Messias B. Figueiredo <messiasb@ufba.br>
André Oliveira Silveira <andresvr@svn.com.br>
Sistema de cabeação estruturada
Desempenho do hardware e meios de trasmissão
Com o crescimento do uso das redes locais de computadores e a agregação de novos serviços e mídias como voz, dados, teleconferências, telefonia, Internet, multimídia, etc., surgiu a necessidade de se estabelecer critérios para ordenar e estruturar a cabeação dentro das empresas. Com este objetivo, comitês da EIA/TIA e da ISO/IEC propuseram normas e procedimentos, sob o ponto de vista da instalação, avaliação de desempenho e soluções de problemas, para a integração da cabeação de redes, de telecomunicações e de controle, para prover os serviços citados.
Este artigo apresenta e discute os principais tópicos das Normas de Cabeação Estruturada EIA/TIA 568 e ISO/IEC 11801, levando em consideração aspectos como evolução, filosofia, desempenho e possíveis problemas provenientes de um projeto desvinculado destas normas. Dada a extensão do assunto, foi feita uma divisão do mesmo de forma a publicá-lo em dois números deste boletim.
Desta forma, é tratado, neste número, dos aspectos introdutórios deste assunto, do sistema de cabeação estruturada propriamente dito, sendo feita uma análise do desempenho do hardware e dos meios de transmissão. Ficando para a próxima edição, portanto, o tratamento do código de cores para sistema de cabeação UTP, bem como dos padrões de cabeação para redes locais de alta velocidade, além do gerenciamento de sistemas de cabeação estruturada.
No final dos anos 80, as companhias dos setores de telecomunicações e informática estavam preocupadas com a falta de uma padronização para os sistemas de fiação de telecomunicações em edifícios e campus.
Em 1991, a associação EIA/TIA (Electronic Industries Association / Telecommunications Industry Association) propôs a primeira versão de uma norma de padronização de fios e cabos para telecomunicações em prédios comerciais, denominada de EIA/TIA-568 cujo objetivo básico era:
Implementar um padrão genérico de cabeação de telecomunicações a ser seguido por fornecedores diferentes;
Estruturar um sistema de cabeação intra e inter predial, com produtos de fornecedores distintos;
Estabelecer critérios técnicos de desempenho para sistemas distintos de cabeação.
Até então, o mercado dispunha de tecnologias proprietárias, utilizando cabeação tradicional, baseado em aplicações, conforme ilustrado na Figura 1.
Assim, os prédios possuíam cabeação para voz, dados, sistemas de controle, eletricidade, segurança, cada qual com uma padronização proprietária. Eram fios e cabos por toda parte, cabo coaxial, par trançado, cabo blindado. Neste cenário, alguns problemas surgiram para desestimular essa forma de cabeação não estruturada:
i) Mudança rápida de tecnologia: microcomputadores (PCs) mais velozes, serviços integrados de voz e dados, redes locais de alta velocidade;
ii) Infra-estrutura de telefonia privada inadequada para novas tecnologias;
iii) Rápida saturação de dutos, canaletas e outros suportes de cabeação;
iv) Inflexibilidade para mudanças;
v) Cabeação não reaproveitável com novas tecnologias;
vii) Suporte técnico dependente de fabricantes;
viii) Aumento de custo.
Figura 1: Cabeação com Sistemas de Fiação Separados
Em janeiro de 1994, a EIA/TIA publicou a norma EIA/TIA 568A revisada, incluindo as especificações para cabeação categoria 4 e 5 (UTP - Unshielded Twisted Pair). Atualmente, a associação ISO/IEC (International Standards Organization/International Electrotechnical Commission) desenvolve um padrão de cabeação internacional denominado de Cabeação Genérica para Instalação do Cliente (Generic Cabling for Customer Premises), denominado de ISO/IEC 11801. A norma ISO/IEC 11801 é equivalente à EIA/TIA 568A reeditada pela ISO.
O conceito de Sistema de Cabeação Estruturada baseia-se na disposição de uma rede de cabos, com integração de serviços de dados e voz, que facilmente pode ser redirecionada por caminhos diferentes, no mesmo complexo de cabeação, para prover um caminho de transmissão entre pontos da rede distintos. Um Sistema de Cabeação Estruturada EIA/TIA 568A é formado por seis subsistemas conforme ilustrado na Figura 2 e descritos a seguir.
