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IEEE802.3an面临的技术难题和解决思路
浏览: 发布日期:2018-03-08 09:31:29

 与半导体技术并驾齐驱,通信技术是目前发展最快的信息技术之一。尤其是网络技术的进步可以称为日新月异。作为其代表的以太网的数据传播速度,在近10年间提高了近1000倍。早在1999年,IEEE制定了使用双绞线铜缆的以太网规格"1000BASE-T",其数据传输速率为每秒1Gbit。目前"1000BASE-T"已经成为高档个人电脑必备的标准配置之一。

  随着1000BASE-T的迅速普及,人们的注意力又转到最大数据传输速度提高到每秒10G bit的以太网(以下简称为10Gbit以太网)即万兆以太网。这是由于:在一般情况下,由网络设备和服务器相互连接组成的局域网LAN,其数据传输速度应该比由个人电脑相互连接组成的局域网的传输速度要高10倍以上。

  然而据不完全统计,当前在全世界有超过50%的布线采用了5类铜缆。如何在不改变现有网络布线系统的条件下实现万兆速率的数据传输就成了人们关注的焦点了。换句话说,应该能不使用光纤线路,利用现有布线就可满足从通信机房到工作地点之间距离的数据、话音和图像的传播,即应能够实现最大距离100米的多媒体通信。在上述背景下,采用双绞线电缆的10Gbit以太网"10GBASE-T"规格迅速提上了日程。领先于其他厂商,2004年3月美国Solar Flare通信公司宣布,他们开发成功了可用于制造10G bit/s数据传输速率的采用双绞线铜缆的收发机的A/D集成电路芯片。2004年3月,在美国召开了制定10GBASE-T规格的IEEE802.3an工作组会议。在该会议上,有近10家大型公司和创新公司以及研究机构提交了他们有关10GBASE-T的规格议案。2004年8月底,该工作组确定了1.0版的10BASE-T的规格。IEEE802.3an工作组将于2006年上半年制定出最终的规格定稿。

  目前已实用的10Gbit以太网有使用光纤的10GBASE-LR和使用4对双芯同轴电缆的10GBASE-CX4。不同于上述的这两种10G bit以太网,10GBASE-T优于上面的两种技术方案。其优于采用光纤的10GBASE-LR方案的是:不必使用光通信调制器,因而降低了成本;其优于10GBASE-CX4的是:最大传输距离可达到100m(即能够连接工作区和通信机房),而10GBASE-CX4仅为15m。

越过技术门槛

  但是,用普通的铜缆实现不了10GBASE-T。为了能用双绞线铜缆实现最大传输距离100m的10G bit/秒的传输速率,必须要越过较高的技术门槛。

  象征该技术门槛高度的是IEEE802.3an工作组在2003年11月所下的一项判断。根据双绞线铜缆的规格,作为决定10GBASE-T标准的前提条件,不能采用目前广泛使用的"5类线"和"5e类线"。这样,就只剩下了适于高速传输的"6类线"和"7类线"。据该工作组判断,由于5类线和5e类线的高频成分的衰减率高,他们很难实现10G bit/秒的数据传输速度。IEEE802.3an工作组认为,使用6类线的最大传输距离可为55m至100m,使用7类线时,最大传输距离为100m。

  将5类线和5e类线排除在外,必然对10GBASE-T的未来发展产生很大影响,这是由于目前6类和7类铜缆的普及率还不高。即使在最早使用6类线的美国,截止到2004年第1季度,所铺设的电缆中总计有50%使用6类电缆。而在日本,到2004年底,预计只有20%左右采用6类线。根据IEEE802.3an工作组的预测,到2005年12月底,在全球铺设的以太网中,采用6类电缆的占34%,采用7类电缆的仅为0.4%。也就是说,为了接入10GBASE-T以太网,其余的用户必须改铺电缆。对于改装LAN的用户而言,这意味着较大的成本负担会。

  但是值得注意的是:10GBASE-T的规格并设最后确定,因此并不能断定使用5类和5e类铜缆就不可能实现10G bit/秒的传输。作为国际标准化的舞台,可以提出各种各样的方案。对于提出方案的公司和机构,谁也不能一口咬定自己的方案就一定被确定为“国际标准”。实际上,率先推出A/D试制芯片的Solar Flare公司就认为:“使用5e类线,也可传输100m的距离。”从另一角度而言,只有越过其他公司认为不可愈越的门槛的厂商,才有可能获得潜在的大市场。IEEE802.3an工作组制定10GBASE-T规格,就是为了解决使用5e类铜缆实现10G bit/秒的传输这一难题。

