Kaapelointijärjestelmä ja Sähköiset mittaukset

Mikä oli kaapelointijärjestelmän tarkoitus?

Verkon tuottamien palveluiden saavuttamiseksi työasemat ja palvelimet liitetään kaapelointijärjestelmään. Sen tarkoituksena on yhdessä aktiivilaitteiden kanssa huolehtia kehysten välittämisestä sähköisessä muodossa, tai valopulsseina nykyaikaisissa valokuituverkoissa. 

Kaapelityypit

Vanhemmissa lähiverkoissa käytetään erilaisia koaksiaalikaapeleita, mutta nykyään käytetään pääasiassa kierrettyjä parikaapeleita (Twisted pair) ja valokaapeleita (Fiber optics). Ethernet-kaapeleiden tyyppimerkinnät kertovat karkeasti kaapelin ominaisuudet: 

 

Pari- ja valokaapeleissa pituuden tilalla käytetään kirjaimia T ja F. Parikaapelin segmentin maksimi pituus on 100 m, valokaapelilla jopa useita kymmeniä kilometrejä. 

Kantataajuusverkossa (Base band) kaapelissa kulkee vain yhden laitteen lähettämiä kehyksiä kerrallaan. Laajakaistaversiossa (Broad band) samaa kaapelia pitkin lähetetään samanaikaisesti eri kanavilla (taajuusalueilla) useimpien laitteiden lähettämiä kehyksiä. 

Kaapelointi

Aiemmin kukin verkkotyyppi (Ethernet, Token Ring) vaati oman kaapelointijärjestelmänsä: tarvittiin erikoiskaapeleita ja liittimiä. Nykyisin se toteutetaan ns. yleiskaapelointina, ja käytetään lähinnä kierrettyjä parikaapeleita ja valokaapeleita.

Parikaapelit (lähtöisin puhelinverkoista)

UTP (Unshielded Twisted Pair) tai STP (Shielded Twisted Pair) on halving ja laajimmin käytetty. Ne muodostuvat yleensä toistensa ympäri symmetrisesti kierretystä johdin pareista, ja juuri se symmetrisyys lisää häiriön sietoa. Parikaapeli ja/tai yksittäiset parit voidaan suojata ulkoisella metallipunoksella (STP).

Kaapelit jaetaan kategorioihin ominaisuuksien mukaan. Määräävänä tekijänä on ylin taajuus, mitä pystytään välittämään kaapelissa (Category 3 < 16 MHz, Category 5 < 100 MHz). Nykyisillä parikaapeleilla pystytään siirtämään jopa 600 MHz taajuuksia (STP).

 

Haitat

• Heikko häiriönsieto
• Kapea kaista
• Lyhyt ”kantama”; lähiverkoissa yleensä alle 95m
• ”Tarkasti” asennettava:
• Kierteet eivät saa avautua
• Ei saa taivuttaa liikaa
• Ei saa kiertää solmulle
• Ei saa joutua puristuksiin

Valokaapelit

Optisen kuidun kehittäminen on ollut yksi suurimpia teknologisia läpimurtoja tietoliikennealalla. Optinen kuitu on ohut 2µm - 125µm puhtaasta lasista, kvartsista tai muovista valmistettu johdin, jolla siirretään valoa digitaalisesti (myös analoginen siirto on mahdollista). Valokuitu muodostuu valoa johtavasta ytimestä (kuidusta, core), joka on ympäröity ydintä matalamman taitekertoimen omaavalla kuorella (valoverholla, cladding) ja suojavaipalla. Ydin on esim. kvartsia tai akryylimuovia.

Seuraavat asiat erottavat optisen kuidun kierretystä parista tai koaksiaalikaapelista:

• Suurempi kaistanleveys (tämän takia suurempi datansiirtonopeus)
• 25.000 – 30.000 GHz
• 2 GB/s
• Pienempi koko ja kevyempi
• Pienempi vaimennus (vakio suuremmalla alueella)
• Valokaapeli n. 3 dB/km
• Koaksiaalikaapeli ja kierrettypari n. 27 dB/km
  
