深度好文：超六类屏蔽与非屏蔽布线系统分析

2018-08-24 21:30

1前言

随着网络传输速率的不断提高，网络的应用面越来越广，它对传输带宽的需求与能力也越来越高。作为数据传输的基础设施——综合布线系统面临挑战。尤其是对作为万兆应用的铜缆传输系统提出了更高的要求。

当用户有铜缆系统万兆应用需求的时候，对于ClassEA /Cat.6A（超六类）系统在屏蔽与非屏蔽的选择上，往往举棋不定。在系统性能、造价、实施、验收、维护等方面总会存在一些疑问。本文就将针对ClassEA /Cat.6A（超六类）铜缆布线系统的几个方面做详细分析，以方便用户根据自身的需求做出合适的选择。

注：ISO/IEC 称ClassEA，TIA称Category 6A简写Cat.6A。国内也称超六类。下文统称为超六类或超六类系统。

2为什么要选择超六类系统

首先，当用户有铜缆接口需要满足至少万兆（10Gbps）传输速率需求的时候，须选择超六类以上系统。

其次，从国际标准角度，ISO/IEC 和TIA对于数据中心及新安装的项目应或建议采用超六类系统：

- 应采用ClassEA布线系统：ISO/IEC 11801-5数据中心，草案；ISO/IEC11801-6分布式楼宇服务，草案。

- 建议用于支持10GBASE-T和新安装项目采用ClassEA布线系统：ISO/IEC11801-1通用，草案；ISO/IEC11801-2办公环境，草案。

- 应采用Cat.6A布线系统：TIA-1179-A医疗卫生，草案。

- 推荐Cat.6A布线系统：TIA-942-B数据中心，草案；TIA-568.1-D商业楼宇；TSB-162-A无线局域网。

- 建议新安装项目采用Cat.6A布线系统：TIA-4966教育机构；TIA-862-B智能化楼宇。

再次，国内标准GB50174-2017中规定：对于承担数据业务的水平子系统应采用6A类及以上对绞电缆（含6A类接插件）。

3超六类系统应用分析

ISO/IEC和TIA两个标准，对于超六类系统的规定一致：物理带宽500MHz，传输速率10Gbps（通常称为万兆到桌面），永久链路长度90米，信道长度为100米。（见下图第2行）

从上图也可以清晰的看出，之前国内市场主流的六类系统（见上图第1行），物理带宽只有250MHz，传输速率只有1Gbps（通常称为千兆到桌面），在标准规定的永久链路和信道长度内，不能满足10Gbps （万兆到桌面）的应用。

而七类系统（见上图第3行），超七类系统（见上图第4行）也支持10Gbps 的应用，但由于线缆、接插件等造价相对较高，同时受限于其接插件为非RJ45接口，所以没有太多的有源设备与之配套使用，应用也不多；八类系统（见上图第5/6行），虽然物理带宽和传输速率都有很大幅度提升，接插件沿用RJ45端口，但由于40Gbps的电口交换机还没广泛使用，同时受40Gbps的传输距离只有30m限制，如果八类系统只用于10Gbps，其性价比不高。

另外，第三方机构调研报告显示，超六类系统在铜缆布线系统中的比例正在逐年上升，将逐渐取代之前的六类布线系统的份额。以国内2017年市场调研为例，超六类在数据中心、医疗、政府行业的应用达到5500万美元市场份额占整个铜缆市场份额的15%。其中41%采用了屏蔽超六类系统，59%的用户采用了超六类非屏蔽系统（数据来源BSRIA）。从前文提到的国际、国内标准相关规定也可以看出，未来超六类系统将成为铜缆布线系统的主流。

4超六类系统选择屏蔽还是非屏蔽？

4.1

屏蔽双绞线结构分析

在国家标准（GB 50311-2016）条文说明中规定了屏蔽电缆类型的表示方法，同样也符合ISO/IEC 11801-2002 中的要求，具体如下：

其中，金属箔一般为铝箔。金属编织网一般为镀锡铜编织网。

在命名规则中，用不同的字母（U、F、S）去区分各种屏蔽类型。例如：U 为非屏蔽、F 为铝箔屏蔽、S 为丝网屏蔽，并使用“/”区分是采用4 对芯线外进行屏蔽，还是在每对芯线上进行屏蔽。