主要技术难题

  下面按照标准化过程中探讨的话题,介绍确定10GBASE-T的规格时所涉及的主要技术问题。其中最重要的问题是可供使用的频率不足。在确定10GBASE-T规格时,有下述几个必须解决的主要技术问题:①占用的频带;②码传送率;③调制方式;④通信距离;⑤迟延;⑥检错/纠错方法;⑦消耗功率;⑧串扰等。

  为了实现10Gbit/秒的数据传输速度,应该满足上述各项要求较严格的条件。并且由于上述一些条件之间还存在着相互制约的关系,因此其间可供选择的幅度很狭窄。实际上,早在2002年研究确定采用光纤的10Gbit以太网的标准时,网络界的不少人就认为:“采用双绞线电缆不可能实现100m 的10G bit/秒的传输。”

  但是就在2004年初,通信业已经突破了上述制约条件的要求,实现了较高的数据传输速率,而该速率已接近理论的极限。例如,采用音频带的通信调制解调器、ADSL和无线通信等通信技术,已经开发出了满足各种制约条件中最高性能的方法,并且这些方法还在进一步完善之中。然而,与上述已拥有的通信技术相比,实现10GBASE-T的技术难题还不少。其中有两个主要的难点。

  首先是当利用双绞线铜缆传输几百MHz的载波时,会由于趋肤效应造成发热和泄漏电波,这样会使高频成分产生较大的衰减。例如,在500MHz时,6类电缆的衰减率为约0.5dB/m,而7类电缆的衰减率为约0.4dB/m。该衰减率会随着频率的增高而变大。

  由于高频成份的衰减比较大,采用双绞线时,可供使用的频率是有限制的。对于1000BASE-T,在约80MHz的谱带传输125M符号/秒的信号时,采用4组双绞线可保证1G bit/秒的数据传输速度。如果将这一条件原封不动地保障10G bit/秒的信号传输,要想实现1.25G符号/秒的信号传输率,就应该使用800MHz的带宽。但是,6类和7类电缆实际可使用的带宽上限是500MHz至600MHz。因此,在这种情况下,就不能保证有可供使用的带宽。

  目前已收到的大部分10GBASE-T规格提案,通过采用多路的调制方法,来保证400M至1G符号/秒和比其稍慢一些的符号传输率的10G bit/秒的信号传输。

关键是A/D电路的设计

  难于实现10GBASE-T的另一个理由是:对于10Gbit/s这么高的数据传输速率,其信号收发机的模数转换电路在设计上较为困难。

  为了实现1G符号/秒的传输率,组成信号收发机的模数转换电路的线性驱动电路和波形电路的设计,在技术上要求极高。为了评测数据,要求该电路的运行速度应能很高。

  由于这一原因,1000BASE-T的调制中所使用的5路脉冲幅度调制PAM就不能满足要求了。其要求必须使用多于5路的PAM调制,并且降低符号传输率。但是,采用更多路的PAM调制,会引发其他问题。由于在接收端所要求的S/N(信噪比)提高,会导致误码率增加,使通信质量下降。另外,要协调由于所要求的S/N的改变,从而造成的电缆信号衰减,以及频带变窄。

主流方案是10路左右的多路调制

  为了解决这些问题,各公司向IEE802.3an工作组提交了各自的方案,其通信方式各有不同。各种方案的特点是采用了不同的调制方法和检错/纠错方式。主流的调制方法是8路至12路的PAM调制。另一方面,在检错/纠错方式上,全部采用了前向纠错FEC(forward errorcorrection)技术。具体有Trellis码、里德·所罗门码、低密度奇偶校验以及将几种方法组合的方式。

  主流的调制方法采用的8路至12路的PAM调制。无论采用路数较多的PAM调制,还是采用路数较少的PAM调制,他们都有缺点。例如,对于路数较多的PAM调制,由于所要求的信噪比变大,使得接收的灵敏度变差。反之,对于路数较少的PAM调制,除了会增大模拟电路的负担之外,还会缩短通信距离。这是由于路数较少的PAM调制将使频带加宽。这会造成高频成分的衰减,从而随着通信距离的增大,会使信号波形急速畸变。

  在各提案中,美国Key Eye通信公司不同于其他公司,采用了路数较少的4路PAM调制,并于2004年3月试研制出了10GBASE-T的信号收发机,其模拟电路采用了由CMOS技术制造的集成系统芯片。这一方案解决的关键技术是:开发成功了可实现符号传输率高达1.56G/秒的线性驱动电路。该驱动电路在直至48dB的范围均保持线性。此外,其迟延和功耗也较小。

