ツイストペアケーブル

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ノイズ除去の仕組み

ツイストペアケーブル(Twisted pair cable、ツイステッドペアケーブル)は、撚り対線(よりついせん)とも言い、電線を2本対で撚り合わせたケーブルである。単なる平行線よりノイズの影響を受けにくい。TPケーブルと言う場合もある。

古くからある技術であり電話線などに用いられてきたが、近年ではイーサネットの特にLANでの配線に使われる例がよく知られている。

概要[編集]

平衡接続による通信の運用では、二本のワイヤは同量で逆向きの信号を伝え、受信側は二本の差分を検出する。これはディファレンシャルモード(差動モード)転送として知られる。ノイズ源はノイズ信号をワイヤに電気的または磁界による結合によって導入するが、それは両方のワイヤに等しく結合する傾向にある。このようにコモンモード信号として発生したノイズは、受信側では差動信号が取り込まれる際にキャンセルされる。

この手法は、ノイズ源が一方のワイヤに近い時に効力を失う。近い方のワイヤがノイズにより強く結合し、受信側の同相信号除去作用がノイズを除去するのを失敗させる。この問題は、通信ケーブルでペア同士が長い距離同行している場合に顕著に現れる。ひとつのペアがもう一つのペアにクロストークとして誘導し、それはケーブルの長さによって増加する。ペアをツイストすると、ワイヤのツイストの半分ごとにノイズ源に近いワイヤが入れ替わることで、この問題に対処される。

妨害源が、一つのツイスト距離より長く、均質に掛かっていると、誘導されたノイズはコモンモードとして残留する。差動信号の手法はまた、ケーブルからの電磁波放出を減少させるとともに、減衰も減少させ、交換機間の距離を伸ばすことができる。

ツイスト率(ツイストピッチ,通常はメートル当たりのツイスト数で表す)は、ケーブルの主要な仕様となる。隣り合ったペアのツイスト率が同じだと、別々のペア同士で同じ導線が繰り返し隣り合うようになるので、差動モードの利点を失うことになる。この理由により、少なくともケーブル内の少数のペアはツイスト率を変える必要がある[1]

FTP(金属箔被覆ツイストペア)やSTP(シールド付きツイストペア)のケーブルとは対照的に、UTP(シールド無しツイストペア)ケーブルはシールド材に囲まれていない。これは電話線における基礎的なタイプであり、コンピュータネットワーク用では、とりわけパッチケーブル、または一時的なネット接続用のようにケーブルの高い柔軟性を生かした用途で一般的である。

歴史[編集]

電柱上でのワイヤトランスポジション

初期の電話では、電報線や、オープンワイヤ片側接地回路が使用されていた。1880年代、 路面電車の架線が多くの街で敷設され、それらの回路にノイズを誘導した。告訴では解決できないと、電話会社は平衡回路に転換した。それはまた付随的に減衰の減少をもたらし、それによって領域を拡大させた。

電力の供給がより一般的になると、この手段では不十分であると判明した。電柱の上のクロスバーの両端に張られた二本のワイヤは、送配電線と経路を共有した。何年か経つと、電力利用の成長が通話妨害を再び増加させたので、技術者たちは妨害除去のために、ワイヤトランスポジション(ワイヤ位置交換)という手法を考案した。

ワイヤトランスポジションでは、電柱何本かに一回ワイヤ位置を入れ替える。この方法では、二本のワイヤは送配電線から同等の誘導障害を受ける。これはツイストペア手法の初期の実装であり、ツイスト率はキロメートルあたり4回、またはマイルあたり6回である。このようなオープンワイヤ平衡線による周期的なトランスポジションは、農村部で今でも残っている。

ツイストペアケーブルは、アレクサンダー・グラハム・ベルによって1881年に発明された[2]。1900年までには、アメリカの電話回線ネットワーク全体は、ツイストペアあるいはトランスポジションオープンワイヤのいずれかで妨害に対する保護を行った。今日では、世界中の何百万キロメートルものツイストペアケーブルのほとんどが屋外配線にあり、電話会社所有で、通話サービスに供されており、電話工事士によってのみ取り扱われている。

