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1、网络布线对于字节错误比率 情况的影响 作者：Paul Kish，NORDX/CDT公司 2000年四月 绪言 在网络布线行业有一个新的常常听到的词汇，称为“零字节错误比率” 。 我 们使用这个零字节错误比率表示什么意义呢? 我们怎样测量字节错误比率呢？ 是什么引起数字传输系统中出现错误呢? 通过什么方法我们可以将字节错误的 多少和通道的质量情况联系起来呢?这个白皮书将会研究字节错误比率的整个概 念，首先讨论理解这个概念的基本知识，然后再尝试着找到处理这个令人难以捉 摸的概念的方法。 那么让我们详细地了解一下我们所说的字节错误比率到底指的 是什么情况。这个问题是不是我们在讨论Category 5
2、, Category 5e 或者是 Category 6 信息通道时需要考虑的问题? 字节错误比率这一问题（BER）是由电力与电子工程师协会 (IEEE)提出的， 这个协会是为数据网络技术提供技术标准的行业组织。 电力与电子工程师协会已 经在过去的十年时间里颁布了许多技术标准。 其中在本行业中最具有影响力的数 据网络标准是10BASE- T 以太网络标准, 这个网络标准设计要求的最低条件是 在Category 3双绞线上运行。在这个行业中这个标准得到了一定的声誉，被人们 认为是鲁棒性能非常好的可靠性高的网络。今天，网络已经从10BASE- T 以太 网络转向更快速的以太网络(100BASE-
3、TX), 这种网络设计时是需要在最少 Category 5的网线上运行。这个行业已经感觉到，快速以太网络没有以前的网络 鲁棒性能好，而且更容易因为网络布线以及相关设备的缺陷而产生错误。在这篇 论文中，我们将研究可能引起错误的网络布线缺陷的类型。读者或许会惊奇地发 现结果是出人意料的。 对于100BASE- TX来说， 一个切实可行的目标是最差的字节错误比率情况是达到 10 - 10。这就意味着字节错误的数量将不会超过每一百亿字节的信息量中出现一个错误。如果说要以每秒100兆字节的速度传送一条信息, 这相当于说每一百秒钟 时间内最多出现一个错误。在以太网络协议中, 信息的字节被包装成帧。一个帧
4、内出现的任何错误将会作为信号重新传送受到影响的帧的信息。 最高的字节错误 比率达到10- 10 对于错误来说是一个比较合理的上限。 如果字节错误比率显著地高 于这个上限就会开始影响数据的传送而且会导致网络的运行速度放慢。 产生错误的概率 在信号沿着一个信息通道传送之前， 所有的信息字节被利用数字调制技术进行符 号编码。一种常用的技术被称为脉冲调幅(PAM)。对于这种调制方法来说,一个符 号被编码在数个离散的信号层面上。举例来说,一个双层的符号可以用于表示一 个字节的信息(二元信息1或者0)。把这些符号的转换或者编码成为真正的、时间 顺序的电子波的形式通过信道进行传送的过程称为线路编码。 (图一
5、) 图一 错误的概率, P(e), 相对于PAM信号而言, 假设在一个空白高斯噪声过 程中，其中M是信号水平的离散数字。 一种调制方法的工作情况可以通过这种方法的符号错误概率P(e)来进行测量计 算, 符号错误概率是指一个波形被检测出来错误的概率。在错误概率和一个信道 的信号/噪声比率之间存在着一个基本的关系。符号错误概率在图一中以信道中 的具有（M）个离散信号层次的PAM信号信号/噪声比率（信号/噪声比率）的函 数形式表示出来。 字节错误概率Pb(e), 等于字节错误比率, 是利用简单的关系公式P(e) /log 2M P(e)bP(e)由符号错误概率派生计算出来的。综上所述, 我们可以得到
