基于铜缆结构化布线的万兆以太网传输

  1、工作总结
  近来IEEE正在进行一个新的项目,这个项目就是制定基于目前的铜缆结构化布线系统去运行万兆以太网(10GbE)传输的标准,这个研究小组正在和来自于综合布线、电气、测试仪器和系统设计等方面领先的专家进行协作,其中,PANDUIT属于领先行列中的一员,我们已经预见到,随着未来传输速率的提高,必将要求电缆和连接器件等具有更高的性能。此外,相对于今天的千兆以太网来说,信号的电气处理技术性能也必将提高。由于需要更加宽的带宽,信号的电平将变得更加低,在原来的千兆以太网中, 不是一个十分严重问题的噪声源, 在万兆以太网时,将成为一个重要的问题。
  
  其中的一个噪声源来自于电缆对电缆的串扰 (外来串扰),研究小组已经最终确认这是一个主要的电气指标,可以用来衡量基于结构化布线系统的万兆以太网的性能。目前信号处理电子技术在处理外来串扰的时候,相对于其他来源的噪声来说,还没有十分有效的办法。提高抑制这种噪声的办法是提高布线系统的性能,使布线系统本身就具有抑制噪声的能力。研究小组正在探索一系列的技术来抑制噪声,或者在目前的这种噪声环境下,发展系统以进行万兆以太网的传输。他们目前正在关注一种方法,确保安装的布线系统能够支持万兆以太网。
  
  然而,时至今日,还没有基于铜缆结构化布线系统上运行万兆以太网的标准存在。请小心注意,供应商声称他们的产品具有万兆以太网的性能。目前还没有那个厂商能够声明他们的产品符合万兆以太网的性能标准,也没有那个布线供应商能够声明和验证他们产品在六类布线系统上符合现时万兆以太网的性能标准。
  
  到今年年底,研究小组很可能将转换为一个正式的任务小组,到那时,小组的目标将有明晰的定义,而标准有望在2006年最终确定下来。由于业界还有很多因素确定了铜缆将还是人们选择传的一种媒质。随着标准化组织继续为提高这些系统的性能而工作,同时一些新的技术进入市场,PANDUIT在这个行业中将继续保持领先地位。
  
  2、当前以太网概况
  在目前基于铜缆的结构化布线系统中,我们调查在此之上运行万兆以太网的可行性时,发现了很多有趣的现象。终端用户、安装商、承包商和系统集成商都已经发现,在目前现存的系统上,还可以承载更多的信息。标准组织是继续提高以太网的功能和数据传输速率。根据图一A所示,到2006年,在企业局域网市场中,接入端口的数量将达到十亿个,而以太网的数据传输速率则按照10倍的速率不断增长(见图B)。同时,以太网也开始采用无线和宽带调制解调器这样的新设备了。
  

 

  千兆以太网能够在目前的超五类和六类系统上运行,在六类标准发布以前,一些具有前瞻性和追逐新技术的用户就购买了最新的六类产品用于他们的系统,以此来验证其性能。随着六类标准在2002年六月份面世,人们已经对六类产品有了坚强的信心。而现在那些强调六类特性的用户已经开始关注是否在他们现存的系统上可以运行万兆以太网了。
  
  标准组织继续支持以太网的需求信息,不论是数据速率还是功能。关于新特性的一个例子是,IEEE最近标准化的一个项目,这是一个关于在结构化布线系统中传输直流电源的标准。这个标准(IEEE 802.3af.)1将支持为类似于VoIP电话这样的因特网应用提供可靠的电源。目前集中语音、数据和视频的网络变得十分普遍,同时支持在基于铜缆的结构化布线系统上应用。
  
  3、关注基于 UTP 铜缆布线系统传输万兆以太网的原因
  由于包括视频会议、流媒体视频、基于因特网的语音电话(VoIP)、CAD和存储网络在市场的高速增长,相对于过去几十年来说,带宽需求也在飞速的增长。行业需求导致了结构化布线系统的性能要求持续提高。除了带宽以外,同时要求高可靠的电源分配,保证类似于VoIP等可靠性要求高的IP产品能够可靠的工作。这些对于带宽、电源和低成本的需求能够在基于铜缆的结构化布线系统上表现出来。今天在数据中心的内部连接中,已经实现了万兆光纤的连接。业界开始关注成本更低的基于铜缆的万兆解决方案。相对于万兆光纤产品,基于铜缆布线的万兆系统的第一个用户对象将是数据中心,数据中心具有高密度、低成本和高可靠的要求,而到桌面的应用最终可能锁定在千兆以太网。因此,在未来的几年内,万兆产品可能在到桌面的应用中还没有市场,布线系统的支持是基于技术的价值。
  
  4、IEEE 万兆以太网研究小组的目标
  在2002年十一月,IEEE标准发布成立一个研究小组开始着手对基于铜缆的万兆以太网的经济和技术可行性进行调查研究。IEEE批准这个项目的原因有两个,第一个原因是目前有一个在2002年4月份公布的万兆光纤布线的标准,但是还没有万兆铜缆的布线标准。另外,在铜缆和光纤解决方案的价格上,有很大的差别,而IEEE标准对宽带连接采用低成本的方案非常感兴趣。对IEEE来说,万兆以太网的通用标准要成为国际标准,还包括其广阔的市场潜力,和其他以太网标准的兼容能力,技术可行性和经济可行性。研究小组的目标是如何实现将这些需求转换为实际可操作的内容,使之成为一种官方的标准。
  
