萬兆銅纜布線的前景與應(yīng)用

文｜ 3M中國有限公司 葛曉東

萬兆銅纜布線的前景與應(yīng)用

文｜ 3M中國有限公司 葛曉東

1 前景

2003年，TIA開始研究能夠支持萬兆速率傳輸?shù)你~纜，并于2008年頒布了6A類布線產(chǎn)品的性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也為6A、7類水平雙絞線應(yīng)用于萬兆以太網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)。

但自10G銅纜標(biāo)準(zhǔn)頒布以來，銅設(shè)備造價(jià)及高耗能導(dǎo)致10G銅網(wǎng)絡(luò)推廣緩慢，并一度因?yàn)椤肮膺M(jìn)銅退”的口號(hào)幾乎消亡。隨著40nm 10G以太網(wǎng)芯片的開發(fā)成功，大大降低了10G網(wǎng)卡及10G銅口交換機(jī)的造價(jià)，10G銅網(wǎng)絡(luò)又重新取得了優(yōu)勢(shì)，2013～2015年將是10G的大發(fā)展年，在過去的2012年，有20多種基于萬兆以太網(wǎng)芯片的交換機(jī)和服務(wù)器推出市場(chǎng)，拓寬了萬兆網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的市場(chǎng)占有率。另外，有270萬個(gè)萬兆端口交付使用，而這一數(shù)據(jù)在2011年僅為18.2萬個(gè)，10GBase-T有望在2014年占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)，但光纜在傳輸速率上具有的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)在40G及100G市場(chǎng)繼續(xù)占有領(lǐng)先地位。

在2006年IEEE 802.3標(biāo) 準(zhǔn) 頒 布 時(shí)，10GBase-T設(shè)備電力消耗顯著下降。最早的萬兆芯片采用130nm生產(chǎn)技術(shù)，每個(gè)端口的電力消耗為10W。而40nm設(shè)備使每個(gè)端口電力消耗不到4W。未來的28nm設(shè)備的電力消耗僅為2.5W。除了技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，雙絞線傳輸還可以利用一些傳輸標(biāo)準(zhǔn)來降低電力消耗。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還是有提高效率的地方，特別是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)是不工作的。WoL是一項(xiàng)新的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，專門處理處于休眠模式下的設(shè)備電力消耗。服務(wù)器在休眠模式下會(huì)切換到低效率狀態(tài)來減少電力消耗，直到接收到一個(gè)“數(shù)據(jù)包”，這個(gè)“數(shù)據(jù)包”會(huì)將服務(wù)器從休眠狀態(tài)喚醒，服務(wù)器就會(huì)切換回正常模式。因?yàn)閃oL技術(shù)適用于服務(wù)器長時(shí)間不工作狀態(tài)，例如晚上和其他長期不工作的時(shí)間段。即便是最活躍的數(shù)據(jù)中心也會(huì)有使用率偏低的時(shí)候。WoL是10GBase-T中一項(xiàng)重要的策略，特別是針對(duì)數(shù)據(jù)中心節(jié)能。但是，10Gbps光纖以太網(wǎng)并不支持WoL協(xié)議，所以光纖系統(tǒng)就不能對(duì)電力進(jìn)行有效控制。

圖1顯示的是數(shù)據(jù)中心10GBase-T 的設(shè)備、傳輸介質(zhì)和每年維護(hù)成本與相應(yīng)光產(chǎn)品的成本對(duì)比。10Gbps最經(jīng)濟(jì)的方式是Cat.6A 非屏蔽雙絞線、Cat.6A F/UTP 型屏蔽雙絞線、Cat.7A S/FTP 型屏蔽雙絞線。從圖1中也可以看出，與其他的介質(zhì)相比，雙絞線方案在成本方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

2 應(yīng)用

6A類線纜分為屏蔽產(chǎn)品和非屏蔽產(chǎn)品，并且都符合TIA 568B標(biāo)準(zhǔn)500MHz等級(jí)。就TIA系列布線標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)做法而言，它的傾向性十分明確，即傾向于非屏蔽系列產(chǎn)品。但因?yàn)?A類線纜帶寬達(dá)到500MHz，線間串?dāng)_增強(qiáng)了，而且在TIA 568B系列標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)上，針對(duì)6A類布線產(chǎn)品的特點(diǎn)，新增加了若干個(gè)指標(biāo)，基本上都與纜間同色線對(duì)之間的串?dāng)_（ANEXT）有關(guān)。在新的6A類標(biāo)準(zhǔn)中，并沒有對(duì)屏蔽和非屏蔽加以限制，只是在羅列各種技術(shù)參數(shù)時(shí)，會(huì)說明在20℃～60℃范圍內(nèi)，屏蔽雙絞線的溫度波動(dòng)優(yōu)于非屏蔽雙絞線。實(shí)際上，在各種工程的實(shí)際測(cè)試當(dāng)中，屏蔽雙絞線的測(cè)試數(shù)值也優(yōu)于非屏蔽雙絞線。

