Thiết kế hệ thống cáp cấu trúc trong tòa nhà thương mại

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu về hệ thống cáp cấu trúc

Hệ thống cáp cấu trúc là một cấu hình hoàn chỉnh, bao gồm các thành phần phần cứng kết hợp với nhau, nhằm tạo ra một cơ sở hạ tầng viễn thông toàn diện sau khi được cài đặt.

Hình 1.01: Mô hình hệ thống cáp cấu trúc

Hệ thống cáp bao gồm các thành phần như kết nối, chỗ nối (cáp quang), patch panel, tủ, dây cáp, dây nhảy và thiết bị kết nối khác Để đảm bảo hiệu suất, hệ thống cáp cần được lắp đặt trên một hệ thống đường dẫn và trong môi trường vật lý phù hợp Các loại cáp sử dụng có thể là cáp đồng cân bằng, thường là cáp 4 đôi dây, hoặc cáp quang.

Sau khi cài đặt hệ thống cáp, các thiết bị điện tử có thể được kết nối, tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh và chức năng Một hệ thống cáp hiệu quả cho phép thay thế các thiết bị cũ và tương thích với thiết bị mới mà vẫn đảm bảo chức năng hoạt động Điều này là lý do chính cho sự phát triển của các tiêu chuẩn cáp viễn thông, ảnh hưởng đến thiết kế và lắp đặt hệ thống cáp cấu trúc trong các tòa nhà thương mại.

Các tiêu chuẩn ISO/IEC cùng với các tiêu chuẩn cáp liên quan nhằm xác định một hệ thống cáp viễn thông chung, hỗ trợ nhiều sản phẩm và hoạt động trong môi trường đa nhà cung cấp.

Hệ thống cáp cấu trúc trong viễn thông được định nghĩa theo tiêu chuẩn, bao gồm nhiều hệ thống con và các yếu tố chức năng, được kết nối với nhau qua mô hình kiến trúc hình sao.

1.1.1 Giới thiệu các tiêu chuẩn của ISO/IEC JTC 1

Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) là cơ quan toàn cầu có vai trò thiết lập các tiêu chuẩn quốc tế, với sự tham gia của đại diện từ các tổ chức tiêu chuẩn của các quốc gia ISO cung cấp các tiêu chuẩn thương mại và công nghiệp, góp phần thúc đẩy sự phát triển và đồng bộ hóa trong các lĩnh vực trên toàn thế giới.

ISO hợp tác với Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) để tiêu chuẩn hóa thiết bị điện Hai tổ chức đã thành lập Ủy ban Kỹ thuật Chung ISO/IEC JTC 1 nhằm giải quyết các chồng chéo trong tiêu chuẩn hóa và công nghệ thông tin.

ISO/IEC JTC 1 đã đƣa ra hai tiêu chuẩn đáng chú ý cho công nghệ thông tin là ISO/IEC 11801 và ISO/IEC 18010

ISO/IEC 11801 là tiêu chuẩn quan trọng cho thiết kế, lắp đặt và hiệu suất của hệ thống viễn thông trong các tòa nhà thương mại Tiêu chuẩn này bao gồm các thông số kỹ thuật liên quan đến loại cáp, khoảng cách cáp và hiệu năng của các lớp hệ thống, với phiên bản đầu tiên được xuất bản vào năm 1992.

ISO/IEC 11801 nhằm mục đích quy hoạch và lắp đặt hệ thống cáp cấu trúc cho các tòa nhà thương mại, xác định một hệ thống cáp viễn thông chung để hỗ trợ nhiều sản phẩm từ các nhà cung cấp khác nhau Tiêu chuẩn này cung cấp cơ sở cho thiết kế và lắp đặt cáp viễn thông cũng như kết nối phần cứng trong môi trường thương mại.

Tiêu chuẩn này quy định các yêu cầu về đường đi và không gian viễn thông cho tòa nhà thương mại, nhằm chuẩn hóa thiết kế và thực hành xây dựng bên trong cũng như giữa các tòa nhà, hỗ trợ cho việc sử dụng phương tiện truyền thông và thiết bị viễn thông.

Tiêu chuẩn ISO/IEC 18010 quy định cách thiết kế và sử dụng các con đường cùng không gian trong hạ tầng viễn thông, nhằm đảm bảo tính hiệu quả và an toàn trong việc triển khai các hệ thống viễn thông Các phần chính của tiêu chuẩn này tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc hạ tầng để phục vụ tốt nhất cho nhu cầu truyền thông.

 Phòng viễn thông, phòng thiết bị: thiết kế các không gian bao gồm kích thước, vị trí, con đường kết nối, ánh sáng và điện dự phòng

 Tuyến đường trục - bao gồm các con đường trong tòa nhà và giữa các tòa nhà

 Tuyến đường ngang - bao gồm ống dẫn, máng cáp…

 Diện tích làm việc - môi trường khu vực làm việc, vị trí ổ cắm

Trong thiết kế hệ thống cáp cấu trúc cho tòa nhà thương mại, có nhiều tiêu chuẩn khác nhau tùy theo từng quốc gia và khu vực Tuy nhiên, để đảm bảo tính nhất quán và đáp ứng xu hướng hiện nay, các tiêu chuẩn của ISO/IEC JTC 1 được ưu tiên làm tài liệu tham khảo chính.

1.1.2 Các thành phần chính của hệ thống cáp cấu trúc

Hệ thống cáp cấu trúc được hình thành từ sự kết hợp của các hệ thống con, mỗi hệ thống con lại bao gồm các yếu tố chức năng tương ứng.

