10GBASE-T技术白皮书20160718

1IEEEStd802.3an™-20061摘要本文档描述了10GBASE-T基本原理，并且介绍10GBASE-TPMA层与PCS层的相关技术及10GBASE-T自动协商原理，详细描述了10GBASE-T物理层电气一致性测试原理，方法及步骤。2关键词10GBASE-T，PMA层，PCS层，自动协商，物理层电气一致性测试23概述3.110GBASE-T技术目标支持自动协商，以全双工基带的传输方式在至少100m长度的4对线缆上传输满足IEEE802.3标准的帧，要求BER=10e-12，同时满足CISPR/FCCClassAEMC要求（商业或工业使用）；3.2OSI参考模型与IEEE802.3CSMA/CD局域网模型说明：10GBASE-TPHY组件由10GBASE-TPCS,10GBASE-TPMA,10GBASE-TAN和10GBASE-TMDI组成；PCS子层使用了LDPC前向纠错和多位PAM16编码；PMA子层在8芯4线对的Cat6A双绞线上实现4路捆绑的同时收发功能；AN功能将自动协商延伸到万兆；MDI接口使用扩展6类RJ45连接器，在高性能扩展6类线上可以传输100m距离；Transmitter3ReceiverSelf-synchronizingscrambler-Providesclocktransitions,andastatisticallyrandompowerspectrumforEMIcontrol,equalizerconvergence,etc.DSQ128coding-The10GBASE-Tstandardusesasynthetic2-dimensional128DSQ(DoubleSQuare)constellation,whichconveys7bitspersymbol.LDPC(LowDensityParityCheck)blockcodes–BlockcodesareoneoftwokindsoferrorcorrectingcodesthatcanbeusedtoapproachtheShannoncapacityofachannel.Tomlinson-HarashimaPrecoding(THP)-The10GBASE-TstandardcallsfortheuseofTHP,whichisaschemeinwhichtheequalizerforthechannelisplacedinthetransmittertheoreticallyallowingthereceivertosee“perfect”symbols.Trainingisaccomplishedduringtheinitializationphaseofthelink.3.3操作概述10GBASE-TPHY实现的技术方案非常复杂，IEEE802.3an标准将10GBASE-T的运行概述如下：10GBASE-TPHY组件在四线对平衡型布缆上采用全双工基带传输；每个线对上双向同时以2500Mb/s传输，4线对捆绑达到10Gb/s的速率；每个线对的调制速率为800MBd(波特，或symb/s),调制方式为PAM16（基带16电平脉冲幅度调制）；两个连续传输的PAM16信号作为一个二维(2D)符号，选自一个极大化2D符号分离的特点1284点星座，即DSQ128(双矩形)星座；4bit(㏒216)形成一个16级的脉冲幅度调制信号，每个16级PAM值作为一个PAM16符号，一对PAM16符号组成1个二维(2D)编码，从而形成256（16×16）个正交值的星座，从16×16矩阵中精减交叉的点形成128个2D符号，最终的DSQ128星座如下图，(在二维上使用值：-15,-13,-11,-9,-7,-5,-3,-1,+1,+3,+5,+7,+9,+11,+13,+15)；Figure:DSQ128Constellation与传统16x16的正交阵列相比，相邻DSQ128编码的距离增加了√2倍，这提高了3dB的信噪比，从而可以有效减少误码率(BER);链路启动后连续发送PHY帧（512个DSQ128符号），DSQ128符号由7比特(㏒2128)标签确定，标签由3个未编码比特加上4个LDPC编码比特构成（PCS层）；Figure:DSQ128CodeblockwithLDPC(1723,2048)一个PHY帧的512个DSQ128符号作为4×256的PAM16符号在四线对上传输，数据和控制符统一成帧，在链路启动后连续传输；编码速率为3.125信息位/符号，信息位包括以太网数据与控制符，以及辅助信道的比特；当计算10GBASE-T系统数据吞吐量时，需要考虑成帧和代码块的开销：A.4bit编码数据：由于增加了325个检验bit，最终形成2048LDPC编码块，实际编码数据降为1723/2048=3.3652bit5B.3bit未编码数据：无额外开销；C.因此每个DSQ128符号的平均数据bit是3+3.3652=6.3652bitD.由于两个PAM16符号形成1个DSQ128符号，因此PAM16符号的平均数据bit减半为6.3652bit/2=3.1826bitsE.