1引言

　　今天，以太網(wǎng)技術(shù)已成為局域網(wǎng)中*、暫時(shí)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(kuò)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(zhǎng)，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(zhǎng)。也正因?yàn)檫@一對(duì)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(kuò)展，以太網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的傳輸距離限制常常遇到挑戰(zhàn)：為何受到標(biāo)準(zhǔn)距離的限制？能否突破以滿足實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的距離限制

　　自從1998年6月IEEE 802.3z吉位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。但就長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)——IEEE 802.3z。

　　依據(jù)IEEE 802.3z標(biāo)準(zhǔn)，不同光纖帶寬對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)、zui大傳輸距離如表1所示。其中，工作波長(zhǎng)850 nm對(duì)應(yīng)1 000 Base-SX，工作波長(zhǎng)1 310 nm對(duì)應(yīng)1 000 Base-LX。

　　表1吉位以太網(wǎng)對(duì)應(yīng)不同光纖類型、波長(zhǎng)的zui大傳輸距離

　　光纖類型工作波長(zhǎng)（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(gè)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(zhǎng)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(duì)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(jí)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(jì)，其對(duì)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(bǔ)償時(shí)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?dāng)_等，其中較關(guān)鍵的因素主要有媒體訪問控制方法、信號(hào)傳輸?shù)乃p和信號(hào)傳輸?shù)纳?。下面分別就其原理、影響、改進(jìn)辦法進(jìn)行分析。

　　3.1媒體訪問控制方法對(duì)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(shí)找機(jī)會(huì)再說，即對(duì)于同一網(wǎng)段上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(shí)間段只能有一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)送合法數(shù)據(jù)，其他節(jié)點(diǎn)可接收被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，若節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)被其他信號(hào)所混淆，說明已發(fā)生沖突，需用退讓算法進(jìn)行避讓。典型的退讓算法是截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退讓算法（Truncated Binary Exponential Backoff）：

　?。?）當(dāng)發(fā)送某數(shù)據(jù)*次出現(xiàn)沖突時(shí)，取m=2;

　?。?）退讓時(shí)間為r個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片等于網(wǎng)絡(luò)中端到端往返的傳播時(shí)延，r為0~2m間的隨機(jī)數(shù)；

　?。?）第n次出現(xiàn)沖突時(shí)，m=min（n,10）；

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

　　對(duì)于10 Mbps，100 Mbps以太網(wǎng)，zui小幀長(zhǎng)度為64字節(jié)，時(shí)間片為發(fā)送512比特所需的時(shí)延，對(duì)于1 Gbps以太網(wǎng)，zui小幀長(zhǎng)度仍為64字節(jié)，時(shí)間片則變?yōu)榘l(fā)送4 096比特所需的時(shí)延。zui小幀長(zhǎng)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(shí)、有效地檢測(cè)，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(gè)網(wǎng)段，按信號(hào)傳送速度20萬km/s計(jì)算，對(duì)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?？紤]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(shí)間更短，從而大大縮短了沖突域的直徑，網(wǎng)段長(zhǎng)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(gè)與數(shù)據(jù)相區(qū)別的擴(kuò)展字段，其長(zhǎng)度等于時(shí)間片內(nèi)可發(fā)送比特?cái)?shù)減去zui小幀比特?cái)?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(jī)制，即一旦成功地發(fā)送了一個(gè)幀，該站可不用重新競(jìng)爭(zhēng)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(hào)衰減對(duì)傳輸距離的制約

　　信號(hào)在傳輸介質(zhì)中傳播時(shí)，其能量會(huì)逐漸損耗，由此決定著信號(hào)在無中繼時(shí)的zui大傳輸距離。當(dāng)信號(hào)在光纖中傳播時(shí)，傳輸?shù)姜獿處的平均光功率與入纖時(shí)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(duì)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(duì)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(jià)、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(shí)的鏈路功率預(yù)算，見表2。

　　在工程實(shí)施時(shí)，如果相關(guān)參數(shù)值都符合表2中數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定距離內(nèi)的應(yīng)用是肯定能成功的。在實(shí)際工程中，常常有超出標(biāo)準(zhǔn)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(jià)（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(biāo)準(zhǔn)距離限制更短但費(fèi)用低廉的方案，因此，有必要對(duì)表中參數(shù)進(jìn)行具體分析：

　?。?）標(biāo)準(zhǔn)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(hào)的連接器，不同廠家、不同型號(hào)的光纖的傳輸特性差別很大，如早期光纖。

　?。?）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳輸距離的擴(kuò)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(shí)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(shí)際需要。

　　②通道插入損耗：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(jià)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(jī)的靈敏度下降。

　　④鏈路功率預(yù)算與富裕度：某一網(wǎng)段要能成功實(shí)施，即在滿足誤碼率要求情況下實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jià)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(jià)＞0

