在300米传统多模光纤上传输串行10GE信号的标准化进程

　　本文分析了10G以太网光学器件的市场机遇，强调了传统多模光纤传输10Gb/s速率的重要意义。作者认为，电色散补偿（EDC）将是实现小型化、低功率、低成本元器件市场的关键技术。本文介绍了EDC技术的进展，包括标准化进程和商品化进程。

　　市场机遇

　　两大市场推动了10G以太网(10GE)光学器件的商品化：

　　1. 单模公共网络应用

　　2. 多模企业网络应用

　　经历了20世纪90年代的狂热和炒作之后，现在人们已经容许质疑10GE 单模技术的驱动因素了，但是，作者认为，其发展势头依然强劲。真正的问题不是市场“是否”会腾飞，而是“什么时候”腾飞 (及以什么价位?)。

　　即使在市场衰退时期， IP的流量仍在急剧增长。事实上，IP流量现在已经超过公网上的语音流量。考虑到IP包的主导地位，特别是，考虑到IP网络带来的成本节约，基础设施终转向IP网络不可避免。当前，宽带网络建设及接入网络的快速发展，是单模10GE市场的主要推动因素。多模光纤(MMF) 10GE 应用也有着重大的市场机遇。在历史上，这一应用对基于以太网的光学器件的需求量一直非常大。

　　以太网结构内的速度层级是对光学以太网器件需求的推动因素。在问世时，有线以太网技术采用初为无线应用开发的接入协议，即载波检测多址接入 (CSMA)。这一协议为共享信道或介质提供了简单的竞争资源接入“规则”。随着有线以太网技术的发展，业内开发出更加复杂的解决方案(称为交换机)。这些设备能够同时为多个用户提供带宽。由于交换机能够同时支持多路信号，不必“共享”信道。这意味着在网络中交换机之间承载数据的链路需要高的带宽。图1说明了采用交换机的局域网结构，它表明了一个速度层级，安装的MMF为每个用户提供10Mb/s或100Mb/s的铜缆连接，交换机之间通过100Mb/s或1Gb/s链路连接。这些链路一般位于企业网的主干段中。布线标准要求这一段中的绝大部分链路支持300米的链路长度。尽管目前桌面上的主导技术是100Mb/s，但下一代技术正在被迅速采用，其支持为终用户通过铜缆提供10Gb/s的链路。图2提供了Dell’Oro Group公司发布的部分数据，其预测在2007年，GE端口数量将超过1亿。这一增长速度需要在交换机之间大量采用10Gb/s的链路。

　　历史上，新一代以太网产品的采用与否，不仅取决于技术本身，还取决于成本。因此，10GE的挑战在于新解决方案的技术可行性，在于市场支持其被采用的价位。图3以某大容量以太网产品实例说明了ASP下降的历史。

　　IEEE流程

　　在IEEE内部，标准化是一个开放的流程，它需要组建一支世界一流的队伍，并提供一个工作架构。IEEE采用基于“Roberts规则”的讨论流程。此外，IEEE有严格的规范，禁止讨论商业问题(如产品价格、市场份额和销售)。每个参与者都以个人身份工作，而不代表公司，并拥有一票表决权。来自多家公司的个人一般会相互协作，以支持其建议书，然后在会议中作为动议提交建议。如果能够在表决中获得75%的绝大多数支持，那么技术动议会被采纳。一般来说，标准小组会倾听多个建议，然后采用其中一个建议，作为编写草议规范的依据。后续会议将把重点转向改善草议规范，编写完整规范。除规范外，小组还会编写一致性测试文件。这一点必不可少，因为IEEE要求规范应支持互操作能力，并能够通过定义的一系列测试实现。规范的终出版要求由IEEE系列内多个小组批准，这需要一定的时间。但是，在标准完成前，市场对标准工作的影响非常明显，因为各厂商会行动起来，迅速发布产品。

　　安捷伦科技公司的David Cunningham博士现任802.3aq小组主席，该小组的主要任务是为MMF承载的10GE(10GBASE-LRM)编写标准。该小组将存续到2006年1月标准完成之时(参见图4)。在本文撰写时，该小组正在审核在电色散补偿(EDC)建议基础上编写的草议规范[1]。