1-Entrada do Edifício
2-Sala de Equipamentos
3-Cabeação Backbone
4-Armário de Telecomunicações
5-Cabeação Horizontal
6- Área de Trabalho
SUBSISTEMA DE CABEAÇÃO BACKBONE
O subsistema de Cabeação Backbone ou Cabeação Vertical, ilustrado na Figura 3, consiste nos meios de transmissão (cabos e fios), conectores de cruzamento (cross-connects) principal e intermediários, terminadores mecânicos, utilizados para interligar os Armários de Telecomunicações, Sala de Equipamentos e instalações de entrada.
Figura 3: Subsistema de Cabeação Backbone
b) Configurações Limites
Figura 4: Cabeação Backbone
A Figura 4 ilustra a estrutura geral e as configurações limites para o subsistema de Cabeação Backbone.
SUBSISTEMA DE CABEAÇÃO HORIZONTAL
O subsistema de Cabeação Horizontal, ilustrado na Figura 5, compreende os cabos que vão desde a Tomada de Telecomunicações da Área de Trabalho até o Armário de Telecomunicações. O subsistema de Cabeação Horizontal possui os seguintes elementos:
a) Cabeação Horizontal
b) Distâncias Limites
c) Tomada de Telecomunicações
O comprimento máximo para a Cabeação Horizontal, definido na norma EIA/TIA 568A, é de 90 metros, independente do meio de transmissão utilizado. A norma EIA/TIA 568A prevê, hoje, quatro tipos de cabos para instalação na Cabeação Horizontal:
Cabo com quatro pares de fios UTP de 100 Ohms;
Cabo com dois pares de fios STP de 150 Ohms;
Cabo coaxial de 50 Ohms;
Cabo com duas fibras ópticas multimodo 62,5/125m m.
Embora o cabo coaxial de 50 Ohms seja especificado na norma EIA/TIA-568A, existe uma tendência para que ele seja suprimido da próxima revisão. É aconselhável, hoje, que este tipo de cabo seja substituído em antigas instalações e não seja recomendado para instalações novas.
A norma prevê 100 metros total para a Cabeação Horizontal: 90 metros entre o Armário de Telecomunicações e as Tomadas de Telecomunicações (conectores de parede) [ver Fig. 5b e 5c]; 10 metros para cabos entre uma estação de trabalho e o conector de parede, (em geral, 3 metros) mais as conexões internas do Armário de Telecomunicações e entre este e os equipamentos ativos (7 metros restantes).
Figura 5: Subsistema de Cabeação Horizontal
Figura 2: Sistemas de Cabeação Estruturada EIA/TIA 568
CABEAÇÃO UTP
O cabo UTP pode ser classificado em três categorias como mostrado abaixo:
Categoria 3 - Utiliza cabos com pares de fios trançados sólidos de bitola 24 AWG. Os fios AWG24 apresentam uma impedância típica de 100 Ohms, a 16 MHz. Estes cabos são utilizados para transmissão de sinais até 16 MHz.
Categoria 4 - Utiliza cabos com pares de fios trançados sólidos de bitola 22 ou 24 AWG, com impedância de 100 Ohms a 20 MHz. Este cabos são utilizados para transmissão até uma largura de banda de 20 MHz;
Categoria 5 - Utiliza cabos com pares de fios trançados sem blindagem de bitola 22 ou 24 AWG e impedância de 100 Ohms a 100 MHz. Este tipo de categoria é recomendável para aplicações com taxa de transmissão elevada, por exemplo, para transmissão de imagens e dados a 100 Mbps.
A atenuação é comumente derivada da medida do sinal de varredura da frequência na saída de um cabo de comprimento maior ou igual a 100 metros (328 ft), ou seja, é a perda de potência do sinal no meio, em função da distância a uma determinada freqüência.
A perda NEXT decresce com o aumento da freqüência conforme a fórmula abaixo:
NEXT(f) ³ NEXT(0,772) - 15 log (f/0,772)
Desempenho do Cabo UTP na Cabeação Horizontal e Backbone
A impedância característica do cabo UTP para Cabeação Horizontal e Backbone é de 100 Ohms + 15% de 1 MHz até a maior freqüência da categoria (16, 20 ou 100 MHz);
A Figura 6 apresenta um comparativo entre as três categorias UTP (3, 4 e 5) quanto a atenuação e perdas por diafonia (crosstalk ou NEXT), no caso de uso na Cabeação Horizontal e na Cabeação Backbone.
a) Cabeação Horizontal e Backbone UTP
(MHz) Cat. 3
(dB) Cat. 4
(dB) Cat. 5
1,0 2,6 2,2 2,0
4,0 5,6 4,3 4,1
8,0 8,5 6,2 5,8
10,0 9,7 6,9 6,5
16,0 13,1 8,9 8,2
20,0 - 10,0 9,3
25,0 - - 10,4
31,25 - - 11,7
62,5 - - 17,0
100,0 - - 22,0
Atenuação : [por 100 metros (328 pés) @ 20° C]
b) Curva de Freqüência x Atenuação
O gráfico da Figura 6(b) mostra que a atenuação em cabos categoria 3 e 4 é ligeiramente superior que a categoria 5 nas mesmas freqüências de trabalho. Verifica-se, aqui, a melhor qualidade dos cabos UTPs categoria 5 para redes Ethernet de 10 a 100 Mbps quanto às perdas por atenuação.
