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浅析综合布线系统线缆选择
浏览: 发布日期:2018-03-16 08:42:27

  摘要

  文中阐述了综合布线系统的线缆选择的基本原则及其应综合考虑的各种因素,论述了线缆选择与系统的增长性、灵活性、可扩展性,探讨了信息网络系统布线的电磁兼容性。

  一.概述

  布线是信息网络系统的关键环节之一,因此布线系统设计人员必须根据网络的特性、线缆性能、系统总投资综合规划设计。因网络布线系统设计不佳造成的网络性能不良,使得系统性能价格比下降在布线系统设计中是最常见的,同时代价也是非常昂贵的,因此优化网络布线设计是保证信息网络具有高质量、高性能的基础。

  线缆的选择应综合考虑各种因素,但在布线系统中应首先确定是使用线缆的类别和布线的结构(屏蔽线缆、非屏线电缆、光缆,还是将它们接合在一起使用)。线缆通常使用带有绝缘层的导线并使用一层或多层塑料外皮。而线缆中通常由2到1800个线对组成。大对数线缆通常用于主干布线系统,它们特别适合在话音和低速率数据应用中使用。这些线缆在干线和水平(集线器到桌面)布线系统应用中的最大长度在国际标准ISO/IEC IS11801中有详细的说明。需要注意的是这些最大长度限制适用于所有的媒介。它们并没有考虑由于网络使用的线缆类型和协议类型的不同而造成性能方面的差异的影响。实际上,最大线缆长度将取决于系统的应用、网络类型和电缆的质量。

表1 传输频率与传输速率的区别

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3类UTP

4类UTP

5类UTP

超5类*

传输频率MHXZ

16

20

100

200

600

传输速率Mbps

10

16

155

100

  在确定线缆类型前,对线缆走线的可用空间进行检查也是非常重要的一点。尺寸、重量和屏蔽灵活性等因素主要取决于线缆是否采用金属箔或编制护层,以及电缆中使用了多少导线。这些因素与线缆所使用的屏蔽、反射材料一起将决定线缆对抗电磁干扰(EMI)能力。在选择线缆之前,考虑线缆使用的屏蔽、反射材料也是至关重要的。

  在最近几年中,对非屏蔽双绞线(UTP)的研究取得的突破使得它们可以在622Mbit/s或更高的传输速率上传输数据。这样就使得人们可以在原来只能使用屏蔽型线缆的应用中使用这种价格更低、体积更小的线缆。UTP线缆通过将线缆线对进行更紧密的匹配来减小EMI干扰。这种线缆被称为平衡电路。在理想的平衡电路中,导体中引入的噪声电压的和是零,这样线对之间的信号传输将没有干扰。然而这种理想情况是无法完全实现的,线缆的信噪比(SNR)是用来测量线缆中在存在噪声信号的情况下信号质量的指标。屏蔽线缆中由于存在屏蔽,因此它的平衡特性较差,因此良好的屏蔽完整性和良好的接地对屏蔽线缆来说是非常重要的。高质量的UTP线缆在不需要接地或整个电路不需要屏蔽的情况下可以实现良好的平衡电路特性。

  由于光纤通过光波传输信号,因此它不受任何形式的电磁屏蔽影响。在传输速率要求超过155Mbit/s和需要更长传输距离的应用中,光纤通常是最佳选择。光纤具有体积小、耐用等优点,但目前它的成本要比其他类型的线缆高。大多数在局域网中使用的光缆是多膜光纤。它比高性能的单膜光纤更容易安装。在大多数网络中,一般都采用光缆作为干线,而使用UTP线缆用来水平布线。然而,随着通信速率的提高和设备价格的下降,使用光纤直接到桌面的网络数量也在不断增长。对于那些由于受安装时间、空间或其他限制而不易安装电缆的系统来说,无线局域网可以作为一种可替代的方案。在无线局域网中使用无线电波替代物理连接来实现信号的传输,它们特别适合于在老建筑物中网络的安装。

