10GBASE-T技术白皮书20160718讲解

IEEE Std 802.3an™-2006

1摘要

本文档描述了10GBASE-T基本原理，并且介绍10GBASE-T PMA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

3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IEEE 802.3标准的帧，要求BER<=10e-12，同时满足CISPR/FCC Class A EMC要求（商业或工业使用）；

3.2OSI参考模型与IEEE 802.3 CSMA/CD局域网模型

说明：

●10GBASE-T PHY组件由10GBASE-T PCS, 10GBASE-T PMA, 10GBASE-T AN和10GBASE-T

MDI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；

Transmitter

Receiver

Self-synchronizing scrambler - Provides clock transitions, and a statistically random power spectrum for EMI control, equalizer convergence, etc.

DSQ 128 coding - The 10GBASE-T standard uses a synthetic 2-dimensional 128 DSQ (Double SQuare) constellation, which conveys 7 bits per symbol.

LDPC (Low Density Parity Check) block codes – Block codes are one of two kinds of error correcting codes that can be used to approach the Shannon capacity of a channel.

Tomlinson-Harashima Precoding (THP) - The 10GBASE-T standard calls for the use of THP, which is a scheme in which the equalizer for the channel is placed in the transmitter theoretically allowing the receiver to see “perfect”symbols. Training is accomplished during the initialization phase of the link.

3.3操作概述

10GBASE-T PHY实现的技术方案非常复杂，IEEE 802.3an标准将10GBASE-T的运行概述如下：

●10GBASE-T PHY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128

点星座，即DSQ128(双矩形)星座；

4bit(㏒2 16)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: DSQ128 Constellation

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(㏒2 128)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: DSQ128 Code block with LDPC (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2048 LDPC编码块，实际编码数据降

为1723/2048=3.3652 bit

B.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=6.3652bit

D.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=3.1826 bits

E.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

3.125 bits，计算过程如下：

XGMII输入50个64bit，即64*50=3200 bits，经过64B/65B编码，扰码，增加1bit辅助位和8bit CRC，输出50*65+8+1=3259 bits，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（IEEE 802.3）与线缆标准化组织（TIA TR42）合作第一次协调了网络接口

标准(10GBASE-T)与线缆标准(Cat6A,Category 6 Augmented)的制订，EIA/TIA 568B.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800 MSymbols/秒（800Mbaud），根据奈奎斯特采用原理，要求基带频率为400 MHz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；