銅纜布線系統(tǒng)物理層的施工與認證測試研究

陳育中，嵇朋朋，周劉喜

（1.南京高等職業(yè)技術(shù)學校，江蘇 南京 210019；2.南京高職校工程檢測有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引言

當前，以工業(yè)機器人、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、人工智能和元宇宙為代表科學技術(shù)高速發(fā)展，工業(yè)4.0和信息技術(shù)時代已經(jīng)到來。網(wǎng)絡作為支撐上述科技的基礎，在軍事、科技、衛(wèi)生和教育等所有領(lǐng)域的作用也愈加重要，對網(wǎng)絡的信息傳輸、自查和糾錯能力的要求也越來越高。銅纜布線系統(tǒng)是網(wǎng)絡物理層中最底層的基礎，其存在的隱患問題不容忽視。工程技術(shù)人員必須充分理解物理層的組織構(gòu)架和工作原理，對布線系統(tǒng)運用科學的檢測方法，才能保證物理層的安全，網(wǎng)絡才能暢通，應用才能高質(zhì)量、高可靠地運行。

1 IT與網(wǎng)絡環(huán)境變化及網(wǎng)絡平臺的變遷

當今，ICT市場出現(xiàn)了高速率、大容量、移動化、云技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT）、大數(shù)據(jù)等新需求及新技術(shù)。結(jié)合網(wǎng)絡發(fā)展脈絡，對日益重要的物理層進行剖析。

1.1 互聯(lián)網(wǎng)的普及與流量的爆炸性增長

互聯(lián)網(wǎng)人口的增加、移動終端的普及給人們的生活方式帶來了巨大的變化。在TCP/IP芯片變小、節(jié)能、成本降低等因素的推動下，TCP/IP普及于家電和工業(yè)設備、工廠控制裝置和傳感器等設備，實現(xiàn)上網(wǎng)和即時通信、共享數(shù)據(jù)、利用云服務、有效利用大數(shù)據(jù)來挖掘數(shù)據(jù)、控制設備等功能。

1.2 網(wǎng)絡平臺的變化

服務模式、數(shù)據(jù)流量的爆炸性增長，要求必須增大流量密度、擴大服務數(shù)量、實現(xiàn)多租戶技術(shù)，對網(wǎng)絡提出的要求也越來越多。為了滿足要求，從原來的三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)(核心層、匯聚層、接入層）逐步變成Fabric(矩陣）型網(wǎng)絡，即利用虛擬化技術(shù)和SDN技術(shù)，采用自動化方式，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)靈活且規(guī)模可擴展，使網(wǎng)絡逐步向高速、高可靠性、擴展性、簡化等方向發(fā)展。

1.3 50%的網(wǎng)絡問題發(fā)生在物理層

在上述變化中，網(wǎng)絡應用流量不斷增長，物理層作為IT基礎設施的基礎，其重要性越來越不容忽視。只有物理層正常運行，所有的網(wǎng)絡應用才能順暢運行。

通常，網(wǎng)絡分為7層、4組。其中，物理層的生命周期長達10~15年。據(jù)統(tǒng)計，約有50%的網(wǎng)絡問題都發(fā)生在物理層。若該物理層的布線沒有使用質(zhì)量合格的元器件且安裝不符合規(guī)范，就會發(fā)生網(wǎng)絡無法連接、速度變慢或設備在PoE環(huán)境下不能正常運行等問題。

2 網(wǎng)絡布線

2.1 物理層基礎設施的重要性與設計要點

隨著虛擬化等技術(shù)的發(fā)展，在無法降低網(wǎng)絡運營和管理成本的情況下，可以通過正確管理物理層性能和運行狀況來實現(xiàn)主動式的故障處理。對于數(shù)據(jù)中心或一般企業(yè)而言，網(wǎng)絡也是企業(yè)經(jīng)營活動中不可或缺的生命線，如商業(yè)建筑內(nèi)部的網(wǎng)絡布線設施。為了適應網(wǎng)絡流量不斷增大、通信速度越來越快的趨勢，需要使用高性能的布線元器件來鋪設高質(zhì)量的綜合布線系統(tǒng)。