对于屏蔽超六类双绞线结构，可以参考下表。

屏蔽超六类双绞线结构

F/FTP结构

U/FTP结构

S/FTP结构

4.2

超六类非屏蔽双绞线结构分析

对于超六类非屏蔽双绞线结构，为减少线对之间干扰和线间串扰通常设计为线对或线芯隔离，外护套内侧设计为“锯齿”结构，或增加填充物，或加大外护套厚度，或设计为非连续性屏蔽层等结构，从而提高线缆本身数据传输的电气性能和抗干扰能力。因此非屏蔽超六类双绞线的外径一般情况下都比较粗，有些达到8.5mm以上（个别厂家可以控制在7mm以上）。

几种非屏蔽超六类双绞线结构

非屏蔽对绞电缆采用的制造工艺已可实现平衡传输，但不足以抑制外界干扰。对绞电缆的线对传输带宽超过30MHZ 时，非屏蔽对绞电缆易受到外部电磁干扰的影响和产生信息的泄露。

4.3

超六类屏蔽和非屏蔽双绞线生产技术分析

对于双绞线而言（俗称网线）超六类也是屏蔽和非屏蔽的分水岭，以目前的双绞线生产技术，非屏蔽最高只可以做到超六类系统，超六类以上系统必须采用屏蔽结构才可以实现。

在欧洲市场，绝大多数用户会选择超六类屏蔽系统。欧洲认为屏蔽系统无论从系统的性能指标、抗电磁干扰、保密等各方面都优于非屏蔽系统。这也是为什么很多欧洲的企业（比如制造业）在国内有项目需求时，布线系统都要求屏蔽的原因。

在国内市场，长期以来非屏蔽系统占据主流。除非有特殊要求才会选择屏蔽系统。原因在于，大部分国内客户都有一个普遍的印象：屏蔽系统造价高、施工/维护不方便，非屏蔽系统造价低，施工/维护简单。

其实不然，我们来简单分析一下。

从制造、生产的角度，就屏蔽双绞线而言，产线要增加屏蔽层包裹的生产工序（线对铝箔屏蔽、铝箔总屏蔽、丝网总屏蔽），因此生产成本略高。但如果采用线对铝箔屏蔽结构为基础的生产技术，没有必要非常精确的控制对绞线缆的线对绞距，从而可以节省铜原材料，进而降低了双绞线的总体生产成本。

线对屏蔽绞距（左）； 非屏蔽绞距（右）

注意：非屏蔽超六类跳线，如果单体要符合标准要求，RJ45水晶头是非屏蔽，但跳线本身必须是屏蔽结构。若是纯非屏蔽超六类跳线，在保证跳线线径不能太粗的情况下，只有3米以下才有可能通过单体测试。3米以上跳线本身（除水晶头外）必须是屏蔽结构才可以。

国产的一些厂商号称也可以制造和生产S/FTP结构的屏蔽双绞线，但根据笔者的调研、对比发现，国产的生产工艺仍有待提高。

镀锡铜丝网对比

国产编织网有断点，进口没有

屏蔽系统还具有更好的EMC（电磁兼容性）性能，非屏蔽没有。尤其在超六类高频传输系统中，电磁辐射和电磁干扰更加受到客户的重视。特别在数据中心项目中，最大的电磁辐射和电磁干扰源是数量众多的交换机、服务器、UPS等有源设备，这些用电巨大的设备在运行过程中，将会产生非常高的电磁辐射和电磁干扰，就双绞线而言，对数据传输有较大影响。

超六类U/UTP和F/FTP对比

4.4

超六类屏蔽和非屏蔽系统应用场景分析

对于屏蔽系统而言，可应用绝于大部分场景。非屏蔽系统则有一定的局限性。

从技术应用角度分析，最主要的因素就是非屏蔽系统电磁兼容性较差。

外界电磁场的强度分布是不均匀的，在综合布线系统规划时，需要根据现场的实际情况及今后可能出现的电磁环境进行分析，确定所用综合布线系统的电磁防护等级。

在欧洲标准EN 50173.1-2007 中，电磁兼容性为4 类恶劣环境中的一种，其等级可分为3级：E1（商业环境）、E2（半工业环境）和E3（工业环境）。上述等级在其它标准中也有类似的划分。

