如何保障高速光纤链路的可靠性

罗森伯格亚太电子有限公司：李平

 

自从上世纪七十年代末，光纤首次在国内作为通信传输介质以来，光纤链路以其高带宽，低损耗，抗干扰，频带宽，传输距离长等优点迅速替代了铜缆成为通信系统最重要的传输介质。而随着各种高带宽的应用越来越多，综合布线的相关标准不断更新和提高，光纤链路对损耗，误码率，连接器件以及安装工艺等质量要求也越来越严格。为了满足现有各种高速应用和未来更高应用的可扩展性，特别是越来越多万兆光网络的应用，以及40G/100G等高速应用对光纤链路的品质要求提出了更高的要求，如何保障光纤链路的可靠性成为通信系统面临的首要问题。本文将从系统高速链路的设计、安装、测试三个方面分别谈谈如何保障高速光纤链路的可靠性：

 

一，     综合布线的设计。

综合布线的特点就是具有兼容性，开放性，灵活性，可靠性，先进性和实用性。最初的综合布线，没有统一工程建设标准，大部分采用主流品牌厂商的设计建议和企业白皮书，或者参照其他类似建筑的设计，没有针对不同建筑物的特点和应用需要，施工中经常存在障碍，系统建成后存在一定的局限性，甚至对应用系统的正常使用以及以后升级扩容造成影响。为了保护建筑投资者的利益，布线系统设计要有一定的前瞻性，应该保证绝大多数的布线系统投入运行后到质保期限内，不会因为正常应用升级而被淘汰。一般来说，垂直光纤主干系统会经过弱电井内、管道、桥架等多种复杂环境且距离很长，而水平布线系统需要经过天花板，管道或地板，布线系统的更换比较困难，成本也比较高。因此，选用合适的布线设计标准且能保证在要求的生命周期内正常应用非常重要，针对不同的建筑物，充分考虑现有应用系统的需求，并为未来更高的应用留有充足的余量。主要综合布线设计标准如下所示：

 

ISO 11801:2002	信息技术.用户建筑群的通用布缆
ISO 24764:2010	信息技术.数据中心用的通用布缆系统
EN50173	信息系统通用布线标准
TIA-568-C	商业建筑电信布线标准
TIA-569-B	商业建筑电信布线安装标准
TIA-606-A	商业建筑通信基础结构管理规范
TIA-607-A	商业建筑物接地和接线规范
TIA-570-A	住宅电信布线标准
TIA-758-A	室外自有建筑电信布线标准
TIA-942-A	数据中心电信基础设施标准
GB 50311-2007	综合布线工程设计规范
GB 50174-2008	电子信息系统机房设计规范

 

其次，在设计的时候，针对不同的建筑物，成本，传输距离，应用带宽，防护等级，升级扩容等方面，选择合适光缆类型。

 

按光在光纤中的传输模式，可以分为多模光纤（Multi-Mode Fiber，简称MMF）和单模光纤（Single Mode Fiber，简称SMF）。多模光纤是多路径传输，存在模间色散，因而限制了多模光纤的模式带宽。虽然多模光纤传输距离短，但是可以支持高速数据传输，并且对两端有源的发射和接收设备要求较低，整套系统成本相对较低，广泛应用于传输距离要求短，高带宽，链路数量较多的LAN和SAN网络。2002年6月IEEEE颁布了802.3ae的10Gbps以太网标准，同年9月ISO 11801率先将多模光纤分为OM1，OM2，OM3。OM1为62.5um光纤，主要支持传统应用和短距离千兆链路。OM2为50um光纤，主要支持传统应用和最远500米的千兆链路。随着科技的进步和网络应用的快速提升，千兆网络已经跟不上需求，越来越多的网络已经升级到万兆网络甚至更高。2003年，Intel推出了第一款万兆接口网卡，万兆到桌面或数据中心应用已经成为更多用户的选择。为了满足10Gbps的需要，OM3光纤在设计上通过了光带宽差模延迟（DMD，即Differential Mode Delay）测试，相比较普通光纤最远82米的万兆传输距离，OM3可以最远支持300米的传输距离，可以满足建筑内的光纤布线要求。2010年6月，IEEE通过了802.3ba标准，即40G/100G以太网标准。使用并行光学技术，OM3光纤可以通过单向4通道，双向8通道的方式实现40Gbps传输；单向10通道，双向20通道的方式实现100Gbps的传输。虽然2009年8月, TIA标准委员会表决通过了新的EIA/TIA492AAD定义的多模光纤标准, 即业界普遍关心的OM4多模光纤。但是其指标要求和测试是比较复杂，历经四年的时间才通过，并且制造成本相对于OM3要高出至少50%。OM4应用的主要对象是下一代数据中心，支持高速以太网（Ethernet），光纤通道（FC）和光纤互联（OIF）。同时在万兆系统中，最远可以传输550米，就可以用于中等距离的园区主干和超长距离的建筑物主干。在数据中心设计中，在100米的距离内，可以支持更高速（40G和100Gbits/s 以太网，16G和32Gbits/s光纤通道）的数据传输要求。OM4超过2倍于OM3的模式带宽，可以给设计人员更大的空间，施工和设计时就可以有更大的冗余。