2.2 布線標準

IEEE標準規(guī)定，物理層的網(wǎng)絡布線要執(zhí)行正確的布線管理，滿足傳輸帶寬要求，以確保滿足布線系統(tǒng)上運行的網(wǎng)絡應用的性能。因此，必須在投入使用前根據(jù)TIA，ISO，GB/T(中國執(zhí)行ISO/IEC11801，GB/T 50312及TIA568C）等布線標準進行測試。

2.3 銅纜布線標準的最新動態(tài)

以太網(wǎng)的行業(yè)標準化聯(lián)盟頒布的以太網(wǎng)路線圖、雙絞線鏈路速率路線圖標準，主要使用的標準是2.5GBASE-T和5GBASE-T。該標準對Cat5e和Cat6類鏈路性能提出了新的要求，為了評估外部串擾對電氣性能的影響，定義ALSNR參數(shù)。ALSNR用來衡量鏈路的電氣性能特性，將插入損耗、外部NEXT和內(nèi)部FEXT組合在一起進行計算。若使用Cat5e鏈路支持頻寬為250 MHz的5G數(shù)據(jù)傳輸，則需要重新進行認證測試，以支持802.3ac WiFi應用標準。該解決方案支持最長30 m、最高速度40 Gbps以太網(wǎng)應用。從鋪設方面來看，銅纜布線的成本與光纖相比，花費更少。要做到最大程度的節(jié)約，關(guān)鍵在于光電轉(zhuǎn)換模塊等電氣成本。

2.4 如何選擇布線測試標準

根據(jù)用戶手冊規(guī)定，選擇測試標準。若沒有說明，一般方法是根據(jù)性能指標要求和使用的布線材料來選擇測試標準等。

2.5 局域網(wǎng)（LAN）布線的構(gòu)成

局域網(wǎng)(LAN）是分層的，以確保有出色的靈活性和擴展性。大規(guī)模的局域網(wǎng)一般可以分為3層，即接入層(邊緣層）、流量層(分布層或匯聚層）、核心層。用通信線纜將各層中的通信設備有效地連接在一起，即為布線系統(tǒng)。

2.6 布線系統(tǒng)的要求和擴展性

布線系統(tǒng)由支線、干線、局域干線等子系統(tǒng)組成。支線由連接到配線架的部分布線組成，該配線架用來匯聚信息插座上連接的線纜。干線由連接到配線架的布線部分組成，用來匯聚大樓內(nèi)的所有鏈路。局域干線由工廠和園區(qū)等不同的建筑物連接的布線部分組成［1］，如圖1所示。

圖1 信息布線系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)

布線多半鋪設在較為隱蔽的地方，通過增加或更換設備可以提高布線系統(tǒng)的可擴展性和靈活性。如園區(qū)干線布線子系統(tǒng)是從園區(qū)配線架到建筑內(nèi)配線架為止的設施，通過部署該配線架到另一棟建筑內(nèi)即可實現(xiàn)擴展。最好的解決方案是時刻關(guān)注未來的網(wǎng)絡擴展和變更，并事先鋪設好不少于必要數(shù)量的線纜，且考慮選擇等級更高的線纜，鋪設芯數(shù)和根數(shù)不少于最初必要數(shù)量的線纜等。

2.7 銅纜布線

(1）銅纜。根據(jù)所支持的傳輸頻率帶寬分為D，E，Ea，F(xiàn)，F(xiàn)a等5類。確定性能時要綜合考慮所使用的通信要求，但由于具有向下兼容性，需考慮到未來的情況，因此最好使用較高等級。但必須注意的是F、Fa類和Ⅰ、Ⅱ類連接器的形狀，與一般的設備使用的RJ45接口不兼容。

(2）雙絞線。根據(jù)支持的最大傳輸頻率分為非屏蔽 線(Unscreened Twisted Pair，UTP）與 屏 蔽 線(Screened Twisted Pair，STP）兩種。將經(jīng)過絕緣處理的2根銅線絞合在一起作為一對(雙絞）線組成的線纜，并將此作為最小單元。雙絞線基本上以4對為基數(shù)組成，一般為4對、8對、24對線纜。一般的商用大廈都使用UTP，但為了減少電源噪音帶來的影響，會在工廠等地方使用屏蔽線。

