基于4对双绞线传输的下一代Base-T网络

文｜江苏金鼎楼宇智能系统工程有限公司 孙 旭

1 前言

自从2006年IEEE发布802.3an基于4对双绞线传输的10GBase-T标准以来，万兆网络已经得到广泛的应用。基于万兆网络标准的布线系统（Cat.6A/Class EA）也已经被大量的新建项目所采用。网络系统正处在从千兆向万兆过渡的过程中。

伴随着分布式计算、分布式存储、云计算、虚拟化等新一代技术与新架构的推出；智能终端等基于网络服务的平台使人们在生活、工作中对于网络流量的需求不断的变大。根据明尼苏达大学的MINTS（Minnesota Internet Traffic Study）小组的研究，Internet网络流量近年来一直成指数型增长，特别是近来年高清视频的应用更是极大的推高了对于网络流量的需求，如图1所示。

为了应对这种不断上升的需求，IEEE于2010年发布了802.3ba 40G/100G以太网络标准。802.3ba标准主要针对的是基于光纤传输的骨干链路与核心层传输。新的网络传输技术出现伊始就被多个IT公司广泛应用，同时也推动了的接入层网络基础布线从Cat.6向Cat.6A的演进。

虽然40G/100G的以太网络传输标准刚刚发布，但是IEEE并没有停留在此，根据现有的规划，IEEE计划于2013年开始研究400G下一代以太网络标准，并于2016年正式发布，如图2所示。网络流量需求的增加并不是仅仅停留在核心网络上，接入层的网络也有新的需求。从2006年802.3an标准出台后，新一代的Base-T就开始讨论，并在2009年还成立了HSoTP（Higher Speed over Twisted-pair）组织。根据标准的规划，一个新的标准从开始讨论到最终颁布，至少会有3～4年的时间。所以如果在2012年IEEE能最终确定发展新的标准，预计40GBase-T将与2016年基于光纤的400G同步发布。

图1 互联网流量需求预测

图2 IEEE 802.3ba标准形成的过程

从图3可以看出，根据预测，到2016年开始，会有相当多的x86服务器端口采用40G网络。

既然在将来可能会有40GBase-T标准出现，那我们就需要关心将来40GBase-T可能会采用何种物理媒介作为传输的基础。本文将着重讨论在现有的物理链路上，能否支持下一代的40GBase-T标准。

2 物理链路的发展

Base-T以太网络的发展经过了几个阶段，从10M到10G，与其相对应的物理链路也从Cat.3发展到Cat.6A甚至是现在的Cat.7A。如图4所示，10Base-T与 C a t.3，1 0 0 B a s e-T与 C a t.5，1000Base-T与 Cat.5e，10GBase-T与Cat.6A基本上都是同步出现的，所以一般来说新的以太网标准也会带来新的物理链路的标准。

从支持10GBase-T以太网络的Cat.6A之后，Cat.7A先于40GBase-T标准发布。那么我们就需要关注，Cat.7A从物理性能上是否能够满足下一代的40GBase-T以太网路的传输要求，是否会导致因为某些参数不达标而无法支持的问题。另外，以10GBase-T为例，万兆不是只能采用Cat.6A类的物理链路，在Cat.6的链路上至少可以支持37m的距离，如果经过附加测试，则可以支持55m，这对于现有的物理链路意义重大，特别是在数据中心中，因为目前建设的数据中心，大量的采用Cat.6A作为服务器到接入交换机之间的物理链路，这样的链路长度并不是很长，通常小于20m，如果Cat.6A的物理性能显示其能够在短距离上支持40GBase-T，那将为数据中心将来的升级留下巨大的空间，也节省了相当多的费用。

图3 服务器端口预测

图4 物理链路的发展

所以Cat.6A能否在短距离上支持40GBase-T也是本文讨论的内容。Cat.6及以下的物理链路因为不能完整的在100m长度上支持10GBase-T，所以讨论能否支持40GBase-T没有意义，不在本文的讨论范围内。

3 40GBase-T技术

我们研究物理链路的性能是否能够支持下一代的Base-T网络，那么我们就必须了解两方面的内容：一是物理链路的性能极限在什么地方；二是下一代的Base-T传输系统可能会采用什么样的技术，以及这样的技术会对物理链路有什么要求。如果物理链路能够符合要求，那我们就可以推测，该物理链路在将来有可能支持下一代的Base-T系统；反之则不能支持。