Các hệ thống con đƣợc định nghĩa trong tiêu chuẩn ISO/IEC 11801 gồm:

 Hệ thống cáp trục tòa nhà

 Hệ thống cáp trục khuôn viên

Các yếu tố chức năng bao gồm:

 Phân phối khuôn viên (CD); cáp trục khuôn viên;

 Phân phối tòa nhà (BD), cáp trục tòa nhà;

 Phân phối tầng (FD); cáp ngang;

 Điểm hợp nhất (CP); cáp điểm hợp nhất

 Điểm viễn thông đa người dùng (MUTO);

1.1.3 Các hệ thống con của hệ thống cáp cấu trúc

Hệ thống cáp cấu trúc chứa các hệ thống con đƣợc mô tả theo sơ đồ sau:

Hình 1.02: Các hệ thống con của hệ thống cáp cấu trúc

Hệ thống cáp trục khuôn viên là một mạng lưới kết nối quan trọng, liên kết từ CD đến các BD Hệ thống này bao gồm các tuyến cáp trục khuôn viên, dây nhảy kết nối tại CD và phần cứng kết nối, nơi các tuyến cáp trục chính được chấm dứt.

Hệ thống cáp trục tòa nhà, còn được gọi là cáp trục đứng, đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối giữa các bốt điện (BD) và các tủ phân phối (FD) Hệ thống này bao gồm các tuyến cáp trục tòa nhà, dây nhảy kết nối tại các BD, và phần cứng kết nối nơi các tuyến cáp trục được chấm dứt.

Các loại cáp viễn thông sử dụng trong thiết kế hệ thống cáp cấu trúc

Tiêu chuẩn ISO/IEC 11801 quy định hai loại cáp chính được sử dụng trong hệ thống cáp cấu trúc cho các tòa nhà thương mại, bao gồm cáp đồng cân bằng và cáp sợi quang.

Cáp đồng cân bằng chủ yếu bao gồm các cặp dây đồng xoắn lại với nhau, được cách điện bằng chất liệu đặc biệt nhằm cung cấp băng thông cao, giảm thiểu suy giảm và nhiễu xuyên âm Các cặp cáp này thường được bọc chung trong một lớp vỏ PVC, đảm bảo hiệu suất và độ bền cho sản phẩm.

- Loại A thông số đặc trƣng truyền lên đến 100 kHz

- Loại B thông số đặc trƣng truyền lên đến 1 MHz

- Loại C thông số đặc trưng truyền lên đến 16 MHz, tương ứng Category 3

- Loại D thông số đặc trưng truyền lên đến 100 MHz, tương ứng Category 5

- Loại E thông số đặc trưng truyền lên đến 250 MHz, tương ứng Category 6

- Loại EA thông số đặc trưng truyền lên đến 500 MHz, tương ứng Category 6A

- Loại F thông số đặc trưng truyền lên đến 600 MHz, tương ứng Category 7

- Loại FA thông số đặc trưng truyền lên đến 1000 MHz, tương ứng Category 7 A

1.2.2 Phân biệt các loại cáp đồng cân bằng

Cáp đồng cân bằng có rất nhiều loại, bảng dưới đây mô tả các loại cáp được quy định theo tiêu chuẩn ISO/IEC 11801:

Chữ viết tắt Lớp bảo vệ tổng Lớp bảo vệ từng cặp

SF/UTP Foil, braiding none

Bảng 1.01: Bảng mô tả cấu tạo các loại cáp đồng cân bằng

TP = twisted pair: đôi xoắn – yếu tố cân bằng

U = unshielded: trần (không vỏ bọc giáp)

F = foil shielding: lá chắn thép/nhôm

Lưới che chắn braided shielding, thường được làm bằng đồng bện, có tác dụng quan trọng trong việc chống nhiễu điện từ môi trường bên ngoài và ngăn chặn phát xạ nhiễu bên trong Lớp vỏ này được nối đất nhằm giúp thoát nhiễu hiệu quả hơn Cáp đôi xoắn với lớp bọc bảo vệ ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện, đồng thời có khả năng truyền tín hiệu qua khoảng cách xa tốt hơn so với cáp đôi xoắn trần.

Cáp U/UTP (Unshielded/Unshielded Twisted Pair), hay còn gọi là UTP, là loại cáp đồng với hai dây dẫn xoắn lại với nhau thành một đôi mà không có lớp vỏ bọc chống nhiễu Loại cáp này thường được sử dụng trong hệ thống mạng Ethernet với cấu trúc 4 đôi.

Hình 1.03: Cấu tạo cáp U/UTP

F/UTP (Foil/Unshielded Twisted Pair) còn gọi là FTP - giống nhƣ cáp UTP nhƣng có thêm lớp chống nhiễu bằng nhôm bên dưới lớp vỏ nhựa bên ngoài

Hình 1.04: Cấu tạo cáp đồng F/UTP

U/FTP (Shieded Twisted Pair) còn gọi là STP - các đôi xoắn đƣợc phủ bên ngoài một lớp vỏ làm bằng nhôm

Hình 1.05: Cấu tạo cáp đồng U/FTP

F/FTP (Foil/Foil Twisted Pair) từng đôi đƣợc bọc bởi lá nhôm chống nhiễu và có thêm lớp chống nhiễu bằng nhôm bên dưới lớp vỏ nhựa bên ngoài

Hình 1.06: Cấu tạo cáp đồng F/FTP

S/FTP, also known as S-STP or PiMF, features an aluminum foil layer beneath its outer jacket and a braided shield surrounding each pair, providing effective protection against external interference.

Hình 1.07: Cấu tạo cáp đồng S/FTP

SF/UTP (Shielded Foiled/Unshielded Twisted Pair) còn gọi là S-FTP – gồm lớp lưới bện và lớp nhôm bọc bên ngoài, dưới lớp vỏ

Hình 1.08: Cấu tạo cáp đồng SF/UTP

Cáp S/FTP là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng dữ liệu, đặc biệt trong môi trường y tế, giáo dục và các khu vực có nhiễu điện từ cao như cơ sở công nghiệp Loại cáp này giúp giảm thiểu sự nhiễu xuyên âm và phát xạ nhiễu điện, đảm bảo hiệu suất ổn định trong môi trường EMI.

