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            1. 首頁 > 網絡通信頻道 > 通信設備

              如何打破100米傳輸距離限制?

              2022年09月26日 15:07:26   來源:千家網

                本文作者:CCCA新技術與趨勢委員會成員

                局域網 (LAN) 在歷史上的設計方式是確保所有終端設備都在電信機房 (TR)的 100 米 (m) 范圍內,以符合行業布線標準,F在,隨著智能建筑技術的采用,連接到網絡并由網絡供電的設備比以往任何時候都多。當今的 LAN 環境通常會遇到連接的終端設備距離最近的 TR 太遠而無法維持 100m 距離限制的情況。

                眾所周知,雙絞銅纜是連接100m以上設備的一種基于標準的選擇,但業界對雙絞銅纜在各種傳輸速度和遠程供電水平下能夠可靠支持的距離存在困惑。為了戰略性地解決設備位于 100m 以外的情況并降低風險,信息和通信技術 (ICT) 專業人員需要了解各種選項的優缺點、所涉及的技術因素以及圍繞測試的關鍵考慮因素,以幫助他們識別現實和滿足要求。

                符合布線標準的選項

                用于商業建筑的 ANSI/TIA-568 布線標準定義了結構化布線的最低性能要求,以支持各種應用(例如,以太網、PoE、HDBase-T、DSL 等)。這些行業布線標準基于布線系統組件、鏈路和通道的最壞情況下的最低性能,以確保為市場中的互操作性和競爭提供客觀、現實和可衡量的基礎。

                因此,ANSI/TIA-568 布線標準早已規定水平雙絞線銅纜布線通道的距離限制為 100m,其中包括一條 90m 的永久鏈路和總長度為 10m 的跳線。保持固定的通用水平通道長度有助于推斷性能參數以支持增加的傳輸速度。

                隨著物聯網和智能建筑計劃的興起,更多空間中的設備比以往任何時候都需要連接到網絡。為了覆蓋室外空間、倉庫、停車場和其他偏遠區域,企業設施或園區通常需要在距離最近的電信機房100m 以外的位置安裝監控攝像頭、訪問控制設備、無線接入點或其他設備。

                為了降低成本和提高效率,這些設備中的許多現在還通過以太網供電 (PoE) 等遠程供電技術進行數字供電,而不是連接到傳統的交流電源電路。用于連接和為 100m 以外的設備供電的符合布線標準的選項包括添加新的電信機房、使用分散式擴展器設備、將設備與光纖電纜連接并單獨供電,或使用混合銅光纖電纜傳輸數據和電力。這些基于標準的選項中的每一個都有其優點和缺點,如下所述:

                新增電信機房:連接超過 100m 的設備的一種選擇是添加另一個電信機房。這可以是一個真實的房間,或者是一個安裝在獨立式或壁掛式機柜中的迷你機房。添加另一個電信機房的好處包括符合行業布線標準、集中管理以及支持高達 10 Gbits/sec 的速度和提供高達 90 W 的 PoE 的能力。但是,如果只需要支持一些位于 100m 以外的遠程設備,則添加新TR的成本很難證明是合理的。TR 不僅占用寶貴的不動產,而且還需要額外的有源設備以及相關的功耗、冷卻和維護。

                使用擴展器設備:在水平電纜設備中部署以太網擴展器設備是支持遠程設備的另一種選擇。與添加 TR 相比,擴展設備的成本要低得多,它利用現有的雙絞線銅纜,并且根據設備的不同,可以支持高達 10 Gbits/sec 和高達 90 W 的 PoE。然而,擴展器設備通常需要本地電源,這會增加費用。將擴展器設備放置在水平空間中還會增加遠程故障點并消除集中管理,這會使故障排除和維護變得更加困難、成本更高。

                通過光纖連接設備:延長與 LAN 中設備的距離的另一種選擇是通過光纖電纜連接設備。根據 TIA 標準,OM3 或 OM4 多模光纖鏈路可以支持 10 Gbits/sec 到大約 300m 的距離,或 1000 Mbits/sec 到大約 550m 的距離。雖然光纖是這些較長距離的理想解決方案,但對于距離 TR 僅 10 或 20 米遠的一些 LAN 設備,光纖傳輸設備的成本很難證明其合理性。

