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10GBASE-T


贡献者:angelazhang    浏览:4323次    创建时间:2015-02-07

  10GBASE-T
  应用到支持Web 2.0的全部功能;采用iSCSI协议的会聚网络(converged fabrics)以及存储区域网络;在同一个物理服务器上相互独立运行,某些情况下采用异构操作系统的多台虚拟机器构成的虚拟服务器。
  从1Gbps到10Gbps
  为了更清楚地说明10GBASE-T及其工作原理,本文将简要回顾1000BASE-T并与10GBASE-T相对比。为了将以太网的传输速率提高到1Gbps,1000BASE-T以太网使用了4对5e类线,采用了基于网格编码调制的多位双向信号传输方式。收发器需要抵消掉每对线上的回波和近端串扰,以及抵消远端串扰(不作强制规定)。为了将比特率再提高一个数量级,10GBASE-T在这些方面做了进一步改进,增大了信号传输速率(从125M波特提高到800M波特),并增加了传输信号的层数(从5层增加到16层)。
  为了实现这一目标,人们采用了具有最新技术水平的低密度奇偶校验(LDPC)码,并进一步改进了接收器灵敏度、回波与串扰消除技术。表1总结了1000BASE-T和10GBASE-T所用的关键技术。尽管对信号传输、接收器灵敏度和干扰消除技术的改进措施使得10GBASE-T的实现成为可能,但是要想在更高速度下有效运行,还必须要用到10GBASE-T的相关算法和电路技术。
  板级设计者面临的问题
  幸运的是,10GBASE-T中大部分复杂的技术问题都隐藏在硅器件一级,这对于板级设计者而言是透明的。与之前的1000BASE-T一样,10GBASE-T与MAC层的接口沿用现有的标准并行接口。
  10GBASE-T设备有望像XENPAK、 X2和CX4设备那样,提供XAUI(每通道3.125Gbps)接口。这些均衡的自定时接口支持从MAC层到PHY层实现简洁的板级转换,不要求设备之间具有紧密的间隔。在设备的线路端,10GBASE-T产品将在混合电路与磁排列方案中采用厂商特有的PHY设计,这与1000BASE-T和之前基于双绞线的以太网解决方案是类似的。
  通过使用与基于双绞线传输相同的信号传输与均衡技术,这些模拟接口所需的带宽将保持在400MHz。但是,和1000BASE-T一样,OEM厂商必须及时关注并指导其PHY供货商在DAC、磁模块和接收器前端之间的设计,优化回波消除的效果。此外,作为第一代10GBASE-T设备,功耗和成本效率问题将促使人们采用多芯片的解决方案,这需要在某些模拟器件和数字器件之间设置高速接口电路。通常,这需要使用标准的LVDS接口或其他速率达到几百MHz的类似接口。这种接口要求在10GBASE-T芯片组中各个芯片要相互靠近,为此厂商需要提供一些参考设计材料。
  开发10GBASE-T的技术挑战
  在最初制订10Gb以太网标准时,很多专业人士都认为基于非屏蔽双绞线铜质电缆实现10Gb速率是不可能的,这是因为减少降低基于UTP布线的通信信道性能所涉及的大量元件面临着巨大的挑战。这可能会对信号本身的传输产生损害,例如介入损耗和符号间干扰(ISI),这些损害来源于线缆有限的带宽和本身的实际阻抗以及一些干扰因素导致的性能下降,例如回波(Echo)、近端串扰(NEXT)和远端串扰(FEXT)。此外,基底噪声和其他辐射信号,例如Alien串扰(来源于其他线缆的串扰),也会降低接收信号的信噪比(即SNR)。
  各种有线以太网系统都面临着信道损耗带来的挑战。介入损耗能够衡量一定长度的线缆上信号损耗与信号频率之间的关系。随着频率的增大,接收到的信号将会变得越来越弱,使其更容易受到噪声的影响,最终的损耗将比400MHz频率下的功率损耗高4个量级。除了需要对10Gbps的信号进行编码,使其适合每对带宽为400MHz的4对传输线之外,信号衰减的斜率——从低频下不到3dB到400MHz频带边缘下的40dB损耗——也迫切需要进行高效的信号均衡处理。
