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全光纤集中式布线系统技术解析

2015-03-30 15:31:32 深圳鑫锐光 阅读

  前言

  自1984年在美国诞生了世界上第一个智能建筑大楼后的近30年间,综合布线的技术得到了很大的发展,进入90年代以后,网络技术得到突飞猛进的发展。特别是ODN网络、FTTD光纤到桌面、EPON以太无源光网络和WLAN回传技术构架等一系列技术的应用,推进了高速网络设备和终端设备的快速普及,使传统的铜缆双绞线传输方案日益成为现实应用和未来发展的瓶颈,并常常陷入需要不断升级和改造弊端,致使布线的传输速率越高,成本和施工难度越大,综合布线系统作为一个智能建筑的基础性设施,传统的铜缆布线系统已经不能适应高标准布线系统的要求,在技术上,综合布线的结构大体可以分类为

  · 分布式布线系统Structured Cabling System

  · 开放式布线系统Horizontal Cabling for Open Offices

  · 集中式布线系统Centralized Cabling System

  并有相应的国际标准定义,网络系统作为信息高速公路中的关键环节,在FTTD的需求推动下,给全光纤集中式布线系统赋予了新的使命,纵观国内综合布线工程的应用,基本上采用传统的分布式布线系统居多,存在着选型的产品技术落后,大批生产厂家简单仿制,各种品牌鱼龙混杂,再加上工程的投标环节低价竞争,策略中标,以次充好等原因,造成一些工程项目的质量下降,尤其是六类以上或全屏蔽的网络系统,投入了很大资金,但真正达标的工程不多见,从而造成很大的浪费。这种情况与我国飞速发展的经济建设形势是不相适应的。因此,本文从技术层面就全光纤集中式布线系统向大家做一个技术解析,希望我们对这一技术有一个正确的认识和应用,从而提升智能化建设工程的技术含量和质量。

  一、 全光纤集中式布线系统与传统布线的区别

  如同计算机联网的发展一样,布线系统的结构是依据一定的国际标准发展变化的。在布线标准被普遍接受以前,根据终端用户的需要,布线是随意的。在布线标准被接受以后,布线也就“结构化了”。随着结构化布线系统的出现,许多大楼布线采用了多用电信插座来满足用户安装计算机或外围设备的需要。经常被采用的三种布线系统的标准是:

  · ISO/IEC 11801,信息技术——用户房屋的普通布线

  · ANSI/TIA/EIA-568,商业建筑电信布线标准

  · EN 50173,信息技术——普通布线

  这些标准定义了布线系统的结构由三个布线子系统组成:建筑群主干网,建筑物主干网和水平布线,相对应的有工作区和管理区设置,这种结构被称作为分布式布线系统,在分布式系统中,每根水平铜缆必须支持一个长度为90m的基本传输链路和一个长度为100m(328ft)的传输信道。ANSI/TIA/EIA568建议在每个工作区插座点至少安装两种媒体接口,一个是用于传送语音(3类或5类线)的UTP接口;另二个用于传输数据的UTP接口。同时,每根缆为二个接点的端到端基本链路。1995年10月颁布了TIA/EIA TSB-75中说明了将合并接点(CP)和多用户电信接口(MUTOAs)集成合并在一起的开放式布线结构,以及在TIA/EIA TSB-72中说明的集中式布线结构。尽管这些结构在公告中有详细的说明,但标准组的意图在于减少在一个信道内的结点数目,从而提高系统的可靠性。根据集中式布线系统的定义,集中式主干布线系统从定位于系统中心的建筑群配线架或建筑物配线架直接延伸到工作区插座。这一结构可以包括建筑群和建筑物主干缆(由室内/室外缆组成)、水平缆、端接、建筑群配线架和建筑物配线架的交叉连接以及在工作区插座的端接。集中式布线允许设计者在使用普通多模光缆时,信道距离为275m(900ft),如果采用OM4光缆,最大距离可达500m以上。这个运行距离是对整个信道而言的,它包括从设备端口到工作区的设备和工作站端口的整个线路全长(含接插光跳线)。实现真正意义上的集中式布线系统,见下图一:

