En el siguiente documento se pretende explicar las características de las nuevas aplicaciones de alta velocidad 10GBASE-T y sus necesidades en cuanto al cableado que lo soporta. También se repasan los límites de emisión electromagnética recogidos en los estándares para evitar excesiva ruido electromagnético en el entorno y los mecanismos de acoplamiento de dicho ruido en el cableado.

Por último se repasan distintas pruebas efectuadas en laboratorios independientes para comprobar la viabilidad de los cableados UTP en entornos como Centros de Datos donde ya se está usando 10GBASE-T y la necesidad de disponer de cableado de mayores prestaciones para las aplicaciones de nueva generación como NGBASE-T (40Gbps).

Introducción
Los sistemas de Cableado Estructurado de Par Trenzado son sistemas meramente pasivos, por tanto, por si solos no generarán ningún tipo de señal electromagnética. Pero unidos a equipos electrónicos que formarán una red de comunicaciones para transmisión de voz, datos, imágenes, se pueden convertir en sistemas que radien al entorno donde se han instalado.
Además, las señales que viajan por estos cables también se pueden ver afectadas por las radiaciones electromagnéticas de otros sistemas.
La llegada de aplicaciones de muy alta velocidad, como por ejemplo 10GBASE-T, hace que las frecuencias de transmisión que se manejan sean muy superiores a las consideradas hasta ahora, por lo que puede existir en el sector cierto temor de, por un lado, que el sistema de cableado supongo una amenaza frente a otros equipos o dispositivos y, por otro lado, que para soportar estas altas velocidades y frecuencias, sea necesario disponer de sistemas solamente apantallados. Se tratará de explicar la viabilidad de usar sistemas sin apantallar para las aplicaciones actuales, incluso para 10GBASE-T e igualmente se verá la necesidad de empezar a usar sistemas apantalladas para poder afrontar la llegada de aplicaciones a 40G.

Compatibilidad Electromagnética - EMC
En EEUU, la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) especifica los límites de radiación para los equipos y sistemas de red en dos clases, Clase A para operar en ambiente comercial y Clase B para operar en ambiente residencial. Los límites de cada clase se especifican en la siguiente tabla.
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En Europa, los países pertenecientes a la unión europea han adoptado la normativa IEC CISPR-22 (Comité Especial Internacional en Interferencia de Radio) que también dispone de los tipos Clase A y Clase B y especifica un procedimiento de prueba y límites de emisión que son muy similares a los requisitos marcados por FCC Parte 15, Subparte B.

Así, todos los productos y sistemas comercializados dentro del marco de la unión europea, deben cumplir con los requisitos de la Directiva de Compatibilidad Electromagnética 89/336, la cual especifica dos requisitos esenciales:
- El dispositivo o sistema no debe interferir con equipos de radio o telecomunicación
- El dispositivo o sistema debe ser inmune a la perturbación electromagnética debida a fuentes tales como transmisores de radiofrecuencia u otros equipos similares.

Tipos de Ruido y Acoplamiento
Existen básicamente dos tipos de ruido sobre un cable:
• Ruido en Modo Común (CM)
• Ruido en Modo Diferencial (DM)




 En la siguiente figura se ilustran los dos mecanismos de acoplamiento de ruido hacia un receptor, ruido inducido debido a un campo electromagnético externo y ruido conducido debido a bucles de tierra externos. El voltaje de acoplamiento en modo común (VCM) es función de la fuerza del campo eléctrico (E) y el área de bucle formada por un conductor de longitud (l) que está suspendido a una altura promedio (h) por encima del plano de tierra. Por tanto, la instalación del cable cerca del plano de tierra puede tener un efecto significativo en la reducción del acoplamiento del ruido de modo común inducido.


 En cuanto al ruido conducido (Vg) es debido a la diferencia de potencial del sistema de tierras entre el área de trabajo y el cuarto de telecomunicaciones, lo cual se producirá mayoritariamente en sistemas apantallados (los sistemas sin apantallar no disponen de elementos metálicos a excepción de los propios pares). Si el par está balanceado, las corrientes de ruido que fluyen en cada conductor son iguales en magnitud y fluyen en la misma dirección, y es sabido que corrientes iguales que fluyen en cada mitad de un primario producen voltajes opuestos en el bobinado secundario, anulándose mutuamente a la entrada del receptor.

