混合光缆(混合光缆应用的演变)

Posted 2023-06-01

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混合光缆(混合光缆应用的演变)

PON 是一种无源光网络，它使用称为光线路终端 (OLT) 的核心交换机和分光器将数据从单个传输点传送到多个终端设备，称为光网络单元 (ONU)。

光纤的低衰减和出色的带宽使其成为典型网络骨干网段的理想选择。

光纤最初部署在园区骨干网中，但由于数据速率的提高，现已成为构建骨干网布线的主要媒体选择。而且，随着连接设备的带宽需求增加，光纤也被部署在专用网络的水平部分。一种使光纤能够深入网络的解决方案是混合光纤电缆。

从电话到现代网络

当我们审视混合电缆在当今企业环境中所扮演的角色时，我们需要回顾连接设备的历史以及铜缆的历史优势。等等，你可能会说。这是一篇关于光纤布线使用的文章。但是当我们查看连接设备的数据和供电时，铜仍然是相关的。

自 19 世纪发明电话的“网络”开始以来，挑战一直是平衡电力输送、带宽和距离。不同地点的电话通过设备之间的专用电线对连接。如果用户想要与另一个位置通信，则安装了单独的电话以连接到该位置。网络的下一个演变是引入了中央交换机，它允许手动更改特定电话的路由以连接到不同的远端电话。

有趣的是，最初的电话是由设备中的电池供电的。随着电话越来越广泛地被大众使用，这些电池很快就成为了一个令人头疼的维护问题。因此，在 1930 年代，电话交换机开始通过布线为设备远程供电。

在 1980 年代后期，第一个结构化布线出现了 StarLAN-1 (IEEE 802.3e) 定义了今天仍在使用的分层星形拓扑，以及基于 3 类电缆 (TIA-568-B) 的 10Base-T (IEEE 802.3i)。这些原始网络协议仅解决数据连接问题，因为连接的计算设备是独立供电的。

关于语音通信，电源和信号的分离出现在 1991 年，当时第一个 IP 语音 (VoIP) 网络作为桌面到桌面应用被引入。在早期的 VoIP 网络中，如果本地电源中断，VoIP 应用就会停止运行。

远程供电的 VoIP 电话于 1999 年推出，使用专有的数据电缆供电。这是标准化以太网供电 (PoE) 传输的前身。2003 年，IEEE 802.3af 发布，为受电设备 (PD) 提供 12.95 瓦的功率。 IEEE 802.3 的最新更新涵盖了 PD 处的 71 瓦 PoE。

虽然交换机、服务器和工作站目前没有通过网络电缆供电，但许多其他设备正在利用 PoE 功能。当今的网络包括 PoE PD，例如摄像机、无线接入点 (WAP) 和电话。此外，还有新的操作技术 (OT) 设备，包括访问控制、温度和运动传感器，以及用于楼宇自动化系统的监控系统。

铜缆布线的最佳应用

随着更新的 IT 和 OT 设备加入网络，电源可用性成为主要考虑因素。铜擅长为这些设备提供电力和数据。此外，当今的企业网络设计有多层分配器 (FD)，因此所有连接的设备都位于 TIA-568 标准中定义的 100 米通道限制范围内。换句话说，铜缆在网络的水平段中提供了带宽、功率和距离的非常好的平衡。

当带宽要求超过 10 Gbits/sec 时，铜线就变得不那么理想了。符合最新 802.11 标准的 WAP 仅需要高达 10 Gbits/sec 的连接速度。然而，这可能成为下一代标准的问题。目前，大多数连接的设备都充分覆盖了铜线带宽功能。但是，WAP 在不久的将来可能需要光纤连接。

使用铜线的另一个好处是连接的可用性和简单性。终端设备通常具有 RJ-45 端口，这些端口非常常见，而且通常比光纤接口便宜。将连接器或插头连接到电缆上比端接光纤连接器简单。