Mặc dù hầu hết các loại cáp đồng cân bằng có 4 cặp, một số ứng dụng chỉ cần hai cặp hoặc thậm chí một cặp Trong trường hợp sử dụng hai cặp, một cặp được sử dụng cho việc truyền dữ liệu và cặp còn lại cho việc nhận dữ liệu Các công nghệ và nền tảng mạng hiện nay, chẳng hạn như 1000BASE-T, đã tận dụng tối đa khả năng này.

T, 10G-BASE-T sử dụng tất cả bốn cặp cho thông tin liên lạc hai chiều đồng thời

Cáp đồng cân bằng hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhau, từ truyền giọng nói đơn giản đến băng thông cao của công nghệ 10GBE và hơn thế nữa, chứng tỏ tính linh hoạt và hiệu quả của nó trong việc truyền dẫn dữ liệu.

1.2.3 Các kiểu kết nối cáp đồng Đầu nối ổ cắm viễn thông

Kết nối phần cứng của cáp đồng cân bằng là yếu tố quan trọng trong hệ thống cáp cấu trúc Việc tháo xoắn các cặp dây tại điểm kết thúc có thể dẫn đến việc gia tăng nhiễu xuyên âm, ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tải tín hiệu.

Việc tháo xoắn cáp cần tuân theo các quy định cụ thể để đảm bảo sự cân bằng giữa các cặp liền kề Sự mất cân bằng này có thể dẫn đến những vấn đề nghiêm trọng trong quá trình sử dụng cáp.

- Tháo xoắn ít hơn 5mm đối với cáp Cat 6, 6A, 7, 7A

Đối với cáp Cat 5e, cần tháo xoắn không quá 13mm Đầu nối sử dụng là RJ45, và thứ tự màu của các cặp dây phải tuân theo tiêu chuẩn TIA/EIA 568A hoặc TIA/EIA 568B.

Hình 1.09: Quy định thứ tự màu các cặp dây theo tiêu chuẩn TIA/EIA 568A hoặc B Đầu nối hệ thống cáp ngang

- Đấu nối dùng thanh đấu nối mật độ cổng cao

Hình 1.10: Đấu nối cáp đồng sử dụng thanh đấu nối patchpanel

- Đấu nối dùng phiến đấu nối: thường chỉ sử dụng với vị trí yêu cầu tiết kiệm không gian và cố định

Hình 1.11: Đấu nối cáp đồng sử dụng phiến đấu nối

Cáp quang được cấu tạo từ các thành phần chính bao gồm sợi quang (fiber), lớp bảo vệ (coating), lớp chịu lực (strength members), lớp ống đệm bảo vệ (buffer) và lớp vỏ ngoài bảo vệ (jacket).

Hình 1.12: Cấu tạo cáp sợi quang

- Sợi quang (fiber) gồm 2 thành phần là lõi (core) và lớp phản xạ (cladding) Trong đó lõi thường được làm bằng sợi thủy tinh (glass) hoặc nhựa (plastic)

Lớp phản xạ trong cấu trúc này có vai trò quan trọng trong việc lan truyền ánh sáng, với thành phần tương tự như lõi nhưng có chiết xuất nhỏ hơn Lớp này bao bọc xung quanh lõi, giúp ánh sáng được phản xạ trở lại lõi một cách hiệu quả.

- Lớp bảo vệ (coating): thường được làm bằng nhựa PVC dùng bảo vệ sợi quang tránh bị trầy xước trong suốt quá trình sản xuất cáp quang

Lớp ống đệm bảo vệ (buffer) được chia thành hai loại: ống đệm chặt (tight buffer) và ống đệm không chặt (loose buffer) Ống đệm chặt làm từ nhựa dẻo, có khả năng uốn cong tốt và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt, thường được sử dụng để chế tạo dây đấu nối (patch cord) Trong khi đó, ống đệm không chặt có đường kính lớn hơn sợi quang, cho phép chứa nhiều sợi quang bên trong, giúp chúng co giãn tự nhiên khi nhiệt độ thay đổi Ngoài ra, ống này còn có lớp chất nhờn bên trong để ngăn ẩm, chống cháy và dễ dàng làm sạch sợi quang khi cần thiết Nhờ những ưu điểm này, ống đệm không chặt thường được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn cao và trong điều kiện môi trường thay đổi như ngoài trời.

1.2.5 Phân biệt cáp quang Singlemode và Multimode

Cáp sợi quang trong hệ thống cáp cấu trúc được chia thành hai loại chính: Singlemode và Multimode Để phân biệt hai loại cáp này, trước tiên cần hiểu một số khái niệm cơ bản liên quan.

Thiết kế các thành phần của hệ thống cáp cấu trúc

Hệ thống cáp ngang kết nối từ thiết bị đầu cuối tại khu vực làm việc đến thiết bị phân phối sàn trong phòng viễn thông Nó bao gồm các thành phần như cáp ngang, ổ cắm viễn thông, điểm hợp nhất, dây nhảy khu vực làm việc và dây nhảy thiết bị.

Ta có bốn sơ đồ hệ thống cáp ngang cơ bản nhƣ sau:

Hình 1.19:Sơ đồ đấu thẳng tại FD tới TO không có trung gian

Hình 1.20: Sơ đồ đấu chéo tại FD tới TO không có trung gian

Hình 1.21: Sơ đồ đấu thăng tại FD tới TO có CP

Hình 1.22: Sơ đồ đấu chéo tại FD tới TO có CP

Một số quy định cụ thể trong thiết kế hệ thống cáp ngang:

- Chiều dài toàn kênh không vƣợt quá 100m

Chiều dài của tuyến cáp ngang cố định không được vượt quá 90m Nếu tổng chiều dài các dây nhảy vượt quá 10m, chiều dài của tuyến cáp ngang cố định cần phải giảm tương ứng để đảm bảo tổng chiều dài toàn kênh không vượt quá 100m.