2.8 施工及其注意事項

由于布線系統(tǒng)承載的是寬帶通信，所以施工質(zhì)量很重要，必須更加細心認真，確保施工無誤。布線標準隨著所支持的IEEE應用標準傳輸速率的提升，其信號電平變得非常微小，防止通信鏈路內(nèi)產(chǎn)生信號反射或者在不受周圍干擾信號的影響下保持規(guī)定的信噪比，將信號正確傳輸出去。

2.8.1 施工問題

(1）拉伸、彎曲、側(cè)壓。不得向線纜施加拉伸、彎曲、側(cè)壓等物理或機械方面的壓力。由于側(cè)壓的緣故，線纜的正常結(jié)構(gòu)(合適的導體直徑、絕緣外徑，4對線的位置關(guān)系等）中會有一部分出現(xiàn)“絕緣芯線壓壞”，或4對線的位置關(guān)系“從正常的正方形變成菱形或其他異常狀態(tài)”，從而導致“回波損耗(反射）”側(cè)壓部分的特性阻抗不匹配和“NEXT(近端串擾）”性能變差。

(2）線纜急彎或扭曲。應注意防止線纜急彎或扭曲的情況出現(xiàn)。信息插座豎起或線纜拉出時，有可能因為過度扭曲或急彎導致故障。

(3）終端處理、浸水等。若在處理終端時需要去掉外皮，需注意防止線纜受損，防止雨水、機械油、涂料直接接觸線纜。若有可能出現(xiàn)上述情況，需事先采取措施。

(4）連接器端接。盡量避免線對扭曲，防止線纜外皮出現(xiàn)過度剝離的情況。如果這種情況已出現(xiàn)多次，那就是接線排列出錯了。并不是只要完成接線即可，否則有可能導致故障出現(xiàn)，因此必須統(tǒng)一跳線、配線架、信息插座的接線。

2.8.2 施工性能變化

根據(jù)施工手冊，用相同的材料施工的工作人員，與完全不遵守相關(guān)規(guī)定而是按照自己的想法施工的工作人員之間的測試結(jié)果的比較。根據(jù)比較，可以得知不遵守用戶手冊的工作人員的測試結(jié)果很差，布線質(zhì)量取決于施工者，且品質(zhì)并不穩(wěn)定。因此，為了讓布線質(zhì)量滿足材料、設計、施工等所有的要求條件，必須提高施工者的技能。

2.8.3 施工環(huán)境噪音

銅纜布線考慮以10GBASE-T運行10G通信的場景，更加關(guān)注噪聲的影響。從10GBASE-T的信號方式來看，其信號電平只有1/1 000 V，比1000BASE-T小得多，建設布線系統(tǒng)時，不僅要考慮外部串擾，還要盡量遠離電力線和噪音源等，要充分考慮鋪設環(huán)境的噪音影響，如圖2所示。

圖2 不同通信編碼方式的信號電平

3 系統(tǒng)測試

線纜測試分為外形(外觀）測試和認證測試。測試性能以認證測試為準，同時需要提交測試報告、校準證書和校準計量溯源圖。

3.1 認證測試

線纜和模塊等布線組件都是根據(jù)標準進行設計并制造出來的。若將這些組合在一起形成鏈路，就可以保證獲得必要的性能。但實際上，由于模塊安裝在線纜上、由于線纜拉扯等原因，會導致最終的鏈路性能下降。

最終布線系統(tǒng)的性能，會受到施工人員的技能和施工環(huán)境等因素的影響。在施工后根據(jù)標準進行JIS標準“認證測試”測試，以確保施工的布線能滿足標準規(guī)定的性能。

3.2 認證測試的必要性

對于局域網(wǎng)布線工程來說，多數(shù)要求認證測試。認證測試完成后，會將測量結(jié)果匯總為測試報告提交給客戶完成認證。施工方可以證明使用了合格的線材，施工工藝沒有問題；用戶方驗收時可以確認施工與規(guī)范保持一致，并符合測試標準的規(guī)定。進行認證測試時，根據(jù)該布線系統(tǒng)的等級(分類或者等級）選擇合適的測試項，并使用滿足該測試項的線纜分析儀。

