`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

10 гигабит в секунду по витой медной паре

Статья опубликована в №9 (577) от 6 марта

0 
 

В июне 2006 г. IEEE одобрила стандарт 802.3an-2006, известный также как 10GBase-T. Этот документ описывает физический уровень PHY передающего устройства для 10 Gbps Ethernet по витой паре. Хотя ранее считалось невозможным получить столь высокие скорости передачи на расстояния, которые заинтересовали бы потребителей, разработчики стандарта сделали 10GBase-T реальностью с помощью четырех технических строительных блоков: подавления, преобразования аналог-код (АЦП), кабеля с улучшенными характеристиками и схемы кодирования.

IEEE начала изучение 10 Gigabit Ethernet в 1998 г., и в июне 2002 г. опубликовала первый стандарт 10 GbE - IEEE 802.3ae-2002, в качестве среды передачи предусматривавший только оптоволокно. Но по мере того как сети Ethernet продолжали свою экспансию, основной проблемой, которую настоятельно требовал решить рынок, явилось создание приемлемого по стоимости и обратносовместимого стандарта 10 GbE для медных соединений. В конце концов, благодаря ряду улучшений в технологиях трудности были преодолены. Ниже мы кратко опишем возникшие проблемы и способы, с помощью которых с ними удалось справиться.

Базовая топология

Первоначально было решено разработать новый стандарт на базе спецификации 1000Base-T для неэкранированной витой пары (UTP) - IEEE 802.3ab-1999. Напомним, что он предусматривал передачу со скоростью 1 Gbps по витой паре кат. 5е (Cat 5e). По каждой из четырех пар данные передавались со скоростью 250 Mbps в обоих направлениях.

Для 10GBase-T базовая топология осталась неизменной с теми же фундаментальными проблемами. Однако при десятикратном увеличении скорости передачи их решение с точки зрения технологической перспективы реализации уровня PHY усложнилось экспоненциально. Тем не менее эти проблемы были преодолены с помощью инноваций в трех широких областях:

  1. сигнализация. Витая пара имеет весьма ограниченную пропускную способность. Преодолеть ограничения можно посредством увеличения количества передаваемых бит в одном символе. К этому добавляется улучшенная схема кодирования. При скорости сигнализации 800 MPps (MegaPulses per Second) была выбрана 16-уровневая импульс-но-амплитудная модуляция PAM16 со звездной диаграммой (двухмерной совокупностью точек) DSQ128, дающей 3,5 бита на символ (импульс);
  2. упреждающая коррекция ошибок (Forward Error Correction - FEC). Более мощная техника FEC позволяет повысить эффективность кодирования по сравнению с этим процессом в Gigabit Ethernet. Этого удалось достичь с помощью контроля четности с низкой плотностью (Low Density Parity Check - LDPC);
  3. каблирование. Основной проблемой здесь остаются перекрестные помехи. Внешние наводки от соседних кабелей являются неустранимым источником шума. Для достижения длины канала 100 м необходимо использовать кабель кат. 6.

Витая медная пара

Этот тип проводки имеет ряд слабых мест, которые следует устранить при разработке 10GBase-T. При скорости сигнализации 800 MPps получение необходимого отношения сигнал/шум возможно лишь в том случае, если значительно снизить мощность шума на входе приемника. Именно здесь и приходит на помощь UTP Cat 6. Минимизация перекрестных помех достигается посредством следующих методов:

  1. плотное скручивание, уменьшающее также потери на излучение посредством лучшего удержания поля;
  2. переменный шаг скручивания между четырьмя парами, что минимизирует связь на определенных частотах;
  3. увеличение диаметра кабеля, которое позволяет уменьшить перекрестные помехи от соседних кабелей;
  4. использование средств контроля геометрии кабеля с помощью пластиковых разделителей пар.
10 гигабит в секунду по витой медной паре
Рис. 1 Схема наводок в кабеле UTP на ближнем и дальнем концах

