基于4對雙絞線傳輸?shù)南乱淮鶥ase-T網(wǎng)絡(luò)

文｜江蘇金鼎樓宇智能系統(tǒng)工程有限公司 孫 旭

1 前言

自從2006年IEEE發(fā)布802.3an基于4對雙絞線傳輸?shù)?0GBase-T標準以來，萬兆網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。基于萬兆網(wǎng)絡(luò)標準的布線系統(tǒng)（Cat.6A/Class EA）也已經(jīng)被大量的新建項目所采用。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正處在從千兆向萬兆過渡的過程中。

伴隨著分布式計算、分布式存儲、云計算、虛擬化等新一代技術(shù)與新架構(gòu)的推出；智能終端等基于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的平臺使人們在生活、工作中對于網(wǎng)絡(luò)流量的需求不斷的變大。根據(jù)明尼蘇達大學的MINTS（Minnesota Internet Traffic Study）小組的研究，Internet網(wǎng)絡(luò)流量近年來一直成指數(shù)型增長，特別是近來年高清視頻的應(yīng)用更是極大的推高了對于網(wǎng)絡(luò)流量的需求，如圖1所示。

為了應(yīng)對這種不斷上升的需求，IEEE于2010年發(fā)布了802.3ba 40G/100G以太網(wǎng)絡(luò)標準。802.3ba標準主要針對的是基于光纖傳輸?shù)墓歉涉溌放c核心層傳輸。新的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)出現(xiàn)伊始就被多個IT公司廣泛應(yīng)用，同時也推動了的接入層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)布線從Cat.6向Cat.6A的演進。

雖然40G/100G的以太網(wǎng)絡(luò)傳輸標準剛剛發(fā)布，但是IEEE并沒有停留在此，根據(jù)現(xiàn)有的規(guī)劃，IEEE計劃于2013年開始研究400G下一代以太網(wǎng)絡(luò)標準，并于2016年正式發(fā)布，如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)流量需求的增加并不是僅僅停留在核心網(wǎng)絡(luò)上，接入層的網(wǎng)絡(luò)也有新的需求。從2006年802.3an標準出臺后，新一代的Base-T就開始討論，并在2009年還成立了HSoTP（Higher Speed over Twisted-pair）組織。根據(jù)標準的規(guī)劃，一個新的標準從開始討論到最終頒布，至少會有3～4年的時間。所以如果在2012年IEEE能最終確定發(fā)展新的標準，預(yù)計40GBase-T將與2016年基于光纖的400G同步發(fā)布。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)流量需求預(yù)測

圖2 IEEE 802.3ba標準形成的過程

從圖3可以看出，根據(jù)預(yù)測，到2016年開始，會有相當多的x86服務(wù)器端口采用40G網(wǎng)絡(luò)。

既然在將來可能會有40GBase-T標準出現(xiàn)，那我們就需要關(guān)心將來40GBase-T可能會采用何種物理媒介作為傳輸?shù)幕A(chǔ)。本文將著重討論在現(xiàn)有的物理鏈路上，能否支持下一代的40GBase-T標準。

2 物理鏈路的發(fā)展

Base-T以太網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展經(jīng)過了幾個階段，從10M到10G，與其相對應(yīng)的物理鏈路也從Cat.3發(fā)展到Cat.6A甚至是現(xiàn)在的Cat.7A。如圖4所示，10Base-T與 C a t.3，1 0 0 B a s e-T與 C a t.5，1000Base-T與 Cat.5e，10GBase-T與Cat.6A基本上都是同步出現(xiàn)的，所以一般來說新的以太網(wǎng)標準也會帶來新的物理鏈路的標準。

