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      解決方案

      全光纖集中式布線系統技術解析

      時間:2018-03-30 03:59:19 來源: 點擊:

        前言

        自1984年在美國誕生了世界上第一個智能建筑大樓后的近30年間,綜合布線的技術得到了很大的發展,進入90年代以后,網絡技術得到突飛猛進的發展。特別是ODN網絡、FTTD光纖到桌面、EPON以太無源光網絡和WLAN回傳技術構架等一系列技術的應用,推進了高速網絡設備和終端設備的快速普及,使傳統的銅纜雙絞線傳輸方案日益成為現實應用和未來發展的瓶頸,并常常陷入需要不斷升級和改造弊端,致使布線的傳輸速率越高,成本和施工難度越大,綜合布線系統作為一個智能建筑的基礎性設施,傳統的銅纜布線系統已經不能適應高標準布線系統的要求,在技術上,綜合布線的結構大體可以分類為

        · 分布式布線系統Structured Cabling System

        · 開放式布線系統Horizontal Cabling for Open Offices

        · 集中式布線系統Centralized Cabling System

        并有相應的國際標準定義,網絡系統作為信息高速公路中的關鍵環節,在FTTD的需求推動下,給全光纖集中式布線系統賦予了新的使命,縱觀國內綜合布線工程的應用,基本上采用傳統的分布式布線系統居多,存在著選型的產品技術落后,大批生產廠家簡單仿制,各種品牌魚龍混雜,再加上工程的投標環節低價競爭,策略中標,以次充好等原因,造成一些工程項目的質量下降,尤其是六類以上或全屏蔽的網絡系統,投入了很大資金,但真正達標的工程不多見,從而造成很大的浪費。這種情況與我國飛速發展的經濟建設形勢是不相適應的。因此,本文從技術層面就全光纖集中式布線系統向大家做一個技術解析,希望我們對這一技術有一個正確的認識和應用,從而提升智能化建設工程的技術含量和質量。

        一、 全光纖集中式布線系統與傳統布線的區別

        如同計算機聯網的發展一樣,布線系統的結構是依據一定的國際標準發展變化的。在布線標準被普遍接受以前,根據終端用戶的需要,布線是隨意的。在布線標準被接受以后,布線也就“結構化了”。隨著結構化布線系統的出現,許多大樓布線采用了多用電信插座來滿足用戶安裝計算機或外圍設備的需要。經常被采用的三種布線系統的標準是:

        · ISO/IEC 11801,信息技術——用戶房屋的普通布線

        · ANSI/TIA/EIA-568,商業建筑電信布線標準

        · EN 50173,信息技術——普通布線

        這些標準定義了布線系統的結構由三個布線子系統組成:建筑群主干網,建筑物主干網和水平布線,相對應的有工作區和管理區設置,這種結構被稱作為分布式布線系統,在分布式系統中,每根水平銅纜必須支持一個長度為90m的基本傳輸鏈路和一個長度為100m(328ft)的傳輸信道。ANSI/TIA/EIA568建議在每個工作區插座點至少安裝兩種媒體接口,一個是用于傳送語音(3類或5類線)的UTP接口;另二個用于傳輸數據的UTP接口。同時,每根纜為二個接點的端到端基本鏈路。1995年10月頒布了TIA/EIA TSB-75中說明了將合并接點(CP)和多用戶電信接口(MUTOAs)集成合并在一起的開放式布線結構,以及在TIA/EIA TSB-72中說明的集中式布線結構。盡管這些結構在公告中有詳細的說明,但標準組的意圖在于減少在一個信道內的結點數目,從而提高系統的可靠性。根據集中式布線系統的定義,集中式主干布線系統從定位于系統中心的建筑群配線架或建筑物配線架直接延伸到工作區插座。這一結構可以包括建筑群和建筑物主干纜(由室內/室外纜組成)、水平纜、端接、建筑群配線架和建筑物配線架的交叉連接以及在工作區插座的端接。集中式布線允許設計者在使用普通多模光纜時,信道距離為275m(900ft),如果采用OM4光纜,最大距離可達500m以上。這個運行距離是對整個信道而言的,它包括從設備端口到工作區的設備和工作站端口的整個線路全長(含接插光跳線)。實現真正意義上的集中式布線系統,見下圖一:

       

