1引言

　　今天，以太網(wǎng)技術(shù)已成為局域網(wǎng)中*、暫時還無可取代的技術(shù)。隨著局域網(wǎng)的廣泛普及、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大、以太網(wǎng)接入技術(shù)的快速發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的不斷增長，以及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通和下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用需求，以太網(wǎng)的傳輸方式、傳輸能力、服務(wù)質(zhì)量越來越受到關(guān)注，其中傳輸距離、傳輸速率是以太網(wǎng)傳輸能力的重要體現(xiàn)，是以太網(wǎng)從傳統(tǒng)的局域網(wǎng)技術(shù)走向城域網(wǎng)技術(shù)甚至廣域網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵。然而，從技術(shù)的角度來看，傳輸速率越高，傳輸受限距離越短；從應(yīng)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(wǎng)向更大范圍的園區(qū)骨干和城域應(yīng)用的快速擴展，以太網(wǎng)相關(guān)標準的傳輸距離限制常常遇到挑戰(zhàn)：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(zhì)的吉位以太網(wǎng)相關(guān)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(wǎng)傳輸距離的限制因素和突破辦法。

　　2吉位以太網(wǎng)相關(guān)標準的距離限制

　　自從1998年6月IEEE 802.3z吉位以太網(wǎng)標準（有關(guān)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(guān)1 000 Base-T接口）吉位以太網(wǎng)標準和IEEE 802.3ae（有關(guān)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(wǎng)標準。但就長距離傳輸?shù)募灰蕴W(wǎng)來說，主要關(guān)心的是與光纖介質(zhì)相關(guān)的吉位以太網(wǎng)標準——IEEE 802.3z。

　　依據(jù)IEEE 802.3z標準，不同光纖帶寬對應(yīng)的波長、zui大傳輸距離如表1所示。其中，工作波長850 nm對應(yīng)1 000 Base-SX，工作波長1 310 nm對應(yīng)1 000 Base-LX。

　　表1吉位以太網(wǎng)對應(yīng)不同光纖類型、波長的zui大傳輸距離

　　光纖類型工作波長（nm）模帶寬（MHz·km）zui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(guān)的一個重要參數(shù)是模帶寬，是一段光纖所能通過的zui大調(diào)制頻率脈沖的調(diào)制頻率和光纖長度的乘積，它體現(xiàn)了光纖傳輸信息的能力，主要體現(xiàn)了色散對光纖系統(tǒng)的傳輸速率、傳輸距離的影響。表1中有關(guān)參數(shù)的給定條件分析：①均采用LD光源而不再像低速率系統(tǒng)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(tǒng)的光纖，新出現(xiàn)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(yīng)模帶寬值足夠大；④zui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(guān)鍵因素

　　影響以太網(wǎng)傳輸距離的因素很多，如噪聲、串擾等，其中較關(guān)鍵的因素主要有媒體訪問控制方法、信號傳輸?shù)乃p和信號傳輸?shù)纳?。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(wǎng)的媒體訪問控制方法CSMA/CD是制約傳輸距離的zui基本的因素，它隨以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)而出現(xiàn)，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(wǎng)段上的每個節(jié)點，共享同一傳輸介質(zhì)，監(jiān)聽同一網(wǎng)段的狀態(tài)，并可能試圖發(fā)送數(shù)據(jù)，但同一時間段只能有一個節(jié)點能夠發(fā)送合法數(shù)據(jù)，其他節(jié)點可接收被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，若節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信號被其他信號所混淆，說明已發(fā)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(shù)退讓算法（Truncated Binary Exponential Backoff）：

　　（1）當發(fā)送某數(shù)據(jù)*次出現(xiàn)沖突時，取m=2;

