在铜缆上实施10G以太网技术的相关问题

　　简介：
　　低成本高带宽网络应用需求的持续发展，导致IEEE的一个研究小组开始研究利用铜缆传输介质实现10G以太网应用的可行性。虽然在目前的商业办公环境中，10G比特速率的网络应用看起来并不必要，但在其他领域对这种应用的需求却是现实的，例如在现代的数据中心环境下使用服务器集群应用时就需要低成本的光纤替代方案。针对当前使用的结构化布线系统的性能进行的可行性研究已经发现了很多问题，而对于六类布线系统是否适合用来支持超过千兆以太网的应用而提出的问题可能会导致更多的担忧。这个研究小组的发现将塑造未来的布线工业，对于以支持未来应用为IT战略的顾问和最终用户们，这些研究成果也将为他们提供更多的机会。
　　
　　可行性研究
　　研究小组最初的目标是完成10G BASE-T技术的可行性研究。项目的成功要符合五个关键标准。研究小组已经达到了这五个标准的需求，他们是：
　　
　　与IEEE 802.3标准的兼容性
　　第一个目标是确保技术可行性的同时维持IEEE 802.3标准的基本原则，即以太帧的结构和大小以及仍旧使用CSMA/CD机制。
　　
　　市场潜力
　　研究小组也不得不研究技术成功后实际的市场潜力。在数据中心环境下使用高密度的计算机设备和网络存储技术是普遍现象，在这种环境下这种技术是有市场潜力的。目前在商业建筑环境里没有对于这种容量的巨大的需求和需要，但是在技术方面不断增加的投资将使得未来端口密集技术被建立。它将提供给最终用户在他们的网络配置中相当可观的运转节省。
　　
　　以下图表显示了10G BASE-T有潜力代替光纤作为低成本的物理介质应用。
　　