Desempenho dos Cordões e Hardware de Conexões UTP
Os Terminadores para cabo UTP devem utilizar contatos por deslocamento por isolador (IDC). Os limites máximos para jumper/cordões de ligação são:
i) 20 m para cross-connect principal;
ii) 20 m para cross-connect intermediário;
iii) 6 m no armário de telecomunicações;
iv) 3 m na estação de trabalho.
O desempenho do hardware de conexões UTP na Área de Trabalho é comparado na Figura 7.
a) Atenuação
1,0 0,4 0,1 0,1
4,0 0,4 0,1 0,1
8,0 0,4 0,1 0,1
10,0 0,4 0,1 0,1
16,0 0,4 0,2 0,2
20,0 - 0,2 0,2
25,0 - - 0,2
31,25 - - 0,2
62,5 - - 0,3
100,0 - - 0,4
O gráfico da Figura 7 mostra altas taxas de atenuação para os elementos de hardware da categoria 3 em determinada freqüência, por exemplo 16 MHz. Observa-se também, na figura 7, que perdas por atenuação em elementos de conexão, para categoria 4 e 5, são praticamente idênticas e bem inferiores às da categoria 3. Por causa do melhor desempenho de Elementos de Conexão nas categorias 4 e 5, deve-se, dar preferência a estas categorias de elementos quando da concepção de um projeto de cabeação estruturada. Na montagem dos condutores de ligação (patch-cords) deverão ser utilizados condutores não rígidos para maior duração e flexibilidade.
A terminação dos cabos horizontais deverá ser feita com material de conexão da mesma categoria ou superior do cabo UTP utilizado na Cabeação Horizontal. Por outro lado, os cabos utilizados para cordões de ligação e jumpers de cross-connect devem pertencer à mesma categoria do cabo UTP usado na Cabeação Horizontal.
Um sistema de cabeação UTP só poderá ser classificado como categoria 3, 4 ou 5 se todos os componentes do sistema de cabeação atenderem aos requisitos da categoria.
A Figura 8 ilustra o desempenho dos cordões de ligação UTP.
a) Atenuação Máxima
1,0 3,1 2,6 2,4
4,0 6,7 5,2 4,9
8,0 10,2 7,4 6,9
10,0 11,7 8,3 7,8
16,0 15,7 10,7 9,9
20,0 - 12,0 11,1
25,0 - - 12,5
31,25 - - 14,1
62,5 - - 20,4
100,0 - - 26,4
Figura 8: Desempenho dos Cordões de Ligação UTP
CABEAÇÃO STP
Quando as especificações para cabeação STP (Shielded Twisted Pair) de 150 Ohms foram publicadas na norma EIA Interim Standard Omnibus Specification NQ-EIA/IS-43, as características de transmissão aceitavam sinais de até 20 MHz. Estas especificações têm sido adequadas até o presente momento para faixas de freqüências usadas em ambientes de trabalho. Entretanto, como a velocidade das LAN's e suas freqüências aumentaram, as especificações originais dos cabos STP de 150 Ohms foram aumentadas de modo a prover um critério de desempenho estável para valores altos de freqüência aplicados. Um cabo de especificação melhorada e um novo conector, acoplado ao conector original foi introduzido para atender as especificações originais.
Os cabos STP são de fios em pares trançados blindados de 150 Ohms. Para a Cabeação Horizontal e a Backbone são utilizados os tipos 1A e o tipo 6A da IBM para cabos de conexão, cujas características são as seguintes:
Cabo STP-A utiliza 2 pares de fios, modelo 22 AWG rígido e possui impedância característica de 150 Ohms + 10% (3 MHz - 300 MHz);
O conector de dados STP-A de 150 Ohms;
A atenuação balanceada do Cabo de Ligação STP-A de 150 Ohms é aproximadamente igual a 1,5 vezes a do cabo STP-A Horizontal ou Backbone (4 MHz - 300 MHz).