イーサネットでの利用[編集]

1990年頃、イーサネットが大企業などに本格的に利用が始まるには、10BASE-2や10BASE-5の同軸ケーブルに代わってカテゴリー3レベルのUTPを使う10BASE-T規格が必要であった。当初、イーサネットが普及し始めた頃に10BASE-Tを使う場合はカテゴリ3のケーブルであった。

日本国内では、10BASE-Tによるイーサネット接続が一般家庭・中小企業にも普及し始めたのは、Windows 95が登場した1990年代中頃であり、すぐに100BASE-TXが登場したために、パソコンショップ等の一般消費者向けの店頭でもカテゴリ3のものが見られる時期はごく短かった。LANとLANケーブルが普及してケーブルが初めて敷設される段階で既に、カテゴリ5のケーブルが用いられた。その結果1998年頃から普及価格帯に降りてきた100BASE-TXを、ハブLANボードの交換だけで利用できることにつながり、移行にかかる手間やコストを大幅に削減しながらも高性能を得ることができた。

シールドの有無による分類[編集]

UTP[編集]

シールドが施されていないツイスト・ペア・ケーブルをUTP(Unshielded Twisted Pair、アンシールデッド・ツイステッド・ペアー)ケーブルと言い、電話線やイーサネットなどで使われる。取回しが簡単で安価なため、特に高速伝送を求められないイーサネットのLAN用途に標準的に使用されている[3]。日本で一般に販売されているLANケーブルの多くはUTPケーブルである。

STP[編集]

UTPに対し、電線対にシールドが施されたものをSTP(Shielded Twisted Pair、シールデッド・ツイステッド・ペアー)ケーブルという。これらはノイズが非常に多い工場内や野外、少しでも高い通信速度が必要とされる場面(例:1000BASE-CX)で使われる。またヨーロッパではSTPが主流であり、UTPはあまり普及していない。[要出典]

なお、シールドの有無によりUTPとSTPに区別する事は一般的であるが、シールドの方式によりFTP(Foilded TP:ホイルシールド)、STP(編組シールド)に区別することもある(10ギガビット・イーサネット参照)。また規格上は、シールデッドツイストペアはSTPではなく、FTPと呼称されている[4]

STPを使用する際は接地の必要があるため、ハブなどもSTP対応機器を用いる必要がある。接地については、「LANケーブルのノイズ対策のための接地」 [5] を参照のこと。

カテゴリー5対応STPなどでは一重、カテゴリー7(規格策定中)では二重シールドが施されている。

STPの注意点[編集]

現在[いつ?]のところ、工業規格化されているSTPケーブルは、ISO/IEC 25N1173によるカテゴリー6A/7A STPケーブルのみであり、それ以外のエンハンスドカテゴリー5(CAT5E)、カテゴリー6(CAT6)のSTPケーブルはすべてメーカー独自規格であることに注意が必要である。

また、STPケーブルのコネクター部分も規格化され、従来の8P8C(通称RJ45)に替わりTERAGG45ARJ45などが策定され実装されている。これらの実装では、コネクタの外側にケーブルシールドに接続されたメタルシールドがあり、STP用の機器のジャックに装備されている信号シールドに接地される。

従来の8P8Cはアンシールデッドであり、8P8Cを用いたSTPケーブルが「カテゴリー7」と銘打って一部は一般にも市販されているが、これらは完全にメーカー独自規格であること、さらにシールドが接地されてないために様々な問題、例としてコモンモードノイズによるEMIが起きる可能性に注意が必要である。

STPケーブルはシールドそのものでだけでなく、銅電線が太い場合や、内部にスペーサー等が含まれているものがあり、UTPケーブルと比べて太いことが多かった。 しかしカテゴリー6以降はUTPでもセパレーター(十字介在)が必須になり、また銅線が太くなっていることや、カテゴリー6Aではエイリアンクロストーク等を防ぐために周囲介在が追加されケーブル全体が太くなっているため、最新のカテゴリー6AケーブルではSTPの方が細くなっている。[6]

