Информационная проводка в зданиях или какие задачи решает СКС

Современный человек соприкасается с информационно-телекоммуникационными технологиями буквально на каждом шагу. Все мы по меньшей мере несколько раз в день разговариваем по стационарному и мобильному телефону и смотрим телевизор, в котором имеется система телетекста. К традиционным информационным сервисам добавился интернет, из которого мы узнаем последние новости, привлекаем его же для получения требуемых данных по различным поисковым запросам, скачиваем с сайтов всемирной паутины понравившиеся нам или просто модные фильмы, выкладываем в сеть разнообразнейшую информацию и т.д. Именно интернет вызвал появление такого просто немыслимого ранее социального явления как формирования виртуальных групп пользователей и довольно устойчивых групп участников различных конференций и форумов.

Все перечисленные выше сервисы представляют собой только видимую сторону картины. Современное здание следует рассматривать как сложнейшее инженерное сооружение с большим количеством весьма разнородных систем. Среди таковых присутствуют тепло- и водоснабжение, контроль доступа, пожарная сигнализация, централизованное кондиционирование, общее и дежурное освещение, лифты и т.д. Количество таких подсистем может достигать нескольких десятков. При этом при всей своей разноплановости они в обязательном порядке должны взаимодействовать между собой. Только при выполнении этого условия возможно их эффективное и экономичное функционирование, а находящемуся в здании человеку обеспечиваются условия комфортного пребывания, включающие в себя полноценную работу и отдых.

Решение перечисленных выше задач требует обязательного применения большого количества электронных устройств. Именно они являются для человека посредником и двухсторонним интерфейсом между его потребностями и хранилищами требуемой информации, а для оборудования инженерного обеспечения средства электронной обработки данных позволяют не только увеличить точность работы, но и значимо повысить скорость реакции на изменение внешних условий.

Способы реализации физического уровня современной информационной системы

Электронные устройства, если оставить за рамками их назначение, можно рассматривать на равных правах с такими компонентами современного здания как мебель, двери, стены, водопроводная и газовая арматура, электропроводка и т.д. Общим для этих объектов становится то, что эффективность их функционирования и взаимодействия в широком смысле этого термина значительно увеличивается в том случае предварительного согласования друг с другом. Более того, необходимость динамического выполнения этой процедуры резко увеличивается в тех ситуациях, когда меняются внешние условия.

Из всего перечисленного можно сделать предварительный вывод о необходимости объединения электронных устройств в сетевую структуру. Для тех из них, которые относятся к телекоммуникациям, это является необходимым условием самого нормального функционирования. Для устройств второй группы, которые относятся к системам инженерного обеспечения здания, объединение отдельных контроллеров в промышленную сеть не относится к безусловно обязательным. Тем не менее, выгоды от нормально функционирующей сети управления инженерным обеспечением оказываются настолько большими, что в современном здании ее наличие рассматривается фактически на правах стандарта де-факто, а само здание становится т.н. интеллектуальным. Объекты недвижимости прежних лет постройки с учетом сложившейся тенденции стараются довести до уровня интеллектуальных или хотя бы подтянуть их к этому состоянию.

Информационно-теле­ком­муникационная инфраструктура, реализуемая в процессе совершенствования здания в обозначенном направлении, строится в соответствии с известной моделью открытых систем. В ней также без ограничения общности могут быть выделены несколько уровней. В рамках данного материала сосредоточим свое внимание исключительно на базовом физическом уровне этой структуры.

На физический уровень возлагается несколько основных функций, из которых нас в дальнейшем будет интересовать обеспечение средой передачи различных сетевых устройств. С учетом основного назначения данной части ИКС промышленностью предложены различные возможности ее практической реализации. Дадим их краткую классификацию в описательной форме.

Самым первым критерием отличия решений друг от друга является их характер: требующий построения нового объекта или же реализуемые с использованием уже имеющихся ресурсов.

В случае тех подходов, в основу которых положено построение физического уровня с нуля, в качестве среды передачи могут быть использованы специально выделенные для этой цели слаботочные кабели. Достаточно большим спросом пользуется обращение к беспроводным технологиям. В последнем случае решения дополнительно делятся в зависимости от используемого частотного диапазона на относящиеся к радиосвязи и к оптической связи.

