10G以太网标准化的最新进展和未来发展趋势
1. 引言
本文介绍了10Gb/s以太网的最新发展，阐述了10GBASE-LRM开发中的技术挑战、解决方案、草议规范和时限。另外，还讨论了未来的发展趋势。
10G以太网(IEEE 802.3ae)在2002年完成了标准化的最初阶段。10G以太网标准化第一阶段规定了下面的光学端口：10GBASE-LR/ER/SR和LX4。为满足10G以太网早期市场采用者的需求，要求使用这些类型的端口。但是，为面向更广阔的市场，10G以太网开始了标准化的第二阶段和第三阶段。第二阶段面向的是基于铜缆的低成本10G以太网。这一阶段始于2002年，开发10GBASE-CX4 (针对机房中的设备间互连)和10GBASE-T (水平的交换机到桌面互连)标准。现在10GBASE-CX4已经完成，预计10GBASE-T将在2006年完成。第三阶段需要开发新型的低成本(大批量)、低功率、小型化、通用的多模光纤端口类型，称为10GBASE-LRM。10GBASE-LRM支持传统类型和新型多模光纤。
2. 10GBASE-LRM概况
目前，已有两种10GE端口支持多模光纤，即10GBASE-SR和10GBASE-LX4。为什么IEEE 802.3创建另一种多模光纤端口类型10GBASELRM？部分原因如下：
只有安装新型高带宽OM3 (50 um纤芯)多模光纤， 10GBASE-SR才能支持300米的距离。在通常安装的带宽较低的多模光纤OM1 (62µm纤芯)和OM2 (50 µm纤芯)上， 10GBASE-SR只能用于机房中的设备间互连。
10GBASE-LX4是一种昂贵的波分复用解决方案。对于早期市场，它是一种具有鲁棒性的解决方案。但是，从根本上讲，它不能满足成熟市场的要求，即低成本、大批量、低功率和小型化、。
OM1和OM2光纤的安装数量庞大，而且正在不断增长，其要求真正经济的10G以太网解决方案。参见图1。
[图示内容]
2007 Building Backbone MMF Fibre Distribution: 2007年大楼主干多模光纤的分布情况
Change from 2003: 较2003年变化
Number of links, %: 链路数量, %
Link length: 链路长度
因此，IEEE 802.3授权开发了10GBASE-LRM，此单波长的串行传输规范，兼容低成本、低功率和小型化光端口，以超过220米的链路长度支持已安装的多模光纤。
10GBASE-LRM委员会的目标如下：
*利用现有的10G以太网串行LAN PHY编码子层
*支持好于或等于10-12的误码率
*支持62.5µm纤芯的多模光纤：
-160/500 MHz-km和200/500 MHz-km (OM1)
*支持50 µm纤芯的多模光纤：
-400/400 MHz-km, 500/500 MHz-km (OM2) 和 1500/500 MHz-km (OM3)
*提供一个物理层规范，支持下述链路距离：
-在已安装的500MHz.km多模光纤上，支持最少220米的链路
-在选定的多模光纤上，支持最少300米的链路
10GBASE-LRM委员会预计将在已安装的OM1和OM2多模光纤上实现300米的链路距离。
3. 在已安装的低带宽光纤上实现10GBASE-LRM面临的挑战
在已安装的多模光纤上，实现10GBASE-LRM，必须克服某些特定的技术挑战。这些挑战包括：
*非常低的光纤带宽规范 – 在此规范极限上，没有为10Gb/s串行NRZ传输提供足够的带宽。
*带宽和脉冲响应的光纤到光纤统计分布是非常宽的对数正态分布：低带宽的光纤占了很大比重，但同时高带宽的光纤也占了很大比重。
*对特定光纤链路，静态脉冲响应与激光的发射、连接器以及链路长度相关。
*对特定光纤链路，脉冲响应随着光纤的机械干扰而变化。
*模式噪声可能引起传输的问题。
10GBASE-LRM委员会中，许多光纤领域、电均衡领域和光收发一体模块设计领域的专家研究了这些问题。委员会现在已经从实践和理论上全面了解这些问题，并开发出解决这些问题的模型或工程设计规则。下面是部分研究结果：
*委员会已经为多模光纤开发了两种统计模型：由5000个用例组成的Monte-Carlo集合及108光纤集合，其中后者把重点放在大约最坏的5%范围内的光纤上。这些模型扩展了千兆位以太网和OM3光纤规范制订过程中开发的模型。
*所有非均衡的IEEE 802和光纤通道激光器标准一直采用模式噪声模型，这一模型已经被更新，使其更加准确，并包括了均衡效应。
*委员会已经掌握了光纤由机械扰动而导致的脉冲响应变化，并制订了简单的设计程序，以实现规范开发。
