萬兆以太網(wǎng)編碼及傳輸分析

文｜羅森伯格亞太電子有限公司 周 煒

萬兆以太網(wǎng)編碼及傳輸分析

文｜羅森伯格亞太電子有限公司 周 煒

最早的萬兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)在2002年IEEE 802.3ae標(biāo)準(zhǔn)。萬兆以太網(wǎng)最初是利用光纖傳輸10Gbps的數(shù)據(jù)流。原來的期望是相比于千兆網(wǎng)絡(luò)，將帶寬擴(kuò)大10倍，但是成本只增加3～4倍。但是經(jīng)過了一段時間的部署，發(fā)現(xiàn)距離3～4倍的目標(biāo)相當(dāng)遙遠(yuǎn)，這極大地限制了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。比如在2006年萬兆的光交換機(jī)端口的發(fā)貨量只有30萬，而同時期1000Base-T每個月就有五六百萬端口的發(fā)貨量。為了加快這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，降低成本以及滿足將來以太網(wǎng)的發(fā)展，必須發(fā)展一種低成本的解決方案。但早期發(fā)展的基于雙絞線的10GBase-CX4僅能支持15m長度的應(yīng)用，而且通用性也無法令人滿意。所以在2002年末，10GBase-T委員會主席Brad Booth召集了一次會議，提出了發(fā)展基于100m雙絞線應(yīng)用的萬兆以太網(wǎng)新標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過了4年的討論和發(fā)展，最終在2006年頒布了10GBase-T標(biāo)準(zhǔn)。

1 10GBase-T的基本要點(diǎn)

10GBase-T沿用1000Base-T的全雙工傳輸方式（如圖1所示），使用雙工器和DSP處理器以全雙工模式傳輸10Gbps的數(shù)據(jù)。10GBase-T技術(shù)是基于1000Base-T的發(fā)展和提高（如表1所示），標(biāo)準(zhǔn)仍舊使用IEEE 802.3以太網(wǎng)幀（Frame）格式，保留IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)最小和最大幀（Frame）長度，以及 CSMA/CD（載波監(jiān)聽/沖突檢測）機(jī)制。

2 PAM、 DSQ 與 LDPC

表1 10GBase-T與1000Base-T的比較

我們來回顧一下1000Base-T使用的PAM5（5級脈沖調(diào)幅技術(shù)）調(diào)制技術(shù)。在PAM5模式下（如圖2所示），介質(zhì)中傳輸?shù)男盘柌辉偈呛唵蔚?和1，而是分成了5個級別（-2、-1、0、1、2）。這個分為5個級別的電平信號稱之為碼元，1個碼元所能攜帶多少個bit的信息取決于碼元的特性和編碼方式。比如PAM5，每個PAM5碼元最多攜帶2.32個bit，考慮到編碼的效率及需要糾錯碼和同步碼，所以最終1000Base-T每個碼元攜帶2個bit的信息。

根據(jù)奈氏準(zhǔn)則，理想低通信道下的最高碼元傳輸速率等于2倍傳輸帶寬，我們知道1000Base-T的碼元速率為125M/s，所以要求至少有62.5MHz的傳輸帶寬。如果沿用1000Base-T的技術(shù)，那10GBase-T的碼元傳輸速率為1250M/s，系統(tǒng)最小傳輸帶寬為625MHz。這對傳輸系統(tǒng)的性能提出了很高的要求；但如果提高碼元的性能，讓一個碼元攜帶更多的bit，降低系統(tǒng)最小帶寬，就需要強(qiáng)大的處理器進(jìn)行編解碼處理，那意味著成本的增加。最后經(jīng)過性能和成本的平衡，10GBase-T使用了PAM16技術(shù)（16級脈沖調(diào)幅，采用-15、-13、-11、-9、-7、-5、-3、-1、1、3、5、7、9、11、13、15），800M每秒的碼元速率，最小帶寬要求400MHz。

為了讓PAM16能夠安全的傳輸10Gbps，就需要設(shè)置一定的編碼規(guī)則。在10GBase-T系統(tǒng)中，2個連續(xù)的PAM16碼元背靠背形成了16×6的二維矩陣，選取其中的128個點(diǎn)組成128雙矩陣（128 point Double Square）進(jìn)行信號編碼。相鄰2個點(diǎn)之間的距離由原來的D增加到了，最大限度的拉開了相鄰點(diǎn)之間的距離，此舉提高了大約3個dB的信噪比，如圖3所示。

為了能夠提高BER，還要加入校驗(yàn)碼進(jìn)行前向糾錯，10GBase-T采用的LDPC碼（低密度奇偶校驗(yàn)碼）是一種線性分組碼，具有優(yōu)越的糾錯性能和巨大的實(shí)用價值，被認(rèn)為是迄今為止性能最好的糾錯碼。LDPC碼的性能能夠逼近香農(nóng)極限，同時這種逼近又是在不太高的譯碼復(fù)雜度下實(shí)現(xiàn)的，硬件實(shí)現(xiàn)簡單。同樣兼顧性能和成本10GBase-T在128DSQ上采用了前3位無編碼保護(hù)和后4位LDPC（1723，2048）編碼保護(hù)的混合方式。

3 10G Base-T 的編碼

在10GBase-T編碼過程中。每64個bit信息，加上控制/數(shù)據(jù)的標(biāo)志位組成一個 65bit的塊（block），50個塊編成一個組（Group），每個組加上8bit CRC校驗(yàn)碼。一共生成65×50+8=3258個bit，再附加上一個通道附加碼一共是3259個bit。

3259個bit分成兩個部分，3×512bit（含通道附加碼）通過無保護(hù)方式傳輸，另外1723 bit再加上325個校驗(yàn)碼， 通 過 LDPC（1723，2048） 保 護(hù) 方式傳輸，這樣共需要512個128DSQ編碼（3×512+4×512）， 也 就 是 1024個PAM16符號。最終相當(dāng)于每個PAM16攜帶 3.125個 bit信 息（64×50/1024=3.125）3.125×800M×4=10Gbps。

4 10GBase-T 的傳輸中噪音來源及處理

1948年，香農(nóng)（Shannon）用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限信息傳輸速率：

C為比特率，W為帶寬。任何信息傳輸系統(tǒng)的速率都無法突破香農(nóng)公式，并且為了保證系統(tǒng)的傳輸，在香農(nóng)公式的基礎(chǔ)上還需要留有部分的余量。10GBase-T 要求在500MHz的帶寬內(nèi)，信道的極限信息傳輸速率達(dá)到18Gbps。為了保證10GBase-T的傳輸就需要對傳輸系統(tǒng)的信噪比進(jìn)行優(yōu)化。在固定傳輸帶寬的限制條件下，信噪比就必須滿足一定的要求。而信號的發(fā)射功率不可能無限增大，所以唯一的手段就是抑制噪聲。

影響到10GBase-T系統(tǒng)的噪聲主要有兩大類：

（1）來自傳輸線內(nèi)部的干擾，包括NEXT近端串?dāng)_、FEXT遠(yuǎn)端串?dāng)_、RL回波、ISI相鄰信號間的干擾。

NEXT和RL比較容易處理，因?yàn)楦蓴_信號是發(fā)射系統(tǒng)在過去的某個時間內(nèi)發(fā)出的，所以系統(tǒng)已知干擾信號的特征，所以通過這些特征對收到的信號進(jìn)行處理，就可以極大地提高系統(tǒng)的信噪比增益。NEXT的處理增益通常在40dB以上，回波的處理增益在50dB以上。FEXT相對困難一些，因?yàn)闊o法預(yù)見收到的信號中哪些是正常的信號，哪些是來自于其他線對的干擾。但是通常來講有用信號的強(qiáng)度總是大于干擾信號，另外經(jīng)過研究表明，干擾信號會稍晚于有用信號到達(dá)接收端。FEXT通過接收信號的強(qiáng)度和時間差來處理，可以極大地提高信噪比，通常處理增益在20dB以上。ISI是由信號傳輸過程中的時域抖動造成，也可通過處理也可以消除影響。

（2）來自傳輸線外部的干擾，對于未知來源的線纜外部干擾信號，DSP無能為力。因?yàn)楦蓴_源來自其他的發(fā)射系統(tǒng)，所以DSP不可能知道干擾信號的特征，自然也無法通過特征去提高信噪比。

一般來說外部干擾大致有兩種：來自附近其他線纜的串?dāng)_和背景噪聲。在一個典型數(shù)據(jù)中心經(jīng)過測試，傳輸線內(nèi)的背景噪聲大約在-150dBm以下，基本不會對網(wǎng)絡(luò)造成影響。但是來自其他線纜的串?dāng)_？比如PSANEXT和PSAFEXT