Сильной стороной привлечения имеющихся ресурсов является высокая скорость построения физического уровня ИКС на их основе. Это является прямым следствием того, что необходимая инфраструктура в большей или меньшей степени уже была реализована ранее. В рамках практической реализации этой стратегии известно привлечением для построения ИКС классической телефонной проводки (модемная связь, в т.ч. в рамках концепции HomePNA), телевизионной проводки (модемная связь по коаксиальному кабелю и интерактивное телевидение, упомянутый выше телетекст), силовой электрической проводки (домашние сети на адаптерах класса PowerLine и им подобных). На ранних этапах развития техники ЛВС серийно выпускались даже подключаемые к последовательному порту адаптеры на несущих ультразвукового диапазона, которые в последние минимум полтора десятка лет не встречаются из-за чрезвычайно небольшой скорости передачи.

Области применения различных вариантов реализации физического уровня

Выбор того или иного варианта реализации физического уровня ИТС является типичной многокритериальной задачей, принципиально не имеющей в общем случае однозначного решения. Более того, окончательное решение очень сильно зависит от имеющихся начальных условий, небольшие изменения которых могут привести к прямо противоположным результатам.

В качестве основания для принятия решения наиболее часто привлекаются те критерии, которые обычны для широкой инженерной практики или же мало отличаются от них. Таковыми являются время запуска ИКС в нормальную эксплуатацию и простота последующего ее расширения в широком смысле этого термина, сложность управления структурой, капитальные и эксплуатационные расходы, скорость передачи информации и максимальная дальность связи с заданным качеством, гибкость формируемой структуры. При желании представленный список можно легко продолжить.

Простой перечень приведенных выше критериев дает возможность довольно четко разделить возможную совокупность решений на профессиональные и бытовые подходы, используя в качестве численной меры скорость и дальность связи. В основу этого положено простое соображение о том, что из чисто физиологических ограничений среднестатистический человек может воспринимать информационный поток, поступающий к нему со скоростью не свыше 50-70 Мбит/с. Исходя из подобного рода начальных условий, немедленно следует, что для профессиональных применений не могут быть использованы те варианты, которые выше были отмечены как основанные на уже имеющихся ресурсах. Так, например, довольно популярные системы связи по силовой проводке не позволяют создать сети с числом отдельных узлов свыше десятка, а эффективная скорость передачи реально ограничена величиной 30 – 40 Мбит/с при дальности связи с общепринятым качеством не свыше 30 – 40 м.

В части профессиональных систем на первый взгляд существует неопределенность выбора между проводными и беспроводными вариантами исполнения физического уровня. Она возникает потому, что современные уже стандартизированные WiFi-системы обеспечивают скорость передачи 100 Мбит/с и выше. Однако, при этом случает понимать, что предоставляемая ими полоса является разделяемой между всеми подключенными к сети устройствами. Таким образом, при работе в офисе общее быстродействие ИТС на физическом уровне немедленно падает ниже указанных выше минимально допустимых 50-70 Мбит/с на одного пользователя.

На дальность действия точек доступа сильное влияние оказывают местные условия конкретного офисного помещения. Нельзя игнорировать факт того, что часто бывает затруднительно добиться устойчивой связи со скоростями свыше 10 Мбит/с в тех ситуациях, когда подвижный пользователь отделен от точки доступа обычной железобетонной стеной. Совокупность перечисленных факторов вынуждает увеличивать плотность размещения точек доступа относительно требований соответствующих стандартов, каждая из которых, в свою очередь требует проводного канала связи.

В ряде случаев не в пользу радиосети играет ее крайне слабая защищенность от несанкционированного доступа к передаваемой информации.

Совокупность перечисленных факторов приводит нас к тому, что основным техническим средством реализации физического уровня офисных ИТС становятся проводные каналы связи. Отличные от них решения вполне допустимы, но носят явно выраженный нишевый характер и используются в тех случаях, когда обращение к проводным каналам связи невозможно или нецелесообразно по самым разным причинам.

