Optimación de Componentes de Cableado de Par Trenzado

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1 Optimación de Componentes de Cableado de Par Trenzado por Miguel Aldama, RCDD Introducción La productividad de las empresas modernas depende cada vez más del rendimiento de sus sistemas de comunicación. El rendimiento lo entendemos como una mayor cantidad de información transmitida en el menor tiempo posible. Cómo logramos maximizar el rendimiento de todos los sistemas de comunicación que una empresa utilice o vaya a utilizar? El primer paso es encontrar un factor común que permita maximizar el rendimiento de cualquier aplicación presente o futura. Medio de Transmisión Un factor común de los sistemas de comunicación es el medio de transmisión. Los sistemas de comunicación requieren un medio capaz de soportar la transmisión de señales con eficiencia y confiabilidad. La eficiencia la entendemos como la entrega de la información con rapidez y economía de recursos. La confiabilidad consiste en entregar dicha información en forma continua y libre de errores. Debido a la gran diversidad de tecnologías de comunicación, se requiere una infraestructura que permita el soporte de cualquier aplicación durante el periodo de la instalación. Dicha infraestructura comúnmente toma la forma de un cableado estructurado para las aplicaciones que se utilizan en el interior de los edificios o campus de las empresas. Aunque existen aplicaciones que son mejor soportadas por medios inalámbricos o por fibra óptica, la elección más popular para el cableado estructurado es el par trenzado de 100. El par trenzado ofrece la mejor relación costo beneficio por muchas razones, entre las que se mencionan las siguientes: 1) Es el medio que ofrece el canal de transmisión más económico disponible en el mercado. 2) Una infinidad de aplicaciones son diseñadas, muchas de ellas en forma exclusiva, para correr en par trenzado. 3) Sus diferentes categorías de desempeño brindan una gama de alternativas para la elección de la solución de cableado más adecuada a cada usuario. 4) Su interfaz y diseño compatible facilita el escalamiento tecnológico de los sistemas de comunicación. Línea de Transmisión Ideal El par trenzado conforma una línea balanceada. Una línea balanceada consiste en dos conductores separados por material dieléctrico uniformemente distribuido sobre su longitud sobre la cual se transmite una señal aplicada simétricamente con respecto a tierra. Una línea balanceada ideal mantiene valores constantes y predecibles de los parámetros eléctricos primarios: resistencia, conductancia, inductancia y capacitancia (véase la figura 1). SD-0103a Página 1 de 1

2 Figura 1. Señal aplicada simétricamente con respecto a tierra + señal Z carga v 1 v 2 _ Línea de Transmisión Real Los valores de los factores eléctricos primarios no son constantes en la realidad ya que son afectados por factores externos e internos del canal de transmisión. Algunos de estos factores son: 1) Inestabilidad y desfasamiento de señal provocada por los equipos electrónicos de transmisión y recepción. 2) Interferencia electromagnética proveniente tanto de fuentes internas como externas 3) Calidad del cableado tanto en sus materiales de construcción como en los procesos de fabricación e instalación. 4) Temperatura y otros factores ambientales. Todos estos factores provocan ruido electromagnético que distorsiona la señal y por lo tanto se producen errores en la transmisión de la información digital. Ya que estos factores siempre están presentes, no se puede pensar en una línea de transmisión absolutamente libre de errores, es decir, no existe una línea de transmisión que garantice un nivel cero de errores. Sin embargo, resulta imprescindible minimizar estos factores de ruido para maximizar el rendimiento de los sistemas de comunicación. Índice de Errores de Bitio El índice de errores de bitio, o simplemente BER por sus siglas en inglés (Bit Error Rate), es el indicador que nos muestra el nivel de errores en un sistema de transmisión. Bitio (bit) significa dígito binario y es la unidad fundamental de información digital. El BER es igual al número de bitios recibidos con errores entre el total de bitios transmitidos. BER = BIT BIT error total El BER deberá tener un valor menor o igual a para considerarse aceptable; es decir, se permite como máximo un error por cada (diez mil millones) de bitios transmitidos. Este nivel ínfimo de errores está considerado por las normas de cableado y se basa en los estándares de aplicaciones de datos, incluyendo las actuales tecnologías Gigabit siguientes: SD-0103a Página 2 de 2