A Figura 9 ilustra o desempenho dos cabos STP em termos de atenuação.
(MHz) STP-A Horizontal e Backbone STP-A de Ligação -150 Ohms
4,0 2,2 0,05
8,0 3,1 0,10
10,0 3,6 0,10
16,0 4,4 0,15
20,0 4,9 0,15
25,0 6,2 0,15
31,25 6,9 0,15
62,50 9,8 0,20
100,0 12,3 0,25
300,0 21,4 0,45
Atenuação : [ dB por 100 metros (328 pés) @ 20
As premissas para uma Cabeação Backbone com fibra ópticas, têm sido e continuam a ser baseadas em fibras multimodo de 62,5/125m m, devido à possibilidade de uso de transmissores ópticos com LED nessas fibras. Com o rápido crescimento dos requisitos de largura de banda, atualmente, tem-se instalado fibras ópticas monomodo em adição às fibras multimodo, para atender os requisitos atuais e futuros. Sistemas de fibras monomodo atendem tanto maiores bandas de freqüências como também têm maior capacidade para longas distâncias do que as fibras ópticas multimodo.
a) Tipos de Fibra Óptica
b) Atenuação Máxima
Comprimento de Onda (nm) Fibra Óptica multimodo
(dB/Km) Fibra Óptica Monomodo
850 3,75
c) Comprimento de Onda x Atenuação
Figura 10: Desempenho da Cabeação com Fibra Óptica
Os conectores especificados para fibra óptica são os 568SC. Os conectores ópticos seguem um esquema de cores para sua identificação. A cor bege especifica o conector/acoplamento multimodo de 62,5/125m m e a cor azul especifica o conector/acoplamento monomodo de 8,3/125m m.
Para assegurar que os conectores 568SC manterão uma correta polarização através do sistema de cabeação, deve-se ter uma correta orientação do adaptador utilizado. A Cabeação Horizontal deve ser instalada de tal forma a casar um número ímpar da fibra com o próximo número par da fibra, por exemplo: fibra 1 com fibra 2; fibra 3 com fibra 4 e assim sucessivamente. Cada segmento da cabeação deve ser instalado seguindo a orientação invertida (cross-over) do par, de tal modo que fibras de número ímpar são posição A numa ponta e posição B na outra ponta, enquanto que fibras de número par são posição B numa ponta e posição A na outra ponta. A orientação invertida (cross-over) deve ser conseguida pelo uso consecutivo da numeração das fibras (por exemplo 1, 2, 3, 4, ...) em ambos os lados da fibra, mas os adaptadores 568SC devem ser instalados de maneira oposta em cada ponta (por exemplo A-B, A-B, ... numa ponta e B-A, B-A, ... na outra ponta). A Figura 11 ilustra a polarização inversa dos conectores 568SC.
O principal motivo para especificação dos conectores de fibra 568SC é a padronização com a norma IEC Européia. Hoje são muito utilizados conectores ST. Entretanto, é recomendado a substituição gradativa dos conectores ST por 568SC.
A norma EIA/TIA 568A especifica, também, as saídas de telecomunicações para fibra óptica com as seguintes características:
i) A caixa de montagem em superfície deve ser fixada diretamente sobre a caixa elétrica, seguindo um padrão de 4"x 4";
ii ) A capacidade de terminação para um mínimo de duas fibras, por acoplamento 568SC;
iii ) Possibilidade de armazenar um mínimo de 1 metro de cabo de duas fibras.
Figura 11: Polarização Inversa dos Conectores 568SC
Figura 9: Atenuação X Freqüência em Cabos STP
Figura 7: Desempenho do Hardware de Conexão UTP
Figura 6: Desempenho de Atenuação x Freqüência para Cabos UTP em Cabeação Horizontal e Backbone
Iniciou-se, com este artigo, uma discussão sobre alguns aspectos das Normas de Cabeação Estruturada EIA/TIA 568 e ISO/IEC 11801. Assim, foram apresentados um breve histórico do assunto, bem como conceitos que estão associados ao tema, além de uma análise de desempenho do hardware e dos meios de transmissão que constam na norma.
Na próxima edição deste boletim, serão vistos outros aspectos, tais como: o tratamento de código de cores para o sistema de cabeação UTP, os padrões de cabeação para redes locais de alta velocidade e a parte de gerenciamento de sistemas de cabeação estruturada.
[1] BUSINESS, Communications Review, Apr, 1996.
[2] SOARES, Luiz Fernando G. (Luiz Fernando Gomes), Redes de Computadores: Lans, Mans e Wans, às redes ATM - Rio de Janeiro : Campus, 1995.