Должны быть приняты меры и для компенсации вносимых помех. Эти помехи увеличиваются с частотой и являются функцией потерь на излучение, резистивных потерь в проводнике и потерь в окружающем диэлектрике. Необходимо также компенсировать отраженные сигналы. Дуплексная передача реализуется с помощью гибридных цепей эхоподавления, которые удаляют непосредственно передаваемый сигнал из принимаемого. Однако этого недостаточно, поскольку ранее переданный сигнал будет отражаться назад вследствие многочисленных незначительных рассогласований импеданса внутри кабеля или любых других нарушений непрерывности линии, таких как коннекторы. Следовательно, нужна улучшенная техника подавления эха.

Вдобавок следует компенсировать перекрестные помехи на ближнем конце (NEXT). В каждом приемнике должны быть компенсаторы сигналов от трех других витых пар (рис. 1). Хотя перекрестные помехи на приемном конце (FEXT) не столь значительны, однако для достижения требуемой величины соотношения сигнал/шум их также необходимо компенсировать.

Основные элементы 10GBase-T PHY

В передатчике ими являются скремблер, кодировщик LDPC, преобразователь DSQ128, предварительный кодировщик и оконечные цепи (сразу отметим, что последний пункт мы рассматривать не будем).

Начнем со скремблера. В направлении передачи данные кодируются, начиная с фрейма XGMII (10 Gigabit Media Independent Interface). Однако чип физического уровня PHY в типичном случае будет иметь интерфейсы XAUI (10 Gigabit Attachment Unit Interface) или XFI (10 Gigabit Ethernet Serial Interface) и синтезировать фрейм XGMII внутренне. Кодировщик берет два 36-разрядных слова XGMII, комбинирует их с заголовком, который указывает, что является данными, а что - управляющей информацией, составляет 65-разрядное слово, затем скремблирует его с помощью самосинхронизующегося кода. Следующий шаг включает конструирование PHY-фрейма нагрузки. Пятьдесят таких 65-разрядных блоков группируются вместе, и впереди присоединяется вспомогательный бит. Этот бит пока не определен и в стандарте 802.3an ничего не означает. Наконец, к фрейму присоединяется контрольная сумма CRC-8, определяющая меру целостности данных. Таким образом формируется полезная нагрузка объемом 3259 бит.

Коды LDPC обеспечивают отличную производительность и дают возможность очень близко подойти к шенноновскому пределу канала - барьеру скорости передачи при заданной частоте и зашумленности. Этот код был предложен Робертом Галлагером (Robert Gallager) еще в 1962 г., но из-за сложности не был востребован вплоть до середины 90-х. Сегодня же он начал широко использоваться в появляющихся стандартах и системах.

Подобно всем линейным кодам, LDPC-коды могут быть прямо вставлены в систематическую форму, обозначающую, что данные передаются без модификации и сопровождаются битами контроля четности. Термин "низкая плотность" (Low Density) описывает разреженность матрицы (нулей больше, чем единиц) контроля четности, используемой для вычисления необходимых битов четности. Коды, выбранные для 10GBase-T, защищают 1723 бита с помощью 325 битов четности, образуя блок 2048 бит. После ряда дополнительных преобразований, на которых мы не будем останавливаться, получается финальный фрейм из 512 семиразрядных символов.

Как уже упоминалось выше, для модуляции стандартом применяется многоуровневый линейный код PAM16. Сигнал кодируется 8-битовыми выборками, а затем из них создается двухмерный 16×16 массив точек (4×4 бита). Из этого массива удаляются смежные точки, в результате чего получается массив из 128 точек, расположенных в шахматном порядке (рис. 2). Он называется DSQ128 (двойной квадрат из 128 точек) и кодирует 7 бит каждой символьной парой.

Предварительное кодирование выполняется по схеме Томлинсона-Харашимы (Tomlinson-Harashima Precoding - THP), при которой эквалайзер (компенсатор) для канала размещается в передатчике, что теоретически дает возможность приемнику видеть "идеальные" символы, поскольку передатчик теперь способен предварительно корректировать недостатки канала. Схема THP обладает отличной производительностью и в ряде аспектов менее сложна по сравнению с реализацией компенсации в приемнике.