從支持10GBase-T以太網(wǎng)絡(luò)的Cat.6A之后，Cat.7A先于40GBase-T標準發(fā)布。那么我們就需要關(guān)注，Cat.7A從物理性能上是否能夠滿足下一代的40GBase-T以太網(wǎng)路的傳輸要求，是否會導致因為某些參數(shù)不達標而無法支持的問題。另外，以10GBase-T為例，萬兆不是只能采用Cat.6A類的物理鏈路，在Cat.6的鏈路上至少可以支持37m的距離，如果經(jīng)過附加測試，則可以支持55m，這對于現(xiàn)有的物理鏈路意義重大，特別是在數(shù)據(jù)中心中，因為目前建設(shè)的數(shù)據(jù)中心，大量的采用Cat.6A作為服務(wù)器到接入交換機之間的物理鏈路，這樣的鏈路長度并不是很長，通常小于20m，如果Cat.6A的物理性能顯示其能夠在短距離上支持40GBase-T，那將為數(shù)據(jù)中心將來的升級留下巨大的空間，也節(jié)省了相當多的費用。

圖3 服務(wù)器端口預(yù)測

圖4 物理鏈路的發(fā)展

所以Cat.6A能否在短距離上支持40GBase-T也是本文討論的內(nèi)容。Cat.6及以下的物理鏈路因為不能完整的在100m長度上支持10GBase-T，所以討論能否支持40GBase-T沒有意義，不在本文的討論范圍內(nèi)。

3 40GBase-T技術(shù)

我們研究物理鏈路的性能是否能夠支持下一代的Base-T網(wǎng)絡(luò)，那么我們就必須了解兩方面的內(nèi)容：一是物理鏈路的性能極限在什么地方；二是下一代的Base-T傳輸系統(tǒng)可能會采用什么樣的技術(shù)，以及這樣的技術(shù)會對物理鏈路有什么要求。如果物理鏈路能夠符合要求，那我們就可以推測，該物理鏈路在將來有可能支持下一代的Base-T系統(tǒng)；反之則不能支持。

我們知道物理鏈路能支持多大的帶寬，取決于信號噪音比（SNR）、帶寬兩個方面。根據(jù)香農(nóng)公式，我們可以根據(jù)這兩個值計算出相應(yīng)的極限傳輸速率。計算最大信息傳送速率C的香農(nóng)公式：C=B×log2（1+S/N）。式中：B是信道帶寬（赫茲），S/N為信號與噪音能量的比值。

但這僅僅是極限速率，因為實際傳輸?shù)臅r候，我們會要求系統(tǒng)達到一定的誤碼率（BER），所以必須增加安全余量，加上冗余校驗的信息，以保證鏈路傳輸?shù)目煽啃浴Ａ硗鈧鬏斚到y(tǒng)本身還需要一定的流量開銷，所以實際傳輸速率會低于極限。

通常，要將信號調(diào)制到載波上，比較主流的方式可以采用調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相。因為Base-T以太網(wǎng)主要是用于有線短距離傳輸（100m以內(nèi)），所以為了簡化系統(tǒng)，降低能耗和成本，一直以來，IEEE都采用調(diào)幅的方式。

目前來看，IEEE關(guān)于40GBase-T的研究小組尚沒有正式成立，關(guān)于40GBase-T的前期研究均在各大廠商實驗室以及大學里獨立進行，所以目前對40GBase-T并沒有一個非常明確的技術(shù)定義。而各研究機構(gòu)所采用的技術(shù)在細節(jié)上會有一定的差異。本文就根據(jù)IEEE一貫所采用的技術(shù)方針，參考一些研究所的技術(shù)發(fā)展，來研究Cat.6A以及Cat.7A類物理鏈路是否在將來支持新的傳輸系統(tǒng)。根據(jù)IEEE的會議和研究報告，40GBase-T的技術(shù)可能會是IEEE 802.3an 10GBase-T技術(shù)的一個延續(xù)和發(fā)展。我們就先以Cat.6A鏈路如何支持10GBase-T為例，來看一下網(wǎng)絡(luò)與物理鏈路的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 10GBase-T采用全雙工的方式

10GBase-T采取全雙工的方式。全雙工方式雖然對于系統(tǒng)要求比較高，但是可以有效降低系統(tǒng)帶寬的要求，所以被IEEE所采用。當然這種方式也一定會被40GBase-T所采用。

根據(jù)奈奎斯特抽樣準則，理想低通信道下的最高碼元傳輸速率＝2×帶寬。以太網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程中，碼元和帶寬的關(guān)系也是在不斷進步，到了10GBase-T的時候，已經(jīng)基本達到了極限。因為已經(jīng)到達了技術(shù)上的極限，所以40GBase-T會遵循碼元帶寬比為2的原則。