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图一 分布式布线与集中式布线示意图

  美国托立集团是评估前沿技术、提供真实信息方面的权威的第三方咨询机构。托立集团曾经就分布式铜缆布线和集中式光纤到桌面布线发表过一份白皮书。这份白皮书针对局域网使用全光纤的集中式布线系统和使用铜缆的分布式布线系统,使用两种模型进行比较,并给出了如下的结论:对于一个面积为60,000平方英尺的建筑,使用光纤到桌面集中式布线可以比使用铜缆分布式布线节省40,000.00美元的投资;对于一个面积为240,000平方英尺的建筑,使用光纤到桌面集中式布线可以比使用铜缆分布式布线节省235,000.00美元的投资。

  这份白皮书还指出,集中式的光纤到桌面系统不仅仅使得布线成本降低了,还使得网络维护成本也降低了,因为:

  · 电子设备集中在一个设备间,使空调的使用更有效、网络交换设备的运行环境更好(相对于楼层管理间的网络设备环境条件),网络管理和控制更方便,系统安全性更强;

  · 集中式的网络结构,使网络的分布一目了然,可以实现故障的快速处理、问题的解决更有效 ;

  · 快速的故障处理,缩短了系统故障的历时,这就相应的增强了工作效率,增加了收入,使客户更满意。

  二、 全光纤集中式布线系统技术的主要优势

  1、足以应付未来的带宽需求

  长期以来,始终有一个问题萦绕在铜揽布线系统的用户面前,即网速的不断升级所带来的网络物理层带宽的升级需求。铜揽布线系统正在向缆径越来越粗、屏蔽层越来越复杂、屏蔽接地实施越来越严格、包括模块和线缆在内的系统各组件造价越来越高、对施工人员的要求越来越高、施工难度越来越难、系统测试参数越来越多、测试设备造价越来越高、测试程序越来越复杂等等方面的困扰。

  而光缆,哪怕是最普通的多模光缆所能够提供的带宽也是铜缆系统所望尘莫及的。见图二:

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图二 光缆与铜缆的传输带宽比较

  当我们用发展的眼光看待网络系统,会发现网络实施的三个必然规律:首先,网络速度会变得越来越快,所以,设计网络时,应该考虑更高的速率,更大的带宽,更快的网络响应时间。第二,网络容量会变得越来越大,设计时需要考虑更多的用户,更大网络的流量和更高的性能。第三,网络构架绝对不会保持不变,设计时应该考虑更大的灵活性,更能方便的更改网络配置和更强的可管理性。

  布线系统是IT的重要组成部分,为高速发展和快速淘汰的IT设备提供物理层的必要支撑。同时,光缆布线系统由于其传输介质的先进性,最能够适应未来的网络构架。更重要的是,布线系统是建筑物基础设施的一部分,一旦布放之后,很难重新更换产品和对产品进行升级换代。从各方面来说,光缆系统能够满足未来的布线需求这一特征,显现出了突出的重大优势。

  2、传输损耗小, 传输距离长

  对于铜缆来说,无论升级到几类,无论所传输的带宽是多少,在楼宇综合布线的数据传输中,都会受到以太网传输协议的限制,导致最大距离不能超过90米物理长度。90米的限制,对网路结构和建筑结构两个方面都产生了一定的影响。

  首先,从网络结构方面来说,每隔90米就需要有一个节点,通常设置楼层管理间,配置机柜、有源的网络设备、配线架、网络跳线等一套完整的硬件系统,一般网络结构越复杂,在运行阶段的故障点也越多,修复成本也越高。同时,由于受到90米的限制,一般将在同一个物理区域的信息点划分到同一个楼层配线间进行管理,往往不能充分利用有源设备端口,造成浪费,并且增加了建设成本。

  而光纤提供了长距离的传输能力,可以不受不同建筑结构的限制,使得多楼层的布线能集中端接于一个电信间或设备间,形成“集中式布线”结构。集中式布线可以减少配线间占用的建筑面积,减少配线间装修费用,减少机柜和后备电源成本(共享UPS)。同时,设备可以集中放置,从而提高端口利用率,减少节点,方便日后维护,降低人工成本。对有些场地,是铜缆布线很难解决的难题。

