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(duì)雙絞線傳輸?shù)?0GBase-T標(biāo)準(zhǔn)以來，萬(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用?；谌f(wàn)兆網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的布線系統(tǒng)（Cat.6A/Class EA）也已經(jīng)被大量的新建項(xiàng)目所采用。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正處在從千兆向萬(wàn)兆過渡的過程中。

伴隨著分布式計(jì)算、分布式存儲(chǔ)、云計(jì)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(tái)使人們?cè)谏?、工作中?duì)于網(wǎng)絡(luò)流量的需求不斷的變大。根據(jù)明尼蘇達(dá)大學(xué)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(zhǎng)，特別是近來年高清視頻的應(yīng)用更是極大的推高了對(duì)于網(wǎng)絡(luò)流量的需求，如圖1所示。

為了應(yīng)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。802.3ba標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)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(gè)IT公司廣泛應(yīng)用，同時(shí)也推動(dòng)了的接入層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)布線從Cat.6向Cat.6A的演進(jìn)。

雖然40G/100G的以太網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)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(jì)劃于2013年開始研究400G下一代以太網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃，一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)從開始討論到最終頒布，至少會(huì)有3～4年的時(shí)間。所以如果在2012年IEEE能最終確定發(fā)展新的標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)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(cè)

圖2 IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)形成的過程

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

既然在將來可能會(huì)有40GBase-T標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，那我們就需要關(guān)心將來40GBase-T可能會(huì)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(biāo)準(zhǔn)。

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(gè)階段，從10M到10G，與其相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)也會(huì)帶來新的物理鏈路的標(biāo)準(zhǔn)。

從支持10GBase-T以太網(wǎng)絡(luò)的Cat.6A之后，Cat.7A先于40GBase-T標(biāo)準(zhǔn)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(huì)導(dǎo)致因?yàn)槟承﹨?shù)不達(dá)標(biāo)而無法支持的問題。另外，以10GBase-T為例，萬(wàn)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(cè)試，則可以支持55m，這對(duì)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?yàn)槟壳敖ㄔO(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(jī)之間的物理鏈路，這樣的鏈路長(zhǎng)度并不是很長(zhǎng)，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(jí)留下巨大的空間，也節(jié)省了相當(dāng)多的費(fèi)用。

圖3 服務(wù)器端口預(yù)測(cè)

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?yàn)椴荒芡暾脑?00m長(zhǎng)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(huì)采用什么樣的技術(shù)，以及這樣的技術(shù)會(huì)對(duì)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(cè)，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(hào)噪音比（SNR）、帶寬兩個(gè)方面。根據(jù)香農(nóng)公式，我們可以根據(jù)這兩個(gè)值計(jì)算出相應(yīng)的極限傳輸速率。計(jì)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(hào)與噪音能量的比值。

但這僅僅是極限速率，因?yàn)閷?shí)際傳輸?shù)臅r(shí)候，我們會(huì)要求系統(tǒng)達(dá)到一定的誤碼率（BER），所以必須增加安全余量，加上冗余校驗(yàn)的信息，以保證鏈路傳輸?shù)目煽啃?。另外傳輸系統(tǒng)本身還需要一定的流量開銷，所以實(shí)際傳輸速率會(huì)低于極限。

通常，要將信號(hào)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?yàn)锽ase-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(jiǎn)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(shí)驗(yàn)室以及大學(xué)里獨(dú)立進(jìn)行，所以目前對(duì)40GBase-T并沒有一個(gè)非常明確的技術(shù)定義。而各研究機(jī)構(gòu)所采用的技術(shù)在細(xì)節(jié)上會(huì)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(huì)議和研究報(bào)告，40GBase-T的技術(shù)可能會(huì)是IEEE 802.3an 10GBase-T技術(shù)的一個(gè)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(duì)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(dāng)然這種方式也一定會(huì)被40GBase-T所采用。

根據(jù)奈奎斯特抽樣準(zhǔn)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(jìn)步，到了10GBase-T的時(shí)候，已經(jīng)基本達(dá)到了極限。因?yàn)橐呀?jīng)到達(dá)了技術(shù)上的極限，所以40GBase-T會(huì)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(duì)線到4對(duì)線的變化，但是單個(gè)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(hào)“0”或者“1”，需要兩個(gè)碼元才能夠體現(xiàn)一個(gè)bit，到10G的單個(gè)碼元可以攜帶3.125bit的信息。中間的變化是因?yàn)榫幋a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(hào)只有“1”和“0”兩種類型的碼元不同，PAM將“1”和“0”這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過一定的規(guī)則調(diào)制到16個(gè)不同等級(jí)的電平信號(hào)上：16級(jí)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(gè)碼元就可以攜帶比傳統(tǒng)更多的bit，但是為了讓信號(hào)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(huì)對(duì)成本和標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)時(shí)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(shí)還可以有很強(qiáng)的抗干擾能力。但是因?yàn)楫a(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(jìn)行研究。

