Cáp mạng: Những điều bạn cần biết về việc phá vỡ giới hạn khoảng cách 100 mét

Mạng cục bộ (LAN) trước đây đã được thiết kế theo cách đảm bảo tất cả các thiết bị đầu cuối nằm trong phạm vi 100m từ phòng viễn thông (TR) để tuân thủ các tiêu chuẩn cáp công nghiệp. Giờ đây, với việc áp dụng các công nghệ xây dựng thông minh, nhiều thiết bị hơn bao giờ hết được kết nối và cung cấp năng lượng bởi mạng. Môi trường mạng LAN ngày nay thường gặp phải các tình huống trong đó thiết bị đầu cuối được kết nối nằm quá xa TR gần nhất để duy trì giới hạn khoảng cách 100m.

Với sự phát triển IoT và các giải pháp nhà thông minh, nhiều thiết bị trong nhiều không gian hơn bao giờ hết cần kết nối với mạng. Để bao phủ không gian ngoài trời, nhà kho, nhà để xe và các khu vực hẻo lánh khác, cơ sở doanh nghiệp… hoặc khuôn viên trường thường yêu cầu camera giám sát, thiết bị kiểm soát ra vào, điểm truy cập không dây, thiết bị khác ở vị trí cách TR gần nhất vượt quá 100m. Để giảm chi phí và nâng cao hiệu quả, nhiều thiết bị này hiện cũng được cấp nguồn kỹ thuật số thông qua công nghệ cấp nguồn từ xa (PoE), thay vì kết nối với mạch nguồn AC truyền thống.

Từ lâu, người ta đã biết rằng cáp đồng xoắn đôi là một lựa chọn dựa trên tiêu chuẩn để kết nối các thiết bị vượt quá 100m, nhưng có sự nhầm lẫn trong ngành về khoảng cách mà cáp đồng xoắn đôi có thể hỗ trợ một cách đáng tin cậy ở các dải tốc độ truyền khác nhau và công suất cấp nguồn từ xa (PoE).

Để giải quyết tình huống thiết bị được đặt ở vị trí xa hơn 100m với rủi ro tối thiểu, các chuyên gia công nghệ thông tin và truyền thông (ICT) cần hiểu ưu và nhược điểm của các tùy chọn khác nhau, các yếu tố kỹ thuật liên quan và những cân nhắc chính xung quanh việc kiểm tra để giúp họ xác định thực tế và đưa ra lựa chọn.

Tiêu chuẩn cáp về giới hạn khoảng cách 100m

Tiêu chuẩn cáp ANSI/ TIA-568 xác định các yêu cầu về hiệu suất tối thiểu đối với hệ thống cáp có cấu trúc để hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhau (ví dụ: Ethernet, PoE, HDBase-T, DSL, v.v.). Các tiêu chuẩn cáp ngành này dựa trên hiệu suất tối thiểu trong trường hợp xấu nhất của các thành phần, liên kết và kênh của hệ thống cáp để đảm bảo cơ sở khách quan, thực tế và có thể đo lường được cho khả năng tương tác và cạnh tranh trên thị trường. Tiêu chuẩn cáp ANSI/ TIA-568 đã quy định giới hạn khoảng cách 100m cho các kênh cáp đồng xoắn đôi, bao gồm liên kết cố định dài 90m với tổng số 10m dây nhảy (patch cord).

Việc duy trì cố định chiều dài cáp đồng xoắn đôi tạo điều kiện cho việc ngoại suy các thông số về hiệu suất để hỗ trợ việc tăng tốc độ truyền. Do đó, giới hạn khoảng cách 100m được quy định trong các tiêu chuẩn cáp công nghiệp đã được chuyển qua các thế hệ cáp đồng xoắn đôi, từ CAT3 có khả năng hỗ trợ 10Mbps đến CAT6A có khả năng hỗ trợ 10Gbps.

Giải pháp mở rộng khoảng cách (tuân thủ tiêu chuẩn cáp)

Có nhiều tùy chọn mở rộng khoảng cách tuân thủ tiêu chuẩn cáp, mỗi tùy chọn có ưu và nhược điểm nhất định:

Thêm phòng viễn thông (TR) mới: Một tùy chọn để kết nối các thiết bị vượt quá 100m là thêm một TR khác. Đây có thể là một căn phòng thực tế hoặc một TR mini được đặt trong tủ treo tường hoặc có đế độc lập. Các lợi ích của việc thêm một TR khác bao gồm tuân thủ các tiêu chuẩn cáp công nghiệp, quản lý tập trung và khả năng hỗ trợ tốc độ lên đến 10Gbps và cung cấp tới 90W PoE. Tuy nhiên, chi phí để thêm một TR mới là khó có thể biện minh nếu chỉ cần thiết để hỗ trợ một vài thiết bị từ xa nằm ngoài 100m. TR không chỉ chiếm không gian có giá trị mà còn yêu cầu thiết bị hoạt động bổ sung và tiêu thụ điện năng, làm mát và bảo trì liên quan.