  5、面临的技术挑战
  IEEE研究小组最近已经认定外来串扰是限制结构化布线系统性能的主要的电气参数。外来串扰是一种在被扰乱电缆上的耦合信号,来自于相邻不同的电缆。一个布线系统主要由电缆和连接器组成,两者均决定了布线系统的性能。图二描述了外来串扰如何在一个多电缆非屏蔽双绞线( UTP) 连接系统中进行耦合的。为了支持万兆以太网,这种串扰必须加以抑制。连接器也必须加以改进,以获得整个系统的性能提升。耦合串扰的大小取决于以下因素:
  
  •电缆之间的距离
  
  •线对之间的介电常数和材料的介电系数
  
  •耦合源的距离和耦合长度
  
  •线对的绞合密度和使用线缆的线规
  
  •电缆的绞合密度
  
  •产生串扰的电缆的数量
  
  •信号源的数量和频率
  
  •纵向线对间的空间距离
  
 

  在布线系统中,这些大量的串扰信号相对于其他噪声信号来说,占了很大的比例。因为今天驱动以太网布线系统的电子发射器对相邻电缆间的信号影响很小,仅仅可消除很少的外来串扰。信号处理的电路芯片供应商预测采用电子线路可消除5分贝的串扰噪声,因此,为了真正的提高带宽,消除外来串扰必须依靠布线系统本身。图三A描述了为了在不同的基础布线结构和线缆长度的假设条件下,为了达到万兆的数据传输速率,必须降低外来串扰信号的情况,图三B则描述了采用PANDUIT的缓冲跳线获得的性能提升的情况。请注意在采用长的布线长度时,需要更加多的外来串扰抑制措施。如果六类布线系统 (按 TIA 所制定的线缆耍求水平) 不采用抑制或者缓解措施,那么对于支持万兆以太网来说,其最大距离不超过44米。对于 Integrity (DT600e) 六类布线来说,则性能会高一些,最大长度接近68米。通常,增强的布线能够降低衰减,这和提高外来串扰抑制是一样的效果,这样能够增加线缆的长度。为了支持六类电缆上100米的距离,那么大约必须抑制 20分贝的外来串扰。如果采用缓冲跳线,最大的长度还可以增加。在图三中我们可以看到,布线系统的质量越高,其性能也就越高。如果信号处理的电子线路可以抑制5分贝的外来串扰,那么布线的距离可以再增加10米。
  
  在布线系统中,有很多的办法可以降低外来串扰。针对新安装和已经安装的布线系统的两种不同情况加以说明。在新安装的布线系统中,新推出的提高抗串扰免疫力的电缆可以支持万兆以太网的传输。对支持已经安装的布线系统, 亦有以下几点选项可以考虑,这些包括:
  
  •从物理上将电缆分离开来,特别从信号源开始的20米内;
  
  •将包含万兆信号的电缆在空间上尽量分开;
  
  •采用低衰减和经过串扰抑制处理的缓冲跳线。
  

  在万兆以太网中使用的连接器的特性也是相当重要的。作为一个起始点去了解某些参数的重要性,六类连接器的频率范围宽可推高达 625MHZ。请注意在这里, 频率的上限仍没有规定,这要根据有关的收发器来决定。对于PAM-10(10级脉冲调幅调制)线路编码,其频率上限至少为 500MHZ。这些参数在图四中所示。一些供应商在声称他们的产品如何的好,符合甚至超过这些图示的参数,甚至试图说明他们的这些产品就符合万兆以太网的连接要求。到目前为止,标准组识还没有讨论连接器的规格,和在布线系统中连接器的性能意向。对连接性过早的定义, 将引起很多麻烦,因为业界正在视察不存在于现时六类连接器主要参数规格中的其他重要的参数。六类布线系统的外延性能十分重要,但相对于可以支持万兆速率以太网的规格仍未足够。
  
  6、可能的解决方案
  对于新的安装,推荐采用增强型外来串扰抑止能力的新型设计的电缆,最可能胜任这种要求的电缆为增强型六类非屏蔽双绞电缆。这种电缆必须向后兼容目前的六类电缆。同时也必须开发新的连接器硬件,以配合这种新型的电缆。对于现存的安装,将有两种途径解决,一个途径主要是调节数据传输速率以达到布线基础所能支持的最高传输速率。另外一个途径是采用缓冲的办法以改良现存的己安装布线基础, 以支持全部万兆以太网速率。因为业界正在开发全万兆以太网的数据传输速率,缓冲计划最具可能性。
  
  正在审察的缓冲计划, 是采用增强型的缓冲跳线和其他连接产品,这种策略和从五类发展到超五类的过程十分相似,典型的五类系统经过测试,如果经过某些要求, 那么就认证为超五类的系统。而今天的己安