萬兆銅纜布線的前景與應用

文｜ 3M中國有限公司 葛曉東

萬兆銅纜布線的前景與應用

文｜ 3M中國有限公司 葛曉東

1 前景

2003年，TIA開始研究能夠支持萬兆速率傳輸的銅纜，并于2008年頒布了6A類布線產品的性能參數標準，同時也為6A、7類水平雙絞線應用于萬兆以太網奠定了基礎。

但自10G銅纜標準頒布以來，銅設備造價及高耗能導致10G銅網絡推廣緩慢，并一度因為“光進銅退”的口號幾乎消亡。隨著40nm 10G以太網芯片的開發成功，大大降低了10G網卡及10G銅口交換機的造價，10G銅網絡又重新取得了優勢，2013～2015年將是10G的大發展年，在過去的2012年，有20多種基于萬兆以太網芯片的交換機和服務器推出市場，拓寬了萬兆網絡設備的市場占有率。另外，有270萬個萬兆端口交付使用，而這一數據在2011年僅為18.2萬個，10GBase-T有望在2014年占據市場主導，但光纜在傳輸速率上具有的優勢，將會在40G及100G市場繼續占有領先地位。

在2006年IEEE 802.3標 準 頒 布 時，10GBase-T設備電力消耗顯著下降。最早的萬兆芯片采用130nm生產技術，每個端口的電力消耗為10W。而40nm設備使每個端口電力消耗不到4W。未來的28nm設備的電力消耗僅為2.5W。除了技術方面的優勢，雙絞線傳輸還可以利用一些傳輸標準來降低電力消耗。網絡設備還是有提高效率的地方，特別是網絡設備在一段時間內是不工作的。WoL是一項新的網絡標準，專門處理處于休眠模式下的設備電力消耗。服務器在休眠模式下會切換到低效率狀態來減少電力消耗，直到接收到一個“數據包”，這個“數據包”會將服務器從休眠狀態喚醒，服務器就會切換回正常模式。因為WoL技術適用于服務器長時間不工作狀態，例如晚上和其他長期不工作的時間段。即便是最活躍的數據中心也會有使用率偏低的時候。WoL是10GBase-T中一項重要的策略，特別是針對數據中心節能。但是，10Gbps光纖以太網并不支持WoL協議，所以光纖系統就不能對電力進行有效控制。

圖1顯示的是數據中心10GBase-T 的設備、傳輸介質和每年維護成本與相應光產品的成本對比。10Gbps最經濟的方式是Cat.6A 非屏蔽雙絞線、Cat.6A F/UTP 型屏蔽雙絞線、Cat.7A S/FTP 型屏蔽雙絞線。從圖1中也可以看出，與其他的介質相比，雙絞線方案在成本方面具有絕對優勢。

2 應用

6A類線纜分為屏蔽產品和非屏蔽產品，并且都符合TIA 568B標準500MHz等級。就TIA系列布線標準的傳統做法而言，它的傾向性十分明確，即傾向于非屏蔽系列產品。但因為6A類線纜帶寬達到500MHz，線間串擾增強了，而且在TIA 568B系列標準的平臺上，針對6A類布線產品的特點，新增加了若干個指標，基本上都與纜間同色線對之間的串擾（ANEXT）有關。在新的6A類標準中，并沒有對屏蔽和非屏蔽加以限制，只是在羅列各種技術參數時，會說明在20℃～60℃范圍內，屏蔽雙絞線的溫度波動優于非屏蔽雙絞線。實際上，在各種工程的實際測試當中，屏蔽雙絞線的測試數值也優于非屏蔽雙絞線。

我們可以從兩個方面分析兩種線纜的優缺點。

（1）成本

在電子理論中，抗電磁干擾的技術主要有三種：阻抗匹配、對絞和屏蔽。非屏蔽布線產品使用了阻抗匹配和對絞兩項技術，而屏蔽雙絞線則使用了阻抗匹配、對絞和屏蔽三項技術，由此，在低頻情況下，非屏蔽布線產品明顯占據了價格上的優勢。阻抗匹配和對絞技術取決于設計和制造工藝，而屏蔽則需要添加屏蔽材料和接地材料，在芯線直徑基本相同的前提下，非屏蔽布線產品自然會占有價格上的優勢。

多年前，美國貝爾實驗室推出了非屏蔽雙絞線，它應用了廉價的非屏蔽技術和阻抗匹配技術，解決了物理帶寬為10MHz等級的傳輸問題。其后二十年，非屏蔽雙絞線技術一步步升級到了16MHz、25MHz、100MHz、250MHz，它們都滿足了商業建筑中對信息傳輸的常規要求。

但是，也許只有廠商的工程師注意到，在250MHz等級的6類非屏蔽雙絞線中，芯線直徑已經略微大于6類屏蔽雙絞線的線徑。而在最新的500MHz的6A類非屏蔽雙絞線，其線徑已明顯超過了同類的屏蔽雙絞線線徑（大多數6A類屏蔽雙絞線的線徑為AWG 23號，而大多數非屏蔽雙絞線的線徑為AWG 22號）。

