铜缆布线系统物理层的施工与认证测试研究

陈育中，嵇朋朋，周刘喜

（1.南京高等职业技术学校，江苏 南京 210019；2.南京高职校工程检测有限公司，江苏 南京 210019）

0 引言

当前，以工业机器人、物联网、传感器、人工智能和元宇宙为代表科学技术高速发展，工业4.0和信息技术时代已经到来。网络作为支撑上述科技的基础，在军事、科技、卫生和教育等所有领域的作用也愈加重要，对网络的信息传输、自查和纠错能力的要求也越来越高。铜缆布线系统是网络物理层中最底层的基础，其存在的隐患问题不容忽视。工程技术人员必须充分理解物理层的组织构架和工作原理，对布线系统运用科学的检测方法，才能保证物理层的安全，网络才能畅通，应用才能高质量、高可靠地运行。

1 IT与网络环境变化及网络平台的变迁

当今，ICT市场出现了高速率、大容量、移动化、云技术和物联网(Internet of Things，IoT）、大数据等新需求及新技术。结合网络发展脉络，对日益重要的物理层进行剖析。

1.1 互联网的普及与流量的爆炸性增长

互联网人口的增加、移动终端的普及给人们的生活方式带来了巨大的变化。在TCP/IP芯片变小、节能、成本降低等因素的推动下，TCP/IP普及于家电和工业设备、工厂控制装置和传感器等设备，实现上网和即时通信、共享数据、利用云服务、有效利用大数据来挖掘数据、控制设备等功能。

1.2 网络平台的变化

服务模式、数据流量的爆炸性增长，要求必须增大流量密度、扩大服务数量、实现多租户技术，对网络提出的要求也越来越多。为了满足要求，从原来的三层网络结构(核心层、汇聚层、接入层）逐步变成Fabric(矩阵）型网络，即利用虚拟化技术和SDN技术，采用自动化方式，网络结构灵活且规模可扩展，使网络逐步向高速、高可靠性、扩展性、简化等方向发展。

1.3 50%的网络问题发生在物理层

在上述变化中，网络应用流量不断增长，物理层作为IT基础设施的基础，其重要性越来越不容忽视。只有物理层正常运行，所有的网络应用才能顺畅运行。

通常，网络分为7层、4组。其中，物理层的生命周期长达10~15年。据统计，约有50%的网络问题都发生在物理层。若该物理层的布线没有使用质量合格的元器件且安装不符合规范，就会发生网络无法连接、速度变慢或设备在PoE环境下不能正常运行等问题。

2 网络布线

2.1 物理层基础设施的重要性与设计要点

随着虚拟化等技术的发展，在无法降低网络运营和管理成本的情况下，可以通过正确管理物理层性能和运行状况来实现主动式的故障处理。对于数据中心或一般企业而言，网络也是企业经营活动中不可或缺的生命线，如商业建筑内部的网络布线设施。为了适应网络流量不断增大、通信速度越来越快的趋势，需要使用高性能的布线元器件来铺设高质量的综合布线系统。

2.2 布线标准

IEEE标准规定，物理层的网络布线要执行正确的布线管理，满足传输带宽要求，以确保满足布线系统上运行的网络应用的性能。因此，必须在投入使用前根据TIA，ISO，GB/T(中国执行ISO/IEC11801，GB/T 50312及TIA568C）等布线标准进行测试。

2.3 铜缆布线标准的最新动态

以太网的行业标准化联盟颁布的以太网路线图、双绞线链路速率路线图标准，主要使用的标准是2.5GBASE-T和5GBASE-T。该标准对Cat5e和Cat6类链路性能提出了新的要求，为了评估外部串扰对电气性能的影响，定义ALSNR参数。ALSNR用来衡量链路的电气性能特性，将插入损耗、外部NEXT和内部FEXT组合在一起进行计算。若使用Cat5e链路支持频宽为250 MHz的5G数据传输，则需要重新进行认证测试，以支持802.3ac WiFi应用标准。该解决方案支持最长30 m、最高速度40 Gbps以太网应用。从铺设方面来看，铜缆布线的成本与光纤相比，花费更少。要做到最大程度的节约，关键在于光电转换模块等电气成本。

2.4 如何选择布线测试标准

根据用户手册规定，选择测试标准。若没有说明，一般方法是根据性能指标要求和使用的布线材料来选择测试标准等。

2.5 局域网（LAN）布线的构成

局域网(LAN）是分层的，以确保有出色的灵活性和扩展性。大规模的局域网一般可以分为3层，即接入层(边缘层）、流量层(分布层或汇聚层）、核心层。用通信线缆将各层中的通信设备有效地连接在一起，即为布线系统。

