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超六類屏蔽與非屏蔽布線系統(tǒng)分析

 文化龍鄉(xiāng) 2018-09-07

一、引言



隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的不斷提高,網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用面越來越廣,它對傳輸帶寬的需求與能力也越來越高。作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)設(shè)施——綜合布線系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)。尤其是對作為萬兆應(yīng)用的銅纜傳輸系統(tǒng)提出了更高的要求。

當用戶有銅纜系統(tǒng)萬兆應(yīng)用需求的時候,對于ClassEA /Cat.6A(超六類)系統(tǒng)在屏蔽與非屏蔽的選擇上,往往舉棋不定。在系統(tǒng)性能、造價、實施、驗收、維護等方面總會存在一些疑問。本文就將針對ClassEA /Cat.6A(超六類)銅纜布線系統(tǒng)的幾個方面做詳細分析,以方便用戶根據(jù)自身的需求做出合適的選擇。

注:ISO/IEC 稱ClassEA,TIA稱Category 6A簡寫Cat.6A。國內(nèi)也稱超六類。下文統(tǒng)稱為超六類或超六類系統(tǒng)。



二、為什么要選擇超六類系統(tǒng)



首先,當用戶有銅纜接口需要滿足至少萬兆(10Gbps)傳輸速率需求的時候,須選擇超六類以上系統(tǒng)。


其次,從國際標準角度,ISO/IEC 和TIA對于數(shù)據(jù)中心及新安裝的項目應(yīng)或建議采用超六類系統(tǒng): 
- 應(yīng)采用ClassEA布線系統(tǒng):ISO/IEC 11801-5數(shù)據(jù)中心,草案;ISO/IEC11801-6分布式樓宇服務(wù),草案。
- 建議用于支持10GBASE-T和新安裝項目采用ClassEA布線系統(tǒng):ISO/IEC11801-1通用,草案;ISO/IEC11801-2辦公環(huán)境,草案。
- 應(yīng)采用Cat.6A布線系統(tǒng):TIA-1179-A醫(yī)療衛(wèi)生,草案。
- 推薦Cat.6A布線系統(tǒng):TIA-942-B數(shù)據(jù)中心,草案;TIA-568.1-D商業(yè)樓宇;TSB-162-A無線局域網(wǎng)。
- 建議新安裝項目采用Cat.6A布線系統(tǒng):TIA-4966教育機構(gòu);TIA-862-B智能化樓宇。

再次,國內(nèi)標準GB50174-2017中規(guī)定:對于承擔數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的水平子系統(tǒng)應(yīng)采用6A類及以上對絞電纜(含6A類接插件)



三、超六類系統(tǒng)應(yīng)用分析


ISO/IEC和TIA兩個標準,對于超六類系統(tǒng)的規(guī)定一致:物理帶寬500MHz,傳輸速率10Gbps(通常稱為萬兆到桌面),永久鏈路長度90米,信道長度為100米。(見下圖第2行)


從上圖也可以清晰的看出,之前國內(nèi)市場主流的六類系統(tǒng)(見上圖第1行),物理帶寬只有250MHz,傳輸速率只有1Gbps(通常稱為千兆到桌面),在標準規(guī)定的永久鏈路和信道長度內(nèi),不能滿足10Gbps (萬兆到桌面)的應(yīng)用。


而七類系統(tǒng)(見上圖第3行),超七類系統(tǒng)(見上圖第4行)也支持10Gbps 的應(yīng)用,但由于線纜、接插件等造價相對較高,同時受限于其接插件為非RJ45接口,所以沒有太多的有源設(shè)備與之配套使用,應(yīng)用也不多;八類系統(tǒng)(見上圖第5/6行),雖然物理帶寬和傳輸速率都有很大幅度提升,接插件沿用RJ45端口,但由于40Gbps的電口交換機還沒廣泛使用,同時受40Gbps的傳輸距離只有30m限制,如果八類系統(tǒng)只用于10Gbps,其性價比不高。


另外,第三方機構(gòu)調(diào)研報告顯示,超六類系統(tǒng)在銅纜布線系統(tǒng)中的比例正在逐年上升,將逐漸取代之前的六類布線系統(tǒng)的份額。以國內(nèi)2017年市場調(diào)研為例,超六類在數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療、政府行業(yè)的應(yīng)用達到5500萬美元市場份額占整個銅纜市場份額的15%。其中41%采用了屏蔽超六類系統(tǒng),59%的用戶采用了超六類非屏蔽系統(tǒng)(數(shù)據(jù)來源BSRIA)。從前文提到的國際、國內(nèi)標準相關(guān)規(guī)定也可以看出,未來超六類系統(tǒng)將成為銅纜布線系統(tǒng)的主流。




