ファイバー vs 銅線: リンク バジェットが信頼性を決定します

どの設置場所にでも足を踏み入れれば、最終的には同じ不満を聞くことになるでしょう。配線距離は 100 m 未満で、ケーブルの速度は適切に評価されており、スイッチ ポートは正しい - にもかかわらず、認証レポートでは不合格が返されるか、負荷がかかると光リンクが数分ごとに切断されます。ベンダーのパンフレットには、これは機能するはずだと書かれていました。では、なぜそうしなかったのでしょうか？

正直な答えは、光ファイバーと銅ケーブルの比較そもそもの質問が間違っています。どちらのメディアも信号を伝送します。特定のイーサネット リンクが実際に 1G、10G、またはそれ以降で動作するかどうかを決定するのは、物理層のバジェットです。-、それは、減衰、クロストーク、リターン ロス、ノイズ マージンの一連の測定可能な dB 値です。-。これらの番号が終了しない場合、ケーブルまたはトランシーバーを選択してもリンクを保存できません。十分なヘッドルームを持って終了した場合、どちらのメディアも完璧に配信できます。

このガイドは、Cat6A と OS2 が何であるかをすでに知っており、ケーブル内で実際に何が起こっているのか、認証レポートやトランシーバー データシートの読み方、および 2 つの「同一の」リンクが現場でまったく異なる動作をする可能性がある理由を理解したいエンジニア、設置業者、ネットワーク インテグレーター向けに書かれています。

銅線とファイバーが物理層で信号を運ぶ仕組み

銅線とファイバーの根本的な違いは、教科書的な枠組みである「電気と光」- ではなく、リンクのサイズ設定には役立ちません。有用な違いは、各メディアがどのように失敗するか周波数、距離、環境ストレスを押し出すと、
 

銅: 周波数ストレス下での平衡差動ペア

イーサネット銅線チャネルは、各信号をツイスト ペアの 2 本の導体間の電圧差として送信します。このねじれは表面的なものではありません - これが、メディアがギガビット速度で動作する理由のすべてです。各ツイストは 2 つの導体を外部ノイズ源に均等に結合するため、コモンモード干渉は受信機でキャンセルされます。-ツイスト率がより厳しく、より安定しているほど、阻止はより良くなります。

支払う代償として、すべてのパラメータが周波数に依存することになります。-イーサネット速度が上昇するにつれて（Cat5e は 100 MHz に、Cat6 は 2 倍の 250 MHz、Cat6A は再び 500 MHz に）、3 つの障害が同時に悪化しました。挿入損失の増加、ペア間での近端漏話（NEXT）の結合がより激しくなり、コネクタでのインピーダンスの不連続により、より多くのエネルギーが送信機に反射されて戻りました。-ケーブル カテゴリの番号付けは本質的に周波数定格です。- 上位のカテゴリは、より高い動作帯域でこれら 3 つの障害を制御できるように設計されています。

ファイバー: 電気的ノイズフロアのない全内部反射

ファイバーストランドは、屈折率がわずかに低いクラッドでガラスコアを囲むことにより、光パルスをガラスコアに閉じ込めます。十分に浅い角度で境界に当たる光は、コア内に反射され - 全内部反射 - され、導波波としてファイバーの長さを伝播します。キャリアは電子流ではなく光子束であるため、ファイバーには電気ノイズ フロアがなく、EMI 感受性がなく、差動信号伝達も必要ありません。

繊維の制限は本質的に異なります。エンタープライズ規模での主要な 2 つは次のとおりです。減衰(主にレイリー散乱と小さな吸収ピークによる、キロメートルあたりの光パワー損失 (dB/km)) および分散(鋭いパルスが伝播する際に時間の経過とともにどれだけ広がるか)。分散には、実際に重要な 2 つの種類があります。1 つはマルチモード ファイバのモード分散で、異なる光線経路が異なる時間に到着します。もう 1 つはシングルモード ファイバの色分散で、光源スペクトル内の異なる波長がわずかに異なる速度で伝播します。-シングルモード ファイバの 9 µm コアは、1 つの伝播モードのみをサポートするのに十分小さいため、モード分散が完全に排除され、これがシングルモードが同じ速度でマルチモードよりもはるかに遠くまで到達できる技術的な理由です - を参照OS1 と OS2 のシングルモード ファイバー-シングルモード ファミリ内の実質的な違いについては、-OM1 ～ OM5 マルチモード ファイバーの距離制限コア サイズと帯域幅の距離の積が実際の到達距離にどのように変換されるかについて説明します。{0}