2.6 布线系统的要求和扩展性

布线系统由支线、干线、局域干线等子系统组成。支线由连接到配线架的部分布线组成，该配线架用来汇聚信息插座上连接的线缆。干线由连接到配线架的布线部分组成，用来汇聚大楼内的所有链路。局域干线由工厂和园区等不同的建筑物连接的布线部分组成［1］，如图1所示。

图1 信息布线系统的分层结构

布线多半铺设在较为隐蔽的地方，通过增加或更换设备可以提高布线系统的可扩展性和灵活性。如园区干线布线子系统是从园区配线架到建筑内配线架为止的设施，通过部署该配线架到另一栋建筑内即可实现扩展。最好的解决方案是时刻关注未来的网络扩展和变更，并事先铺设好不少于必要数量的线缆，且考虑选择等级更高的线缆，铺设芯数和根数不少于最初必要数量的线缆等。

2.7 铜缆布线

(1）铜缆。根据所支持的传输频率带宽分为D，E，Ea，F，Fa等5类。确定性能时要综合考虑所使用的通信要求，但由于具有向下兼容性，需考虑到未来的情况，因此最好使用较高等级。但必须注意的是F、Fa类和Ⅰ、Ⅱ类连接器的形状，与一般的设备使用的RJ45接口不兼容。

(2）双绞线。根据支持的最大传输频率分为非屏蔽 线(Unscreened Twisted Pair，UTP）与 屏 蔽 线(Screened Twisted Pair，STP）两种。将经过绝缘处理的2根铜线绞合在一起作为一对(双绞）线组成的线缆，并将此作为最小单元。双绞线基本上以4对为基数组成，一般为4对、8对、24对线缆。一般的商用大厦都使用UTP，但为了减少电源噪音带来的影响，会在工厂等地方使用屏蔽线。

2.8 施工及其注意事项

由于布线系统承载的是宽带通信，所以施工质量很重要，必须更加细心认真，确保施工无误。布线标准随着所支持的IEEE应用标准传输速率的提升，其信号电平变得非常微小，防止通信链路内产生信号反射或者在不受周围干扰信号的影响下保持规定的信噪比，将信号正确传输出去。

2.8.1 施工问题

(1）拉伸、弯曲、侧压。不得向线缆施加拉伸、弯曲、侧压等物理或机械方面的压力。由于侧压的缘故，线缆的正常结构(合适的导体直径、绝缘外径，4对线的位置关系等）中会有一部分出现“绝缘芯线压坏”，或4对线的位置关系“从正常的正方形变成菱形或其他异常状态”，从而导致“回波损耗(反射）”侧压部分的特性阻抗不匹配和“NEXT(近端串扰）”性能变差。

(2）线缆急弯或扭曲。应注意防止线缆急弯或扭曲的情况出现。信息插座竖起或线缆拉出时，有可能因为过度扭曲或急弯导致故障。

(3）终端处理、浸水等。若在处理终端时需要去掉外皮，需注意防止线缆受损，防止雨水、机械油、涂料直接接触线缆。若有可能出现上述情况，需事先采取措施。

(4）连接器端接。尽量避免线对扭曲，防止线缆外皮出现过度剥离的情况。如果这种情况已出现多次，那就是接线排列出错了。并不是只要完成接线即可，否则有可能导致故障出现，因此必须统一跳线、配线架、信息插座的接线。

2.8.2 施工性能变化

根据施工手册，用相同的材料施工的工作人员，与完全不遵守相关规定而是按照自己的想法施工的工作人员之间的测试结果的比较。根据比较，可以得知不遵守用户手册的工作人员的测试结果很差，布线质量取决于施工者，且品质并不稳定。因此，为了让布线质量满足材料、设计、施工等所有的要求条件，必须提高施工者的技能。

2.8.3 施工环境噪音

铜缆布线考虑以10GBASE-T运行10G通信的场景，更加关注噪声的影响。从10GBASE-T的信号方式来看，其信号电平只有1/1 000 V，比1000BASE-T小得多，建设布线系统时，不仅要考虑外部串扰，还要尽量远离电力线和噪音源等，要充分考虑铺设环境的噪音影响，如图2所示。