Начальные коэффициенты, далее используемые предварительным кодировщиком, устанавливаются в течение фазы инициализации канала, а затем коэффициенты уточняются. Эта процедура выполняется с использованием известной последовательности PAM2, что позволяет приемнику вычислить ответ канала. В течение этого времени, если последний работает по короткому кабелю, приемник может также затребовать у передатчика потерю мощности, чтобы ограничить динамический диапазон. Это также помогает ослабить внешние помехи от близко расположенных кабелей.

10 гигабит в секунду по витой медной паре
Рис. 2. Двумерное созвездие DSQ128

Теперь перейдем к приемнику. Четыре модулированных по схеме PAM16 сигнала, которые приемник получает по четырем витым парам, могут иметь различное качество: от полноамплитудных с хорошей формой при работе, к примеру, по короткому кабелю, до сигналов с очень низкой амплитудой и сильно зашумленных при длине канала 100 м. В любом случае на выходе приемника должен быть практически идеальный сигнал с частотой битовых ошибок (Bit Error Ratio - BER) не выше 10-12. Приемник должен уметь выполнять еще ряд достаточно тонких диагностических проверок. Однако по иронии судьбы спецификация 10GBase-T строго определяет требования к передатчику, в то время как реализацию приемника отдает на откуп производителям. Все, что предусмотрено для него стандартом - это удовлетворять требованию уровня BER.

Что касается основных элементов приемника, то ими являются аналоговый входной каскад (Analog Front End - AFE), цифровой сигнальный процессор (DSP), формирователь кадров, LDPC-декодировщик и дескремблер.

AFE для каждой витой пары содержит усилитель с переменным коэффициентом усиления и фиксированный фильтр. После них сигналы поступают на АЦП. Его разработка довольно сложна, поскольку приемник требует вплоть до 11 эффективных бит при скорости дискретизации 800 MPps.

Для борьбы с помехами от различных источников имеются возможности DSP. Источниками служат вносимые потери и частотное рассеяние каналов, эхо, NEXT и FEXT. Для компенсации в целом устанавливаются по семь эквалайзеров на каждую витую пару. И даже несмотря на это сигнал остается зашумленным, и без мощной коррекции с помощью механизма LDPC канал будет иметь значение BER только 10-2, что означает в среднем одну ошибку на каждые 100 бит.

Следующий элемент приемника - формирователь кадров (framer), определяющий границы блоков - 512 семибитовых символов. Для определения первого символа кадра формирователь использует строку нескорректированных данных. Для нахождения границ кадра существует несколько методов, которые по-разному реализуются и могут использовать для этого любой из его атрибутов.

После определения начального символа в декодер LDPC загружается весь кадр. В общем, декодирование может выполняться аппаратно или программно. В первом случае алгоритм решения (имеет ли полученный бит значение 0 или 1) прописан заранее. К примеру, если приемник выдал значение 0,6, то на вход декодера поступит 1, тогда как во втором случае - 0,6. Приемники в стандарте 10GBase-T используют программный метод.

Финальная стадия в приемнике - прохождение полезной нагрузки кадра через дескремблер. Так как скремблер является самосинхронизирующимся, то при прохождении через него достаточного количества бит он заблокируется. В случае 10GBase-T их число составляет 58.

В итоге стандарт IEEE 802.3an-2006 решает много трудных технических проблем, касающихся значительных улучшений в сигнализации, чувствительности приемника, подавлении помех, а также усовершенствования алгоритмов обработки. Это тем более примечательно, поскольку когда в ноябре 2002 г. начался процесс стандартизации, многие компании и специалисты говорили, что техническое решение передачи данных со скоростью 10 Gbps на расстояние 100 м по витой медной паре никогда не будет найдено. IEEE доказал, что скептики были не правы.

0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT