萬兆以太網編碼及傳輸分析

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

最早的萬兆以太網標準出現在2002年IEEE 802.3ae標準。萬兆以太網最初是利用光纖傳輸10Gbps的數據流。原來的期望是相比于千兆網絡，將帶寬擴大10倍，但是成本只增加3～4倍。但是經過了一段時間的部署，發現距離3～4倍的目標相當遙遠，這極大地限制了這項技術的發展和應用。比如在2006年萬兆的光交換機端口的發貨量只有30萬，而同時期1000Base-T每個月就有五六百萬端口的發貨量。為了加快這項技術的應用，降低成本以及滿足將來以太網的發展，必須發展一種低成本的解決方案。但早期發展的基于雙絞線的10GBase-CX4僅能支持15m長度的應用，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，提出了發展基于100m雙絞線應用的萬兆以太網新標準。經過了4年的討論和發展，最終在2006年頒布了10GBase-T標準。

1 10GBase-T的基本要點

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的數據。10GBase-T技術是基于1000Base-T的發展和提高（如表1所示），標準仍舊使用IEEE 802.3以太網幀（Frame）格式，保留IEEE 802.3標準最小和最大幀（Frame）長度，以及 CSMA/CD（載波監聽/沖突檢測）機制。

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級脈沖調幅技術）調制技術。在PAM5模式下（如圖2所示），介質中傳輸的信號不再是簡單的0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。

根據奈氏準則，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，那10GBase-T的碼元傳輸速率為1250M/s，系統最小傳輸帶寬為625MHz。這對傳輸系統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，降低系統最小帶寬，就需要強大的處理器進行編解碼處理，那意味著成本的增加。最后經過性能和成本的平衡，10GBase-T使用了PAM16技術（16級脈沖調幅，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，就需要設置一定的編碼規則。在10GBase-T系統中，2個連續的PAM16碼元背靠背形成了16×6的二維矩陣，選取其中的128個點組成128雙矩陣（128 point Double Square）進行信號編碼。相鄰2個點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，還要加入校驗碼進行前向糾錯，10GBase-T采用的LDPC碼（低密度奇偶校驗碼）是一種線性分組碼，具有優越的糾錯性能和巨大的實用價值，被認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極限，同時這種逼近又是在不太高的譯碼復雜度下實現的，硬件實現簡單。同樣兼顧性能和成本10GBase-T在128DSQ上采用了前3位無編碼保護和后4位LDPC（1723，2048）編碼保護的混合方式。

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/數據的標志位組成一個 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）通過無保護方式傳輸，另外1723 bit再加上325個校驗碼， 通 過 LDPC（1723，2048） 保 護 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（Shannon）用信息論的理論推導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。任何信息傳輸系統的速率都無法突破香農公式，并且為了保證系統的傳輸，在香農公式的基礎上還需要留有部分的余量。10GBase-T 要求在500MHz的帶寬內，信道的極限信息傳輸速率達到18Gbps。為了保證10GBase-T的傳輸就需要對傳輸系統的信噪比進行優化。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系統的噪聲主要有兩大類：

（1）來自傳輸線內部的干擾，包括NEXT近端串擾、FEXT遠端串擾、RL回波、ISI相鄰信號間的干擾。

NEXT和RL比較容易處理，因為干擾信號是發射系統在過去的某個時間內發出的，所以系統已知干擾信號的特征，所以通過這些特征對收到的信號進行處理，就可以極大地提高系統的信噪比增益。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，因為無法預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度總是大于干擾信號，另外經過研究表明，干擾信號會稍晚于有用信號到達接收端。FEXT通過接收信號的強度和時間差來處理，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。因為干擾源來自其他的發射系統，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擾和背景噪聲。在一個典型數據中心經過測試，傳輸線內的背景噪聲大約在-150dBm以下，基本不會對網絡造成影響。但是來自其他線纜的串擾？比如PSANEXT和PSAFEXT