Sử dụng thiết bị mở rộng: Triển khai thiết bị mở rộng Ethernet trong hệ thống cáp là một lựa chọn khác để hỗ trợ các thiết bị từ xa. Ít tốn kém hơn nhiều so với việc thêm TR, các thiết bị mở rộng tận dụng hệ thống cáp đồng xoắn đôi hiện có và tùy thuộc vào thiết bị mở rộng, nó có thể hỗ trợ tối đa 10Gbps và tối đa 90W PoE. Tuy nhiên, các thiết bị mở rộng thường yêu cầu nguồn điện cục bộ, điều này làm tăng thêm chi phí. Việc định vị thiết bị mở rộng cũng tạo thêm điểm hỏng hóc từ xa và mất khả năng quản lý tập trung, điều này có thể khiến việc khắc phục sự cố và bảo trì khó khăn hơn, gây gián đoạn và tốn kém hơn.

Kết nối thiết bị qua cáp quang: Một lựa chọn khác để kéo dài khoảng cách đến các thiết bị trong mạng LAN là kết nối thiết bị qua hệ thống cáp quang. Theo tiêu chuẩn TIA, liên kết sợi quang đa chế độ (cáp quang multimode) OM3 hoặc OM4 có thể hỗ trợ tốc độ 10Gbps ở khoảng cách khoảng 300m, hoặc 1000Mbps  ở khoảng cách 550m. Mặc dù sợi quang là một giải pháp lý tưởng cho những khoảng cách xa hơn này, nhưng chi phí đắt đỏ của thiết bị truyền dẫn bằng sợi quang sẽ rất khó biện minh cho một vài thiết bị mạng LAN nằm cách TR không quá xa chỉ 10 hoặc 20 mét. Hơn nữa, các thiết bị đầu cuối có cổng kết nối sợi quang còn hạn chế trên thị trường. Việc kết hợp một bộ chuyển đổi quang điện và dây nhảy đồng thường được yêu cầu để thực hiện kết nối thiết bị. Giống như thiết bị mở rộng, bộ chuyển đổi quang điện / bộ chuyển đổi quang điện PoE cũng là một điểm hỏng hóc từ xa cần nguồn điện.

Một tùy chọn khác hiệu quả hơn về chi phí (không tuân thủ tiêu chuẩn cáp)

Mặc dù không tuân thủ các tiêu chuẩn cáp ANSI / TIA-568, lựa chọn hiệu quả nhất về chi phí để kết nối các thiết bị nằm xa hơn 100m là chỉ cần mở rộng khoảng cách của cáp đồng xoắn đôi. Phương pháp này không yêu cầu thêm không gian, thiết bị hoặc điểm hỏng hóc. Ngoại trừ việc kéo cáp xa hơn 90 mét từ TR, quá trình lắp đặt cho một sợi cáp dài hơn không khác bất kỳ loại cáp đồng xoắn đôi nào khác. Sử dụng cáp đồng xoắn đôi cũng hỗ trợ quản lý tập trung, tạo điều kiện khắc phục sự cố và bảo trì, đồng thời hỗ trợ phân phối điện từ xa hiệu quả qua PoE trực tiếp từ một switch hỗ trợ PoE.

Việc mở rộng khoảng cách cáp đồng xoắn đôi không dựa trên tiêu chuẩn cáp là lựa chọn hiệu quả nhất về chi phí nếu bạn đã cân nhắc kỹ các thông số về tiêu chuẩn ứng dụng và các yêu tố ảnh hưởng liên quan.

• Các tiêu chuẩn ứng dụng

Tiêu chuẩn cáp xác định các yêu cầu hiệu suất tối thiểu cho các kết nối cáp có cấu trúc, kênh và các thành phần để hỗ trợ một ứng dụng thường là 100m với mục tiêu đảm bảo khả năng tương tác giữa các thành phần từ các nhà sản xuất khác nhau. Kiểm tra chứng nhận đối với các tiêu chuẩn cáp được thực hiện tại thời điểm lắp đặt, thường được yêu cầu theo phạm vi công việc và để được bảo hành. Việc kiểm tra các tiêu chuẩn cáp được tiến hành trên các loại cáp chưa hỗ trợ tích cực ứng dụng, được kết nối với thiết bị hoặc truyền dữ liệu. Về mặt lý thuyết, cáp tuân theo các tiêu chuẩn cáp phải đảm bảo hỗ trợ cho bất kỳ ứng dụng nào được thiết kế để sử dụng với loại cáp cụ thể đó đến 100m. Ngược lại, các tiêu chuẩn ứng dụng xem xét khả năng của các ứng dụng cụ thể chạy trên một đoạn cáp mạng, bất kể các thành phần cáp và khoảng cách (vd: một số thiết bị camera IP cho phép hoạt động với tốc độ 10Mbps với độ dài cáp đồng xoắn đôi tối đa hơn 250m)

• Các yếu tố ảnh hưởng chính

Suy hao tín hiệu (dB), tín hiệu nhiễu SNR (dB), Điện trở 1 chiều (Ohm), và độ lệch trễ lan truyền (ns – nano giây) ảnh hưởng đến khoảng cách mà cáp đồng xoắn đôi có thể hỗ trợ cho một ứng dụng nhất định.