      圖一 分布式布線與集中式布線示意圖

        美國托立集團是評估前沿技術、提供真實信息方面的權威的第三方咨詢機構。托立集團曾經就分布式銅纜布線和集中式光纖到桌面布線發表過一份白皮書。這份白皮書針對局域網使用全光纖的集中式布線系統和使用銅纜的分布式布線系統,使用兩種模型進行比較,并給出了如下的結論:對于一個面積為60,000平方英尺的建筑,使用光纖到桌面集中式布線可以比使用銅纜分布式布線節省40,000.00美元的投資;對于一個面積為240,000平方英尺的建筑,使用光纖到桌面集中式布線可以比使用銅纜分布式布線節省235,000.00美元的投資。

        這份白皮書還指出,集中式的光纖到桌面系統不僅僅使得布線成本降低了,還使得網絡維護成本也降低了,因為:

        · 電子設備集中在一個設備間,使空調的使用更有效、網絡交換設備的運行環境更好(相對于樓層管理間的網絡設備環境條件),網絡管理和控制更方便,系統安全性更強;

        · 集中式的網絡結構,使網絡的分布一目了然,可以實現故障的快速處理、問題的解決更有效 ;

        · 快速的故障處理,縮短了系統故障的歷時,這就相應的增強了工作效率,增加了收入,使客戶更滿意。

        二、 全光纖集中式布線系統技術的主要優勢

        1、足以應付未來的帶寬需求

        長期以來,始終有一個問題縈繞在銅攬布線系統的用戶面前,即網速的不斷升級所帶來的網絡物理層帶寬的升級需求。銅攬布線系統正在向纜徑越來越粗、屏蔽層越來越復雜、屏蔽接地實施越來越嚴格、包括模塊和線纜在內的系統各組件造價越來越高、對施工人員的要求越來越高、施工難度越來越難、系統測試參數越來越多、測試設備造價越來越高、測試程序越來越復雜等等方面的困擾。

        而光纜,哪怕是最普通的多模光纜所能夠提供的帶寬也是銅纜系統所望塵莫及的。見圖二:

       

      圖二 光纜與銅纜的傳輸帶寬比較

        當我們用發展的眼光看待網絡系統,會發現網絡實施的三個必然規律:首先,網絡速度會變得越來越快,所以,設計網絡時,應該考慮更高的速率,更大的帶寬,更快的網絡響應時間。第二,網絡容量會變得越來越大,設計時需要考慮更多的用戶,更大網絡的流量和更高的性能。第三,網絡構架絕對不會保持不變,設計時應該考慮更大的靈活性,更能方便的更改網絡配置和更強的可管理性。

        布線系統是IT的重要組成部分,為高速發展和快速淘汰的IT設備提供物理層的必要支撐。同時,光纜布線系統由于其傳輸介質的先進性,最能夠適應未來的網絡構架。更重要的是,布線系統是建筑物基礎設施的一部分,一旦布放之后,很難重新更換產品和對產品進行升級換代。從各方面來說,光纜系統能夠滿足未來的布線需求這一特征,顯現出了突出的重大優勢。

        2、傳輸損耗小, 傳輸距離長

        對于銅纜來說,無論升級到幾類,無論所傳輸的帶寬是多少,在樓宇綜合布線的數據傳輸中,都會受到以太網傳輸協議的限制,導致最大距離不能超過90米物理長度。90米的限制,對網路結構和建筑結構兩個方面都產生了一定的影響。

        首先,從網絡結構方面來說,每隔90米就需要有一個節點,通常設置樓層管理間,配置機柜、有源的網絡設備、配線架、網絡跳線等一套完整的硬件系統,一般網絡結構越復雜,在運行階段的故障點也越多,修復成本也越高。同時,由于受到90米的限制,一般將在同一個物理區域的信息點劃分到同一個樓層配線間進行管理,往往不能充分利用有源設備端口,造成浪費,并且增加了建設成本。

        而光纖提供了長距離的傳輸能力,可以不受不同建筑結構的限制,使得多樓層的布線能集中端接于一個電信間或設備間,形成“集中式布線”結構。集中式布線可以減少配線間占用的建筑面積,減少配線間裝修費用,減少機柜和后備電源成本(共享UPS)。同時,設備可以集中放置,從而提高端口利用率,減少節點,方便日后維護,降低人工成本。對有些場地,是銅纜布線很難解決的難題。

