www.samag.ru
     
Поиск  
              
 www.samag.ru    Web  0 товаров , сумма 0 руб.
E-mail
Пароль  
 Запомнить меня
Регистрация | Забыли пароль?
Сетевой агент
О журнале
Журнал «БИТ»
Информация для ВАК
Звезды «СА»
Подписка
Где купить
Авторам
Рекламодателям
Магазин
Архив номеров
Мероприятия
Форум
Опросы
Ищу/Предлагаю работу
Спроси юриста
Игры
Контакты
   
Слайд шоу  
Представляем работы Виктора Чумачева
Виктор Чумачев – известный московский художник, который сотрудничает с «Системным администратором» уже несколько лет. Именно его забавные и воздушные, как ИТ, иллюстрации украшают многие серьезные статьи в журнале. Работы Виктора Чумачева хорошо знакомы читателям в России («Комсомольская правда», «Известия», «Московские новости», Коммерсант и др.) и за рубежом (США, Германия). Каждый раз, получая новый рисунок Виктора, мы в редакции улыбаемся. А улыбка, как известно, смягчает душу. Поэтому смотрите на его рисунки – и пусть у вас будет хорошее настроение!

  Опросы
Дискуссии  
17.09.2014г.
Просмотров: 14827
Комментарии: 3
Красть или не красть? О пиратском ПО как о российском феномене

Тема контрафактного ПО и защиты авторских прав сегодня актуальна как никогда. Мы представляем ...

 Читать далее...

03.03.2014г.
Просмотров: 18764
Комментарии: 1
Жизнь под дамокловым мечом

Политические события как катализатор возникновения уязвимости Законодательная инициатива Государственной Думы и силовых структур, ...

 Читать далее...

23.01.2014г.
Просмотров: 26805
Комментарии: 3
ИТ-специалист будущего. Кто он?

Так уж устроен человек, что взгляд его обращен чаще всего в Будущее, ...

 Читать далее...

1001 и 1 книга  
16.02.2017г.
Просмотров: 3974
Комментарии: 0
Опоздавших не бывает, или книга о стеке

 Читать далее...

17.05.2016г.
Просмотров: 6806
Комментарии: 0
Теория вычислений для программистов

 Читать далее...

30.03.2015г.
Просмотров: 8910
Комментарии: 0
От математики к обобщенному программированию

 Читать далее...

18.02.2014г.
Просмотров: 10508
Комментарии: 0
Рецензия на книгу «Читаем Тьюринга»

 Читать далее...

13.02.2014г.
Просмотров: 7325
Комментарии: 0
Читайте, размышляйте, действуйте

 Читать далее...

Друзья сайта  

Форум системных администраторов  

sysadmins.ru

 Расчет параметрической надежности кабеля «витая пара»

Архив номеров / 2016 / Выпуск №12 (169) / Расчет параметрической надежности кабеля «витая пара»

Рубрика: Наука и технологии

Без фото ПОЛЕССКИЙ С.Н., к.т.н., доцент НИУ ВШЭ, spolessky@hse.ru

Без фото МАЯКОВА О.Ю., магистрант 2-го курса НИУ ВШЭ, kylie92@mail.ru

Без фото АЛЕЙНИКОВ А.В., магистрант 2-го курса НИУ ВШЭ, artego93@rambler.ru

Без фото ВОСТРИКОВ А.В., к.т.н., доцент НИУ ВШЭ, avostrikov@hse.ru

Расчет параметрической надежности кабеля «витая пара»

В работе рассчитана параметрическая надежность кабеля витой пары через коэффициент передачи информации. Приведена зависимость вероятности безотказной работы от изменения скорости передачи данных

Введение

Одним из видов кабелей связи является так называемая витая пара (далее КВП). КВП являются самым популярным средством передачи сигнала в телекоммуникационных и компьютерных сетях из-за своей низкой стоимости и легкости монтажа. Однако при оценке надежности данного типа кабелей учитываются только внезапные отказы, тем самым оцениваемые показатели завышаются. Поэтому КВП считаются высоконадежным элементом. Эксплуатационная практикаже показывает, что реальная надежность кабелей хуже рассчитанной. В связи с этим необходимо подробнее рассмотреть влияние параметрических отказов на надежность КВП.

