万兆铜缆系统工程的设计与施工检测技术白皮书.docx
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万兆铜缆系统工程的设计与施工检测技术白皮书
万兆铜缆系统工程设计与施工检测技术白皮书
1前言
2
铜缆发展与以太网技术发展密切相关。
以太网技术可以追溯到上个世纪70年代,时至今日以太网占据了全球局域网市场90%以上市场份额。
在将近四十年时间里,以太网网络速度从最初10Mbps,发展到今天10Gbps,甚至40Gbps和100Gbps,并且继续以更快速度向前发展和演变。
网络速度发展要求更高性能布线系统,2008年2月,TIA和ISO相继发布了Cat.6A/ClassEA布线标准。
为了满足未来数据中心及网络主干更高传输速率要求,IEEE于2006年成立了以太网高速研究工作小组(HSSG),着手开发比10G以太网更快网络技术,2008年1月IEEE又成立了802.3ba工作组,同时负责40G以太网和100G以太网两个标准制定,40G以太网主要应用于数据中心高速率存储,100G以太网主要应用于网络主干,40G/100G以太网正式标准在2010年6月已经正式发布。
根据网络设备芯片厂商Intel和Broadcom以太网市场分析报告,由于网络传输速率需求不断增长,以太网更新换代周期正在不断缩短,从100M以太网过渡到1G以太网大约需要10年时间,从1G以太网过渡到10G以太网大约需要6年时间。
预计到2015年大部分数据中心将会采用10G以太网,2019年大部分数据中心将会采用40G以太网。
2.1编写目及适用范围
2.2
随着万兆布线技术逐步普及和在工程中被得到广泛应用,越来越多设计人员和工程人员希望了解万兆布线系统基础知识与基本概念、系统设计与产品选用、施工技术与施工要点、验收内容与测试方法等方面内容。
这本白皮书将以此为目标,阐述铜缆发展。
本白皮书将面向以下人群:
∙从事系统规划和决策系统分析管理人员
∙
∙智能建筑弱电系统和综合布线系统销售人员
∙
∙设计院布线工程设计师
∙
∙系统集成商中设计、施工人员
∙
∙咨询公司与审图公司中技术人员
∙
∙工程监理及技术监督部门主管人员
∙
∙布线厂商中部分技术人员
∙
2.3参考标准及资料
2.4
∙ISO/IEC11801-2008
∙
∙TIA568-C
∙
∙IEEE802.3系列标准
∙
∙各参编单位产品资料
∙
2.5术语及缩写语
英文缩写
英文名称
中文名称或解释
Cat.6A
AMENDMENTCat.6
增强六类
(简称6A类或Ea级)
NEXT
Near-EndCrosstalk
近端串扰
AXT或ANEXT
AlienNEXT
外部串扰
PSANEXT
PowerSumAlienNEXT
综合外部串扰
CSMA/CD
CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection
带冲突检测载波监听多路访问
3布线标准
4
4.1ANSI/TIA568-C标准概述
4.2
ANSI/TIA-568电信标准集包含了对平衡双绞线和光缆要求,以此作为北美BICSI(建筑业咨询服务国际组织)电信配线手册(TDMM)中所述最佳设计、安装和维护实践理论基础。
ANSI/TIA-568-C标准包括了568–C.0,568-C.1,568-C.2和568-C.3四份标准文件,并包含151个表格和121幅插图,它是至今为止最新TIA电信布线规范。
2009年初颁布。
美国国家标准协会(ANSI)要求其下属委员会每5年对其持有标准进行重申,修订或撤销工作。
因此,ANSI/TIA-568标准自1991年发布至今,已经历了3次修编。
这也保证了TIA标准内容是最新,信息集中,减少或消除重复文本。
新标准一个重大决定是将组成上一版ANSI/TIA-568-B标准三个文件拆分成四个文件。
这一决定源于需要一份通用标准,用于当特定场所(如商用建筑物、数据中心、住宅或工厂)标准不适用时满足通用布线需求。
这份通用文本可用于一些以前不支持环境如机场或体育场非办公区域,也可以作为适用于所有特殊场所通用要求知识库和部件标准。
新ANSI/TIA-568-C标准包含下列主要文件:
ANSI/TIA-568-C.0, “通用建筑物电信布线”,2009年出版;
ANSI/TIA-568-C.1, “商业建筑电信布线标准”,2009年出版;