各ケーブルを実際に制限する障害

マーケティングコピーには、銅は「EMIの影響を受けやすい」、ファイバーは「影響を受けない」と書かれています。それは本当ですが、エンジニアリングにとっては役に立ちません。以下は、実際のテスト レポートに現れる特定の障害と、動作中のリンクと限界リンクを区別する dB 範囲です。

銅線チャネルの障害

• 挿入損失 (IL):信号電力はチャネルに沿って熱と誘電損失として放散されます。ごとにIEEE 802.3イーサネット規格Cat6A のクラス EA チャネル モデル。500 MHz での最悪のチャネル挿入損失は、100 m チャネルで 49 dB 近くに制限されます。-それを超えると、受信機の SNR が崩壊します。 IL 障害の最も一般的な理由は長すぎることです。終端不良は僅差で2位です。
• ニアエンド クロストーク（NEXT）と PSNEXT:{0}}ケーブルの同じ端で隣接するペアに結合する送信ペアからのエネルギー。 NEXT は、終端品質を示す唯一の最も敏感な指標です。- ジャックのペアの 13 mm 以上のねじれを解くと、目に見えて品質が低下します。 Power Sum NEXT (PSNEXT) は、他の 3 つのペアすべてから被害ペアへの寄与を集計します。規格では 4 つのペアすべてが同時に実行されるため、これが 10GBASE-T にとって重要な値です。
• リターンロス (RL):送信されたエネルギーの一部が、インピーダンスの不整合によって反射されてソースに戻されます。 TIA-568 は、Cat6A RL を低周波数で約 19 dB に制限し、周波数とともに傾斜します。の違いについて詳しく読む挿入損失とリターンロス証明書トレースを正しく解釈したい場合。
• エイリアン クロストーク (PSANEXT、PSAACRF):同じバンドル内の 1 本のケーブルから隣接するケーブルへの結合。 10G 未満では測定されません。 10GBASE-T の場合、これは必須の Cat6A フィールド テストであり、このカテゴリの導入を推進したパラメータです。熱いトレイ内のきつい束は、エイリアン クロストーク障害が集中する場所です。
• ACR-F (旧ELFEXT):-挿入損失に正規化された遠端クロストーク - は、本質的に遠端での信号とクロストークの比-と-です。 10GBASE-T にとって重要ですが、NEXT ほど終端の影響を受けません。-

ファイバーチャネル障害

• 減衰:シングルモードでは 1310 nm でおよそ 0.35 dB/km、1550 nm では 0.22 dB/km。-。 850 nm での OM3/OM4 マルチモードの場合は 3.0 ～ 3.5 dB/km。距離に比例するため、ファイバーの予算を簡単に計算できます。損失がどこで発生するかについて詳しくは、次を参照してください。ファイバーネットワークにおける挿入損失.
• コネクタ挿入損失:清潔で適切に嵌合された状態LCコネクタおよそ 0.3 ～ 0.5 dB 追加されます。融着接続により約 0.1 dB が追加されます。機械的接続により 0.3 ～ 0.5 dB が追加されます。これらの数値は急速に積み重なり、- 4-パッチ-パネル トポロジでは、ファイバー自体が減衰する前に 2 dB の予算を消費する可能性があります。
• マクロベンド損失:ファイバを最小曲げ半径よりも小さく曲げると、光がコアから漏れてしまいます。従来の G.652.D シングル-モードは、1550 nm で半径 15 mm で 1 回転あたり約 0.5 ～ 1 dB 損失します。曲げ-に影響を受けない G.657 ファイバーは、その半径を 7.5 mm 以下に押し下げます。
• マイクロベンドと応力損失:ケーブルにかかる横方向の圧力 (ケーブル タイの締めすぎ、鋭い挟み込みポイント) により、光を散乱させるコアに小さな周期的な変動が生じます。多くの場合、目には見えませんが、OTDR トレースでは非常にはっきりと見えます。
• コネクタ端-面の汚染:業界のコンセンサスは、汚染された端面が依然としてファイバ リンクの問題の主な原因であるということです。{0}コアゾーンに粒子が 1 つあると、挿入損失が 1 dB 以上増加し、挿入時に嵌合フェルールが損傷する可能性があります。検査基準は次のように形式化されています。IEC 61300-3-35これは、端-面 - A コア、B クラッド、C 接着剤、D 接点 - の 4 つのゾーンを、外縁に向かって徐々に緩やかな公差で等級分けします。