 

速率	IEEE	名称	类型	链路损耗 （dB）	模式带宽（MHz.km）	最大传输距离（m）
1G	802.3z	1000 BASE-SX	OM1*	3.2	500	220
			OM2	3.9	500	550
10G	802.3ae	10GBASE-SR	OM3	2.6	2000	300
			OM4	2.9	4700	400* （550）
40G	802.3ba	10GBASE-SR4	OM3	1.9	2000	100
			OM4	1.5	4700	150
100G	802.3ba	10GBASE-SR10	OM3	1.9	2000	100
			OM4	1.5	4700	150

OM1* ：使用850nm光源，模式带宽仅为160MHz.km。

400* ：虽然理论上OM4支持10G达550米，但IEEE802.3正式表示OM4支持400米的10G应用

 

单模光纤的纤芯只有9um，使用单一模式路径进行传输，不存在模间色散，模式带宽相对要高很多，传输距离长，适用于城域网或其他长距离传输要求的通信网络。单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好，但是光纤芯径太小，较难控制光束传输，故需要极为昂贵的激光作为光源体，光端机的价格较高，因此整套系统成本是多模的3倍左右。单模光纤主要分为OS1和OS2两种。OS1是普通单模光纤，OS2是低水峰单模光纤，消除了玻璃纤维中的OH离子，降低了光纤在1380左右波段的衰减。OS2光纤的成本比OS1高出1倍左右。

除了光缆本身的损耗，直接影响光纤链路性能的还有连接器和熔接点。常见的连接器类型很多，可以按照有源设备光端口类型选择（如LC,SC,ST,FC等），也可以按照高密度的特点选择（如2芯或4芯的MTRJ，8芯或12芯的MTP）。TIA-568-C.3附录对连接器，适配器和光缆组件提出了互配性要求（FOCIS）和最低性能要求。多模使用850 ± 30nm 和1300 nm ± 30 nm波长，单模使用1300 ± 30nm 和1550 nm ± 30 nm波长进行分组检测。规定了一个适配器连接点（含2个连接器，1个适配器）最大插入损耗不得超过0.75dB；多模状态下，最小回波损耗20 dB；单模状态下，最小回波损耗26 dB（CATV要求55dB）；一个熔纤连接点最大插入损耗不得超过0.3 dB。

最后还要考虑光缆的应用场合，如室内光缆和室外光缆，预连接光缆和熔接式光缆；光缆的结构，如紧套型光缆和松套型光缆；光缆的UL阻燃等级，如增压级CMP，干线级CMR，商用级CM等；光缆的保护材质，如聚乙烯PE材质，低烟无卤LSZH材质，金属铠装外护套等。光缆的分类很多，在这里就不一一赘述了，可以根据实际应用的场合与需求进行综合考虑。

 

要保证光产品质量的可靠性，设计阶段需要评估各个厂家第三方机构的链路测试报告如信息产业部，美国ETL或UL认证等。设计时尽可能减少不必要的连接点，或者使用光纤预连接系统代替传统的现场光纤熔接保障连接点的性能。适配器需要提供成品的外观，兼容性和损耗的检测；跳线和尾纤提供需要提供3D几何尺寸和损耗的检测报告等要求，初期的严谨的评估对防范后期的质量风险具有非常重要的意义。

 