Описание объекта

КВП представляет собой одну или несколько пар изолированных проводников, скрученных между собой и покрытых пластиковой оболочкой (см. рис. 1). Скручивание проводников необходимо для того, чтобы снизить электромагнитные помехи от внешних источников и взаимные наводки, а также повысить качество связи. В КВП начиная с пятой категории для уменьшения связи отдельных пар в кабеле их свивают с различным шагом.

Рисунок 1. Кабель «витая пара»

Рисунок 1. Кабель «витая пара»

Пример КВП приведен на рис. 1. Рассматриваемый кабель внутри внешней оболочки имеет четыре «витые пары» с однопроволочными медными проводниками диаметром 0,52 мм. Изоляция выполнена из сплошного полиэтилена. Дляэксплуатации в закрытых помещениях внешнюю оболочку выполняют из поливинилхлоридного пластиката [1]. Ниже, в таблицах 1-4, приведены основные характеристики КВП [9].

Таблица 1. Основные электрические характеристики

Параметр Величина
Электрическое сопротивление цепи (двух проводников пары) постоянному току при температуре 20°С, не более Ом/100м 19
Омическая асимметрия проводников в рабочей паре на длине 100 м, %, не более 2
Электрическое сопротивление изоляции проводников, пересчитанное на 1 км длины и температуру 20°С, МОм/км, не менее 5000
Электрическая емкость рабочей пары, пФ/м, не более 56
Емкостная асимметрия пары относительно земли на длине 100 м, не более, пФ 0,16
Волновое сопротивление, Ом 100±15
Скорость распространения, не менее, % 60,0
Время задержки сигнала на длине 100 м, не более, нс 570,0
Испытательное напряжение между жилами, а также между жилами и экраном, кВ 2,5

Таблица 2. Частотные характеристики

Частота, МГц 1 4 10 16 20 31.25 62.5 100
Коэффициент затухания, дБ/100 м, не более 2,1 4,1 6,5 8,3 9,3 11,7 17 22

Таблица 3. Значения переходных затуханий на ближнем и дальнем конце

Частота, МГц 1 4 10 16 20 31.25 62.5 100
Переходное затухание на ближнем конце (NEXT) на длине 100 м, дБ, не менее 65 56 50 47 46 43 38 35
Переходное приведенное затухание на дальнем конце (EL FEXT) на длине 100 м, дБ, не менее 64 52 44 40 38 34 28 24

Таблица 4. Массогабаритные и эксплуатационные параметры

Марка Наружный размер кабеля, мм Мин. радиус изгиба кабеля, мм Срок службы, не менее, лет Диапазон рабочих температур, °С Расчетная масса 1 км кабеля, кг
КВП-5е 4х2х0,52 6,5 65,0 20 -40 +70 32,0

Расчетная часть

Как и у любой системы электромагнитных колебаний, электрические свойства КВП характеризуются первичными параметрами: сопротивлением, емкостью, проводимостью изоляции и индуктивностью проводников. Параметр сопротивления R обуславливает тепловые потери энергии, а проводимость изоляции G обуславливает потери энергии в изоляции. В дальнейшем параметр G мы приравниваем к параметру R. Реактивность КВП определяют параметры емкости С и индуктивности L – частотные свойства кабеля.

Так как КВП представляет собой два проводника, отделенных друг от друга слоем изоляции, то такую конструкцию можно представить в качестве конденсатора С. Величина емкости такого конденсатора линейно возрастает при увеличении его длины. Сопротивление R зависит от материала, из которого изготовлен проводник, длины и площади сечения кабеля, а также от температуры. Индуктивность КВП L возникает также из-за физических особенностей кабеля. Так как КВП состоит из двух проводников, то при протекании через них тока каждый накапливает энергию. При увеличении частоты индуктивность уменьшается.

Применяя метод искусственной электрической аналогии, можно преобразовать КВП в эквивалентную электрическую схему, где два крайних резистора, левый и правый, представляют собой два соединителя типа RJ-45.

