双绞线布线系统的万兆现场测试
文|安恒公司 刘 程
双绞线万兆以太网相关标准的颁布，为双绞线布线系统实现万兆传输提供了标准依据。而后各大布线产品厂商纷纷也推出了支持万兆应用的新产品，如增强6类、7类线缆等。就目前双绞线布线系统的万兆应用来看，主要针对网络数据中心主干链路大量高速数据的传输。
然而，确保实现高速传输的稳定和可靠，需要具备三个重要条件，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（传输介质）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。本文仅对如何保障传输介质质量，通过现场测试以确保其传输特性进行详细阐述。
然而，确保实现高速传输的稳定和可靠，需要具备三个重要条件，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（传输介质）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。本文仅对如何保障传输介质质量，通过现场测试以确保其传输特性进行详细阐述。
1 外部串扰的概念
我们都知道，高带宽是实现高速传输的重要保障，双绞线万兆应用需要500MHz带宽。这明显比千兆以太网 100 MHz 带宽的要求高了很多。由于传输信号的频率大幅提高，因此必须为布线测试指标增加一组重要的干扰测定参数，这组新的测试参数被称为外部串扰。
通俗的讲，串扰是指双绞线布线链路中一对线（如橙色线）对另一对线（如绿色线）的干扰，串扰程度随着信号发送频率的提高而加深，而衰减随频率变化，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）。因此，双绞线线缆线对绞结率各不相同，用以降低线对之间的干扰。然而，在万以太网的高带宽条件下的传输中，各条线缆中相同颜色线对绞结率是完全相同的，这就加大了线外干扰可能（如图所示），即我们所说的“外部串扰”。然而，外部串扰对邻近布线链路影响最大，设想在设备间和办公区，数量不等的线缆通常会被捆扎在一起放在管道或是线槽中，这样，外部串扰在相邻线缆中产生相互影响加大。因此，我们可以总结影响外部串扰的普遍规律：影响随着所传输信号的频率增加而增加；链路间距离越近影响越大；绞结率相同的线对影响更大；绞结率越低影响越大；链路间并行的距离越长的影响越大。
我们都知道，高带宽是实现高速传输的重要保障，双绞线万兆应用需要500MHz带宽。这明显比千兆以太网 100 MHz 带宽的要求高了很多。由于传输信号的频率大幅提高，因此必须为布线测试指标增加一组重要的干扰测定参数，这组新的测试参数被称为外部串扰。
通俗的讲，串扰是指双绞线布线链路中一对线（如橙色线）对另一对线（如绿色线）的干扰，串扰程度随着信号发送频率的提高而加深，而衰减随频率变化，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）。因此，双绞线线缆线对绞结率各不相同，用以降低线对之间的干扰。然而，在万以太网的高带宽条件下的传输中，各条线缆中相同颜色线对绞结率是完全相同的，这就加大了线外干扰可能（如图所示），即我们所说的“外部串扰”。然而，外部串扰对邻近布线链路影响最大，设想在设备间和办公区，数量不等的线缆通常会被捆扎在一起放在管道或是线槽中，这样，外部串扰在相邻线缆中产生相互影响加大。因此，我们可以总结影响外部串扰的普遍规律：影响随着所传输信号的频率增加而增加；链路间距离越近影响越大；绞结率相同的线对影响更大；绞结率越低影响越大；链路间并行的距离越长的影响越大。
图1
根据以规律，我们来看这样的一个外部串扰模型（如图2、图3所示）：
图2
图3
由图2、3可以看出，外部串扰的测量将包括不同线缆中线对之间的外部近端串扰（ANEXT）和外部远端串扰（AFEXT或AACR）。由于必须评估线束中不同线缆线对之间（通常称为受害线对）所造成外部串扰的总体影响，因此测量结果应为线束中线缆外部串扰综合计算值，通过综合外部近端串扰（PSANEXT）及综合外部远端串扰（PSAFEXT或PSACR）两个指进行评估。其中，两条同方向线缆中，较短线缆，对长线缆的外部串扰影响是最为严重的。了解外部串扰影响的规律后，这对我们如何进行测试量以及如何选择测量线缆提供了有效的帮助。