対称性に注目してください。アクセス層における銅線の最大の敵は終端品質です (NEXT および RL 障害として現れます)。ファイバーの最大の敵はコネクタの清浄度です (これは挿入損失として現れます)。どちらも中程度の故障ではなく、仕上がりの故障です。

リンクバジェット

この記事の最も重要な文:ファイバ リンクの設計は光パワーのバジェットによって決まり、銅線リンクの設計は電気損失のバジェットによって決まります。。算術は異なりますが、原理は同じです。- 合計予算 dB は、作業マージンを残してすべての損失の合計を超えなければなりません。

光パワーバジェットを計算する方法

トランシーバー ペアの光パワー バジェットは、最小送信出力パワーと最大（最も感度の低い）受信機感度の間の最悪の場合の差です。-

光パワー バジェット (dB)=最小送信パワー (dBm) − 最小受信感度 (dBm)

代表的な 10GBASE-LR SFP+ モジュールの場合、メーカーが-公表している最悪の場合の値はおおよそ次のとおりです。-

• 最小送信電力: -8.2 dBm
• 最小受信感度: −14.4 dBm
• 光パワーバジェット: (−8.2) − (−14.4)=6.2 dB

OM3 上の 10GBASE- SR の場合、最小 Tx が約 -7.3 dBm、Rx 感度が約 -11.1 dBm で、バジェットは約 3.8 dB です。これが、同じ 10G 速度がシングルモードでは 10 km に達するのに対し、OM ではわずか 300 m に達する理由です3 -。予算は 60% 以上小さくなり、1 キロメートルあたりのマルチモード減衰は約 10 倍になります。トランシーバー オプションの詳細については、-並べて-をご覧くださいシングルモード SFP とマルチモード SFP の比較-そしてSFP と SFP+.
 

実用的な例: 7 km の 10GBASE- LR リンクは閉じますか?

実際のキャンパス シナリオを考えてみましょう。2 つの LC パッチ コード (端に 1 つずつ) と 3 つの融着接続を備えた 2 つの建物間の 7 km のシングルモード リンクです。-。損失の計算は次のようになります。

リンクは閉じますが、ヘッドルームは 1.45 dB のみです。動作するには十分ですが、コネクタが 1 つ汚れていると 1 dB の損失が追加され、限界状態に追い込まれてしまいます。実際には、エンジニアは、予算後のマージンの 3 dB を、本番グレードの信頼性の下限として扱います。-この特定の実行では、拡張到達距離光ファイバー（10GBASE-ER、約 16 dB バジェット）がより安全な仕様です。

銅相当物: 認証レポートで最悪のペアマージン-

銅線認証では、単一の結合された「予算」数値 - は使用されません。代わりに、すべてのパラメータ (IL、NEXT、PSNEXT、RL、ACR-F) がチャネル テストの周波数に依存する制限ラインと比較されます。-。 「予算マージン」に相当するものは、最悪の-ペアマージン: 掃引範囲内の任意の場所における、測定された曲線と標準の限界曲線の間の最小 dB 距離。

ケーブル認証専門家による現場での経験は、ある点で一貫しています。つまり、約 1 dB 未満の最悪のペア マージンで合格する Cat6A リンクは「合格だが危険」として扱う必要があります。-これらは、温度が上昇したとき、隣接するケーブルがエイリアン クロストークのためにきつく再束ねられたとき、または高出力 PoE が銅導体を加熱して損失特性が変化したときに、断続的な 10G ドロップを発生させるリンクです。-認証「PASS」は正しいです。運用上のマージンが薄すぎるのです。

「10 Gbps」が銅線とファイバーの 2 つのまったく異なる意味を意味する理由

これは、繊維と銅の比較のほとんどが完全に見逃している点です。{0}}銅線ツイストペアで 10 Gbps を達成するのと、ファイバ ペアで 10 Gbps を達成するには、まったく異なる信号エンジニアリングが必要であり、その違いによって、両者間のダウンストリームのコスト、発熱、信頼性のギャップがほぼすべて説明されます。

重要なのはマーケティングではなくエンジニアリングです。10GBASE-T は、ケーブル プラントの上に積極的な DSP、マルチレベル変調、強力な FEC をスタックすることにより、500 MHz 銅線チャネルから 10 Gbps ペ​​イロードを抽出します。-。この規格は - で機能しますが、それはケーブル プラントが非常に厳しい公差に保たれているためです。 10G のファイバーは、シンボル レートに必要な数よりも桁違いに大きなヘッドルームを備えた媒体上で、単純な 2 レベルのシグナリングを実行します。-これが、10GBASE-T シリコンの動作温度が高く、10G SFP+ の 2 ～ 5 倍の電力を消費し、高密度のスイッチ展開では周囲温度の制限が厳しくなる理由でもあります。同じトレードオフが-の主題です10GBASE-T 対 SFP+ 10GbEデザイナーがそれらの中から選択できるようにします。

