如何打破100米传输距离限制？| 技术干货

本文作者：CCCA新技术与趋势委员会成员

局域网 (LAN) 在历史上的设计方式是确保所有终端设备都在电信机房 (TR)的 100 米 (m) 范围内，以符合行业布线标准。现在，随着智能建筑技术的采用，连接到网络并由网络供电的设备比以往任何时候都多。当今的 LAN 环境通常会遇到连接的终端设备距离最近的 TR 太远而无法维持 100m 距离限制的情况。

众所周知，双绞铜缆是连接100m以上设备的一种基于标准的选择，但业界对双绞铜缆在各种传输速度和远程供电水平下能够可靠支持的距离存在困惑。为了战略性地解决设备位于 100m 以外的情况并降低风险，信息和通信技术 (ICT) 专业人员需要了解各种选项的优缺点、所涉及的技术因素以及围绕测试的关键考虑因素，以帮助他们识别现实和满足要求。

用于商业建筑的 ANSI/TIA-568 布线标准定义了结构化布线的最低性能要求，以支持各种应用（例如，以太网、PoE、HDBase-T、DSL 等）。这些行业布线标准基于布线系统组件、链路和通道的最坏情况下的最低性能，以确保为市场中的互操作性和竞争提供客观、现实和可衡量的基础。

因此，ANSI/TIA-568 布线标准早已规定水平双绞线铜缆布线通道的距离限制为 100m，其中包括一条 90m 的永久链路和总长度为 10m 的跳线。保持固定的通用水平通道长度有助于推断性能参数以支持增加的传输速度。

随着物联网和智能建筑计划的兴起，更多空间中的设备比以往任何时候都需要连接到网络。为了覆盖室外空间、仓库、停车场和其他偏远区域，企业设施或园区通常需要在距离最近的电信机房100m 以外的位置安装监控摄像头、访问控制设备、无线接入点或其他设备。

为了降低成本和提高效率，这些设备中的许多现在还通过以太网供电 (PoE) 等远程供电技术进行数字供电，而不是连接到传统的交流电源电路。用于连接和为 100m 以外的设备供电的符合布线标准的选项包括添加新的电信机房、使用分散式扩展器设备、将设备与光纤电缆连接并单独供电，或使用混合铜光纤电缆传输数据和电力。这些基于标准的选项中的每一个都有其优点和缺点，如下所述：

新增电信机房：连接超过 100m 的设备的一种选择是添加另一个电信机房。这可以是一个真实的房间，或者是一个安装在独立式或壁挂式机柜中的迷你机房。添加另一个电信机房的好处包括符合行业布线标准、集中管理以及支持高达 10 Gbits/sec 的速度和提供高达 90 W 的 PoE 的能力。但是，如果只需要支持一些位于 100m 以外的远程设备，则添加新TR的成本很难证明是合理的。TR 不仅占用宝贵的不动产，而且还需要额外的有源设备以及相关的功耗、冷却和维护。

使用扩展器设备：在水平电缆设备中部署以太网扩展器设备是支持远程设备的另一种选择。与添加 TR 相比，扩展设备的成本要低得多，它利用现有的双绞线铜缆，并且根据设备的不同，可以支持高达 10 Gbits/sec 和高达 90 W 的 PoE。然而，扩展器设备通常需要本地电源，这会增加费用。将扩展器设备放置在水平空间中还会增加远程故障点并消除集中管理，这会使故障排除和维护变得更加困难、成本更高。

通过光纤连接设备：延长与 LAN 中设备的距离的另一种选择是通过光纤电缆连接设备。根据 TIA 标准，OM3 或 OM4 多模光纤链路可以支持 10 Gbits/sec 到大约 300m 的距离，或 1000 Mbits/sec 到大约 550m 的距离。虽然光纤是这些较长距离的理想解决方案，但对于距离 TR 仅 10 或 20 米远的一些 LAN 设备，光纤传输设备的成本很难证明其合理性。

此外，具有光纤输入/输出 (I/O) 端口的终端设备在市场上受到限制。因此，通常需要媒体转换器和铜跳线来进行设备连接。PoE 媒体转换器具有向设备提供 PoE 电源的优势，但使用具有媒体转换功能的光纤电缆仍然需要较高的光纤传输设备成本。

使用混合铜光纤电缆：即使设备确实包含用于将其直接连接到光纤网络的光纤端口并且不需要媒体转换器，但如果本地电源不可用，则设备将需要通过 PoE 以外的其他方式获取可用的电力。一种选择是使用混合铜光纤电缆，其中包括用于数据传输的光纤和用于电力传输的铜导体。使用混合铜光纤电缆仍然需要更昂贵的光纤传输设备，以及 2 类有限电源 (LPS) 来提供电力。需要注意，通过混合铜光纤电缆提供的 2 类电源不是 PoE。虽然 PoE 是一种 2 类电源，但它仅受双绞铜线电缆支持。