图2 不同通信编码方式的信号电平

3 系统测试

线缆测试分为外形(外观）测试和认证测试。测试性能以认证测试为准，同时需要提交测试报告、校准证书和校准计量溯源图。

3.1 认证测试

线缆和模块等布线组件都是根据标准进行设计并制造出来的。若将这些组合在一起形成链路，就可以保证获得必要的性能。但实际上，由于模块安装在线缆上、由于线缆拉扯等原因，会导致最终的链路性能下降。

最终布线系统的性能，会受到施工人员的技能和施工环境等因素的影响。在施工后根据标准进行JIS标准“认证测试”测试，以确保施工的布线能满足标准规定的性能。

3.2 认证测试的必要性

对于局域网布线工程来说，多数要求认证测试。认证测试完成后，会将测量结果汇总为测试报告提交给客户完成认证。施工方可以证明使用了合格的线材，施工工艺没有问题；用户方验收时可以确认施工与规范保持一致，并符合测试标准的规定。进行认证测试时，根据该布线系统的等级(分类或者等级）选择合适的测试项，并使用满足该测试项的线缆分析仪。

3.3 测试前的准备工作

3.3.1 选择正确的测试标准

认证测试是一种自动化测试，即通过“自动测试”来执行。根据自动测试中选择的测试标准，决定链路模式(永久链路或通道）、被测参数、最大频率以及每个参数合格/不合格的限值。测试前必须根据测试规范，确认选择了正确的测试标准。

3.3.2 选择正确的链路模式

若想保证测试结果的有效性，必须在进行自动测试前选择测试规范要求的标准及链路模式，如图3所示。

图3 综合布线系统的链路模型

(1）永久链路。从楼层配线架到通信插座为止的固定的传输路径，最大长度为90 m。包括链路两端的模块在内，可以选择增加集合点和CP线缆。由于两端是插座，因此测试时，使用带测试线的永久链路适配器，其前端带插头。

(2）通道。局域网交换机或者HUB等网络设备与终端之间的传输路径。通道属于水平系统的子系统，包括网络设备跳线和终端设备跳线。

3.4 现场测试参数

现场性能测试的目的是保证布线系统的信号传输准确可靠。测试报告记录每个测试结果是否合格，每个参数是否合格以及余量多少。标准规定必须测量的性能参数有IL(插入损耗，双绞线链路引入的信号衰减）、RL(回波损耗）、NEXT(串扰，双绞线线对之间的信号干扰）等，还规定了线束里线缆之间的信号串扰，即外部串扰为测试项目［2］。

认证测试的目的是确认这些参数的测量值都在所选标准的限值范围以内，即“合格”。

(1）IL表示电子信号在线缆传播过程中出现的衰减量。IL越小，线缆中的信号就可以传播得越远。

(2）RL是由布线系统中线缆与模块的阻抗不匹配引起的反射信号，用dB为单位表示。对于千兆以太网来说，这是特别重要的参数。当反射信号较大时，就无法将它从与输入信号区分出来，从而导致数据传输错误。RL的值越大，意味着阻抗的匹配性越好。

(3）NEXT。线缆同一端的信号与串扰信号之比称为NEXT(近端串扰）。接收侧的信噪比用dB单位表示，这个数值越大，信号的噪音就越小。

(4）传输延迟差。线缆中传输速度最快的线对与最慢的线对的延迟时间差。千兆及以上的髙速以太网技术都是同时使用4对线。如果有1对线或多对线的延退时间与其他线对的差异很大，则从线缆的一端同时发送的信号，到达接收端时就会有相当大的时间差，导致原来的信号不能在接收端正确组合，从而引发传输错误［3］。

(5）外部串扰。线缆被多个线缆群包围时，相邻线缆发出的噪音会给该线缆带来干扰，影响其数据传输能力。外部串扰测量中，将串扰的接收方称为被干扰链路，相邻的线缆称为干扰链路。若外部串扰变大，系统内的信噪比(SNR）就会下降，从而限制带宽。外部串扰对于实现信号传输是非常重要的参数，最终用户及施工方在制定铺设方案时，必须格外注意外部串扰的影响。

4 结语

网络信号传输的通畅于否直接关系到设备与设备之间的信息发布和处理，影响能否顺利达到工程实际的作用。对网络进行合理的配置和参数测试是非常有必要的。在铜缆使用广泛的综合布线系统中，工程技术人员对网络综合布线的整个框架应有较强的理论知识和娴熟的专业技能，特别是如何运用合适的布线标准、正确的施工方法和施工工艺、有效的认证测试显得尤为重要。