虽然铜缆通常更容易端接，但光纤端接技术已经取得了很多进步。例如，熔接可提供低损耗的高质量连接。此外，熔接机比以往任何时候都更实惠。熔接连接器等新产品正变得越来越普遍，为熔接接头提供更好的保护，因为它包含在连接器的主体中。

光纤电缆适合网络的什么位置？

光纤通常用于网络的园区和建筑骨干网段。园区骨干网是园区分发器 (CD) 连接到校园内各个建筑物分发器 (BD) 的部分。建筑物主干将 BD 连接到建筑物内的 FD。这些距离通常比网络的水平段长。

一般而言，骨干网是网络中汇聚流量以进行上行和下行通信的部分。因此，该细分市场的带宽需求有所增加。

您应该部署什么类型的光纤？

您应该在网络中使用多模还是单模光纤？简单的答案是尽可能使用多模光纤，必要时使用单模光纤。

让我们来探讨一下这句话背后的想法。从成本角度来看，为了提高数据速率，与单模收发器相比，多模收发器仍然具有成本优势。多模光纤在连接成本及其对灰尘和碎屑的耐受性方面也可能具有优势。

在建筑骨干网中，考虑距离要求很重要。对于长达 300 米的长度，多模光纤可支持高达 100 Gbits/sec 的速度。这种在相对长距离上支持非常高的数据速率的能力延长了多模光纤的寿命，因为它仍然可以满足许多主干建设要求。园区骨干网通常会带来更多的距离挑战。如果长度超过 300 米，则可能需要选择单模以达到超过 1 Gbit/sec 的速度。

最终，媒体选择取决于建筑物的大小。一栋或两层楼的小型建筑物可能能够在建筑物主干中容纳铜。非常大的建筑物或园区环境可能需要多模或单模光纤。

光纤提供的不仅仅是距离和数据速率

从铜缆过渡到光纤的另一个优势是更低的维护成本。光纤电缆非常坚固，可防止物理应力，如拉伸、压缩和挤压；和环境压力，例如加热、冷冻或湿气侵入。光纤也得到了改进，以适应更紧的弯曲，而不会造成明显的信号损失。因此，即使电缆护套被破坏并且一些水分进入电缆内部，光纤的性能也不应受到影响。

光纤还不受电磁干扰 (EMI) 的影响。网络运营商不必担心靠近其他 EMI 源，例如电力传输、点火系统、蜂窝网络或环境问题，例如闪电或太阳耀斑。

光缆可以更有效地利用路径中的可用空间，占用的空间比铜缆少得多。

最后，光缆比铜缆具有显着的安全优势。在不被检测到的情况下窃听光缆中的信号更加困难。

从骨干移动到水平

如果光缆提供更低的维护成本、更高的可靠性、更好的 EMI 抗扰度和更高的安全性，为什么铜缆仍然在水平线上占据主导地位？

到目前为止，使光纤更接近建筑物内用户的努力未能实现。

1996 年，TIA-TSB-72 引入了一个称为集中光纤布线的概念。这种方法消除了网络中的水平段，将所有设备集中在主机房。光纤将直接运行到所有设备位置。请记住，1996 年的网络由电话和工作站组成，电话在单独的 POTS 网络上运行。因此，工作站连接意味着运行有限数量的光纤到设备位置。这种设计成本并不高，但它的可扩展性不是很强，因为这意味着需要将额外的电缆连接回主机房以支持新设备。

2003 年，提出的下一个将光纤深入网络的架构是光纤到机箱 (FTTE)。这与集中式光纤布线的不同之处在于，电信机房将被电信机柜取代，该机柜将位于更靠近终端设备的位置。 FTTE 与传统网络类似，只是将骨干网向水平过渡移到更靠近最终用户的位置。就初始安装成本而言，FTTE 成本中性或相对于铜略有溢价。从总拥有成本来看，光纤提供了面向未来的能力，因为它的带宽比铜线高得多。因此，随着网络速度的提高，它们可以更容易地适应 FTTE 类型的部署。然而，FTTE 架构的实施并没有起飞。