我們可以從兩個(gè)方面分析兩種線纜的優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）成本

在電子理論中，抗電磁干擾的技術(shù)主要有三種：阻抗匹配、對(duì)絞和屏蔽。非屏蔽布線產(chǎn)品使用了阻抗匹配和對(duì)絞兩項(xiàng)技術(shù)，而屏蔽雙絞線則使用了阻抗匹配、對(duì)絞和屏蔽三項(xiàng)技術(shù)，由此，在低頻情況下，非屏蔽布線產(chǎn)品明顯占據(jù)了價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)。阻抗匹配和對(duì)絞技術(shù)取決于設(shè)計(jì)和制造工藝，而屏蔽則需要添加屏蔽材料和接地材料，在芯線直徑基本相同的前提下，非屏蔽布線產(chǎn)品自然會(huì)占有價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)。

多年前，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室推出了非屏蔽雙絞線，它應(yīng)用了廉價(jià)的非屏蔽技術(shù)和阻抗匹配技術(shù)，解決了物理帶寬為10MHz等級(jí)的傳輸問題。其后二十年，非屏蔽雙絞線技術(shù)一步步升級(jí)到了16MHz、25MHz、100MHz、250MHz，它們都滿足了商業(yè)建筑中對(duì)信息傳輸?shù)某Ｒ?guī)要求。

但是，也許只有廠商的工程師注意到，在250MHz等級(jí)的6類非屏蔽雙絞線中，芯線直徑已經(jīng)略微大于6類屏蔽雙絞線的線徑。而在最新的500MHz的6A類非屏蔽雙絞線，其線徑已明顯超過了同類的屏蔽雙絞線線徑（大多數(shù)6A類屏蔽雙絞線的線徑為AWG 23號(hào)，而大多數(shù)非屏蔽雙絞線的線徑為AWG 22號(hào)）。

眾所周知，雙絞線的用銅量與線徑的平方成正比，而無論是非屏蔽雙絞線還是屏蔽雙絞線，其造價(jià)中的絕大部分來自于銅。這就帶來了一個(gè)問題 —— 6A類非屏蔽雙絞線與同類屏蔽雙絞線的造價(jià)相比，孰高孰低？根據(jù)目前已知的數(shù)據(jù)，對(duì)于同一廠商的產(chǎn)品而言，非屏蔽雙絞線略微貴些。

（2）性能

根據(jù)計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.3），水平雙絞線能否用于傳輸線路上的信噪比，即在接收端的電信號(hào)幅度與電噪聲幅度之比。為此，在IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)中，都定義出了最大的噪聲電平。而在布線標(biāo)準(zhǔn)中則將噪聲電平分解成（線對(duì)間）近端串?dāng)_（NEXT）、線間近端串?dāng)_（ANEXT）等多項(xiàng)性能指標(biāo)，只要這些參數(shù)都滿足了規(guī)定，自然就可以滿足信噪比指標(biāo)（其實(shí)各類ACR也并非完整的信噪比，而只是其中的主要噪聲幅度與信號(hào)幅度之比）。

提到ANEXT，其實(shí)在2002版的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.3-2002）中就已經(jīng)提出了性能要求，因?yàn)槟菚r(shí)的以太網(wǎng)已經(jīng)開始使用4對(duì)線傳輸以太網(wǎng)信息，因此相鄰水平雙絞線之間的同色對(duì)干擾也就提上了日程。在6A類標(biāo)準(zhǔn)中，真正定義了與ANEXT相關(guān)的各種參數(shù)。