2 双绞线万兆测试标准
说到测试我们不得不先要了解一下目前双绞线万兆应用所涉及的相关标准。主要有两类标准，一种是与应用无关的布线标准（由TIA、ISO制定），另一种是与应用有关的应用标准（由IEEEE制定）。布线标准包括TIA/EIA-TSB155、CAT6A或是ISO CLASS EA、CLASS F等，应用标准则是10GBASE-T、TIA/EIA-TSB155适用于6类布线系统中实现万兆传输的布线标准。但无论选择哪一个标准，都必须先通过在500MHz带宽下的线缆认证测试，然后再进行有关外部串扰测试。也就是说，无论选择布线还是应用标准，都先要对现有或是新安装布线系统进行全面的认证测试，只有测试结果全部通过，方可进行外部串扰的测试（注：两次测试所选标准须一致）。通过笔者对同一测试记录结果采用“再认证”（软件支持）的方法进行比对发现，不同标准的严格程度不同（指“标准极限”）如表1所示。
说到测试我们不得不先要了解一下目前双绞线万兆应用所涉及的相关标准。主要有两类标准，一种是与应用无关的布线标准（由TIA、ISO制定），另一种是与应用有关的应用标准（由IEEEE制定）。布线标准包括TIA/EIA-TSB155、CAT6A或是ISO CLASS EA、CLASS F等，应用标准则是10GBASE-T、TIA/EIA-TSB155适用于6类布线系统中实现万兆传输的布线标准。但无论选择哪一个标准，都必须先通过在500MHz带宽下的线缆认证测试，然后再进行有关外部串扰测试。也就是说，无论选择布线还是应用标准，都先要对现有或是新安装布线系统进行全面的认证测试，只有测试结果全部通过，方可进行外部串扰的测试（注：两次测试所选标准须一致）。通过笔者对同一测试记录结果采用“再认证”（软件支持）的方法进行比对发现，不同标准的严格程度不同（指“标准极限”）如表1所示。
表1
由此可见，建议对新安装布线系统，可根据布线产品认证级别对其按相应布线标准进行认证测试；而对原6类布线系统建议采用TSB-155或是10GBASE-T的标准进行测试，以确保满足目前万兆应用需要。
3 外部串扰的抽样测试
明确了测量标准，接下来我们说说外部串扰测试采样指导准则。在所有被测链路全部通过500MHz带宽的测试后，就需要对其进行外部串扰测试。然而，外部串扰测试是一个较复杂的过程，如果我们有N条被测链路，就需要进行N×（N-1）次测试。这样我们就需要确定一个合理的抽样测试条件，测试有代表性的线缆，从而判定整个综合布线系统万兆应用的好坏。
将“被干扰”链路所在一捆线缆中的所有其他链路都作为干扰源链路，如果链路在同一捆线缆中，将一捆线中的10%作为被干扰源链路。如12根线一捆则选择最长的一条作为被干扰源链路进行测试，24根则选择两根进行测试（24口配线架作为一个测试单元）。
此外，选择首次测试（500MHz带宽）结果中串扰余量较小的链路作为被干扰链路进行外部串扰测试。
根据上述规则，我们举例来看，如图4所示：
明确了测量标准，接下来我们说说外部串扰测试采样指导准则。在所有被测链路全部通过500MHz带宽的测试后，就需要对其进行外部串扰测试。然而，外部串扰测试是一个较复杂的过程，如果我们有N条被测链路，就需要进行N×（N-1）次测试。这样我们就需要确定一个合理的抽样测试条件，测试有代表性的线缆，从而判定整个综合布线系统万兆应用的好坏。
将“被干扰”链路所在一捆线缆中的所有其他链路都作为干扰源链路，如果链路在同一捆线缆中，将一捆线中的10%作为被干扰源链路。如12根线一捆则选择最长的一条作为被干扰源链路进行测试，24根则选择两根进行测试（24口配线架作为一个测试单元）。
此外，选择首次测试（500MHz带宽）结果中串扰余量较小的链路作为被干扰链路进行外部串扰测试。
根据上述规则，我们举例来看，如图4所示：
图4
图4中，红色线缆的附近一般没有邻近的链路，因此不被选入为“被干扰链路”.
图4中，红色线缆的附近一般没有邻近的链路，因此不被选入为“被干扰链路”.