将光纤深入网络的最新架构采用了服务提供商使用的模型，使光纤更接近用户：无源光网络 (PON)。 PON 创建了一个基础设施，可将信号传送到数千个位置，同时最大限度地减少部署的光纤数量。

国际电信联盟 (ITU) PON 标准于 2003 年制定，以支持光纤到户 (FTTH) 部署。最初的千兆位无源光网络 (GPON) 标准 ITU G.984 是一种非对称协议，可实现 2.5 Gbps 下载速度和 1.25 Gbps 上传速度。这种不对称的下载速度比上传速度快，当订阅者主要下载内容时效果很好。但是企业网络也需要能够快速上传大文件。在企业环境中，许多网络具有未本地存储在工作站上的重要内容。这使得对称性更加重要。 2004 年，IEEE 制定了 802.3ah 标准，该标准解决了 1.25 Gbps 的对称网络速度。

ITU 和 IEEE PON 标准之间的差异对最终用户来说相对较小。 ITU 标准使用不同的封装方法来传输以太网数据包。这也允许传输不同类型的数据包，例如语音和视频。 IEEE 是一种原生以太网格式。使用 IEEE PON 时，语音和视频必须转换为或封装在以太网信号中。

IEEE 和 ITU 继续为更高的网络速度制定标准。 2018 年，IEEE 发布了 802.3ca，它解决了对称的 25 Gbps 能力。当前的 ITU 标准 G.9807.1：XGS-PON 于 2016 年发布，提供对称的 10 Gbps 通信。

PON 在建筑设计中提供的优势之一是能够消除各个楼层的 TR。建筑物中的空间非常宝贵，建筑师将从消除这些空间中受益，因为它们需要电源调节、备用电源和空调。考虑到所有这些，TR 的初始建造成本约为 25,000 美元。这是部署 PON 时很容易实现的明显成本降低。

然而，PON 中存在的一项挑战是电源可用性。在大多数 PON 部署中，位于用户工作区的 ONU/ONT 由本地供电。因此，当本地电源中断时，除非使用电池作为后备电源，否则用户将失去电话服务。

实施光纤深度架构的障碍

到目前为止，本文已经讨论了光纤深层架构的优势，例如更高的带宽、更好的抗扰度、更好的安全性以及比铜缆更坚固的机械结构。

那么为什么光纤还没有占领世界呢？有一些实际和经济原因需要考虑。例如，光纤接口通常只能在更高带宽的设备上找到，例如交换机和服务器。但这并不代表已部署的大多数设备，它们仍然具有铜接口。

更微妙的障碍之一是“抵制变革”。铜和分层星形拓扑是熟悉的。改变是困难的。一般而言，网络设计人员对骨干中的光纤感到满意，但在考虑更改水平设计或完全消除水平段时，他们更加保守。

也许光纤的最大实施障碍是需要电力的新信息技术 (IT) 和运营技术 (OT) 设备的激增。建筑经理不想为这些设备维护单独的电源和数据网格。虽然这些设备中有许多可以由电池供电，但这并不是一个理想的解决方案。尽管有些电池可以使用很长时间，但当建筑物部署了数千台 IT 和 OT 设备时，保持这些电池工作的维护计划将是一场噩梦。因此，以太网供电 (PoE) 是保持铜线水平的主要因素之一。

混合电缆是解决方案吗？

在混合电缆中，光纤传输数据，而铜线则适合低压电力传输。光纤可以是单模或多模，具体取决于应用。这些混合电缆中的导体尺寸范围从 20 AWG 到 12 AWG。

通过铜导体提供直流电源，消除了典型的 AC-DC 转换效率低下的问题。此外，如果直流电源仅限于 NEC 2 类电源，这些电缆可以与数据电缆共享相同的路径，从而在某些情况下无需导管。此外，不需要有执照的电工来安装 2 类电路。

