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、傳感器、人工智能和元宇宙為代表科學技術高速發(fā)展，工業(yè)4.0和信息技術時代已經到來。網絡作為支撐上述科技的基礎，在軍事、科技、衛(wèi)生和教育等所有領域的作用也愈加重要，對網絡的信息傳輸、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。工程技術人員必須充分理解物理層的組織構架和工作原理，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，網絡才能暢通，應用才能高質量、高可靠地運行。

1 IT與網絡環(huán)境變化及網絡平臺的變遷

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

1.1 互聯(lián)網的普及與流量的爆炸性增長

互聯(lián)網人口的增加、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)上網和即時通信、共享數據、利用云服務、有效利用大數據來挖掘數據、控制設備等功能。

1.2 網絡平臺的變化

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

1.3 50%的網絡問題發(fā)生在物理層

在上述變化中，網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，所有的網絡應用才能順暢運行。

通常，網絡分為7層、4組。其中，物理層的生命周期長達10~15年。據統(tǒng)計，約有50%的網絡問題都發(fā)生在物理層。若該物理層的布線沒有使用質量合格的元器件且安裝不符合規(guī)范，就會發(fā)生網絡無法連接、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

隨著虛擬化等技術的發(fā)展，在無法降低網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。對于數據中心或一般企業(yè)而言，網絡也是企業(yè)經營活動中不可或缺的生命線，如商業(yè)建筑內部的網絡布線設施。為了適應網絡流量不斷增大、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)上運行的網絡應用的性能。因此，必須在投入使用前根據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)

以太網的行業(yè)標準化聯(lián)盟頒布的以太網路線圖、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。ALSNR用來衡量鏈路的電氣性能特性，將插入損耗、外部NEXT和內部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數據傳輸，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，關鍵在于光電轉換模塊等電氣成本。

2.4 如何選擇布線測試標準

根據用戶手冊規(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（LAN）布線的構成

局域網(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)的分層結構

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)配線架到建筑內配線架為止的設施，通過部署該配線架到另一棟建筑內即可實現(xiàn)擴展。最好的解決方案是時刻關注未來的網絡擴展和變更，并事先鋪設好不少于必要數量的線纜，且考慮選擇等級更高的線纜，鋪設芯數和根數不少于最初必要數量的線纜等。

2.7 銅纜布線

(1）銅纜。根據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，防止通信鏈路內產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、側壓。不得向線纜施加拉伸、彎曲、側壓等物理或機械方面的壓力。由于側壓的緣故，線纜的正常結構(合適的導體直徑、絕緣外徑，4對線的位置關系等）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果的比較。根據比較，可以得知不遵守用戶手冊的工作人員的測試結果很差，布線質量取決于施工者，且品質并不穩(wěn)定。因此，為了讓布線質量滿足材料、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

對于局域網布線工程來說，多數要求認證測試。認證測試完成后，會將測量結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、最大頻率以及每個參數合格/不合格的限值。測試前必須根據測試規(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，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。局域網交換機或者HUB等網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)，包括網絡設備跳線和終端設備跳線。

3.4 現(xiàn)場測試參數

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果是否合格，每個參數是否合格以及余量多少。標準規(guī)定必須測量的性能參數有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的測量值都在所選標準的限值范圍以內，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。對于千兆以太網來說，這是特別重要的參數。當反射信號較大時，就無法將它從與輸入信號區(qū)分出來，從而導致數據傳輸錯誤。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）。接收側的信噪比用dB單位表示，這個數值越大，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技術都是同時使用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，影響其數據傳輸能力。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，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 結語

網絡信號傳輸的通暢于否直接關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。對網絡進行合理的配置和參數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，工程技術人員對網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。