線纜之間的串擾并不是一個新鮮的事物。很久以前，研究人員就發現，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的測試結果甚至要差于PSNEXT的標準。

圖4是非屏蔽Cat.6線纜100m采用“六包一”進行PSANEXT測試的結果，虛線是Cat.6線纜的PSNEXT指標?？梢钥吹綀D中PSANEXT的測試結果已經超過了PSNEXT的指標。

IEE 802.3ab（1000Base-T） 標 準中也提到了線纜間的相互干擾，但是由于1000Base-T標準的編碼方式的信噪比余量較大，并且通過實際測試證明，線外串擾并不會對1000Base-T及以下級別的傳輸造成影響。所以在標準中或實際使用中都沒有對線纜間的互相干擾提出測試要求和指標。但是到了萬兆以后，情況就完全不同。因為經過DSP技術的發展，線纜內部的干擾不再是制約系統傳輸速率的主要因素。因為相比線纜間干擾的0dB處理增益，對內部干擾的處理增益，可以將內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 線纜間串擾對10GBase-T的影響

外部串擾對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，BO3和BO4在不同的工作區面板內，這兩根線走線時有部分路徑是重疊的。

從圖5上可以看出外部串擾中ANEXT的影響是最大的。R1收到T3的信號已經經過了IL1的衰落，T2對R1的干擾最強，相比T4對R1的干擾經過IL2衰減以后已經無法造成很大影響，所以實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系。所以Cat.5E類線纜在20m之后容量就不能滿足系統的要求，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

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

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擾的問題。原因是功率控制的結果就是接收器收到的信號功率始終保持在一定的范圍內，不會因為線纜短就高些，也不會因為線纜長就低些。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射功率的長鏈路，這樣對短鏈路的干擾仍處于最大狀態。

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 標準。標準根據10GBase-T的要求，全新定義了6A類線纜的要求

首先6A類系統的帶寬提高到500MHz，引入了線間串擾的指標要求和測試。6A類系統全面滿足了100m 10GBase-T的應用。目前來說雖然基于水平雙絞線萬兆的傳輸設備并不是很普及，但是考慮到綜合布線系統25年的質量保證和至少15年以上的使用時間。重新更換布線系統所帶來的成本增加和系統搬遷的費用是非常巨大。目前10GBase-T網絡的成本相比1000Base-T已經從2004年的8～9倍降到目前的2～3倍。隨著更多的普及還會進一步降低。相比10G光纖網絡的成本，10GBase-T只有20%左右。在對流量要求較高的數據中心，基于6A的布線系統更是為將來的擴容和發展打下了良好的基礎。

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品，這兩種不同的產品采取了截然不同的方法來對抗線纜間串擾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勢，基本可以不用考慮線纜間串擾的要求，對環境噪聲也天然免疫。

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行PSANEXT測試。結果表明屏蔽線纜比非屏蔽線纜提高30dB左右的性能，對線纜間串擾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擾，因為電磁波的強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下，線纜和線纜之間的PSANEXT。

從結果可以看出，松散比捆綁狀態提高了4個dB左右的余量，Cat.6類捆綁狀態還是差于Cat.5E類松散扎狀態。同時圖6也說明，增加線纜間的距離可以降低線纜間的串擾，但是并不能對線纜間的串擾免疫。因為現場施工中線纜的走向（是否平行走向），線纜的數量、環境、牽拉彎曲導致線對間節距的破壞等因素都會影響到系統的電磁兼容能力，特別是在數據中心，大量密集的布線，線纜間串擾的問題尤其突出。

上面的測試和分析表明，對于Cat.6A類屏蔽系統，只要線纜本身性能測試通過，屏蔽層導通，無需進行線纜間串擾的測試。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，必須進行線纜間串擾的測試，否則不能保證完好的支持10GBase-T網絡。目前主流現場測試儀表廠商均推出了線纜間串擾的測試套件。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。所以綜上而言，就10GBase-T網絡，更推薦Cat.6A類屏蔽布線產品。