　?。?）退讓時間為r個時間片，每個時間片等于網(wǎng)絡(luò)中端到端往返的傳播時延，r為0~2m間的隨機數(shù)；

　?。?）第n次出現(xiàn)沖突時，m=min（n,10）；

　?。?）n的zui大值一般設(shè)為16，超過時丟棄數(shù)據(jù)而不再重發(fā)。

　　對于10 Mbps，100 Mbps以太網(wǎng)，zui小幀長度為64字節(jié)，時間片為發(fā)送512比特所需的時延，對于1 Gbps以太網(wǎng)，zui小幀長度仍為64字節(jié)，時間片則變?yōu)榘l(fā)送4 096比特所需的時延。zui小幀長度不變是為了保證吉位以太網(wǎng)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zui短幀的*位在zui后一位發(fā)送前往返整個網(wǎng)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(wǎng)的往返距離分別為10 240 m，1 024 m和102.4 m。考慮到連接器等設(shè)備帶來的延遲，特別是速率提高使發(fā)送zui短幀的時間更短，從而大大縮短了沖突域的直徑，網(wǎng)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(wǎng)幀后增加一個與數(shù)據(jù)相區(qū)別的擴展字段，其長度等于時間片內(nèi)可發(fā)送比特數(shù)減去zui小幀比特數(shù)。由此也導(dǎo)致吉位以太網(wǎng)傳輸效率的降低，解決辦法是引入幀的突發(fā)機制，即一旦成功地發(fā)送了一個幀，該站可不用重新競爭而繼續(xù)發(fā)送其他幀，其zui大突發(fā)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(zhì)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zui大傳輸距離。當信號在光纖中傳播時，傳輸?shù)姜獿處的平均光功率與入纖時平均光功率呈指數(shù)規(guī)律減少，即P（L）=P（0）10-αL/10，衰減系數(shù)α的單位為dB/km。

　　對吉位以太網(wǎng)而言，表1中zui大傳輸距離的確定主要是依據(jù)對應(yīng)傳輸系統(tǒng)的損耗特性，包括光纖損耗、插入損耗、光通道代價、發(fā)送功率、接收靈敏度、富裕度等。在IEEE802.3z中，基于zui壞條件考慮，給出了在zui大傳輸距離時的鏈路功率預(yù)算，見表2。

　　在工程實施時，如果相關(guān)參數(shù)值都符合表2中數(shù)據(jù)，在標準中規(guī)定距離內(nèi)的應(yīng)用是肯定能成功的。在實際工程中，常常有超出標準中規(guī)定距離的應(yīng)用需求，

　　表2zui壞條件下的鏈路功率預(yù)算

　　參數(shù)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(yù)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

　　zui小平均發(fā)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(shù)進行具體分析：

　?。?）標準中數(shù)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。

　?。?）標準對傳輸距離的擴展留有“后門”：如果符合其他的規(guī)范條件，超出距離范圍是可以接受的。

　?。?）表中參數(shù)關(guān)系：

　?、冁溌饭β暑A(yù)算與收發(fā)設(shè)備：鏈路功率預(yù)算的值為zui小平均發(fā)射功率與接收靈敏度的差，由此可見，若實際發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的參數(shù)值與表中不同，只要其差值符合鏈路功率預(yù)算要求，也應(yīng)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(guān)外，與鏈路的色散、噪聲和發(fā)送端的消光比等有關(guān)，其原因是波形失真導(dǎo)致接收機的靈敏度下降。

　?、苕溌饭β暑A(yù)算與富裕度：某一網(wǎng)段要能成功實施，即在滿足誤碼率要求情況下實現(xiàn)信號的無中繼傳輸，其鏈路功率預(yù)算值應(yīng)足夠大，或者說其通道插入損耗和鏈路功率代價應(yīng)足夠小，以使系統(tǒng)的功率有富裕而非不足，即應(yīng)滿足：

　　裕度=鏈路功率預(yù)算值－通道插入損耗－鏈路功率代價＞0

　　（4）表中數(shù)據(jù)的進一步分析：

　?、俦碇型ǖ啦迦霌p耗值應(yīng)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zui大插入損耗值為0.75 dB來看，兩對的zui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zui大光纖衰減3.75 dB/km計算，在zui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(yù)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(chǎn)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(yù)算有相當?shù)母辉！?/p>