增加物理层64B/65B块编码，帧同步和CRC的开销，最终PAM16符号的平均bit数减为3.125bits，计算过程如下：XGMII输入50个64bit，即64*50=3200bits，经过64B/65B编码，扰码，增加1bit辅助位和8bitCRC，输出50*65+8+1=3259bits，效率为3200/3259=0.9819；即3.1826*0.9819=3.12498；10GBASE-T的数据吞吐量：800MBd(调制率)×3.125bit/symb(编码率)×4（线对）=10Gbit/s(四路捆绑传输总速率)1000BASE-T：125MBd×2bit/symb×4=1Gbit/s以太网标准化组织（IEEE802.3）与线缆标准化组织（TIATR42）合作第一次协调了网络接口标准(10GBASE-T)与线缆标准(Cat6A,Category6Augmented)的制订，EIA/TIA568B.2-10标准是定义扩展6类双绞线Cat6A的规范；术语组件/通道：扩展6类线的有效带宽扩展到了500MHz，但在6类线有效带宽的250MHz以内的指标值与6类线原有的保持一致；PAM16符号率是800MSymbols/秒（800Mbaud），根据奈奎斯特采用原理，要求基带频率为400MHz的信号，在实际实现过程中PAM编码一般要求10~15%的余量要求，因此10GBASE-T线缆的带宽被规定到至少500MHz，从而为信号传输提供适当的余量；10GBASE-T规范继承100BASE-T2和1000BASE-T的技术思路，主要包括：A.采用混合与抵消，在双绞线上实现全双工运行；B.多线对(2对或4对)捆绑传输已达到要求的速率；6C.采用多维PAM调制，实现双绞线上的基带传输；D.调制编码合一，采用FEC纠错；E.10Gbase-T与1000Base-T的比较1000Base-T10GBase-T传输方式全双工带回声抑制全双工带回声抑制调制技术5级脉冲调幅技术16级脉冲调幅技术码元比特率2bit/码元3.125bit/码元码元传输率125M/秒*线对800M/秒*线对工作带宽要求80MHz417Mhz信道编码4D8-state网格编码(trellis编码）128-DSQ+LDPC（2048，1723）THP预编码FEXT干扰推荐使用FEXT干扰消除必须使用FEXT干扰消除双绞线接口以太网对比7410GBase-TPhysicalCodingSublayer（PCS）4.1PCS功能发送1.XAUI/XFI接口；2.扰码，成帧-》Sumbits:1+65*50+8=3259=512*3(uncoded)+1723(coded)3.LDPC编码-》add325paritybitstoblocksof1723databits.c=xGG:thecodegeneratormatrixx:1723-bitinputvector;c：2048outputcodevector;[c0c1...c2043][x0x1...x1772]325个校验位是用来保护每个1723位编码数据块的完整性，从而形成一个2048位的LDPC码字。totalencodedPHYframesize:83584bits=512*3(uncoded)+1723(coded)+3255127-bitDSQ128symbol--作为4*256的PAM16符号在四线对上传输；Each7-bitDSQ128symbolmapstoasinglepointinatwo-dimensionalsymbolconstellation;Tomlinson-HarashimaPrecoder(THP)：Aprecodingtechniqueforintersymbolinterferencemitigation.(SeeIEEE802.3Clause55.)similarinstructuretoadecisionfeedbackreceiver(DFE),butisusedinthetransmitterratherthanreceiver.ThecoefficientvalusefortheTHParedeterminedaspartofthelinkstart-upsequenceandremainfixedduringdatatransfer.4.2PCS接收功能FrameandblocksynchronizationPCSdescramblerCRC8receivefunction94.3噪音环境a)Echo/echocancellationb)Near-endcrosstalk/NEXTcancellationc)Far-endcrosstalk/crosscoupledequalizers10d)Intersymbolinterference/TomlinsonHarashimaPrecodinge)Noisefromnon-idealitiesintheduplexchannel,transmitter,andreceivers/varietyofPMAelectricalspecificationsf)Noisecoupledbetweenlinksegments/thealiencrosstalkisspecifiedin55.7.3g)Thebackgroundnoisefor10GBASE-Tisexpectednottoexceed-150dBm/Hz/thevaluewasassumedfordeterminingtheminimumSNR数字信号处理可以移除的噪音包括：A.NearEndCrosstalk(NEXT)：B.FarEndCrosstalk(FEXT)C.EchoD.Intersymbolinterference11数字信号处理不能删除的来源不明的噪音，如相邻的信令端口或背景噪音，背景噪声指信号传输的无线服务，如电视信号，无线以太网或手机（Marvell方案有现场演示过，没有问题）。度量来自线对之外的串扰，针对AlienCrosstalkTIA定义了4个外部串扰参数，：ANEXT:外部近端串扰PSANEXT:外部近端串扰功率和AFEXT：外部远端串扰PSAFEXT:外部远端串扰功率和AlienCrosstalk包括PowerSumAlienNearEndCrosstalk与PowerSumAlienFarEndCrosstalk，被定义为从相邻的传输通道/电缆耦合过来的噪声，因为这些型号是未知(Alien)或外部感应的，因此他们不能被补偿，需要使用新一代的线缆结构来补偿这些噪声，包括屏蔽线缆和非屏蔽线缆，这些线缆都需要满足相应标准中要求的规范