  10GBASE-T系统通过采用Tomlinson-Harashima预编码(简称THP)技术实现了这一目标,而且没有传输误差并且避免了性能损失。虽然与判定反馈均衡(DFE)技术类似,但是THP是运行在链路发送端的,能够避免判定误差(由于传输的符号是已知的)。
  尽管使用了THP技术,但是由于发射脉冲的传输几乎覆盖了近百位的间隔,因此数据信道仍然出现大量的符号间干扰(ISI)现象。根据之前的1000BASE-T以太网和DSL技术,10Gb以太网需要使用高性能的均衡器减轻ISI的影响,并恢复接收信号的脉冲波形。由于均衡器硬件的引入会影响系统的鲁棒性,因此,在评估PHY时不仅要测试PHY能够运行的最长链路,而且需要测试大量中等长度的链路和配置的转接线路。要想实现符合10GBASE-T信号传输要求的稳定均衡器,需要一定的实验室测试经验。这种均衡器仅仅是10GBASE-T设计者面临的诸多挑战的开始。
  10GBASE-T的设计者还必须应对如何减少回波和近端串扰的巨大挑战。由于近端串扰的传播方式与回波是类似的,因此减少这两种现象对于设计者而言也是类似的。之前,线缆厂商总是想方设法降级相邻线缆对之间的NEXT,认为NEXT是限制线缆带宽的一种不可消除的妨碍因素。从1000BASE-T开始直到10GBASE-T,人们已经在信号接收端大大消减了回波和NEXT。如前所述,在10GBASE-T中远端接收到的信号是被大幅度衰减过的,因此在10GBASE-T中消减回波和NEXT的程度应该比在1000BASE-T中高3个数量级。
  这实际上意味着,除了线缆连接器和接口之外,还必须消除掉传输信号在双绞线内的微小瑕疵上发生的反射而形成的回波。因此,为了设置回波消除器,可能需要在信道的整个来回路径上都布满tap。这些tap必须不断适应信道的变化,以满足线缆机械特性的变化需求。对于10GBASE-T而言,人们已经研究出了利用转换域处理的强大并行处理和共享技术以及最新的自适应技术,从而将这些自适应滤波器的信号处理需求降低一个数量级。
  消除回波和NEXT是实现10GBASE-T所面临的主要挑战之一。在1000BASE-T方案中所使用的FIR技术如果直接在10GBASE-T中实现,其复杂性将比1000BASE-T增加45倍。在这些速度下所需的高度消除水平也使得全模拟消除方式很难凑效,需要高带宽和高功率的自适应模拟滤波器,这即便是可行的也会产生很高的功耗。
  由于脉冲响应固有的可变性和随机性,某些增强脉冲响应消除能力的简单技术,例如连续时间模拟滤波器或者IIR数字滤波器,无法实现在各种布线结构下都能够起作用的灵活解决方案。更糟糕的是,回波和NEXT信号在很弱的接收信号中占了主导地位,因此直接的全数字方法需要10位以上的ADC。
  为了同时发挥高精度DSP处理和高效模拟处理技术的优势,Solarflare的解决方案同时采用了模拟和数字信号处理技术。为了执行必要的计算(对于直接实现方法,这一计算量将超过每秒10Tops),必须采用大规模并行计算方法来实现这些滤波器,通过执行大量的重用计算实现快速的算法逼近。Solarflare针对这一问题申请了专利技术,通过实现几百个tap长的消除器,以及在所有16个回波和NEXT消除通路之间共享计算,实现了稳定可靠的NEXT和回波消除性能。
  这样,10GBASE-T所需的计算量相比1000BASE-T方案增大了不到6倍,使得消除回波与NEXT变得可行。此外,该算法结合了模拟域中的处理,减少了ADC上的NEXT和回波,有效实现了不到9个等效位(ENOB)的ADC设计。由于在回波和近端串扰消除器的设计中采用了折衷处理,因此检测系统响应线缆扰动的能力是非常重要的。误码可能出现在电缆弯曲的瞬间,但是系统应该在调整到新的回波与NEXT环境之后恢复过来。
  最后一种线缆内损伤是FEXT。FEXT是在10Gb以太网链路的远端从相邻发射器发出的信号产生的干扰。由于这些信号位于链路的远端,它们曾与NEXT一样被认为是无法消除的。1000BASE-T 本来不需要FEXT消除器,但是当前的某些1000BASE-T接收器仍然具有一定的FEXT消除能力。但是,对于10GBASE-T而言,FEXT干扰会产生明显的SNR损耗,这将会妨碍中等长度距离以及长距离下的10GBASE-T传输。


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