Рисунок 2. Упрощенная эквивалентная схема КВП

Рисунок 2. Упрощенная эквивалентная схема КВП

На основе рис. 2 и соотношений Формула 1, Формула 2 и Формула 3 находим коэффициент передачи цепи по следующей формуле:

Формула 4

Рисунок 3. Зависимость коэффициента передачи от частоты передачи информации

Рисунок 3. Зависимость коэффициента передачи от частоты передачи информации

КВП пятой категории в соответствии с международными стандартами имеет частоту, равную 125 МГц, и максимальную скорость передачи данных – 100 Мбит/с. Связь между максимально возможной пропускной способностью линии и еешириной полосы пропускания вне зависимости от способа физического кодирования была установлена американским ученым Клодом Шенноном:

Формула 5

где:

  • С – максимальная пропускная способность линии, Мбит/с;
  • F – ширина полосы пропускания линии; Гц;
  • f – частота передачи информации; Гц,
  • K(f) – коэффициент передачи.

Рисунок 4. Зависимость скорости передачи от частоты передачи информации

Рисунок 4. Зависимость скорости передачи от частоты передачи информации

Оценка параметрической надежности КВП

В процессе эксплуатации КВП на его элементы оказывают влияние различные дестабилизирующие факторы. Одновременное влияние комплекса воздействий приводит к изменениям свойств полупроводниковых материалов элементов иизменению их параметров. Изменение параметров может происходить как скачкообразно, так и постепенно. Исходя из этого надежность КВП можно оценить вероятностью безотказной работы [5]:

Формула 6

где:

  • Рвн(t) – вероятность безотказной работы оборудования по отношению к внезапным отказам в течение времени t;
  • Pп(t) – вероятность безотказной работы оборудования по отношению к постепенным отказам за то же время t при условии отсутствия внезапных отказов;
  • P(t) – количественная оценка надежности, равная вероятности того, что телекоммуникационное оборудование будет нормально работать, т.е. сохранять свои параметры в заданных пределах в течение заданного времени вопределенных условиях эксплуатации.

Модели внезапных отказов основаны на изучении статистических и вероятностных закономерностей поведения множества однотипных элементов. При этом множество возможных состояний элементов сводится в основном к двум видам состояний (исправности и неисправности), описываемым показателями надежности. Однако применение методов резервирования с восстановлением и без восстановления, оценки восстанавливаемых систем, поведения испытаний иобработки экспериментальных данных и т.д. ограничено вследствие отсутствия связи между определяемыми показателями надежности, физическими характеристиками материалов элементов оборудования и воздействующими на них факторами.

В связи с этим для оценки показателей надежности КВП используют граничные, матричные и методы динамических испытаний.

Как было отмечено, вероятность безотказной работы оборудования по отношению к постепенным отказам характеризуется способностью устройства сохранять уровень своего определяющего параметра в поле допуска в течение требуемого времени при заданных режимах эксплуатации. Критерием отказа в данном случае является нарушение неравенства:

Формула 7

где y – определяющий параметр устройства, а количественная мера надежности – вероятность выполнения условия, приведенного выше, в течение заданного времени Т:

Формула 8

Основной причиной постепенного отклонения определяющего параметра от своего начального значения за поле допуска является изменение параметров элементов, входящих в телекоммуникационное оборудование, обусловленное протеканием различных деградационных процессов под действием окружающей среды и режимов работы. Поэтому при определении показателей надежности используют данные о физических свойствах материалов и влиянии на них воздействующих факторов в сочетании с вероятностными и статическими методами.

Используя полученное в разделе 3 значение С, находим параметрическую вероятность безотказной работы КВП по методу Вейбулла-Гнеденко [19]:

Формула 9

где:

  • λ = 6,12105E-08 1/ч – интенсивность отказов КВП, рассчитанная в соответствии с [6, 7];
  • t – время эксплуатации;
  • Формула 10 – коэффициент формы, где С и Сном – рассчитанное и номинальное значения скорости передачи данных.

По истечении времени за счет снижения толщины изоляции увеличивается емкость, также увеличивается сопротивление меди, соответственно, номиналы элементов цепи могут выйти за пределы допуска. Таким образом, меняя значения R, L и C, мы получаем различные значения рабочей скорости передачи Сраб. В соответствии с этим коэффициент Формула 11 будет меняться в пределах от 0,1 до 1. Подставляя различные значения коэффициента с, получаем несколько значений вероятности безотказной работы кабеля. На рис. 4 представлено семейство зависимостей вероятности безотказной работы от времени эксплуатации, а стрелкой показано направление уменьшения коэффициента формы.