• Tunteeton sähkömagneettiselle häiriölle
• Ei säteile ja häiritse muita / ole kuunneltavissa
• Ei tapahdu ylikuulumista eikä impulssihäiriöt vaikuta siirtoon, joten tarvitsee huomioida vain vaimennus
• Voidaan käyttää häiriöllisissä paikoissa, kuten tehdassaleissa, tutkahuoneissa, jne.
• Suurempi toistinväli, joka vähentää kustannuksia ja mahdollisia virhekohteita
• Toistimien energianlähteenä on mahdollista käyttää nykyään myös valoa esim. merenaluskaapeleissa
• Ei potentiaaliongelmia, koska ei ole sähköistä yhteyttä pisteiden välillä
• Kestää hyvin kosteutta ja erilaisia syövyttäviäkin aineita

Yhdessä uidussa on mahdollista siirtää jopa satoja tuhansia puhelinyhteyksiä lyhyitä matkoja ja kymmeniä tuhansia pidempiä matkoja (10.000 – 60.000). Tietokoneverkoissa kuitu on yleinen operaattoreiden runkoverkoissa, paikallisverkkojen rungoissa ja rakennusten yhdistämisessä. Monissa laitteissa, joihin käyttäjät kytketään, on nykyään yhteys eteenpäin toteutettu valokuidulla (kytkimet, keskittimet). 

Optista kuitua on kolmea erilaista riippuen siitä, miten valo kuidussa etenee: askeltaitekertoimista, asteittaistaitekertoimista ja yksimuotokuitua. Yleisesti puhutaan yksimuoto- ja monimuotokuidusta.

Kuiduilla on tarkka taivutussäde (riippuu kuidusta), joka voi olla jopa alle 10cm ja taivutus lisää kuidun vaimennusta. Liitoksien tekeminen kuituun vaatii erikoistekniikkaa ja on mahdollista hitsaamalla tai liimaamalla (kumpikin lisää vaimennusta). Valokuitu on arka myös vedolle, ja tämän takia sen asennuksen kanssa tulee olla tarkkana varsinkin vanhoissa kohteissa. 

 

Kuidun liittimien liittämisessä laitteisiin tulee olla tarkkana, ettei ylimääräisiä vaimennuksia pääse syntymään:

• Liittimet ovat tarkasti vastakkain
• Liittimien väli on puhdas
• Liittimien päät eivät naarmuunnu

Käytetty aallonpituus ei yleensä ole näkyvällä alueella (jonka aallonpituus on välillä 400nm-700nm) ja laitteessa voi olla koko ajan lähetys päällä, joten kuituun tai laitteen liittimeen katsominen voi vaurioittaa silmää. Varsinkin laserilla on pieni bias virta päällä lähettimessä koko ajan ja tämä aikaansaa pienen lasersäteilyn, joka vastaa nollatilaa ja suurempi laserin intensiteetti vastaa binääristä ykköstä LED lähettimellä lyhyt pulssi vastaa binääristä ykköstä ja valon puuttuminen nollaa. Varsinkin nykyään, koska siirtonopeudet ovat kasvaneet, käytetään aallonpituuksia 1300nm (LED tai laser) tai mieluummin 1500nm (laser). 

Kuitujen asennuksessa rakennuksiin esimerkiksi kerrosten välille vedetään yleensä useita kuitupareja tai kaapeli, joka itsessään sisältää kymmeniä pareja, joista tarpeellinen määrä otetaan käyttöön. Pitkillä yhteyksillä ilmakaapelissa on kannatinvaijeri, josta se ripustetaan pylväisiin ja itse kaapeli sisältää useita kuitupareja. Pitkien yhteyksien maakaapeli sisältää myös useita satoja kuitupareja.

Valokaapeleita käytetään digitaalisessa tiedonsiirrossa, ja kanavointi tehdään WDM-tekniikalla, jolla samaan kuituun saadaan useita eri valon aallonpituuksia ja näin kasvatetaan kuidun käyttöastetta. 