*为实现功率预算规范，已经协商确定了理想均衡器使用的一个品质因子，称为PIE_D3。PIE_D是为了保证均衡器正常的性能而必须分配的最小光功率。
4. 10GBASE-LRM基础技术
为实现IEEE 802.3确立的10GBASE-LRM目标，解决已安装光纤提出的挑战，10GBASE-LRM委员会已经选择下述基础技术方案：
*串行、基带、NRZ传输，使用一个激光器，降低发射机的成本。
*在1300nm波长窗口内运行，提高已安装的光纤的带宽潜力。
*激光调模发射到多模光纤中(可能会通过千兆位以太网开发的调模跳线实现，10GBASE-LX4也使用这种跳线)。此技术同时稳定及最大化了光纤的带宽潜力。
*具有自动增益控制(AGC)功能的线性光学接收机。这降低了失真，把信号电平置于正确的电均衡范围内。
*电均衡，补偿光纤带宽不足，恢复信号。
5. 10GBASE-LRM规范的主要方面
5.1 光功率预算
相对没采用均衡技术链路而言，采用均衡技术链路的功率预算较为复杂。这是由于有多种电子技术可以恢复信号，每种技术性能不同；为实现某技术地适当的性能，必须满足一定光功率输入，而此输入光功率水平又与采用的技术相关。因此，委员会必须为均衡器选择制定性能指标。目前已经达成一致，这一性能指标是由理想的、复杂程度无穷大的判定反馈均衡器(DFE)带来的噪声增强系数。这一性能指标一直称为“理想均衡器的代价”(PIE_D)。这并不意味着在实际实现方案中必须采用DFE结构。目前，最低性能水平采用4.5 dB的PIE_D。但是，PIE_D并不适用于理想的平衡器，因此进行了额外的光学功率预算分配，以支持实现效果，其中对动态适配是0.7 dB，对交互代价是0.2 dB，对其它实现代价是1 dB。
[图示内容]
Specified Optical Power Levels (OMA): 规范的光功率(OMA)
Tx power window: 发射机功率窗口
connector losses = 1.5dB：连接器损耗 = 1.5dB
Fiber attenuation = 0.4dB：光纤衰减 = 0.4dB
Rx dynamic adaptation penalty= 0.5dB：接收机动态适配代价= 0.5dB
consequent penalty = 0.2dB：后续代价= 0.2dB
Ideal EDC power penalty = 4.5dB：理想的EDC功率代价= 4.5dB
EDC implementation penalty = 1.0dB：EDC实现代价 = 1.0dB
Not a spec item as AGC performance not required：非指标项目，因为对AGC性能没有要求
TP3 compliance test category: TP3一致性测试类别
Loss：损耗
emulated by loss：损耗仿真
added noise：附加噪声
added dispersion：附加色散
Required for feasibility/design work not a specification：可行性/设计工作要求，非规范
Rx level for stressed receiver sensitivity：接收机stressed receiver sensitivity
Modal noise = 0.5dB：模式噪声 = 0.5dB
图2说明了10GBASE-LRM4目前确定光功率预算的方法。规范的功率水平在图中用黑色表示。所有其它功率水平(用虚线表示)用于预算的制定，并不是10GBASE-LRM规范的一部分。
5.2 一致性测试
委员会对现行的10G以太网一致性测试方案进行了增加，来包括有均衡的链路的新的特性。新规范，充分使用利用已有的测试方案。例如，发射机一致性测试可能会与当前的10G测试非常类似。但是，接收机stressed receiver sensitivity测试将明显变化，至少要包括下面的部分功能：
*噪声源，仿真RIN和模式噪声：因为均衡器可能会增强这些噪声。
*信道仿真：测试均衡器能够实际均衡边角情况信道。
*信道变化：检查均衡器能够动态适应信道。
6. 10GBASE-LRM项目时限
10GBASE-LRM在2003年11月引起关注。IEEE 802.3aq项目于2004年5月被正式批准为标准项目。预计该项目将在2005年底完成。目前正在审核草议的D0.2规范，项目正在处于规划过程中。
7. 10GBASE-LRM技术演示
市场上已经出现10GBASE-LRM光学收发机所需的技术，因此可以进行原型技术演示。图3是安捷伦在ECOC 2004上展示的10GBASE-LRM演示系统。原型采用XENPAK收发机的形式。本图还显示了（1）300米光纤的脉冲响应图（2）均衡器输入的10G以太网信号图（3）均衡器输出到判决电路的眼图。