ANSI/TIA-568-C.2, “平衡双绞线电信布线和部件标准”,2009年出版;
ANSI/TIA-568-C.3, “光缆布线部件标准”,2008年出版,在2008年10月发表勘误表;
ANSI/TIA-568-C文件主要跟新和修改包括:
4.2.1ANSI/TIA-568-C.0:
通用标准:
用户建筑物通用布线标准
4.2.2
ANSI/TIA-568-C.0是一个通用技术文档,适用于不同环境,比如商业建筑物,医疗或者工业环境。
主要内容更新如下:
∙定义了新通用术语以适应不同环境,比如新增了设备插座(EO),分布点A(DA),分布点B(DB),分布点C(DC)
∙
∙认可Cat.6A类作为传输介质
∙
∙增加了了光纤链路测试和性能要求
∙
∙F/UTP屏蔽以及UTP非屏蔽平衡双绞线缆最小安装弯曲半径统一调整为4倍线缆外径,
∙
∙平衡双绞线跳线弯曲半径被改为1倍线缆外径,以适应较大线缆直径
∙
∙对布线所处环境根据MICE(机械,侵入,气候化学,电磁)进行分类,以区分不同环境,以采取不同布线措施
∙
∙ANSI/TIA-568-C.0与ANSI/TIA-568-C.1通用术语比较
ANSI/TIA-568-C.0通用术语
ANSI/TIA-568-C.1商业环境术语
分布点C (DC)
主跳接(MC)
分布点B(DB)
中间跳接(IC)
分布点A (DA)
水平跳接(HC)
设备插座 (EO)
电信插座(TO)
布线子系统3 (cablingsystem3)
室外主干布线(BackboneCabling)
布线子系统2 (cablingsytem2)
室内主干布线(BackboneCabling)
布线子系统1 (cablingsytem1)
水平布线(HorizontalCabling)
ANSI/TIA-568-C.0布线系统结构
4.2.3ANSI/TIA-568-C.1:
商业场所布线标准:
商业楼宇电信布线标准
4.2.4
ANSI/TIA-568-C.1主要关注商业办公楼环境,主要内容更新如下
∙认可Cat.6A类作为传输介质
∙
∙主干布线推荐使用850nm激光优化50/125µm多模光纤
∙
∙认可传输介质中删除了Cat.5类,150欧姆STP屏蔽双绞线,50欧姆及75欧姆同轴电缆
∙
ANSI/TIA-568-C.1布线系统结构
4.2.5ANSI/TIA-568-C.2:
元器件标准:
平衡双绞线和连接硬件标准
4.2.6
ANSI/TIA-568-C.2主要内容更新如下:
▪Cat.5e布线建议用于100MH以下应用
▪
▪参考附录保留了Category5信道性能指标
▪
▪平衡双绞线信道及永久链路性能要求加入到本文件
▪
▪所有类别传输性能参数方程式在一个单独表中列出
▪
▪引入了耦合衰减(CouplingAttenuation)参数,耦合衰减是表征屏蔽电缆共模电流产生辐射峰值功率
▪
▪定义了所有类别连接硬件实验室测试方法
▪
▪定义了Cat.6A类系统信道、永久链路及元器件标准性能参数要求
▪
信道测试模型
永久链路测试模型
4.2.7ANSI/TIA-568-C.3元器件标准:
光纤布线和连接硬件标准
4.2.8
ANSI/TIA-568-C.3主要内容更新如下:
∙ISO光纤命名种类(OM1,OM2,OM3,OM4,OS1,OS2等等)被加入进来
∙
∙加入了连接器应力释放、外壳、适配器颜色等方面建议,不同颜色便于区分不同光纤类型
∙
∙62.5/125μm多模光纤满注入发射带宽(OFL)从160MHZ.km@850nm增加到200MHZ.km@850nm
∙
4.3ISO/IEC11801
4.4
ISO/IEC于2002年发布118012nd中就定义了高于ClaseE(六类)F类双绞线传输系统。
要求带宽不小于600MHz。
随着IEEE802.3an标准在2006年发布,以及TIA568C.2标准讨论,ISO/IECSC25委员会首先在2008年发布了ISO/IEC11801:
AMENDMENT1,在其中定义了ClassEa,Fa关于通道要求和标准。
在2010年又推出了ISO/IEC11801:
2002AMENDMENT2。
在AM2中,定义了ClassEa,Fa链路,元器件标准和要求。
相比ISO/IEC11801:
2002和AM1:
2008,AM2增加了针对ClassEa和Fa测试标准引用;修改了图表,增加了ClassEa和Fa计算公式和参数。
在未来1-2年里,ISOSC25计划对11801架构进行一次大调整,新标准将类似于EN50173和TIA-568系列化,首先出现将是整合ISO11801:
2002,AMENDMENT1&2ISO/IEC-11801-1标准。
ISO11801标准与6A类、7类、7a类相关版本出现在以下版本中:
∙ISO/IEC11801(secondedition2002)
∙
∙ISO/IEC11801(secondedition2002)-CORRIGENDUM1(2002)
∙
∙ISO/IEC11801(secondedition2002)-CORRIGENDUM2(2002)
∙
∙ISO/IEC11801(secondedition2002)-CORRIGENDUM3(2008)
∙
∙ISO/IEC11801(secondedition2002)-Amendment1(2008)
∙
∙ISO/IEC11801(secondedition2002)-Amendment1(2008)-CORRIGENDUM1(2008)
∙
∙ISO/IEC11801(secondedition2002)-Amendment2(2010)
∙
∙ISO/IEC11801(secondedition2002)-Amendment2(2010)-CORRIGENDUM1(2010)
∙
上述版本中加粗提示:
2002第二版本和2008修正1是两个重要节点,ISO/IEC组织通过11801早于2002年在已有6类/E级前提下直接增加了7类/F级应用指标,于2008年同时发布了6A类/EA级和7A类/FA级应用性能标准,6A类/EA级要求带宽500MHz,7类/F级要求带宽600MHz,7A类/FA级要求带宽1000MHz。
2008修正1中,针对EA级F级FA级应用增加了缆间串扰性能要求,其中F级性能标准可以参考EA级。
在上述标准中对EA级、F级、FA级链路、CP链路、信道定义了测试方法和测试标准,还包括6A类、7类、7A类连接件单体(如模块、跳线)测试标准。
ISO/IEC11801(secondedition2002)-CORRIGENDUM3(2008)中针对D级E级EA级F级以太网应用是参考IEEE802.3an标准,说明除了ISO11801,IEEE802标准也与时俱进地开始定义6A类、7类、7A类应用。
另外,欧洲标准对这部分内容参考了ISO11801标准。
4.5性能参数表
4.6
4.6.1TIACat.6AChannel
4.6.2
4.6.3TIACat.6APerm.Link
4.6.4
4.6.5ISO11801ChannelClassF
4.6.6
4.6.7ISO11801PLClassF
4.6.8
4.6.9
4.6.10
4.6.11ISO11801ChannelClassFa
4.6.12
4.6.13ISO11801PL2ClassFa
4.6.14
4.6.15ISO11801PL3ClassFa
4.6.16
4.6.17ISO11801ChannelClassEa
4.6.18
4.6.19ISO11801PL2ClassEa
4.6.20
4.6.21ISO11801PL3ClassEa
4.6.22
5应用标准
6
6.1802.3an标准简介
6.2
6.2.110Gbps以太网概述
6.2.2
IEEE802.3™第3部分全称为:
《带冲突检测载波监听多路访问(CSMA/CD)访问方法及物理层指标》,其中第4节是对10Gbps以太网运行及其大多数物理层指标一般规定,分别在标准中第44条至第55条,以及附录44A至附录55B予以描述。
10Gbps以太网使用IEEE802.3定义MAC子层,通过10Gb介质独立界面(XGMII)连接至诸如:
10GBASE-SR、10GBASE-LX4、10GBASE-CX4、10GBASE-LRM、10GBASE-LR、10GBASE-ER、10GBASE-SW、10GBASE-LW、10GBASE-EW以及10GBASE-T各类物理层实体。
10Gbps以太网需达到以下要求:
1)支持全双工以太网MAC;
2)
3)在10Gb介质独立界面(XGMII)上提供10Gbps数据传输速率;
4)