                此外,具有光纖輸入/輸出 (I/O) 端口的終端設備在市場上受到限制。因此,通常需要媒體轉換器和銅跳線來進行設備連接。PoE 媒體轉換器具有向設備提供 PoE 電源的優勢,但使用具有媒體轉換功能的光纖電纜仍然需要較高的光纖傳輸設備成本。

                使用混合銅光纖電纜:即使設備確實包含用于將其直接連接到光纖網絡的光纖端口并且不需要媒體轉換器,但如果本地電源不可用,則設備將需要通過 PoE 以外的其他方式獲取可用的電力。一種選擇是使用混合銅光纖電纜,其中包括用于數據傳輸的光纖和用于電力傳輸的銅導體。使用混合銅光纖電纜仍然需要更昂貴的光纖傳輸設備,以及 2 類有限電源 (LPS) 來提供電力。需要注意,通過混合銅光纖電纜提供的 2 類電源不是 PoE。雖然 PoE 是一種 2 類電源,但它僅受雙絞銅線電纜支持。

                使用混合銅光纖電纜時,仔細選擇銅導體的尺寸非常重要,通?蛇_ 12 AWG。銅的規格直接影響在特定長度上可以傳遞多少功率。此外,在混合銅光纖電纜上使用 2 類非 PoE 電源需要仔細規劃和電壓降計算,以確保根據設備的電流消耗和與電源的距離有足夠的電力來支持設備。部署后,如果導體尺寸太小或距離太遠,無法支持終端設備的電源要求,唯一的選擇是更換電纜、添加額外的銅導體或縮短鏈路長度。這可能會嚴重阻礙移動、添加和更改,以及將混合銅光纖電纜用于未來設備的能力。

                更具成本效益的方法

                雖然不符合 ANSI/TIA-568 布線標準,但連接 100m 以外的設備的最具成本效益的選擇是簡單地延長雙絞線銅纜連接的距離。這種方法不需要額外的空間、設備或故障點。無論長度如何,雙絞銅纜也支持熟悉的模塊化 RJ45 連接和安裝實踐——除了將電纜拉離 TR 90 米以外,更長鏈路的安裝過程與任何其他雙絞銅纜沒有區別。使用雙絞線銅纜還支持集中管理,便于故障排除和維護,并支持直接從支持 PoE 的交換機通過 PoE 進行高效的遠程供電。

                在比較用于連接距 TR 100m 以外的設備的各種選項時,很明顯,從成本的角度來看,雙絞銅電纜是最有吸引力的,如下表中所示:

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                盡管不符合標準,但雙絞線銅纜是延長距離超過 100 米的最具成本效益的選擇。

                涉及的技術因素

                盡管雙絞線銅纜是將水平布線距離延長至 100m 以上的最具成本效益的選擇,但仍有幾個因素必須考慮。由于 ANSI/TIA-568 布線標準目前不支持將雙絞銅布線通道的距離延長到 10 m 以上,因此有必要查看應用標準。

                布線標準定義了結構化布線鏈路、通道和組件的最低性能要求,以支持通常長達 100 m 的應用,目標是確保來自不同制造商的組件之間的互操作性。在安裝時執行布線標準的認證測試,這通常是工作范圍的要求并獲得保修。電纜標準測試是在尚未積極支持應用、連接到設備或傳輸數據的電纜上進行的。

                從理論上講,符合布線標準的電纜應確保支持設計用于與該特定類型電纜一起使用的任何應用,最長 100 米。相比之下,應用標準查看特定應用在鏈路段上運行的能力,無論布線組件和距離如何。

                關鍵性能參數

                插入損耗、傳播延遲、直流電阻和信噪比 (SNR) 等與長度相關的性能參數與鏈路段支持特定長度的特定應用的能力密切相關。

                · 插入損耗——以分貝 (dB) 為單位,插入損耗是信號在電纜中傳輸時損失的能量。如果損耗太高,則信號可能不夠強,無法被連接的有源設備正確接收或解釋。信號必須傳播的距離越遠,插入損耗就越大。鏈路中的連接點會增加整體插入損耗。插入損耗也隨著頻率和溫度的增加而增加。這就是為什么每個布線標準的最大允許插入損耗對于指定為 500 MHz (42.8 dB) 的 6A 類高于 250 MHz (31.1 dB) 的 6 類、100 MHz (21.0 dB) 的 5e 類等。