二，施工规范。

现行综合布线设计标准和验收标准，如国家标准GB 50311-2007和GB 50312-2007都对综合布线施工（包括光缆施工方面）做出了相应的严格规范。但是，很多综合布线工程都存在质量问题，很难一次通过验收。究其原因，可能是项目经理专业性不强，或者工程监理不严，施工人员不按规范施工等等，导致返工，整改，工期延长。即使最终通过验收，也容易存在故障隐患，为日后正常维护带来困难。

目前，综合布线光缆安装施工规范所涉及到主要有以下几方面：

1. 光缆牵引，不要用力牵引光缆，拉力不能超过允许的最大张力；安装中避免拉长光缆，一个安装人员负责拉线，另一个安装人员负责给线；牵引速率建议为每分钟十五米，每隔一段距离（一般2层楼或35英尺）需要固定，如下图所示。

 

2. 光缆敷设， 布放光缆应平直，不得产生扭绞、打圈等现象，不应受到外力挤压和损伤 ；注意光缆的A,B端，方向应一致，如下图所示。

 

3. 光缆捆扎，单独进行捆扎，不与其它线缆混扎；线缆间最小间距符合设计要求；传统使用塑料扎带，最好使用毛毡带捆扎，减轻因过度捆扎而造成不必要的光纤损耗,而且毛毡带可重复利用，间接的节约了资源，如下图所示。

 

4 、光缆弯曲半径，2芯或4芯水平光缆的弯曲半径应大于25mm；其他芯数的水平光缆、主干光缆和室外光缆的弯曲半径应至少为光缆外径的10倍，如下图所示。

 

5 、光缆的预留，光缆布放路由宜盘留，预留长度宜为3~5m，有特殊要求的应按设计要求预留长度。光缆的预留长度按照电信间、设备间内安装的机架数量以及在同一架内或不同架间进行终接和变更的需要进行预留。

6. 光缆熔接，作为最容易产生直接故障的光纤熔接对施工人员的操作水平要求较高，需要熟练严格按照流程操作；应在整洁的环境中操作，选用精度高的端面切割器；熔接损耗较大的需要剪开，重新熔接。

7. 跳线安装，安装前，跳线不可随意被丢弃或放置，否则很容易被碰撞或踩到；施工人员必须正确的顺序把光纤的防尘帽取下，然后进行插拔，不得随意触摸跳线端面；如有条件，使用端截面检测设备对跳线端截面进行洁净度检测，并使用专业清洁工具清洁有问题的跳线端截面。

8. 标签标识， 光缆布放前，其两端应贴有粘贴型标签，如下图所示，以表明起始和终端位置。标签表示内容应清晰，材质应符合工程应用环境要求具有耐磨、抗恶劣环境、附着力强等特性，建议使用专业标签打印机来打印标签 。标签标识应包括安装场地、光缆终接位置、主干光缆、连接器件等类型的主用标识， 且每一组件应指定唯一标识符。每根光缆应用粘贴型标签，标在光缆的护套上或在距每一端护套300mm内设置标签，光缆的终接点也应设置标签标记粘贴型的标签。

 

二，     综合布线工程光纤链路验收测试。

验收测试是衡量工程质量的最根本手段和保障，是保障系统正常运行和性能升级的基础。光缆验收选用的标准一般根据综合布线设计的要求选择。传统光纤链路验收只是通过可视的红光源打光，或者直接进行应用，监测传输速率和误码率有无异常来检测。随着应用的提升，光纤链路的带宽逐步由100M/1G，提升到现在的10G/40G,甚至100G，因而需要更加严格的认证测试标准进行验收。现在国内主要使用的综合布线认证测试标准有TIA 568C，ISO 11801和GB 50312-2007，其中用的相对较多的还是TIA 568C。

作为光纤链路互连部分的适配器，连接器，跳线和尾纤，不但是光纤链路重要的组成部分也是最容易出现故障节点的部分。专业调研结构曾对800家电缆安装商和800家以上的最终用户进行调查评估，光纤端截面质量问题（端截面污染，抛光不良，连接器受损等）占到光纤故障70%以上，熔接点损耗过大占到光纤故障15%以上。目前国内市场上出现的综合布线品牌有数百家之多，其中国外品牌有30多家，如此众多的品牌和型号，良莠不齐在所难免，可参考最近几年综合布线品牌排行榜。因此对于确保可靠的光纤系统性能来说，进行严格地按标准测试成为一项必不可少的重要环节。

