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双绞线布线环境10GB/S以太网测试挑战

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正文:

    新的安装及测试指导准则有助于降低外部串扰(AXTalk)

    基于铜缆双绞线的10千兆/秒以太网标准(10GBASE-T) 目前仍处于制定阶段。

    标准中的许多问题和要求均已在最近几个月得到了明确,预计10GB/S以太网标准有望在 2006 年年中确定和发布。本白皮书简要介绍了双绞线的布线要求以及布线系统安装完成后的测量和验证方法。

    10GBASE-T现场测试和验证简介

    布线链路的传输能力不能孤立地进行定义。首先,发送器需要对数字信息进行编码并生成可以传输的电子信号,然后通过布线链路将这些信号发送出去。其次,物理链路必须能够跨越所需的距离将发送器的信号传输给接收器,并保证接收器输入端的信号质量。最后,接收器也必须满足一组性能参数,确保通过链路到达的信号符合技术要求,从而保证成功实现自己的功能。因此必须要认真了解发送器的要求、信号编码方式、接收器的能力以及链路的传输特性,并将它们作为一个整体来考虑。

    电气和电子工程师协会(IEEE)制定了IEEE 802.3 以太网标准,并对标准进行维护。10 GB/S 以太网工作组将建立 802.3an 标准。IEEE 利用自己的专长设计并确定了主动电子子系统,并与电信行业协会 (TIA) 和国际标准化组织 (ISO) 等电缆标准主要制定机构联手确立了布线通道的性能规格。

    自建立之日起,FlukeNetworks就积极参加TIA 和 ISO 研究委员会的各项活动。在 Fluke Networks 的推动下,一套行之有效的外部串扰 (AXTalk) 测量方法得以成形。外部串扰是双绞线布线链路发送 10 GB/S 以太网 (10GbE) 信令的一个要害性能参数。我们将会解释这些参数的含义以及测试方法。

    在现场验证安装好的10GBASET双绞线时,需要用到Cat 6 TIA/EIA-568-B 文*档中指定的所有测试参数。这些参数包括插入损耗、回波损耗、线对到线对近端串扰、综合近端串扰、线对到线对远端串扰、综合远端串扰、传播延时、长度以及延迟时差。

    10GBASE-T的测试限制与最高频率为250MHz 的 Cat 6 的测试限制完全相同,但为了支持 10 GB/S 以太网技术获得更高的数据传输速率,这些测试的频率范围和性能要求被扩大到了 500 MHz.此外,现场验证 10 GB/S 以太网必须涉及到本白皮书中讨论的外部串扰测试参数。

    了解外部串扰及其对10GB/S性能的影响

    10GBASE-T信令需要频率高达500MHz 的布线带宽,这明显比 1000BASE-T(1 千兆/秒以太网)的 100 MHz 带宽的要求高了很多。这些频率非常高,因此必须为布线测试参数增加一组重要的干扰测定参数。这组新的测试参数就被称为外部串扰。

    串扰测量的是一段双绞线布线链路中一个线对到另一个线对的信号耦合。这种耦合会在线对中产生噪音干扰,因此我们并不需要它。串扰的效果和一条受噪音干扰的传输线非常类似。接收器无法从串扰产生的噪音中区分出链路另一端发送器发来的信号。在数据通信活动中,串扰是一个要害的性能参数。串扰程度随着信号发送频率的提高而加深,而信号频率越高,衰减也越严重(信号在沿着链路传输时变得越来越弱)。正是因为这两种效应的存在,我们才需要找到这样一个频率:串扰产生的噪音与发送器发来的信号相等。对于100mCat 5e 通道,这个频率通常在 120 MHz 左右,对于整个 Cat 6 通道,通常在 240 MHz 左右。

双绞线布线环境10GB/S以太网测试挑战(图一)

    电子设备假如不具备先进的数字信号处理技术,就无法在这个频率左右甚至更高的频率上实现可靠的信号传输。这一现象为双绞线的带宽设置了一个限制。

    近端串扰(或曰“NEXT”)测量的是布线链路中发出测试信号或干扰信号的那一端的串扰信号。图1说明了一个具有两个线对的系统中的近端串扰。假如同时在多个线对上进行信号传输,就像在1000BASET 和 10GBASET 中那样,则还必须考虑并测试远端串扰 (FEXT)(参见图 2)。

    图1和图2 中描述的串扰发生在同一条电缆的线对之间(线对包在同一个电缆外皮中)。外部串扰和这种现象完全相同,只不过是串扰耦合发生在不同但相邻两条布线链路中的线对之间。

    外部串扰是非屏蔽双绞线(UTP)的一个亟待解决的难题,因为对于采用UTP 布线的 10GbE 应用场合而言,它是最主要的干扰或噪音源。图 3 显示了相邻电缆中的线对对其中一个线对产生的外部串扰。

    外部串扰的测量将包括线对之间的外部近端串扰和外部远端串扰。由于必须评估线束中众多线对对接受测试的线对(通常称为受害线对)所造成的总体影响,因此应为线束中的线对计算并评估综合外部近端串扰(PSANEXT)及综合外部远端串扰(PSAFEXT)。

双绞线布线环境10GB/S以太网测试挑战(图二)


    测试外部串扰

    本节将介绍外部串扰的测量方法和测试策略。测量方法介绍的是一些测试工具的硬件和软件配置,这些工具用来测量相邻电缆中线对之间的串扰。测试策略讨论的是布线系统测试的实现方式。在大多数情况下,测试所有可能的线对组合的外部串扰从经济角度讲并不可行或者难以承受。

    DTX-1800CableAnayzer?测试仪主要用于提供测试外部串扰参数所需的带宽,FlukeNetworks 基于这种测试仪开发了一些试验性的测量工具和测量技术。这些技术经过不断的发展,目前已被很多电缆制造商用于实验室和现场测试,为其生成外部串扰参数的特征。外部串扰模块将会在开发周期结束后随同 DTX-1800 一起提供。

    测量方法

    当使用验证测试仪来测试电缆的近端串扰性能时,主测试仪和远端测试仪应分别连接到同一条电缆的两端,而且这两个设备应使用接受测试的链路来同步它们的测量过程。假如测量外部近端串扰,则应使用DTX永久链路适配器将DTX-1800 主设备和DTX-1800 远端设备连接到不同的电缆,如图 4 所示。

    为使主设备和远端设备能够同步执行测量过程,需要在这两个设备之间建立一条连接。请将一个非凡的外部串扰模块插到DTX-1800设备的背面,插入位置与DTX-MFM 等光纤损耗测试模块的插入位置相同。在为这两个设备都装上外部串扰模块之后,可使用标准跳线连接这两个模块并建立同步所需的链路。此时,接受测试的布线链路的远端还未连接到测试仪设备。链路末端的开路将会对测试信号产生明显的反射。为避免远端产生发射,对测量过程和测量的准确性产生干扰,必须要在这两个链路的末端安装一个非凡的端接插头。图 4 显示了为测试线束中两条电缆之间线对到线对外部近端串扰而配置的 DTX-1800 主测试仪设备和远端测试仪设备之间的连接。两条布线链路之间的所有近端串扰线对组合共有16 种。按图 4 所示的方式配置之后,DTX-1800 会在大约 30 秒内用 1 到 500 MHz 之间的频率测量这 16 种线对到线对组合的外部近端串扰。

双绞线布线环境10GB/S以太网测试挑战(图三)

    图5显示了用来测量一个线束中几条电缆之间线对到线对外部远端串扰的DTX 测试仪的连接。这两个测试仪设备现在连接到了此线束的不同末端。测试仪设备必须要配备我们在前面提到的用来测量外部近端串扰的外部串扰模块。您可以使用测量时不用的备用布线链路或链路在 DTX-1800 主设备和 DTX-1800 远端设备之间建立同步路径。对于测试中涉及到的链路,开路端必须使用测试外部近端串扰时所用的插头进行端接。此方法已在现场应用中取得了很好的使用效果。测试仪的一个非常重要的性能参数是底线噪声 (Noise Floor),它答应测试仪非常准确地测量出非常小的线对到线对外部串扰信号。

双绞线布线环境10GB/S以太网测试挑战(图四)