四、超六類系統(tǒng)選擇屏蔽還是非屏蔽





1、屏蔽雙絞線結(jié)構(gòu)分析

在國家標準(GB 50311-2016)條文說明中規(guī)定了屏蔽電纜類型的表示方法,同樣也符合ISO/IEC 11801-2002 中的要求,具體如下:



其中,金屬箔一般為鋁箔。金屬編織網(wǎng)一般為鍍錫銅編織網(wǎng)。

在命名規(guī)則中,用不同的字母(U、F、S)去區(qū)分各種屏蔽類型。例如:U 為非屏蔽、F 為鋁箔屏蔽、S 為絲網(wǎng)屏蔽,并使用“/”區(qū)分是采用4 對芯線外進行屏蔽,還是在每對芯線上進行屏蔽。

對于屏蔽超六類雙絞線結(jié)構(gòu),可以參考下表。

屏蔽超六類雙絞線結(jié)構(gòu)

F/FTP結(jié)構(gòu)

U/FTP結(jié)構(gòu)

S/FTP結(jié)構(gòu)

2、超六類非屏蔽雙絞線結(jié)構(gòu)分析
對于超六類非屏蔽雙絞線結(jié)構(gòu),為減少線對之間干擾和線間串擾通常設(shè)計為線對或線芯隔離,外護套內(nèi)側(cè)設(shè)計為“鋸齒”結(jié)構(gòu),或增加填充物,或加大外護套厚度,或設(shè)計為非連續(xù)性屏蔽層等結(jié)構(gòu),從而提高線纜本身數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庑阅芎涂垢蓴_能力。因此非屏蔽超六類雙絞線的外徑一般情況下都比較粗,有些達到8.5mm以上(個別廠家可以控制在7mm以上)。


幾種非屏蔽超六類雙絞線結(jié)構(gòu)

非屏蔽對絞電纜采用的制造工藝已可實現(xiàn)平衡傳輸,但不足以抑制外界干擾。對絞電纜的線對傳輸帶寬超過30MHZ 時,非屏蔽對絞電纜易受到外部電磁干擾的影響和產(chǎn)生信息的泄露。

3、超六類屏蔽和非屏蔽雙絞線生產(chǎn)技術(shù)分析


對于雙絞線而言(俗稱網(wǎng)線)超六類也是屏蔽和非屏蔽的分水嶺,以目前的雙絞線生產(chǎn)技術(shù),非屏蔽最高只可以做到超六類系統(tǒng),超六類以上系統(tǒng)必須采用屏蔽結(jié)構(gòu)才可以實現(xiàn)。



在歐洲市場,絕大多數(shù)用戶會選擇超六類屏蔽系統(tǒng)。歐洲認為屏蔽系統(tǒng)無論從系統(tǒng)的性能指標、抗電磁干擾、保密等各方面都優(yōu)于非屏蔽系統(tǒng)。這也是為什么很多歐洲的企業(yè)(比如制造業(yè))在國內(nèi)有項目需求時,布線系統(tǒng)都要求屏蔽的原因。


在國內(nèi)市場,長期以來非屏蔽系統(tǒng)占據(jù)主流。除非有特殊要求才會選擇屏蔽系統(tǒng)。原因在于,大部分國內(nèi)客戶都有一個普遍的印象:屏蔽系統(tǒng)造價高、施工/維護不方便,非屏蔽系統(tǒng)造價低,施工/維護簡單。


其實不然,我們來簡單分析一下。
從制造、生產(chǎn)的角度,就屏蔽雙絞線而言,產(chǎn)線要增加屏蔽層包裹的生產(chǎn)工序(線對鋁箔屏蔽、鋁箔總屏蔽、絲網(wǎng)總屏蔽),因此生產(chǎn)成本略高。但如果采用線對鋁箔屏蔽結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)技術(shù),沒有必要非常精確的控制對絞線纜的線對絞距,從而可以節(jié)省銅原材料,進而降低了雙絞線的總體生產(chǎn)成本。


線對屏蔽絞距(左); 非屏蔽絞距(右)


注意:非屏蔽超六類跳線,如果單體要符合標準要求,RJ45水晶頭是非屏蔽,但跳線本身必須是屏蔽結(jié)構(gòu)。若是純非屏蔽超六類跳線,在保證跳線線徑不能太粗的情況下,只有3米以下才有可能通過單體測試。3米以上跳線本身(除水晶頭外)必須是屏蔽結(jié)構(gòu)才可以。


