文｜羅森伯格亞太電子有限公司 周 煒

本文主要將闡述線外串?dāng)_對(duì)數(shù)據(jù)中心布線的影響。雙絞線的線外串?dāng)_并不是一個(gè)新鮮事物，早在10年前就有人提出這個(gè)概念，當(dāng)時(shí)因?yàn)槭艿綔y(cè)試手段的制約以及當(dāng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)線外串?dāng)_并不敏感，所以沒(méi)有得到重視。但隨著近年來(lái)萬(wàn)兆以太網(wǎng)10GBase-T在數(shù)據(jù)中心內(nèi)得到普遍的應(yīng)用，線外串?dāng)_的影響變得越來(lái)越明顯。

1 線外串?dāng)_

線外串?dāng)_即Alien Crosstalk，又名線間串?dāng)_，顧名思義，是描述成束布放的電纜之間，信號(hào)能量耦合現(xiàn)象的術(shù)語(yǔ)。其概念與線纜內(nèi)部的近端串?dāng)_（NEXT）極為相似。線外串?dāng)_影響最大的就是“6包1”的情況。如圖1所示，中間的這根雙絞線線纜受到周?chē)?根線纜中耦合過(guò)來(lái)的能量干擾，特別是絞距比較大的線對(duì)受到影響更大。

圖1

線外串?dāng)_又分為ANEXT和AFEXT，如圖2所示，ANEXT就是在相鄰的兩個(gè)通道上，一個(gè)接收端（RX2）收到同一端的另一根線纜發(fā)射端（TX1）耦合過(guò)來(lái)的能量，AFEXT就是RX4受到了TX1耦合過(guò)來(lái)的能量。

過(guò)去對(duì)線外串?dāng)_不重視的原因是線纜內(nèi)部NEXT和FEXT的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線外串?dāng)_。但是隨著DSP技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)論是NEXT、FEXT，還是RL都可以得到相當(dāng)?shù)倪^(guò)濾，所以線外串?dāng)_這種無(wú)法采用有源手段主動(dòng)消除的干擾就變成了制約信噪比的最大麻煩。

圖2

2 數(shù)據(jù)中心常用以太網(wǎng)傳輸編碼與信噪比

我們要理解線外串?dāng)_對(duì)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸造成的影響，首先需要對(duì)傳輸?shù)木幋a方式與信噪比、誤碼率的關(guān)系作一定的了解。通常數(shù)據(jù)中心在HDA到PC服務(wù)器這一段多采用基于雙絞線傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)方式，而數(shù)據(jù)中心目前最常用的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是1000Base-T或1000Base-TX，部分?jǐn)?shù)據(jù)中心已經(jīng)開(kāi)始采用10GBase-T。所以本文將主要研究這三種標(biāo)準(zhǔn)與線外串?dāng)_之間的關(guān)系。本文將從這三種標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制方式入手，分析它們的極限信噪比，再對(duì)比所用傳輸介質(zhì)所能達(dá)到的信噪比，最后來(lái)看線外串?dāng)_對(duì)這三種標(biāo)準(zhǔn)的影響到底有多大。

這三種以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)采用的都是PAM（脈沖調(diào)幅）調(diào)制方式，根據(jù)奈奎斯特抽樣定律，脈沖符號(hào)率至少是頻率的2倍，比如一個(gè)正電平脈沖符號(hào)和一個(gè)負(fù)電平脈沖符號(hào)可以組合成1個(gè)正弦波，反過(guò)來(lái)說(shuō)，也就是1個(gè)正弦波最少可以攜帶2個(gè)脈沖符號(hào)。1個(gè)脈沖符號(hào)可以攜帶多個(gè)bit（也就是計(jì)算機(jī)里的0和1），但是具體能帶多少，則取決于調(diào)制和編碼的方式（可以脈沖符號(hào)bit率這個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量）。

我們知道香濃公式（Shannon）可以用來(lái)描述給定傳輸帶寬和信噪比的極限傳輸速率。這樣我們知道了脈沖符號(hào)bit率，就可以計(jì)算出所需的極限信噪比。具體公式為：

其中C為脈沖符號(hào)bit率，S /N為信噪比。

再來(lái)看調(diào)制方式。1000Base-T（IEEE 802.3ab）采用4D-PAM5調(diào)制方式（1000Base-TX ， 即 TIA/EIA 854標(biāo) 準(zhǔn)中的1000Base-T的升級(jí)版，調(diào)制方式相同）。10Gbase-T采用PAM16+DSQ+LDPC（2048，1723）調(diào)制和編碼方式。這樣我們就能根據(jù)調(diào)制方式和上面的公式計(jì)算出如表1所示的數(shù)據(jù)。

表1中的極限信噪比并不代表我們可以在這樣的環(huán)境下取得滿意的傳輸效果。如果在極限信噪比下，根據(jù)理論計(jì)算誤碼率大概在31%左右，這樣的網(wǎng)絡(luò)顯然無(wú)法讓人接受。所以IEEE規(guī)定了誤碼率的要求。1000Base-T/TX誤碼率的最高限度為10-10，10GBase-T誤碼率最高限度為10-12。所以需要將信噪比提高一個(gè)檔次（這個(gè)檔次被稱(chēng)為Gap）。根據(jù)計(jì)算，使誤碼率達(dá)到10-10需要提高11.3dB，達(dá)到10-12需要提高12.25dB。同時(shí)高效的糾錯(cuò)編碼能夠降低對(duì)信噪比的要求。所以綜合來(lái)看，以太網(wǎng)傳輸所要求的最低信噪比的計(jì)算公式為：