Исключительная и структурированная кабельная система

Информационная кабельная система изначально реализуется как самостоятельный специализированный инфраструктурный компонент здания, предназначенный для передачи по нему в первую очередь различных видов информации техническими средствами электросвязи. В некоторых случаях функциональные возможности этого технического объекта могут быть расширены. Наиболее известно такое расширение в виде дистанционного питания маломощных оконечных устройств по стандартам РоЕ и РоЕ+. Известны также довольно успешные попытки использования оптических кабелей для мониторинга механических напряжений в конструкциях зданий, в качестве чувствительного элемента системы охраны периметра и т.д.

Кабельная система данной разновидности может быть построена как исключительная, которая может рассматриваться как бюджетный вариант проводки и является весьма выгодной с точки зрения экономии капитальных затрат. Под исключительностью понимается то, что она очень точно адаптируется под фактическую конфигурацию здания и является исключительной (единственной) в своем роде. Главным ее недостатком становится то, то она оказывается крайне невосприимчивой к изменению по своим основным эксплуатационным характеристикам.

Более капиталоемкая структурированная кабельная система (СКС) свободна от неудовлетворительных эксплуатационных характеристик исключительной кабельной системы. Ее полезные свойства достигнуты за счет изначального введения в нее определенной избыточности. Последняя в процессе эксплуатации расходуется как на расширение функциональных возможностей ИТС, так и внедрение новых технологий. Это позволяет эффективно избежать такой процедуры как перекладка линейных кабелей, которая крайне нежелательна как в действующем офисе или ином общественном здании, так и в жилом доме из-за полной и достаточно продолжительной дезорганизации внутренней обстановки в таком здании.

Проиллюстрируем последний тезис в количественной форме. Средний межремонтный срок службы здания, который обязательно требует восстановления кабельной системы, составляет примерно семь лет. Сетевое оборудование меняется раз в два-три года. Из этих цифр становится ясно, что,

• формируемая производителем гарантия на кабельную систему и ее компоненты доложен составлять не менее десяти лет (указываемые производителями величины в 15 и более лет, хотя и могут рассматриваться как косвенное свидетельство уровне используемой технологии, но являются преимущественно маркетинговым ходом);
• запас по параметрам пропускной способности должен выбираться таким образом, чтобы без ограничений соответствовать не только современному сетевому оборудованию, но и новым разработками следующих двух поколений.

Результатом наличия внутренних запасов становится то, что по приведенным затратам (капитальные + эксплуатационные) СКС начинает давать экономическую выгоду начиная примерно с четвертого года эксплуатации.

Основные свойства СКС

Основными характерными свойствами СКС является модульный характер ее построения, использование стандартизованного пользовательского интерфейса, возможность администрирования (управления) способами и приемами, зафиксированными на уровне основных нормативных документов международного уровня, а также наличие определенных запасов на перспективу по скорости передачи и обеспечиваемой дальности связи.

Одним из элементов коммерческого успеха СКС стало ее очень четкое деление на отдельные подсистемы, которые чрезвычайно логично и интуитивно понятно ложатся на структуру отдельного здания и их комплекса на общей территории.

Горизонтальная подсистема разворачивается преимущественно на одном этаже или его части. В некоторых ситуациях горизонтальная подсистема обслуживает несколько смежных этажей. Горизонтальная подсистема обладает важным свойством универсальности, т.е. непосредственно или через адаптеры обслуживает самые разнообразные виды сетевой аппаратуры.

Магистральные подсистемы представлены двумя разновидностями. Так называемая вертикальная подсистема или подсистема внутренних магистралей соединяет в единое целое в информационном смысле этого термина отдельные этажи здания. Несколько зданий, находящихся на общей территории, соединяются друг с другом подсистемой внешних магистралей.

Таким образом, получаем достаточно гибкую и единообразную иерархическую структуру, конкретное исполнение которой определяется количеством здания на конкретно взятой территории, а также числом этажей в каждом из них.

В качестве стандартизованного пользовательского интерфейса обычно применяется розетка соединителя модульного типа RJ45. В тех редких случаях, когда реализуется проект класса “волокно до рабочего места” функции пользовательского интерфейса выполняет розетка оптического разъема LC. В центрах обработки данных он дополняется групповым разъемом MTP/MPO, о котором мы уже писали на страницах нашего сайта.

