Giới thiệu cộng nghệ cáp đồng Copperten 10Gb/s

Để kết nối các máy tính trong mạng cục bộ LAN theo chuẩn Ethernet, người ta sử dụng phổ biến nhất là cáp mạng có tên là UTP (Unshielded Twisted Pair), cáp này gồm nhiều sợi dây bằng đồng xoắn với nhau theo từng cặp. Hạn chế của loại cáp này là khoảng cách và tốc độ truyền dẫn dữ liệu.

Chủng loại cáp UTP được biết đến nhiều nhất là UTP Cat-5, Cat-5e và Cat-6. Bảng dưới đây cho thấy tốc độ truyền dữ liệu tối đa với chiều dài 100M của các loại cáp này (đối với chuẩn mạng Ethernet):

Chúng ta nhận thấy cáp UTP Cat-5 đã dừng lại ở 100 Mbps. Cáp UTP Cat-5e với việc sử dụng cả 4 cặp dây đồng bên trong sợi cáp truyền dẫn với tần số chuẩn 100MHz để đạt tốc độ 1000Mbps. Còn cáp UTP Cat-6 vẫn sử dụng 4 cặp dây chuyền dẫn tốc độ 1000 Mbps nhưng nâng tần số từ 100 MHz lên 250 MHz nên có băng thông và khả năng truyền dẫn tín hiệu video tốt hơn cáp Cat-5e.

Như vậy, trong các mạng LAN theo chuẩn Ethernet hiện nay vốn đang sử dụng phổ biến cáp đồng UTP thì tốc độ truyền dữ liệu tối đa chỉ lên đến 1000 Mbps (hay 01 Gbps). Chúng ta cũng nhận thấy tốc độ ngày càng được cải tiến và mỗi lần được nâng lên gấp 10 lần. Vậy tốc độ tiếp theo sẽ là 10 Gbps trên cáp đồng UTP?

Thực tế, tốc độ truyền dữ liệu 10 Gbps đã thực hiện được khi sử dụng cáp quang. Trong nhiều năm qua, cáp quang luôn dẫn đầu trong cuộc chạy đua về tốc độ truyền dữ liệu. Vậy thì tại sao với nhiều ưu điểm, đến nay cáp quang vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn cáp đồng?

Câu trả lời khá đơn giản: đó là chi phí cao. Những yếu tố nào làm cho cáp quang có chi phí cao hơn cáp đồng:

+ Những thiết bị mạng dùng cho kết nối cáp quang phải thực hiện việc biến đổi từ tín hiệu điện sang tín hiệu ánh sáng khi truyền đi, và biến đổi ngược lại từ tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện khi nhận về. Do đó những thiết bị này sẽ có chi phí cao hơn nhiều lần những thiết bị dùng cho kết nối cáp đồng UTP, vốn chỉ đơn giản truyền tín hiệu điện.

+ Bản thân chi phí để chế tạo sợi quang cũng đã cao hơn sợi đồng do sợi quang rất mỏng mảnh (9 micro met), cần phải được bảo vệ rất cẩn thận, tránh ánh sáng, nước, bụi, nóng, lạnh, va đập...

+ Đầu nối & phụ kiện sợi quang chi phí cao hơn cáp đồng

+ Thi công, đấu nối cáp quang cũng đòi hỏi những điều kiện nghiêm ngặt hơn cáp đồng nên cũng làm tăng chi phí.

Vì vậy, người ta đã quay lại với câu hỏi: “Liệu cáp đồng đã đạt đến giới hạn của nó?” và mong muốn: “Có thể chế tạo cáp đồng có khả năng truyền dẫn lên đến 10 Gbps hay không?”. Câu trả lời là: có thể!



III. SỰ ĐỔI MỚI CỦA ADC KRONE: COPPERTEN

Những trở ngại và biện pháp nâng cao tốc độ

Đến đây chắc hẳn các bạn sẽ thắc mắc và mong muốn được giải đáp: điều gì đã ngăn cản cáp đồng UTP đạt được những tốc độ cao hơn? Câu trả lời sẽ có ngay: đó là nhiễu tín hiệu. Những tín hiệu dòng điện khi chạy trên dây dẫn bằng đồng ở tần số cao (từ 10 lên đến hàng trăm MHz) sẽ biến sợi dây đồng thành những anten phát ra những xung nhiễu, không những gây nhiễu tín hiệu trong nội tại sợi cáp mà còn gây nhiễu sang cả những sợi cáp khác đặt liền kề. Điều này hầu như đã không xảy ra với cáp quang vì tín hiệu truyền là ánh sáng có độ phân kênh rất cao.