                · 傳播延遲——在四線對應用中,傳播延遲(即在鏈路遠端接收信號所需的時間量)隨著長度的增加而增加,并且可能因一對而異。以納秒 (ns) 為單位測量,如果延遲最小的對和延遲最大的對之間的差異(稱為延遲偏差)太大,可能會導致位錯誤,從而妨礙正確的數據傳輸。在視頻監控應用中,過多的傳播延遲通常會被視為抖動畫面。

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                具有最小傳播延遲的對和具有最大傳播延遲的對之間的太大差異會妨礙正確的數據傳輸

                · 直流電阻——直流電阻是衡量導體抵抗電流流動能力的指標。以歐姆 (Ω) 為單位測量,直流回路電阻是在鏈路一端成環(連接)的一對導體中的兩個導體的直流電阻。對于 PoE 應用,直流回路電阻定義了高效供電的能力。根據 IEEE PoE 應用標準,一對通道直流回路電阻應為 25 Ω 或以下。超過直流回路電阻限制會對 PoE 系統在雙絞銅電纜中供電和產生熱量的能力產生不利影響,從而增加插入損耗。對于與 PoE 電源一起承載數據的雙絞銅纜線對,線對中每個導體的直流電阻需要基本相等。兩個導體之間的直流電阻差異稱為直流不平衡。如果直流不平衡過高,可能會導致數據信號失真,從而導致誤碼,從而妨礙數據的正常傳輸。

                · 信噪比 (SNR)— SNR 是與特定頻率范圍內的噪聲功率相比的信號功率的相對量度。以dB為單位(如插入損耗),信號與噪聲的比值越高,信號質量越好。SNR 與插入損耗直接相關——較低的插入損耗可提高 SNR,并且由于插入損耗隨距離增加而增加,因此 SNR 也會受到布線鏈路長度的影響。SNR 太低會降低支持的傳輸速度或需要減少鏈路長度。

                關鍵影響因素

                插入損耗、直流電阻、傳播延遲偏斜和 SNR 會影響雙絞銅纜對給定應用的支持距離,這些因素會受到若干影響因素的影響——從速度和 PoE 水平到電纜結構和質量,以及各種設計和安裝變量。所有這些因素都是為什么目前沒有將雙絞銅電纜的距離延長到 100m 以上的行業布線標準。

                · 傳輸速度和 PoE 功率級別——更快的傳輸速度在更高的頻率下運行,這會增加插入損耗。由于電壓下降,終端設備上可用的 PoE 功率也會隨著距離的增加而減少。因此,速度越快、功率越大,雙絞銅纜所能支持的距離就越短。

                · 電纜和跳線結構——插入損耗和直流電阻在很大程度上取決于雙絞銅電纜內導體的規格。規格越大,插入損耗和電阻越小。此外,絞合導體,例如用于接插線的那些,表現出比實心銅導體更高的插入損耗。屏蔽,甚至電纜絕緣和護套材料中使用的介電材料也會影響插入損耗和直流電阻。

                · 電纜和跳線質量——不一致的線對幾何形狀和扭曲率以及銅導體的直徑、同心度、輪廓和平滑度的變化會導致直流電阻不平衡和傳播延遲偏移,從而影響距離能力。直流電阻也是低質量且經常偽造的銅包鋁電纜和跳線的一個問題。鋁的直流電阻比銅高 66% 以上,這很容易超過 PoE 應用的 25 Ω 限制,并且還會產生過多的熱量。因此,銅包鋁電纜不符合行業布線標準,也不符合美國國家電氣規范 (NEC®) 的 UL 安全列表。

                · 網絡拓撲——設備如何連接到網絡(即,直接使用模塊化插頭端接鏈路或通過插座和跳線),通道中的連接器總數影響插入損耗和距離能力。通道中的連接越多,插入損耗就越大。

                · 熱量和溫度——PoE 應用中直流電流產生的熱量、整體環境溫度以及電纜的散熱能力都會在雙絞銅電纜中產生熱升高。這種增加的熱量會增加插入損耗。在承載更高級別 PoE 功率的電纜束中,熱量更難以消散。行業標準和 NEC® 通過限制線束尺寸來解決承載直流電流的電纜束中的熱量上升問題。對于 100m 雙絞線銅纜通道長度,行業布線標準規定環境工作溫度為 20°C (68°F),并建議在更高溫度下減少(降額)通道長度。

                · 工藝不良—不正確的安裝做法,例如超過電纜彎曲半徑、壓縮或扭結電纜、沒有始終如一地端接所有導體,或者在端接點沒有正確保持線對絞合可能會增加直流電阻不平衡和傳播延遲偏差,從而限制距離能力。

                現實情況如何?