これと同じトレードオフは、25G 以上ではさらに顕著になります。{0}} PAM-4（25GBASE-T および最大 400G までのすべての PAM-4 光レーンで使用）は、約 9.5 dB の垂直アイ SNR - を犠牲にして、シンボルあたりのビットレートを 2 倍にします。これが、25GBASE-T 銅線が理論上存在する理由ですが、実際に導入されるのはまれであり、高速イーサネットがファイバー、MPO トランク、高密度トランシーバー。

テストと認定: リンクが実際に保持されることを証明する方法

「プラグを差し込んで ping を実行する」のはテストではありません。今日 ping を送信したリンクでも、明日の温度変化によっては障害が発生する可能性があります。業界-標準の認定により、文書化された追跡可能なしきい値-ベースの合否記録 - が得られ、今日の ping 候補であるマージナル リンクが-のみ-特定されます。

銅認証 (TIA-1152 / ISO 14763-4)

フィールド認証者 (Fluke DSX、EXFO MaxTester、Softing WireXpert) は、関連する周波数範囲全体でチャネルをスイープし、規格の制限ラインに対してレポートします。

• ワイヤーマップ、長さ、伝播遅延、遅延スキュー
• ペアあたりの挿入損失 (IL) 対周波数
• ペアごとの NEXT および PSNEXT の組み合わせと周波数
• ペアごとの ACR-F および PSACR-F の組み合わせと頻度の関係
• ペアあたりのリターンロス (RL) 対周波数
• DC ループ抵抗と抵抗の不均衡（PoE++ タイプ 3/4 にとって重要）
• Cat6A の場合: PSANEXT および PSAACRF (エイリアン クロストーク) - は 10GBASE-T 認定に必須です

レポートを読むときに役立つ優先順位: 最初にテスト規格とリンク タイプ (チャネル、パーマネント リンク、MPTL) を確認します。次に、NEXT、PSNEXT、RL の最悪のペア マージンを見つけます。-次に、リンクが 10G を伝送するかどうか、エイリアン クロストークを確認します。 6+ dB 最悪-のペア マージンを備えたクリーンな「PASS」は堅調です。マージンが 1 dB 未満の「PASS」は、発生を待っているトラブルチケットです。

ファイバー認証 (Tier 1 および Tier 2)

2 つの異なるテスト体制が適用されます。

• 層 1 - 光損失テスト セット (OLTS):一方の端に光源、もう一方の端にパワーメーターがあり、動作波長（通常、マルチモードの場合は 850/1300 nm、シングルモードの場合は 1310/1550 nm）での合計双方向挿入損失を測定します。-。測定された損失は、ファイバ長、コネクタ数、および接続数から導出される計算された許容損失と比較されます。これは「予算内に収まったかどうか」に相当します。
• 層 2 - OTDR (光時間-ドメイン反射計):パルス{0}}ベースの測定は、リンク全体のイベントごとのトレースを生成します-。-コネクタ、スプライス、マクロベンドごとに、損失と反射率が測定された個別のイベントとして表示されます。重要なインフラストラクチャの永続的なリンク保証に必要であり、設置されたプラントの障害位置を特定するために不可欠です。
• 端面検査-（IEC 61300-3-35）:デジタル ファイバースコープは、ゾーンごとに各コネクタの端面を等級付けします。{0}シングルモード ファイバーの場合、規格ではコア ゾーン (ゾーン A) での傷や欠陥が禁止されています。マルチモードでは、最大 3 µm までの - 傷がより許容され、最大 5 µm までの少数の欠陥が許容されます。すべてのファイバ端面は毎回検査し、必要に応じて嵌合前に清掃する必要があります。{8}}工場で終端処理されたパッチコードをバッグから直接取り出した場合でも例外はありません。{10}

  

故障モード: 現場で実際に何が起こるか

理論的減損モデルは役に立ちます。現場で遭遇する実際の故障モードはさらに狭いものです。以下は、それぞれが実際のインストールで出現する頻度の順に並べた、経験に基づいた短いリストです。