3.3 測試前的準備工作

3.3.1 選擇正確的測試標準

認證測試是一種自動化測試，即通過“自動測試”來執(zhí)行。根據(jù)自動測試中選擇的測試標準，決定鏈路模式(永久鏈路或通道）、被測參數(shù)、最大頻率以及每個參數(shù)合格/不合格的限值。測試前必須根據(jù)測試規(guī)范，確認選擇了正確的測試標準。

3.3.2 選擇正確的鏈路模式

若想保證測試結(jié)果的有效性，必須在進行自動測試前選擇測試規(guī)范要求的標準及鏈路模式，如圖3所示。

圖3 綜合布線系統(tǒng)的鏈路模型

(1）永久鏈路。從樓層配線架到通信插座為止的固定的傳輸路徑，最大長度為90 m。包括鏈路兩端的模塊在內(nèi)，可以選擇增加集合點和CP線纜。由于兩端是插座，因此測試時，使用帶測試線的永久鏈路適配器，其前端帶插頭。

(2）通道。局域網(wǎng)交換機或者HUB等網(wǎng)絡設備與終端之間的傳輸路徑。通道屬于水平系統(tǒng)的子系統(tǒng)，包括網(wǎng)絡設備跳線和終端設備跳線。

3.4 現(xiàn)場測試參數(shù)

現(xiàn)場性能測試的目的是保證布線系統(tǒng)的信號傳輸準確可靠。測試報告記錄每個測試結(jié)果是否合格，每個參數(shù)是否合格以及余量多少。標準規(guī)定必須測量的性能參數(shù)有IL(插入損耗，雙絞線鏈路引入的信號衰減）、RL(回波損耗）、NEXT(串擾，雙絞線線對之間的信號干擾）等，還規(guī)定了線束里線纜之間的信號串擾，即外部串擾為測試項目［2］。

認證測試的目的是確認這些參數(shù)的測量值都在所選標準的限值范圍以內(nèi)，即“合格”。

(1）IL表示電子信號在線纜傳播過程中出現(xiàn)的衰減量。IL越小，線纜中的信號就可以傳播得越遠。

(2）RL是由布線系統(tǒng)中線纜與模塊的阻抗不匹配引起的反射信號，用dB為單位表示。對于千兆以太網(wǎng)來說，這是特別重要的參數(shù)。當反射信號較大時，就無法將它從與輸入信號區(qū)分出來，從而導致數(shù)據(jù)傳輸錯誤。RL的值越大，意味著阻抗的匹配性越好。

(3）NEXT。線纜同一端的信號與串擾信號之比稱為NEXT(近端串擾）。接收側(cè)的信噪比用dB單位表示，這個數(shù)值越大，信號的噪音就越小。

(4）傳輸延遲差。線纜中傳輸速度最快的線對與最慢的線對的延遲時間差。千兆及以上的髙速以太網(wǎng)技術(shù)都是同時使用4對線。如果有1對線或多對線的延退時間與其他線對的差異很大，則從線纜的一端同時發(fā)送的信號，到達接收端時就會有相當大的時間差，導致原來的信號不能在接收端正確組合，從而引發(fā)傳輸錯誤［3］。

(5）外部串擾。線纜被多個線纜群包圍時，相鄰線纜發(fā)出的噪音會給該線纜帶來干擾，影響其數(shù)據(jù)傳輸能力。外部串擾測量中，將串擾的接收方稱為被干擾鏈路，相鄰的線纜稱為干擾鏈路。若外部串擾變大，系統(tǒng)內(nèi)的信噪比(SNR）就會下降，從而限制帶寬。外部串擾對于實現(xiàn)信號傳輸是非常重要的參數(shù)，最終用戶及施工方在制定鋪設方案時，必須格外注意外部串擾的影響。

4 結(jié)語

網(wǎng)絡信號傳輸?shù)耐〞秤诜裰苯雨P(guān)系到設備與設備之間的信息發(fā)布和處理，影響能否順利達到工程實際的作用。對網(wǎng)絡進行合理的配置和參數(shù)測試是非常有必要的。在銅纜使用廣泛的綜合布線系統(tǒng)中，工程技術(shù)人員對網(wǎng)絡綜合布線的整個框架應有較強的理論知識和嫻熟的專業(yè)技能，特別是如何運用合適的布線標準、正確的施工方法和施工工藝、有效的認證測試顯得尤為重要。