使用由交流电源供电的模块化、可扩展 SPS 大容量整流器架，从主设备室向这些混合电缆提供 2 类电源。 Power Express 配电架提供多达 32 个通道来为混合电缆供电，每个输出电路都单独控制以确保在 NEC 2 类限制内运行。在机房中加入电源单元，简化了对终端设备的后备电源。

在混合电缆应用中，光纤承载数据，而铜线承载低压直流电源。电源被引入机房中的混合电缆。

在设备连接方面，电缆可以端接到表面安装盒或直接到终端设备。某些设备可以接受 48 伏电源连接以及通过 SFP 收发器的光纤连接。或者，PoE 电路可用于通过媒体转换器或 PoE 扩展器连接到更传统的设备。

PoE 扩展器的示例如图所示。该设备的防护等级为 IP-68，专为在外部工厂环境中使用而设计。它具有强大的电源调节和电气保护功能，可解决在户外运行电源时的固有问题。 PoE 扩展器还包括一个 DC-DC 电压转换器，以促进扩展范围的支持。

在室外设备具有 SFP 输入的情况下，功率扩展器可用于满足扩展范围的功率要求，而光纤则用于设备连接。

扩展范围是由设备电源要求驱动的。例如，需要 802.3af 功率（PSE 时为 15W）的设备可能具有 3000 米的通道长度。使用 802.3at 功率（PSE 时为 30W），设备覆盖范围超过 1500 米。而且，对于 802.3bt，Type 3 功率（PSE 为 60W），距离可以超过 800 米。对于不需要电压调节的室内部署，802.3bt Type 3 供电设备的覆盖范围可能超过 450 米。

混合电缆在行动

以下是混合电缆如何高效、经济地支持不同应用的几个示例。

示例 1：一个大学项目涉及在公共室外区域部署 2000 个 WAP 和安全摄像头。混合电缆和 PoE 扩展器解决方案能够从最少数量的电信机房支持这些设备。通过为机房的电源提供备用电源，这些单个设备无需本地备用电源。在此示例中，使用的直流电源具有远程管理功能。因此，网络运营商可以重新启动单个输出以潜在地纠正网络连接问题，而无需派遣技术人员。

示例 2：一个机场项目涉及在机场航站楼屋顶部署 32 个安全摄像头，以确保停机坪的安全。由于该系统的主要用户不是机场，因此需要将网络与机场资产分离。最初的设计涉及屋顶上的多个空调外壳。取而代之的是，使用延长的混合电缆，所有摄像机都连接到机场内数量有限的 IDF 位置。同样，混合光缆解决方案提供的延长距离使这成为可能。

示例 3：一个新的棒球场需要在场地外部部署 52 个安全摄像头和 WAP。利用混合电缆解决方案的距离能力，体育场能够支持来自五个电信机房的所有这些设备。

示例 4：酒店的 PON 部署涉及部署 Ruckus H-510 接入点/交换机。混合电缆连接到 H-510 光纤backpack，提供数据和电源，缓解了传统的 PON 电源可用性问题。

未来是…铜和光纤

当带宽和距离是驱动因素时，光纤通常被认为是明显的赢家。当终端设备也需要电力时，混合电缆可以经济高效地支持各种应用。

现代网络很可能是 PON 和有源以太网的组合。光纤将发挥越来越大的作用，但铜线，尤其是单对以太网，仍将占有一席之地。

然而，网络也有越来越多的低带宽设备仍然需要电力。虽然 4 对电缆可以支持这些设备，但一种新的铜缆解决方案正在出现。单对以太网 (SPE) 将在很长的距离内传输低带宽数据，可能长达 1000 米。这些 SPE 系统还将通过数据线供电 (PoDL) 供电。这将使设计人员能够最大限度地减少专用于这些 OT 设备的电信空间数量，反映光纤的一些扩展距离功能。

在未来的网络中，混合光缆可用于连接高带宽设备，传统的 4 对和 SPE 铜缆可用于连接低带宽设备。

很明显，新的混合电缆使光纤能够深入网络，为连接需要高带宽、功率和距离的设备提供额外的基础设施选择。