  然而,由于采用了路数较少的PAM调制,在采用6类铜缆的全双重通信时,其通信距离为35m,相对比较近。这一方案在IEEE2004年召开的会议上被否决。

纠错方式是提高性能的关键

  不同于美国KeyEye公司,日本产业技术综合研究所与日立公司联合提出了将正交频分复用和PAM调制组合在一起的方案。在其余的8路至12路的多路PAM调制提案中,这是一种呼声较高的方案。比较各公司的提案,在调制方法上差别并不是很大,主要的区别是采用的前向纠错方式不尽相同。

  对于路数较多的PAM调制,由于提高了所要求的信噪比的数值,因而容易造成传输差错。另外,因为一个符号载有较多的信息,即使发生一次传输差错,也会丢失大量的数据。因而,采用适当的前向纠错方式,就能弥补路数较多的多路PAM调制的缺点,从而获得与使用所要求的信噪比较小的调制方法一样的效果(编码增益)。

  大部分通信采用Trellis码调制和里德·所罗门码调制。特别是Trellis码调制和变型的低密度奇偶校验LDPC,其编码增益较大,从而能够实现传输差错极低的高质量通信。沿着这一技术方向,IEEE802.3an工作组收到了美国Broadcom公司的将Trellis码调制和里德·所罗门码调制组合的提案、美国Phyten Technologies公司Sailesh Krishna Rao先生(提出方案时在Intel公司任职)的低密度奇偶校验LDPC提案和Solar Flare公司的采用Trellis码调制的提案。在2004年8月召开的IEEE802.3an工作组会上,工作组全体通过,在面向双绞线的10Gbit/秒以太网标准“10GBASE-T”的规格中采用SaileshKrishnaRao先生的低密度奇偶校验LDPC提案。低密度奇偶校验LDPC适用于10GBASE-T规格的最大理由是,LDPC与12路PAM(PulseAmplitudeModulation)这一调制方式配合使用时,编码余量在比特误码率为10至12的情况下可达10dB。

  这里提到的低密度奇偶校验LDPC是前向纠错法的一种,其特点是利用图形进行几何性定义,如果信噪比超过预定值,可对急剧增加的误码率进行改进。该方法早在1962年就开发出来了,但因计算量大,一直到1998年都未实际应用。近年来通过改进,开发出了“香农极限”接近0.1dB的方法。其还可用于电子水印或生成元内容(metacontents)等场合。

迟延应为1μS以下

  但是,对于前向纠错FEC的选择也是有制约的。一般情况下,编码增益高的方法在数据处理上较为复杂,因而迟延会增大。迟延对于组成机群的服务器和网格计算环境等情况,会影响到服务器和网格运算的处理功能。IEEE802.3an工作组提出应该满足迟延小于1μS的条件。而满足该条件的仅有美国SUN微系统公司和美国IBM公司的方案。将Trellis码调制和里德?索罗门码调制组合在一起的使用前向纠错FEC方法时,其迟延较大,不能满足迟延小于1μS的要求。

日本产业综合研究所提出OFDM法

  在IEEE802.3an规格的主要内容逐步确定的过程中,日本产业综合研究所和日立公司在2004年3月向IEEE802.3an工作组会议提出了将PAM调制与OFDM组合在一起实现10GBASE-T的新方案。新方案的特点是:为了在高频条件下,实现在信号衰减的情况下,也不使波形过于恶化,利用了4路载波,将信号分成更宽的频带。与仅利用1路载波的调制方法相比,大大提高了频率的使用效率。因此可以不必使用高级的编码方式。该OFDM的处理可只进行单纯的计算。采用的矩阵大小为7×12。这一方案与其他方法不同之点在于,将频谱分割,采用多路载波。传统的方法是在1路载波上采用PAM调制。日本产业综合研究所和日立公司的新方案是利用4路载波,分成相位相差的90°的垂直(正交)成分,再对总计7路载波分别进行PAM调制。

  他们研究出这一方案的理由是,其具有两大优点。一是按照频率的情况可使用多路的PAM调制;二是频率利用效率高。他们认为这种方案的优点是:采用OFDM方法,可有效使用更宽的频率。这样就不必依赖复杂的纠错方式,从而牺牲迟延特性。

  对于日本产业综合研究所和日立公司的提案,参加802.3an工作组的各位成员异口同声的说,该OFDM方案“在技术上是新奇和有意义的。但是提出这一方案的时间是晚了些”。按照IEEE原定的程序,到2004年8月时还不能订出1.0版,会受到IEEE领导机构的警告。日本产业综合研究所坚持认为:“其余的方案大多数采用多路PAM调制。从衰减曲线上看,其容限较少。即使采用理想的电缆,也可能在通信上并不能实际应用。如果实际试验时,电缆性能达不能实用要求,势必要将对已有的提案进行更大修改。”