線纜之間的串?dāng)_并不是一個新鮮的事物。很久以前，研究人員就發(fā)現(xiàn)，某些時候出于美觀和管理方便，IT管理人員都喜歡將線纜走向做成完全平行狀，然后將線纜束縛在一起。但是這樣就造成了線纜和線纜之間的近距離。研究表明，在某些情況下，PSANEXT的測試結(jié)果甚至要差于PSNEXT的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4是非屏蔽Cat.6線纜100m采用“六包一”進(jìn)行PSANEXT測試的結(jié)果，虛線是Cat.6線纜的PSNEXT指標(biāo)?？梢钥吹綀D中PSANEXT的測試結(jié)果已經(jīng)超過了PSNEXT的指標(biāo)。

IEE 802.3ab（1000Base-T） 標(biāo) 準(zhǔn)中也提到了線纜間的相互干擾，但是由于1000Base-T標(biāo)準(zhǔn)的編碼方式的信噪比余量較大，并且通過實(shí)際測試證明，線外串?dāng)_并不會對1000Base-T及以下級別的傳輸造成影響。所以在標(biāo)準(zhǔn)中或?qū)嶋H使用中都沒有對線纜間的互相干擾提出測試要求和指標(biāo)。但是到了萬兆以后，情況就完全不同。因?yàn)榻?jīng)過DSP技術(shù)的發(fā)展，線纜內(nèi)部的干擾不再是制約系統(tǒng)傳輸速率的主要因素。因?yàn)橄啾染€纜間干擾的0dB處理增益，對內(nèi)部干擾的處理增益，可以將內(nèi)部來源的噪音水平降低到忽略不計的程度。線纜間的相互干擾噪聲就成了制約傳輸容量的主要因素。

5 線纜間串?dāng)_對10GBase-T的影響

外部串?dāng)_對10GBase-T到底有多大的影響？在10GBase-T的全雙工工作模式下，線纜中的信號傳輸可以如圖5所示，BO1和BO2安置在同一個配線架內(nèi)，BO3和BO4在不同的工作區(qū)面板內(nèi)，這兩根線走線時有部分路徑是重疊的。

從圖5上可以看出外部串?dāng)_中ANEXT的影響是最大的。R1收到T3的信號已經(jīng)經(jīng)過了IL1的衰落，T2對R1的干擾最強(qiáng)，相比T4對R1的干擾經(jīng)過IL2衰減以后已經(jīng)無法造成很大影響，所以實(shí)際上傳輸線的極限容量就取決于IL-PSANEXT，該極限可以用如下公式來描述。

前面提到支持10GBase-T，系統(tǒng)極限容量至少要有18Gbps，從上面公式可以看出提高極限容量有兩個方法，減少插入損耗IL，或者減少PSANEXT。IL與傳輸距離基本成線性關(guān)系。所以Cat.5E類線纜在20m之后容量就不能滿足系統(tǒng)的要求，同樣非屏蔽Cat.6也只能滿足55m的距離。只有Cat.6A類線纜可以在100m的信道上滿足容量需求。

6 10GBase-T的功率控制及其影響

進(jìn)入21世紀(jì)，綠色和環(huán)保始終是必須要考慮的因素之一。目前1000Base-T一個收發(fā)器的功耗小于1W，但早期的10GBase-T收發(fā)器功耗達(dá)到15W，改進(jìn)后現(xiàn)在也需要5W左右。為了節(jié)約能耗，降低線纜對外輻射能量的功率，10GBase-T采用了功率控制技術(shù)，可隨著線纜的縮短（IL的減少）降低發(fā)射功率。如果線纜長度為30m，收發(fā)器功耗只有100m狀態(tài)下的50%。在的數(shù)據(jù)中心，功耗的降低尤為重要，特別是數(shù)據(jù)中心平均有60%以上的鏈路長度小于30m，這大大的減少了交換機(jī)的功耗，對節(jié)能和降低散熱系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)都有莫大的好處。

但是功率控制也會帶來一個副作用，就是較短的線纜也會面臨線外串?dāng)_的問題。原因是功率控制的結(jié)果就是接收器收到的信號功率始終保持在一定的范圍內(nèi)，不會因?yàn)榫€纜短就高些，也不會因?yàn)榫€纜長就低些。但是附近的線纜未必就是較短的線纜，有可能會是需要滿發(fā)射功率的長鏈路，這樣對短鏈路的干擾仍處于最大狀態(tài)。

