在銅纜上實施10G以太網技術的相關問題

2019-11-04 22:47:20

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供稿：網友

　　簡介：
　　低成本高帶寬網絡應用需求的持續發展，導致IEEE的一個研究小組開始研究利用銅纜傳輸介質實現10G以太網應用的可行性。雖然在目前的商業辦公環境中，10G比特速率的網絡應用看起來并不必要，但在其他領域對這種應用的需求卻是現實的，例如在現代的數據中心環境下使用服務器集群應用時就需要低成本的光纖替代方案。針對當前使用的結構化布線系統的性能進行的可行性研究已經發現了很多問題，而對于六類布線系統是否適合用來支持超過千兆以太網的應用而提出的問題可能會導致更多的擔憂。這個研究小組的發現將塑造未來的布線工業，對于以支持未來應用為IT戰略的顧問和最終用戶們，這些研究成果也將為他們提供更多的機會。
　　
　　可行性研究
　　研究小組最初的目標是完成10G BASE-T技術的可行性研究。項目的成功要符合五個要害標準。研究小組已經達到了這五個標準的需求，他們是：
　　
　　與IEEE 802.3標準的兼容性
　　第一個目標是確保技術可行性的同時維持IEEE 802.3標準的基本原則，即以太幀的結構和大小以及仍然使用CSMA/CD機制。
　　
　　市場潛力
　　研究小組也不得不研究技術成功后實際的市場潛力。在數據中心環境下使用高密度的計算機設備和網絡存儲技術是普遍現象，在這種環境下這種技術是有市場潛力的。目前在商業建筑環境里沒有對于這種容量的巨大的需求和需要，但是在技術方面不斷增加的投資將使得未來端口密集技術被建立。它將提供給最終用戶在他們的網絡配置中相當可觀的運轉節省。
　　
　　以下圖表顯示了10G BASE-T有潛力代替光纖作為低成本的物理介質應用。
　　　在銅纜上實施10G以太網技術的相關問題（圖一）

　　圖1：潛在的10G BASE-T應用
　　明顯的特性
　　在保持IEEE 802.3基本原理的同時，此項技術的發展必須擁有正確的并且是獨有的10G BASE-T特性。
　　
　　經濟可行性
　　•與利用IEEE 803.3 10G-BASE SR/SW技術和OM3光纖的10G以太網以及使用和低成本的VCSEL技術配置的10G以太網相比，10G銅纜技術能夠提供40%的費用節省。
　　
　　•為10G技術提供低成本的布線系統，對比光纖介質，線纜介質的成本降低，安裝的成本也要低。
　　
　　技術可行性
　　技術可行性可能是研究小組面臨的最大的挑戰。有關技術可行性的大量的問題將構成這篇文檔的基本內容。
　　　在銅纜上實施10G以太網技術的相關問題（圖二）

　　提議的10G BASE-T 傳輸模式將利用脈沖調幅(PAM)技術，類似于已經被普遍用于千兆以太網的1000BASE-T模式。1000 BASE-T模式利用PAM技術使用PAM-5進行編碼，在四對線的每一對上雙工雙向進行250 Mb/s的傳輸。這個應用要求工作帶寬大約80MHz。10G BASE-T建議利用PAM-5或者PAM-10技術進行編碼，在四對線的每一對上全雙工進行2.5Gb/s的傳輸。
　　
　　根據這個模式，依據香農理論進行計算，為了達到2.5Gb/s的傳輸速率，信道的傳輸能力應該達到18-20 GBit/s(4對線*每對 2.5 GBit/s = 10 GBit/s. 全雙工模式意味10 GBit/s * 2 = 20 GBit/s)。
　　
　　早期的模型實驗表明，達到這樣的要求需要大約625M的工作帶寬，對于已經安裝的符合標準的布線系統，這會帶來嚴重的問題，最明顯的一個問題就是625M的工作帶寬超出了符合標準的E級/6類布線系統的頻率限制。
　　
　　香農容量定律
　　在這些早期的模型實驗中，通過現有的標準布線系統信道的擴展頻率，香農理論已經被用來測定最大數據量。香農理論給出了線纜通道中的數據傳輸能力(b/ps)的計算方法，信道的容量作為一個線纜通道的可利用帶寬和信噪比的函數，可以被表示為：
　　　在銅纜上實施10G以太網技術的相關問題（圖三）

　　C表示信道容量，B是鏈路帶寬(例如625 MHz)，S是平均信號功率，N是平均噪聲功率。S與N的比值S/N被叫做信號噪聲比。
　　
　　從上面的理論我們可以看到，能否通過布線系統信道傳輸10G BASE-T ，將主要取決于它的信噪比。
　　
　　因為信道衰減，信號功率是逐漸減小的。
　　
　　ISO11801標準中定義的E級布線系統信道的衰減公式為：
　　　在銅纜上實施10G以太網技術的相關問題（圖四）

　　IEEE向ISO 11801標準建議該公式對于10G BASE-T的信道需依然保持有效。噪聲功率由以下部分組成：
　　
　　•全雙工模式下，共享一對雙絞線的接收端與發射端之間的回波反射。
　　
　　•3個近端發射器的近端串擾(NEXT)
　　
　　•3個遠端發射器的遠端串擾(FEXT)
　　
　　•綜合線外串擾(Power Sum Alien NEXT): 相鄰的電纜的線對之間的串擾和相臨的連接硬件之間的串擾。
　　
　　在信道衰減一定的情況下，消除噪聲源對于增加信道容量有很要害的作用。
　　
　　實際上來自于干擾源的干擾水平可以通過信道末端網絡電子設備利用復雜的數字信號處理技術(DSP)進行控制。
　　
　　對于干擾控制有很大影響的干擾源并沒有被布線標準預先提及，而且這個干擾源無法用DSP技術來消除，這個干擾源就是綜合線外串擾(PSANEXT)。
　　　在銅纜上實施10G以太網技術的相關問題（圖五）