使用混合铜光纤电缆时，仔细选择铜导体的尺寸非常重要，通常可达 12 AWG。铜的规格直接影响在特定长度上可以传递多少功率。此外，在混合铜光纤电缆上使用 2 类非 PoE 电源需要仔细规划和电压降计算，以确保根据设备的电流消耗和与电源的距离有足够的电力来支持设备。部署后，如果导体尺寸太小或距离太远，无法支持终端设备的电源要求，唯一的选择是更换电缆、添加额外的铜导体或缩短链路长度。这可能会严重阻碍移动、添加和更改，以及将混合铜光纤电缆用于未来设备的能力。

虽然不符合 ANSI/TIA-568 布线标准，但连接 100m 以外的设备的最具成本效益的选择是简单地延长双绞线铜缆连接的距离。这种方法不需要额外的空间、设备或故障点。无论长度如何，双绞铜缆也支持熟悉的模块化 RJ45 连接和安装实践——除了将电缆拉离 TR 90 米以外，更长链路的安装过程与任何其他双绞铜缆没有区别。使用双绞线铜缆还支持集中管理，便于故障排除和维护，并支持直接从支持 PoE 的交换机通过 PoE 进行高效的远程供电。

在比较用于连接距 TR 100m 以外的设备的各种选项时，很明显，从成本的角度来看，双绞铜电缆是最有吸引力的，如下表中所示：

尽管不符合标准，但双绞线铜缆是延长距离超过 100 米的最具成本效益的选择。

尽管双绞线铜缆是将水平布线距离延长至 100m 以上的最具成本效益的选择，但仍有几个因素必须考虑。由于 ANSI/TIA-568 布线标准目前不支持将双绞铜布线通道的距离延长到 10 m 以上，因此有必要查看应用标准。

布线标准定义了结构化布线链路、通道和组件的最低性能要求，以支持通常长达 100 m 的应用，目标是确保来自不同制造商的组件之间的互操作性。在安装时执行布线标准的认证测试，这通常是工作范围的要求并获得保修。电缆标准测试是在尚未积极支持应用、连接到设备或传输数据的电缆上进行的。

从理论上讲，符合布线标准的电缆应确保支持设计用于与该特定类型电缆一起使用的任何应用，最长 100 米。相比之下，应用标准查看特定应用在链路段上运行的能力，无论布线组件和距离如何。

插入损耗、传播延迟、直流电阻和信噪比 (SNR) 等与长度相关的性能参数与链路段支持特定长度的特定应用的能力密切相关。

·插入损耗——以分贝 (dB) 为单位，插入损耗是信号在电缆中传输时损失的能量。如果损耗太高，则信号可能不够强，无法被连接的有源设备正确接收或解释。信号必须传播的距离越远，插入损耗就越大。链路中的连接点会增加整体插入损耗。插入损耗也随着频率和温度的增加而增加。这就是为什么每个布线标准的最大允许插入损耗对于指定为 500 MHz (42.8 dB) 的 6A 类高于 250 MHz (31.1 dB) 的 6 类、100 MHz (21.0 dB) 的 5e 类等。

·传播延迟——在四线对应用中，传播延迟（即在链路远端接收信号所需的时间量）随着长度的增加而增加，并且可能因一对而异。以纳秒 (ns) 为单位测量，如果延迟最小的对和延迟最大的对之间的差异（称为延迟偏差）太大，可能会导致位错误，从而妨碍正确的数据传输。在视频监控应用中，过多的传播延迟通常会被视为抖动画面。

具有最小传播延迟的对和具有最大传播延迟的对之间的太大差异会妨碍正确的数据传输

·直流电阻——直流电阻是衡量导体抵抗电流流动能力的指标。以欧姆 (Ω) 为单位测量，直流回路电阻是在链路一端成环（连接）的一对导体中的两个导体的直流电阻。对于 PoE 应用，直流回路电阻定义了高效供电的能力。根据 IEEE PoE 应用标准，一对通道直流回路电阻应为 25 Ω 或以下。超过直流回路电阻限制会对 PoE 系统在双绞铜电缆中供电和产生热量的能力产生不利影响，从而增加插入损耗。对于与 PoE 电源一起承载数据的双绞铜缆线对，线对中每个导体的直流电阻需要基本相等。两个导体之间的直流电阻差异称为直流不平衡。如果直流不平衡过高，可能会导致数据信号失真，从而导致误码，从而妨碍数据的正常传输。