　　信道模型–“保证300米链路长度”

　　要求安装新光纤的解决方案会明显阻碍其在市场上的大量采用。因此，对支持MMF承载的10GE的产品，一个重要要求是它们支持已经安装的传统MMF。在传统MMF中，大部分光纤是在考虑10Gb/s 应用之前制造和安装的，因此没有规定或考虑这类应用的特点。必需支持传统光纤，给802.3aq任务小组带来了挑战。

　　为克服这个问题，工作小组正在开发多种光纤模型，并收集数据，演示其统计相关性。然后工作小组采用不同的光纤模型，模拟各自解决方案的性能。这些模拟和后续的互操作能力测试必需证明模型能够在要求的链路长度(300米)及适当的光纤分布上操作。

　　802.3aq任务小组正在开发两种光纤模型，以支持标准化工作。其中一种是基于千兆位以太网标准化使用的增强 “剑桥模型”[2]。另一种是采用蒙特卡罗方法，从测得的庞大数据中推导得出光纤集合。种模型可以提供坏情况下，光纤相对细分的光纤集合，第二种则有助于为“剑桥模型”光纤集合提供统计相关性。

　　千兆位以太网标准化采用的“剑桥模型”涉及构建一套折射系数档案，从理论平方律档案通过扰动推导出。沿着光纤传导，折射系数档案一定时，通过对不同模式的传播特征求解，可以推导出延迟集合。千兆位以太网中使用的模型通常称为“81光纤”模型，因为它通过四种不同扰动的排列构成，即：

　　* 中心线缺陷

　　* 变化<15m偏置

　　* 变化>15m偏置

　　* 纤芯包层界面缺陷

　　每个系数的扰动都有三种不同选择，因此共有3x3x3x3 = 81种光纤集合。然后把得到的这个延迟档案扩大到2ns/km的DMD (差模延迟)，这是为了把模型与测量的统计数据校准。

　　802.3aq任务小组内部进一步开发了这一模型，以包含档案中的纽结效应，实践证明，已安装的光纤中存在着纽结效应。其实现方式是去掉纤芯包层界面的突变 (3x3x3x2 = 54)，因此，额外增加54种纽结的光纤集合，光纤集合总数为108[3]。

　　此外，任务小组还开发了一个模型，它使用测得的数据，建立了拥有5000光纤集合的延迟集合。目前任务小组正在使用这一模型来证明更小、更易处理的模型的统计相关性。

　　在本文撰写时，这一工作仍在开发中，但已经取得重大进展，802.3aq任务小组已经接受这些模型，作为支持标准的基础。

　　电色散补偿

　　所有通信信道终都会受到范围限制，噪声和色散两种机制之一导致传输错误。色散是信道损伤的结果，表现为接收的波形失真。业内已经开发出多种不同技术，以减轻色散的影响，例如：
 
　　* WDM(波分复用)

　　* OFDM(正交频分复用)

　　* PAM-N(脉冲幅度调制–N)

　　* 扩频

　　* 均衡

　　在WDM中，高速数据信号被分成多个低速信号，然后通过沿着同一条光纤的多个波长传输。10GBSAE-LX4标准采用这种方法。LX4是一种现行标准，它同时支持10公里的单模光纤和300米的传统MMF。这种技术在概念上非常简单高效，但它要求多个Tx和Rx器件及分路器和合路器，这受到了元器件成本和体积的限制。

　　OFDM是另一种方法，它采用多个载波。这里，信道间隔(在频域中)经过选择，以便每条信道正交。OFDM通常用于无线应用中，因为这种技术在频谱效率方面具有优势，但其处理计算程度高，不适合10Gb/s应用。

　　高速光学系统可以采用PAM-N或其它多级调制技术，但是噪声限制了更加复杂的调制方案。此外，其对线性度的要求高。

　　扩频是另一种方法，无线领域中一直采用这种方法。在扩频技术中，每个符号编码到一个数码序列中。序列设计具有特定属性，使其能够共享介质，解决色散问题，获得编码增益。由于这种技术采用“分片速率”，分片速率是码速的倍数，因此它不适合10Gbps 应用。