　　圖4: 相鄰端口的ANEXT
　　設想近端串擾(NEXT)、遠端串擾(FEXT)和回波損耗(Return Loss)能夠被DSP技術消除，殘留了噪聲參數ANEXT，即在公式(1)中信噪比S/N可以被表示為AXTIR，即PSANEXT與插入損耗的比值。
　　
　　無論如何，即使使用DSP技術抑制干擾，根據使用香農理論都表明不可能使用現有的符合標準的六類非屏蔽電纜信道來支持10G BASE-T。圖5顯示了根據香農理論(公式1)得出的四連接器六類非屏蔽100米信道的傳輸容量。結果來自IEEE的公開數據，它清楚的顯示了信道的容量是9,5 GBit/s，與10G BASE-T傳輸所需要的18-20 GBit/s的要求相去甚遠。
　　　在銅纜上實施10G以太網技術的相關問題（圖六）

　　圖 5: UTP信道容量, 長度100m
　　根據以上的結論，進行中的實驗室測試證實了綜合線外串擾PSANEXT是10G BASE-T傳輸的主要限制因素。
　　
　　下表顯示了不同級別的布線系統對應的傳輸能力，正如我們已經了解的情況，假如不附加新的參數定義或者在六類/E級布線系統中使用屏蔽技術，只有7類/F級布線系統能夠完全支持這個應用。
　　　在銅纜上實施10G以太網技術的相關問題（圖七）

　　圖 6: 10G BASE-T的連接長度
　　結論：六類非屏蔽布線系統僅能在55米距離內支持10G BASE-T傳輸，(更短的信道有更低的衰減和更低的ANEXT從而提高信噪比，達到更高的傳輸能力[參照公式1])。
　　　在銅纜上實施10G以太網技術的相關問題（圖八）

　　圖 7:電纜間串擾的最差情況
　　ANEXT被認為是增加信道容量的最大限制因素。ANEXT被定義為線纜中的一對線中對相臨的另一對線的干擾。同時我們也知道PCB配線架相臨的兩個端口之間互相也存在著強烈的ANEXT干擾影響。在兩個相同顏色的線之間的ANEXT干擾最明顯，這是由于在這對線中他們的扭距事實上是一樣的，更深一層的考慮必須基于綜合線外串擾PSANEXT，因為在所有臨近的線對之間也存在感應噪聲干擾，不僅僅是那些相同顏色的線之間。這將增大布線系統中的ANEXT的影響。
　　
　　隨著網絡應用的發展Alien Crosstalk的影響將會被減輕和消除。無論如何，當我們考慮到被提出的10G BASE-T模型，這個應用將六類布線系統的容量擴展到了極限，Alien Crosstalk 和 Powersum Alien Crosstalk noise的影響產生于鄰近的平行線纜中。研究小組一直在致力于研究抑制ANEXT的辦法。
　　
　　減小ANEXT影響
　　減小ANEXT的影響的建議和方案有很多，不僅需要改變布線系統的級別和產品，而且對結構化布線系統的安裝方法也有很大的影響。在安裝時為了有效的控制串擾的影響，我們需要控制多種不同的因素，有很多方法事實上難以實施。再考慮到ANEXT在安裝過程中和安裝后都無法測試的事實，意味著安裝建議并非是一種有效的可以測量的控制方法。綜合克服ANEXT影響的各種建議，以下建議作為可能的解決方法。
　　　在銅纜上實施10G以太網技術的相關問題（圖九）

　　改善六類UTP電纜的ANEXT
　　布線廠商已經開始改善六類UTP線纜的性能，改善ANEXT大約20 - 30 dB。這個性能的改善考慮到完成線纜結構的改變和當銅導體的規格增加時如何在線纜單元中放置線對。以下的這些原因在線纜的發展中不太可能作為一個真正的解決方案被采用：
　　
　　• 線纜將被要求有一個標準的定義，可能是"超六類"，開發六類標準是一項艱巨的任務，所以這不是一個可行的解決辦法。
　　
　　• 兼容和保持同等水平的特性作為標準的六類連接硬件仍是一個殘存的未解決的問題。
　　
　　• 這種線纜的生產成本對于最終用戶來說是不太可能代表一個有效成本的解決方案。
　　
　　• 線纜的安裝長度假如超過100米就不能保證它的性能，在實驗室以外的環境中性能也不能被證實。
　　
　　盡管這些嘗試是提供線纜問題的解決方法，但是問題仍然存在，作為預先的說明，對于ANEXT特性，組件的特性需求是前提條件。特性是怎樣的仍然沒有被定義也沒有出現等同的定義，對于系統廠商是一個很大的挑戰。
　　
　　新的安裝技術
　　為了減小ANEXT的影響，已經開始了對新的安裝方法的研究，這些新的安裝方法將會對成本和安裝的方便性產生巨大的影響。
　　
　　•為了將ANEXT減到最小，研究小組正在

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