  二.线缆选择

  2.1传输频率与传输速率

  传输频率和传输速率是结构化布线系统设计中接触最多的两个基本概念。线缆的频带带宽(MHZ)和线缆上传输的数据速率(Mbps)是两个截然不同的概念。MHZ表示的是单位时间内线路中的信号振荡的次数,是一个表征频率的物理量,而Mbps表示的是单位时间内线路中传输的二进制位的数量,是一个表征速率的物理量。传输频率表示传输介质提供的信息传输的基本带宽,带宽取决于所用导线的质量、每一根导线的精确长度及传输技术。而传输速率则在特定的带宽下对信息进行传输的能力,衡量器件传输性能的指标包括衰减和近端串音,整体链路性能的指标则用衰减/串音比ACR来衡量。带宽越宽传输越流畅,容许传输速率越高。网络系统中的编码方式建立了MHZ和Mbps之间的联系,某些特殊的网络编码方案能够在有限的频率带宽度上高速的传输数据。一般情况下设计者关心的是特定传输介质在满足系统传输性能下的最高传输速率,以下通过表1来直观地体现二者的区别。

  选型应根据系统的技术性能、投资概算、产品工程业绩以及售后服务质量等加综合考虑。Cat5+和Cat6的选择:对于Cat5+所测试的参数极限与实验的数据已经相近,超五类系统可以支持千兆以太网的运行,而且不同厂商的Cat5+系统之间可以互用。Cat6价格较之Cat5+昂贵,但其带宽却扩大25%,显示了传输速率的增强,Cat6系统是专用的,即意谓着各个厂商的元件都有其独特的设计和性能指标,不同厂商的元件互通性的可能性很小,元件的指标仍在研究之中。Cat6已经在少数工程中超前采用,值得注意的两个问题:使用Cat6线缆应选择相同等级和商家生产的接插件器件,因为CAT6是专用件,各厂家的产品尚不能互通;Cat6对固定链路和通道其测试内容,除按EIA/TIA 568-67标准各项内容外,还需增加:等效远端串扰(ELFEXT)、综合等效远端串扰(PS ELFEXT)、回波损耗(RETURN LOSS)、综合近端串扰(PS NEXT)、综合衰减串扰比(PS ACR)等内容。目前Cat6只有商家的企业标准,一般来看,企标的各项测试指标往往高于规格标准,但是否可以作为验收确认仍然是一个待定的问题。

  2.2屏蔽与非屏蔽双绞线的选择

  在布线系统中,使用最多的传输介质是各种各样的线缆。常用的线缆包括铜缆和光缆,而铜缆以其性价比高而成为布线系统的主力,且结构化布线中所使用的铜缆均为双绞线。双绞线是由两根具有绝缘保护的铜导线组成的。把两根绝缘导线按一定的密度互相绞在一起,可降低信号干扰的影响。每根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消。双绞线一般由两根22~26号绝缘铜导线相互缠绕而成。双绞线可分非屏蔽双绞线UTP(Unshielded Twisted Pair)和屏蔽双绞线STP(Shileded Twisted Pair)。而屏蔽双绞线又可分为铝箔屏蔽双绞线(FTP)、铝箔、铜网双层屏蔽双绞线(S-FTP)、独立屏蔽双绞线(STP)。双绞线结构差异决定了其性能、价格差异,为用户提供了各种选择机会。但怎样选择系统传输介质,往往是设计人员面临的一个首要问题。下面我们用表2对以上几种双绞线作一个综合比较。

表2 不同铜缆的价格比较

铜缆类型

UTP

FTP/S-FTP

STP

项目

价格

较高

安装成本

较高

抗干扰能力

较强

保密性

一般

较好

信号衰减

较大

较小

适用场所

网络流量不大,设备和线路安装密度不大的情况下:办公环境

网络容量较大,传输距离较远,设备和线流庞大、复杂,如银行、机场、工厂

高速网络系统,高保密的高速系统中,如从事CAD的大型企业、军事系统

  当然系统中保密技术不仅可在链路上实行,而且可在信元上实行,非屏蔽系统采用钢管布线,抗干扰能力有较大提高。随着技术的发展,解决问题的方法和手段也在不断的变化和提高。