系統(tǒng)允許最低信噪比=極限信噪比+Gap－編碼增益。

經(jīng)過(guò)計(jì)算即可得出數(shù)據(jù)中心常用的三種以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)允許最低信噪比，如表2所示。

3 數(shù)據(jù)中心內(nèi)使用的布線系統(tǒng)與線外串?dāng)_對(duì)信噪比的影響

得到了以太網(wǎng)傳輸所需要的最低信噪比之后，我們來(lái)看數(shù)據(jù)中心傳輸線纜的信噪比能不能符合系統(tǒng)傳輸?shù)囊?。目前?shù)據(jù)中心的綜合布線中通常用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕荂at.6類(lèi)、Cat.6A類(lèi)線纜（Cat.5E現(xiàn)在幾乎不被用于任何數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸用途，所以不在本文研究范圍之內(nèi)）。信噪比可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的數(shù)據(jù)，根據(jù)如下公式計(jì)算出來(lái)（均假設(shè)為UTP線纜）。

SNR（dB）=信號(hào)－插入損耗－綜合近端串?dāng)_－綜合遠(yuǎn)端串?dāng)_－回波損耗－線間串?dāng)_（Cat.6A）－環(huán)境噪聲+近端串?dāng)_處理增益+遠(yuǎn)端串?dāng)_處理增益+回波損耗處理增益。

我們來(lái)看其中的各個(gè)部分：信號(hào)我們?nèi)EEE標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大PSD；IL、PSNEXT、PSFEXT、 RL、PSANEXT、PSAFEXT、PSAFEXT取TIA 568C.2標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定最小數(shù)值，環(huán)境噪音經(jīng)過(guò)研究，一般數(shù)據(jù)中心內(nèi)部都在-150dBm下，所以這里忽略不計(jì)。目前DSP對(duì)內(nèi)部干擾的處理增益至少可以做到（SOLARFLARE的數(shù)據(jù)）如表3所示。

表1

表2

通過(guò)上面的公式和數(shù)據(jù)，我們可以計(jì)算出，在極限情況下（雙絞線測(cè)試結(jié)果的余量均為0），三種以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在不同布線系統(tǒng)上的表現(xiàn)如表4所示。

從上面的計(jì)算結(jié)果可以看出，不考慮線外串?dāng)_的因素，千兆網(wǎng)絡(luò)比萬(wàn)兆的信噪比余量要高出10dB以上，也就意味著1000Base-T對(duì)干擾的余量是10GBase-T的十倍以上。

這個(gè)計(jì)算結(jié)果可以說(shuō)明在Cat.6上運(yùn)行的1000Base-T對(duì)線外串?dāng)_不敏感，甚至不使用FEXT Canceller也可以正常運(yùn)行；對(duì)Cat.6線纜要求也不高，即使線纜測(cè)試結(jié)果余量不是很大，也能夠保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。而運(yùn)行在Cat.6A線纜上的10GBase-T的情況則不容樂(lè)觀，因?yàn)榭紤]到ISI干擾的因素還需要保留3～4個(gè)dB的余量，所以如果Cat.6A線纜的測(cè)試結(jié)果僅過(guò)及格線，那么余量將非常緊張。當(dāng)然如果采用屏蔽線纜可以不考慮線外串?dāng)_，那么余量還是絕對(duì)足夠的。

表3

4 模擬數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)在Alien Crosstalk下傳輸?shù)膶?shí)際測(cè)試

眾所周知，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的雙絞線布線非常密集，筆者曾經(jīng)遇到過(guò)在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)配960根銅纜的工程。而上面所有的結(jié)論都是理論計(jì)算得出的結(jié)果，如果我們模擬實(shí)際環(huán)境做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，情況會(huì)如何？IEEE委員會(huì)在制定10GBase-T時(shí)曾經(jīng)提交過(guò)一份報(bào)告，實(shí)際模擬一個(gè)數(shù)據(jù)中心的“6包1”鏈路，1000Base-T在Cat.5e和Cat.6 線纜上都可以做到100%通過(guò)。

10GBase-T當(dāng)時(shí)沒(méi)有做過(guò)類(lèi)似的模擬（如圖3所示），但是現(xiàn)在有一個(gè)研究機(jī)構(gòu)正在做萬(wàn)兆以太網(wǎng)在UTP和STP上的實(shí)際傳輸效果測(cè)試。目前結(jié)果還沒(méi)有完全公布，不過(guò)大致的結(jié)論是萬(wàn)兆以太網(wǎng)在Cat.6A UTP線纜上對(duì)線外串?dāng)_非常敏感，稍有不慎，就會(huì)發(fā)生問(wèn)題。

表4

圖3 千兆以太網(wǎng)的模擬測(cè)試

5 線外串?dāng)_對(duì)數(shù)據(jù)中心布線的影響

從上面的理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)試結(jié)果都可以得出這樣一個(gè)結(jié)論：目前數(shù)據(jù)中心常用的6類(lèi)線上無(wú)論采用1000Base-T還是1000Base-TX都無(wú)需考慮線外串?dāng)_的問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儽旧硇阅艿挠嗔恳呀?jīng)足夠避免這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于10GBase-T萬(wàn)兆以太網(wǎng)，不論是UTP還是STP，如果安裝良好，理論上都可以避免線外串?dāng)_造成的問(wèn)題。但是考慮到目前的測(cè)試手段并沒(méi)有辦法能夠快速地檢測(cè)線外串?dāng)_的指標(biāo)是否合格（安裝是否良好），所以更推薦采用STP類(lèi)屏蔽布線系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，STP的線外串?dāng)_測(cè)試結(jié)果至少優(yōu)于UTP 15dB以上，所以對(duì)線外串?dāng)_基本做到了免疫。