- Khi sử dụng CP, chiều dài tuyến cáp ngang cố định không đƣợc nhỏ hơn 15m

- Khi sử dụng MUTO, chiều dài dây nhảy khu vực làm việc không vƣợt quá 20m

Hệ thống cáp trục bao gồm cáp trục, kết nối phần cứng, patch panel ở CD, các

BD, các FD, cáp nối tương ứng, tủ / kệ / khung và các thanh quản lý cáp

Hình 1.23: Sơ đồ hệ thống cáp trục

Hệ thống cáp trục cần phải được thiết kế theo cấu trúc liên kết phân cấp để đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn Mặc dù có thể triển khai cấu hình không hình sao, nhưng điều này sẽ không tuân thủ các tiêu chuẩn hiện hành.

ISO/IEC 11801 quy định rằng phương tiện truyền tải cho đường cáp trục phải là cáp đồng cân bằng từ lớp D trở lên và/hoặc cáp quang Trong số các loại cáp quang, cáp quang đa sợi multimode là loại phổ biến nhất và cung cấp nhiều lựa chọn cho người sử dụng.

Khoảng cách hệ thống cáp trục

Cáp xương sống có thể được sử dụng cho một khoảng cách tổng cộng lên đến

Khoảng cách tối đa giữa CD và FD là 1900 m, nhưng khoảng cách cụ thể phụ thuộc vào ứng dụng và phương tiện truyền thông sử dụng Đối với cáp cân bằng, khoảng cách không nên vượt quá 100m, trừ khi trong các ứng dụng băng thông thấp.

Yêu cầu đối với hệ thống cáp trục sử dụng cap đồng cân bằng:

- Khoảng cách tối đa là 100m và chỉ áp dụng các loại cáp D, E, E A , F, F A

- Khi có 4 kết nối hoặc nhiều hơn đƣợc sử dụng trong các kênh, chiều dài tuyến cáp phải lớn hơn 15m

1.3.3 Không gian viễn thông Địa điểm chứa ổ cắm viễn thông

ISO/IEC 18010 yêu cầu mỗi khu vực làm việc có tối thiểu hai ổ cắm viễn thông, cho dù là đơn lẻ hay theo nhóm, với diện tích làm việc được xác định là 10m² Các ổ cắm viễn thông cần được lắp đặt cách tối đa 1 mét so với ổ cắm điện và phải ở cùng chiều cao với ổ cắm điện Việc phối hợp địa điểm ổ cắm viễn thông và ổ điện với cách bố trí nội thất là cần thiết để ngăn ngừa sự xâm nhập của độ ẩm và các chất ô nhiễm khác, đồng thời giảm thiểu nguy cơ hư hỏng cho các dây cáp kết nối Các ổ cắm viễn thông nên được lắp đặt tại các vị trí cố định như cột nhà và tường cố định để tránh thiệt hại ngẫu nhiên.

- Thường xuyên di chuyển các đối tượng như máy hút bụi, bàn lăn, giường bệnh

- Bảo trì, làm sạch (ví dụ nhƣ chất lỏng từ làm sạch) của khu vực xung quanh

Phòng viễn thông là không gian trong tòa nhà, nơi tập trung các thiết bị viễn thông để kết nối hệ thống cáp ngang và cáp trục chính, theo tiêu chuẩn ISO/IEC.

Theo tiêu chuẩn 18010 và ISO/IEC 11801, mỗi sàn có diện tích trên 1000m² cần ít nhất một FD được bố trí tại một TR Tuy nhiên, có ngoại lệ cho những sàn nhà chủ yếu có không gian dành cho khu vực tiếp tân, phòng cơ khí hoặc cơ sở tập thể dục, nơi không nhất thiết phải có FD riêng biệt Trong trường hợp này, FD có thể được cung cấp từ sàn liền kề.

Kích thước phòng Viễn thông cần được xác định dựa trên các thiết bị hiện tại và dự kiến trong tương lai Theo tiêu chuẩn ISO/IEC 18010, kích thước tối thiểu được khuyến cáo để đảm bảo hiệu quả hoạt động và bảo trì thiết bị.

6 m2 (đối với diện tích sàn từ 500 - 800 m2) và 10 m2 1000 m2 trở lên

Tất cả các không gian cần được chiếu sáng đầy đủ với độ sáng 500 lux tại vị trí 1 mét so với mặt sàn ở giữa lối đi Đường cáp ngang phải kết thúc tại các tủ điều khiển (TR) nằm trên cùng một tầng với khu vực được phục vụ Không gian dành cho TR sẽ được sử dụng riêng cho viễn thông và không nên chia sẻ với các lắp đặt điện, trừ khi có yêu cầu cho viễn thông Ngoài ra, cần cung cấp ít nhất hai ổ cắm điện cho các thiết bị điện, với mỗi ổ cắm được kết nối qua một mạch riêng biệt.

Phòng Thiết bị tạo ra một môi trường kiểm soát tập trung cho việc bố trí các thiết bị viễn thông, bao gồm kết nối chéo, kết nối phần cứng, nền tảng, cơ sở vật chất liên quan và thiết bị bảo vệ.

ER bao gồm hầu hết các thiết bị điện tử cho mạng LAN, như Core & Workgroup Switch và modem cho mạng WAN trong một khuôn viên hoặc tòa nhà Ngoài ra, ER còn có thể chứa thiết bị lưu trữ, tổng đài, hệ thống PA, cùng với thiết bị và cáp kết nối cho an ninh và báo động cháy Để giảm thiểu bức xạ EMI, các thiết bị điện lưu trữ và UPS lớn nên được đặt cách xa các thiết bị mạng.

Ngoài ra, các nhà phân phối khuôn viên và cáp trục chính cũng có thể đƣợc chấm dứt trong các ER

EMI, hay cảm ứng của năng lượng điện từ không mong muốn, xảy ra khi từ trường gần cắt ngang qua các dây cáp viễn thông Nguồn gây ra EMI có thể bao gồm hệ thống dây điện, động cơ điện, đèn huỳnh quang, máy photocopy và các thiết bị phát EMI khác Để giảm thiểu tác động của EMI, các cặp cáp dữ liệu cân bằng nên được giữ càng xa nguồn EMI càng tốt Khoảng cách tối thiểu cần thiết sẽ phụ thuộc vào loại cáp dữ liệu, cách bố trí cáp và mạch LV hiện tại cũng như số lượng thiết bị.