[图示内容]
XENPAK Optical Transceiver Module：XENPAK光收发一体模块
Channel Impulse Response：信道脉冲响应
Bit Period：位周期
Time (ps)：时间(ps)
Input to EDC Chip：EDC芯片输入
Output from EDC Chip：EDC芯片输出
8. 以太网未来的发展趋势
我们回顾了10G以太网标准开发的三个阶段。10GBASE-LRM将完善10G以太网标准开发工作。
9. 参考文献
[1] In Premises Optical Fibre Installed Base Analysis To 2007 by Alan Flatman: www.ieee802.org/3/10GMMFSG/public/mar04/flatman_1_0304.pdf
[2] Channel Modelling Ad Hoc Task 1: Static Channel Model by R Penty et al.: www.ieee802.org/3/aq/public/sep04/penty_1_0904.pdf
[3] Channel Metrics for EDC-based 10GBASE-LRM by Sudeep Bhoja et al.: www.ieee802.org/3/aq/public/jul04/bhoja_1_0704.pdf
[4] Compatability between NRZ EDC and Optical Mode Filtering Proposals by M Lawton et al.: www.ieee802.org/3/aq/public/jul04/lawton_1_0704.pdf
[center][color=#DC143C]欢迎投稿和提供新闻线索，欢迎您的批评和建议
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本文介绍了10Gb/s以太网的最新发展，阐述了10GBASE-LRM开发中的技术挑战、解决方案、草议规范和时限。另外，还讨论了未来的发展趋势。
10G以太网(IEEE 802.3ae)在2002年完成了标准化的最初阶段。10G以太网标准化第一阶段规定了下面的光学端口：10GBASE-LR/ER/SR和LX4。为满足10G以太网早期市场采用者的需求，要求使用这些类型的端口。但是，为面向更广阔的市场，10G以太网开始了标准化的第二阶段和第三阶段。第二阶段面向的是基于铜缆的低成本10G以太网。这一阶段始于2002年，开发10GBASE-CX4 (针对机房中的设备间互连)和10GBASE-T (水平的交换机到桌面互连)标准。现在10GBASE-CX4已经完成，预计10GBASE-T将在2006年完成。第三阶段需要开发新型的低成本(大批量)、低功率、小型化、通用的多模光纤端口类型，称为10GBASE-LRM。10GBASE-LRM支持传统类型和新型多模光纤。
2. 10GBASE-LRM概况
目前，已有两种10GE端口支持多模光纤，即10GBASE-SR和10GBASE-LX4。为什么IEEE 802.3创建另一种多模光纤端口类型10GBASELRM？部分原因如下：
只有安装新型高带宽OM3 (50 um纤芯)多模光纤， 10GBASE-SR才能支持300米的距离。在通常安装的带宽较低的多模光纤OM1 (62µm纤芯)和OM2 (50 µm纤芯)上， 10GBASE-SR只能用于机房中的设备间互连。
10GBASE-LX4是一种昂贵的波分复用解决方案。对于早期市场，它是一种具有鲁棒性的解决方案。但是，从根本上讲，它不能满足成熟市场的要求，即低成本、大批量、低功率和小型化、。
OM1和OM2光纤的安装数量庞大，而且正在不断增长，其要求真正经济的10G以太网解决方案。参见图1。
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[图示内容]
2007 Building Backbone MMF Fibre Distribution: 2007年大楼主干多模光纤的分布情况
Change from 2003: 较2003年变化
Number of links, %: 链路数量, %
Link length: 链路长度