  UTP和FTP缆线的选择;关键取决于外部EMC的干扰的影响,干扰场强低于3V/m时,一般不考虑防护措施,根据对缆线性能测试表明;在30MHz频段内,UTP与FTP的传输效果和抗EMC能力相近,超过时,则FTP较之UTP的隔离度明显要高出20~30dB,根据干扰信号超过标准的量级大小可分别选择FTP、SFTP或STP等不同的屏蔽缆线和屏蔽配线设备,对于FTP的接地要求严格,且应为360°的完全屏蔽,否则屏蔽层反而成为辐射干扰源。此外,注意FTP的屏蔽结构改变了整条电缆的电容耦合,衰减也会较之同级的UTP稍有增加。FTP的综合造价约为:FTP=1.2~1.6UTP。因此,FTP适用于EMC严重区域和保密性强的场所,如党政专网、机场、军事部门和工业企业。

  2.3其它因素

  连接在网络中设备类型以及线缆上所承载的通信负载是选择线缆的关键因素。同时,在进行电缆选择时还应考虑以下因素:

  2.3.1网络集线器和节点(信息口)之间的最大距离;

  2.3.2在管道和地板、天花板中的布线可用空间;

  2.3.3电磁干扰(EMI)的程度;

  2.3.4为系统服务的设备的可能的变化情况和它们的使用方式;

  2.3.5系统复元力、网络扩展性;

  2.3.6网络要求的生命周期;

  2.3.7电缆走线的限制和线缆弯曲半径的限制;

  2.3.8具有潜在重复性使用可能的现有线缆安装情况;

  2.4规范规定

  除了以上这些定性的分析外,《建筑与建筑群综合布线系统设计规范修订本》(以下简称《规范》),还定量作了以下规定:

  2.4.1各种缆线和配线设备的抗干扰能力,采用屏蔽后的综合布线下系统平均可减少噪声20dB。

  2.4.2各种线缆配线设备的选用原则宜符合下列要求:

  (1)当周围环境的干扰场强度或综合布线的噪声电平低于规范12.2.1条3款规定。干扰源信号或计算机网络信号频率小于30MHZ,又能符合规范表12.2.2各项规定时,可采用UTP缆线系统和非屏蔽配线设备。

  (2)当周围环境的干扰程度或综合布线的噪声电平高于12.21条3款规定,干扰源信号或计算机网络信号频率大于等于30MHZ,应根据其超过标准的量级大小,分别选用FTP、SFTP、STP等不同的屏蔽缆线系统和屏蔽配线设备。另外,规范表12.2.2要求的间距不能保证时,应采取适当的保护措施。

  (3)当用户对系统有保密要求,不允许信号往外发射时,或系统发射指标不能满足规范12.2.1条4款规定时,应采用屏蔽缆线和屏蔽配线设备或光缆系统。综上所述,究竟使用屏蔽系统还是非屏蔽系统,要根据业主的应用场所、应用需求、对未来的预期及投资状况等方面综合考虑,选择适合的系统。    三.关注增长与灵活性

  大多数线缆厂商为它们的产品规定了15年的保质期。在这段时间内,变化是不可避免的,同时也是无法准确预测的。唯一的解决方法是设计网络时为满足网络变化和增长的要求而进行相应的规划。在正常使用条件下,新型网络不应该成为15年建筑物整修周期内限制系统升级。经过精心设计的布线系统可以承受超过大多数局域网传输速率10-15倍的数据流量。这将允许在不改变布线系统的情况下使用新型网络技术。网络目前所支持的应用被定义为网络的最低指标要求。在一些应用中,可能使用3类电缆就可以满足当前的应用要求,但为了满足未来应用的升级可能,设计时还是应采用五类或超五类电缆。

