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UTP铜缆及多模光纤发展史与展望

2009-8-7 16:39| 投稿: net

摘要:   在过去10年里,线缆行业在通信技术的发展中扮演了关键的角色。高端应用、互联网以及电子邮件等,推动网络带宽的需求越来越大,从而使传输架构布线成为技术进步最重要的组成部分。   无论是产品的发展,还...
  在过去10年里,线缆行业在通信技术的发展中扮演了关键的角色。高端应用、互联网以及电子邮件等,推动网络带宽的需求越来越大,从而使传输架构布线成为技术进步最重要的组成部分。   无论是产品的发展,还是布线系统的处理能力,都是向更高的传输标准看齐,从而出现更高级的UTP铜缆和光纤布线,其具有更高的性能和含有更新的技术。HitachiCableManchester公司的工程服务经理ValRybinski说:“尽管无法令人相信,但是我们确实已经深深处在一个日新月异、快速发展,乐于接受新事物的社会当中,创造性的思维孕育出了产业巨头,以及大规模的协作。”   回顾   10年前,结构化布线引发了标准的更新换代。Rybinski说:“那是一个伟大转折点——第一次提出布线结构化,每一个站点的接口都完全相同。全世界的布线结构和接口都是一样的,这让我很吃惊,因为除此之外,再没有如此标准化的终端用户能享用的业务。”   1993年,5类UTP铜缆布线工作频率是100MHz,支持10/100Base-T系统,而光纤在园区和楼宇主干网布线中得到广泛应用。Leviton公司语音和数据分部的企业产品市场经理BillSlater说:“那时,线缆和连接产品制造商开始结成伙伴共同提供端到端解决方案,而尽量避免比较他们的产品孰优孰劣。”   在极短时间内,先进的布线技术满足了人们对网络容量和速度的需求。业界的领导者们一致认为,铜缆和光纤解决方案即便在将来仍将有极大的市场。   主干网行业标准是光纤分布式数据接口(FDDI)——工作波长850纳米,LED光源,62.5/125微米多模光纤,被认为最有能力为楼宇网络提供无限带宽,而日本和中欧当时的标准采用的是50微米。TycoElectronics/AMPNetconnect公司的业务开发主管TonyBeam说:“美国是从应用角度来选择光纤,而日本等国家,往往是为了获得更高的性能和技术而选择光纤。IBM在一些应用中采用了62.5微米光纤,随之这种光纤成为FDDI的主流,从而为布线标准化提供了基础。”   62.5微米光纤安装更容易,连接效率更高。CorningCableSystems公司的网络技术及标准经理DougColeman说:“当多模光纤进入楼宇布线市场,我们要为用户提供出更容易安装的光纤——那些没有丰富的光纤安装经验的人往往会选择这样的光纤。62.5微米光纤的线芯较粗,有系列化孔径,可以充分满足多数数据传输源的接口要求。”   在1993到1997年期间,人们不断要求带宽拓宽再拓宽,以提高数据传输速率,带宽从10Mbits/sec一直增加到100Mbits/sec。Beam说:“由于各家公司内部原先孤立的PC连接到中央服务器和传输架构,所以对数据传输速率的要求也就更高了。”到了90年代末期,发展趋势明显表明,要支持下一代高速率应用,布线系统必须要运行吉比特以太网(GbE)。   5e类   在制定适用于UTP铜缆布线的GbE时,电气和电子工程师协会(IEEE)力争在应用最多的5类铜缆上能运行GbE。GeneralCable公司的应用工程师AsefBaddar解释说:“因为GigE采用双向,4线对传输,线对间的噪声就增大了,从而带来交叉串扰。”在铜缆布线上以100MHz频率运行GbE,为我们带来了5e类标准,该标准增加了新指标,如近端交叉串扰功率和(PSNEXT)、回损(ReturnLoss),以及电缆和连接器件的同级远端交叉串扰功率和(PSELFEXT)。   5类系统只要安装质量高,一般都能满足后来制定的5e类标准。Baddar说,不满足5e标准的系统80%是由于安装质量差造成的。他说:“如果一个5类安装执行得很差,电缆被拉得过紧,线对在端接时松开的太多,那么它极可能达不到5e标准的要求。”   连接器件和接插线在UTP铜缆布线系统的发展中扮演着很重要的角色。采用RJ配线使工作带宽提升到100MHz甚至更高,变得难上加难。Siemon公司的全球运营副总裁JohnSiemon解释说:“模拟电话系统,或者POTS,最初使用插头的中间两个导电片,因为这样会增加交叉串扰,所以今天的高性能连接器和接插线都摒弃了这种设计,但是为此耗去了大量研制和开发经费,才获得今天这样的性能。”   6类   在TIA/EIA颁布5e类标准的时候,6类标准的制定工作也在进行当中,它可工作在250MHz的高频段,能使GbE支持更繁重的数据流量和更快的速度。