万兆铜缆布线的前景与应用

文｜ 3M中国有限公司 葛晓东

万兆铜缆布线的前景与应用

文｜ 3M中国有限公司 葛晓东

1 前景

2003年，TIA开始研究能够支持万兆速率传输的铜缆，并于2008年颁布了6A类布线产品的性能参数标准，同时也为6A、7类水平双绞线应用于万兆以太网奠定了基础。

但自10G铜缆标准颁布以来，铜设备造价及高耗能导致10G铜网络推广缓慢，并一度因为“光进铜退”的口号几乎消亡。随着40nm 10G以太网芯片的开发成功，大大降低了10G网卡及10G铜口交换机的造价，10G铜网络又重新取得了优势，2013～2015年将是10G的大发展年，在过去的2012年，有20多种基于万兆以太网芯片的交换机和服务器推出市场，拓宽了万兆网络设备的市场占有率。另外，有270万个万兆端口交付使用，而这一数据在2011年仅为18.2万个，10GBase-T有望在2014年占据市场主导，但光缆在传输速率上具有的优势，将会在40G及100G市场继续占有领先地位。

在2006年IEEE 802.3标 准 颁 布 时，10GBase-T设备电力消耗显著下降。最早的万兆芯片采用130nm生产技术，每个端口的电力消耗为10W。而40nm设备使每个端口电力消耗不到4W。未来的28nm设备的电力消耗仅为2.5W。除了技术方面的优势，双绞线传输还可以利用一些传输标准来降低电力消耗。网络设备还是有提高效率的地方，特别是网络设备在一段时间内是不工作的。WoL是一项新的网络标准，专门处理处于休眠模式下的设备电力消耗。服务器在休眠模式下会切换到低效率状态来减少电力消耗，直到接收到一个“数据包”，这个“数据包”会将服务器从休眠状态唤醒，服务器就会切换回正常模式。因为WoL技术适用于服务器长时间不工作状态，例如晚上和其他长期不工作的时间段。即便是最活跃的数据中心也会有使用率偏低的时候。WoL是10GBase-T中一项重要的策略，特别是针对数据中心节能。但是，10Gbps光纤以太网并不支持WoL协议，所以光纤系统就不能对电力进行有效控制。

图1显示的是数据中心10GBase-T 的设备、传输介质和每年维护成本与相应光产品的成本对比。10Gbps最经济的方式是Cat.6A 非屏蔽双绞线、Cat.6A F/UTP 型屏蔽双绞线、Cat.7A S/FTP 型屏蔽双绞线。从图1中也可以看出，与其他的介质相比，双绞线方案在成本方面具有绝对优势。

2 应用

6A类线缆分为屏蔽产品和非屏蔽产品，并且都符合TIA 568B标准500MHz等级。就TIA系列布线标准的传统做法而言，它的倾向性十分明确，即倾向于非屏蔽系列产品。但因为6A类线缆带宽达到500MHz，线间串扰增强了，而且在TIA 568B系列标准的平台上，针对6A类布线产品的特点，新增加了若干个指标，基本上都与缆间同色线对之间的串扰（ANEXT）有关。在新的6A类标准中，并没有对屏蔽和非屏蔽加以限制，只是在罗列各种技术参数时，会说明在20℃～60℃范围内，屏蔽双绞线的温度波动优于非屏蔽双绞线。实际上，在各种工程的实际测试当中，屏蔽双绞线的测试数值也优于非屏蔽双绞线。

我们可以从两个方面分析两种线缆的优缺点。

（1）成本

在电子理论中，抗电磁干扰的技术主要有三种：阻抗匹配、对绞和屏蔽。非屏蔽布线产品使用了阻抗匹配和对绞两项技术，而屏蔽双绞线则使用了阻抗匹配、对绞和屏蔽三项技术，由此，在低频情况下，非屏蔽布线产品明显占据了价格上的优势。阻抗匹配和对绞技术取决于设计和制造工艺，而屏蔽则需要添加屏蔽材料和接地材料，在芯线直径基本相同的前提下，非屏蔽布线产品自然会占有价格上的优势。

多年前，美国贝尔实验室推出了非屏蔽双绞线，它应用了廉价的非屏蔽技术和阻抗匹配技术，解决了物理带宽为10MHz等级的传输问题。其后二十年，非屏蔽双绞线技术一步步升级到了16MHz、25MHz、100MHz、250MHz，它们都满足了商业建筑中对信息传输的常规要求。

但是，也许只有厂商的工程师注意到，在250MHz等级的6类非屏蔽双绞线中，芯线直径已经略微大于6类屏蔽双绞线的线径。而在最新的500MHz的6A类非屏蔽双绞线，其线径已明显超过了同类的屏蔽双绞线线径（大多数6A类屏蔽双绞线的线径为AWG 23号，而大多数非屏蔽双绞线的线径为AWG 22号）。