Một sợi cáp trung tâm liên kế với 6 sợi cáp trong cùng một bó (ống) cáp (trong thi công cáp mạng).

Những cặp dây có bước xoắn giống nhau gây nhiễu lẫn nhau trong hai sợi cáp liền kề.


Nhiễu đã làm suy yếu tín hiệu trên đường truyền và làm tín hiệu không thể đạt đến những khoảng cách nhất định. Như vậy giải pháp để đạt được tốc độ 10 Gbps là làm sao để triệt tiêu những xung nhiễu này. Nhưng để giải quyết vấn đề này lại không đơn giản như nguyên nhân đã sinh ra nó.

Để hiểu rõ hơn chúng ta hãy quay lại một chút với cáp UTP Cat-6. Để đạt tốc độ 1 Gbps người ta đã nâng tần số hoạt động lên 250 MHz, đồng thời tạo các vách ngăn bên trong sợi cáp nhằm giãn khoảng cách giữa các cặp dây để giảm ảnh hưởng của nhiễu lẫn nhau giữa các cặp dây này. Tuy nhiên trong khi khống chế được khoảng cách giữa các cặp dây bên trong vỏ bọc cáp thì người ta lại không làm được điều này với hai cặp dây có bước xoắn (vị trí) giống nhau trong hai sợi cáp liền kề.

Một ruột hình sao sử dụng bên trong cáp UTP Cat-6 để tăng và khống chế khoảng cách giữa các cặp dây

Mặc dù có thể khống chế khoảng cách ở bên trong sợi cáp, nhưng khoảng cách giữa các cặp dây tương đồng trong hai sợi cáp kề nhau vẫn không đảm bảo loại bỏ nhiễu.


Trong thực tế, người ta cũng đã tiến hành triệt nhiễu bằng cách bọc thêm vỏ kim loại chống nhiễu cho từng cặp dây và toàn bộ sợi cáp, đây còn gọi là cáp SpsTP (Shieldedpshielded Twisted Pair) hay PiMF (Pair in Metal Foil). Tuy nhiên cách này đã làm cho cho sợi cáp trở nên quá to, nặng nề và giá thành cao, gây trở ngại trong thi công cáp. Đó là chưa kể đến việc loại cáp này yêu cầu loại đầu cắm (plug) và ổ cắm (Jack) hoàn toàn mới, khác với chuẩn RJ45 thường dùng, và như vậy không đảm bảo tính tương thích với hệ thống chuẩn Ethernet hiện tại. Do đó, Hội đồng định chuẩn IEEE 802.3an đã chỉ định dùng cáp đồng không bọc kim loại chống nhiễu là cáp UTP cho chuẩn 10G-BaseCX4 - chuẩn quy định về truyền dẫn 10 Gigabit Ethernet trên cáp đồng.

Chuẩn 10G-BaseCX4

Để xác định tốc độ truyền dẫn, Hội đồng định chuẩn dùng định luật Shannon làm cơ sở quyết định. Theo định luật này, để truyền 10 Gbit tín hiệu thông tin thì cáp UTP phải có khả năng truyền dẫn lớn hơn 18 Gbps nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu.

Khả năng truyền dẫn lớn hơn 18 Gbps nhằm bù đắp những tổn hao do xung nhiễu xuyên âm trong sợi cáp, xung nhiễu xuyên âm giữa các cặp dây, suy hao tại các thiết bị truyền dẫn và trên suốt 100 M chiều dài cáp.

(Khái niệm “xung nhiễu xuyên âm” (Crosstalk) nói về nhiễu sinh ra bởi các đường truyền đặt quá gần nhau, từ “xuyên âm” ở đây không liên quan đến âm thanh. Ý nghĩa từ này xuất phát từ thực tế bạn nghe thấy xuyên âm trên điện thoại, đó là tiếng nói hay toàn bộ cuộc nói chuyện khác trên nền cuộc nói chuyện của bạn).

Xem xét về khả năng đáp ứng chuẩn 10G-BaseCX4 trên cáp UTP hiện nay, Hội đồng định chuẩn IEEE 802.3an kết luận như sau:

+ Cáp Cat-5e, tần số chuẩn 100 MHz, không đáp ứng chuẩn 10Gbit.

+ Cáp Cat-6, tần số chuẩn 250 MHz, đáp ứng tối đa 5 Gbps (trong khi yêu cầu là >18 Gbps).

