万兆以太网编码及传输分析

文｜罗森伯格亚太电子有限公司 周 炜

万兆以太网编码及传输分析

文｜罗森伯格亚太电子有限公司 周 炜

最早的万兆以太网标准出现在2002年IEEE 802.3ae标准。万兆以太网最初是利用光纤传输10Gbps的数据流。原来的期望是相比于千兆网络，将带宽扩大10倍，但是成本只增加3～4倍。但是经过了一段时间的部署，发现距离3～4倍的目标相当遥远，这极大地限制了这项技术的发展和应用。比如在2006年万兆的光交换机端口的发货量只有30万，而同时期1000Base-T每个月就有五六百万端口的发货量。为了加快这项技术的应用，降低成本以及满足将来以太网的发展，必须发展一种低成本的解决方案。但早期发展的基于双绞线的10GBase-CX4仅能支持15m长度的应用，而且通用性也无法令人满意。所以在2002年末，10GBase-T委员会主席Brad Booth召集了一次会议，提出了发展基于100m双绞线应用的万兆以太网新标准。经过了4年的讨论和发展，最终在2006年颁布了10GBase-T标准。

1 10GBase-T的基本要点

10GBase-T沿用1000Base-T的全双工传输方式（如图1所示），使用双工器和DSP处理器以全双工模式传输10Gbps的数据。10GBase-T技术是基于1000Base-T的发展和提高（如表1所示），标准仍旧使用IEEE 802.3以太网帧（Frame）格式，保留IEEE 802.3标准最小和最大帧（Frame）长度，以及 CSMA/CD（载波监听/冲突检测）机制。

2 PAM、 DSQ 与 LDPC

表1 10GBase-T与1000Base-T的比较

我们来回顾一下1000Base-T使用的PAM5（5级脉冲调幅技术）调制技术。在PAM5模式下（如图2所示），介质中传输的信号不再是简单的0和1，而是分成了5个级别（-2、-1、0、1、2）。这个分为5个级别的电平信号称之为码元，1个码元所能携带多少个bit的信息取决于码元的特性和编码方式。比如PAM5，每个PAM5码元最多携带2.32个bit，考虑到编码的效率及需要纠错码和同步码，所以最终1000Base-T每个码元携带2个bit的信息。

根据奈氏准则，理想低通信道下的最高码元传输速率等于2倍传输带宽，我们知道1000Base-T的码元速率为125M/s，所以要求至少有62.5MHz的传输带宽。如果沿用1000Base-T的技术，那10GBase-T的码元传输速率为1250M/s，系统最小传输带宽为625MHz。这对传输系统的性能提出了很高的要求；但如果提高码元的性能，让一个码元携带更多的bit，降低系统最小带宽，就需要强大的处理器进行编解码处理，那意味着成本的增加。最后经过性能和成本的平衡，10GBase-T使用了PAM16技术（16级脉冲调幅，采用-15、-13、-11、-9、-7、-5、-3、-1、1、3、5、7、9、11、13、15），800M每秒的码元速率，最小带宽要求400MHz。

为了让PAM16能够安全的传输10Gbps，就需要设置一定的编码规则。在10GBase-T系统中，2个连续的PAM16码元背靠背形成了16×6的二维矩阵，选取其中的128个点组成128双矩阵（128 point Double Square）进行信号编码。相邻2个点之间的距离由原来的D增加到了，最大限度的拉开了相邻点之间的距离，此举提高了大约3个dB的信噪比，如图3所示。

为了能够提高BER，还要加入校验码进行前向纠错，10GBase-T采用的LDPC码（低密度奇偶校验码）是一种线性分组码，具有优越的纠错性能和巨大的实用价值，被认为是迄今为止性能最好的纠错码。LDPC码的性能能够逼近香农极限，同时这种逼近又是在不太高的译码复杂度下实现的，硬件实现简单。同样兼顾性能和成本10GBase-T在128DSQ上采用了前3位无编码保护和后4位LDPC（1723，2048）编码保护的混合方式。

3 10G Base-T 的编码

在10GBase-T编码过程中。每64个bit信息，加上控制/数据的标志位组成一个 65bit的块（block），50个块编成一个组（Group），每个组加上8bit CRC校验码。一共生成65×50+8=3258个bit，再附加上一个通道附加码一共是3259个bit。

3259个bit分成两个部分，3×512bit（含通道附加码）通过无保护方式传输，另外1723 bit再加上325个校验码， 通 过 LDPC（1723，2048） 保 护 方式传输，这样共需要512个128DSQ编码（3×512+4×512）， 也 就 是 1024个PAM16符号。最终相当于每个PAM16携带 3.125个 bit信 息（64×50/1024=3.125）3.125×800M×4=10Gbps。