6、结论的是 所谓零字节错误比率的情况是不存在的。实际上,如果说噪声水平足够小的话,那 么产生错误的概率将是一个非常小的数字，比如说 10 - 12 或者说更小但是不会是零。我们也可以得出这样一个结论，那就是如果字节错误比率要达到10 - 10 的话PAM- 2相应的信号/噪声比率必须要大于13分贝，对于PAM- 3相应的分别达到16 分贝而相应于PAM- 5的编码要达到18分贝。 导致错误的噪声来源 在数字传输系统中可能引起错误的噪声类型多种多样。 这些噪声类型可能是由于 外界因素引起的也可能是由于内部因素引起的。 在本论文的讨论中我们研究的是 由于内部原因由于一个信道因为传输线路破坏而产生的噪
7、声。快速以太网络(100BASE- TX)运行在一个由两对网线组成的信道上，每一对网线负责一个传输 方向。对于这种应用情况来说，由于内部产生的噪声来源主要包括1) 近端交叉 谈话(NEXT)干扰, 还有2)与插入损失误差 (ILD)有关的另外增加的噪声成分。后 面这种噪声来源对于一些读者来说可能是有些奇怪， 这是因为这种噪声来源并没 有列入Category 5 信道的技术参数之一。实际上,本论文将会证明目前ILD噪声 对于最差的Category 5信道来说可能要比NEXT噪声要严重得多。 由于NEXT引起的字节错误比率 在100BASE- TX的应用情况中由于NEXT引起的噪声成分如下面图二中
8、所示。 (图二) 图二 在100BASE- TX网络中输出和输入线对之间的近端交叉谈话（NEXT）噪声情况 如图二中所示的配置,信号/噪声比率的分贝数是由公式（1）来确定的，也就是 说，通过从输入端的总的信号功率减去由于NEXT引起的总噪声功率得到的。 SNR10log(1 5 0 1 1 0(S 2 - I L 2 ) / 1 0d f ) - 10log(1 5 0 1 1 0(S 3 - N 3 2 ) / 1 0d f ) 其中, S2 S3 = 分别是线对2和线对3上的输出信号功率范围 在这个计算公式中, 噪声以及接收信号的功率范围是分别以(S3N32)和(S2IL2) 的术语给出的
9、。噪声和接收信号的总功率是由1- 150兆赫兹的频率段决定的。在 运算过程中, 100BASE- TX信号的功率范围是通过图三中所示的频谱分析仪器的 读数得到的。 （图三） 图三 100BASE- TX 网络信号在传送器的输出端的功率范围 利用Category 5信道的最差情况下的参数，由于NEXT引起的信号/噪声比率的计 算结果大1- 150兆赫兹的全部波长范围内为30分贝。这个结果明显地要优于利用 MLT3 (三级编码)网线达到10 10的字节错误比率时所需要的16分贝的极限值。由此可见，我们的结论是NEXT引起的噪声对于Category 5 信道来说不是一个在100BASE- TX应用中
10、产生系统错误的主要因素。 注意: 为了方便比较, 由于NEXT引起的信号/噪声比率是通过替代Category 3 网线而不是Category 5网线进行计算的(保持相同数量的连接器)。在这个情况下, 计算出来的信号/噪声比率是十分贝。这个结果要比要求达到所需要的信号/噪声 比率时的10 10的字节错误比率的数值差了六个分贝。从图一可以发现，这将会导致字节错误比率高达 10 - 3 。 插入损失误差(ILD) 插入损失误差(ILD)对于许多读者来说是一个新的技术参数。很好地理解插入损 失误差到底是什么以及为什么它这么重要是非常必要的。一个信道，如TIA/EIA 568- A 标准中所规定的那样,
11、 是由不同的部分组成的，包括电线，连接器以及电 缆线。在最差条件配置中, 一个信道可以包括多达四个连接器(每端各有两个连 接器),一个设备电线,一个临时连接的电线,一个水平电缆,一个设备电缆(水平电 缆的一部分)以及一个工作区域电线。所有这些部分都可能会有引起插入损失的 特点(所有这些也称为衰减)还有产生阻抗。 传统上讲,一个信道总共的插入损失是通过将所有部件的损失相加累计得到的， 称此为信道插入损失。TIA标准中有关Category 5和Category 5e 信道模型的所 有公式的基本原理是：整体等于各个部分的加数总和。问题是这种原则只是一种 近似的情况。这是一个很好的第一次近似, 但是信
