以太網光纖介質的距離限制與突破

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　　1引言
　　今天，以太網技術已成為局域網中不可或缺、暫時還無可取代的技術。

隨著局域網的廣泛普及、網絡規模的擴大、以太網接入技術的快速發展、網絡傳輸速率的不斷增長，以及網絡互聯互通和下一代網絡技術的應用需求，以太網的傳輸方式、傳輸能力、服務質量越來越受到關注，其中傳輸距離、傳輸速率是以太網傳輸能力的重要體現，是以太網從傳統的局域網技術走向城域網技術甚至廣域網技術的關鍵。然而，從技術的角度來看，傳輸速率越高，傳輸受限距離越短；從應用需求來說，越是高速率，越可能用于骨干傳輸，其傳輸距離要求越長。也正因為這一對矛盾的存在，以及高速以太網向更大范圍的園區骨干和城域應用的快速擴展，以太網相關標準的傳輸距離限制常常遇到挑戰：為何受到標準距離的限制？能否突破以滿足實際距離需求？本文以基于光纖介質的吉位以太網相關標準為參照，著重從媒體訪問控制方式、傳輸損耗、傳輸色散等角度分析以太網傳輸距離的限制因素和突破辦法。
　　
　　2吉位以太網相關標準的距離限制
　　自從1998年6月IEEE 802.3z吉位以太網標準（有關1 000 Base-SX，1 000 Base-LX和1 000 Base-CX接口）正式通過以來，先后通過了IEEE 802.3ab（有關1 000 Base-T接口）吉位以太網標準和IEEE 802.3ae（有關10 GBase-SR， 10 GBase-LR，10 GBase-ER，10 GBase-SW，10 GBase-LW，10 GBase-EW和10 GBase-LX4接口）10 G以太網標準。但就長距離傳輸的吉位以太網來說，主要關心的是與光纖介質相關的吉位以太網標準——IEEE 802.3z。
　　
　　依據IEEE 802.3z標準，不同光纖帶寬對應的波長、最大傳輸距離如表1所示。其中，工作波長850 nm對應1 000 Base-SX，工作波長1 310 nm對應1 000 Base-LX。
　　
　　表1吉位以太網對應不同光纖類型、波長的最大傳輸距離
　　
　　光纖類型工作波長(nm)模帶寬（MHz•km）最大傳輸距離(m)
　　
　　62.5 μm 多模850160220
　　
　　62.5 μm多模850200275
　　
　　50 μm多模850400500
　　
　　50 μm多模850500550
　　
　　62.5 μm多模1 310500550
　　
　　50 μm多模1 310400/500550
　　
　　10 μm單模1 310N/A5 000
　　
　　表1中與傳輸距離限制緊密相關的一個重要參數是模帶寬，是一段光纖所能通過的最大調制頻率脈沖的調制頻率和光纖長度的乘積，它體現了光纖傳輸信息的能力，主要體現了色散對光纖系統的傳輸速率、傳輸距離的影響。表1中有關參數的給定條件分析：①均采用LD光源而不再像低速率系統那樣采用LED光源；②考慮了不同類型、不同等級的光纖，特別是傳統的光纖，新出現的光纖未列出但其將提供更好的性能；③單模光纖模式色散可忽略不計，其對應模帶寬值足夠大；④最大傳輸距離是指無中繼放大、無色散補償時的距離。
　　
　　3影響傳輸距離的關鍵因素
　　影響以太網傳輸距離的因素很多，如噪聲、串擾等，其中較關鍵的因素主要有媒體訪問控制方法、信號傳輸的衰減和信號傳輸的色散。下面分別就其原理、影響、改進辦法進行分析。
　　
　　3.1媒體訪問控制方法對傳輸距離的制約以太網的媒體訪問控制方法CSMA/CD是制約傳輸距離的最基本的因素，它隨以太網技術的出現而出現，并隨著傳輸速率的提高而限制距離更短。CSMA/CD的基本思想是先聽后說，遇干擾時找機會再說，即對于同一網段上的每個節點，共享同一傳輸介質，監聽同一網段的狀態，并可能試圖發送數據，但同一時間段只能有一個節點能夠發送合法數據，其他節點可接收被傳輸的數據，若節點發送的數據信號被其他信號所混淆，說明已發生沖突，需用退讓算法進行避讓。典型的退讓算法是截斷二進制指數退讓算法（Truncated Binary Exponential Backoff）：
　　
　�。�1）當發送某數據第一次出現沖突時，取�玬=2;
　　
　�。�2）退讓時間為r個時間片，每個時間片等于網絡中端到端往返的傳播時延，r為0~2�琺間的隨機數；
　　
　�。�3）第n次出現沖突時，m��=min(�玭,10)；
　　
　�。�4）n��的最大值一般設為16，超過時丟棄數據而不再重發。
　　
　　對于10 Mbps，100 Mbps以太網，最小幀長度為64字節，時間片為發送512比特所需的時延，對于1 Gbps以太網，最小幀長度仍為64字節，時間片則變為發送4 096比特所需的時延。最小幀長度不變是為了保證吉位以太網的兼容性，但基于CSMA/CD，為保證沖突能即時、有效地檢測，往返距離必須足夠小，以使最短幀的第一位在最后一位發送前往返整個網段，按信號傳送速度20萬km/s計算，對于10 Mbps，100 Mbps和吉位以太網的往返距離分別為10 240 m，1 024 m和102.4 m�？紤]到連接器等設備帶來的延遲，特別是速率提高使發送最短幀的時間更短，從而大大縮短了沖突域的直徑，網段長度變成不可接受的幾十米。解決此問題的辦法是在以太網幀后增加一個與數據相區別的擴展字段，其長度等于時間片內可發送比特數減去最小幀比特數。由此也導致吉位以太網傳輸效率的降低，解決辦法是引入幀的突發機制，即一旦成功地發送了一個幀，該站可不用重新競爭而繼續發送其他幀，其最大突發限制為65 536比特。
