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长距离综合布线时双绞线的应用

作者: 时间:2008-04-23

    本文主要谈谈在综合布线工程中,遇到距离非常长时,在工程实际中是否可以非标准的使用双绞线布线。对于双绞线布线距离的限制主要有以下2个方面:以太网的最短帧长和距离超长造成的线缆传输特性下降。一般来说,计算机网络布线系统采用何种线缆,需要根据实际的需求和线缆的相关使用标准来进行选择。例如:按照以太网(IEEE802.3系列)标准,如果主机与网络设备之间的距离超过100 m,就不应使用双绞线布线。但是在实际的网络设计中,常常会遇到一些特殊情况,如:“没有足够的资金购买光缆等媒介及两端设备”或“临时性机构,没有必要使用昂贵的线缆”,使我们面临难以抉择的境地。
    
  
  1 随距离增加,线缆传输特性的下降对线缆长度的限制
  1.1 信号总体功率下降对线缆长度的限制
  
  正常情况下,五类双绞线的直流阻抗为9Ω/百米,当双绞线长度不超过200 m时,其直流阻抗在18Ω(9Ω/百米×2百米)以内。而布线要求总阻抗不能大于19Ω。所以200 m以内双绞线的直流阻抗引起的信号总体功率下降,一般不会影响接收设备对信号的获得,所以在此距离采用五类双绞线布线可以不必考虑直流阻抗的影响。
  
  1.2 线缆频率特性下降对线缆长度的限制

  任何持续的数据信号,都可以被分解为正弦和余弦函数的n次谐波。
  
  在计算机局域网中,使用双绞线进行基带传输[1](即数字信号不经过任何调制,而是只经过简单的频谱变换或码形变换后就直接送往传输信道)。这样就可以将双绞线上的传输信号作为方波进行分解,变换为谐波后再进一步研究。
  
  当方波信号通过一个低通信道时,可以等幅衰减通过的谐波数量越多,则接收设备正确识别原始方波信号的可能性就越大,反之信号将难以识别。
  
  双绞线的频率特性正是一个低通信道,可 以等幅衰减的通过从A点(低频)到C点频率的谐波。当线缆距离过长时,会造成AC之间的距离变窄及等幅衰减通过谐波数量下降。

    2 以太网中最短帧长对线缆长度的限制
  以太网络的工作方式可以简单的使用“载波侦听/冲突检测(CSMA/CD)”来描述。其中的“冲突检测”表示:当某计算机(如:主机A)以广播的形式发送某帧时,在发送的过程中一直检测信道,通过比较发出信号是否与检测到的信号一致,决定发出的帧是否和其他计算机(如:主机B)发出的帧产生了冲突,如果A主机在发送某帧的过程中没有检测到冲突,就认为这一帧发送成功。
  
  但是,如果帧与链路的冲突域相比太短,就会发生“冲突检测”失败的情况。   

  所以每帧必须至少可以持续发送2τ时间(即经过2τ时间后此帧还没有发送完),这样才能保证“冲突检测”机制的成功。
  
  τ的大小由网络协议标准定义,当τ确定后,则最短帧长也被确定,反过来一个冲突域的最大范围便被确定(在10 Mb/s以太网中,2τ被定义为51.2μs,最短帧长为64 B,一个冲突域最多由4个中继器组成),进而一个冲突域中的线缆最大长度也会有一个限制。
  
  分析原因:早期的同轴电缆只有一个总线式信道,并且网络设备大多为物理层的设备(如:中继器,HUB),他无法摆脱以太网的多主机共享链路方式(CSMA/CD)的本质所造成的限制。
  
  但实际上,一条双绞线内有8根线缆可供使用,并且数据链路层的设备(如:交换机)的价格大大下降。现在可以彻底地摆脱这种限制。解决的方法是:使用交换机将每一段线缆划分成不同的冲突域,并将网络接口设备的工作模式设置为全双工。这样每个主机在收和发的方向都有了一个专用的信道,不再需要CSMA/CD,也就没有了冲突域对线缆长度的限制。所以以太网的最短帧长对线缆长度的限制是可以被解决的。
  
  实际上在万兆以太网协议(IEEE802.3ae)中,就没有定义CSMA/CD的工作模式,其中重要的一个原因就是为了取消冲突域对网络线缆长度的限制。
  
  下面按照4种不同假设情况进行推导并得出结论。
  
  假设1:
  
  ①长度为100 m的五类非屏蔽双绞线;
  
  ②双绞线上传输速度为100 Mb/s的信号;
  
  ③双绞线的等幅衰减的带宽为BHz:B=C-A。
  
  推导1:
  
  由于在传输速度为100 Mb/s的以太网中,采用的编码方式是4B/5B(即为解决传输中的同步问题,实际使用5 b的码组来编码4 b的实际输入数据[3]),则通信线路上实际传输的方波信号每秒状态的变化次数为125M,即125M b/s。
  
  如果每秒信号变化125M次,则状态变化8次需要的时间为:8/125M s。
  
  根据傅里叶级数公式,一次谐波的周期T为:8/125M s;一次谐波的频率f为:125M/8 Hz。
  
  方波信号(每秒状态变化次数为125M次)通过长度为100 m五类双绞线后,可以等幅衰减通过的谐波数量N1(个)为:
  

  结论1:
  
  因为假设1符合五类双绞线的布线标准,所以当等幅衰减通过的谐波数量为N1时,接收方设备可以识别。
  
  假设2:
  
  ①长度为大于100 m的五类非屏蔽双绞线;
  
  ②双绞线上传输速度为100 Mb/s的信号;
  
  ③双绞线的等幅衰减带宽变窄为B/2 Hz。
  
  推导2:
  
  可以等幅衰减通过的谐波数量N2(个)为:
  

  随着双绞线长度的增加,其等幅衰减频宽B变窄后,可以通过的等幅衰减谐波数量也将减少,如图2所示,当N2小于4时输出信号将难以被接收设备识别。
  
  然而在假设2下,很难保证等幅衰减通过足够的数量的谐波。
  
  根据公式N=B/f,当B减少时,只有降低f(即降低双绞线上信号的传输速度),才能保证N不变。
  
  假设3:
  
  ①长度大于100 m的五类非屏蔽双绞线;
  
  ②双绞线上传输速度降为10 Mb/s的信号;
  
  ③双绞线的等幅衰减的带宽变窄为B/2 Hz。

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