　
　　图1：潜在的10G BASE-T应用
　　明显的特性
　　在保持IEEE 802.3基本原理的同时，此项技术的发展必须拥有正确的并且是独有的10G BASE-T特性。
　　
　　经济可行性
　　&S226;与利用IEEE 803.3 10G-BASE SR/SW技术和OM3光纤的10G以太网以及使用和低成本的VCSEL技术配置的10G以太网相比，10G铜缆技术能够提供40%的费用节省。
　　
　　&S226;为10G技术提供低成本的布线系统，对比光纤介质，线缆介质的成本降低，安装的成本也要低。
　　
　　技术可行性
　　技术可行性可能是研究小组面临的最大的挑战。有关技术可行性的大量的问题将构成这篇文档的基本内容。
　　　
　　提议的10G BASE-T 传输模式将利用脉冲调幅(PAM)技术，类似于已经被普遍用于千兆以太网的1000BASE-T模式。1000 BASE-T模式利用PAM技术使用PAM-5进行编码，在四对线的每一对上双工双向进行250 Mb/s的传输。这个应用要求工作带宽大约80MHz。10G BASE-T建议利用PAM-5或者PAM-10技术进行编码，在四对线的每一对上全双工进行2.5Gb/s的传输。
　　
　　根据这个模式，依据香农理论进行计算，为了达到2.5Gb/s的传输速率，信道的传输能力应该达到18-20 GBit/s(4对线*每对 2.5 GBit/s = 10 GBit/s. 全双工模式意味10 GBit/s * 2 = 20 GBit/s)。
　　
　　早期的模型实验表明，达到这样的要求需要大约625M的工作带宽，对于已经安装的符合标准的布线系统，这会带来严重的问题，最明显的一个问题就是625M的工作带宽超出了符合标准的E级/6类布线系统的频率限制。
　　
　　香农容量定律
　　在这些早期的模型实验中，通过现有的标准布线系统信道的扩展频率，香农理论已经被用来测定最大数据量。香农理论给出了线缆通道中的数据传输能力(b/ps)的计算方法，信道的容量作为一个线缆通道的可利用带宽和信噪比的函数，可以被表示为：
　　　
　　C表示信道容量，B是链路带宽(例如625 MHz)，S是平均信号功率，N是平均噪声功率。S与N的比值S/N被叫做信号噪声比。
　　
　　从上面的理论我们可以看到，能否通过布线系统信道传输10G BASE-T ，将主要取决于它的信噪比。
　　
　　因为信道衰减，信号功率是逐渐减小的。
　　
　　ISO11801标准中定义的E级布线系统信道的衰减公式为：
　　　
　　IEEE向ISO 11801标准建议该公式对于10G BASE-T的信道需依然保持有效。噪声功率由以下部分组成：
　　
　　&S226;全双工模式下，共享一对双绞线的接收端与发射端之间的回波反射。
　　
　　&S226;3个近端发射器的近端串扰(NEXT)
　　
　　&S226;3个远端发射器的远端串扰(FEXT)
　　
　　&S226;综合线外串扰(Power Sum Alien NEXT): 相邻的电缆的线对之间的串扰和相临的连接硬件之间的串扰。
　　
　　在信道衰减一定的情况下，消除噪声源对于增加信道容量有很关键的作用。
　　
　　实际上来自于干扰源的干扰水平可以通过信道末端网络电子设备利用复杂的数字信号处理技术(DSP)进行控制。
　　
　　对于干扰控制有很大影响的干扰源并没有被布线标准预先提及，而且这个干扰源无法用DSP技术来消除，这个干扰源就是综合线外串扰(PSANEXT)。
　　　
　　图4: 相邻端口的ANEXT
　　设想近端串扰(NEXT)、远端串扰(FEXT)和回波损耗(Return Loss)能够被DSP技术消除，残留了噪声参数ANEXT，即在公式(1)中信噪比S/N可以被表示为AXTIR，即PSANEXT与插入损耗的比值。
　　
　　无论如何，即使使用DSP技术抑制干扰，根据使用香农理论都表明不可能使用现有的符合标准的六类非屏蔽电缆信道来支持10G BASE-T。图5显示了根据香农理论(公式1)得出的四连接器六类非屏蔽100米信道的传输容量。结果来自IEEE的公开数据，它清晰的显示了信道的容量是9,5 GBit/s，与10G BASE-T传输所需要的18-20 GBit/s的要求相去甚远。
　　　
　　图 5: UTP信道容量, 长度100m
　　根据以上的结论，进行中的实验室测试证实了综合线外串扰PSANEXT是10G BASE-T传输的主要限制因素。
　　
　　下表显示了不同级别的布线系统对应的传输能力，正如我们已经了解的情况，如果不附加新的参数定义或者在六类/E级布线系统中使用屏蔽技术，只有7类/F级布线系统能够完全支持这个应用。
　　　
　　图 6: 10G BASE-T的连接长度
　　结论：六类非屏蔽布线系统仅能在55米距离内支持10G BASE-T传输，(更短的信道有更低的衰减和更低的ANEXT从而提高信噪比，达到更高的传输能力[参照公式1])。
　　　
　　图 7:电缆间串扰的最差情况
　　ANEXT被认为是增加信道容量的最大限制因素。ANEXT被定义为线缆中的一对线中对相临的另一对线的干扰。同时我们也知道PCB配线架相临的两个端口之间互相也存在着强烈的ANEXT干扰影响。在两个相同颜色的线之间的ANEXT干扰最明显，这是由于在这对线中他们的扭距事实上是一样的，更深一层的考虑必须基于综合线外串扰PSANEXT，因为在所有临近的线对之间也存在感应噪声干扰，不仅仅是那些相同颜色的线之间。这将增大布线系统中的ANEXT的影响。
　　
　　随着网络应用的发展Alien Crosstalk的影响将会被减轻和消除。无论如何，当我们考虑到被提出的10G BASE-T模型，这个应用将六类布线系统的容量扩展到了极限，Alien Crosstalk 和 Powersum Alien Crosstalk noise的影响产生于邻近的平行线缆中。研究小组一直在致力于研究抑制ANEXT的办法。
　　
　　减小ANEXT影响
　　减小ANEXT的影响的建议和方案有很多，不仅需要改变布线系统的级别和产品，而且对结构化布线系统的安装方法也有很大的影响。在安装时为了有效的控制串扰的影响，我们需要控制多种不同的因素，有很多方法事实上难以实施。再考虑到ANEXT在安装过程中和安装后都无法测试的事实，意味着安装建议并非是一种有效的可以测量的控制方法。综合克服ANEXT影响的各种建议，以下建议作为可能的解决方法。
　　　
　　改善六类UTP电缆的ANEXT
　　布线厂商已经开始改善六类UTP线缆的性能，改善ANEXT大约20 - 30 dB。这个性能的改善考虑到完成线缆结构的改变和当铜导体的规格增加时如何在线缆单元中放置线对。以下的这些原因在线缆的发展中不太可能作为一个真正的解决方案被采用：
　　
　　&S226; 线缆将被要求有一个标准的定义，可能是"超六类"，开发六类标准是一项艰巨的任务，所以这不是一个可行的解决办法。
　　
　　&S226; 兼容和保持同等水平的特性作为标准的六类连接硬件仍是一个残存的未解决的问题。
　　
　　&S226; 这种线缆的生产成本对于最终用户来说是不太可能代表一个有效成本的解决方案。
　　
　　&S226; 线缆的安装长度如果超过100米就不能保证它的性能，在实验室以外的环境中性能也不能被证明。
　　
　　尽管这些尝试是提供线缆问题的解决方法，但是 问题仍然存在，作为预先的说明，对于ANEXT特性，组件的特性需求是前提条件。特性是怎样的仍然没有被定义也没有出现等同的定义，对于系统厂商是一个很大的挑战。
　　
　　新的安装技术
　　为了减小ANEXT的影响，已经开始了对新的安装方法的研究，这些新的安装方法将会对成本和安装的方便性产生巨大的影响。
　　
　　&S226;为了将ANEXT减到最小，研究小组正在

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