  日本产业综合研究所的提案最终被802.3an工作组2004年8月会议否决。然而日本产业综合研究所的贡献是,利用其集群计算机在2周内即完成了相关的模拟试验,证明了LDPC不存在ErrorFloor。对于LDPC曾有一大悬念,制定规格的技术人员曾表示:“担心LDPC存在ErrorFloor”。所谓ErrorFloor,是指即使在S/N足够大的理想通信环境中,也会出现误码率居高不下的现象,这往往是由纠错编码方式的基本设计或参数选择的不合理引起的。对于LDPC仅能通过计算量很大的计算机模拟来验证是否存在这一现象。这种模拟如果使用普通个人电脑的话,需要花7年才能完成。这一结果使得IEEE802.3委员会全体通过了采用LDPC的提案。

因功耗高不易制作开关电路

  与已有方案不同,在实际应用10GBASE-T时,还必须解决一些实际安装的问题。其一是每个电路板的消耗功率。根据日本NEC电子公司2003年9月进行的试验,他们方案的消耗功率在使用以90纳米半导体工艺制作的集成电路时,其中数字电路部分功耗8W,模拟电路部分功耗3.7W,总计为11.7W的功耗。预计其他公司的方案的功耗大体在10W至20W之间。美国富士通实验室的先进互连技术副总经理Hattori Akira先生称:“这么大的功耗,受发热量制约,需要将开关集成电路安装在多个电路板上。”日本NEC电子公司预计,通过改进模拟电路技术和采用65纳米半导体工艺,“3年后可将总功耗降为6.2W”。

  高的功耗对于10GBASE-T市场的建立也会有影响。日立电线公司信息频率部网络设备开发处的部门经理濑户康一郎先生说:“对于1000BASE-T,其信号收发机的集成电路功耗如果能够降至1W以内,也就是说,不需要空气冷却用的风扇的话,则用户可迅速增加”。对于搭载小型个人电脑,减少功耗是其决定性的重要因素。

  在降低功耗上,美国KeyEye公司比其他公司先行一步。2004年3月他们试制的模拟电路的CMOS开关的功耗限制在1.66W,他们已经实现了比NEC电子公司预计的3年后才能达到的值更低的功耗。如果数字电路的功耗也能同样降低的话,则可实现整个信号收发机的功耗小于5W的目标。

通过无线“M1M0”减少串扰

  与功耗并列的另一大问题是串扰(漏话)。电缆衰减越大,洩漏的电波就强,在双绞线间和电缆之间的串扰就会增大。其中问题最大的是被称为“外来串扰(alien crosstalk)”的电缆之间的串扰。NEC电子的关克敏先生说:“电缆内的近端串扰和远端串扰可通过数字电路的消回声功能进行消除。

  对于10GBASE-T,载波可能急剧衰减。其中大部分是以电磁波的形式向电缆外幅射。所幅射的电磁波就成了邻近电缆的噪声源。这种噪声被称为“外来串扰”。根据NEC电子公司的仿真试验,将6根以上的电缆捆束在一起使用时,其中心电缆按照香农定理计算出来的理论最大通信容量(香农容量)会低于10Gbit/秒,从而不能实现10Gbit/秒的通信。近端串扰和远端串扰的特殊之处在于,他们不能利用回声消除法来进行消除。目前正在利用MINO无线通信技术开发降低这种串扰的技术。

  “外来串扰”是从外部电缆产生的噪声。因为与发送和接收的本征信号之间没有相关性,所以采用传统方法并不能解决。对于没有被复的6类电缆,这种“外来串扰”占的比重较大。根据日本NEC电子公司的仿真试验,如果使用多于6根的6类电缆束的话,由于“外来串扰”的影响,不能保证10G位/秒的通信。

  解决外来串扰可采用无线通信技术的MINO法注。采用这种方法,可将电缆中的4根双绞线看作4根天线,从另一双绞线发送出的“外来串扰”,可能被抵消一部分。

  这里提到的MINO为Multiple input multi Output(多输入多输出)的缩写。这是一种新一代的无线通信技术。将某一频率的信道电波,利用多个天线并行发送和接收。通过这种复用方式,从而实现高速传输。该技术的数据通信速率可达到100Mbit/秒。这是第4代移动通信(所谓4G)的侯补技术之一。

  上面介绍了1.0版IEEE802.3an规格中的主要技术问题。希望能对我们的10GBASE-T技术开发有所借鉴。