·信噪比 (SNR)— SNR 是与特定频率范围内的噪声功率相比的信号功率的相对量度。以dB为单位（如插入损耗），信号与噪声的比值越高，信号质量越好。SNR 与插入损耗直接相关——较低的插入损耗可提高 SNR，并且由于插入损耗随距离增加而增加，因此 SNR 也会受到布线链路长度的影响。SNR 太低会降低支持的传输速度或需要减少链路长度。

插入损耗、直流电阻、传播延迟偏斜和 SNR 会影响双绞铜缆对给定应用的支持距离，这些因素会受到若干影响因素的影响——从速度和 PoE 水平到电缆结构和质量，以及各种设计和安装变量。所有这些因素都是为什么目前没有将双绞铜电缆的距离延长到 100m 以上的行业布线标准。

·传输速度和 PoE 功率级别——更快的传输速度在更高的频率下运行，这会增加插入损耗。由于电压下降，终端设备上可用的 PoE 功率也会随着距离的增加而减少。因此，速度越快、功率越大，双绞铜缆所能支持的距离就越短。

·电缆和跳线结构——插入损耗和直流电阻在很大程度上取决于双绞铜电缆内导体的规格。规格越大，插入损耗和电阻越小。此外，绞合导体，例如用于接插线的那些，表现出比实心铜导体更高的插入损耗。屏蔽，甚至电缆绝缘和护套材料中使用的介电材料也会影响插入损耗和直流电阻。

·电缆和跳线质量——不一致的线对几何形状和扭曲率以及铜导体的直径、同心度、轮廓和平滑度的变化会导致直流电阻不平衡和传播延迟偏移，从而影响距离能力。直流电阻也是低质量且经常伪造的铜包铝电缆和跳线的一个问题。铝的直流电阻比铜高 66% 以上，这很容易超过 PoE 应用的 25 Ω 限制，并且还会产生过多的热量。因此，铜包铝电缆不符合行业布线标准，也不符合美国国家电气规范 (NEC®) 的 UL 安全列表。

·网络拓扑——设备如何连接到网络（即，直接使用模块化插头端接链路或通过插座和跳线），通道中的连接器总数影响插入损耗和距离能力。通道中的连接越多，插入损耗就越大。

·热量和温度——PoE 应用中直流电流产生的热量、整体环境温度以及电缆的散热能力都会在双绞铜电缆中产生热升高。这种增加的热量会增加插入损耗。在承载更高级别 PoE 功率的电缆束中，热量更难以消散。行业标准和 NEC® 通过限制线束尺寸来解决承载直流电流的电缆束中的热量上升问题。对于 100m 双绞线铜缆通道长度，行业布线标准规定环境工作温度为 20°C (68°F)，并建议在更高温度下减少（降额）通道长度。

·工艺不良—不正确的安装做法，例如超过电缆弯曲半径、压缩或扭结电缆、没有始终如一地端接所有导体，或者在端接点没有正确保持线对绞合可能会增加直流电阻不平衡和传播延迟偏差，从而限制距离能力。

有几种基于 IP 的网络设备以较低的速度（1000 Mbits/sec 或更低）运行，并且需要较低级别的 PoE 功率。监控摄像头、电话亭、门禁控制面板、PoE 照明设备、时钟系统、对讲/寻呼系统、能源管理系统以及环境传感器和控制等设备是低速、低功耗设备的示例，通常需要位于 100m 以上。

例如，可能需要在仓库外安装监控摄像头，在工厂远端安装访问控制面板，或在停车场安装紧急呼叫箱。在较低的速度和较低的 PoE 功率水平下，插入损耗和电压降等性能因素不太可能影响距离能力。

此外，大多数知名制造商都设计出质量超过布线标准的双绞线铜缆布线系统，并提供更大的余量，包括改进的插入损耗、传播延迟和直流电阻。尽管这有助于确保对 100m 应用的支持，而不受安装变量和环境因素的影响，它还允许多家知名制造商对某些双绞线铜缆进行认证，以支持距离超过 100m 的各种低速、低功率应用，许多这些先进的电缆甚至被宣传为为特定应用提供更长的距离。

不幸的是，尽管许多高质量的双绞线铜缆系统可以支持超过 100m 的长度，但业界对于它们在各种传输速度和远程供电水平下能够可靠支持的距离仍然存在很多困惑。这种混淆大部分源于一些制造商声称能够支持高速、高功率应用的扩展距离，但基于不充分的方法来测试和验证各种长度的性能。现实情况是，支持 10 Gbits/sec 和更高级别的 3 型 (60 W) 和 4 型 (90 W) PoE 传输速度以延长距离是极具挑战性的，即使对于信誉良好的创新制造商也是如此。需要这些更高速度和 PoE 级别的应用，例如新兴的高吞吐量 WiFi 6/6E 部署，