Trong khi nhiều trung tâm nghiên cứu và các hãng sản xuất còn đang thử nghiệm các giải pháp truyền dẫn tốc độ cao, thì ADC KRONE đã sản xuất thành công dòng sản phẩm cáp CopperTEN, và được cấp bằng sáng chế vào tháng 1/2003 tại Mỹ. Cho đến ngày hôm nay, CopperTEN vẫn là giải pháp cáp UTP duy nhất trên thế giới đáp ứng chuẩn 10G-BaseCX4 trên khoảng cách 100 M.

ADC KRONE đã làm như thế nào?

Một thử thách đặt ra cho cáp CopperTen là đảm bảo tốc độ truyền dẫn lớn hơn18 Gbps trên chiều dài 100 M cáp mà vẫn đảm bảo kích thước bình thường cho sợi cáp.

Theo thiết kế truyền thống của cáp UTP, mỗi cặp dây được xoắn với nhau để loại bỏ nhiễu xuyên âm của từng cặp dây (Crosstalk), và bước xoắn của 4 cặp dây sẽ theo tỷ lệ khác biệt để giảm thiểu sự cộng hưởng xung nhiễu của cả 4 cặp dây. Tuy nhiên trong thực tế thi công kéo cáp thì các sợi cáp thường đi chung trong một ống cáp, do đó việc phát sinh nhiễu xuyên âm (Alien Crosstalk) giữa cáp cặp cáp cùng bước xoắn (nằm trong các sợi cáp đặt sát nhau trong ống) là không thể tránh khỏi.

Để loại bỏ tối đa các xung nhiễu xuyên âm phát sinh bên trong sợi cáp và giữa các sợi cáp với nhau, ADC KRONE đã làm như sau:

1. Đặt một lõi nhựa bên trong ruột cáp để khống chế và tăng khoảng cách phân tách 4 cặp dây nhằm loại bỏ nhiễu của cả 4 cặp dây, tương tự như cáp UTP Cat-6. Tuy nhiên lõi nhựa hình sao này được thiết kế dạng mũ ở hai đỉnh đối diện với kích thước mũ khác nhau.

2. Lõi nhựa có độ cao mặt cắt đứng lớn hơn đường kính vỏ cáp tạo cho sợi cáp có hình elip.

3. Lõi nhựa xoắn liên tục để cả 4 cặp dây phải xoắn theo.

Các cặp dây có bước xoắn ngắn hơn các chủng loại cáp UTP Cat-5e và Cat-6 để giảm xung nhiễu tối đa.Với cấu trúc cáp như vậy, nhiễu xuyên âm bên trong sợi cáp đã được loại bỏ đáng kể do tăng khoảng cách và tăng bước xoắn của các cặp dây.


Điều đáng kể là giờ đây khi bó các sợi cáp CopperTEN do các lõi nhựa có cũng bước xoắn nên các đầu mũ của lõi sẽ chạm nhau trong suốt chiều dài bó cáp, kết hợp với sợi cáp hình elip và xoắn sẽ tạo ra khoảng trống xung quanh. 4 cặp dây vừa ôm sát vào phần trung tâm của lõi nhựa vừa xoay tạo ra một hiệu ứng thay đổi khoảng cách ngẫu nhiên. Như vậy khoảng cách giữa các cặp dây có cùng bước xoắn (cùng mã màu) được đảm bảo một giá trị nhất định và các khe hở (khoảng cách) không khí được tận dụng để loại bỏ xung nhiễu.


Những hình minh hoạ hình ảnh cáp thực tế sẽ làm cho bạn dễ hình dung hơn:

CopperTEN đã giành được sự ủng hộ của các tên tuổi lớn như Cisco, HP, Fujitsu…Giá thành cáp này thấp hơn cáp sợi quang và chỉ nhỉnh hơn hệ thống cáp Cat 6 một chút. CopperTEN dùng các loại đầu nối & phụ kiện chuẩn RJ45 nên nó tương thích hoàn toàn với hệ thống cáp chuẩn mạng LAN hiện tại.

IV. KẾT LUẬN

Với CopperTEN, kỹ thuật truyền dẫn đã đạt được một bước nhảy quan trọng, đảm bảo cho tốc độ truyền dữ liệu trong mạng Ethernet trong nhiều năm. Hy vọng rằng CopperTEN cũng sẽ là một giải pháp phù hợp cho doanh nghiệp của các bạn trong thời gian sắp tới.