Dependiendo del grado de desbalanceo que disponga el cableado (generalmente por problemas de instalación), una parte de la señal de ruido en modo común se convierte en una señal en modo diferencial que pasa directamente hacia el receptor. La pérdida de transferencia por conversión longitudinal (LCTL) medido en dB es una medida de la conversión del ruido de modo común a modo diferencial debido a efectos de desbalanceado del cableado.

Evolución de las Aplicaciones y de los Sistemas de Cableado de Par Trenzado
Así como la industria de los dispositivos activos y las aplicaciones para transmisión de datos en entornos empresariales ha evolucionado de bajas tasas de transmisión (10BASE-T) a muy altas tasas de transmisión (10GBASE-T y 40GBASE-T), también ha sido necesario una evolución de los sistemas de cableado que soportan las distintas aplicaciones, con mayor ancho de banda y robustez frente a interferencias, ruidos internos y externos, etc.
Cada generación de interfaces Ethernet usa protocolos de señalización más eficientes y sistemas de procesamiento de señal mejorados, que permiten mitigar o compensar las características intrínsecos de los los sistemas de cableado de par trenzado a medida que aumenta la frecuencia de transmisión, como son el NEXT o las Pérdidas de Retorno (RL) 

Los sistemas de cableado de par trenzado también han mejorado enormemente sus características técnicas y sobre todo de ancho de banda. Mientras que las aplicaciones 10BASE-T podían funcionar sobre un cableado de Categoría 3 usando solamente 2 pares, 100BASE-TX (Fast Ethernet) necesita de un sistema de Categoría 5, también usando sólo dos pares. 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) necesita usar los 4 pares disponibles, en Categoría 5E aunque es muy recomendable usar Categoría 6 por el escaso margen NEXT que ofrece Cat5E sobre las necesidades de ancho de banda y en particula de NEXT que requiere Gigabit Ethernet, y usa una señalización bidireccional o transmisión Full-Duplex, lo que implica que los interfaces necesitan canceladores de eco (NEXT) en ambos extremos.
La llegada de 10GBASE-T hace necesario el uso de un nuevo sistema de cableado de par trenzado de Cat6A, con un ancho de banda de 500MHz y longitudes máximas de 100 m.  

10GBASE-T dispone de una tasa de transmisión de datos ó Symbol Rate de 800 Mega-Símbolos por segundo (Msps), que comparados con los 125 Msps de Gigabit Ethernet, hacen que la tasa de transmisión haya aumentado en 6,4 veces. La tasa de bits por símbolo también ha aumentado desde los 2 bits de Gigabit Ethernet hasta los 3,25 bits que usa 10GBASE-T.
En términos de frecuencias máximas de transmisión, Gigabit Ethernet usa frecuencias máximas del orden de 80MHz, mientras que 10GBASE-T necesita frecuencias superiores a 400 MHz. Este aumento tan considerable de frecuencias de transmisión implica que la aplicación 10GBASE-T es mucho más vulnerable a interferencias electromagnéticas (EMI), y por tanto el sistema de cableado que soporta dicha aplicación tiene que ser muy robusto frente a EMC y EMI.
En la siguiente tabla se exponen las aplicaciones Ethernet usadas a través de cableado de par trenzado y la categoría recomendada para dicha implementación.


Aunque los ruidos ó perturbaciones existentes en los entornos de instalación y las propias interferencias internas generadas en cada cable de par trenzado sean muy similares para 1000BASE-T y para 10GBASE-T, es mucho más difícil de eliminar los ruidos en la aplicación 10GBASE-T que en Gigabit Ethernet, debido a la mayor frecuencia de transmisión usada. Así pues, los interfaces 10GBASE-T necesitan cancelar los siguientes ruidos:
- Eco: La señal transmitida por el transmisor y recibida o reflejada en el mismo punto.
- NEXT: La interferencia entre pares del mismo cable en el extremo transmisor.
- FEXT: La interferencia entre pares del mismo cable en el extremo receptor.
- ANEXT: Interferencia procedente de cables adyacentes.