众所周知，双绞线的用铜量与线径的平方成正比，而无论是非屏蔽双绞线还是屏蔽双绞线，其造价中的绝大部分来自于铜。这就带来了一个问题 —— 6A类非屏蔽双绞线与同类屏蔽双绞线的造价相比，孰高孰低？根据目前已知的数据，对于同一厂商的产品而言，非屏蔽双绞线略微贵些。

（2）性能

根据计算机以太网标准（IEEE 802.3），水平双绞线能否用于传输线路上的信噪比，即在接收端的电信号幅度与电噪声幅度之比。为此，在IEEE 802.3标准中，都定义出了最大的噪声电平。而在布线标准中则将噪声电平分解成（线对间）近端串扰（NEXT）、线间近端串扰（ANEXT）等多项性能指标，只要这些参数都满足了规定，自然就可以满足信噪比指标（其实各类ACR也并非完整的信噪比，而只是其中的主要噪声幅度与信号幅度之比）。

提到ANEXT，其实在2002版的以太网标准（IEEE 802.3-2002）中就已经提出了性能要求，因为那时的以太网已经开始使用4对线传输以太网信息，因此相邻水平双绞线之间的同色对干扰也就提上了日程。在6A类标准中，真正定义了与ANEXT相关的各种参数。

对于非屏蔽双绞线而言，ANEXT已经成为不可逾越的障碍，制造工程师们为此想出了各种方法来解决了这一难题，如干扰值能够低于标准的规定值，而所付出的代价则是增加了芯线线径、大大放大了双绞线的缆径（TIA标准中已经将缆径定义为9mm，而实际上的6A类缆径常规值在8～9mm之间，最大值已经达到了9.6mm）。对于屏蔽双绞线的设计师而言，这根本不是问题，因为两根双绞线各自的屏蔽层共同作用，使线间干扰已经不可能成为干扰源。

6A类屏蔽双绞线可以有效的隔离双绞线之间的电磁干扰，在双绞线设计时又充分考虑了芯线与屏蔽层之间的电磁泄漏，因此在6类和6A类等级的双绞线中，芯线的线径已经小于同等级的非屏蔽双绞线，而缆径更是远远小于非屏蔽双绞线，仅为7.4mm。这些参数所达到的效果是性能好、价格低。

3 案例分析

3M在2011年成为中航直升机综合布线项目的产品供应商。本项目采用6A类铜缆及模块、OM3光缆，光铜同时达到万兆传输速率，是2011年国内最大的6A项目。

中航直升机天津产业基地总部大楼位于保税区管委会对面，与管委会大楼隔路相望。该项目建筑面积8万平方米，建设了A、B、C、D四栋建筑，分别为研发中心、通航运营中心、综合保障中心和办公大楼，最高建筑为9层，建成后，直升机总部项目具有公司总部、研发中心、市场营销中心、利润中心、运营中心及服务中心等六大功能区域。中航直升机公司天津总部研发中心网络及通信系统采用美国3M综合布线系统，设计和施工范围包括A、B、C三栋建筑楼。

网络及通信综合布线系统分为内、外网两套，内网布线采用万兆OM3光纤到桌面系统共计4000余点；外网布线采用增强型6类屏蔽系统共计5000余点。

在项目中我们也积累了很多经验，首先6A类非屏蔽双绞线的缆径相对于6类线缆来说已经明显变粗，这就要求设计人员在桥架和电线管的设计中，充分考虑到这种变化，以免桥架和电线管的容量不足造成施工困难。当然，对于6A类屏蔽双绞线而言，这一变化则不大，无非是从6类的7mm缆径增加到了6A类的7.4mm缆径而已，本项目中采用的都是6A屏蔽线缆。

就布线施工而言，应该说光缆施工尽管要求高，但经过电信、电力行业的数十年努力，已经形成了完善的施工工艺，而6A类和7类屏蔽双绞线在施工时几乎不必考虑周围的环境（包括双绞线与双绞线是否平行摆放），只要产品不损坏、端接遵守规则、接地符合监理要求即可满足。对于系统集成商而言，经过布线、BA、门禁、音响、安防、机房等工程的反复磨练，十年前所谓的“屏蔽施工难以保证质量”一说早已不复存在，在本项目中也充分论证了这一点。但6A类非屏蔽双绞线是否能够通过施工这一关，还有待实践考验。从长远来说，6A类新技术、新产品的工程实施一定会有助于综合布线系统工程质量再上一个新的台阶。