我们知道物理链路能支持多大的带宽，取决于信号噪音比（SNR）、带宽两个方面。根据香农公式，我们可以根据这两个值计算出相应的极限传输速率。计算最大信息传送速率C的香农公式：C=B×log2（1+S/N）。式中：B是信道带宽（赫兹），S/N为信号与噪音能量的比值。

但这仅仅是极限速率，因为实际传输的时候，我们会要求系统达到一定的误码率（BER），所以必须增加安全余量，加上冗余校验的信息，以保证链路传输的可靠性。另外传输系统本身还需要一定的流量开销，所以实际传输速率会低于极限。

通常，要将信号调制到载波上，比较主流的方式可以采用调幅、调频、调相。因为Base-T以太网主要是用于有线短距离传输（100m以内），所以为了简化系统，降低能耗和成本，一直以来，IEEE都采用调幅的方式。

目前来看，IEEE关于40GBase-T的研究小组尚没有正式成立，关于40GBase-T的前期研究均在各大厂商实验室以及大学里独立进行，所以目前对40GBase-T并没有一个非常明确的技术定义。而各研究机构所采用的技术在细节上会有一定的差异。本文就根据IEEE一贯所采用的技术方针，参考一些研究所的技术发展，来研究Cat.6A以及Cat.7A类物理链路是否在将来支持新的传输系统。根据IEEE的会议和研究报告，40GBase-T的技术可能会是IEEE 802.3an 10GBase-T技术的一个延续和发展。我们就先以Cat.6A链路如何支持10GBase-T为例，来看一下网络与物理链路的关系，如图5所示。

图5 10GBase-T采用全双工的方式

10GBase-T采取全双工的方式。全双工方式虽然对于系统要求比较高，但是可以有效降低系统带宽的要求，所以被IEEE所采用。当然这种方式也一定会被40GBase-T所采用。

根据奈奎斯特抽样准则，理想低通信道下的最高码元传输速率＝2×带宽。以太网络的发展过程中，码元和带宽的关系也是在不断进步，到了10GBase-T的时候，已经基本达到了极限。因为已经到达了技术上的极限，所以40GBase-T会遵循码元带宽比为2的原则。

从表1中我们可以看到，从10M到10G虽然中间也发生了2对线到4对线的变化，但是单个码元能够携带的bit信息是越来越多。从最早10M的曼彻斯特编码采用1和0的跳变来代表信号“0”或者“1”，需要两个码元才能够体现一个bit，到10G的单个码元可以携带3.125bit的信息。中间的变化是因为编码的方式发生了很大的变化，比如10G采用的是PAM16+DSQ128的方式，和传统概念中数字信号只有“1”和“0”两种类型的码元不同，PAM将“1”和“0”这两个信号经过一定的规则调制到16个不同等级的电平信号上：16级脉冲调幅采用-15，-13，-11，-9，-7，-5，-3，-1，1，3，5，7，9，11，13，15。这样单个码元就可以携带比传统更多的bit，但是为了让信号传输更安全，引入了DSQ 128技术。

表1

在40GBase-T中，采用何种速率以及匹配的PAM调制技术尚没有明确的结论，现在讨论的载波调制技术也有很多种，比如OFDM、QAM、PAM等，但是采用完全新的调制方式可能会对成本和标准开发时间造成很大的影响。比如QAM技术，如果采用256 QAM技术虽然可以大幅度提高编码的效率同时还可以有很强的抗干扰能力。但是因为产品的成本和技术难度都无法接受，所以目前研究主要集中在1200MHz带宽的PAM32+DSQ 512以及1600MHz PAM16+DSQ 128。本文也将以这两种技术为例进行研究。

这两种方向各有其优点和缺点。1600MHz的PAM16+DSQ 128的方式完全延续10GBase-T的技术，所以对于信噪比要求和10GBase-T并没有变化，编码设备实现起来难度并不大。但是缺点来自于对于物理链路的要求过高，要求带宽达到至少1600MHz，再加上一些带宽的安全余量（20%），将会达到2000MHz的水平，这样的级别对于物理链路的要求非常高，在实际的应用层面，对于产品的安装和现场测试的要求都过高，这也会对将来的应用造成不小的阻力。

1200MHz的PAM32+DSQ 512的方式优点在于物理链路性能的压力小很多，目前市场上Cat.7A类线缆已经能支持1200MHz，某手持式现场测试仪表也能够达到1600MHz的测试带宽。所以在应用方面，产品的安装和现场测试的要求是可以实现的。采用该方案的缺点在于抗干扰能力相对较弱，需要开发新的编码和规则。