Hướng dẫn cài đặt cáp

Hiệu suất của cáp cân bằng phụ thuộc vào việc duy trì hình dạng cáp dọc theo chiều dài tuyến đường Điều này không chỉ áp dụng cho các thành phần của liên kết mà còn cho môi trường bên ngoài và tín hiệu trên cáp Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, cáp cần được cài đặt một cách cẩn thận, tránh làm tổn hại đến sự cân bằng của các thành phần liên kết.

Quản lý cài đặt cáp đúng cách là rất quan trọng để duy trì chất lượng và ngăn ngừa chi phí phát sinh do phải thay thế cáp khi xảy ra sự cố Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, cặp cáp cần phải đạt được các thông số truyền vượt qua các tiêu chuẩn thử nghiệm đã được quy định.

Phân tích về bài toán thiết kế hệ thống cáp cấu trúc

Khi thiết kế hệ thống cáp cấu trúc cho tòa nhà thương mại, cần chú ý đến các thông số chính để đảm bảo tính toán chính xác.

- Vị trí, số lƣợng các CD, BD, FD

- Loại cáp và chiều dài cáp mỗi loại

- Máng cáp và ống luồn cáp

Khi xây dựng một tòa nhà thương mại, việc xác định hạ tầng viễn thông ban đầu dựa vào bản vẽ thiết kế và các thông số liên quan là rất quan trọng.

- Số lƣợng tòa nhà trong khuôn viên

- Diện tích khuôn viên, khoảng cách giữa các tòa nhà

- Diện tích của từng mặt sàn các tòa nhà

- Số lƣợng các TO và vị trí sơ bộ

- Các yêu cầu sơ bộ để xác định loại cáp sử dụng tối thiểu

Chúng ta đã phát triển phương pháp tính toán để xác định các thông số quan trọng như vị trí và số lượng các TO, số lượng CD, BD, FD, cũng như loại cáp cần thiết.

Khi chọn loại cáp cho hệ thống cáp trục và cáp ngang, việc xác định sử dụng cáp quang hay cáp đồng cần dựa vào hai bảng tiêu chí cụ thể.

Bảng 2.01: Lựa chọn cáp đồng theo các ứng dụng

Bảng 2.02: Lựa chọn cáp quang theo các ứng dụng

2.1.2 Lựa chọn đường dẫn cáp

Dựa theo công thức tính số lượng cáp trên đường dẫn:

Ta xác định được bảng lựa chọn số lượng cáp đồng trong đường ống như sau:

Bảng 2.03:Lựa chọn số lượng cáp đồng trong đường ống

Và bảng lựa chọn số lượng cáp trong đường máng như sau:

Bảng 2.04: Lựa chọn số lượng cáp đồng trong đường máng

2.1.3 Lựa chọn khoảng cách đường cáp với EMI

Bảng thiết kế yêu cầu tách đường dẫn cáp với đường dẫn điện gồm:

- Đối với đường dẫn không có vách ngăn:

Bảng2.05:Khoảng cách đường cáp với đường dẫn cáp điện khi không có vách ngăn

- Đối với đường dẫn có vách ngăn:

Bảng 2.06: Khoảng cách đường dẫn cáp với đường dẫn cáp điện khi có vách ngăn

Bên cạnh đó ta có bảng yêu cầu khoảng cách của đường cáp với các nguồn gây ra EMI khác:

Bảng 2.07: Khoảng cách đường cáp với các nguồn gây ra EMI khác

Lắp đặt cáp trong ống thép kim loại dày hơn 1.5mm sẽ giúp giảm thiểu hoặc loại bỏ tác động của EMI.

Để xác định các thông số cần thiết, cần chú ý đến vị trí đặt CD, BD, FD và số lượng cáp cho từng loại Vị trí BD thường được đặt ở trung tâm, gần khu vực để thuận tiện cho việc dẫn và kéo cáp theo phương thẳng đứng của tòa nhà Trong các hệ thống tòa nhà đơn, vị trí CD thường trùng với BD, trong khi đó, đối với hệ thống khuôn viên có nhiều tòa nhà, CD cũng sẽ trùng với BD tại vị trí tòa nhà trung tâm trong khuôn viên.

Vấn đề quan trọng còn lại là xác định vị trí các FD và tổng chiều dài cáp từ các FD đến các TO sao cho chiều dài cáp tại các vị trí FD là nhỏ nhất.

Không mất tính tổng quát, ta sẽ xây dựng và giải quyết bài toán xác định vị trí

Bài toán thiết kế hệ thống cáp ngang liên quan đến việc xác định tổng chiều dài cáp từ vị trí FD đến các TO trên một mặt sàn, với điều kiện tổng chiều dài cáp tại vị trí FD là nhỏ nhất.

Bài toán thiết kế hệ thống cáp ngang

2.2.1 Xây dựng bài toán thiết kế hệ thống cáp ngang

Ban đầu, bài toán sẽ cho trước các thông số:

- Diện tích mặt sàn của tòa nhà

- Chiều cao từng tầng của tòa nhà

- Số lƣợng và vị trí các TO

- Một số vị trí nhất định có thể đặt FD

Ta cần giải quyết bài toán để tìm ra các thông số:

Vị trí tối ưu để đặt FD là nơi mà tổng chiều dài cáp từ FD đến tất cả các TO trên cùng một mặt sàn là ngắn nhất.

- Tổng độ dài cáp ngang tương ứng

2.2.2 Hướng tiếp cận giải quyết bài toán thiết kế hệ thống cáp ngang

Để xác định vị trí FD tối ưu và tổng độ dài cáp ngang tương ứng, chúng ta sẽ áp dụng thuật toán vét cạn Phương pháp này cho phép xem xét tất cả các trường hợp có thể của FD, với số lượng FD được xem xét là hữu hạn và đủ nhỏ.