Основным нормативным требованием касательно стандартизации администрирование является необходимость ведения документации в форме привычной всем БД. Объем включаемых в нее данных зависит от размеров кабельной системы. В сетях большого масштаба БД в обязательном порядке ведется в электронной форме. В некоторых случаях процедура ее заполнения и изменения автоматизируются применением т.н. интерактивного управления.

Состав кабельной системы

Еще одним свойством, обеспечившим СКС широкий коммерческий успех, стала ее простота. По типу допустимой к использованию элементной базы СКС делится всего на две подсистемы: медножильную (на основе симметричных кабелей) и волоконно-оптическую. Ключевыми компонентами любой подсистемы становятся кабель, коммутационные шнуры и розетки.

Внутри класса ключевых компонентов существует свое внутреннее деление. Например, кабели делятся по категориям и на горизонтальные 4-парные и многопарные магистральные. Последние, в свою очередь, в зависимости от исполнения рассчитываются на прокладку внутри зданий и за его пределами. Шнуры различаются длиной и типом вилок на разных концах. Информационные розетки могут быть индивидуальными и групповыми с установкой, соответственно, на рабочих местах и в технических помещениях. Групповые розетки на рабочем месте называются многопользовательскими (от англ. multiuser), а предназначенные для установки в технических помещениях из-за своей характерной формы и больших объемов применения получили название коммутационных панелей.

Ряд производителей СКС вводят в ее состав некоторые дополнительные компоненты, которые придают продукту определенные новые свойства. Тем не менее, они носят в лучшем случае факультативный характер даже в случае наличия соответствующих положений в базовых стандартах. Например, необходимость применения оборудования интерактивного управления в крупных СКС нормируется европейским стандартом EN50173. Гораздо чаще дополнительные компоненты не упоминаются в нормативных документах, а их назначением становится усиление рыночной привлекательности конкретной СКС. В качестве примера сошлемся на такие популярные изделия как элементы цветовой маркировки отдельных портов и шнуровых изделий. Сюда же относятся компоненты блокировки несанкционированного подключения и отключения шнуров к конкретным портам как панелей СКС, так и активного сетевого оборудования.

Универсальность кабельной системы

Далее без ограничения общности ограничимся рассмотрением только электропроводной горизонтальной подсистемы. На реализацию этой части СКС направляется свыше ¾ всех необходимых людских и материальных ресурсов. Доля проектов класса “волокно до рабочего места” согласно известной статистике не превышает небольших единиц процентов.

Потребительскую ценность СКС резко усиливает свойство ее универсальности. Сама универсальность достигается наличием в горизонтальном кабеле четырех витых пар и применением в качестве пользовательского интерфейса разъема модульного типа. Подавляющее большинство современных сетевых приборов имеют приборный интерфейс также на основе розетки RJ45, что снимает проблему переходного шнура для подключения активного устройства к ИТС.

Идея СКС была высказана в конце 80-х гг. прошлого столетия, когда на рынке присутствовало несколько конкурирующих между собой технологий передачи данных в локальных сетях. В области телефонии как второго основного потребителя ресурсов СКС в сопоставимых объемах применялись аналоговые и цифровые учрежденческие телефонные станции. Использование 4-парного кабеля и разъема модульного типа, которые были функционально избыточными для каждого отдельно взятого приложения, позволило очень эффективно развязать их друг от друга даже не смотря на одинаковый форм-фактор интерфейса. Иначе говоря, при ошибочном подключении порта, например, аналоговой АТС к линии с компьютером на противоположной стороне последний не выходил из строя при подаче на него сигнала индукторного вызова за счет того, что эти типы аппаратуры использовали разные пары.

В настоящее время свойство подачи сигналов на разные витые пары задействуется в полевых шинах, которые широко применяются при построении систем автоматизации инженерного обеспечения здания. Более того, контроллеры этой разновидности изначально строятся с прицелом для передачи их сигналов по кабельным трактам СКС. Именно по этой причине в них в качестве пользовательского интерфейса также используется разъем модульного типа, что зафиксировано на нормативном уровне.