前面已经知道了给定的带宽下能达到的极限传输速率取决于信噪比，但是根据信噪比计算出来的是极限速率，在实际传输过程中，需要达到一定的误码率（BER），必须要有一定的安全余量，另外编码本身也可以通过采用LDPC等技术加入冗余校验信息，降低余量的要求，所以实际系统必须要达到的信噪比为：极限信噪比+BER所需要的余量－系统编码增益。通过计算，IEEE以太网相应的信噪比要求如表2所示。两种40GBase-T技术的编码仍然采用10GBase-T所采用的技术进行计算。

通过计算我们得到了两种不同方式所要求的最低信噪比。也可以看出，第二种方式要比第一种方式的信噪比高了6个dB，将近4倍。

4 物理链路对于40GBase-T的支持

我们已经知道了系统所要求的信噪比，目前在我们手中有两种可能选择——Cat.6A、Cat.7A。我们分别来探讨一下它们是否能够支持40GBase-T的信噪比要求。我们先来看一下Cat.6A的情况，研究物理链路的信噪比的公式为：经过衰减的信号÷接受到的干扰信号。经过衰减的信号可以通过信号原始能量－插入损耗得出。通过IEEE标准我们可以知道10GBase-T的信号发射端频谱能量分布图，在40GBase-T计算中沿用10GBase-T的公式，这样就有了信号的原始能量，插入损耗可以通过TIA 568C.2标准中的插入损耗公式进行计算。当然在TIA 568C.2标准中仅定义到了500MHz的位置，我们通过标准中的公式，将其延伸到了1600MHz。通过这两个值的相减，我们就得出了计算信噪比中的信号部分。

接着我们来计算噪音干扰部分。在双绞线中，噪声信号的来源主要来自于两个方面：一是外源干扰；二是线对之间的相互干扰。外源干扰来源过于复杂，包括背景电磁噪声、设备噪声、线缆之间的相互干扰，所以无法准确预估。为了能够达到计算准确性，所以本文只研究屏蔽Cat.6A的线缆。将外源干扰的影响降低到最小（屏蔽比非屏蔽抗外源干扰的能力提高30dB以上，基本可以忽略不计）的程度。线对之间的干扰同样可以通过延伸到1600MHz的公式计算出来，当然线对之间的干扰有很多种，近端串扰、远端串扰、回波干扰，我们需要进行综合计算。

表2

当然现代的技术可以通过DSP线对之间的串扰进行噪音抑制，在计算线对之间的噪音时需要加上噪音抑制带来的增益。根据设备的通常处理能力，本文中近端串扰抑制NEXT采用40dB，回波损耗RL采用60dB，远端串扰FEXT采用20dB。对于Cat.6A的研究，我们分成50m和100m两种长度，如表3所示。

表3

通过Matlab仿真我们可以得出Cat.6A类物理链路在50m长度下，最高能支持50～56Gbps的传输速率，有可能满足40GBase-T的传输要求。

对于Cat.7A类物理链路，无论是测试要求带宽还是指标都要高于Cat.6A类。而且Cat.7A类均采用双层屏蔽的结构，所以对于外源干扰几乎可以忽略不计，对于线对之间的干扰也大大减弱，所以Cat.7A类物理链路的信噪比表现远优于Cat.6A类。我们同样可以根据即将发布的ISO 11801-1标准内对于Cat.7A指标要求的公式，计算Cat.7A类的能力。

根据图6计算，可以看出Cat.7A类能够支持100m长度的40GBase-T传输。

5 40GBase-T是否会被应用

自从1995年5类标准制定时，关于4对双绞线的极限传输能力始终被广泛讨论，关于光纤取代铜缆的呼声也越来越高。但是在实际应用上，我们目前仍在最后100m距离上大量采用传统的双绞线来连接网络。这不光是因为成本的原因，还有使用的习惯性，以及光纤相对较脆弱等综合因素的存在。所以在10GBase-T标准发布后，业界也一直在讨论下一代基于双绞线网络的发展。通过本文的计算，我们也知道现有的Cat.6A类线缆可以在50m长度内支持将来可能出现的40G Base-T，Cat.7A可以在100m长度内支持，所以可以预计在将来我们还是会看到40GBase-T的标准。因为布线系统使用的寿命相对较长，所以我们还是需要对将来可能采用的技术有所了解，以便在实际方案选择的时候为将来可能的扩容和升级留下足够的空间。

图6 100m长度Cat.7A类的极限能力