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万兆以太网编码及传输分析

来源:机房360 作者:周炜 更新时间:2012/4/6 10:54:47

摘要:在2002年末,10GBase-T委员会主席Mr.BradBooth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。

  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. 10GBase-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8bitCRC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1723bit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

 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=Wlog2(1+S/N)
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。

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Cat6线缆100米采用六包一进行PSANEXT测试的结果,红线是Cat6Cable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。

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