6类标准规定了正衰减交叉串扰比(ACR)高达200MHz,向后兼容并具有共同操作能力。这给铜缆和连接器件制造商带来了新的难题。   当UTP铜缆传输信号的频率越高,每个传输信号的线对对周围线对的影响就越大。要达到苛刻的6类标准,需要有新的工艺和设计。Baddar说:“制造6类线缆的工艺设备使线缆的性能一致性更好,线对扭绞得更紧,这样可以更好地消除噪声。”线缆制造商们增大了电缆中铜线芯的直径,以获得更好的信号功率,还增加了一个隔离器件,以达到标准规定的NEXT值。Baddar解释说:“隔离器件是一种线对隔离轴,常被称作齿条。”齿条可以是交叉编制物、带子或者填塞物,用来把4个线对彼此分隔开,以便进一步减少交叉串扰。   重新设计连接器件以满足6类要求,被证明更加困难,因为降低交叉串扰,需要重新设计和相关技术。Rybinski解释说:“插头能带来交叉串扰,因此所有接有一个8脚插头的器件都必须补偿这种不平衡,消除产生的交叉串扰。在100MHz,器件对噪声的抑制能力较强,不需要精确地抵消交叉串扰,但到200MHz,我们就需要更精细的补偿。”   既然工具更新和连接器重新设计既困难,费用又高昂,制造商们于是开始尝试靠加大对现有5e类设计的补偿来获得6类性能。JohnSiemon认为,因为补偿效果随频率不同而不同,在6类标准的高频段,补偿作用已经达到了极限。他说:“使用相位偏移在100MHz可以消除交叉串扰,但在更高频段,它会使性能下降。补偿越多,在宽频带上都获得高性能的难度就越大。”   HubbellPremiseWiring公司的技术主管MikeO'Connor认为,即便是6类的向后兼容和共同操作能力也是难以实现的。他说:“对性能的要求更加严格,比如,5e类连接器的NEXT值在100MHz是43dB,而6类连接器的NEXT值在同一频段是54dB,二者的差距是相当大的。虽然向后兼容很容易做到,但是共同操作能力还是很棘手的。第三方测试是确保真正获得6类性能的关键。”   除了6类比5e类规定了更高的衰减交叉串扰比以外,向后兼容和共同操作能力也给连接器件制造商出了难题。   许多人认为UTP铜缆布线系统达到6类标准是最了不起的进步。JohnSiemon说:“这些产品在长期发展过程中曾达到过多种不同类别的性能,但达到6类要求的性能,同时能向后兼容和可共同操作,的确是非常杰出,它是来自不同制造商的众多工程师长期相互合作的结果。”   光纤   在GbE之前,主干网和竖直布线,有时还包括到桌面,都普遍采用62.5微米光纤。但是当主干网的速度提高到GigE,就很少再用62.5微米光纤了。以前一直作为传输光源的廉价的发光二极管(LED)信号激励技术不再适用于当前的布线系统。Coleman解释说:“LED每秒开关的次数有限,最快只有大约622Mbit/sec,这使我们转向激光技术。”已经开发出并在数据中心得到应用的垂直腔表面发射激光器(VCSELS)成为GbE的传输光源。   尽管在1300纳米波长使用VCSELS时,62.5和50微米光纤具有相似的性能,VCSELS的开发和使用却是850纳米操作窗口。Beam说:“选择850纳米还是1300纳米的关键是哪种波长更适合于高速数据。850纳米波长之所以更适合于VCSELS,是因为它更简单,更可靠,性价比也更高。”   在多模光纤上进行激光数据传输,会产生一种效应,叫做差分模式延迟(DMD),它发生在当一束激光射入光纤芯的中心时,这束激光分散成几种光模式。GeneralCable公司的技术主管MauricioSilva解释说:“由于DMD效应,不同光模式到接收端的时间不相同,从而造成信号失真,降低传输容量。光纤芯越细产生的光模式越少,从而失真越小。”因为50微米光纤的芯更细,所以它比芯粗一些的62.5微米光纤,能传输更长距离。   用于园区主干网传输架构的多模光纤需要能支持500米的传输距离。对于GbE来说,62.5微米光纤信道长度最多只能有220米,所以TIA/EIA-568-B.3把50微米光纤选进结构化布线和连接器件标准。Beam说:“尽管62.5微米光纤接到VCSELS也能运行GigE,如较小的楼宇网络主干和长度较短的园区线路。但是对于距离超过300米的情况,就需要50微米光纤了,另外,考虑到传输速度今后不会停步于1Gig,业界也需要选择50微米光纤。”Beam认为,这是一个令人痛苦的转换,他说,“基于我们当时掌握的所有迹象,以及当时最出色的前瞻者的预言,我们推广、销售和安装62.5微米光纤,从没有想到会替换它们。”   为了避免在一些多模光纤中出现缺陷,制造商们开发出偏移发射接插线,即偏离线芯中心几个微米发射激光。偏移发射接插线在IEEE802.3z标准中被列为使用1300纳米波长时必选。Silva解释说:“偏离线芯中心20微米发射激光,让激光在中心轴线周围传播,减少散射。”   