高速伝送用・長距離のSTPケーブルは以下の点で問題があるため、一切の電気的ノイズが混入しない光ファイバー・ケーブルが使われることも多くなっている。

カテゴリによる分類[編集]

ツイストペアケーブルはいくつかのカテゴリに分かれて規格化されている。主な利用目的などを以下に示す。

カテゴリー1 (Category 1)
4芯2対で電話線等に。電線#通信用も参照
カテゴリー2 (Category 2)
8芯4対でISDN等に。
カテゴリー3 (Category 3)
10BASE-T等に。16MHzまで対応。
カテゴリー4 (Category 4)
トークンリングATM等に。
カテゴリー5 (Category 5)
100BASE-TX等に。100MHzまで対応。
エンハンスドカテゴリー5 (Enhanced Category 5)
100BASE-TX、1000BASE-T等に。
カテゴリー6 (Category 6)
1000BASE-TX10GBASE-T等に。ケーブル中央に十字型の仕切りを設けることでケーブルのねじれなどによる損失を防止した。250MHzまで対応。
カテゴリー6A (Augmented Category 6)
カテゴリ6をさらに改良し、10GBASE-T等に対応したもの。伝送周波数帯域幅は500MHz。
カテゴリー7、カテゴリー7A (Category 7、Augmented Category 7)
10GBASE-T等に。8芯4対を対毎に箔によりシールドし、さらに同軸ケーブルと同様に全体を編組線でシールドしている(よってSTPのみ)。現在規格策定中。2011年現在、Cat7規格としてRJ-45コネクタを使用したケーブルが複数販売されているが、規格外の製品である[7]

カテゴリが上がるにつれ、撚りのピッチが細かくなったり、十字介在物や箔の追加によってケーブルが硬くなる傾向にある。UTPとSTPのとそれぞれのグループ内では、上位カテゴリのケーブルを下位カテゴリのケーブルの代替として用いることが可能である。たとえばエンハンスドカテゴリ6のケーブルを[要出典]100BASE-TXに使用することが可能である。カテゴリーはISDN時代には「レイヤー」と呼んでいたこともあり、技術者によっては今でもそう呼ぶ場合がある。

技術[編集]

信号ケーブルであるツイステッド・ペアー・ケーブルは、ノイズ混入を避ける事が最大の技術的課題である。ノイズの混入ルートは2つあり、内部からのノイズと外部からのノイズである。

  • 内部ノイズ
    • 漏話 - 特に大きな問題となる混入原因は、他の銅線に流れる信号が作る電磁誘導によって引き起こされる「漏話」(クロストーク)である。周波数が高くなると、電磁誘導の効果も高くなり漏話が起き易くなる。
    • 反射 - 周波数が高くなると銅線の交流抵抗、つまりインピーダンスの変化している箇所で反射が起こりやすくなる。
  • 外部ノイズ - 外部からもノイズは混入してくる。電源ケーブルからのノイズや、高周波(電波)などによる。

外部からのノイズはシールドによってかなり減らすことが出来る。また、2本の電線に撚り(より)をかけて「撚り対線」にすることで、ノイズの働く電磁界の向きを互い違いにして、影響を最小限にする工夫を行っている。出来るだけ漏話を避けるために、撚りのピッチを対線ペアごとに変えて、同じ向きに長い区間で向き合わないようにしたり、撚り対線ペアごとにシールドをかけたりする。

ケーブルを流れる電気信号は高い周波数ほど減衰しやすいため、高周波数対応のケーブルはそれだけ太い銅線の使用が必要となる[3]。市販のイーサネットケーブルは殆どが撚り芯線である。電話線は、古い屋内配線ではベル線と呼ばれる単芯線(ツイストペアではない2線平行)が使われていたが、近年では撚り芯線(ツイストペア)や、4本の線をひとまとめに撚り合わせたカッド線(quad・星型。対打ち線)が多い。

その他[編集]