因此，IEEE 802.3授权开发了10GBASE-LRM，此单波长的串行传输规范，兼容低成本、低功率和小型化光端口，以超过220米的链路长度支持已安装的多模光纤。
10GBASE-LRM委员会的目标如下：
*利用现有的10G以太网串行LAN PHY编码子层
*支持好于或等于10-12的误码率
*支持62.5µm纤芯的多模光纤：
-160/500 MHz-km和200/500 MHz-km (OM1)
*支持50 µm纤芯的多模光纤：
-400/400 MHz-km, 500/500 MHz-km (OM2) 和 1500/500 MHz-km (OM3)
*提供一个物理层规范，支持下述链路距离：
-在已安装的500MHz.km多模光纤上，支持最少220米的链路
-在选定的多模光纤上，支持最少300米的链路
10GBASE-LRM委员会预计将在已安装的OM1和OM2多模光纤上实现300米的链路距离。
3. 在已安装的低带宽光纤上实现10GBASE-LRM面临的挑战
在已安装的多模光纤上，实现10GBASE-LRM，必须克服某些特定的技术挑战。这些挑战包括：
*非常低的光纤带宽规范 – 在此规范极限上，没有为10Gb/s串行NRZ传输提供足够的带宽。
*带宽和脉冲响应的光纤到光纤统计分布是非常宽的对数正态分布：低带宽的光纤占了很大比重，但同时高带宽的光纤也占了很大比重。
*对特定光纤链路，静态脉冲响应与激光的发射、连接器以及链路长度相关。
*对特定光纤链路，脉冲响应随着光纤的机械干扰而变化。
*模式噪声可能引起传输的问题。
10GBASE-LRM委员会中，许多光纤领域、电均衡领域和光收发一体模块设计领域的专家研究了这些问题。委员会现在已经从实践和理论上全面了解这些问题，并开发出解决这些问题的模型或工程设计规则。下面是部分研究结果：
*委员会已经为多模光纤开发了两种统计模型：由5000个用例组成的Monte-Carlo集合及108光纤集合，其中后者把重点放在大约最坏的5%范围内的光纤上。这些模型扩展了千兆位以太网和OM3光纤规范制订过程中开发的模型。
*所有非均衡的IEEE 802和光纤通道激光器标准一直采用模式噪声模型，这一模型已经被更新，使其更加准确，并包括了均衡效应。
*委员会已经掌握了光纤由机械扰动而导致的脉冲响应变化，并制订了简单的设计程序，以实现规范开发。
*为实现功率预算规范，已经协商确定了理想均衡器使用的一个品质因子，称为PIE_D3。PIE_D是为了保证均衡器正常的性能而必须分配的最小光功率。
4. 10GBASE-LRM基础技术
为实现IEEE 802.3确立的10GBASE-LRM目标，解决已安装光纤提出的挑战，10GBASE-LRM委员会已经选择下述基础技术方案：
*串行、基带、NRZ传输，使用一个激光器，降低发射机的成本。
*在1300nm波长窗口内运行，提高已安装的光纤的带宽潜力。
*激光调模发射到多模光纤中(可能会通过千兆位以太网开发的调模跳线实现，10GBASE-LX4也使用这种跳线)。此技术同时稳定及最大化了光纤的带宽潜力。
*具有自动增益控制(AGC)功能的线性光学接收机。这降低了失真，把信号电平置于正确的电均衡范围内。
*电均衡，补偿光纤带宽不足，恢复信号。
5. 10GBASE-LRM规范的主要方面
5.1 光功率预算
相对没采用均衡技术链路而言，采用均衡技术链路的功率预算较为复杂。这是由于有多种电子技术可以恢复信号，每种技术性能不同；为实现某技术地适当的性能，必须满足一定光功率输入，而此输入光功率水平又与采用的技术相关。因此，委员会必须为均衡器选择制定性能指标。目前已经达成一致，这一性能指标是由理想的、复杂程度无穷大的判定反馈均衡器(DFE)带来的噪声增强系数。这一性能指标一直称为“理想均衡器的代价”(PIE_D)。这并不意味着在实际实现方案中必须采用DFE结构。目前，最低性能水平采用4.5 dB的PIE_D。但是，PIE_D并不适用于理想的平衡器，因此进行了额外的光学功率预算分配，以支持实现效果，其中对动态适配是0.7 dB，对交互代价是0.2 dB，对其它实现代价是1 dB。
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[图示内容]
Specified Optical Power Levels (OMA): 规范的光功率(OMA)
Tx power window: 发射机功率窗口
connector losses = 1.5dB：连接器损耗 = 1.5dB
Fiber attenuation = 0.4dB：光纤衰减 = 0.4dB
Rx dynamic adaptation penalty= 0.5dB：接收机动态适配代价= 0.5dB