眾所周知，雙絞線的用銅量與線徑的平方成正比，而無論是非屏蔽雙絞線還是屏蔽雙絞線，其造價中的絕大部分來自于銅。這就帶來了一個問題 —— 6A類非屏蔽雙絞線與同類屏蔽雙絞線的造價相比，孰高孰低？根據目前已知的數據，對于同一廠商的產品而言，非屏蔽雙絞線略微貴些。

（2）性能

根據計算機以太網標準（IEEE 802.3），水平雙絞線能否用于傳輸線路上的信噪比，即在接收端的電信號幅度與電噪聲幅度之比。為此，在IEEE 802.3標準中，都定義出了最大的噪聲電平。而在布線標準中則將噪聲電平分解成（線對間）近端串擾（NEXT）、線間近端串擾（ANEXT）等多項性能指標，只要這些參數都滿足了規定，自然就可以滿足信噪比指標（其實各類ACR也并非完整的信噪比，而只是其中的主要噪聲幅度與信號幅度之比）。

提到ANEXT，其實在2002版的以太網標準（IEEE 802.3-2002）中就已經提出了性能要求，因為那時的以太網已經開始使用4對線傳輸以太網信息，因此相鄰水平雙絞線之間的同色對干擾也就提上了日程。在6A類標準中，真正定義了與ANEXT相關的各種參數。

對于非屏蔽雙絞線而言，ANEXT已經成為不可逾越的障礙，制造工程師們為此想出了各種方法來解決了這一難題，如干擾值能夠低于標準的規定值，而所付出的代價則是增加了芯線線徑、大大放大了雙絞線的纜徑（TIA標準中已經將纜徑定義為9mm，而實際上的6A類纜徑常規值在8～9mm之間，最大值已經達到了9.6mm）。對于屏蔽雙絞線的設計師而言，這根本不是問題，因為兩根雙絞線各自的屏蔽層共同作用，使線間干擾已經不可能成為干擾源。

6A類屏蔽雙絞線可以有效的隔離雙絞線之間的電磁干擾，在雙絞線設計時又充分考慮了芯線與屏蔽層之間的電磁泄漏，因此在6類和6A類等級的雙絞線中，芯線的線徑已經小于同等級的非屏蔽雙絞線，而纜徑更是遠遠小于非屏蔽雙絞線，僅為7.4mm。這些參數所達到的效果是性能好、價格低。

3 案例分析

3M在2011年成為中航直升機綜合布線項目的產品供應商。本項目采用6A類銅纜及模塊、OM3光纜，光銅同時達到萬兆傳輸速率，是2011年國內最大的6A項目。

中航直升機天津產業基地總部大樓位于保稅區管委會對面，與管委會大樓隔路相望。該項目建筑面積8萬平方米，建設了A、B、C、D四棟建筑，分別為研發中心、通航運營中心、綜合保障中心和辦公大樓，最高建筑為9層，建成后，直升機總部項目具有公司總部、研發中心、市場營銷中心、利潤中心、運營中心及服務中心等六大功能區域。中航直升機公司天津總部研發中心網絡及通信系統采用美國3M綜合布線系統，設計和施工范圍包括A、B、C三棟建筑樓。

網絡及通信綜合布線系統分為內、外網兩套，內網布線采用萬兆OM3光纖到桌面系統共計4000余點；外網布線采用增強型6類屏蔽系統共計5000余點。

在項目中我們也積累了很多經驗，首先6A類非屏蔽雙絞線的纜徑相對于6類線纜來說已經明顯變粗，這就要求設計人員在橋架和電線管的設計中，充分考慮到這種變化，以免橋架和電線管的容量不足造成施工困難。當然，對于6A類屏蔽雙絞線而言，這一變化則不大，無非是從6類的7mm纜徑增加到了6A類的7.4mm纜徑而已，本項目中采用的都是6A屏蔽線纜。

就布線施工而言，應該說光纜施工盡管要求高，但經過電信、電力行業的數十年努力，已經形成了完善的施工工藝，而6A類和7類屏蔽雙絞線在施工時幾乎不必考慮周圍的環境（包括雙絞線與雙絞線是否平行擺放），只要產品不損壞、端接遵守規則、接地符合監理要求即可滿足。對于系統集成商而言，經過布線、BA、門禁、音響、安防、機房等工程的反復磨練，十年前所謂的“屏蔽施工難以保證質量”一說早已不復存在，在本項目中也充分論證了這一點。但6A類非屏蔽雙絞線是否能夠通過施工這一關，還有待實踐考驗。從長遠來說，6A類新技術、新產品的工程實施一定會有助于綜合布線系統工程質量再上一個新的臺階。