Optimación de Componentes de Cableado de Par Trenzado

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).
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Figura 1. Señal aplicada simétricamente con respecto a tierra
+
v1
señal
v2
_
Zcarga
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.
BIT error
BER =
BIT total
El BER deberá tener un valor menor o igual a 10-10 para considerarse aceptable; es decir, se
permite como máximo un error por cada 10 000 000 000 (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:
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1) 1000BASE-T, definida en el estándar IEEE802.3aba, el cual requiere como mínimo
par trenzado categoría 5.
2) 1000BASE-TX, definida en el estándar TIA/EIA-854b, el cual requiere como mínimo
par trenzado categoría 6.
3) ATM CB1G, definida en el estándar AF-PHY-0162.000c , (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 ACRd; más
importante aún en sistemas que utilizan varios pares para la conformación de sus canales de
transmisión es el PSACRe. 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.
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 1000BASET. New York, NY: Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., 1999.
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 2001.
c
ATM FB-PHY-0162.000. 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 2001.
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.
a
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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
HC Horizontal Cross-connect (Marco de Conexión Horizontal)
CP Consolidation Point (Punto de Consolidación)
TO Telecommunication Outlet (Toma de Telecomunicaciones)
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
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
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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)
2)
3)
4)
Variables
Restricciones
Valores a maximizar o minimizar
Función objetivo
Figura 3 – Factores de Optimación
Variables
Conductividad,
Dieléctrico,
Geometría,
Blindaje...
Función
Objetivo
Restricciones
Interfaz,
Longitud,
Instalación
Costo...
Ancho de Banda,
Balance,
Impedancia,
EMC...
Valor
Óptimo
Parámetros (NEXT,
FEXT, Pérdida por
Inserción,
Pérdida por
Retorno...)
Optimación del Sistema de Cableado
En un sistema de cableado, a
l 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 EMIh 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).
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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)
2)
3)
4)
Conductividad y geometría de los conductores
Constante dieléctrica del aislante
Factor de disipación del aislante
Geometría de la construcción del trenzado
Se deben tomar en cuenta las siguientes restricciones:
1)
2)
3)
4)
Dimensiones y medidas estándar de conductores
Longitudes máximas y mínimas
Costo de materiales
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-BalanceTM que tiene por objeto maximizar el balance de señal entre pares
en las tomas modulares. La tecnología Tri-BalanceTM 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 S310TM – Aislamiento por cuadrante de pares y terminación
amigable con una herramienta convencional 110.
TM
Figura 5 – Tecnología Tri-Balance
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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 TERATM. 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 S210TM, S310TM, Yellow KeyBarTM 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.
Para mayor información en español de las tecnologías mencionadas y de los productos Siemon, favor de visitar nuestra página
de Internet www.espanol.siemon.com.
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