　　
　　3.2信號衰減對傳輸距離的制約
　　
　　信號在傳輸介質中傳播時，其能量會逐漸損耗，由此決定著信號在無中繼時的最大傳輸距離。當信號在光纖中傳播時，傳輸到�獿處的平均光功率與入纖時平均光功率呈指數規律減少，即P(L)=P(0)10��-αL/10，衰減系數α��的單位為dB/km。
　　
　　對吉位以太網而言，表1中最大傳輸距離的確定主要是依據對應傳輸系統的損耗特性，包括光纖損耗、插入損耗、光通道代價、發送功率、接收靈敏度、富裕度等。在IEEE802.3z中，基于最壞條件考慮，給出了在最大傳輸距離時的鏈路功率預算，見表2。
　　
　　在工程實施時，如果相關參數值都符合表2中數據，在標準中規定距離內的應用是肯定能成功的。在實際工程中，常常有超出標準中規定距離的應用需求，
　　
　　表2最壞條件下的鏈路功率預算
　　
　　參數850 nm,62.5 μm850 nm,50 μm1 300 nm,62.5 μm1 300 nm,50 μm1 300 nm,10 μm,SMF
　　
　　鏈路功率預算(dB)7.57.57.57.57.57.57.58.0
　　
　　鏈路距離(m)2202755005505505505505 000
　　
　　通道插入損耗(dB)2.382.603.373.562.352.352.354.75
　　
　　鏈路功率代價(dB)4.274.294.073.573.485.083.963.27
　　
　　最小平均發射功率(dBm)-9.5-11.5-11.5-11.5-11.0
　　
　　接收靈敏度(dBm)-17-19
　　
　　消光比(dB)9
　　
　　富裕度(dB)0.840.600.050.371.670.071.190.16
　　
　　或基于成本等因素考慮，需采用標準距離限制更短但費用低廉的方案，因此，有必要對表中參數進行具體分析：
　　
　　(1）標準中數值確定的前提：綜合考慮了各種可能的情況，如不同廠家、不同型號的連接器，不同廠家、不同型號的光纖的傳輸特性差別很大，如早期光纖。
　　
　　(2）標準對傳輸距離的擴展留有“后門”：如果符合其他的規范條件，超出距離范圍是可以接受的。
　　
　�。�3）表中參數關系：
　　
　�、冁溌饭β暑A算與收發設備：鏈路功率預算的值為最小平均發射功率與接收靈敏度的差，由此可見，若實際發送設備和接收設備的參數值與表中不同，只要其差值符合鏈路功率預算要求，也應能滿足實際需要。
　　
　�、谕ǖ啦迦霌p耗：包括鏈路段中的連接損耗、光纖線路損耗等。
　　
　�、坻溌饭β蚀鷥r除與鏈路的損耗有關外，與鏈路的色散、噪聲和發送端的消光比等有關，其原因是波形失真導致接收機的靈敏度下降。
　　
　�、苕溌饭β暑A算與富裕度：某一網段要能成功實施，即在滿足誤碼率要求情況下實現信號的無中繼傳輸，其鏈路功率預算值應足夠大，或者說其通道插入損耗和鏈路功率代價應足夠小，以使系統的功率有富裕而非不足，即應滿足：
　　
　　裕度=鏈路功率預算值－通道插入損耗－鏈路功率代價＞0
　　
　�。�4）表中數據的進一步分析：
　　
　�、俦碇型ǖ啦迦霌p耗值應包含至少兩對連接器的插入損耗和光纖線路的損耗。以MT-RJ接頭每對最大插入損耗值為0.75 dB來看，兩對的最大插入損耗值為1.5 dB，若采用62.5 μm的多模光纖在850 nm波段傳輸信號，按最大光纖衰減3.75 dB/km計算，在最大距離即220 m時有0.825 dB的損耗，故共有2.325 dB的通道插入損耗，仍然滿足2.33 dB通道插入損耗的預算。對于常用的SC，ST和FC型號連接器，實際插入損耗小得多，以武漢某公司產品為例，其插入損耗為：單模：≤0.3 dB，多模：≤0.1 dB，即使是MT-RJ連接器，其實際插入損耗為：單模：≤0.7 dB，多模：≤0.45 dB；另一方面，新的多模光纖的衰減也已減小，在850 nm處＜3.0 dB/km，在1 300 nm處＜1.0 dB/km。由此可見，單就通道插入損耗值，實際功率預算有相當的富裕。
　　
　�、诒碇墟溌饭β暑A算值為7.5 dB或8.0 dB，實際設備若能提供更大的鏈路功率預算值，則意味著系統能提供更遠的傳輸距離。
　　
　　3.3色散對以太網傳輸距離的制約
　　
　　光纖的色散是因光信號的不同頻率成分和不同模式成分的傳輸速度不同而引起，它使光纖帶寬變窄，從而限制了光纖的傳輸容量，同時也限制了光信號的無電中繼傳輸距離。光纖的色散主要有色度色散、模式色散和偏振模色散，它們依所用光纖的類型、系統的傳輸速率、光源、調制方式等不同而對系統有不同的影響。
　　
　　在高速率、長距離的光纖傳輸系統中，色散對系統有著明顯的影響。如對于10 G以太網，若采用G.652單模光纖（NDSF），并采用EA調制器，工作波長惟1 550 nm，光源為帶啁啾的單縱模激光源，此時，色散受限距離主要由頻率啁啾功率代價和色度色散功率引起，其色散受限距離約34 km；同樣環境用于2.5 Gb/s系統，其相應色散受限距離約600 km

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