在考虑使用双绞线铜缆将距离延长至 100m 以上时，重要的是通过验证制造商的电缆技术规格、了解测试要求、识别风险并提出正确的问题来仔细了解声明。

在为超过 100m 的距离选择双绞铜电缆时，查看制造商规格并了解电缆的测试方式非常重要。知名制造商测试其布线系统是否符合布线组件标准的最低性能要求。这可确保支持任何设计为在该特定电缆类型（即 5e 类、6 类、6A 类等）上运行至 100m 的应用。

然后，安装人员根据布线标准对电缆设备进行现场测试，以确保安装的链路也满足性能和距离要求，以支持设计为在特定电缆上运行的应用程序。但是，符合布线标准并不表示这些电缆是否支持超过 100m 的应用。这就是应用测试的用武之地。

知名布线制造商根据 IEEE 应用标准（即以太网、PoE 等）和各种条件（如拓扑、环境温度和终端设备要求）进行严格的实验室测试和第三方距离验证。他们还使用特定设备网络接口卡 (NIC) 进行实验室误码率 (BER) 测试。BER 测试以特定速度在两个方向上发送实际的以太网数据包以检查错误。正是通过这种全面的测试方法，许多知名制造商能够为超过 100m 的特定应用和距离保证双绞线铜缆。

布线标准定义了结构化布线的最低性能要求，以支持超过 100m 的应用，而应用标准着眼于特定应用在链路段上运行的能力，无论布线组件和距离如何。BER 测试是在特定条件下使用特定设备完成的，这更适合工程解决方案。

应用测试也可以在现场进行，建议用于通道长度大于 100m 的双绞铜缆。应用测试通过确保在特定距离上支持应用来降低风险。BER 测试也可以在现场进行，但与应用测试不同，它在特定距离和特定条件下评估特定设备。换句话说，BER 测试更适合评估工程解决方案，如果任何变量（包括设备、温度、外部噪声和其他因素）发生变化，则可能会失败。

对于任何考虑使用双绞线铜缆连接 100m 以上设备的人来说，了解每台设备都是独一无二的这一点很重要。设备制造商设计交换机端口和设备，以满足在应用链路段限制内成功传输的最低要求，这可以通过 100m 的电缆轻松实现。

但是，每个设备适应与扩展距离相关的传输不规则性的能力可能会有所不同。这意味着，如果其中一个设备发生变化，成功连接两个特定设备的远距离链路可能无法运行。即使使用相同供应商的设备，但使用不同类型的设备也是如此。

长距离链路中发生的可变性会带来不确定性，这就是为什么应用测试如此重要的原因——无论是在实验室通过电缆制造商还是在现场。如果仅执行 BER 测试，则更换设备和更改条件无法保证性能，从而消除了面向未来的能力。

鉴于影响距离能力的各种变量以及行业中的各种营销主张，在选择用于长距离部署的双绞铜缆时，提出正确的问题非常重要。对于声称他们的电缆可以支持更高传输速度和 PoE 水平的供应商尤其如此，这些距离看起来好得令人难以置信和/或远远超出可信赖的、有信誉的制造商的规格。

例如，遵守以下准则可以显着降低风险：

不久前，我们还看到了布线标准的确立，而现在，如果没有这些标准，整个行业就无法运转。虽然行业标准目前由于各种变量而无法解决远距离部署，但隧道尽头终有光明——我们看到了制定远距离标准的趋势，这将有助于消除市场上的混乱并防止制造商制造未经测试支持的营销声明。

一些电缆制造商、标准机构和分销商之间的合作努力已经帮助建立了验证的测量方法，以保证结果并保护基于标准的安装的扩展范围的设计意图。新的单对以太网(SPE)标准支持10mbit /sec的低速设备到1000米，PoE最高可达13.6 W，最终也可能解决在建筑自动化系统和一些安全部署中使用的传感器、执行器、继电器和控制器之间连接更大距离的需求。为了实现这一点，设备供应商需要将SPE技术集成到他们的芯片组中。

同时，任何希望将双绞铜线电缆的距离延长到 100m 以上的人都应该与他们的电缆制造商交谈，并在投资前提出正确的问题以验证性能。如果营销声明显得牵强，请寻找信誉良好的电缆制造商，他们坚持经验证据并保证其电缆的应用和功率水平达到实际距离。

考虑到即使是最知名和最具创新性的制造商的双绞线铜缆，由于物理原因，在最高 90W Type 4 PoE 下通常也无法支持 1000 Mbits/sec 或更高的速度，远超过 100 m。对于包括多种设备类型的低速 100-Mbit/sec 应用，距离可能远高于 100m，尤其是在 PoE 水平较低的情况下。对于许多低速设备，使用知名制造商生产的双绞铜线将距离延长到 100m 以上是无风险且极具成本效益的。但归根结底，任何想要为超过 100m 的距离选择双绞线铜缆系统的人都应该做自己的尽职调查。

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