3 1) 1000BASE-T, definida en el estándar IEEE802.3ab a, el cual requiere como mínimo par trenzado categoría 5. 2) 1000BASE-TX, definida en el estándar TIA/EIA-854 b, el cual requiere como mínimo par trenzado categoría 6. 3) ATM CB1G, definida en el estándar AF-PHY c, (ATM CB1G) el cual requiere como mínimo par trenzado categoría 6. Si se logra reducir el BER a niveles menores de 10-10, se conseguirá también aumentar el S/N, que es el índice de señal a ruido, y por lo tanto se logra disponer de un mayor ancho de banda aumentando así la capacidad del canal de transmisión; tal como se establece en la Ley de Hartley-Shannon que se representa por la siguiente ecuación: C = B log 2 1+ ( S N ) C es igual a la capacidad transmisión del canal en Mb/s, B es igual al ancho de banda en MHz, S/N es el índice de señal a ruido en db. C representaría en este caso el rendimiento del sistema de comunicación que se ve incrementado en relación directa al ancho de banda y al S/N. Podemos decir entonces que un nivel menor de errores produce un mayor ancho de banda y por lo tanto un mayor rendimiento. Desempeño del Sistema de Cableado En un sistema pasivo de cableado, el parámetro S/N no puede ser utilizado para determinar el rendimiento de un sistema de comunicación. Un indicador aproximado del ancho de banda utilizable, que determine en dado momento el rendimiento de un sistema, es el ACR d ; más importante aún en sistemas que utilizan varios pares para la conformación de sus canales de transmisión es el PSACR e. Ambos indicadores toman en cuenta dos parámetros primordiales de desempeño: La pérdida por inserción y la Paradiafonía (NEXT f ). La pérdida por inserción y la paradiafonía son sólo dos de los diez parámetros de prueba y desempeño de transmisión que deben verificarse en sistemas de cableado de categoría 5e o superiores g. Tenemos entonces que un mejor desempeño del cableado produce un mayor rendimiento de los sistemas de comunicaciones. Dentro de las normas de cableado sólo se especifican los parámetros mínimos requeridos para el soporte de aplicaciones pero para alcanzar un rendimiento máximo debemos también alcanzar un desempeño de cableado máximo; es decir, su punto óptimo. a IEEE 802.3ab IEEE Standard for Information Technology Telecommunications an Information Exchange Between Systems Local and Metropolitan Area Networks Part 3: CSMA/CD Access Method and Physical Layer Specifications Physical Layer Parameters and Specifications for 1000 Mb/s Operation over 4 pairs of Category 5 Balanced Copper Cabling, Type 1000BASE- T. New York, NY: Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., b TIA/EIA-854 A Full Duplex Ethernet Specification for 1000 Mbis/s (100BASE-TX) Operating Over Category 6 Balanced Twisted-Pair Cabling Julio del c ATM FB-PHY Cell-Based 1000 Mbit/s (CB1G) Physical Layer Specification over Single-mode or Multi-mode Fiber and Category 6 Twisted-Pair Copper Cabling Abril del d ACR son las siglas de Attenuation to Crosstalk Ratio (Índice de Atenuación a Diafonía). e PSACR son las siglas de Power Sum Attenuation to Crosstalk Ratio (Suma de Potencias de Índice de Atenuación a Diafonía). f NEXT son las siglas de Near-End Crosstalk (Diafonía de Extremo Cercano o, mejor dicho, Paradiafonía). g Los diez parámetros de prueba y desempeño de transmisión son: Mapeo, Longitud, Pérdida por Inserción, Pérdida por Retorno, Paradiafonía, PSNEXT, ELFEXT, PSELFEXT, Retardo de Propagación y Sesgo de Retardos. SD-0103a Página 3 de 3