图5
图5中，绿线色线缆周围存在干扰的可能最大，应首选为“被干扰链路”。
图6
图6选择在同一束里的线缆作为“干扰链路”。
由此可见，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。一个线束中的布线链路越少，PSAXtalk（综合外部串扰）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条，一般最好不要超过24条。此外，不要将线束中的电缆捆得太紧；每隔2英尺（60cm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起始端前20m内。除非每条电缆都并行贯穿整个线束，否则，从测试端算起的20m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，链路的跳线和配线架布置方式以及由此产生的机架线缆管理都会对链路之间的外部串扰程度产生严重影响。相距越近，外部串扰程度就越高。
采样建议明显表明，当测试配线架的外部串扰性能时，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，从而更有效的抽样选择被测链路。
大部分外部近端串扰都发生在链路起始端前20m内。除非每条电缆都并行贯穿整个线束，否则，从测试端算起的20m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，链路的跳线和配线架布置方式以及由此产生的机架线缆管理都会对链路之间的外部串扰程度产生严重影响。相距越近，外部串扰程度就越高。
采样建议明显表明，当测试配线架的外部串扰性能时，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，从而更有效的抽样选择被测链路。
4 外部串扰的现场测试
外部串扰测试主要测试两个指标，我们前文也介绍过了，就是综合近端外部串扰（PS-ANEXT）和综合远端外部串扰（PS-AACR又称为综合外部衰减串扰比）。
在仪器方面，我们采用DTX-1800电缆分析仪以满足测试外部串扰参数所需的带宽要求，同时配合外部串扰模块进行同步测试。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。将特殊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特殊的端接插头。图7显示为外部串扰的测试模型，两条线缆链路之间的所有外部近端串扰线对组合共有16种。按图所示的方式配置之后，DTX-1800会在大约30s内用1～500MHz之间的频率测量这16种线对到线对组合的外部近端串扰。
外部串扰测试主要测试两个指标，我们前文也介绍过了，就是综合近端外部串扰（PS-ANEXT）和综合远端外部串扰（PS-AACR又称为综合外部衰减串扰比）。
在仪器方面，我们采用DTX-1800电缆分析仪以满足测试外部串扰参数所需的带宽要求，同时配合外部串扰模块进行同步测试。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。将特殊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特殊的端接插头。图7显示为外部串扰的测试模型，两条线缆链路之间的所有外部近端串扰线对组合共有16种。按图所示的方式配置之后，DTX-1800会在大约30s内用1～500MHz之间的频率测量这16种线对到线对组合的外部近端串扰。
图7
图8显示了用来测量一个线束中两条电缆之间线对到线对外部远端串扰的DTX测试模型。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。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。
图8
此外，测试同时还需要测试仪的主端与PC相连（如图9所示）。
图9
5 测试结果判定
根据不同的测试标准，其判定测试结果也不太相同，让我们举例来说明。
（1）TIA Cat.6A和ISO Class EA要求（布线标准）
◆ 每对线的PS ANEXT和PS AACR-F都必须通过测试；
◆ 4个线对的平均PS ANEXT必须通过标准规定的平均线对值；
◆ 4个线对的平均PS AACR-F必须通过标准规定的平均线对值。
如图10所示：
根据不同的测试标准，其判定测试结果也不太相同，让我们举例来说明。
（1）TIA Cat.6A和ISO Class EA要求（布线标准）
◆ 每对线的PS ANEXT和PS AACR-F都必须通过测试；
◆ 4个线对的平均PS ANEXT必须通过标准规定的平均线对值；
◆ 4个线对的平均PS AACR-F必须通过标准规定的平均线对值。
如图10所示：
图10
（2）10GBase-T
◆ 叠加PS ANEXT和PS AFEXT；
◆ 只需察看10MHz～400MHz的测试结果；
◆ 所有平均余量必须大于0即为通过。
如图11所示：
◆ 叠加PS ANEXT和PS AFEXT；
◆ 只需察看10MHz～400MHz的测试结果；
◆ 所有平均余量必须大于0即为通过。
如图11所示：
图11
由此可见，TIA CAT 6A和ISO CLASS EA中并没采用10GBASE判定方法，因此它们更为严格。
6 结束语
以上我们详细阐述了双绞线万兆现场测试方法，以及所涉及的相关标准和技术内容，便于大家有更进一步的理解。目前以我们安恒网络测试服务中心所测试的现场案例中可以看到，大部用户的双绞线万兆应用主要为网络数据中心等依赖于高速传输的网络。而解决线缆外部串扰对万兆应用的影响，除了需要采用现场抽样测试方法以外，还要在建设阶段选择更高质量的布线产品和安装队伍，在安装过程中应尽量减小捆扎线束中的线缆数量，因为较小线束间的线对外部串扰通常可以忽略，同时意味着所需测试外部串扰影响的链路数量也少，另外捆扎带的间距0.5～0.7m为宜。
总之，实现10Gbps以太网络在双绞线布线系统中的应用是一项要求非常复杂的网络技术。它需要一个非常好的布线系统，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布线测试设备，为其进行抽样检测，确保满足应用需要。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。现场测试外部串扰要求是确保布线系统支持10Gbps以太网的不二法门。
以上我们详细阐述了双绞线万兆现场测试方法，以及所涉及的相关标准和技术内容，便于大家有更进一步的理解。目前以我们安恒网络测试服务中心所测试的现场案例中可以看到，大部用户的双绞线万兆应用主要为网络数据中心等依赖于高速传输的网络。而解决线缆外部串扰对万兆应用的影响，除了需要采用现场抽样测试方法以外，还要在建设阶段选择更高质量的布线产品和安装队伍，在安装过程中应尽量减小捆扎线束中的线缆数量，因为较小线束间的线对外部串扰通常可以忽略，同时意味着所需测试外部串扰影响的链路数量也少，另外捆扎带的间距0.5～0.7m为宜。
总之，实现10Gbps以太网络在双绞线布线系统中的应用是一项要求非常复杂的网络技术。它需要一个非常好的布线系统，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布线测试设备，为其进行抽样检测，确保满足应用需要。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。现场测试外部串扰要求是确保布线系统支持10Gbps以太网的不二法门。