CorningCableSystems公司的阻燃线缆产品线经理MartynEaston认为,由于光纤连接器件性能和连接技术的发展,从某种程度上,使从易于安装的光纤到光纤传输性能更佳的转变成为可能。Easton说:“许多公司都在日以继夜地工作,开发带有推拉功能的连接器,以便使现场端接更容易,更迅速。这些连接方面取得的成就使62.5微米光纤也能传输更长距离,所以连接对光纤布线系统性能的影响程度还没有它对铜缆布线的大。”   ST连接器(直端)具有推拉匹配设计,在出现SC之前一直被认为是标准连接器。SC后来同ST一起被TIA/EIA-568-B标准列为结构化布线推荐连接器。Beam说:“SC用了很长时间才占领市场,然而ST仍拥有一定的用户,所以ST现在仍没有完全退出。”   在最初,光纤连接器的竞争主要集中在功能和可用性上面,而最近更注重于成本了。小封装连接器(SFF)的端口密度更高,底座更小,“一体化封装设计,两根光纤埋入在一个导槽里。这使每个交换器的端口更多,而端口成本更低。”Easton这样解释说。   展望   最近,IEEE成立了一个10GBase-T研究组,来研究在UTP铜缆上发送10GbE,许多人都在焦急的等待研究结果出来。Baddar说:“多数人相信,在铜缆上运行10Gig,必须选择6类。作为制造商,我们正在竭力向IEEE证明,6类是最好的选择,因为尽管今天6类系统只占安装总数的20%,但到2005年,它的比例将会增长到70%和80%。”   6类信道的显著性能特征是250MHz工作频段,随着数据传输速率越来越高,将来势必需要UTP铜缆布线的工作频率更高。JohnSiemon说:“要理解工作在500MHz的系统性能特性不是很容易做到的,规定出控制平衡要求,和抑制外部噪声的能力将是在铜缆布线上能否扩展到每秒1Gig的关键。”   O'Connor认为,业界将继续努力改进产品,但是在铜缆上运行10GbE将是一道难以逾越的障碍。但不管怎样,他说,“6类布线架构能工作在250MHz,肯定比只能工作在100MHz的系统,如5e类,更有能力支持10Gig。”   今天,62.5微米光纤布线能为许多用户提供满意的数据传输速率,然而,随着10GbE主干网的来临,50微米光纤的需求将会增加。Beam说:“我的确不相信62.5光纤会出现在10Gig领域,以这样高的速度,它的传输距离只有60米,没有什么实用价值。”   激光优化50微米光纤,通过修改折射轮廓指标,不需要偏移发射接插线或者改变连接器和安装方法,10GbE性能传输距离可达300米。Easton解释说:“为了制造出激光优化50微米光纤,我们已经为它升级了激励源。”他说,目前没有合适的传输设备能运行10GbE,但是由于50微米光纤的带宽可调节,因此它最终将作为传输介质解决方案,既能够满足以前应用的要求,也能支持将来应用的需要。   尽管62.5微米光纤适用于许多当前的应用,随着10GbE主干网的来临,50微米光纤的需求仍将可能增加,这是由于它的长距离传输性能更佳。   随着对带宽需求的增加,40和100GbE到来的时间可能比我们想象得还要快,有些人怀疑多模光纤到时能否支持这么高的传输速率,Silva说:“如果我们真会到了那么一天,即传输速率增加到40或100Gig,我们可能会发现主干网中的光纤由多模更换成单模。如果激光技术发展到成熟实用阶段,沿路铺设光纤成为可能,单模可能就会完全替代今天多模的位置。”   现有的几种光纤连接器使许多人认识到标准接口的必要性,业界目前正在朝着这个方向努力。Leviton公司的光纤产品经理HarleyLang说:“有几个因素在决定使用什么类型的连接器的过程中起重要作用,包括标准编写者的个人因素。当然,我相信,市场将是最终的决定因素。”   小结   主干网中UTP铜缆和光纤布线共存,光纤占主导。但是如果数据传输速率上升到10GbE甚至更高的100GbE,铜缆布线的容量就有点儿不够了。Beam认为:“在铜缆和光纤之间肯定还会出现一次战斗,但是这次战斗的激烈程度经过过去的10年,已经大大降低。10年前,有人错误地以为FDDI会是铜缆的终结者,接下来,我们又认为吉比特以太网将彻底取代铜缆。”   Beam认为,区域布线,光纤进入水平布线,短距离铜缆接到桌面,这种结构将使UTP铜缆和光纤布线共存。他说:“许多公司都投入巨资购买了PC机和笔记本电脑,它们都和铜缆接口兼容,而光纤到区域的构想让这些铜缆接口得以继续存在下去。”   JohnSiemon说:“铜缆传输架构既能支持30年前就有的应用,包括象模拟电话业务,也能支持那些现在还没有投入商用的业务。然而尽管铜缆系统看起来跟上了网络技术的发展步伐,但光纤将来必将进一步深入到水平布线中去。”   “所以,铜缆和光纤布线应选哪一种?”,JohnSiemon说,“不是选哪一种,而是两个都要,一个都不能少。”
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