En la siguiente figura se muestran todos estos ruidos o interferencias producidos sobre el canal de transmisión usando 10GBASE-T o cualquier otra aplicación Full-Duplex.

De todas estas perturbaciones, lo más importante y crítico es el Alien Crosstalk, o perturbación producida por los cables adyacentes y que comparten la misma canalización. Esto es debido a que es resto de ruidos pueden ser cancelados por los interfaces mediante técnicas de procesamiento, pero el Alien Crosstalk no puede ser eliminado debido a la poca correlación que dispone.

Por ello, es necesario disponer de sistemas de cableado de par trenzado de Cat6A que mitiguen o reduzcan al máximo dichas interferencias. La forma de reducir o eliminar dicho ruido es, o bien mediante trenzados más ajustados, bien aumentando el diámetro del cable para que mediante distancias la interferencia sea menor, o apantallando los cables. 10GBASE-T, también denominado IEEE 802.3an, dispone igualmente de una técnica de mitigación del Alien Crosstalk llamada Power Back Off (PBO). PBO es una técnica por la cual, si el enlace es de corta longitud y por tanto la atenuación que ofrece no es muy grande, reduce el nivel de potencia de transmisión.


Interferencias Electromagnéticas - EMI
El incremento en el Symbol Rate de las aplicaciones 10GBASE-T y con ello la mayor frecuencia de transmisión usada, hasta alrededor de 400MHz, hace que dicha aplicación sea muy susceptible a fuentes de ruido externo. En la siguiente figura se muestran distintas fuentes de ruido que pueden causar problemas en la transmisión a 10GBASE-T y otras que resultan mucho menos perjudiciales, las denominadas fuera de banda.

Las señales fuera de banda pueden producir interferencias provocadas por sus armónicos aunque generalmente resultan poco problemáticas. Además, el uso de filtros por parte de los dispositivos emisores, necesarios para cumplir con EMC, hace incluso menor su problemática fuera de las frecuencias naturales de transmisión.
Los dispositivos cuyas frecuencias de transmisión coinciden con las usadas en 10GBASE-T, esto es, dispositivos con frecuencias de emisión por debajo de 500 MHz, son los principales enemigos a considerar. Las señales radiadas por estos dispositivos se pueden acoplar en los cables de par trenzado como señales en modo común (CM). Además, parte de esta señal se convertirá en Ruido Diferencial Conducido, que debido a su falta de correlación no podrá ser eliminado por los DSPs de los interfaces provocando errores en la transmisión y decodificación de los símbolos transmitidos.

10GBASE-T, Cableado de Cat6A UTP y su Comportamiento frente a EMI
Considerando el aumento que están desarrollando los interfaces 10GBASE-T y la base instalada de Cat6A UTP que existe, SYSTIMAX y el laboratorio independiente NTS (National Technical System), acreditado para realizar medidas de EMC/EMI según las normas IEC 17025, han realizado un estudio de compatibilidad electromagnética y comportamiento del sistema de cableado de par trenzado sin apantallar GigaSPEED X10D y distintos tipos y generaciones de tarjetas 10GBASE-T.
Se realizaron 5 test EMC sobre Emisiones Radiadas, Inmunidad frente a Descargas Electrostáticas (ESD), Inmunidad Radiada, Inmunidad frente a ruidos de rápida transición (EFT) e Inmunidad Conducida. El resultado de todas las pruebas fue positivo. Se expone en la tabla.


Igualmente se construyeron y comprobaron distintos escenarios de transmisión e interferencias electromagnéticas, para ver el comportamiento de la aplicación 10GBASE-T sobre el cableado UTP GigaSPEED X10D, en cuanto a BER, pérdida de paquetes y pérdida de enlace se refiere. 

