque la definición de alien crosstalk es sencilla, el desarrollar pruebas de campo ha sido un reto debido al gran número y complejidad de medidas asociadas. La TIA ha adoptado el método de "muestreo" para evaluar la presencia de alien crosstalk en una instalación. Se pretende que los canales que son más representativos en cuanto a condiciones que se puedan considerar el peor de los casos (teniendo en cuenta el alien crosstalk), sean probados; y si esos resultados presentan un desempeño satisfactorio, entonces se infiere que toda la instalación cumple con las especificaciones necesarias. Este método de muestreo apareció por primera vez en el estándar da la TIA de Categoría 6A en junio 2005. La selección de los canales instalados a los que se les realiza la prueba, se basa en la evaluación de la densidad del cableado, la proximidad de los puertos al panel de parcheo y la longitud del canal. Es importante saber que los sistemas de cableado que consideran el alien crosstalk o que exhiben alien crosstalk nulo (como el sistema Categoría 6A F/UTP y Categoría 7 S/FTP) reducirán considerablemente la necesidad de una prueba de muestreo de la planta instalada de cableado. Ver figura 2.

Figura 2: Comparativo de pérdidas PSANEXT por cable

Actualmente los estándares de la TIA e ISO respecto a la Categoría 6A únicamente contienen requerimientos del canal para el alien crosstalk, mas no requerimientos para los cables o para el hardware de conectorización. Es por esto que es muy importante que los canales sean adecuados para soportar la capacidad del 10GBASE-T utilizando modelos de simulación y que muestren un desempeño mínimo en cuanto a niveles de pérdida de inserción, crosstalk y pérdida de retorno requeridos para mantener las proporciones adecuadas de SNR.

Opciones:

Ahora, más que nunca, la selección del sistema de cableado se basa en la evaluación de las diferentes opciones. Los tres tipos de cable recomendados para soportar la aplicación 10GBASE-T, junto con un resúmen de sus características, se muestra en la figura 3. Algunas consideraciones que se tienen en cuenta al seleccionar el tipo de cableado son el costo, la facilidad de la instalación, y el llenado del canal. Ahora que existe una mayor flexibilidad en cuanto a opciones de cableado, hay una solución 10 Gb/s para cada presupuesto y para cada ambiente.

Medio Categoría 6A UTP Categoría 6A F/UTP Caegoría 7/Clase F S/FTP
Construcción del Cable
Alien crosstalk Cumple el alien crosstalk debido a su diseño de separación de núcleo Muestra alien crosstalk virtualmente de cero debido a su construcción con apantallado de foil Muestra alien crosstalk virtualmente de cero debido a su construcción completamente blindada
Notas de Instalación Su mayor diámetro debe ser tomado en cuenta al calcular el llenado de ductos Se requiere conexión del blindaje a tierra en la punta del patch panel Se requiere conexión del blindaje a tierra en la punta del patch panel
Interface en el Área de Trabajo Jack modular estándar (RJ45) de 8 posiciones Jack modular estándar (RJ45) de 8 posiciones Conector cuadrado de pares aislados
Recomendación de Llenado Máximo de los Conductos 60% 60% 60%
Capacidad de Shannon Excede los objetivos de la IEEE 802.3an Capacidad hasta de 18Gb/s (100% adicional basado en el margen de PSANEXT) Capacidad hasta de 22Gb/s (150% adicional basado en el margen de PSANEXT)
Intstalación Recomendada Cumple con 10Gb/s en construcción usual de UTP Soporta más alta densidad de 10Gb/s cuando se requiere máximo llenado de ductos (ej: datacenter) Soporta 10Gb/s cuando la seguridad es prioritaria o cuando se requiere soporte de video de banda ancha y soporte potencial de aplicaciones mayores a 10Gb/s

¿Qué hacer con mi planta de cableado categoría 6?

La buena noticia para aquellos que ya tienen una planta de cableado Categoría 6 es que un gran porcentaje de la base instalada podría soportar la aplicación 10GBASE-T. Basado en los objetivos de la IEEE, esta aplicación está diseñada para operar sobre al menos 55 metros de cableado Categoría 6 en un ambiente "razonable" del peor de los casos del alien. La información que los miembros de la IEEE presentaron durante la fase de desarrollo de objetivos para 10GBASE-T, muestra que aproximadamente el 68% de las instalaciones actuales están por debajo de esta distancia mínima requerida. Para soportar la aplicación de 10GBASE-T sobre cableado Categoría 6 en longitudes reducidas, se puede recurrir a la guía que se encuentra en el documento pendiente de la TIA TSB-155 para un resumen acerca del mínimo desempeño de transmisión requerido (incluyendo alien crosstalk). En el TSB-155, la longitud final del canal no se ha determinado aún pero sí se indican los requerimientos para los probadores de campo de nivel III necesarios para verificar el desempeño de la base instalada y las pruebas asociadas y métodos de muestreo. El TSB-155 también limita las técnicas de mitigación que pueden ser empleadas para mejorar el desempeño del alien crosstalk debido a que las pruebas de campo habían indicado que la práctica de hacer manojos grandes habían causado un exceso de alien crosstalk en algunas instalaciones Categoría 6.

La industria del cableado recomienda que no es bueno diseñar una nueva planta de cableado para soportar 10GBASE-T con cableado Categoría 6 de longitud reducida. El modelo de Retorno de Inversión (ROI) demuestra que pruebas adicionales y costos de caída de la red para asegurarse que una planta con cableado Categoría 6 pueda soportar 10GBASE-T, sobrepasa el costo diferencial entre Categoría 6 y Categoría 6A en el momento de la instalación (ver gráfica).

Bibliografía

  1. J. C. Dvorak, “Hard Disks and the Media PC’, PC Magazine (noviembre 2003)
  2. Requerimientos de la TIA para Categoría 6A que serán publicados como TIA-568-B.2-10 (‘568-B.2-10) y requerimientos de la ISO que serán publicados como Ratificación 1 al ISO/IEC 11801 Ed. 2:2002
  3. Requerimiento de la TIA del incremento del diámetro del cable que será publicado como TIA-568-B.2-11 (‘568-B.2-11)
  4. S. Abu Ghazaleh, V. Rybinski, S. Vaden, “10GBASE-T Market Potential & Technical Feasibility on Installed Cabling by 2005 Installed Cabling by 2005” (septiembre 2003)
  5. TIA TSB-155, “Additional Guidelines for 4-Pair 100W Category 6 Cabling for 10GBASE-T”

Otras Lecturas:

O. Savi, “10G Ethernet Over Structured Copper Cabling”, 53rd IWCS/FOCUS™ Conferencia (noviembre 2004)


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