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

1200MHz的PAM32+DSQ 512的方式優(yōu)點(diǎn)在于物理鏈路性能的壓力小很多，目前市場(chǎng)上Cat.7A類線纜已經(jīng)能支持1200MHz，某手持式現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀表也能夠達(dá)到1600MHz的測(cè)試帶寬。所以在應(yīng)用方面，產(chǎn)品的安裝和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的要求是可以實(shí)現(xiàn)的。采用該方案的缺點(diǎn)在于抗干擾能力相對(duì)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(dá)到的極限傳輸速率取決于信噪比，但是根據(jù)信噪比計(jì)算出來的是極限速率，在實(shí)際傳輸過程中，需要達(dá)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(yàn)信息，降低余量的要求，所以實(shí)際系統(tǒng)必須要達(dá)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(jì)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(jìn)行計(jì)算。

通過計(jì)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(gè)dB，將近4倍。

4 物理鏈路對(duì)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(hào)÷接受到的干擾信號(hào)。經(jīng)過衰減的信號(hào)可以通過信號(hào)原始能量－插入損耗得出。通過IEEE標(biāo)準(zhǔn)我們可以知道10GBase-T的信號(hào)發(fā)射端頻譜能量分布圖，在40GBase-T計(jì)算中沿用10GBase-T的公式，這樣就有了信號(hào)的原始能量，插入損耗可以通過TIA 568C.2標(biāo)準(zhǔn)中的插入損耗公式進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)然在TIA 568C.2標(biāo)準(zhǔn)中僅定義到了500MHz的位置，我們通過標(biāo)準(zhǔn)中的公式，將其延伸到了1600MHz。通過這兩個(gè)值的相減，我們就得出了計(jì)算信噪比中的信號(hào)部分。

接著我們來計(jì)算噪音干擾部分。在雙絞線中，噪聲信號(hào)的來源主要來自于兩個(gè)方面：一是外源干擾；二是線對(duì)之間的相互干擾。外源干擾來源過于復(fù)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(zhǔn)確預(yù)估。為了能夠達(dá)到計(jì)算準(zhǔn)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?。ㄆ帘伪确瞧帘慰雇庠锤蓴_的能力提高30dB以上，基本可以忽略不計(jì)）的程度。線對(duì)之間的干擾同樣可以通過延伸到1600MHz的公式計(jì)算出來，當(dāng)然線對(duì)之間的干擾有很多種，近端串?dāng)_、遠(yuǎn)端串?dāng)_、回波干擾，我們需要進(jìn)行綜合計(jì)算。

表2

當(dāng)然現(xiàn)代的技術(shù)可以通過DSP線對(duì)之間的串?dāng)_進(jìn)行噪音抑制，在計(jì)算線對(duì)之間的噪音時(shí)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?dāng)_抑制NEXT采用40dB，回波損耗RL采用60dB，遠(yuǎn)端串?dāng)_FEXT采用20dB。對(duì)于Cat.6A的研究，我們分成50m和100m兩種長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)于Cat.7A類物理鏈路，無論是測(cè)試要求帶寬還是指標(biāo)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(duì)于外源干擾幾乎可以忽略不計(jì)，對(duì)于線對(duì)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)內(nèi)對(duì)于Cat.7A指標(biāo)要求的公式，計(jì)算Cat.7A類的能力。

根據(jù)圖6計(jì)算，可以看出Cat.7A類能夠支持100m長(zhǎng)度的40GBase-T傳輸。

5 40GBase-T是否會(huì)被應(yīng)用

自從1995年5類標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)，關(guān)于4對(duì)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(shí)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?yàn)槌杀镜脑?，還有使用的習(xí)慣性，以及光纖相對(duì)較脆弱等綜合因素的存在。所以在10GBase-T標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算，我們也知道現(xiàn)有的Cat.6A類線纜可以在50m長(zhǎng)度內(nèi)支持將來可能出現(xiàn)的40G Base-T，Cat.7A可以在100m長(zhǎng)度內(nèi)支持，所以可以預(yù)計(jì)在將來我們還是會(huì)看到40GBase-T的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)椴季€系統(tǒng)使用的壽命相對(duì)較長(zhǎng)，所以我們還是需要對(duì)將來可能采用的技術(shù)有所了解，以便在實(shí)際方案選擇的時(shí)候?yàn)閷砜赡艿臄U(kuò)容和升級(jí)留下足夠的空間。

圖6 100m長(zhǎng)度Cat.7A類的極限能力