7 10G Base-T 線纜的選擇

前面提到無論是非屏蔽Cat.6 還是Cat.5E都無法支持100m的10GBase-T，所以根據(jù)IEEE 802.3組織的要求TR42.7委員會在2003年開始了新一代線纜的研究，最終在2008年頒布了TIA/EIA 568B.2-10 標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)10GBase-T的要求，全新定義了6A類線纜的要求

首先6A類系統(tǒng)的帶寬提高到500MHz，引入了線間串?dāng)_的指標(biāo)要求和測試。6A類系統(tǒng)全面滿足了100m 10GBase-T的應(yīng)用。目前來說雖然基于水平雙絞線萬兆的傳輸設(shè)備并不是很普及，但是考慮到綜合布線系統(tǒng)25年的質(zhì)量保證和至少15年以上的使用時間。重新更換布線系統(tǒng)所帶來的成本增加和系統(tǒng)搬遷的費(fèi)用是非常巨大。目前10GBase-T網(wǎng)絡(luò)的成本相比1000Base-T已經(jīng)從2004年的8～9倍降到目前的2～3倍。隨著更多的普及還會進(jìn)一步降低。相比10G光纖網(wǎng)絡(luò)的成本，10GBase-T只有20%左右。在對流量要求較高的數(shù)據(jù)中心，基于6A的布線系統(tǒng)更是為將來的擴(kuò)容和發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

7類雖然也能夠支持10GBase-T，但是考慮到成本以及通用性，6A類系統(tǒng)仍然是目前最佳的萬兆解決方案。相比7類只有屏蔽解決方案而言，6A類目前有屏蔽與非屏蔽兩大類產(chǎn)品，這兩種不同的產(chǎn)品采取了截然不同的方法來對抗線纜間串?dāng)_即使用屏蔽層或增加線與線之間的距離。

采用屏蔽層的解決方案是利用屏蔽層的屏蔽作用，在電磁兼容性上有著先天的優(yōu)勢，基本可以不用考慮線纜間串?dāng)_的要求，對環(huán)境噪聲也天然免疫。

圖6是分別采用屏蔽/非屏蔽 4根20m的Cat.6線纜分別捆扎在一起進(jìn)行PSANEXT測試。結(jié)果表明屏蔽線纜比非屏蔽線纜提高30dB左右的性能，對線纜間串?dāng)_基本可以做到忽略不計。

采用增大線纜間距離的方法也可以降低線纜間串?dāng)_，因?yàn)殡姶挪ǖ膹?qiáng)度和距離的平方成反比。圖7是采用40m鏈路非屏蔽線纜，分別對Cat.5E和Cat.6類線做“六包一”測試。分別測試在捆綁和松散狀態(tài)下，線纜和線纜之間的PSANEXT。

從結(jié)果可以看出，松散比捆綁狀態(tài)提高了4個dB左右的余量，Cat.6類捆綁狀態(tài)還是差于Cat.5E類松散扎狀態(tài)。同時圖6也說明，增加線纜間的距離可以降低線纜間的串?dāng)_，但是并不能對線纜間的串?dāng)_免疫。因?yàn)楝F(xiàn)場施工中線纜的走向（是否平行走向），線纜的數(shù)量、環(huán)境、牽拉彎曲導(dǎo)致線對間節(jié)距的破壞等因素都會影響到系統(tǒng)的電磁兼容能力，特別是在數(shù)據(jù)中心，大量密集的布線，線纜間串?dāng)_的問題尤其突出。

上面的測試和分析表明，對于Cat.6A類屏蔽系統(tǒng)，只要線纜本身性能測試通過，屏蔽層導(dǎo)通，無需進(jìn)行線纜間串?dāng)_的測試。但是對于6A類非屏蔽解決方案，在通過線纜本身性能測試的同時，必須進(jìn)行線纜間串?dāng)_的測試，否則不能保證完好的支持10GBase-T網(wǎng)絡(luò)。目前主流現(xiàn)場測試儀表廠商均推出了線纜間串?dāng)_的測試套件。但是完整的測試一個“六包一”需要15分鐘左右的時間，快速測試大約需要6分鐘。如果要完整的測試一個Cat.6A類24口配線架需要2～4個小時。如果采取抽測的方法，目前還沒有可靠的抽樣原則和依據(jù)。所以綜上而言，就10GBase-T網(wǎng)絡(luò)，更推薦Cat.6A類屏蔽布線產(chǎn)品。