                有幾種基于 IP 的網絡設備以較低的速度(1000 Mbits/sec 或更低)運行,并且需要較低級別的 PoE 功率。監控攝像頭、電話亭、門禁控制面板、PoE 照明設備、時鐘系統、對講/尋呼系統、能源管理系統以及環境傳感器和控制等設備是低速、低功耗設備的示例,通常需要位于 100m 以上。

                例如,可能需要在倉庫外安裝監控攝像頭,在工廠遠端安裝訪問控制面板,或在停車場安裝緊急呼叫箱。在較低的速度和較低的 PoE 功率水平下,插入損耗和電壓降等性能因素不太可能影響距離能力。

                此外,大多數知名制造商都設計出質量超過布線標準的雙絞線銅纜布線系統,并提供更大的余量,包括改進的插入損耗、傳播延遲和直流電阻。盡管這有助于確保對 100m 應用的支持,而不受安裝變量和環境因素的影響,它還允許多家知名制造商對某些雙絞線銅纜進行認證,以支持距離超過 100m 的各種低速、低功率應用,許多這些先進的電纜甚至被宣傳為為特定應用提供更長的距離。

                不幸的是,盡管許多高質量的雙絞線銅纜系統可以支持超過 100m 的長度,但業界對于它們在各種傳輸速度和遠程供電水平下能夠可靠支持的距離仍然存在很多困惑。這種混淆大部分源于一些制造商聲稱能夠支持高速、高功率應用的擴展距離,但基于不充分的方法來測試和驗證各種長度的性能,F實情況是,支持 10 Gbits/sec 和更高級別的 3 型 (60 W) 和 4 型 (90 W) PoE 傳輸速度以延長距離是極具挑戰性的,即使對于信譽良好的創新制造商也是如此。需要這些更高速度和 PoE 級別的應用,例如新興的高吞吐量 WiFi 6/6E 部署,

                在考慮使用雙絞線銅纜將距離延長至 100m 以上時,重要的是通過驗證制造商的電纜技術規格、了解測試要求、識別風險并提出正確的問題來仔細了解聲明。

                了解測試要求

                在為超過 100m 的距離選擇雙絞銅電纜時,查看制造商規格并了解電纜的測試方式非常重要。知名制造商測試其布線系統是否符合布線組件標準的最低性能要求。這可確保支持任何設計為在該特定電纜類型(即 5e 類、6 類、6A 類等)上運行至 100m 的應用。

                然后,安裝人員根據布線標準對電纜設備進行現場測試,以確保安裝的鏈路也滿足性能和距離要求,以支持設計為在特定電纜上運行的應用程序。但是,符合布線標準并不表示這些電纜是否支持超過 100m 的應用。這就是應用測試的用武之地。

                知名布線制造商根據 IEEE 應用標準(即以太網、PoE 等)和各種條件(如拓撲、環境溫度和終端設備要求)進行嚴格的實驗室測試和第三方距離驗證。他們還使用特定設備網絡接口卡 (NIC) 進行實驗室誤碼率 (BER) 測試。BER 測試以特定速度在兩個方向上發送實際的以太網數據包以檢查錯誤。正是通過這種全面的測試方法,許多知名制造商能夠為超過 100m 的特定應用和距離保證雙絞線銅纜。

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                布線標準定義了結構化布線的最低性能要求,以支持超過 100m 的應用,而應用標準著眼于特定應用在鏈路段上運行的能力,無論布線組件和距離如何。BER 測試是在特定條件下使用特定設備完成的,這更適合工程解決方案。

                應用測試也可以在現場進行,建議用于通道長度大于 100m 的雙絞銅纜。應用測試通過確保在特定距離上支持應用來降低風險。BER 測試也可以在現場進行,但與應用測試不同,它在特定距離和特定條件下評估特定設備。換句話說,BER 測試更適合評估工程解決方案,如果任何變量(包括設備、溫度、外部噪聲和其他因素)發生變化,則可能會失敗。