國產(chǎn)的一些廠商號稱也可以制造和生產(chǎn)S/FTP結(jié)構(gòu)的屏蔽雙絞線,但根據(jù)筆者的調(diào)研、對比發(fā)現(xiàn),國產(chǎn)的生產(chǎn)工藝仍有待提高。


鍍錫銅絲網(wǎng)對比

國產(chǎn)編織網(wǎng)有斷點,進口沒有


屏蔽系統(tǒng)還具有更好的EMC(電磁兼容性)性能,非屏蔽沒有。尤其在超六類高頻傳輸系統(tǒng)中,電磁輻射和電磁干擾更加受到客戶的重視。特別在數(shù)據(jù)中心項目中,最大的電磁輻射和電磁干擾源是數(shù)量眾多的交換機、服務(wù)器、UPS等有源設(shè)備,這些用電巨大的設(shè)備在運行過程中,將會產(chǎn)生非常高的電磁輻射和電磁干擾,就雙絞線而言,對數(shù)據(jù)傳輸有較大影響。


超六類U/UTP和F/FTP對比


4、超六類屏蔽和非屏蔽系統(tǒng)應(yīng)用場景分析


對于屏蔽系統(tǒng)而言,可應(yīng)用絕于大部分場景。非屏蔽系統(tǒng)則有一定的局限性。

從技術(shù)應(yīng)用角度分析,最主要的因素就是非屏蔽系統(tǒng)電磁兼容性較差。


外界電磁場的強度分布是不均勻的,在綜合布線系統(tǒng)規(guī)劃時,需要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況及今后可能出現(xiàn)的電磁環(huán)境進行分析,確定所用綜合布線系統(tǒng)的電磁防護等級。


在歐洲標準EN 50173.1-2007 中,電磁兼容性為4 類惡劣環(huán)境中的一種,其等級可分為3級:E1(商業(yè)環(huán)境)、E2(半工業(yè)環(huán)境)和E3(工業(yè)環(huán)境)。上述等級在其它標準中也有類似的劃分。

                                               

電磁環(huán)境分類表


E2和E3場合應(yīng)采用屏蔽布線系統(tǒng)。E1場景則無所謂屏蔽還是非屏蔽系統(tǒng)。


4.1 射頻電磁場的抗擾性實驗


IEC 61000-4-3  輻射、射頻和電磁場的抗擾性實驗中具體描述了輻射、無線射頻、電磁場對線纜影響的測試,實驗頻率范圍80MHz至 2GHz,以模擬可能的干擾來源,如移動無線電裝置,基站或電視的發(fā)射塔,對講機,工業(yè)射頻等。按照ISO/IEC 11801-2017 E1~E3的輻射干擾采樣水平的射頻發(fā)射強度進行實驗對照。發(fā)射天線的位置距被測設(shè)備3米處,在測試過程中,天線依次對準裝置的四個方向。



實驗結(jié)論:
測試對每個系統(tǒng)分別進行了1Gbps, 1Gbps和10Gbps 交替操作和10Gbps的操作模式。
·  S/FTP系統(tǒng)在所有狀態(tài)下都滿足E3的要求。
·  F/UTP系統(tǒng)在1 Gbps狀態(tài)下滿足E3的要求,在10Gbps狀態(tài)下滿足E1/E2的要求。
·  U/UTP系統(tǒng)在1 Gbps狀態(tài)下滿足E1/E2的要求。


實際試驗:對講機,移動電話,GSM卡。2m-0.7m波段的對講機、移動電話、GSM卡。
在距離線纜3m處使用。


 對講機,移動電話,GSM卡


實驗結(jié)論:
1Gbit/s傳輸速率時,非屏蔽和屏蔽信道在E1/E2環(huán)境中正常傳輸數(shù)據(jù)。10 V/m ≥ Radiated RF ≥3 V/m時,非屏蔽信道不可用,屏蔽信道正常傳輸數(shù)據(jù)。


使用10Gbit/s傳輸速率,近距離使用對講機以及移動電話(GSM信號)時,非屏蔽信道不可用。 屏蔽信道正常傳輸距離。屏蔽信道輻射射頻干擾能力遠優(yōu)于非屏蔽信道。


4.2 瞬發(fā)脈沖抗擾性實驗


按照EN 61000-4-4進行瞬發(fā)脈沖抗擾性實驗,這種干擾通常由瞬發(fā)開關(guān)引起的,如關(guān)掉負荷,繼電器的接觸,熒光燈電路等的開關(guān)等。