Рисунок 5. Зависимость вероятности безотказной работы от времени эксплуатации КВП

Рисунок 5. Зависимость вероятности безотказной работы от времени эксплуатации КВП

Заключение

На графике (см. рис. 5) хорошо видно, что с уменьшением коэффициента формы вероятность начинает резко уменьшаться. Таким образом, распределение Вейбулла довольно хорошо описывает поведение функции вероятности безотказной работы в зависимости от времени и падения скорости передачи данных. Данный факт свидетельствует о том, что при расчете надежности элементов, помимо внезапных отказов, необходимо также учитывать и параметрические отказы.

  1. Интернет-ресурс – http://ic-line.ua/wiki/glava-22 (дата обращения: 20.10.2016).
  2. Интернет-ресурс – http://cyberleninka.ru/article/n/parametricheskaya-nadezhnost-raschet-i-optimizatsiya (дата обращения: 25.10.2016).
  3. Абрамов О. В. Параметрический синтез стохастических систем с учетом требований надежности. – М.: Наука. – 1992.
  4. Г.В. Дружинин, С.В. Степанов. Теория надежности радиоэлектронных систем в примерах и задачах. М.: Энергия. – 1976.
  5. Н.С. Данилин, Л.И. Гусев, Ю.И. Загоровский. Обеспечение качества РЭА методами диагностики и прогнозирования. – М.: Издательство стандартов. – 1983.
  6. Б.А. Козлов, И.А. Ушаков. Справочник по расчету надежности аппаратуры радиоэлектроники и автоматики. – М.: Сов. Радио. – 1975.
  7. Справочник «Надёжность ЭРИ» 22 ЦНИИИ МО РФ. Издание 16-е. – 2006.
  8. Интернет-ресурс – http://odtdocs.ru/matematika/31506/index.html (дата обращения: 25.10.2016).
  9. Интернет-ресурс – http://ckpr.ru/index.php/katalog/kabelno-provodnikovaya-produktsiya/item/72-kabel-vitaya-para-kategorii-5e-100-om.html (дата обращения: 26.10.2016).
  10. Интернет-ресурс – http://www.studfiles.ru/preview/2082678 (дата обращения: 28.10.2016).
  11. ГОСТ Р 53246-2008 Системы кабельные структурированные. Проектирование основных узлов системы. Общие требования. – М.: Стандартинформ. – 2009.
  12. Стандарт ISO/IEC 11801:2010.
  13. Стандарт IEC 61156-5:2009.
  14. Стандарт BS EN 50173-1:2011.
  15. Стандарт ANSI/TIA-568C.2:2009.
  16. Интернет-ресурс – http://customcable.ca/cat5-vs-cat6 (дата обращения: 03.11.2016).
  17. Интернет-ресурс – https://marul.ffst.hr/~lmales/rm/dodatak-b.pdf (дата обращения: 04.11.2016).
  18. Интернет-ресурс – http://www.infocellar.com/networks/cables/twisted-pair-cables.htm (дата обращения: 03.11.2016).
  19. Интернет-ресурс – https://ru.wikipedia.org/wiki/Распределение Вейбулла (дата обращения: 03.11.2016).

Ключевые слова: витая пара, параметрический отказ, коэффициент передачи, скорость передачи данных, коэффициент формы, вероятность безотказной работы.


Parametric reliability prediction of the twisted pair

Polessky S.N., Mayakova O.Y., Aleynikov A.V., Vostrikov A.V.

National Research University High School of Economics (NRU HSE)

Abstract: The article describes the parametric reliability of the twisted pair cable via the coefficient of transmission of information. The dependence of the reliability from the bit rate changing is also given.

Keywords: twisted pair, parametric failure, the transmission rate, bit rate, aspect ratio, reliability function.


Комментарии отсутствуют

Добавить комментарий

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи

               Copyright © Системный администратор

Яндекс.Метрика
Tel.: (499) 277-12-41
Fax: (499) 277-12-45
E-mail: sa@samag.ru