                認識到變異的風險

                對于任何考慮使用雙絞線銅纜連接 100m 以上設備的人來說,了解每臺設備都是獨一無二的這一點很重要。設備制造商設計交換機端口和設備,以滿足在應用鏈路段限制內成功傳輸的最低要求,這可以通過 100m 的電纜輕松實現。

                但是,每個設備適應與擴展距離相關的傳輸不規則性的能力可能會有所不同。這意味著,如果其中一個設備發生變化,成功連接兩個特定設備的遠距離鏈路可能無法運行。即使使用相同供應商的設備,但使用不同類型的設備也是如此。

                長距離鏈路中發生的可變性會帶來不確定性,這就是為什么應用測試如此重要的原因——無論是在實驗室通過電纜制造商還是在現場。如果僅執行 BER 測試,則更換設備和更改條件無法保證性能,從而消除了面向未來的能力。

                提出正確的問題

                鑒于影響距離能力的各種變量以及行業中的各種營銷主張,在選擇用于長距離部署的雙絞銅纜時,提出正確的問題非常重要。對于聲稱他們的電纜可以支持更高傳輸速度和 PoE 水平的供應商尤其如此,這些距離看起來好得令人難以置信和/或遠遠超出可信賴的、有信譽的制造商的規格。

                例如,遵守以下準則可以顯著降低風險:

                詢問布線制造商進行了何種類型的測試以確定針對特定應用速度和 PoE 級別的宣傳距離能力。如果未進行嚴格的基于實驗室的應用測試和 BER 測試,買家需要注意。如果只進行了 BER 測試,請了解更改設備或單個變量可能會阻止鏈路運行。確保還要求提供任何測試文件作為證據。

                了解電纜是否在保修范圍內、距離、應用和 PoE 級別,以及建議或要求進行何種類型的現場測試來維持保修。雖然大多數知名制造商都會堅持保修,只要永久鏈路測試通過所有基于應用標準的參數(長度除外),建議始終檢查遠距離部署的特定保修要求。

                要求布線制造商模擬您的特定環境、設備和配置,以確保其在安裝之前能夠正常運行。這對于不能產生足夠的應用測試結果和/或不提供保修的布線制造商來說尤其重要。如果制造商的電纜支持應用并將所需水平的 PoE 傳輸到一定距離的能力存在任何不確定性,最好尋找其他地方或選擇基于標準的解決方案來延長距離。

                總結

                不久前,我們還看到了布線標準的確立,而現在,如果沒有這些標準,整個行業就無法運轉。雖然行業標準目前由于各種變量而無法解決遠距離部署,但隧道盡頭終有光明——我們看到了制定遠距離標準的趨勢,這將有助于消除市場上的混亂并防止制造商制造未經測試支持的營銷聲明。

                一些電纜制造商、標準機構和分銷商之間的合作努力已經幫助建立了驗證的測量方法,以保證結果并保護基于標準的安裝的擴展范圍的設計意圖。新的單對以太網(SPE)標準支持10mbit /sec的低速設備到1000米,PoE最高可達13.6 W,最終也可能解決在建筑自動化系統和一些安全部署中使用的傳感器、執行器、繼電器和控制器之間連接更大距離的需求。為了實現這一點,設備供應商需要將SPE技術集成到他們的芯片組中。

                同時,任何希望將雙絞銅線電纜的距離延長到 100m 以上的人都應該與他們的電纜制造商交談,并在投資前提出正確的問題以驗證性能。如果營銷聲明顯得牽強,請尋找信譽良好的電纜制造商,他們堅持經驗證據并保證其電纜的應用和功率水平達到實際距離。

                考慮到即使是最知名和最具創新性的制造商的雙絞線銅纜,由于物理原因,在最高 90W Type 4 PoE 下通常也無法支持 1000 Mbits/sec 或更高的速度,遠超過 100 m。對于包括多種設備類型的低速 100-Mbit/sec 應用,距離可能遠高于 100m,尤其是在 PoE 水平較低的情況下。對于許多低速設備,使用知名制造商生產的雙絞銅線將距離延長到 100m 以上是無風險且極具成本效益的。但歸根結底,任何想要為超過 100m 的距離選擇雙絞線銅纜系統的人都應該做自己的盡職調查。

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