4 El desempeño del sistema de cableado depende de manera directa del desempeño de cada uno de sus componentes. En un sistema de cableado de par trenzado, el peor caso de diseño, consiste en un canal de 100 m con los siguientes elementos: 1) De uno a dos tramos de cable con una longitud combinada menor o igual a 90 m (295 ft). 2) De dos a tres cordones de equipo o de parcheo con una longitud combinada menor o igual a 10 m (30 ft). 3) De dos a cuatro conectores. Figura 2 Componentes del Sistema de Cableado CP TO HC Diseño Adecuado Vs. Diseño Óptimo Todos los fabricantes argumentan tener un diseño óptimo de sus componentes de cableado, pero el término muchas veces es utilizado con ligereza. La mayoría de las veces, sólo se tienen diseños adecuados a los parámetros de desempeño especificados en las normas. En otros casos los métodos empleado pretenden sintonizar o afinar ciertos valores para alcanzar un valor de desempeño adecuado. Cuando se pretende ajustar o afinar un valor de paradiafonía compensando entre sí los valores de una toma modular con una clavija modular, se corre el riesgo que ambos se vuelvan incompatibles con otros componentes o sistemas; ya que ambos componentes fueron diseñados el uno para el otro. Un problema asociado con lo anterior es la carencia de compatibilidad retroactiva con componentes o sistemas de categorías inferiores. Cuando este proceso se aplica para afinar un valor de impedancia, lo único que en dado momento se consigue es reducir el reflejo de señal, mejorando con ello tan solo la pérdida por retorno sin tomar en cuenta los demás parámetros de desempeño los cuales dependen de otros factores. El hecho de que los fabricantes frecuentemente modifiquen sus diseños actuales es en efecto admitir que los diseños adecuados no siempre son el mejor diseño posible. El mejor diseño entre las alternativas que cumplen con un objetivo específico es el diseño óptimo. Método de Optimación HC Horizontal Cross-connect (Marco de Conexión Horizontal) CP Consolidation Point (Punto de Consolidación) TO Telecommunication Outlet (Toma de Telecomunicaciones) Cada componente del sistema de cableado debe ser diseñado en función del rendimiento del sistema de comunicación para alcanzar sus valores óptimos de desempeño. El único método que goza de los beneficios del rigor matemático y que es aceptable para mejorar realmente el desempeño de los componentes de cableado es la optimación. La optimación es el método matemático para determinar los valores de las variables que hacen máximo el rendimiento de un proceso o un sistema. En el proceso o sistema en cuestión se SD-0103a Página 4 de 4

5 deben identificar los factores controlables y no controlables para definir respectivamente las variables y restricciones que conformarán la función objetivo y los valores a maximizar o minimizar. Existe un sinnúmero de factores que intervienen en un sistema de cableado de par trenzado. Es de vital importancia la identificación y representación matemática de cada uno de ellos. Se deben considerar los siguientes elementos: 1) Variables 2) Restricciones 3) Valores a maximizar o minimizar 4) Función objetivo Figura 3 Factores de Optimación Variables Restricciones Función Objetivo Valor Óptimo Conductividad, Dieléctrico, Geometría, Blindaje... Interfaz, Longitud, Instalación Costo... Ancho de Banda, Balance, Impedancia, EMC... Parámetros (NEXT, FEXT, Pérdida por Inserción, Pérdida por Retorno...) Optimación del Sistema de Cableado En un sistema de cableado, la función objetivo debe conjugar varios criterios y valores a maximizar o minimizar. Cada parámetro debe ser incrementado a su punto óptimo, tomando en cuenta las restricciones que limitan el diseño. Para lograr maximizar el desempeño del cableado, debemos minimizar la distorsión de señal con el uso de sistemas mejorados de (1) balance de línea, (2) compatibilidad electromagnética y (3) igualación de impedancia. El balance de línea se logra a través del trenzado del cable, lo cual permite minimizar el ruido o interferencia electromagnética, incluyendo la diafonía entre pares, por medio de la reducción del desbalance de capacitancia y el acoplamiento mutuo de inductancia. Por esta razón es imprescindible un diseño óptimo del cable de par trenzado. La compatibilidad electromagnética es la habilidad de un circuito o sistema de operar sin introducir EMI h indeseable en el ambiente y sin ser afectado por el de otras fuentes externas o internas. Se logra reducir eficientemente el EMI con el uso de circuitos balanceados, separación o barreras entre canales o pares, blindajes para cada cable o inclusive para cada par y sobre todo, cuando se utilicen medios conductores, una adecuada puesta y unión a tierra. h EMI son las siglas de Electromagnetic Interference (Interferencia Electromagnética). SD-0103a Página 5 de 5