ストレートとクロス[編集]

結線の仕方により、ストレートケーブルとクロスケーブルに分かれる。イーサネットでは、ストレートケーブルはNICクライアントサーバルータ)とハブとの接続、クロスケーブルはNIC同士の接続や、ハブ同士のカスケード接続に使われる。

2007年現在、一般ユーザー向けのスイッチングハブにはほとんどすべてに「AutoMDI/MDI-X」と呼ばれるストレート・クロス自動判別機能が付いている。そのため、スイッチングハブ同士のカスケード接続もストレートケーブルで可能となり、クロスケーブルの必要性は低くなっている。

敷設作業上の注意点[編集]

2008年時点では、100BASE-TXから1000BASE-Tへの移行が本格的となっている。PCとスイッチなどを接続するギガビット・イーサネットを使うには、カテゴリー5Eのケーブルでよいとされるが、価格差は殆ど無いためカテゴリー6が主流である。データセンターやバックボーン接続などでは、それよりも上位のカテゴリー6Aを敷設するケースも増えているが、ケーブルが太くて硬いことによる取り回しの悪さや対応機器が存在しないことなどから、こちらはオフィスや家庭で普及する見込みは立っていない。内外の主要メーカーは自社製品を認定業者が正しく施工した場合に限り15年から25年の製品保証をしている。

個人ユーザなどが店頭で購入するLANケーブルは、きりのいい数字の長さ(30cm・50cm・1m・3m・5m・7m・10m・20m・50m・100mなど)で、あらかじめ両端にコネクタを装着したものである。開封してすぐに使えるが、必要な長さとは必ずしも一致せず、例えば、多少の余長を含めて21mの長さが欲しい時に、20mを購入してぎりぎりで使うか、それよりかなり長い50mのものを購入するかしないといけない。

工事業者がLANケーブルを敷設する際は、ケーブル(段ボール箱に入った200m巻きなど)とRJ-45コネクタを用意し、床下や壁内を配線した後、ケーブルを切断し、圧着工具を用いて両端にコネクタを取り付けること(整端あるいは成端と呼ぶ)が一般的である。ケーブルにコネクタを取り付ける作業は少々慣れを要するが、現在では使いやすい工具や差し込みやすいコネクタが一般向けにも市販されており、工事業者でなくとも可能な作業である。なお、コネクタを取り付けた後は、LANテスター等と呼ばれる測定器で導通や短絡の有無は最低でも確認する必要がある。確実にケーブルの規格に合った通信が行えるか調べるためには、高価(数十万円から100万円以上)なテスターを用いて測定し、減衰や漏話レベルなどが規格内であるか確認する(計測値を記録し報告しなければならない現場も多い)。

また、ケーブルのメーカーに依頼して、必要な長さのケーブルを特注することもある。店頭販売されている既製品よりは割高になるが、長さの面でも品質の面でも好都合である。特にカテゴリ6以上のケーブルでは、よりの間隔が非常に狭く加工には慣れが必要になるので有用である。たとえカテゴリ6以上のケーブルを用いても、コネクタの取り付けが悪ければ、本来の伝送特性は得られない。

ケーブル外皮の色[編集]

ケーブル外皮(シース)の色に明確な基準はなく、またどのような色のケーブルを使っても通信することはできるが、事務所内のネットワークなどケーブル数の多いネットワークでは、各ケーブルの末端に行き先を示したラベルを貼付するなどの基本的な手法に加え、下記のどちらかの措置をとることでネットワークトラブルを未然に防いだり、保守性を高めることができる。

  • ネットワークの階層(基幹ネットワーク、DMZ区間、ハブ間、末端)に応じて色を区分する - 本来接続すべきでないネットワーク階層に接続してしまうトラブルを防ぐのに効果がある
  • 1台のハブから分岐するそれぞれのケーブルをすべて異なる色にする - ネットワーク構成変更時などに保守性を高めることができる。

ネットワーク階層に応じて色を区分する場合の例としては、ザ・シーモン・カンパニーのRecommended Color-Coding Schemeがある[8]