　?、诒碇墟溌饭β暑A(yù)算值為7.5 dB或8.0 dB，實際設(shè)備若能提供更大的鏈路功率預(yù)算值，則意味著系統(tǒng)能提供更遠的傳輸距離。

　　3.3色散對以太網(wǎng)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(tǒng)的傳輸速率、光源、調(diào)制方式等不同而對系統(tǒng)有不同的影響。

　　在高速率、長距離的光纖傳輸系統(tǒng)中，色散對系統(tǒng)有著明顯的影響。如對于10 G以太網(wǎng)，若采用G.652單模光纖（NDSF），并采用EA調(diào)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(huán)境用于2.5 Gb/s系統(tǒng)，其相應(yīng)色散受限距離約600 km；同樣環(huán)境用于吉位以太網(wǎng)，其相應(yīng)色散受限距離則可達3 000 km，其估算關(guān)系如下：L=71 400/（αDB2λ2），其中α為光波的頻率啁啾系數(shù)，B為系統(tǒng)傳輸速率（Gb/s），D為光纖的色散系數(shù)（ps/（nm·km）），此公式對α＞0的常見各類激光器有效。

　　對于基于多模光纖的系統(tǒng)，其色散包括色度色散、模式色散兩類，當采用LED光源時，色度色散是主要的色散來源，當采用LD光源時，其模式色散是主要的色散來源。在高速系統(tǒng)（如吉位以太網(wǎng)、10 G以太網(wǎng)）中，一般采用LD光源，故其色散受限距離更多考慮的是模式色散的影響。就多模光纖的帶寬來說，其影響依色散類別而分為兩類：模式帶寬Bm和色度帶寬Bs，總的帶寬Bz=（B-2m+B-2s）-1/2,而吉位以太網(wǎng)的光源為LD光源，故多模光纖的模帶寬實際只需考慮Bm,即只需考慮模式色散引起的脈沖展寬對系統(tǒng)的影響，也就是說，表1中模帶寬均指模式帶寬Bm。

　　對于高速系統(tǒng)，偏振模色散PMD的影響會隨著速率的提高而變得十分突出，以信號功率代價低于1 dB為例，其zui大PMD受限距離為：L=1/（10*B*PMD）2,PMD系數(shù)一般不大于0.5 ps/（km）1/2,對于10 Gbps系統(tǒng)，L為400 km，對于吉位以太網(wǎng)，則大到可忽略不計。

　　4局域/城域以太網(wǎng)對傳輸距離的擴展途徑

　　吉位以太網(wǎng)對傳輸距離的擴展途徑可分為3大類：基于純以太網(wǎng)技術(shù)進行擴展、基于傳輸技術(shù)進行擴展和基于接入技術(shù)進行擴展。

　　基于純以太網(wǎng)技術(shù)進行擴展的方法又可作如下細分。

　?、偃p工工作方式：距離不受CSMA/CD的制約，只受系統(tǒng)傳輸特性的制約。

　　②在標準許可范圍內(nèi)進行適當擴展：由于標準中的指標數(shù)據(jù)兼顧了各種可變動因素，數(shù)值比較保守，故根據(jù)網(wǎng)段的實際情況，如經(jīng)實測或計算發(fā)現(xiàn)有較大光功率富裕，可適當超過表1中的距離。

　?、圻x擇新型器件：若采用漸變型多模光纖，其模帶寬更大，色散影響更小。

　?、茉黾庸β暑A(yù)算值：加大光源的發(fā)送光功率，采用接收靈敏度更好的設(shè)備，這類產(chǎn)品有支持不同超長傳送距離的各種吉位光纖收發(fā)器、GBIC模塊，如CISCO產(chǎn)品的1 000 Base-LH接口支持的zui大距離為10 km，1 000 Base-ZX接口支持的zui大距離為70 km，100 km（用色散位移光纖時）。