從表1中我們可以看到，從10M到10G雖然中間也發(fā)生了2對線到4對線的變化，但是單個碼元能夠攜帶的bit信息是越來越多。從最早10M的曼徹斯特編碼采用1和0的跳變來代表信號“0”或者“1”，需要兩個碼元才能夠體現(xiàn)一個bit，到10G的單個碼元可以攜帶3.125bit的信息。中間的變化是因為編碼的方式發(fā)生了很大的變化，比如10G采用的是PAM16+DSQ128的方式，和傳統(tǒng)概念中數(shù)字信號只有“1”和“0”兩種類型的碼元不同，PAM將“1”和“0”這兩個信號經(jīng)過一定的規(guī)則調(diào)制到16個不同等級的電平信號上：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。這樣單個碼元就可以攜帶比傳統(tǒng)更多的bit，但是為了讓信號傳輸更安全，引入了DSQ 128技術(shù)。

表1

在40GBase-T中，采用何種速率以及匹配的PAM調(diào)制技術(shù)尚沒有明確的結(jié)論，現(xiàn)在討論的載波調(diào)制技術(shù)也有很多種，比如OFDM、QAM、PAM等，但是采用完全新的調(diào)制方式可能會對成本和標準開發(fā)時間造成很大的影響。比如QAM技術(shù)，如果采用256 QAM技術(shù)雖然可以大幅度提高編碼的效率同時還可以有很強的抗干擾能力。但是因為產(chǎn)品的成本和技術(shù)難度都無法接受，所以目前研究主要集中在1200MHz帶寬的PAM32+DSQ 512以及1600MHz PAM16+DSQ 128。本文也將以這兩種技術(shù)為例進行研究。

這兩種方向各有其優(yōu)點和缺點。1600MHz的PAM16+DSQ 128的方式完全延續(xù)10GBase-T的技術(shù)，所以對于信噪比要求和10GBase-T并沒有變化，編碼設(shè)備實現(xiàn)起來難度并不大。但是缺點來自于對于物理鏈路的要求過高，要求帶寬達到至少1600MHz，再加上一些帶寬的安全余量（20%），將會達到2000MHz的水平，這樣的級別對于物理鏈路的要求非常高，在實際的應(yīng)用層面，對于產(chǎn)品的安裝和現(xiàn)場測試的要求都過高，這也會對將來的應(yīng)用造成不小的阻力。

1200MHz的PAM32+DSQ 512的方式優(yōu)點在于物理鏈路性能的壓力小很多，目前市場上Cat.7A類線纜已經(jīng)能支持1200MHz，某手持式現(xiàn)場測試儀表也能夠達到1600MHz的測試帶寬。所以在應(yīng)用方面，產(chǎn)品的安裝和現(xiàn)場測試的要求是可以實現(xiàn)的。采用該方案的缺點在于抗干擾能力相對較弱，需要開發(fā)新的編碼和規(guī)則。

前面已經(jīng)知道了給定的帶寬下能達到的極限傳輸速率取決于信噪比，但是根據(jù)信噪比計算出來的是極限速率，在實際傳輸過程中，需要達到一定的誤碼率（BER），必須要有一定的安全余量，另外編碼本身也可以通過采用LDPC等技術(shù)加入冗余校驗信息，降低余量的要求，所以實際系統(tǒng)必須要達到的信噪比為：極限信噪比+BER所需要的余量－系統(tǒng)編碼增益。通過計算，IEEE以太網(wǎng)相應(yīng)的信噪比要求如表2所示。兩種40GBase-T技術(shù)的編碼仍然采用10GBase-T所采用的技術(shù)進行計算。