4 10GBase-T 的传输中噪音来源及处理

1948年，香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率：

C为比特率，W为带宽。任何信息传输系统的速率都无法突破香农公式，并且为了保证系统的传输，在香农公式的基础上还需要留有部分的余量。10GBase-T 要求在500MHz的带宽内，信道的极限信息传输速率达到18Gbps。为了保证10GBase-T的传输就需要对传输系统的信噪比进行优化。在固定传输带宽的限制条件下，信噪比就必须满足一定的要求。而信号的发射功率不可能无限增大，所以唯一的手段就是抑制噪声。

影响到10GBase-T系统的噪声主要有两大类：

（1）来自传输线内部的干扰，包括NEXT近端串扰、FEXT远端串扰、RL回波、ISI相邻信号间的干扰。

NEXT和RL比较容易处理，因为干扰信号是发射系统在过去的某个时间内发出的，所以系统已知干扰信号的特征，所以通过这些特征对收到的信号进行处理，就可以极大地提高系统的信噪比增益。NEXT的处理增益通常在40dB以上，回波的处理增益在50dB以上。FEXT相对困难一些，因为无法预见收到的信号中哪些是正常的信号，哪些是来自于其他线对的干扰。但是通常来讲有用信号的强度总是大于干扰信号，另外经过研究表明，干扰信号会稍晚于有用信号到达接收端。FEXT通过接收信号的强度和时间差来处理，可以极大地提高信噪比，通常处理增益在20dB以上。ISI是由信号传输过程中的时域抖动造成，也可通过处理也可以消除影响。

（2）来自传输线外部的干扰，对于未知来源的线缆外部干扰信号，DSP无能为力。因为干扰源来自其他的发射系统，所以DSP不可能知道干扰信号的特征，自然也无法通过特征去提高信噪比。

一般来说外部干扰大致有两种：来自附近其他线缆的串扰和背景噪声。在一个典型数据中心经过测试，传输线内的背景噪声大约在-150dBm以下，基本不会对网络造成影响。但是来自其他线缆的串扰？比如PSANEXT和PSAFEXT

线缆之间的串扰并不是一个新鲜的事物。很久以前，研究人员就发现，某些时候出于美观和管理方便，IT管理人员都喜欢将线缆走向做成完全平行状，然后将线缆束缚在一起。但是这样就造成了线缆和线缆之间的近距离。研究表明，在某些情况下，PSANEXT的测试结果甚至要差于PSNEXT的标准。

图4是非屏蔽Cat.6线缆100m采用“六包一”进行PSANEXT测试的结果，虚线是Cat.6线缆的PSNEXT指标。可以看到图中PSANEXT的测试结果已经超过了PSNEXT的指标。

IEE 802.3ab（1000Base-T） 标 准中也提到了线缆间的相互干扰，但是由于1000Base-T标准的编码方式的信噪比余量较大，并且通过实际测试证明，线外串扰并不会对1000Base-T及以下级别的传输造成影响。所以在标准中或实际使用中都没有对线缆间的互相干扰提出测试要求和指标。但是到了万兆以后，情况就完全不同。因为经过DSP技术的发展，线缆内部的干扰不再是制约系统传输速率的主要因素。因为相比线缆间干扰的0dB处理增益，对内部干扰的处理增益，可以将内部来源的噪音水平降低到忽略不计的程度。线缆间的相互干扰噪声就成了制约传输容量的主要因素。

5 线缆间串扰对10GBase-T的影响

外部串扰对10GBase-T到底有多大的影响？在10GBase-T的全双工工作模式下，线缆中的信号传输可以如图5所示，BO1和BO2安置在同一个配线架内，BO3和BO4在不同的工作区面板内，这两根线走线时有部分路径是重叠的。

从图5上可以看出外部串扰中ANEXT的影响是最大的。R1收到T3的信号已经经过了IL1的衰落，T2对R1的干扰最强，相比T4对R1的干扰经过IL2衰减以后已经无法造成很大影响，所以实际上传输线的极限容量就取决于IL-PSANEXT，该极限可以用如下公式来描述。

前面提到支持10GBase-T，系统极限容量至少要有18Gbps，从上面公式可以看出提高极限容量有两个方法，减少插入损耗IL，或者减少PSANEXT。IL与传输距离基本成线性关系。所以Cat.5E类线缆在20m之后容量就不能满足系统的要求，同样非屏蔽Cat.6也只能满足55m的距离。只有Cat.6A类线缆可以在100m的信道上满足容量需求。