consequent penalty = 0.2dB：后续代价= 0.2dB
Ideal EDC power penalty = 4.5dB：理想的EDC功率代价= 4.5dB
EDC implementation penalty = 1.0dB：EDC实现代价 = 1.0dB
Not a spec item as AGC performance not required：非指标项目，因为对AGC性能没有要求
TP3 compliance test category: TP3一致性测试类别
Loss：损耗
emulated by loss：损耗仿真
added noise：附加噪声
added dispersion：附加色散
Required for feasibility/design work not a specification：可行性/设计工作要求，非规范
Rx level for stressed receiver sensitivity：接收机stressed receiver sensitivity
Modal noise = 0.5dB：模式噪声 = 0.5dB
图2说明了10GBASE-LRM4目前确定光功率预算的方法。规范的功率水平在图中用黑色表示。所有其它功率水平(用虚线表示)用于预算的制定，并不是10GBASE-LRM规范的一部分。
5.2 一致性测试
委员会对现行的10G以太网一致性测试方案进行了增加，来包括有均衡的链路的新的特性。新规范，充分使用利用已有的测试方案。例如，发射机一致性测试可能会与当前的10G测试非常类似。但是，接收机stressed receiver sensitivity测试将明显变化，至少要包括下面的部分功能：
*噪声源，仿真RIN和模式噪声：因为均衡器可能会增强这些噪声。
*信道仿真：测试均衡器能够实际均衡边角情况信道。
*信道变化：检查均衡器能够动态适应信道。
6. 10GBASE-LRM项目时限
10GBASE-LRM在2003年11月引起关注。IEEE 802.3aq项目于2004年5月被正式批准为标准项目。预计该项目将在2005年底完成。目前正在审核草议的D0.2规范，项目正在处于规划过程中。
7. 10GBASE-LRM技术演示
市场上已经出现10GBASE-LRM光学收发机所需的技术，因此可以进行原型技术演示。图3是安捷伦在ECOC 2004上展示的10GBASE-LRM演示系统。原型采用XENPAK收发机的形式。本图还显示了（1）300米光纤的脉冲响应图（2）均衡器输入的10G以太网信号图（3）均衡器输出到判决电路的眼图。
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[图示内容]
XENPAK Optical Transceiver Module：XENPAK光收发一体模块
Channel Impulse Response：信道脉冲响应
Bit Period：位周期
Time (ps)：时间(ps)
Input to EDC Chip：EDC芯片输入
Output from EDC Chip：EDC芯片输出
8. 以太网未来的发展趋势
我们回顾了10G以太网标准开发的三个阶段。10GBASE-LRM将完善10G以太网标准开发工作。
9. 参考文献
[1] In Premises Optical Fibre Installed Base Analysis To 2007 by Alan Flatman: www.ieee802.org/3/10GMMFSG/public/mar04/flatman_1_0304.pdf
[2] Channel Modelling Ad Hoc Task 1: Static Channel Model by R Penty et al.: www.ieee802.org/3/aq/public/sep04/penty_1_0904.pdf
[3] Channel Metrics for EDC-based 10GBASE-LRM by Sudeep Bhoja et al.: www.ieee802.org/3/aq/public/jul04/bhoja_1_0704.pdf
[4] Compatability between NRZ EDC and Optical Mode Filtering Proposals by M Lawton et al.: www.ieee802.org/3/aq/public/jul04/lawton_1_0704.pdf
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