万兆以太网编码及传输分析

一，背景

 

最早的万兆以太网标准出现在 2002 年： 802.3ae 标准。万兆以太网最初是利用光纤传输 10G bps 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，相比同时期 1000Base-T 每个月就有 5-6 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 15 米 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 Mr. Brad Booth 召集了一次会议，提出了发展基于 100 米 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。

 

	1990	2000	2006	2012
核心交换网	100Mbps	1Gbps	10Gbps	100Gbps
汇聚层 / 工作区	10Mbps	100Mbps	1Gbps	10Gbps

网络的发展

二 10GBase-T 的基本要点：

 

10GBase-T 沿用 1000Base-T 的全双工传输方式，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， 标准仍旧使用 IEEE802.3 以太网祯 (Frame) 格式，保留了 IEEE802.3 标准最小和最大祯 (Frame) 长度，以及 CSMA/CD( 载波监听 / 冲突检测 ) 机制。误码率 BER 要求小于 10E-12 。

全双工的工作方式

 

	1000Base-T	10GBase-T
传输方式	全双工带回声抑制	全双工带回声抑制
调制技术	5 级脉冲调幅 技术	16 级脉冲调幅 技术
码元比特率	2 bit/ 码元	3.125bit/ 码元
码元传输率	125M / 秒 * 线对	800M / 秒 * 线对
工作带宽要求	80MHz	417Mhz
信道编码	4D 8-state网格编码(trellis 编码）	128-DSQ+LDPC （ 2048 ， 1723 ） THP 预编码
FEXT 干扰	推荐使用FEXT干扰消除	必须使用 FEXT 干扰消除

 

10G base-T 与 1000Base-T 的比较

 

三， PAM, DSQ 与 LDPC

 

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，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 个码元所能携带的多少个 bit 的信息取决于码元的特性和编码的方式。比如 PAM5 ，每个 PAM5 码元最多携带 2.32 个 bit （ 2^2.32=5 ），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＝ 2* 带宽，我们知道 1000Base-T 的码元速率为 125M / 秒，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 / 秒，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，这是一对矛盾。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 （ BER=10^-12 ），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*16 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。

DSQ128 编码

 

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 的上采用了前 3 位无编码保护和后 4 位 LDPC(1723,2048) 编码保护的混合方式。

四 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 2 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= 10G bps

五，10GBase-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。10G base-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，因为干扰信号是本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，因为无法预见到收到的信号中那些是正常的信号，那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。

模拟DSP信号处理后的结果

2）来自传输线外部的干扰

对于未知来源的，来自于线缆外部干扰信号，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呢？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距离非常接近。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

上图是非屏蔽Cat 6 线缆100米采用六包一进行PSANEXT测试的结果，红线是Cat6 Cable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。

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。所以在标准中或者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，情况就完全不同了。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了。

 

六，线缆间串扰对10GBase-T的影响

外部串扰对10Gbase-T 到底有多大的影响呢？在10GBase-T的全双工工作模式下，线缆中的信号传输可以如下图所示，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2根线走线时有部分路径是重叠的。

从图上可以看出外部串扰中ANEXT的影响是最大的。如上图所示，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2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20米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55米的距离。只有Cat 6A类线缆可以在100米的信道上满足容量需求。

七，10GBase-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30米，收发器功耗只有100米状态下的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30米，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。

八，10G Base-T 线缆的选择

前面提到无论是非屏蔽Cat6 还是Cat5E都无法支持100米的10GBase-T，所以根据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100米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的。目前10G Base-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更是只有20%左右。在对流量要求很高的数据中心，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：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了屏蔽层的屏蔽作用，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。

屏蔽与非屏蔽线间串扰对比，左为UTP,右为STP，来源Lan tech.

上图是分别采用屏蔽/非屏蔽 4根20米的Cat6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。下图是采用40米链路，非屏蔽线缆，分别对Cat 5E和Cat 6类线做六包一测试。分别测试他们在捆绑和松散状态下，线缆和线缆之间的PSANEXT。

 

关于线间串扰的测试，数据来源Solarflare Communications

从结果可以看出，松散比捆绑状态提高了4个的dB左右的余量，Cat 6类捆绑状态好与Cat 5E类捆绑状态但是差于Cat 5E类松散扎状态。同时上图也说明，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，大量密集的布线使得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声场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。

文，罗森伯格亚太地区产品经理 周炜

 

 

 

参考文献

[1] IEEE Std 802.3, 2000 Edition

[2] IEEE Std 802.3an™-2006

[3] ANSI/TIA-568-B.2-10-2008

[4] Allan Nielsen “10G Ethernet IEEE 802.3an“

[5] Hugh Barrass, “10GBASE-T: 10 Giga bit Ethernet over twisted-pair Copper” Version 1.0 2007

[6] Paul Vanderlaan, “Alien Crosstalk and Network performance” 2003

[7] Flatman/Schicketanz “Alien Crosstalk Measurements of Screened Category 6 Cable” 2003

[8] Larry Cohen, “Alien Crosstalk Measurements” 2003

[9] Dr.-Ing. J.-H. (Jo) Walling “Alien crosstalk” 2004