UTP铜缆及多模光纤发展史与展望

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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。”

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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。

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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。”

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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。”