Mô tả ý tưởng thuật toán

Bước 1: Duyệt tất cả các vị trí FD, với mỗi vị trí tính tổng độ dài cáp tới toàn bộ các

TO trong mặt sàn Có hai cách ƣớc lƣợng độ dài cáp từ FD đến mỗi TO

+ Cách tính thứ nhất: Tính độ dài từ FD tới TO là độ dài đoạn thẳng của 2 điểm

FD và TO trên cùng mặt phẳng

Cách tính thứ hai là xác định độ dài từ FD đến TO, tương ứng với chiều dài thực tế của đường cáp, bao gồm các đoạn dây chạy dọc theo các trục của tòa nhà.

Bước 2: Trong các tổng thu được chọn tổng nhỏ nhất

Bước 3: Chọn vị trí FD tương ứng với tổng nhỏ nhất này

2.2.3 Mô tả chương trình thiết kế hệ thống cáp ngang

Để xác định các thông số của mặt sàn như chiều dài và chiều rộng (d và r), tôi sử dụng kiểu dữ liệu 2 chiều Đồng thời, tôi cũng khai báo một số hằng số cần thiết để phục vụ cho việc tính toán.

// Các thông số cho trước

// Tạo kiểu dữ liệu có 2 chiều x và y

- Xây dựng các hàm con phục vụ tính toán

Tạo hàm tính khoảng cách giữa 2 điểm Distance(Pos A, Pos B):

Cách 1 tính theo khoảng cách Euclid double Distance (Pos A, Pos B)

Cách 2 tính theo cách đi dây theo các trục của tòa nhà double Distance(Pos A, Pos B)

{ return (sqrt((double)(A.x-B.x)*(A.x-B.x))+sqrt((double)(A.y-B.y)*(A.y-B.y))+ 2*chieucao);

Tạo hàm tính khoảng cách từ FD tới các TO DistanceFDtoNode(Pos A, Pos ArrTOInput[SoTO]): double DistanceFDtoNode(Pos A, Pos ArrTOInput[SoTO])

{ double result = 0; for(int i = 0; i < SoTO; i++) { result = result + Distance(A,ArrTOInput[i]);

Tạo hàm xác định vị trí FD FindPos(Arr [MAX_X*MAX_Y]): int FindPos(double ArrFD [MAX_X * MAX_Y])

{ double result = ArrFD[0]; int pos = 0; for (int index = 0;index < MAX_X * MAX_Y; index ++) { if(result > ArrFD[index]) { result = ArrFD[index]; pos = index;

- Xây dựng chương trình chính:

+ Khai báo các thông số sẽ sử dụng: void main()

Pos ArrFD [MAX_X * MAX_Y]; int x; int y; int pos; double result [MAX_X * MAX_Y]; int index = 0;

+ Yêu cầu nhập vào vị trí m nút mạng TO:

-> em có mảng m nút mạng TO: ArrTOInput[SoTO] printf("\tNhap toa do cac nut mang TO \n"); for(int i = 0;i xác đinh đƣợc tập các giá trị tổng khoảng cách for(index = 0; index < MAX_X*MAX_Y;index++) {

48 result[index] = DistanceFDtoNode(ArrFD[index],ArrTOInput);

} + Sử dụng hàm xác định vị trí FD tối ƣu và cho ra kết quả

-> xác định đƣợc vị trí FD tối ƣu cần tìm trong mảng pos = FindPos(result); printf("Vi tri FD toi uu trong mang la: %d \n",pos);

+ Yêu cầu xuất ra kết quả xác đinh đƣợc

-> tọa độ FD trong mảng

Tổng khoảng cách từ điểm FD đến các nút mạng TO được tính toán và hiển thị với tọa độ tối ưu là: X = %d; Y = %d Kết quả cho thấy tổng khoảng cách từ FD tối ưu đến các nút TO là: %f m.

+ Với những trường hợp chỉ định trước vị trí FD(xF,yF), em sẽ gán vị trí FD trong mảng

-> chỉ ra vị trí FD trong mảng pos = vitriFD; printf("Vi tri FD trong mang la: %d \n",pos);

+ Yêu cầu xuất ra kết quả xác đinh đƣợc

-> tọa độ FD trong mảng

-> tổng khoảng cách từ FD tới các nút mạng TO

49 printf("toa do FD can tim la: X = %d; Y = %d", ArrFD[pos].x,ArrFD[pos].y); printf("\nTong khoang cach tu FD toi cac TO la: %f m \n\n",result[pos]); getch();

+ Tính thời gian chương trình chạy clock_t start, end; start = clock(); chương trình chạy … end = clock(); printf("The time was: %f\n", (end - start) / CLK_TCK);

ÁP DỤNG BÀI TOÁN THIẾT KẾ VÀO THỰC TẾ: DỰ ÁN NGÂN HÀNG NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN CHI NHÁNH HOÀNG QUỐC VIỆT

Thực trạng dự án

Ngân hàng Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Việt Nam, với nền tảng tài chính vững mạnh và chiến lược phát triển hệ thống, đã tiến hành đầu tư xây dựng trụ sở chi nhánh Hoàng Quốc Việt Tòa nhà mới này gồm 11 tầng nổi và 2 tầng hầm, đáp ứng nhu cầu hoạt động và phục vụ khách hàng hiệu quả.

- Diện tích sàn thiết kế là 26m chiều dài và 14,2m chiều rộng

- Mỗi tầng chia thành nhiều phòng ban tương ứng với từng bộ phận

- Phòng máy chủ đặt tại tầng 6 của tòa nhà.