电磁环境分类表

E2和E3场合应采用屏蔽布线系统。E1场景则无所谓屏蔽还是非屏蔽系统。

4.4.1 射频电磁场的抗扰性实验

IEC 61000-4-3 辐射、射频和电磁场的抗扰性实验中具体描述了辐射、无线射频、电磁场对线缆影响的测试，实验频率范围80MHz至 2GHz，以模拟可能的干扰来源，如移动无线电装置，基站或电视的发射塔，对讲机，工业射频等。按照ISO/IEC 11801-2017 E1~E3的辐射干扰采样水平的射频发射强度进行实验对照。发射天线的位置距被测设备3米处，在测试过程中，天线依次对准装置的四个方向。

实验结论：

测试对每个系统分别进行了1Gbps， 1Gbps和10Gbps 交替操作和10Gbps的操作模式。

· S/FTP系统在所有状态下都满足E3的要求。

· F/UTP系统在1 Gbps状态下满足E3的要求，在10Gbps状态下满足E1/E2的要求。

· U/UTP系统在1 Gbps状态下满足E1/E2的要求。

实际试验：对讲机，移动电话，GSM卡。2m-0.7m波段的对讲机、移动电话、GSM卡。

在距离线缆3m处使用。

对讲机，移动电话，GSM卡

实验结论：

1Gbit/s传输速率时，非屏蔽和屏蔽信道在E1/E2环境中正常传输数据。10 V/m ≥ Radiated RF ≥3 V/m时，非屏蔽信道不可用，屏蔽信道正常传输数据。

使用10Gbit/s传输速率，近距离使用对讲机以及移动电话（GSM信号）时，非屏蔽信道不可用。 屏蔽信道正常传输距离。屏蔽信道辐射射频干扰能力远优于非屏蔽信道。

4.4.2 瞬发脉冲抗扰性实验

按照EN 61000-4-4进行瞬发脉冲抗扰性实验，这种干扰通常由瞬发开关引起的，如关掉负荷，继电器的接触，荧光灯电路等的开关等。

使用电容耦合钳产生260V到4KV的突发脉冲，每个脉冲的大小为5/50ns。

实验结论：

使用1Gbit/s传输速率时，非屏蔽和屏蔽通道在E1环境中正常传输数据。2 KV ≥ 瞬变电压 ≥ 500 V，非屏蔽通道不可用，屏蔽通道正常传输数据。使用10Gbit/s传输速率，非屏蔽通道在E1环境中传输数据受到严重干扰， 屏蔽通道正常传输距离。2 KV ≥ 瞬变电压 ≥ 500 V屏蔽通道正常传输数据。从测试数据上看屏蔽通道瞬变脉冲抗扰能力远优于非屏蔽通道。

实际实验：荧光灯

实验结论：

荧光灯放在布线系统的0.5米处，是否会对10Gbps数据传输产生影响，开关产生的脉冲影响非屏蔽传输系统，在某些情况下会造成传输的完全崩溃。

如果电源线紧靠数据传输电缆放置，每次开关产生的脉冲都会对系统产生影响，即使荧光灯放在更远的距离也会如此。

实际实验：低电压网状电缆桥架

另外在低电压测试中，通过低电压电缆与数据电缆不同间距的数据采样，测试低电压敏感度。

10GBase-T传输标准下，非屏蔽线缆对低电压更为敏感。屏蔽线缆测试结果优于非屏蔽线缆。

1、数据电缆和电源线缆放置在网状电缆桥架上，电源和数据相距0-50cm的距离，电缆在30m的距离内走一个U形，由电源线产生的突发脉冲来进行干扰。

实验结论：

屏蔽系统在所有距离下都满足MICE E3的要求。

非屏蔽系统在距离大于等于30cm的情况下满足MICE E1的要求。

2、数据电缆和电源线缆放置在地面上，间隔一定的距离。

实验结论：

屏蔽系统在所有距离下都满足E3的要求。

F/UTP在距离=0cm的情况下满足 E2的要求。

因此对于非屏蔽系统来说，电源线和数据线必须保持一定的间距，对屏蔽系统来说就没有这个限制了。

4.4.3 耦合衰减要求

IEC 62153-4-5标准中列出了EMC关于耦合衰减的测试模型，测试结果需满足ISO/IEC 11801-2017耦合衰减的最低要求。

根据实际测试效果，屏蔽系统耦合衰减测试数据结果优于非屏蔽系统。对比测试数据，不难发现非屏蔽耦合衰减测试数据仅适合ISO/IEC 11801限定的E1环境，屏蔽系统耦合衰减测试数据适合ISO/IEC 11801规定的E1~E3环境。