        3、抗電磁干擾, 射頻干擾, 串音干擾

        在我們工作和生活的環境中,充斥著各種電磁干擾,這些干擾都會影響到銅纜網絡的傳輸。這種干擾最終導致銅纜布線網絡的運行。舉例來說,當一棟新的建筑物及其機房內越來越多的大功率設備增添進來之后,網絡的傳輸性能會下降。

        而光纖布線不會受到電磁、射頻、噪音的干擾,這一特點被廣泛地應用于工廠、醫院和數據中心機房等場合。

        其次,光纜的這一特性為某些老建筑的改造項目提供了方便的走線路徑,可以利用原來的強電橋架和管道走線,而無需考慮與強電電纜的距離限制,而不受強電電磁干擾。

        4、高度可靠的保密性

        由于光纖本身的物理特性,只要光纜不破損,光纖布線系統在運行過程中光纖本身也不會對外產生輻射,從而所傳輸的信息很難被竊聽。所以,在政府、軍事、科研機構等保密性要求高的領域,光纖是天然的屏蔽系統。

        5、測試簡單, 糾錯容易,維護費用低

        安裝好的布線系統的性能決定了運行在其上的網絡系統的傳輸性能,因此對布線系統的測試一向非常重要。對于銅纜布線,需要測試近端串音衰減、衰減、混斷線、屏蔽(存在時)連續性等等20個左右的指標,對于6A類及以上的銅纜布線系統,更要求進行線間串擾(ANext)等十分復雜、高成本的測試。在測試過程中一旦發現問題,銅纜布線系統的排錯過程往往十分消耗人力、物力,且對工程師的經驗要求較高。

        而對于光纜布線系統,只需要測試鏈路的衰減,測試設備簡單,測試快捷,更重要的是,在測試過程中一旦發現問題,通過OTDR即可準確定位到故障點。

        在使用和維護階段,光纜布線系統的故障少、抗干擾性強、穩定性好,并且可以集中式管理,從而可以提高網絡運行效率。

        6、升級到POL(PON over LAN)

        Positive Optical Network(PON),即無源光網絡,已經從2005年起開始在中國的光纖到戶中廣泛部署。在部署過程中,PON所表現出來的巨大的優勢保證了PON的強大生命力。

        正是基于全球各個國家在部署PON的過程中所認識到的PON的巨大優勢和強大生命力,另外一個稱為POL的新技術開始蓬勃發展起來。POL即PON over LAN,無源光纖局域網,相對于以太網來說,具有以下4大優勢,這4大優勢也正是POL的驅動力所在:

        顛覆性的總成本優勢:總成本可以節省大于50%,含投資節省25~70%,操作成本節省60~80%

        “綠色節能”建筑認可:使用很少的有源電子器件,能源節省達到80%

        環境可持續性:使用少得多的材料。以4000GbE口為例,可以節省8000磅的銅

        未來網絡升級:由單模光纖提供長距離、高帶寬,提供可靠的光纖網絡,滿足未來的需求

        POL將越來越多地在商用樓宇中取代目前的有源以太網。而目前全光網的實施,將有利于從有源以太網到POL的升級。

        綜上所述,光纖布線的優勢是顯而易見的。針對這些優勢,我們可以把適合做光纖布線系統的行業總結如下:

        · 所有布線系統的主干

        · 在所有樓宇中實現集中布線(降低建筑成本、改善建筑結構、實現集中管理、提高端口利用率)

        · 工廠(如電力系統):長距離、且抗干擾

        · 醫院:減少對外輻射

        · 傳媒機構:大數據量(高速率、高帶寬) 、保密、圖像傳輸

        · 存儲基地和存儲局域網:銀行、保險、金融、電信、移動;大數據量(高速率、高帶寬)

        · 政府、軍隊、科研機構:保密、大數據量、長距離

        · 住宅小區FTTH光纖到戶

        三、 全光纖集中式布線系統的解決方案

        自95年TIA/EIA TSB-72標準 提出集中式布線的概念以后,要真正實現理想的全光纖集中式布線,要解決的技術難題很多,作為綜合布線的一項先進技術,全光網能否保留銅纜布線的全部優勢,克服銅纜布線的發展瓶頸,才是技術進步的標志,經過10多年的發展,一些廠商投入巨資研發全光網器件,在技術上有重大突破,有效解決了全光網的技術難題,國外主流綜合布線廠家都相繼推出了具有特色的全光網產品,使全光纖集中式布線系統的技術再次成為熱點。