  3、抗电磁干扰, 射频干扰, 串音干扰

  在我们工作和生活的环境中,充斥着各种电磁干扰,这些干扰都会影响到铜缆网络的传输。这种干扰最终导致铜缆布线网络的运行。举例来说,当一栋新的建筑物及其机房内越来越多的大功率设备增添进来之后,网络的传输性能会下降。

  而光纤布线不会受到电磁、射频、噪音的干扰,这一特点被广泛地应用于工厂、医院和数据中心机房等场合。

  其次,光缆的这一特性为某些老建筑的改造项目提供了方便的走线路径,可以利用原来的强电桥架和管道走线,而无需考虑与强电电缆的距离限制,而不受强电电磁干扰。

  4、高度可靠的保密性

  由于光纤本身的物理特性,只要光缆不破损,光纤布线系统在运行过程中光纤本身也不会对外产生辐射,从而所传输的信息很难被窃听。所以,在政府、军事、科研机构等保密性要求高的领域,光纤是天然的屏蔽系统。

  5、测试简单, 纠错容易,维护费用低

  安装好的布线系统的性能决定了运行在其上的网络系统的传输性能,因此对布线系统的测试一向非常重要。对于铜缆布线,需要测试近端串音衰减、衰减、混断线、屏蔽(存在时)连续性等等20个左右的指标,对于6A类及以上的铜缆布线系统,更要求进行线间串扰(ANext)等十分复杂、高成本的测试。在测试过程中一旦发现问题,铜缆布线系统的排错过程往往十分消耗人力、物力,且对工程师的经验要求较高。

  而对于光缆布线系统,只需要测试链路的衰减,测试设备简单,测试快捷,更重要的是,在测试过程中一旦发现问题,通过OTDR即可准确定位到故障点。

  在使用和维护阶段,光缆布线系统的故障少、抗干扰性强、稳定性好,并且可以集中式管理,从而可以提高网络运行效率。

  6、升级到POL(PON over LAN)

  Positive Optical Network(PON),即无源光网络,已经从2005年起开始在中国的光纤到户中广泛部署。在部署过程中,PON所表现出来的巨大的优势保证了PON的强大生命力。

  正是基于全球各个国家在部署PON的过程中所认识到的PON的巨大优势和强大生命力,另外一个称为POL的新技术开始蓬勃发展起来。POL即PON over LAN,无源光纤局域网,相对于以太网来说,具有以下4大优势,这4大优势也正是POL的驱动力所在:

  颠覆性的总成本优势:总成本可以节省大于50%,含投资节省25~70%,操作成本节省60~80%

  “绿色节能”建筑认可:使用很少的有源电子器件,能源节省达到80%

  环境可持续性:使用少得多的材料。以4000GbE口为例,可以节省8000磅的铜

  未来网络升级:由单模光纤提供长距离、高带宽,提供可靠的光纤网络,满足未来的需求

  POL将越来越多地在商用楼宇中取代目前的有源以太网。而目前全光网的实施,将有利于从有源以太网到POL的升级。

  综上所述,光纤布线的优势是显而易见的。针对这些优势,我们可以把适合做光纤布线系统的行业总结如下:

  · 所有布线系统的主干

  · 在所有楼宇中实现集中布线(降低建筑成本、改善建筑结构、实现集中管理、提高端口利用率)

  · 工厂(如电力系统):长距离、且抗干扰

  · 医院:减少对外辐射

  · 传媒机构:大数据量(高速率、高带宽) 、保密、图像传输

  · 存储基地和存储局域网:银行、保险、金融、电信、移动;大数据量(高速率、高带宽)

  · 政府、军队、科研机构:保密、大数据量、长距离

  · 住宅小区FTTH光纤到户

  三、 全光纤集中式布线系统的解决方案

  自95年TIA/EIA TSB-72标准 提出集中式布线的概念以后,要真正实现理想的全光纤集中式布线,要解决的技术难题很多,作为综合布线的一项先进技术,全光网能否保留铜缆布线的全部优势,克服铜缆布线的发展瓶颈,才是技术进步的标志,经过10多年的发展,一些厂商投入巨资研发全光网器件,在技术上有重大突破,有效解决了全光网的技术难题,国外主流综合布线厂家都相继推出了具有特色的全光网产品,使全光纤集中式布线系统的技术再次成为热点。