對(duì)于非屏蔽雙絞線而言，ANEXT已經(jīng)成為不可逾越的障礙，制造工程師們?yōu)榇讼氤隽烁鞣N方法來解決了這一難題，如干擾值能夠低于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，而所付出的代價(jià)則是增加了芯線線徑、大大放大了雙絞線的纜徑（TIA標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)將纜徑定義為9mm，而實(shí)際上的6A類纜徑常規(guī)值在8～9mm之間，最大值已經(jīng)達(dá)到了9.6mm）。對(duì)于屏蔽雙絞線的設(shè)計(jì)師而言，這根本不是問題，因?yàn)閮筛p絞線各自的屏蔽層共同作用，使線間干擾已經(jīng)不可能成為干擾源。

6A類屏蔽雙絞線可以有效的隔離雙絞線之間的電磁干擾，在雙絞線設(shè)計(jì)時(shí)又充分考慮了芯線與屏蔽層之間的電磁泄漏，因此在6類和6A類等級(jí)的雙絞線中，芯線的線徑已經(jīng)小于同等級(jí)的非屏蔽雙絞線，而纜徑更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于非屏蔽雙絞線，僅為7.4mm。這些參數(shù)所達(dá)到的效果是性能好、價(jià)格低。

3 案例分析

3M在2011年成為中航直升機(jī)綜合布線項(xiàng)目的產(chǎn)品供應(yīng)商。本項(xiàng)目采用6A類銅纜及模塊、OM3光纜，光銅同時(shí)達(dá)到萬兆傳輸速率，是2011年國內(nèi)最大的6A項(xiàng)目。

中航直升機(jī)天津產(chǎn)業(yè)基地總部大樓位于保稅區(qū)管委會(huì)對(duì)面，與管委會(huì)大樓隔路相望。該項(xiàng)目建筑面積8萬平方米，建設(shè)了A、B、C、D四棟建筑，分別為研發(fā)中心、通航運(yùn)營中心、綜合保障中心和辦公大樓，最高建筑為9層，建成后，直升機(jī)總部項(xiàng)目具有公司總部、研發(fā)中心、市場(chǎng)營銷中心、利潤中心、運(yùn)營中心及服務(wù)中心等六大功能區(qū)域。中航直升機(jī)公司天津總部研發(fā)中心網(wǎng)絡(luò)及通信系統(tǒng)采用美國3M綜合布線系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和施工范圍包括A、B、C三棟建筑樓。

網(wǎng)絡(luò)及通信綜合布線系統(tǒng)分為內(nèi)、外網(wǎng)兩套，內(nèi)網(wǎng)布線采用萬兆OM3光纖到桌面系統(tǒng)共計(jì)4000余點(diǎn)；外網(wǎng)布線采用增強(qiáng)型6類屏蔽系統(tǒng)共計(jì)5000余點(diǎn)。

在項(xiàng)目中我們也積累了很多經(jīng)驗(yàn)，首先6A類非屏蔽雙絞線的纜徑相對(duì)于6類線纜來說已經(jīng)明顯變粗，這就要求設(shè)計(jì)人員在橋架和電線管的設(shè)計(jì)中，充分考慮到這種變化，以免橋架和電線管的容量不足造成施工困難。當(dāng)然，對(duì)于6A類屏蔽雙絞線而言，這一變化則不大，無非是從6類的7mm纜徑增加到了6A類的7.4mm纜徑而已，本項(xiàng)目中采用的都是6A屏蔽線纜。

就布線施工而言，應(yīng)該說光纜施工盡管要求高，但經(jīng)過電信、電力行業(yè)的數(shù)十年努力，已經(jīng)形成了完善的施工工藝，而6A類和7類屏蔽雙絞線在施工時(shí)幾乎不必考慮周圍的環(huán)境（包括雙絞線與雙絞線是否平行擺放），只要產(chǎn)品不損壞、端接遵守規(guī)則、接地符合監(jiān)理要求即可滿足。對(duì)于系統(tǒng)集成商而言，經(jīng)過布線、BA、門禁、音響、安防、機(jī)房等工程的反復(fù)磨練，十年前所謂的“屏蔽施工難以保證質(zhì)量”一說早已不復(fù)存在，在本項(xiàng)目中也充分論證了這一點(diǎn)。但6A類非屏蔽雙絞線是否能夠通過施工這一關(guān)，還有待實(shí)踐考驗(yàn)。從長遠(yuǎn)來說，6A類新技術(shù)、新產(chǎn)品的工程實(shí)施一定會(huì)有助于綜合布線系統(tǒng)工程質(zhì)量再上一個(gè)新的臺(tái)階。