使用電容耦合鉗產(chǎn)生260V到4KV的突發(fā)脈沖,每個脈沖的大小為5/50ns。


實驗結(jié)論:
使用1Gbit/s傳輸速率時,非屏蔽和屏蔽通道在E1環(huán)境中正常傳輸數(shù)據(jù)。2 KV ≥ 瞬變電壓 ≥ 500 V,非屏蔽通道不可用,屏蔽通道正常傳輸數(shù)據(jù)。使用10Gbit/s傳輸速率,非屏蔽通道在E1環(huán)境中傳輸數(shù)據(jù)受到嚴重干擾, 屏蔽通道正常傳輸距離。2 KV ≥ 瞬變電壓 ≥ 500 V屏蔽通道正常傳輸數(shù)據(jù)。從測試數(shù)據(jù)上看屏蔽通道瞬變脈沖抗擾能力遠優(yōu)于非屏蔽通道。


實際實驗:熒光燈


實驗結(jié)論:
熒光燈放在布線系統(tǒng)的0.5米處,是否會對10Gbps數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響,開關(guān)產(chǎn)生的脈沖影響非屏蔽傳輸系統(tǒng),在某些情況下會造成傳輸?shù)耐耆罎ⅰ?/span>


如果電源線緊靠數(shù)據(jù)傳輸電纜放置,每次開關(guān)產(chǎn)生的脈沖都會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響,即使熒光燈放在更遠的距離也會如此。


實際實驗:低電壓網(wǎng)狀電纜橋架
另外在低電壓測試中,通過低電壓電纜與數(shù)據(jù)電纜不同間距的數(shù)據(jù)采樣,測試低電壓敏感度。



10GBase-T傳輸標準下,非屏蔽線纜對低電壓更為敏感。屏蔽線纜測試結(jié)果優(yōu)于非屏蔽線纜。


1、數(shù)據(jù)電纜和電源線纜放置在網(wǎng)狀電纜橋架上,電源和數(shù)據(jù)相距0-50cm的距離,電纜在30m的距離內(nèi)走一個U形,由電源線產(chǎn)生的突發(fā)脈沖來進行干擾。
實驗結(jié)論:
屏蔽系統(tǒng)在所有距離下都滿足MICE E3的要求。
非屏蔽系統(tǒng)在距離大于等于30cm的情況下滿足MICE E1的要求。


2、數(shù)據(jù)電纜和電源線纜放置在地面上,間隔一定的距離。
實驗結(jié)論:
屏蔽系統(tǒng)在所有距離下都滿足E3的要求。
F/UTP在距離=0cm的情況下滿足 E2的要求。


因此對于非屏蔽系統(tǒng)來說,電源線和數(shù)據(jù)線必須保持一定的間距,對屏蔽系統(tǒng)來說就沒有這個限制了。


4.3 耦合衰減要求


IEC 62153-4-5標準中列出了EMC關(guān)于耦合衰減的測試模型,測試結(jié)果需滿足ISO/IEC 11801-2017耦合衰減的最低要求。



根據(jù)實際測試效果,屏蔽系統(tǒng)耦合衰減測試數(shù)據(jù)結(jié)果優(yōu)于非屏蔽系統(tǒng)。對比測試數(shù)據(jù),不難發(fā)現(xiàn)非屏蔽耦合衰減測試數(shù)據(jù)僅適合ISO/IEC 11801限定的E1環(huán)境,屏蔽系統(tǒng)耦合衰減測試數(shù)據(jù)適合ISO/IEC 11801規(guī)定的E1~E3環(huán)境。


4.4 電磁環(huán)境等級與布線間距要求

(GB50311-2016)

4.5、超六類屏蔽和非屏蔽系統(tǒng)設(shè)計


以下主要是針對數(shù)據(jù)機房在設(shè)計階段時,屏蔽和非屏蔽系統(tǒng)設(shè)計的區(qū)別。


第一,當采用非屏蔽系統(tǒng)時,必須首先考慮機房無線電騷擾和工頻磁場是否滿足采用非屏蔽系統(tǒng)的最低要求。根據(jù)GB50174-2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范要求,主機房和輔助區(qū)內(nèi)的無線電騷擾環(huán)境場強在80MHz~1000MHz和1400MHz~2000MHz頻段范圍內(nèi)不應(yīng)大于130 dB(μv/m);工頻磁場場強不應(yīng)大于30A/m,超過這個要求,必須采用屏蔽系統(tǒng)。