Chi tiết thiết kế hệ thống cáp cấu trúc

3.2.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống

Nhiệm vụ của việc thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống là xác định các thông số cơ bản của hệ thống cáp cấu trúc:

- Dự án chỉ là một tòa nhà nên ta sẽ sử dụng một BD, không có CD

Với diện tích mặt sàn 370m², mỗi mặt sàn sẽ được thiết kế với một FD riêng Nếu mặt sàn có số TO nhỏ hơn 10, chúng ta sẽ kết nối vào FD của mặt sàn kế tiếp.

Mỗi vị trí làm việc cần có tối thiểu 2 ổ cắm viễn thông, ưu tiên lắp đặt các ổ cắm vào tường cố định Đối với những vị trí xa tường, sẽ lắp đặt ổ cắm âm sàn Các ổ cắm sử dụng đầu RJ45, trong đó 1 ổ cắm phục vụ cho hệ thống mạng máy tính và 1 ổ cắm cho hệ thống điện thoại.

- Tại các sảnh, phòng họp, phòng ăn sẽ ƣu tiên có 1 ổ cắm viễn thong để lắp thiết bị phát wireless

 Ta xác định đƣợc sơ bộ sẽ có 450 TO, 1 BD, 7 FD

Hệ thống cáp ngang cần đảm bảo băng thông 1GB để đáp ứng yêu cầu CSMA/CD 1000BASE-T Theo bảng 2.01, loại cáp phù hợp là Cat6 UTP 4 đôi dây, không sử dụng CP Việc đấu nối sẽ sử dụng hệ thống thanh đấu nối patchpanel với 24 và 48 cổng, số lượng thanh đấu nối sẽ được điều chỉnh phù hợp với số lượng TO của từng tầng.

Hình 3.01: Sơ đồ nguyên lý hệ thống mạng

Hệ thống cáp trục tòa nhà cần đảm bảo băng thông truyền tải đạt XGB, với khoảng cách tối đa từ BD đến từng FD không vượt quá 300m để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.

Theo tiêu chuẩn IEE802.3: 10GBBASE-SR/SW, chúng ta cần sử dụng cáp quang OM3 với 6 sợi, trong đó 4 sợi sẽ được sử dụng cho 2 đường truyền nhận và 2 sợi còn lại để dự phòng Việc đấu nối sẽ được thực hiện thông qua hộp đấu nối ODF, với đầu nối chuẩn SC Số lượng đầu nối sẽ tương ứng với số sợi quang kéo về từng tủ: các tủ chứa FD sẽ có 6 đầu nối, trong khi tủ BD sẽ có 48 đầu nối.

Hệ thống cáp trục tòa nhà cho hệ thống thoại sẽ sử dụng cáp đồng cân bằng với 50 và 100 đôi dây, tương ứng với số lượng ổ cắm thoại ở các tầng Việc đấu nối sẽ được thực hiện bằng phiến đấu dây loại 50 và 100 đôi.

Máng cáp kim loại có kích thước 200x50 mm là lựa chọn tối ưu cho việc chứa tối đa 100 sợi cáp Cat6 UTP, phù hợp để chạy dọc theo từng sàn.

 Đường ống chứa cáp có vị trí tối đa chứa đến 4 sợi cáp Cat6 UTP nên ta lựa chọn ống nhựa có đường kính 20

3.2.2 Thiết kế hệ thống cáp ngang cho từng tầng bằng giải pháp đề xuất

Trong bài viết này, chúng ta sẽ áp dụng thuật toán đề xuất để thiết kế hệ thống cáp ngang cho từng tầng Mục tiêu là xác định vị trí FD tối ưu và tính toán chiều dài cáp cần sử dụng cho các tầng, bao gồm cả vị trí FD tối ưu đã được xác định và vị trí FD thực tế đang sử dụng.

Mô tả dữ liệu đầu vào

Các vị trí đặt FD và TO tại các tầng được mô tả chi tiết trong bản vẽ thiết kế hệ thống cáp cấu trúc ở phụ lục đính kèm Để thuận tiện cho việc thống kê, ta đã thêm trục tọa độ cho các tầng, từ đó có thể lập bảng vị trí cụ thể của các TO và FD.

Bảng 3.01: Vị trí các TO và FD ở tầng 1

Bảng 3.02: Vị trí các TO và FD ở tầng 2

Bảng 3.03: Vị trí các TO và FD ở tầng 3

Bảng 3.04: Vị trí các TO và FD ở tầng 4

Bảng 3.05: Vị trí các TO và FD ở tầng 5

Bảng 3.06: Vị trí các TO và FD ở tầng 6

Bảng 3.07: Vị trí các TO và FD ở tầng 8

Bảng 3.08: Vị trí các TO và FD ở tầng 9

Kết quả chạy thử giải thuật đề xuất

Sau khi nhập các vị trí các TO và FD vào chương trình và chạy chương trình, ta có đƣợc Bảng thống kê cho hệ thống cáp ngang:

Bảng 3.09: Bảng thống kê hệ thống cáp ngang

- Vị trí FD tối ƣu c1 là vị trí FD tối ƣu xác định đƣợc theo cách tính thứ nhất

- Vị trí FD tối ƣu c2 là vị trí FD tối ƣu xác định đƣợc theo cách tính thứ hai

- Vị trí FD thực tế là vị trí FD đƣợc sử dụng trong thực tế đã thi công

- Cáp tối ƣu c1 là tổng độ dài cáp từ FD tối ƣu c1 tới các TO tính theo c1

- Cáp tối ƣu c2 là tổng độ dài cáp từ FD tối ƣu c2 tới các TO tính theo c2

- Cáp thực tế c1 là tổng độ dài cáp từ FD thực tế tới các TO tính theo c1

- Cáp thực tế c2 là tổng độ dài cáp từ FD thực tế tới các TO tính theo c2

- Cáp thực tế là tổng độ dài cáp lấy từ thực tế thi công

- Sai lệch là tỉ lệ sai lệch giữa tổng cáp thực tế c1 so với tổng thực tế, tổng cáp thực tế c2 so với tổng thực tế

Ta tính đƣợc tổng chiều dài cáp ngang tính theo cách 1 so với thực tế là ít hơn 61,86%, còn tính theo cách 2 so với thực tế là ít hơn 27,64%

Bài toán hệ thống cáp ngang đã được giải quyết, xác định vị trí đặt các FD tối ưu và tính toán chiều dài cáp ngang cần thiết cho cả hai trường hợp tối ưu và thực tế.