TEST 1: Mezcla de cables de Cat6 y Cat6A transmitiendo a 1000BASE-T y 10GBASE-T.
Existen múltiples combinaciones de cables de distintas categorías y corriendo aplicaciones de distinta índole y velocidad. Pero quizá la más problemática sea la de mezclar cables de Cat6 y Cat6A UTP y funcionando a 1000BASE-T y/o 10GBASE-T. Se usaron configuraciones 6 a 1, es decir, un cable víctima rodeado de 6 cables perturbadores. El objetivo es comprobar la tasa de errores de transmisión (BER) que se produce sobre el cable víctima. Según IEEE 802.3an, el BER en 10GBASE-T debe ser inferior a 10-12, en un espacio de tiempo considerable.
En la se muestran los escenarios testeados, obteniendo en cada caso un BER cero.

Basado en los resultados de BER, no cabe esperar ningún problema cuando se mezclan enlaces GigaSPEED X10D funcionando a 10GBASE-T con otros cables de distinta categoría corriendo a 1000BASE-T ó 10GBASE-T.

TEST 2: Comprobación de Pérdida de Paquetes 10GBASE-T corriendo sobre cableado GigaSpeed X10D y sobre un entorno interferente real.
Para realizar esta prueba se usaron dos generaciones de interfaces 10GBASE-T, una primera generación totalmente en desuso y una 2ª generación que es la más implantada actualmente. Sobre los enlaces instalados, se acercaron Walkies-Talkies, teléfonos móviles y luces fluorescentes, para ver el resultado en cuanto a la pérdida de paquetes que se podían producir por dichos elementos interferentes.
Los dos primeros test se hicieron acercando un Walkie-Talkie radiando a una frecuencia de 147.5 MHz. Dicho dispositivo fue activado repetitivamente y situado a 1 m de distancia del cableado. El resultado es que se produjo una pérdida de paquetes sobre los enlaces trabajando con tarjetas de 1ª generación pero no hubo ningún problema sobre los enlaces con tarjetas de 2ª generación.
Para determinar si las tarjetas de 2ª generación pueden ser afectadas por otros dispositivos interferentes, se sustituyó el Walkie-Talkie por un teléfono móvil radiando a 900MHz y por una pantalla de tubo fluorescente, situada justo en medio del cableado. En ningún caso se produjo pérdida de paquetes cuando se usaron tarjetas de 2ª generación.

TEST 3: Comportamiento frente a EFT.
El siguiente test trata de simular el comportamiento del sistema de cableado y la aplicación corriendo sobre él, cuando trabaja junto a cables de potencia sobre los que existen ruidos de rápida transición (EFT). Para ello, se pegó un cable de potencia sobre un cable UTP GigaSPEED X10D y en embrido para que permaneciera totalmente pegado a lo largo de todo su recorrido. Sobre el cable de potencia se inyectó una ráfaga EFT de las siguientes características:
- Tensión: 2kV
- Frecuencia : 5 kHz
- Periodo: 300 ms
- Duración: 15 ms
- Tiempo de subida: 5ns ± 30%
- Ancho del pulso: 50ns ± 30%
- Impedancia de la Fuente: 50 Ohm ± 20%

Una vez más se comprobó la respuesta con un interface de 1ª generación y otro de 2ª generación. El test fue diseñado para determinar si existe pérdida de link o enlace debido a EFT durante la transmisión de un fichero de 3.8MB, repitiendo el test durante al menos 60 s, durante varias veces consecutivas.

El resultado fue que, cuando se aplica la ráfaga EFT sobre el interface de 1ª generación, existe una pérdida de enlace y los interfaces efectúan un reset. Pero con los interfaces de 2ª generación, no existe problema alguno frente a esta interferencia.
Recientemente, el fabricante de Semiconductores Intel ha realizado unos test similares, para comprobar el comportamiento de interfaces X540 para 10GBASE-T de última generación integrados en la placa base de los servidores (LOM) y funcionando sobre un cableado GigaSPEED X10D de Cat6A UTP. Estos interfaces de nueva generación incorporan un mecanismo para reducir el ruido interferente exterior inducido en el cable que se denomina 5ª Canal.