銅フィールドの故障、頻度順にランク付け

1. 終端でのツイストペア。最も一般的な Cat6A 認証の失敗。規格では、ジャックのねじれを解くのは約 13 mm のみです。多くの取り付け業者は 25 mm 以上ねじれを戻します。 NEXT と PSNEXT は、特に 10GBASE-T が動作するスイープのハイエンドで崩壊します。修正: 物理的に可能な限り IDC に近いねじれを維持して、再終端します。-
2. チャネル長が長すぎます。ケーブル プラントは設計よりも長く稼働し、IL は 100 m のチャネル制限を超えました。多くの場合、水平配線とパッチ コードが予算を超える永久的なリンクの問題が発生します。-修正: ランを短くするか、スラック ループを削除するか、中間クロスコネクトで分割します。-。
3. 密集したバンドルでのエイリアン クロストーク。ホット トレイ内で他の 20 本の Cat6A UTP ケーブルとしっかりとバンドルされた Cat6A UTP は、個々のリンクが個別にチャネル テストに合格した場合でも、PSANEXT - に失敗します。修正: ケーブルの間隔を広げるか、F/UTP を適切に接地して使用するか、配線の一部で束線を外します。{4}}
4. シールドケーブルが不適切に接地されている。F/UTP または S/FTP の設置が片端のみで接地されているか、両端間に電位差がある基準に接地されていると、UTP よりも悪い EMI 動作が発生する可能性があります。シールドはバリアではなくアンテナになります。修正: TIA-607 に従って、すべてのシールド ドレインを同じ等電位接地基準に接続します。
5. PoE- による損失ドリフト。高電力 PoE-（タイプ 3 で 60 W、タイプ 4 で 90 WIEEE 802.3bt) 導体を加熱します。挿入損失は温度に依存します-。-20 度で認定されたケーブルは、PoE 負荷が継続すると 5 ～ 10 度高く動作する可能性があり、マージンが低下します。++。これにより完全な障害が発生することはほとんどありませんが、マージンの薄いリンクは劣化します。-

ファイバーフィールド障害、頻度別にランク付け

1. コネクタの端面が汚れている。-業界のコンセンサスによれば、これがファイバーリンクの問題の主な原因です。皮膚の油分、衣服からの糸くず、ダスト キャップから移ったほこり、ハンドクリームの残留物 -- はコア ゾーンにあると、光を散乱または吸収します。工場で袋から取り出したばかりの新しいパッチコードは、きれいであるという保証はありません。-修正: 毎回、嵌合前に 200 倍または 400 倍のファイバースコープを使用してすべての端面を検査し、IEC 61300-3-35 基準に従って洗浄します。-完全な光ファイバーコネクタのタイプガイドフェルールの形状と端面の研磨スタイルについて詳しく説明します。{0}
2. マクロベンディング。ケーブルタイがきつく引っ張られすぎている、ファイバが鋭利な角に巻き付いている、定格最小曲げ半径よりもきつくコイル内にたるんだたるみが蓄積されている。多くの場合、目には見えません。 OTDR トレースでは、測定可能な損失を伴う非反射イベントとして非常に目立ちます。-修正: 曲がりを和らげます。損失が回復しない場合はセグメントを交換します。の光ファイバーケーブル取り付けガイドケーブルの種類ごとに最小曲げ半径と引張り張力の制限をカバーしています。{0}}
3. コネクタのフェルールの磨耗と位置ずれ。テスト環境での繰り返し挿入によるフェルールの磨耗または傷、または検査なしの嵌合による汚染。フェルールはコアを同心円状に配置できなくなります。修正: コネクタまたはパッチコードを交換します。
4. ファイバの種類が間違っているか、波長が一致していません。シングルモード リンクに挿入された OM3 ジャンパ、または 1550 nm 用に指定されたファイバに動作する 1310 nm 光ファイバー。-。場合によっては、リンクが依然としてパフォーマンスが低下した状態でトラフィックを通過させるため、問題が隠蔽されます。修正: ファイバーの種類、ジャケットのカラー コード (SMF の場合は黄色、OM3/OM4 の場合は水色、OM5 の場合はライム グリーン)、および両端のトランシーバーの波長を確認します。
5. MPO/MTP システムの極性エラー。12 ファイバまたは 24 ファイバのバックボーンにおけるタイプ A、タイプ B、タイプ C の極性の混乱。リンクは物理的に接続しますが、送信は送信とペアになります。のMTP と MPO の選択ガイド極性スキームをエンドツーエンドで通過します。--修正: 試運転前に極性を確認してください。フィールド補正用の極性アダプターを携帯してください。