 

2004 年，为了使光纤链路的测试方法和手段满足日益发展的光纤局域网应用的需求，TIA/EIA委员正式通过了TSB-140标准。TSB-140包括了诸如：如何使用可视故障定位设备进行连续性和极性测试、如何使用光纤损耗测试包（OLTS）进行插入损耗测试、以及如何使用 OTDR进行故障查找等等内容。TSB-140标准将光纤测试分为2个等级：

等级1包括了使用OLTS（Optical Loss Test Set）进行的插入损耗设置，即使用光源和光功率计，使用短跳线设置基准后，测试被测链路的损耗。原TIA 568B中规定了等级1测试的三种方法A,B,C在TIA 568C中做了名称的更新，如下所示：

	TIA 568B	TIA 568C
等级1-OLTS测试方法	方法A	2 个跳接
	方法B	1 个跳接
	方法C	3 个跳接

 

1 个跳接（方法B）--适用在主要损耗来自适配器的链路测试

设置基准:用1根跳线连接测试仪的光源输出口和功率计输入口。

 

注：图中测试仪参考FLUKE电缆认证测试仪

 

实际测试：

1. 断开输入口的连接（不可以断开输出口，否则基准值会变化）。

 

2. 加入 2 根符合测试要求的短跳线。

 

3. 将被测光纤链路加进来进行测试。

 

2 个跳接（方法A） -- 适用在主要损耗来自光纤本身而非适配器的情况

设置基准:用2根跳线和1个适配器进行基准设置。

 

实际测试：将只有1端带有适配器的被测链路加进来进行测试。

 

3 个跳接（方法C）--适合测试没有适配器的光缆链路

设置基准:用3根跳线和2个适配器进行基准设置。

 

实际测试：将只有2端都不带适配器的被测链路加进来进行测试。

 

根据标准的要求，一个可靠的高速万兆光纤链路测试验收，需要在在 OLTS损耗测试基础上增加了OTDR测试。OTDR的测试被称为2级测试，包括等级1的所有要求并且要求测试光纤链路的 OTDR 曲线。等级1的测试时双端测试，等级2的OTDR测试则是采用单端测试，即收发端口为同一端口。OTDR测试仪采用瑞利散射 （ Rayleigh scattering ） 和菲涅耳反射（ Fresnel reflection ） 原理，分析产生的背向散射信号，生成OTDR曲线图和事件列表。通过OTDR曲线和事件列表可以深度查看光纤链路内部的具体情况，每个适配器，熔接点，破损点或弯折过度点的位置和损耗。但是OTDR测试出总插入损耗不可代替等级1测试的插入损耗，因为OTDR测试的总插入损耗是单端估算出来的，并不是实际光纤链路插入损耗的真实值。因此，OTDR没有正规的测试标准，用户可以自定义相关标准或采用测试仪建议的门阀值。

 

 

实际OTDR测试时，建议选用至少100米的发射光缆和接收光缆进行基准设置，这样可以更准确的测试出第一个适配器和最后一个适配器的性能。另外选择合适的OTDR测试仪，需要考虑测试仪的波长，动态范围，事件死区，衰减死区，脉冲宽度和分辨率。动态范围越大，测试距离越长，同时事件死区和衰减死区相应的也会比较大，测试精度不高，可以根据被测光纤链路的长度选择合适精度的OTDR测试仪。目前，市场上可供选择的OTDR测试仪最小事件死区为0.5米，衰减死区为3米。

 

  高可靠的高速光纤链路工程项目是需要设计、施工、测试这三方面严格按标准执行的结果，这三方面中的任何一方面出现的问题都有可能导致光纤系统存在质量隐患。特别是当前楼宇主干与数据中心应用传输速率越来越高时，如10G/40G/100G的应用对于光纤链路的性能提出了更高的要求。罗森伯格公司作为光行业的国际领先企业除了提供整系列的光纤解决方案外，同时对于保证高速光纤链路提出了一系列的服务方案，涵盖设计阶段的咨询、安装阶段的现场指导，同时配备了专业测试设备协助现场抽样测试与故障诊断的全套服务，确保高端光纤系统发挥出标准的最高要求，可同步实现万兆高速光网络应用技术发展的需要。