Para provocar interferencias se usaron múltiples dispositivos como teléfonos móviles iPhone4, HTC Backberry, así como Walkie-Talkies tipo Motorola XPR 6580 y MR350R.

Los resultados obtenidos usando las distintas fuentes interferentes fueron que en ningún caso hubo pérdida de enlace, la tasa de errores –BER- fue siempre inferior a 10-12 y la pérdida de paquetes fue cero en cualquier escenario.  

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Cableados Apantallados y Efectividad del Blindaje
Cuando se habla de cableado apantallado hay que plantearse una cuestión muy importante, cuanto de efectivo es el apantallamiento del cable para reducir el ruido exterior?. Contestar a esta pregunta no es ni mucho menos fácil.
El factor de apantallamiento mide la efectividad de un blindaje en la presencia de un campo electromagnético y se define como la proporción de tensión inducida en el receptor después de introducir el blindaje respecto a la tensión inducida en el mismo punto antes del blindaje.

El factor de blindaje puede variar con la frecuencia de operación, tipo, espesor y geometría del blindaje, método de conectar el blindaje, etc.

Por cuestiones de seguridad de las personas frente a descargas eléctricas, los chasis de los equipos terminales deben estar conectados a tierra, y adicionalmente el blindaje del cable debe estar también conectado a tierra en ambos extremos de tal manera que el blindaje proteja los pares frente a campos electromagnéticos externos, aunque por el contrario esto creará la posibilidad de ruido conducido debido a las corrientes de bucle de tierra.
En la siguiente figura se ilustran las corrientes de bucle de tierra causadas por diferencias de potencial entre los extremos de las tierras.

Por el contrario, si se conecta la tierra tan sólo en un extremo, provoca que se rompa el bucle de tierra, el acoplamiento de campo en modo común continua presente y el blindaje deja de ser eficaz a altas frecuencias (longitud > 1/10). Por tanto, es imprescindible que si se usa un sistema de cableado apantallado, este sea conectado a tierra en ambos extremos, ya que de lo contrario el apantallamiento no será eficaz a frecuencias que resultarán críticas para el correcto desempeño de 10GBASE-T.

Conclusiones
La aparición de tarjetas o interfaces de nueva generación para 10GBASE-T, hace que la inmunidad de las aplicaciones 10GBASE-T frente a EMI sea cada vez mayor.
Un buen sistema de cableado de par trenzado de Cat6A UTP como GigaSPEED X10D garantiza el correcto y perfecto funcionamiento de 10GBASE-T aún en los entornos más agresivos electromagnéticamente hablando. Por tanto, la solución ideal actualmente para el desarrollo de los nuevos proyectos de instalaciones empresariales o centros de datos donde se piense desplegar aplicaciones 10GBASE-T es una solución robusta de Cat6A UTP como GigaSPEED X10D, ya que tanto el coste de implementación como el de mantenimiento será más reducido que el uso de otras soluciones de Cat6A o superior pero en formato apantallado. 

La llegada de nuevas aplicaciones Ethernet con transmisiones a más altas velocidades sobre cableado de par trenzado como 40GBASE-T obligarán a usar cableados apantallados, principalmente porque ni el cableado es capaz de mitigar por si sólo los distintos ruidos producidos por la transmisión a estas frecuencias (1,6GHz o superior), ni los interfaces disponen de la suficiente inmunidad y técnicas de reducción y cancelación de ruido como para que sea viable implementar un sistema UTP. 

Por tanto, la tecnología marca la necesidad en cuestiones de categorías de cableado y apantallamiento. Y tan sólo ahora y sobre todo para aplicaciones 40GBASE-T pensadas únicamente para entornos de Centros de Datos (las distancias máximas que permitirá esta aplicación sobre cableado de par trenzado será alrededor de 30 mts, y en ningún caso superará los 50 mts), es cuando se hace necesario disponer de soluciones de par trenzado apantallado que sean robustas y que se instalen adecuadamente.

Autor: Alberto Martínez, Technical Manager, Spain&Portugal CommScope Enterprise

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