6 10GBase-T的功率控制及其影响

进入21世纪，绿色和环保始终是必须要考虑的因素之一。目前1000Base-T一个收发器的功耗小于1W，但早期的10GBase-T收发器功耗达到15W，改进后现在也需要5W左右。为了节约能耗，降低线缆对外辐射能量的功率，10GBase-T采用了功率控制技术，可随着线缆的缩短（IL的减少）降低发射功率。如果线缆长度为30m，收发器功耗只有100m状态下的50%。在的数据中心，功耗的降低尤为重要，特别是数据中心平均有60%以上的链路长度小于30m，这大大的减少了交换机的功耗，对节能和降低散热系统的负担都有莫大的好处。

但是功率控制也会带来一个副作用，就是较短的线缆也会面临线外串扰的问题。原因是功率控制的结果就是接收器收到的信号功率始终保持在一定的范围内，不会因为线缆短就高些，也不会因为线缆长就低些。但是附近的线缆未必就是较短的线缆，有可能会是需要满发射功率的长链路，这样对短链路的干扰仍处于最大状态。

7 10G Base-T 线缆的选择

前面提到无论是非屏蔽Cat.6 还是Cat.5E都无法支持100m的10GBase-T，所以根据IEEE 802.3组织的要求TR42.7委员会在2003年开始了新一代线缆的研究，最终在2008年颁布了TIA/EIA 568B.2-10 标准。标准根据10GBase-T的要求，全新定义了6A类线缆的要求

首先6A类系统的带宽提高到500MHz，引入了线间串扰的指标要求和测试。6A类系统全面满足了100m 10GBase-T的应用。目前来说虽然基于水平双绞线万兆的传输设备并不是很普及，但是考虑到综合布线系统25年的质量保证和至少15年以上的使用时间。重新更换布线系统所带来的成本增加和系统搬迁的费用是非常巨大。目前10GBase-T网络的成本相比1000Base-T已经从2004年的8～9倍降到目前的2～3倍。随着更多的普及还会进一步降低。相比10G光纤网络的成本，10GBase-T只有20%左右。在对流量要求较高的数据中心，基于6A的布线系统更是为将来的扩容和发展打下了良好的基础。

7类虽然也能够支持10GBase-T，但是考虑到成本以及通用性，6A类系统仍然是目前最佳的万兆解决方案。相比7类只有屏蔽解决方案而言，6A类目前有屏蔽与非屏蔽两大类产品，这两种不同的产品采取了截然不同的方法来对抗线缆间串扰即使用屏蔽层或增加线与线之间的距离。

采用屏蔽层的解决方案是利用屏蔽层的屏蔽作用，在电磁兼容性上有着先天的优势，基本可以不用考虑线缆间串扰的要求，对环境噪声也天然免疫。

图6是分别采用屏蔽/非屏蔽 4根20m的Cat.6线缆分别捆扎在一起进行PSANEXT测试。结果表明屏蔽线缆比非屏蔽线缆提高30dB左右的性能，对线缆间串扰基本可以做到忽略不计。

采用增大线缆间距离的方法也可以降低线缆间串扰，因为电磁波的强度和距离的平方成反比。图7是采用40m链路非屏蔽线缆，分别对Cat.5E和Cat.6类线做“六包一”测试。分别测试在捆绑和松散状态下，线缆和线缆之间的PSANEXT。

从结果可以看出，松散比捆绑状态提高了4个dB左右的余量，Cat.6类捆绑状态还是差于Cat.5E类松散扎状态。同时图6也说明，增加线缆间的距离可以降低线缆间的串扰，但是并不能对线缆间的串扰免疫。因为现场施工中线缆的走向（是否平行走向），线缆的数量、环境、牵拉弯曲导致线对间节距的破坏等因素都会影响到系统的电磁兼容能力，特别是在数据中心，大量密集的布线，线缆间串扰的问题尤其突出。

上面的测试和分析表明，对于Cat.6A类屏蔽系统，只要线缆本身性能测试通过，屏蔽层导通，无需进行线缆间串扰的测试。但是对于6A类非屏蔽解决方案，在通过线缆本身性能测试的同时，必须进行线缆间串扰的测试，否则不能保证完好的支持10GBase-T网络。目前主流现场测试仪表厂商均推出了线缆间串扰的测试套件。但是完整的测试一个“六包一”需要15分钟左右的时间，快速测试大约需要6分钟。如果要完整的测试一个Cat.6A类24口配线架需要2～4个小时。如果采取抽测的方法，目前还没有可靠的抽样原则和依据。所以综上而言，就10GBase-T网络，更推荐Cat.6A类屏蔽布线产品。