12、道插入损失在实际情况中要比 每个部件的损失加在一起的总数要高。 其他额外的损失是由于信号在不同的部件 之间存在的反射以及再反射引起的,如图四中所示。 （图四） 图四 插入损失误差(ILD)是由于不同部件之间的阻抗不配套造成的。 不同部件之间的阻抗不匹配情况越严重,由于不匹配造成的损失就越多。更有意 思的是在一定的频率上这些信号反射可以增加相位而在其他相位这些信号反射 可以减少相位。因此这些传统的额外损失并不是一成不变的,它们会随着临时插 线的长度、连接器的数量以及信道的长度等等情况而改变。在信道上实际测量得 到的插入损失和通过将部件的损失累计相加得到的插入损失之间的差额被人们 称为插入损失误差
13、。 对于Category 5, Category 5e和Category 6 信道来说预期的ILD数值应该是什么呢? 这是通过利用TIA/EIA568- A- 5的附件H中所描述的信道模型来确定的。这包括一 系列的连接好的传送电线，其中每个部件都是用部件本身的矩阵T来模拟的,其 中T是由部件的A,B,C,D的参数来描述的。一个信道的整体传送矩阵然后由矩阵 乘法来计算决定。对于本论文中所报告的结果来说,模拟时作用的是下列信道配 置而且在实验前后配置保持固定不变,只是部件以外的变化除外。 图五 用于ILD模拟包括四个连接器(一百米)时的信道配置 ILD由下面的情况决定: 1. Cat 5 电缆 (
14、105 ?), 电线 (90 ?) & 连接器 (14 分贝 RL 100 兆赫兹) 2. Cat 5 电缆 (105 ?), 电线 (85 ?) & 连接器 (14 分贝 RL 100 兆赫兹) 3. Cat 5e 电缆 (105 ?), 电线 (95 ?) & 连接器 (20 分贝 RL 100 兆赫兹) 4. Cat 6 电缆 (103 ?), 电线 (97 ?) & 连接器 (24 分贝 RL 100 兆赫兹) 5. Cat 6 电缆 (101 ?), 电线 (99 ?) & 连接器 (24 分贝 RL 100 兆赫兹) ILD结果在图六中表示出来。 对于Category 5 信道的模
15、拟结果,标记为Cat 5- 1 以 及Cat 5- 2,表明有一个较大的误差其显著性最高值在10- 20兆赫兹范围内达到大 约0.3 分贝，而在频率为一百赫兹时达到1.4分贝。电线长度为四米 (2 米 + 2 米)电线和电缆15 ?以及20 ?之间的阻抗的差异分别专门地选择在Category 5的 极限一端。 这样做的目的是为了达到一种100BASE- TX应用情况的最差案例情况， 其中信号 能量总体低于30兆赫兹。Category 5e 信道的结果就好得多了，在频率低于30 兆赫兹时达到了低于0.1 分贝的ILD数值，而在100兆赫兹时低于0.5 分贝。 Category 6的结果为了方便比
16、较也报告出来了。这些结果不代表最差的情况,但 是可以代表利用匹配良好的部件时可以得到的结果的类型情况。 （图五） 图六 插入损失误差对于Category 5, 5e以及6 信道的模拟结果 第九页，共十二页 由于ILD引起的字节错误比率 接着就是感兴趣的部分了。请我们仔细看一看图六中的ILD的结果情况。非常明 显的问题是这真的重要吗?那么如果在100BASE- TX的大部分工作频率范围内存 在有偏差(额外损失)数量达到0.5分贝左右时，这种情况是不是显著的?这个数字 看来是这样的微不足道。 对这个问题的回答是提问又一个新问题。 导致ILD的原因是什么? ILD是由于另外 一个被强加于或者乘在接收信号上的信号引起的。 这个强加的信号看来是一个在 接收方面的噪声来源。在本论文中这被称为相当于ILD的噪声来源并且使用ILX 这个术语来表示。ILX指的是噪声水平的分贝数值加到(作为一个幂和)基本信号 达到了观察到的ILD数值。 注意: 应该注意到的一点是利用这种方法得到的结果一般容易比较保守，也就是