6 La igualación de impedancia consiste en ajustar los valores de las impedancias individuales de cada uno de los componentes del sistema de cableado a 100. Tal como se establece en las normas de cableado, las cuales permiten una variación de más menos 15%. Entre más cercano esté cada uno de los componentes a este valor, se reducirá eficazmente el reflejo de señal en el canal de transmisión. Diseño Óptimo de Componentes de Cableado El diseño de los componentes debe tomar en cuenta las siguientes variables: 1) Conductividad y geometría de los conductores 2) Constante dieléctrica del aislante 3) Factor de disipación del aislante 4) Geometría de la construcción del trenzado Se deben tomar en cuenta las siguientes restricciones: 1) Dimensiones y medidas estándar de conductores 2) Longitudes máximas y mínimas 3) Costo de materiales 4) Prácticas de instalación La búsqueda de diseños óptimos de cables ha llevado a los fabricantes al uso de barreras y separaciones en sus diseños. Ejemplos de estos diseños son el cable plano y el cable que incluye un separador de pares interno (véase la figura 4). Figura 4 Cable plano y cable con separador interno La búsqueda del diseño óptimo de conectores es aún más compleja. Requiere el estudio de innumerables variables y el análisis exhaustivo de propuestas y soluciones. La optimación del diseño de ingeniería está presente en cada producto de The Siemon Company. Ejemplo de ello es la tecnología Tri-Balance TM que tiene por objeto maximizar el balance de señal entre pares en las tomas modulares. La tecnología Tri-Balance TM consiste en los siguientes procesos: 1) Tecnología de Interfaz Los pines de contacto en las tomas modulares están dispuestos en varios planos o niveles para un máximo balance entre pares. 2) Circuito Impreso Diseño avanzado de balance de pares con respuesta de diafonía lineal. 3) Bloque de terminación S310 TM Aislamiento por cuadrante de pares y terminación amigable con una herramienta convencional 110. Figura 5 Tecnología Tri-Balance TM SD-0103a Página 6 de 6

7 A pesar de la reingeniería aplicada a la toma modular, existen varios factores que limitan el ancho de banda de la toma modular de ocho posiciones. The Siemon Company es el creador de la única Interfaz no RJ que está diseñada para ir mas allá de los 600 MHz propuestos en la categoría 7/clase F: el conector TERA TM. De hecho se han realizado pruebas de transmisión con el conector TERA hasta 1.2 GHz superando los límites actuales para la categoría 7/clase F. Figura 6 Toma TERA TM Categoría 7 Otros ejemplos de la optimación en el diseño de ingeniería de The Siemon Company son las tecnologías S210 TM, S310 TM, Yellow KeyBar TM entre otras i. Conclusión A través de la aplicación del método de optimación, en el diseño de ingeniería de los componentes de cableado de par trenzado, se logra: 1) maximizar el desempeño del cableado 2) minimizar el índice de errores de bitio (BER) 3) mejorar el rendimiento de los sistemas de comunicación El estudio de la respuesta eléctrica del cableado a la transmisión de señales digitales, es fundamental para la determinación exacta de los factores controlables y no controlables, en la obtención de los valores óptimos de rendimiento. i Para mayor información en español de las tecnologías mencionadas y de los productos Siemon, favor de visitar nuestra página de Internet SD-0103a Página 7 de 7