    综合串扰测量

    如上所述,对电缆束的外部串扰评估并不局限于测量个别线对之间的外部串扰耦合。在整个网络运营期间,电缆束中的所有线对都会以全双工模式(信号在每个线对上双向流动)同时传输信号。因此,在同一个线束中,任何一个线对都会受它四周的数个信号传输线对的影响。通过计算综合近端外部串扰(PSANEXT)和综合远端外部串扰(PSAFEXT) 参数,即可得知四周电缆的总体影响有多大。

    DTX-1800主设备必须通过USB连接连接到一台笔记本电脑。随着线束中越来越多的电缆被测试,笔记本电脑上运行的软件会导入线对到线对近端串扰或远端串扰的测量结果数据并计算综合串扰的测试结果。

    外部串扰测试策略

    在获取线束中每个线对的综合串扰的测试结果时,测试工作很快就会变得非常耗时和消耗资源。如上所述,每次多加入一个布线链路来计算综合串扰,都需要进行16次线对到线对测量。

    假如图3中所示的电缆在整个链路上都保持同样的相对位置,它们将形成六个包围一个的布局,这种布局对于研究外部串扰是最不理想的。这种布局之所以被视为最不理想的布局,原因在于在整个电缆束中,几乎不可能出现一个线束中的七条电缆始终保持这样一种紧密的布局。在这种布局中,中心的那条布线链路被定义为受害电缆。为了计算这个受害电缆中的四个线对到线对的综合外部近端串扰,我们需要测量96 种(6 乘以 16)线对到线对外部近端串扰组合。采用上述方法所需的总计测试时间大约为180 秒或 3 分钟,当然还需要一些时间来(重新)连接测试导线并将结果上载到计算机中。这样还不错,但我们仅仅考虑了一个非常小的线束中的一条受害电缆。通常采用的大多数线束都不仅仅包含七条布线链路。


    一方面,行业标准已经确认外部串扰正在成为双绞线布线环境中一个非常重要的10GBE信号传输性能参数。必须对这些性能参数进行现场测试,才能确保布线系统能够支持这种高速网络应用。另一方面,一个合理的测试时间也是我们非常需要的。

    外部串扰采样指导准则

    一套实用的外部串扰测试策略需要选择有代表性的链路样本,包括最“可疑”的布线链路。总体的测试策略由以下几个要素组成:

    只测试必须符合10GBASE-T运营要求的链路并且链路必须具有足够的长度;较短的链路(不足50 米)几乎不会出现问题。请注重,链路的插入损耗会随着长度和信号频率的提高而加大。这意味着到达较长链路末端的信号会更弱,从而降低了信号与外部串扰干扰强度的比值。10 GB/S 标准将会定义插入损耗值,高于该值,外部串扰即成为可疑的干扰源。

    当一个电缆束中的许多链路都需要满足10GBASE-T运营要求时,可以选择少数几条较长的链路作为受害电缆,并观察它们是否表现出了大致相同的PSAXtalk 性能。当电缆束包含很多电缆时,所有外部串扰会出现一定程度的中和现象。由此带来的结果是,不同受害电缆的 PSAXtalk 属性趋向于大致相同。假如所选受害电缆的 PSAXTalk 结果基本一致并通过了测试限制值,就不需要再进行额外的测试。

    PSANEXT需要在较长的链路(超过50米或 160 英尺)上进行测量。对于目前采用的 6 类电缆必须如此。请在大量电缆接合的位置(也就是配线板),使用紧靠着受害链路的干扰链路开始测试。只要 PSANEXT 结果看起来受到了影响或发生了变化,就需要增加干扰链路。

    PSAFEXT需要在和较短链路捆绑在一起的较长链路上进行测量。请在大量电缆接合的位置(也就是配线板),选择紧靠着受害链路的较短干扰链路。只要PSAFEXT结果看起来受到了影响,就需要为结果增加干扰链路。这一测试参数的频率响应在很大程度上是可以预知的,因此在 100 MHz 时只需观察一个值就可以做出判定。

    表1–预计支持 10 GBASE-T 的电缆类型

双绞线布线环境10GB/S以太网测试挑战(图五)