　　均衡或电色散补偿(EDC)是一种极具吸引力的技术，它允许在10GHz带宽上进行实时处理，没有庞大复杂的开销。从本质上看，它采用数字滤波器“校正”信道损伤。只需以要求的速率调节数字滤波器的抽头加权，以适应信道随时间变化的特点。对MMF应用，其量级是几十赫兹。

　　图5是DFE(分布式反馈均衡器)的示意图，这类均衡器采用传统线性前馈均衡器 (如Section A所示)及某些额外的反馈分接(Section B)。这使得滤波器的结构要比传统线性均衡器更强，它能够校正信道频谱中的严重凹口。

　　图6说明了均衡器的功能。它显示了沿着光纤传输前的Tx光学眼图。这里眼图没有明显的失真。图中还显示了测得的光纤信道响应函数h(t)，标出了10Gb/s的位周期(100ps)。很明显，来自脉冲的能量已经分布到多个位周期中，因此接收机上的信号明显失真。图6中显示了进入EDC模块的信号，EDC模块的作用是创建一个滤波器，其响应是信道测得的脉冲响应函数h(t)的倒数，在EDC模块后面，信号失真已经校正，眼图现在再次睁开。

　　EDC模块采用一种算法，确定均衡器采用的抽头权重，从而估算信道的倒数h-1(t)。在许多应用中，分组结构包括均衡器的一串序列，这使得均衡器能够根据已知数据码型和接收机上的软波形之差计算误码函数。但是对这一应用，在协议堆栈中没有对这样一串序列规定，因此需使用“盲均衡”进行优化。这里，均衡器通过把收到的数据估算值与接收机的软波形进行比较，来计算误码函数。

　　业内对采用的EDC开发300米MMF承载的10Gb/s解决方案进行了大量的投资，多家厂商现在已经提供了早期解决方案。在2005年，预计将推出许多产品，许多公司将发布终版本。

　　商业化进程

　　正如本文开头描述的那样，市场对在传统MMF承载10GE的产品需求非常大，使用低成本解决方案支持这一应用可能是启动这个大容量的10GE市场。因此，业内强烈支持推进这一技术的快速商品化。在2004年，已有多家厂商演示了EDC技术，在本文撰写时，需要的所有主要构件均已出现。在开发这些技术的同时，标准化进程正在推进， 2004年12月发布了草议规范的第1.0版。

　　在2005年，我们将看到标准趋向稳定并转向审批过程，到年底将推出多种大批量销售的产品。2006年将看到标准获得全面批准，10Gbps MMF采用的EDC器件将在市场上兴起，10G走向企业。

　　总结

　　随着1G到桌面日益普遍，网络需求10GE产品。采用支持在传统MMF传输300米的10GE产品，可以为企业提供了低成本10GE解决方案。EDC (电子色散补偿)技术能够减轻与300米传统MMF有关的色散效应，保证了小型化、低成本和低功耗的解决方案。

　　多家公司已经开发这一技术，现在可以为客户提供样品。除此之外，IEEE内部正在推进标准化工作，预计将在2006年初完成标准化。在2006年，我们将看到支持传统MMF承载的10GE的EDC技术的大容量市场出现。这一市场是以太网应用在企业内部持续发展的关键。

　　参考资料

　　[1] “NRZ EDC Proposal for 10GBASE-LRM” ，多位作者对IEEE 802.3aq工作小组的演讲, 2004年7月https://grouper.ieee.org/groups/802/3/aq/public/jul04/lawton_1_0704.pdf

　　[2] “A statistical Analysis of Conditioned Launch for Gigabit Ethernet Links Using Multimode Fiber”, M. Webster, L. Raddatz, I. H. White和D. G. Cunningham, IEEE光波技术杂志, Vol 17 No. 9, 1999年9月

　　[3] “Channel Modelling Ad-Hoc Report”， 多位作者对IEEE 802.3aq工作小组的演讲, 2004年11月：
https://grouper.ieee.org/groups/802/3/aq/public/sep04/penty_1_0904.pdf