Другие типы современной сетевой аппаратуры также по возможности выпускаются с интерфейсов на основе розетки RJ45. В необходимых случаях для механического согласования типов интерфейсов используются адаптеры шнурового и корпусного типов.

Современные высокоскоростные сетевые устройства для обмена информацией между ними используют преимущественно сетевые интерфейсы Ethernet. В ситуации их отсутствия задача перехода решается с помощью внешних конверторов интерфейсов. Как результат, можем констатировать, что в области подключения активных сетевых устройств к кабельной системе в настоящее время достигнута полная гармония.

Наличие четырех пар в линейном кабеле дает возможность применять при организации информационного обмена схему параллельной передачи и эффективно решить проблему наращивания скорости. Тем самым при изначально правильно выбранной категории проводки создавался задел на перспективу: переход на более быстродействующую аппаратуру не требует замены компонентов стационарной линии. В рамках реализации этой стратегии скорость передачи по симметричным трактам доведена уже до 10 Гбит/с с перспективой ее увеличения до 40 Гбит/с. Правда, в последнем случае предельная протяженность тракта падает до примерно 40 м.

Еще одним полезным нововведением минувшего десятилетия стала возможность использования кабельных трактов СКС для дистанционного питания маломощной сетевой терминальной аппаратуры. В зависимости от модели инжектора максимальная мощность такого устройства может составлять 13 или 25,5 Вт. Это открывает перспективы обеспечения нормальной работоспособности таких популярных устройств как точки доступа WiFi и камеры охранной сигнализации, причем последние могут быть поворотными.

В случае обращения к построению систем домашней автоматизации мощность потребителя может быть доведена до 100 Вт. Однако, при этом резко сокращается ресурс разъемного соединителя.

Пользовательские преимущества СКС

Высокая степень стандартизации СКС и универсальный характер трактов передачи, создаваемых на ее основе, обеспечивает кабельной системе данной разновидности ряд преимуществ, понятных и хорошо воспринимаемых пользователями. Крайне важно то, что практическая реализация этих преимуществ осуществляется преимущественно однотипно с использованием серийной элементной базы и не требует выполнения новых разработок. Справедливости ради отметим, что в нюансах наблюдается определенная зависимость вида реализации от характера поддерживаемого информационного сервиса и некоторых других входных параметров.

Приведем некоторые примеры, подтверждающие указанный тезис.

Наиболее просто дело обстоит в области ЛВС офисного типа, из стремления удовлетворения потребностей которых в свое время выросла сама идея построения СКС. В данном случае основным входным параметром является поддерживаемая скорость передачи, которая почти форсировано определяет категорию элементной базы. В тех случаях, когда она не превышает 1 Гбит/с, используется преимущественно категория 5е. В центрах обработки данных (ЦОД), где часто необходимы скорости в 10 Гбит/c требования к минимальной категории усиливаются до уровня 6а. Во всем остальном (структура линии, ее предельная протяженность, количество точек коммутации и т.д.) достаточно соблюдения положений профильных стандартов.

Другие категории в широкой инженерной практике построения ЛВС используются редко. Так категория 6 применяется в тех случаях, когда необходимы особые гарантии качества передачи при длинах трактов, близких к предельным, а также при повышенном уровне электромагнитных помех. Категория 7 и 7а реально востребованы только в случае выдвижения специальных требований в отношении конфиденциальности передаваемой информации.

Отметим, что в интересах ЦОД в ближайшее время будет стандартизована элементная база категории 8, рассчитанная на передачу информационных потоков со скоростями в 40 Гбит/с. Перспективы применения этой разновидности среды передачи определяются в первую очередь ее более высокой и столь важной для данной области энергетической эффективностью по сравнению с волоконной оптикой.

Совсем просто обстоят дела в области телефонии. Обычная и даже цифровая телефония несопоставимы по скоростям с приложениями ЛВС и телекоммуникационные устройства данной разновидности могут подключаться к кабельным трактам непосредственно даже при минимальной категории 5е. Для более экономичного использования ресурсов кабельных трактов могут применяться Y-адаптеры и принцип cable sharing (разделения или расщепления кабелей), который дает возможность поддерживать работу одновременно до четырех телефонов по одному горизонтальному кабелю.