　?。?）表中數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析：

　　①表中通道插入損耗值應(yīng)包含至少兩對(duì)連接器的插入損耗和光纖線路的損耗。以MT-RJ接頭每對(duì)zui大插入損耗值為0.75 dB來看，兩對(duì)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(hào)，按zui大光纖衰減3.75 dB/km計(jì)算，在zui大距離即220 m時(shí)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(duì)于常用的SC，ST和FC型號(hào)連接器，實(shí)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：?jiǎn)文＃?le;0.3 dB，多模：≤0.1 dB，即使是MT-RJ連接器，其實(shí)際插入損耗為：?jiǎn)文＃?le;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(shí)際功率預(yù)算有相當(dāng)?shù)母辉！?/p>

　?、诒碇墟溌饭β暑A(yù)算值為7.5 dB或8.0 dB，實(shí)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(yuǎn)的傳輸距離。

　　3.3色散對(duì)以太網(wǎng)傳輸距離的制約

　　光纖的色散是因光信號(hào)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(shí)也限制了光信號(hào)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(duì)系統(tǒng)有不同的影響。

　　在高速率、長(zhǎng)距離的光纖傳輸系統(tǒng)中，色散對(duì)系統(tǒng)有著明顯的影響。如對(duì)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(zhǎng)惟1 550 nm，光源為帶啁啾的單縱模激光源，此時(shí)，色散受限距離主要由頻率啁啾功率代價(jià)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(dá)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(duì)α＞0的常見各類激光器有效。

　　對(duì)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(dāng)采用LED光源時(shí)，色度色散是主要的色散來源，當(dāng)采用LD光源時(shí)，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L(zhǎng)D光源，故多模光纖的模帶寬實(shí)際只需考慮Bm,即只需考慮模式色散引起的脈沖展寬對(duì)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(duì)于高速系統(tǒng)，偏振模色散PMD的影響會(huì)隨著速率的提高而變得十分突出，以信號(hào)功率代價(jià)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(duì)于10 Gbps系統(tǒng)，L為400 km，對(duì)于吉位以太網(wǎng)，則大到可忽略不計(jì)。

　　4局域/城域以太網(wǎng)對(duì)傳輸距離的擴(kuò)展途徑

　　吉位以太網(wǎng)對(duì)傳輸距離的擴(kuò)展途徑可分為3大類：基于純以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展、基于傳輸技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展和基于接入技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展。

　　基于純以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展的方法又可作如下細(xì)分。

　　①全雙工工作方式：距離不受CSMA/CD的制約，只受系統(tǒng)傳輸特性的制約。

　?、谠跇?biāo)準(zhǔn)許可范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展：由于標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)數(shù)據(jù)兼顧了各種可變動(dòng)因素，數(shù)值比較保守，故根據(jù)網(wǎng)段的實(shí)際情況，如經(jīng)實(shí)測(cè)或計(jì)算發(fā)現(xiàn)有較大光功率富裕，可適當(dāng)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(zhǎng)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(shí)）。

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

　?、拊黾由⒀a(bǔ)償設(shè)備：根據(jù)前面的計(jì)算，對(duì)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(dāng)采用色散補(bǔ)償光纖。

　　基于傳輸技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展的方法可作如下細(xì)分。

　?、倩赟DH平臺(tái)：利用SDH傳輸平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)的對(duì)以太網(wǎng)的透明傳輸，還是基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的二層實(shí)現(xiàn)的對(duì)以太網(wǎng)的交換匯聚傳送，光信號(hào)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(hào)在SDH傳輸平臺(tái)上傳送。由于作為長(zhǎng)距離傳輸平臺(tái)的SDH在技術(shù)上已很成熟，并被各大電信運(yùn)營(yíng)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(tái)。

　?、诨赪DM平臺(tái)：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(shí)際系統(tǒng)都要作O-E-O的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，有的還要映射為更高速率等級(jí)的SDH幀后再傳送。

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

　?、芑贛SR平臺(tái)：城域網(wǎng)多業(yè)務(wù)環(huán)MSR是由中國(guó)提出并通過的城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行擴(kuò)展的方法主要有EPON，即在光纖上基于無源光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到多點(diǎn)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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(jì)性、方便性、可擴(kuò)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(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，又能提高系統(tǒng)安裝、維護(hù)的方便性和擴(kuò)展、覆蓋能力，是用戶關(guān)注的問題。文中分析說明，在符合標(biāo)準(zhǔn)特別是滿足系統(tǒng)性能要求的基礎(chǔ)上，擴(kuò)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(shí)際潛力的一個(gè)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(kuò)展，其長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)數(shù)據(jù)為根據(jù)，對(duì)以光纖為傳輸媒介的以太網(wǎng)傳輸距離的限制因素進(jìn)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(duì)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。