        1、 了解不足

        對光纖布線了解不足會導致一系列的錯誤的主觀觀點產生,例如:可靠性(光纜的強度和光纖易折斷)、穩定性(接口怕灰塵,不易日常維護)、不易施工(接續工藝難)。這些技術上的難題近年來國外廠商已經有了完善的解決方案, 本文以某品牌 “VF-45全光纖集中式布線系統解決方案”為例,從光纖可靠性和布線系統穩定性及系統維護幾個方面來了解一下這一技術的最新發展。

        2、 VF-45全光纖集中式布線系統解決方案:

       

      圖三 VF-45全光纖集中式布線系統解決方案圖示

        VF-45全光纖集中式布線系統解決方案的特點可以實現像銅纜端到端一樣方便的施工技術,它包括全光網的專用高強度光纜、GGP高強度光纖跳線、VF-45光纖連接器(接續工藝)、帶盤纖盒桌面面板和清潔液。

        3、重量輕, 抗拉強度大, 易于布線的高強度專用光纜

        對于很多施工人員來說,有一個認識上的誤區需要得到糾正,一般都認為光纜比銅纜的施工難度高,主要的心理陰影是穿線怕拉斷,這主要是對光纜產品缺乏了解,事實上,用于全光網的光纜與普通光纜在結構上是不同的,專用的全光網光纜是一管雙芯結構,如果是4芯光纜,比普通光纜多二對護套,其內部結構類似4對8芯雙絞線。

        它的抗拉強度是普通銅纜的四倍,而且光纜重量輕,不容易導致野蠻施工;直徑細,可以節省管道資源,它比銅纜施工更省力。一般來說,對一管雙芯的光纜而言容許彎曲半徑越大、容許抗拉強度越大,為施工留出的余量就越大,施工之后的系統性能就越有保障。從這個方面來說,光纜布線系統的施工也更加容易保證質量。見下表所示

        銅纜和光纜部分施工參數對比

      線纜

      每305米的重量

      (公斤)

      直徑(毫米)

      抗拉強度(牛頓)

      2芯光纜

      2.7

      2.7

      445

      4芯光纜

      3.0

      3.0

      445

      1根4對銅纜雙絞線

      12.2

      6.0

      110

      12芯光纜

      6.8

      4.8

      660

      24芯光纜

      8.2

      5.8

      1320

        4、 VF-45光纖快速端接連接器

        VF-45光纖快速端接連接器由插頭和插座二部分組成,見圖五。

       

      圖五 VF-45光纖快速端接連接器

        VF-45插座是一個自帶保護蓋雙工光纖連接器,用它來對光纖進行端接。每個VF-45插座可同時端接2芯光纖。VF-45連接器的安裝密度和插頭-插座方式與傳統的8芯RJ-45接口相似。而且組合時無需耦合器和膠粘劑,安裝時間只需一至兩分鐘,使施工難度和勞動力成本大幅下降,

        VF-45的插頭是自帶保護蓋的插頭,當跳線未插入連接器前,保護蓋是關閉的,當插入連接器后,保護蓋自動打開,保證光束的通道。從而解決對光跳線發光頭的保護,使GGP跳線像RJ-45跳線一樣的方便使用。

        VF-45光纖連接器的平均插入損耗為0.3dB,遠小于TIA/EIA 568所規定的0.75dB。插座可以安裝在光纖配線架和桌面面板,它的卡口幾何尺寸與RJ-45模塊統一,插座可以安裝在工作區面板和光纖箱,從而實現端到端的光纖接續。采用了VF-45光纖連接器的布線系統是把光纖的高帶寬、簡單性、先進性、經濟性及可靠性結合起來的關鍵器件。見圖六:

       