5)支持LANPMD运行于10Gbps之上,支持WANPMD运行于SONETSTS-192c/SDHVC-4-64c速率之上;
6)
7)支持线缆厂商使用满足ISO/IEC11801:
1995光纤;
8)
9)允许网络扩展至40km;
10)
11)支持在配线间和数据中心应用双芯线缆(twinaxialcable)布线上运行;
12)
13)支持在选取于ISO/IEC11801:
2002铜缆上运行;
14)
15)误码率小于10-12。
16)
6.2.310GBASE-T概述
6.2.4
10GBASE-T需达到以下要求:
1)仅支持全双工;
2)
3)支持星形结构局域网应用点对点链路与结构化布线拓扑;
4)
5)支持10GbpsMAC/PLS业务界面;
6)
7)支持ISO11801:
2002中铜缆介质(55.7条款详细规定);
8)
9)支持在含有4个连接器4对铜对绞线所能支持全部传输距离与等级上运行;
10)
11)定义能支持100米四对平衡铜缆布线链路单一10Gbps物理层;
12)
13)在MAC客户业务界面保持IEEE802.3以太网数据帧格式;
14)
15)保持当前IEEE802.3标准规定最小与最大帧长;
16)
17)支持自动协商;
18)
19)满足CISPR/FCCA级电磁兼容要求;
20)
21)在全部传输距离与等级上误码率小于或等于10-12。
22)
6.2.510GBASE-T运行方式
6.2.6
运行时,10GBASE-T在平衡电缆4对线芯上同时传输2500Mb/s数据,以达到10Gbps传输速率(如图)。
每个线对上信号采用800M/s符号调制率基带16电平PAM信号。
建立链路后,数据与控制符共构同成512个DSQ128符号物理层数据帧,并在4个线对上以4×256PAM16编码方式连续传送。
800M/s符号调制率决定了符号周期为1.25ns。
图:
10GBASE-T全双工传输模式(IEEE802.3anFigure55-2)
6.2.7干扰源问题
6.2.8
干扰10GBASE-T造成误码噪声主要是串扰、链路段回声干扰以及链路段之间耦合噪声,即外部串扰噪声(如图)。
图:
链路段间外部串扰耦合(IEEE802.3anFigure55B–1)
此外10GBASE-T还会受以下噪声源影响:
1)在相同全双工信道(线对)上,来自本地传送器回声。
此类回声是由混合器在建立数据同时双向传输,以及链路段阻抗不匹配造成。
必须使用回声消除方法对其进行抑制才能降低误码率。
2)在双工信道(线对)上,来自本地传送器近端串扰。
每个接收器受到来自其他3个邻近传送器干扰。
近端串扰可通过近端串扰消除处理器予以降低。
3)接收器受到双工信道(线对)3个远端传送器远端串扰。
远端串扰可通过交叉耦合均衡器予以降低。
4)符号间干扰(ISI)。
符号间干扰是来自同一信道中,符号发送信号与另一符号接受信号之间干扰。
10GBASE-T支持采用Tomlinson-Harashima预编码机制降低符号间干扰。
5)来自非理想状态双工信道、传送器、接收器噪声,例如:
DAC/ADC非线性、电气噪声、非线性信道特性。
10GBASE-T通过改变PMA电气指标限制这些噪声影响。
6)期望10GBASE-T背景噪声不超过-150dBm/Hz,以便确定最小信噪比。
6.2.9外部串扰缓解办法(IEEE802.3anAnnex55B)
6.2.10
外部串扰水平与相邻线缆和连接器数量及距离相关,外部串扰链路段指标:
PSANEXT与PSAELFEXT,是基于“6包1”模型进行计量。
外部串扰耦合是布线元件间距离函数,移动或放松线线缆,分散设备或跳线,使用低密度连接器等措施,都对降低外部串扰有明显作用。
在很多实际布线拓扑结构中,线缆仅在相对较短距离上进行绑扎或放置在线缆托盘中,星形拓扑布线线缆是由中心设备间随机分配至各工作区,这就减小了彼此靠近链路段距离,有利于降低外部串扰。
当外部串扰指标不满足要求时,可通过以下方法加以改善:
1)条件允许时,分散设备间中配线架位置,邻近位置可用于其他应用;
2)通过内部连接将附属设备连接至水平布线,而不采用交叉连接,以减少Co-located连接器数量。
在工作区连接器与跳线不属于Co-located连接器。
3)通过分散跳线和解捆水平布线,降低头5-20m水平布线外部串扰耦合。
外部串扰耦合明显部分一般发生在布线20m以内。