Tốc độ truyền và mức công suất PoE — Tốc độ truyền nhanh hơn hoạt động ở tần số cao hơn, làm tăng suy hao và gây sụt áp PoE. Do đó, tốc độ càng nhanh và công suất càng cao, khoảng cách có thể được hỗ trợ qua cáp đồng xoắn đôi càng ít.

Bạn nên nhớ rằng việc hỗ trợ tốc độ truyền 10Gbps và PoE Type3 (60 W) và Type4 (90 W) cho khoảng cách mở rộng là vô cùng khó khăn – ngay cả đối với các nhà sản xuất có uy tín, sáng tạo. Các ứng dụng yêu cầu tốc độ và mức PoE cao hơn này, chẳng hạn như triển khai WiFi 6 / 6E thông lượng cao mới đây, do đó không khả thi khi sử dụng cáp đồng xoắn đôi vượt quá 100m.

Cấu tạo cáp và dây nhẩy — Suy hao tín hiệu và trở kháng 1 chiều phần lớn phụ thuộc vào đường kính lõi của dây dẫn nằm trong cáp đồng xoắn đôi. Đường kính lõi càng lớn thì suy hao tín hiệu và điện trở càng ít.

Chất lượng cáp và dây nhảy — Hình dạng và tỷ lệ xoắn của cặp lõi dây không nhất quán và sự thay đổi về đường kính, độ đồng tâm, đường viền và độ nhẵn của dây dẫn đồng có thể gây ra sự mất cân bằng điện trở 1 chiều và độ trễ lan truyền ảnh hưởng đến khả năng khoảng cách. Điện trở một chiều cũng là một vấn đề đáng lo ngại trong các loại cáp nhôm bọc đồng và dây nhẩy chất lượng thấp.

Cấu trúc liên kết mạng — Cách các thiết bị được kết nối với mạng (tức là trực tiếp với các liên kết đầu cuối bằng jack cắm, outlet hoặc dây nhảy) và tổng số đầu kết nối trong mạng. Càng nhiều kết nối trong mạng, suy hao tín hiệu càng lớn.

Nhiệt độ — Lượng nhiệt được tạo ra bởi dòng điện một chiều trong các ứng dụng PoE, nhiệt độ môi trường tổng thể và khả năng tản nhiệt của cáp đều có thể tạo ra sự tăng nhiệt trong cáp đồng xoắn đôi. Nhiệt tăng này làm tăng tổn thất tín hiệu.

Tay nghề kém — Thực hành lắp đặt không đúng cách, chẳng hạn như vượt quá bán kính uốn cong của cáp, cáp bị đè nén hoặc gấp khúc, kết nối vào thanh nối cáp không đồng nhất tất cả lõi hoặc không duy trì đúng cách xoắn cặp ngay đến điểm kết thúc có thể làm tăng mất cân bằng điện trở 1 chiều và độ lệch trễ lan truyền làm giới hạn khoảng cách.

Thực tế là gì?

Có một số thiết bị mạng dựa trên IP hoạt động ở tốc độ thấp hơn, từ 1000Mbps trở xuống và yêu cầu mức công suất PoE thấp hơn. Các thiết bị như camera giám sát, hộp cuộc gọi, bảng điều khiển truy cập, thiết bị chiếu sáng PoE, hệ thống đồng hồ thời gian, hệ thống liên lạc nội bộ, hệ thống quản lý năng lượng, cảm biến và điều khiển môi trường là những ví dụ về các thiết bị tốc độ thấp hơn, công suất thấp hơn thường cần nằm ngoài 100m.

Ngoài ra, nhiều loại thiết bị tiên tiến ngày nay thậm chí còn cho phép mở rộng khoảng cách mở rộng cho các ứng dụng cụ thể (như PoE switch có thể cấp nguồn và tín hiệu mạng cho camera lên đến hơn 250m)

Kết luận

Khi xem xét việc sử dụng cáp đồng xoắn đôi để mở rộng khoảng cách xa hơn 100m, điều quan trọng là phải xác định cẩn thận bằng cách xác minh thông số kỹ thuật của nhà sản xuất cho cáp của họ, các tiêu chuẩn ứng dụng, thực hiện yêu cầu thử nghiệm, nhận ra rủi ro và đưa ra quyết định đúng đắn.