通過計算我們得到了兩種不同方式所要求的最低信噪比。也可以看出，第二種方式要比第一種方式的信噪比高了6個dB，將近4倍。

4 物理鏈路對于40GBase-T的支持

我們已經(jīng)知道了系統(tǒng)所要求的信噪比，目前在我們手中有兩種可能選擇——Cat.6A、Cat.7A。我們分別來探討一下它們是否能夠支持40GBase-T的信噪比要求。我們先來看一下Cat.6A的情況，研究物理鏈路的信噪比的公式為：經(jīng)過衰減的信號÷接受到的干擾信號。經(jīng)過衰減的信號可以通過信號原始能量－插入損耗得出。通過IEEE標準我們可以知道10GBase-T的信號發(fā)射端頻譜能量分布圖，在40GBase-T計算中沿用10GBase-T的公式，這樣就有了信號的原始能量，插入損耗可以通過TIA 568C.2標準中的插入損耗公式進行計算。當然在TIA 568C.2標準中僅定義到了500MHz的位置，我們通過標準中的公式，將其延伸到了1600MHz。通過這兩個值的相減，我們就得出了計算信噪比中的信號部分。

接著我們來計算噪音干擾部分。在雙絞線中，噪聲信號的來源主要來自于兩個方面：一是外源干擾；二是線對之間的相互干擾。外源干擾來源過于復雜，包括背景電磁噪聲、設(shè)備噪聲、線纜之間的相互干擾，所以無法準確預(yù)估。為了能夠達到計算準確性，所以本文只研究屏蔽Cat.6A的線纜。將外源干擾的影響降低到最小（屏蔽比非屏蔽抗外源干擾的能力提高30dB以上，基本可以忽略不計）的程度。線對之間的干擾同樣可以通過延伸到1600MHz的公式計算出來，當然線對之間的干擾有很多種，近端串擾、遠端串擾、回波干擾，我們需要進行綜合計算。

表2

當然現(xiàn)代的技術(shù)可以通過DSP線對之間的串擾進行噪音抑制，在計算線對之間的噪音時需要加上噪音抑制帶來的增益。根據(jù)設(shè)備的通常處理能力，本文中近端串擾抑制NEXT采用40dB，回波損耗RL采用60dB，遠端串擾FEXT采用20dB。對于Cat.6A的研究，我們分成50m和100m兩種長度，如表3所示。

表3

通過Matlab仿真我們可以得出Cat.6A類物理鏈路在50m長度下，最高能支持50～56Gbps的傳輸速率，有可能滿足40GBase-T的傳輸要求。

對于Cat.7A類物理鏈路，無論是測試要求帶寬還是指標都要高于Cat.6A類。而且Cat.7A類均采用雙層屏蔽的結(jié)構(gòu)，所以對于外源干擾幾乎可以忽略不計，對于線對之間的干擾也大大減弱，所以Cat.7A類物理鏈路的信噪比表現(xiàn)遠優(yōu)于Cat.6A類。我們同樣可以根據(jù)即將發(fā)布的ISO 11801-1標準內(nèi)對于Cat.7A指標要求的公式，計算Cat.7A類的能力。

根據(jù)圖6計算，可以看出Cat.7A類能夠支持100m長度的40GBase-T傳輸。

5 40GBase-T是否會被應(yīng)用

自從1995年5類標準制定時，關(guān)于4對雙絞線的極限傳輸能力始終被廣泛討論，關(guān)于光纖取代銅纜的呼聲也越來越高。但是在實際應(yīng)用上，我們目前仍在最后100m距離上大量采用傳統(tǒng)的雙絞線來連接網(wǎng)絡(luò)。這不光是因為成本的原因，還有使用的習慣性，以及光纖相對較脆弱等綜合因素的存在。所以在10GBase-T標準發(fā)布后，業(yè)界也一直在討論下一代基于雙絞線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。通過本文的計算，我們也知道現(xiàn)有的Cat.6A類線纜可以在50m長度內(nèi)支持將來可能出現(xiàn)的40G Base-T，Cat.7A可以在100m長度內(nèi)支持，所以可以預(yù)計在將來我們還是會看到40GBase-T的標準。因為布線系統(tǒng)使用的壽命相對較長，所以我們還是需要對將來可能采用的技術(shù)有所了解，以便在實際方案選擇的時候為將來可能的擴容和升級留下足夠的空間。

圖6 100m長度Cat.7A類的極限能力