コネクタ周辺[編集]

単にRJ45に接続されて外皮をかしめられているだけでなく、折り曲げに強いようにコネクタと外皮をなだらかに覆うパーツや、コネクタの爪が何かに引っかかったまま引っ張られて折れることの無いようカバーするパーツが用いられる場合がある。

オーディオ信号用ケーブル[編集]

オーディオ信号をバランス伝送で伝送するためにSTPケーブルが用いられる。アナログ音声信号、デジタル音声信号(AES/EBU規格)で使われ、コネクタにはXLRタイプコネクターが使われることが多い。

芯線の種類[編集]

ツイストペアケーブルは8本の芯線を2本1ペアで撚り対線としたものであるが、芯線1本1本の導線にも種類があり、単線と撚り線のものがある。

単線
1本の銅線で構成されるため、撚り線に比べ固いため、扱いづらく、折り曲げにも弱い。しかし、伝送特性に優れるため長いケーブルには単線が向く。1000BASE-Tでは、単線ケーブルを使う必要がある。[9]
撚り線(より線)
7本の細い銅線で構成されているため、単線に比べ柔らかく扱いやすい(取り回しが良い)。しかし、伝送特性が変化しやすいため長いLANケーブルには向かない。

特殊な形状[編集]

配線場所によって特殊な形状のツイストペアケーブルが存在している。

フラットケーブル
窓と窓枠の隙間をくぐったり、OAフロアではない部屋のカーペットの下などに敷設可能なように、きしめんのような薄型のケーブルが作られている。アンダーカーペットケーブルと称して販売されていたり、隠語できしめんケーブルと呼ばれているものである。
工業規格は全て標準ケーブルによる試験を前提としており、フラットケーブルはメーカー独自規格となり性能、制限には注意が必要である。形状的に、一般のケーブルのように撚りがかけられないため、必然的にノイズには弱くなる。
細径ケーブル
配線の高密度化や取り回し、特にデータセンター等での省スペース化を目的として、導線を細いものに替えてケーブル径を細くしたものである。
こちらもメーカー独自規格となり性能、制限には注意が必要である。特にPower over Ethernetが利用できなかったり、ケーブル長に制限があるため注意が必要。
屋外用ケーブル
耐候性(耐水・耐熱・耐紫外線)のある外被のケーブルである。屋外配線の際、配管が利用できない場合に用いられる。耐風性や垂れ下がり防止など、長い距離を架空する場合は、スチールの支線が付いているものもある。
多対ケーブル
複数のツイストペアケーブルを束ねて1本にまとめて外皮をかぶせたケーブル。配線には集合ローゼットを組み合わせて使われる。配線の単純化や敷設の容易さ、末端でのハブの排除などのために採用される。全体のケーブル径は太くなるので、天井裏やOAフロア下への敷設となる(壁内などの配管内へ通すことも、太さや柔軟性が失われるため、非常に困難である)。

出典[編集]

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  1. ^ Crosstalk dependence on number of turns/inch for twisted pair versions of the end-cap umbilical cable”. 2011年5月8日閲覧。
  2. ^ US 244426, Bell, Alexander Graham, "Telephone-circuit", issued 1881 . See also TIFF format scans for USPTO 00244426
  3. ^ a b 日経NETWORK 2004/3
  4. ^ https://www.sanwa.co.jp/lan/lan_qa.html
  5. ^ [1] LANケーブルのノイズ対策のための接地(NL22号 Q&Aより) (PDF) 通信興業(株) > 技術情報 > FAQ > メタルLANケーブル
  6. ^ http://www.bicsi-japan.org/event/2008/pdf/kaneda.pdf
  7. ^ JEITA 情報配線システム標準化専門委員会 ツイストペア配線 最新規格動向と関連情報
  8. ^ [2] Recommended Color-Coding Scheme,The Siemon Company 2010年(平成22年)8月21日閲覧
  9. ^ [3] 単線ケーブルのススメ(サンワサプライ)

関連項目[編集]