4.4.4 电磁环境等级与布线间距要求

（GB50311-2016）

4.5

超六类屏蔽和非屏蔽系统设计

以下主要是针对数据机房在设计阶段时，屏蔽和非屏蔽系统设计的区别。

第一，当采用非屏蔽系统时，必须首先考虑机房无线电骚扰和工频磁场是否满足采用非屏蔽系统的最低要求。根据GB50174-2017数据中心设计规范要求，主机房和辅助区内的无线电骚扰环境场强在80MHz～1000MHz和1400MHz～2000MHz频段范围内不应大于130 dB（μv/m）；工频磁场场强不应大于30A/m，超过这个要求，必须采用屏蔽系统。

第二，在机房建设时，是否有明确的保密要求。如国防、公检法、金融、科研等机构会有较高的保密要求，这时就不适合使用非屏蔽的布线系统。

第三，机房铜缆布线系统与其它系统管线或设备的间距是否满足采用非屏蔽布线的规范要求。 这涉及到必须提前规划好强弱电的路由走向。

第四，前面已经提到，在使用超六类非屏蔽系统时，线缆直径更大，重量更重，设计时需要采用更大直径的管道和承重能力更强的悬挂设备来敷设。所以采用非屏蔽系统时，对机房的建筑结构相比屏蔽系统存在更多的制约因素。

对于数据中心内有集束双绞线或集束预端接铜缆需求的客户，目前德特威勒的集束双绞线，全部采用S/FTP Cat.7屏蔽结构，我们不推荐采用非屏蔽集束结构。就是因为线间串扰的问题会大大影响高频数据的通讯（后面工程验收和测试会专门针对ANEXT讲解）。

集束双绞线

集束跳线

（一台机柜一侧最多可安装15束*8=120根跳线）

当机房布线决定采用屏蔽系统时，在布线设计上考虑的问题要比非屏蔽系统简化得多。

首先考虑的同样是机房布线系统与其它系统管线或设备的间距是否满足屏蔽布线规范要求。但从下表中我们可以看到，屏蔽的布线系统的最小间距的要求要远远低于非屏蔽系统的最小间距要求。所以在规划强弱电的路由走向时，会有更大的规划空间。

其次，屏蔽布线系统必须有良好的接地才能发挥其最大的性能特点，因此机房接地系统是否满足规范要求，也是屏蔽布线系统必须考虑的问题。在GB50174-2017数据中心设计规范中，对机房的接地防雷要求有非常明确的要求，而且接地防雷是作为一项单独系统来设计和验收，因此在设计使用屏蔽布线系统时，并不需要过多担心机房的接地状况。

4.6

超六类屏蔽和非屏蔽系统施工

在施工阶段，使用超六类屏蔽和非屏蔽线缆，所面对的问题或施工工艺是有明显区别的。

在施工阶段，最大的工程量分别是铜缆的布放和铜缆模块的端接。

无论是屏蔽还是非屏蔽，线缆布放的难度和时间差别不大。最大区别是为了降低外部串扰的状况，非屏蔽线缆的捆扎密度更小，线缆间的布放间距更宽松，同时重量较重的情况下，布放时更为费力。而屏蔽线缆因为铝箔层的原因，多根线缆弯曲时会更加硬。

而在模块的端接方面，屏蔽和非屏蔽两者的差异却十分明显。

非屏蔽超六类模块，端接的步骤比较简单，与超五类和六类非屏蔽模块的端接一样，一般的弱电施工人员只需依照产品的安装图就可以完成端接。也不需要查看模块和配线架的连接和配线架与机柜的连接是否良好接地，进一步简化施工。

当选择超六类屏蔽系统时，屏蔽模块的端接会比非屏蔽模块更为复杂和繁琐。首先必须要处理线缆的屏蔽层，同时要保证模块和线缆屏蔽层有良好的接触，以保证整个链路都是完整的接地状态。一个屏蔽模块的端接时间要比非屏蔽模块多增加1~2分钟的时间。

而且安装完毕后需要逐一对模块和配线架的连接和配线架与机柜的接地情况进行确认。建议配线架接地端子至机柜接地铜排之间采用黄绿接地线，接地线的横截面积不小于8平方毫米，长度不超过15厘米。因为端接要求偏高，所以我们建议施工人员在接受厂家专业的现场安装培训后才能进行模块的端接。

屏蔽系统接地

未完待续......

（本文作者：常大钊 林锦杰 李光德特威勒（苏州）电缆系统有限公司）