Edut

• Hyvä häiriöiden sieto, ei ylikuulumista
• Soveltuu digitaaliseen tiedonsiirtoon
• Suuri kapasiteetti
• Kevyt
• Pieni vaimennus
• Vaikea salakuunnella

Haitat

• Hankalat liitokset
• Helpohkosti särkyvää
• Ei tehonsyöttö mahdollisuutta
• Vaikea ristiinkytkeä/haaroittaa

Sähköiset mittaukset

Ohut Ethernet kaapeleiden mittaukset

• Vaimennus
• Varmistetaan ettei signaali heikkene liiaksi
• Kulkuaikaviive
• Kuinka kauan signaalin siirtyminen kestää kaapelin päästä päähän
• Tällä perusteella lasketaan kaapelin pituus, jonka perusteella määräysten mukaisuus
• Impedanssi eli aaltovastus
• Selvitetään kaapelin päätevastuksista aiheutuvia heijastukset
• Standardin mukaisuus varmistetaan vertaamalla saatuja arvoja standardin minimi- ja maksimiarvoihin
• Silmukkaimpedanssin mittauksella voidaan selvittää mahdolliset huonot liitokset tai hapettuneet liittimet

Parikaapeleiden mittaukset

Mittauksia joudutaan tekemään huomattavasti enemmän, erityisesti kun kyseessä on yleiskaapelointistandardin mukainen järjestelmäriippumaton puheen, datan ja kuvan siirtoverkko. Vaimennus-, kulkuaikaviive-, impedanssi- ja vieraat jännitteet mitataan kuten ohut Ethernet-verkoissakin. Kuitenkin tärkein verkon toimivuuden vaikuttava tekijä nykyisillä kaapelimateriaaleilla on ylikuuluminen. Ylikuuluminen on haitallinen ilmiö, jossa yhden parin signaali kytkeytyy induktiivisesti muille pareille. 

Kriittisintä ylikuuluminen on lähipäässä, jossa kaapelin vaimennus ei ole vielä vaikuttanut. Sen selvittämiseksi avainasemassa on lähipään ylikuulumisen NEXT-mittaus (Near End Cross Talk), joka kuvaa ylikuuluneen ja alkuperäisen signaalin suhdetta. Sen mittaus tapahtuu aina siihen tarkoitukseen suunnitellulla digitaalista signaaliprosessointia (DPS) käyttävällä hyväksymismittarilla. Toinen merkittävä mittauskohde parikaapeleissa on johtimien ja parien oikea kytkentäjärjestys. 

Kulkuajan ja pituuden mittaus

Kaapelointistandardit määrittelevät kullekin kaapelille segmentin maksimipituuden. Maksimipituuden määräytymiseen vaikuttavat kaapelimateriaalin vaimennus sekä signaalin edestakaiseen kulkuun verkon päästä päähän ja takaisin kulkema aika (round trip time). Erityisesti pelkästään toistimien (repeater) ja keskittimien (HUB) varaan rakennetuissa Ethernet verkoissa kulkuajalla on verkon toiminnan kannalta olennainen merkitys.

Kaapelisegmentin pituus mitataan sähköisesti lähettämällä kaapeliin signaali, jonka annetaan heijastua kaapelin toisesta päästä takaisin ja mitataan siihen käytetty aika. Aika jaetaan kahdella, jolloin saadaan signaalin kulkuaika (propagation time) eli kulkuaikaviive (propagation delay). 

Impedanssin mittaus

Impedanssin mittauksella todetaan, ettei kaapelissa ole katkoksia, oikosulkuja, vuotokohtia tai huonoja liitoksia. Sen avulla varmistetaan myös koaksiaalikaapeleiden päätevastusten toiminta ja oikea mitoitus. Mikäli impedanssi ei vastaa standardien määrittämiä raja-arvoja, kaapeleissa tai liittimissä syntyy niin suuria heijastuksia, että signaalin tunnistus ei enää toimi. Jos impedanssimittauksessa havaitaan sallitusta poikkeavia arvoja, suoritetaan TDR-kaapelitutkamittaukset vikakohdan löytämiseksi. 

Johdotuksen oikeellisuuden tarkistaminen

Tarkistetaan, että kaapelien parien johtimet on kytketty liittimessä oikeisiin nastoihin. Ns. Wire Map -mittauksilla varmistetaan, että johtimet ja nastat on kytketty standardin edellyttämällä tavalla. Ethernet -verkoissa ja yleiskaapeloinnissa on käytössä kaksi johtimien tunnusväreillä toisistaan poikkeavaa kytkentäjärjestystä (TIA -värikoodit), sähköinen kytkentä on molemmissa sama. 

Lähteet

•        Tietoverkot kurssimateriaali, Esa Niiranen