第二,在機房建設(shè)時,是否有明確的保密要求。如國防、公檢法、金融、科研等機構(gòu)會有較高的保密要求,這時就不適合使用非屏蔽的布線系統(tǒng)。


第三,機房銅纜布線系統(tǒng)與其它系統(tǒng)管線或設(shè)備的間距是否滿足采用非屏蔽布線的規(guī)范要求。 這涉及到必須提前規(guī)劃好強弱電的路由走向。


第四,前面已經(jīng)提到,在使用超六類非屏蔽系統(tǒng)時,線纜直徑更大,重量更重,設(shè)計時需要采用更大直徑的管道和承重能力更強的懸掛設(shè)備來敷設(shè)。所以采用非屏蔽系統(tǒng)時,對機房的建筑結(jié)構(gòu)相比屏蔽系統(tǒng)存在更多的制約因素。


對于數(shù)據(jù)中心內(nèi)有集束雙絞線或集束預(yù)端接銅纜需求的客戶,目前德特威勒的集束雙絞線,全部采用S/FTP Cat.7屏蔽結(jié)構(gòu),我們不推薦采用非屏蔽集束結(jié)構(gòu)。就是因為線間串擾的問題會大大影響高頻數(shù)據(jù)的通訊(后面工程驗收和測試會專門針對ANEXT講解)。


集束雙絞線

集束跳線

(一臺機柜一側(cè)最多可安裝15束*8=120根跳線)


當機房布線決定采用屏蔽系統(tǒng)時,在布線設(shè)計上考慮的問題要比非屏蔽系統(tǒng)簡化得多。


首先考慮的同樣是機房布線系統(tǒng)與其它系統(tǒng)管線或設(shè)備的間距是否滿足屏蔽布線規(guī)范要求。但從下表中我們可以看到,屏蔽的布線系統(tǒng)的最小間距的要求要遠遠低于非屏蔽系統(tǒng)的最小間距要求。所以在規(guī)劃強弱電的路由走向時,會有更大的規(guī)劃空間。



其次,屏蔽布線系統(tǒng)必須有良好的接地才能發(fā)揮其最大的性能特點,因此機房接地系統(tǒng)是否滿足規(guī)范要求,也是屏蔽布線系統(tǒng)必須考慮的問題。在GB50174-2017數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范中,對機房的接地防雷要求有非常明確的要求,而且接地防雷是作為一項單獨系統(tǒng)來設(shè)計和驗收,因此在設(shè)計使用屏蔽布線系統(tǒng)時,并不需要過多擔心機房的接地狀況。

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4.6、超六類屏蔽和非屏蔽系統(tǒng)施工


在施工階段,使用超六類屏蔽和非屏蔽線纜,所面對的問題或施工工藝是有明顯區(qū)別的。


在施工階段,最大的工程量分別是銅纜的布放和銅纜模塊的端接。


無論是屏蔽還是非屏蔽,線纜布放的難度和時間差別不大。最大區(qū)別是為了降低外部串擾的狀況,非屏蔽線纜的捆扎密度更小,線纜間的布放間距更寬松,同時重量較重的情況下,布放時更為費力。而屏蔽線纜因為鋁箔層的原因,多根線纜彎曲時會更加硬。


而在模塊的端接方面,屏蔽和非屏蔽兩者的差異卻十分明顯。


非屏蔽超六類模塊,端接的步驟比較簡單,與超五類和六類非屏蔽模塊的端接一樣,一般的弱電施工人員只需依照產(chǎn)品的安裝圖就可以完成端接。也不需要查看模塊和配線架的連接和配線架與機柜的連接是否良好接地,進一步簡化施工。


當選擇超六類屏蔽系統(tǒng)時,屏蔽模塊的端接會比非屏蔽模塊更為復(fù)雜和繁瑣。首先必須要處理線纜的屏蔽層,同時要保證模塊和線纜屏蔽層有良好的接觸,以保證整個鏈路都是完整的接地狀態(tài)。一個屏蔽模塊的端接時間要比非屏蔽模塊多增加1~2分鐘的時間。


而且安裝完畢后需要逐一對模塊和配線架的連接和配線架與機柜的接地情況進行確認。建議配線架接地端子至機柜接地銅排之間采用黃綠接地線,接地線的橫截面積不小于8平方毫米,長度不超過15厘米。因為端接要求偏高,所以我們建議施工人員在接受廠家專業(yè)的現(xiàn)場安裝培訓后才能進行模塊的端接。


屏蔽系統(tǒng)接地


本文作者:常大釗  林錦杰  李光   德特威勒(蘇州)電纜系統(tǒng)有限公司

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