  通用布线和海量布线是结构化布线的核心内容,一般它使用一种开放式结构平台,支持所有的主要专用网络和非专用网络的标准和协议,使用UTP电缆和光缆作为传输媒介,采用星形拓扑结构,使用标准插座进行端接。一个好的布线系统应该具有使用的线缆类型简单、组成模块化网络、在不影响用户使用的情况下可以很容易的对网络进行扩展或改变的特点。对于高速发展的公司来说,结构化布线系统可以使公司对网络具有平稳的、进行可控制扩展的运行能力,同时它允许公司在逐步增加投资的情况下使用新设备和新线缆。由于结构化布线系统全部使用了标准部件,当布线系统中铺设新型线缆并增加新的信息插座时,这就简化了任务的实施。灵活性高、直径小的线缆比同轴电缆更加容易走线,并占据更小的空间。

  随着专用网络向开放式计算系统的转变,布线系统也逐渐从专用系统转向公用布线系统。公用布线系统可以为许多不同类型的设备提供服务,这些设备可以是计算机和打印机,也可以是摄象机和温度调节装置等。通用布线系统的主要优点是用户可以利用它将不同厂商的设备接入网络。同时,它也允许用户在同一个布线网络上运行几个独立的系统。比方说用户可以在一个布线系统上建立电话、计算机和环境控制等系统。位于每个建筑或建筑群内的配线架是用来实现计算机、外设、网络集线器和其他设备快速接入或撤出网络的部件。在结构和布局不断进行调整的公司内,它可以节约大量的成本。    四.抗干扰    每种有源电子和电气设备都可能产生电磁干扰来破坏网络通信。随着电子设备使用的增加,这个问题也变得越来越突出。在选择线缆和线缆布线的考虑中,如何防止EMI干扰以保护通信也是一个非常关键的问题。除了外部干扰源可能会对网络产生干扰外,在多线对电缆内部的各线对之间也会互相干扰。这种干扰被称为串音干扰(cross talk)。有两中方式来测量线缆的串音性能,线对之间的串音和Power Sum串音。线对之间的串音只是用于测量线缆中线对产生的最大干扰的情况的。当多线对线缆中的许多线对上有数据传输时,线缆性能的损耗比线对之间的串音干扰给出的值要大。Power Sum以更真实的反映串音干扰的情况。它是在多线对线缆的所有线对上都有信号传输时进行测量的方法。对于线缆中线对数超过4对的电缆,Power Sum是唯一一种可正确测试串音性能的方法。

  在系统中用于测量对EMI干扰的抑制情况的指标是信噪比(SNR)。网络的信噪比越高,网络发生数据传输错误的风险就越小。包括连接器和配线架在内的所有网络部件,必须都具有抗EMI干扰的一些措施。当使用不同厂商的产品构建网络时,这一点尤其要加以注意。

  当使用屏蔽线缆时,线缆与连接器正确的端接和线缆外皮的良好接地特性是非常重要的一点。任何屏蔽的不完整将降低屏蔽层的保护作用,从而降低抗电磁干扰(EMI)的效率。线缆的走线应遵照厂商推荐的方法进行,应尽量避免潜在的信号源干扰。在此应该充分考虑快速发展的与线缆走线相关的国际标准所规定的指标。例如,在EIA/TIA 569中规定,通信线缆与荧光灯的距离不得小于15厘米,因为荧光灯是造成EMI的主要干扰源之一。象电梯马达、自动门和空调单元等都是潜在的EMI干扰源。设备越陈旧,产生的EMI干扰就越大。对于那些无法避免和克服的EMI干扰源来说,使用封闭的金属管道可以为布线系统提供额外保护措施。在特定的电磁干扰或敏感环境中,使用光纤可能是唯一的选择。

  系统的设计、安装、工程监理和测试验收人员应共同来保证网络系统与其他电子设备具有电磁兼容性(EMC)。设计人员在设计中要保证选择线缆的技术性能指标、走线和管道的设计能够消除EMI问题。厂商生产、供应的线缆进行认证,提供安装的网络系统EMC性能的保证。安装人员确保按设计和规范组织施工,验收人员严格按照规范和设计进行测试和验收,以确保信息网络的高质量、高性能。