　?、菰黾又欣^設(shè)備：必要時可利用中繼設(shè)備實現(xiàn)光信號光纖介質(zhì)之間的透明傳輸，從而延伸傳輸距離。

　　⑥增加色散補償設(shè)備：根據(jù)前面的計算，對吉位以太網(wǎng)不用考慮，但若采用10 G以太網(wǎng)，色散受限距離較短，可適當采用色散補償光纖。

　　基于傳輸技術(shù)進行擴展的方法可作如下細分。

　　①基于SDH平臺：利用SDH傳輸平臺實現(xiàn)對以太網(wǎng)的透明傳輸或匯聚，無論是基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的一層實現(xiàn)的對以太網(wǎng)的透明傳輸，還是基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的二層實現(xiàn)的對以太網(wǎng)的交換匯聚傳送，光信號在傳輸過程中已經(jīng)過映射轉(zhuǎn)換，即由原來的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀映射為SDH幀，按SDH的信號在SDH傳輸平臺上傳送。由于作為長距離傳輸平臺的SDH在技術(shù)上已很成熟，并被各大電信運營商、各大行業(yè)專網(wǎng)所廣泛采用，目前是構(gòu)建城域以太網(wǎng)的一種較理想的承載平臺。

　　②基于WDM平臺：無論是密集波分復(fù)用DWDM還是粗波分復(fù)用CWDM，都為以太網(wǎng)在城域網(wǎng)的應(yīng)用提供了能大大節(jié)省光纖資源的解決方案，并為以太網(wǎng)的真正透明傳輸提供了可能，但到目前為止，實際系統(tǒng)都要作O-E-O的波長轉(zhuǎn)換，有的還要映射為更高速率等級的SDH幀后再傳送。

　?、刍赗PR平臺：RPR能提供經(jīng)濟的以太網(wǎng)接口，無需額外帶寬的快速保護與恢復(fù)功能，具有空間重用、動態(tài)帶寬分配等特點。

　?、芑贛SR平臺：城域網(wǎng)多業(yè)務(wù)環(huán)MSR是由中國提出并通過的城域網(wǎng)標準即ITU-T X.87，它為以太網(wǎng)在城域網(wǎng)中的接入、傳送提供了比RPR更靈活的途徑。

　　基于接入技術(shù)進行擴展的方法主要有EPON，即在光纖上基于無源光網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)點到多點的高速率以太網(wǎng)的傳輸，至于EDSL，則是在銅線上基于數(shù)字用戶線實現(xiàn)長距離以太網(wǎng)的傳輸。

　　5結(jié)束語

　　隨著吉位以太網(wǎng)在企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)、園區(qū)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用，覆蓋范圍越來越廣，系統(tǒng)的經(jīng)濟性、方便性、可擴展性越來越受到重視，如何既能保證系統(tǒng)的傳輸速率、傳輸性能并進一步降低系統(tǒng)成本，又能提高系統(tǒng)安裝、維護的方便性和擴展、覆蓋能力，是用戶關(guān)注的問題。文中分析說明，在符合標準特別是滿足系統(tǒng)性能要求的基礎(chǔ)上，擴展吉位以太網(wǎng)的傳輸距離是一種可行而有效的方法，是挖掘系統(tǒng)實際潛力的一個重要方面。另一方面，隨著城域網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，吉位以太網(wǎng)與相關(guān)傳輸技術(shù)相結(jié)合，正由傳統(tǒng)的局域網(wǎng)范圍的應(yīng)用向城域范圍擴展，其長距離傳輸能力和方式得到極大的提高。本文以吉位以太網(wǎng)相關(guān)標準指標數(shù)據(jù)為根據(jù)，對以光纖為傳輸媒介的以太網(wǎng)傳輸距離的限制因素進行了較全面、深入的分析，并總結(jié)、歸納了各種可能的突破途徑，文中內(nèi)容對以光纖為傳輸媒介的各種速率以太網(wǎng)（如10 G以太網(wǎng)）均適用。