      圖六 VF-45模塊和VF-45光纖配線箱

        5、GGP高強度光纖跳線

        在光纖通信線路故障中,相當一部分原因是由于光纖跳線過度彎折甚至折斷引起的。目前,用于通信光纖的主要材料是二氧化硅,該材料的特性是耐彎折性差、柔韌性差,受外力擠壓或彎折時容易破碎或斷裂。所以,對光纖布線可靠性的擔心正是基于這一點。而要改善這一現狀,GGP光纖跳線采用精密涂敷技術和材料技術,這是一種高強度的抗壓抗彎折光纖,據悉,最早設計是應用在軍隊的野戰光纖,可以在非常惡劣的環境下為光纖通訊提供了保障。

        GGP跳線,在結構上具有永久性高分子聚合物涂層,使纖芯被永久保護,從而其抗靜態疲勞性高,在相同的彎曲半徑下應力較低,柔韌性增強,具備優異的機械強度和可以承受更小的彎曲半徑,降低使用和維護的壓力。業內俗稱為軟跳線。見圖七,GGP高強度光纖跳線和結構示意圖。

       

      圖七 GGP光纖與普通光纖在125μm包層處的不同結構

        由GGP高強度抗彎折光纖制成的光纖跳線具有極強的抗彎折特性,可以應用在中心機房、無線基站機房、光纜交接箱、分光分纖箱和用戶終端等場合,極大地提高光纖網絡傳輸的可靠性。

        6、光纖布線系統的維護和故障排除

        光纖布線出現故障時,首先通過OTDR快速、準確地判斷出故障類型,排除光纖破損折斷的情況外,一般常見的是光纖連接器的灰塵會堵塞光纖傳輸鏈路,也會產生散射,對光纖網絡的運行影響很大。導致光纖鏈路的衰減增加,影響光纖的傳輸性能,與VF-45光纖連接器配套的光纖清洗液可以完全解決對光纖鏈路的保護。建議選擇VF-45光纖連接器專業的光纖清洗液,它是一種無毒、阻燃、絕緣的氟化液,這種液體即使噴灑在運行的有源設備上,也完全不影響設備的運行。這種清洗液被網管人員稱作為“魔水”。選擇專用的清洗液以作為專業的光纖鏈路整體解決方案是必不可少的一部分。VF-45光纖連接器的清洗工具見圖八:

       

      圖八 VF-45光纖連接器的清洗工具和方法

        7、 VF-45桌面出線盒,如圖九所示。

       

      圖九 86型光纖出線盒

        從圖九可以看出,這樣設計的一個86型的光纖出線盒可以容納至少1米的光纖盤留,并且通過光纖的自身張力、而不需要特別的設計就能夠有效地保證所盤留的光纖的彎曲半徑,從而即保證了光纖線路低損耗、又有利于光纖的使用壽命,同時,一旦需要重新端接光纖連接器時,只要拉出一部分盤留的光纖、而不需要重新鋪設纜線,為光網絡的維護帶來了巨大的便捷。

        除了能夠在保證彎曲半徑的情況下盤留至少1米的光纖之外,這樣設計的光纖面板還具有其它很多優點:

        86型,與其他強電、弱電面板從外觀上統一

        光銅合一:一個86型光纖出線盒可安裝2個VF-45插座(4芯)含光纜管理,也可以安裝一光一銅,靈活性強

        光跳線下面插拔:減少外力對光跳線的破壞;排除光信號正面輻射傷害到人眼的可能性;減少光跳線所占的突出墻面的空間

        多種進纜方式:不需要底盒;在出線盒上有一個特別的設計,容許明裝的線纜進入,結構簡單,易于操作。

        綜上所述,要建設好一個全光纖網絡就是要把握光纖網絡的特點,借助專業廠商的解決方案和經驗,在設計、產品選型、項目施工、運行維護各階段注重細節,選擇廠商的解決方案越專業對施工和使用過程中的專業性要求就越低,系統的性能就越有保障。

        結束語

        全光網是20年來人們一直追求和探索的技術方向,但由于成本、技術、觀念等方面的障礙,至今還沒有得到大規模推廣與使用。然而,這種局面正在改變。由于國家政策上的扶持,光設備價格的不斷下降和光纖產品技術上的突破,在光通信技術沉寂多年后,全光網再次受到關注,很多有識之士把網絡的基礎建設目光轉移到全光網的架構上來。全光纖集中式布線系統作為綜合布線系統的重要解決方案之一,它是光纖到桌面技術的新的詮釋。預計今后幾年,全光網將會有更大的發展。

        來源:上海市樓宇科技研究會《建筑機電工程》2013年第10期

       
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