Системы автоматизации различных инженерных систем здания (сюда относятся, например, пожарно-охранная сигнализация, системы контроля доступа и аналогичные им) могут использовать кабельные тракты непосредственно в независимости от выбора типа их интерфейсной части. При их построении на основе полевой шины сказывается то, что СКС на уровне базовых стандартов рассчитана на работу с интерфейсами серии RS и их более скоростными аналогами. Каких либо дополнительных устройств не требуется. Более того, линейный интерфейс части контроллеров серии RS реализован на основе гнезда модульного разъема и для их подключения к СКС вполне пригодны обычные компьютерные шнуры.

Промышленные предприятия с точки зрения СКС представляют своеобразную комбинацию из офисной части (верхние уровни) и проводки для жестких условий эксплуатации с большим количеством полевых шин (два нижних уровня). Их главной особенностью становится выбор подходящей элементной базы, которая за счет разрешения к применению полимерной и кварцполимерной оптики заметно шире по сравнению с традиционными СКС.

В тех ситуациях, когда данные системы выполнены в рамках концепции прозрачного предприятия, предполагающей применение единой технологии на всех уровнях сети, любой сегмент полевой шины заканчивается конвертором интерфейсов с выходным портом 10/100 Ethernet. Таким образом, СКС в этом случае обслуживает обычную локальную сеть.

Сервисы, тем или иным образом связанные с различными сигналами изображения (в первую очередь традиционное телевидение и видеонаблюдение), также легко поддерживаются СКС. При этом возникают некоторые дополнительные задачи, которые без проблем решаются на стандартной и широко доступной элементной базе.

Кратко укажем на решения в данной области. Известно, что телевизионные устройства имеют коаксиальный интерфейс с выходным сопротивлением 75 Ом. Для перехода на симметричные 100-омные тракты привлекаются опять же внешние адаптеры, представляющие собой согласующие трансформаторы и традиционно называемые в технике СКС балунами. Балуны в шнуровом или корпусном исполнении устанавливаются на входе и выходе обычной симметричной линии. При работе с композитным сигналом достаточно одного балуна, RGB-сигнал требует трех балунов, которые из соображений удобства монтируются в одном корпусе.

При необходимости передачи линии на использование в интересах ЛВС достаточно просто отключить балуны и линия готова к использованию.

Определенная особенность имеется в части выбора категории элементной базы. Системы видеонаблюдения работают в базовой полосе. Относительно невысокая по меркам СКС верхняя граничная частота 6 МГц такого сигнала позволят обойтись техникой категории 5е.

В случае построения систем кабельного телевидения, что характерно в основном для жилого сектора и гостиниц, верхняя граничная частота может составлять 550, 862 или даже 1200 МГц. В этом случае предпочтительна элементная база категории не ниже 7, что позволяет заметно увеличить предельную дальность действия без применения дополнительного усилителя-бустера.

В тех случаях, когда в информационной системе используется IP-телевидение, задача сводится к созданию ЛВС и успешно решается без применения адаптеров.

Столь же просто с помощью ресурсов СКС поддерживаются другие разновидности информационного сервиса с интерфейсами, отличными по типу от рассмотренных выше (USB, Fiber Channel и иные). По скоростям они не превышают старшие модели интерфейсов Ethernet, а также не требуют для функционирования увеличенного свыше четырех количества витых пар. В необходимых случаях привлекаются соответствующие согласующие адаптеры.

Заключение

Современная СКС обладает широчайшими функциональными возможностями, что позволяет закрывать потребности подавляющего большинства видов сетевого компьютерного и телекоммуникационного оборудования в среде передачи и организации нормальной связи между отбельными устройствами.

Совокупность потребительских качеств СКС позволяет очень эффективно использовать ее на объектах недвижимости самых различных разновидностей начиная от квартир и кончая центрами обработки данных

Наряду с классическими проводными сетевыми интерфейсами ЛВС и телефонной сети предприятия ресурсы кабельных трактов СКС целесообразно привлекать для обеспечения работы сетей беспроводной связи, систем инженерного обеспечения здания, сети кабельного телевидения, а также систем пожарно-охранной сигнализации и видеонаблюдения.

С.А.Алексеев