(IEEE802.3an55.5.4.5将带2个连接器10m跳线和20m水平布线构成30m链路,定义为短链路。
)
4)分散设备跳线使其充分缓解外部串扰耦合;
5)更换更高类型或等级连接器。
6.3数据中心应用
6.4
6.4.1IT应用发展
6.4.2
数据中心是企业信息化中枢系统,随着云计算、数据中心整合,虚拟化等新技术出现,数据中心网络基础设施面临着越来越多技术挑战。
以数据中心虚拟化为例,通过虚拟化技术将一台服务器虚拟成2台甚至更多台服务器,从而实现资源最大化利用。
虚拟化技术对于传统网络基础设施提出了更高要求。
传统数据中心局域网和存储网采用不同网络技术,局域网一般采用以太网,而存储网一般采用光纤通道(FC),这两种网络技术互不兼容,因而造成了实施和维护成本高昂。
下一代数据中心发展趋势是局域网(LAN)和存储网(SAN)融合即FCoE技术,FCoE将传统光纤通道(FC)协议数据包封装到以太网帧中传输,由于以太网部署和维护成本较低,因此FCoE能够大大降低未来数据中心实施和维护成本。
局域网(LAN)和存储网(SAN)融合促使数据中心采用更高性能网络技术如万兆(10Gbps)或10万兆(100Gbps)网络技术。
6.4.3接口发展
6.4.4
从目前IT设备发展来看,10GBASE-T是一种性价比最好技术。
基于光纤10G以太网技术标准早在2002年就已经发布了,经过近几年市场考验和产品发展演变,10G光纤以太网成为成熟可用技术。
基于光纤万兆以太网传输距离高达40Km,采用高密度、低功耗小型可插拔连接器(SFP/SFP+),功耗只有1W,但是光纤设备成本相对最贵,因此光纤万兆以太网主要用于远距离城域网(MAN)或局域网(LAN)园区网络主干。
为了在铜缆上传输万兆以太网,IEEE802.3ak任务小组于2004年发布了10GBase-CX4,10GBase-CX4主要用于解决数据中心机房设备背板高速互联,价格最便宜,但传输距离只有15m,由于采用8条双同轴屏蔽电缆,线缆尺寸较大,此外CX4连接器非常昂贵而且无法现场端接,因此10GBase-CX4已经逐渐淡出市场。
鉴于目前以太网传输介质中双绞线占据了80%以上市场份额,IEEE802.3an工作小组于2006年发布了在双绞线上传输万兆以太网技术标准10GBase-T,10GBase-T兼容传统百兆和千兆以太网,在Cat.6A布线系统上传输距离可以达到100米,因此Cat.6A双绞线能够满足万兆到桌面及数据中心高性能运算需求,10GBase-T能够提供10倍于千兆以太网1000Base-T速度,价格却只有原来1000Base-T三倍,此外10GBase-T采用传统RJ45连接器,易于安装和维护,因此10GBase-T是未来市场上最有可能大规模采用万兆技术。
目前阻碍10GBase-T普及主要因素是价格和功耗,10GBase-T由于10GBase-T采用复杂物理编码技术,价格和功耗相对较高,随着芯片制造技术不断提高,10G以太网每端口成本从最初2000美元左右降到大约500美元。
10GBase-T目前主要应用于数据中心,功耗是限制10GBase-T大规模普及一个重要因素,10GBase-T网络设备功耗主要取决于物理接口电路(PHY)功耗,Broadcom公司在2010年2月份向市场推出了一款采用新型40nm处理技术网络物理接口(PHY)芯片,每端口功耗低于4W,比第一代10GBase-T网络设备10W功耗已经大幅度降低,未来随着网络芯片制造技术进步,这一数值还会进一步降低。
根据第三方市场调查报告全球60%数据中心链路长度在30m以内,为了降低数据中心内10GBase-T网络设备功耗,IEEE802.3an工作组开发了一种30m短距离低功耗工作模式,在这种模式下,不需要较大信号发射功率及串扰性能,另外,如果使用Cat.6A,Cat.7或Cat.7A双绞线,因为Cat.6A/Cat.7/Cat.7A双绞线比cat.6双绞线具有更好插入损耗(衰减),因此能够节约大约20%-30%能耗。
另外,为了解决数据中心以太网设备能耗问题,IEEE802.3az正在开发节能以太网标准,将允许设备之间自动协商,如果设备处于待机状态,节能大约85%,因此未来10GBase-T网络设备功耗将不再是万兆以太网普及
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