3.2.3 Áp dụng giải pháp đề xuất để tính toán hệ thống cáp trục tòa nhà

Chúng tôi tiếp tục sử dụng giải thuật đề xuất để tính toán hệ thống cáp trục trong tòa nhà, trong đó BD được xem như FD và FD đóng vai trò là TO trên cùng một mặt sàn.

Khoảng cách từ BD đến FD cần được xem xét thêm với yếu tố khoảng cách giữa các tầng trong tòa nhà Dưới đây là các bảng thống kê cho hệ thống cáp trục của tòa nhà.

Trường hợp 1: Áp dụng với vị trí BD và FD thực tế:

Tủ FD.01 FD.02 FD.03 FD.04 FD.05 FD.08 FD.09 BD

Bảng 3.10: Bảng thống kê hệ thống cáp trục tòa nhà trong trường hợp 1

Tổng số cáp trục tòa nhà tính theo cách 1 so với thực tế là ít hơn 37,14%

Tổng số cáp trục tòa nhà tính theo cách 2 so với thực tế là ít hơn 5,14%

Nhƣ vậy ta đã tính toán đƣợc lƣợng cáp trục tòa nhà sẽ sử dụng trong thực tế

Trường hợp 2: Áp dụng với vị trí FD tối ưu và tìm BD tối ưu theo cách 1:

Tủ FD01.1 FD02.1 FD03.1 FD04.1 FD05.1 FD06.1 FD08.1 FD09.1 BD

Vị trí thực (13,11) (15,11) (19,10) (11,12) (16,12) (18,11) (14,9) (14,9) (15,11) Cáp tối ƣu c1 19 m

Bảng 3.11: Bảng thống kê hệ thống cáp trục tòa nhà trong trường hợp 2

Trường hợp 3: Áp dụng với vị trí FD tối ưu và tìm BD tối ưu theo cách 2:

Tủ FD01.1 FD02.1 FD03.1 FD04.1 FD05.1 FD06.1 FD08.1 FD09.1 BD

Vị trí tối ƣu c2 (13,11) (15,12) (19,10) (11,13) (16,12) (20,12) (14,10) (15,10) (15,11) Cáp tối ƣu c2 89 m

Bảng 3.11: Bảng thống kê hệ thống cáp trục tòa nhà trong trường hợp 3

Đánh giá kết quả thu đƣợc

3.3.1 Với hệ thống cáp ngang

Trường hợp tính theo vị trí FD thực tế

- Phương pháp tính thứ nhất cho kết quả xa rời thực tế

- Phương pháp tính thứ hai cho kết quả gần với thực tế nhưng vẫn còn sai lệch lớn Nguyên nhân có sai lệch lớn nhƣ vậy vì:

Khi kéo dây hệ thống cáp ngang, công nhân thường để lại khoảng 1m đến 2m ở mỗi đầu dây để cuộn lại, nhằm dự phòng cho việc bấm đầu dây và thuận tiện cho việc di chuyển sau này.

Cáp đồng được sản xuất thành từng cuộn nhỏ dài 305m, vì vậy khi cuộn dây hết, đoạn dây thừa có thể được sử dụng làm dây nhảy để kết nối từ thiết bị đầu cuối (TO) đến thiết bị của người dùng.

Trường hợp tính theo vị trí FD tối ưu

Trong trường hợp xác định vị trí FD thực tế, phương pháp tính thứ nhất cho kết quả không chính xác và không phản ánh đúng thực tế Do đó, chúng ta sẽ không áp dụng phương pháp tính này.

Sử dụng vị trí FD tối ưu và tính chiều dài cáp theo phương pháp thứ hai, với tỷ lệ sai lệch làm hệ số quy đổi từ tính toán sang thực tế, lượng cáp ngang tối ưu thực tế được tính là 11131 m Như vậy, tỷ lệ cáp thực tế tiết kiệm được là 27%.

3.3.2 Với hệ thống cáp trục tòa nhà

Trường hợp tính theo vị trí FD thực tế

- Phương pháp tính thứ nhất cho kết quả xa rời thực tế

- Phương pháp tính thứ hai cho kết quả rất gần với thực tế Nguyên nhân có sai lệch nhỏ nhƣ vậy vì :

Khi kéo dây cáp trục tòa nhà, công nhân thường để lại khoảng 0,5m đến 1m ở mỗi đầu dây để thuận tiện cho việc đấu nối cáp quang Điều này cũng đồng nghĩa với việc không thể cuộn dây lại như cáp đồng.

Cáp quang được sản xuất theo cuộn lớn với chiều dài 1000m và 2000m, do đó, trong một dự án kéo cáp, lượng cáp sử dụng sẽ tương ứng với nhu cầu thực tế, giúp giảm thiểu tối đa đoạn dây thừa.

Trường hợp tính theo vị trí FD tối ưu

Trong trường hợp tính theo vị trí FD thực tế, phương pháp tính thứ nhất không mang lại kết quả chính xác, vì vậy chúng ta không xem xét phương pháp này cho tình huống hiện tại.

Sử dụng vị trí FD tối ưu và tính chiều dài cáp theo phương pháp thứ hai, kết hợp với tỉ lệ sai lệch làm hệ số quy đổi từ tính toán sang thực tế, lượng cáp trục tòa nhà tối ưu thực tế được tính toán là 178 m Từ đó, tỉ lệ cáp thực tế tiết kiệm được đạt 49%.

3.3.3 Thời gian chạy chương trình

Chương trình thực hiện tính toán từ khi nhập dữ liệu đầu vào về vị trí các TO cho đến khi xác định vị trí đặt FD tối ưu, với thời gian hoàn thành là 0,054945 giây.