  1、 了解不足

  对光纤布线了解不足会导致一系列的错误的主观观点产生,例如:可靠性(光缆的强度和光纤易折断)、稳定性(接口怕灰尘,不易日常维护)、不易施工(接续工艺难)。这些技术上的难题近年来国外厂商已经有了完善的解决方案, 本文以某品牌 “VF-45全光纤集中式布线系统解决方案”为例,从光纤可靠性和布线系统稳定性及系统维护几个方面来了解一下这一技术的最新发展。

  2、 VF-45全光纤集中式布线系统解决方案:

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图三 VF-45全光纤集中式布线系统解决方案图示

  VF-45全光纤集中式布线系统解决方案的特点可以实现像铜缆端到端一样方便的施工技术,它包括全光网的专用高强度光缆、GGP高强度光纤跳线、VF-45光纤连接器(接续工艺)、带盘纤盒桌面面板和清洁液。

  3、重量轻, 抗拉强度大, 易于布线的高强度专用光缆

  对于很多施工人员来说,有一个认识上的误区需要得到纠正,一般都认为光缆比铜缆的施工难度高,主要的心理阴影是穿线怕拉断,这主要是对光缆产品缺乏了解,事实上,用于全光网的光缆与普通光缆在结构上是不同的,专用的全光网光缆是一管双芯结构,如果是4芯光缆,比普通光缆多二对护套,其内部结构类似4对8芯双绞线。

  它的抗拉强度是普通铜缆的四倍,而且光缆重量轻,不容易导致野蛮施工;直径细,可以节省管道资源,它比铜缆施工更省力。一般来说,对一管双芯的光缆而言容许弯曲半径越大、容许抗拉强度越大,为施工留出的余量就越大,施工之后的系统性能就越有保障。从这个方面来说,光缆布线系统的施工也更加容易保证质量。见下表所示

  铜缆和光缆部分施工参数对比

线缆

每305米的重量

(公斤)

直径(毫米)

抗拉强度(牛顿)

2芯光缆

2.7

2.7

445

4芯光缆

3.0

3.0

445

1根4对铜缆双绞线

12.2

6.0

110

12芯光缆

6.8

4.8

660

24芯光缆

8.2

5.8

1320

  4、 VF-45光纤快速端接连接器

  VF-45光纤快速端接连接器由插头和插座二部分组成,见图五。

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图五 VF-45光纤快速端接连接器

  VF-45插座是一个自带保护盖双工光纤连接器,用它来对光纤进行端接。每个VF-45插座可同时端接2芯光纤。VF-45连接器的安装密度和插头-插座方式与传统的8芯RJ-45接口相似。而且组合时无需耦合器和胶粘剂,安装时间只需一至两分钟,使施工难度和劳动力成本大幅下降,

  VF-45的插头是自带保护盖的插头,当跳线未插入连接器前,保护盖是关闭的,当插入连接器后,保护盖自动打开,保证光束的通道。从而解决对光跳线发光头的保护,使GGP跳线像RJ-45跳线一样的方便使用。

  VF-45光纤连接器的平均插入损耗为0.3dB,远小于TIA/EIA 568所规定的0.75dB。插座可以安装在光纤配线架和桌面面板,它的卡口几何尺寸与RJ-45模块统一,插座可以安装在工作区面板和光纤箱,从而实现端到端的光纤接续。采用了VF-45光纤连接器的布线系统是把光纤的高带宽、简单性、先进性、经济性及可靠性结合起来的关键器件。见图六:

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图六 VF-45模块和VF-45光纤配线箱

  5、GGP高强度光纤跳线

  在光纤通信线路故障中,相当一部分原因是由于光纤跳线过度弯折甚至折断引起的。目前,用于通信光纤的主要材料是二氧化硅,该材料的特性是耐弯折性差、柔韧性差,受外力挤压或弯折时容易破碎或断裂。所以,对光纤布线可靠性的担心正是基于这一点。而要改善这一现状,GGP光纤跳线采用精密涂敷技术和材料技术,这是一种高强度的抗压抗弯折光纤,据悉,最早设计是应用在军队的野战光纤,可以在非常恶劣的环境下为光纤通讯提供了保障。

  GGP跳线,在结构上具有永久性高分子聚合物涂层,使纤芯被永久保护,从而其抗静态疲劳性高,在相同的弯曲半径下应力较低,柔韧性增强,具备优异的机械强度和可以承受更小的弯曲半径,降低使用和维护的压力。业内俗称为软跳线。见图七,GGP高强度光纤跳线和结构示意图。

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图七 GGP光纤与普通光纤在125μm包层处的不同结构

  由GGP高强度抗弯折光纤制成的光纤跳线具有极强的抗弯折特性,可以应用在中心机房、无线基站机房、光缆交接箱、分光分纤箱和用户终端等场合,极大地提高光纤网络传输的可靠性。

  6、光纤布线系统的维护和故障排除

  光纤布线出现故障时,首先通过OTDR快速、准确地判断出故障类型,排除光纤破损折断的情况外,一般常见的是光纤连接器的灰尘会堵塞光纤传输链路,也会产生散射,对光纤网络的运行影响很大。导致光纤链路的衰减增加,影响光纤的传输性能,与VF-45光纤连接器配套的光纤清洗液可以完全解决对光纤链路的保护。建议选择VF-45光纤连接器专业的光纤清洗液,它是一种无毒、阻燃、绝缘的氟化液,这种液体即使喷洒在运行的有源设备上,也完全不影响设备的运行。这种清洗液被网管人员称作为“魔水”。选择专用的清洗液以作为专业的光纤链路整体解决方案是必不可少的一部分。VF-45光纤连接器的清洗工具见图八:

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图八 VF-45光纤连接器的清洗工具和方法

  7、 VF-45桌面出线盒,如图九所示。

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图九 86型光纤出线盒

  从图九可以看出,这样设计的一个86型的光纤出线盒可以容纳至少1米的光纤盘留,并且通过光纤的自身张力、而不需要特别的设计就能够有效地保证所盘留的光纤的弯曲半径,从而即保证了光纤线路低损耗、又有利于光纤的使用寿命,同时,一旦需要重新端接光纤连接器时,只要拉出一部分盘留的光纤、而不需要重新铺设缆线,为光网络的维护带来了巨大的便捷。

  除了能够在保证弯曲半径的情况下盘留至少1米的光纤之外,这样设计的光纤面板还具有其它很多优点:

  86型,与其他强电、弱电面板从外观上统一

  光铜合一:一个86型光纤出线盒可安装2个VF-45插座(4芯)含光缆管理,也可以安装一光一铜,灵活性强

  光跳线下面插拔:减少外力对光跳线的破坏;排除光信号正面辐射伤害到人眼的可能性;减少光跳线所占的突出墙面的空间

  多种进缆方式:不需要底盒;在出线盒上有一个特别的设计,容许明装的线缆进入,结构简单,易于操作。

  综上所述,要建设好一个全光纤网络就是要把握光纤网络的特点,借助专业厂商的解决方案和经验,在设计、产品选型、项目施工、运行维护各阶段注重细节,选择厂商的解决方案越专业对施工和使用过程中的专业性要求就越低,系统的性能就越有保障。

  结束语

  全光网是20年来人们一直追求和探索的技术方向,但由于成本、技术、观念等方面的障碍,至今还没有得到大规模推广与使用。然而,这种局面正在改变。由于国家政策上的扶持,光设备价格的不断下降和光纤产品技术上的突破,在光通信技术沉寂多年后,全光网再次受到关注,很多有识之士把网络的基础建设目光转移到全光网的架构上来。全光纤集中式布线系统作为综合布线系统的重要解决方案之一,它是光纤到桌面技术的新的诠释。预计今后几年,全光网将会有更大的发展。

  来源:上海市楼宇科技研究会《建筑机电工程》2013年第10期

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