    适用的电缆类型

    IEEE为10GBASET考虑到了表 1 中列出的布线类型。表 1 中某些电缆类型的注释短语“支持(IEEE 目标)”表示为电子设备(发送器和接收器)指定的要求;这些要求规定,这些电子设备必须能够在六个包围一个的布局中配合指定的布线通道正确运转。正如您看到的那样,55 米 Cat 6 通道是一种完全符合 10GBASET 要求的布线链路。

    换句话说,假如您正在为某个所有链路均不超过55米的数据中心设计布线架构,现有的Cat 6 UTP 布线就可以满足您的需要。安装时需格外注重安装和端接的质量。此外,尽管目前尚未确定或发布增强型 Cat 6 或 Cat 6A 组件的规格,但为了尽可能降低配线板的外部串扰,指定并采用归为 Cat 6A 组件的最新配线板和连接硬件仍不失为明智的选择。最后,也是非常重要的一点,应使用前面介绍的外部串扰测试策略对此要害布线性能进行现场验证。 Fluke DTX-1800 CableAnalyzer? 支持两种 10GBASET 布线标准草案。请查阅 Fluke Networks 网站,以确保您的测试仪运行最新的软件并拥有最新的测试标准规格(测试数据库)。

    有两个标准草案文档规定了10GBASET的布线性能要求。第一个文档是电信行业协会(TIA) 编写的“电信系统公告”(TSB),称为TIA TSB-155.第二个文档是 TIA/EIA-568-B.2 标准的“附录 10”(TIA/EIA-568-B.2-10)。为什么要用两个文档来规定布线性能要求呢?第一个文档 TSB-155 主要是针对具有链路长度限制的 10 GB/S 以太网的传输要求,来规定对布线链路的要求。如需了解在10GBASET 应用中验证 Cat 6 链路的方式,您可以查看该文档。第二个 TIA 文档(“附录 10”)定义了一个新的布线类,即增强型 Cat 6 或 Cat 6A,这类电缆的性能比 Cat 6 更出色,而且支持 100 米 10GBASET 通道。在外部串扰参数以及 250 MHz 下的通道内测试参数性能两方面,增强型 Cat 6 都以最低的 10 GB/S 以太网要求提供了更高的容许度。

    建议

    当使用Cat6或 Cat 6A 电缆时,必须认真设计布线系统,以便将外部串扰降到最低。关于降低外部串扰干扰的建议主要集中在电缆捆绑和线缆治理两方面。回想一下,10GBASE-T 的测试要求扩大到 500 MHz,而且必须仔细观察为提供高质量布线链路的所有现场安装方法。

    只有同一个线束中的布线链路才会对综合外部串扰(PSAXtalk)的测量产生影响。因此,一个线束中的布线链路越少,PSAXtalk就越小。当每个线束中的链路数量较少时,我们前面讨论的测试策略会更有效。每个线束中最理想的链路数量(尤其对于 Cat 6 布线通道而言)是 12 个,一般最好不要超过 24 个。

    不要将线束中的电缆捆得太紧;每隔2英尺(60厘米左右)或更长间距扎一条绑带。

    大部分外部近端串扰都发生在链路上从测试端算起的前20米内。样机的模拟和验证表明,除非每条电缆都并行贯穿整个线束,否则从测试端算起的20 米之后的电缆所产生的外部近端串扰实际上不会对总体 PSANEXT 产生任何影响。因此,链路的跳线和配线板布置方式以及由此产生的机架线缆治理都会对链路之间的外部串扰耦合程度产生严重影响。相距越近,外部串扰耦合程度就越高。

    很多采样建议或前面讨论的测试策略建议都明显表明,当测试配线板的外部串扰性能时,适当了解布线拓扑结构会让您受益匪浅。它可以帮助您分辨出同一线束中捆绑了哪些电缆。您可以设计并采用一套电缆命名方案,以标识布线链路走线的线束。


    结论

    10GB/S以太网正在成为双绞线布线环境中一项要求非常复杂的网络技术。它需要一个非常好的Cat 6 布线系统,同时采取了有效措施来降低外部串扰干扰的影响。此外,它还需要崭露头角的增强型 Cat 6 布线设备。无论对于哪种情况,在确保布线系统完美支持这种超高速新型网络技术上,安装工艺都将发挥举足轻重的作用。现场验证通道内要求和外部串扰(通道间)要求是确保布线系统支持 10 GB/S 以太网的不二法门。


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