一文读懂光纤以太网IEEE 802.3cz-上

hirain123

       随着对车载高速总线的深入研究，以电信号为媒介的传输方式逐渐显露出劣势，当传输速率超过25Gbps时，基于电信号传输已经很难保证长距离传输下的信号质量与损耗。在这样的背景下，应用于工业领域的光通信技术因其高带宽、长距离、低电磁干扰的特点得到了密切的关注，IEEE在2023年发布了802.3cz[1]协议，旨在定义一套光纤以太网在车载领域的应用标准。

MultiGBASE-AU总览

       以下是MultiGBASE-AU在OSI模型以及以太网层级中的位置：

        MultiGBASE-AU基于一对多模玻璃光纤进行通信，两根光纤分别对应了发送和接收，因此，MultiGBASE-AU的通信形式同样是全双工通信。同样地，由于两根光纤相对独立地连接着PHY自身的发射机和对方的接收机，MultiGBASE-AU并没有主从的概念，通信过程中，两个PHY的PMA RX都需要进行时钟恢复。

        从上图中可以看到，从介质无关接口（xMII）传输下来的数据，通过PCS TX的编码及RS-FEC、PMA TX的电信号调制，PMD TX的电光转换后，转变为光信号传输至链路伙伴进行光电转换、解调、解码。在PMA TX的调制方式上，2.5G/5G/10G/25GBASE-AU采用的是NRZ编码，50GBASE-AU采用的是PAM4编码。

        与MultiGBASE-T1类似的是，同样包含了多个速率的MultiGBASE-AU在PHY的相关参数设定上，也通过缩放参数S（Scaling Parameter）对参数进行缩放，不一样的是，由于50GBASE-AU的特殊性，802.3cz规定了另一个参数：分组参数G（Grouping Parameter）用于区分调制方式。

XG/25G、50GMII

        在介质无关接口的定义上，802.3cz中包含了XGMII、25GMII、50GMII三种，其中，对于XGMII的介绍，可以参考《MultiGBASE-T1协议解读系列（上）：车载以太网多G物理层概述》。

        25GMII与XGMII在数据和控制字符的设定上完全一致，同样包括了32bit TXD，32bit RXD，4bit TXC以及4bit RXC。在机制上同样是将32bit数据字符划分为四个虚拟的Lane，每个Lane通过一个控制字符指示信号内容（data或ctrl）。在时钟频率上，25GMII的时钟频率为390.625 MHz。

        50GMII的时钟速率与25GMII相同，主要的改动点在于将数据字符、控制字符和Lane的数量进行了翻倍。下表是对三者相关参数的对比，时钟速率可以通过缩放参数S进行计算：

PCS子层

        PCS子层位于协调子层（通过xMII）和PMA子层之间，MultiGBASE-AU的PCS子层包括了PCS Transmit和PCS Receive两个部分。802.3cz中定义的两个可选功能：节能以太网（EEE）与运行管理维护（OAM）也需要PCS子层的部分机制实现。

• PCS Transmit功能
  

        与MultiGBASE-T1不同的是，MultiGBASE-AU的PCS子层引入了一个新的概念：Physical header data物理层头部，简称PHD，包含了物理层传输模式，链路状态、OAM信息等内容。通过XMII传输并经过64/65B编码后的数据会与PHD进行组合，经过RS-FEC编码以及扰码器的扰码后，发送至PMA子层。

        由于PHD与Payload的组合方式是将PHD拆开插入Payload，因此将一个完整的PHD与Payload data组合，经过后续编码形成的数据被称为一个Transmit Block。

        接下来我们将分别从上图中的Physical header data path与Payload data path了解一下PCS发送数据的组成与编码方式。

        物理层头部数据主要用于链路双方交换发送模式、接收数据可靠性，link状态，OAM信息等，共224bit，其构成如下表所示：

        与Payload data组合之前，PHD data还需要经过CRC16、PHD Splitting以及TRC Encoder三个流程。加入CRC16校验码的240bit数据会被PHD Splitting分割成12个20bit的子模块。TRC Encoder则是将每个子模块复制为三份形成36个20bit子模块。因此，一个完整的PHD data包含了720bit数据。

        在进行64/65B编码之前，来自XMII的Payload data还需要进行映射，对于分组参数G=1的速率，需要将两个发送周期的数据组合为一个64bit block，再进行编码。对于G=2的速率则是使用一个发送周期的数据直接进行编码。

        64/65B编码的规则与MultiGBASE-T1的PCS子层编码规则一致，可详见《MultiGBASE-T1协议解读系列（中）：MultiGBASE-T1 PCS子层》。需要特殊注意的是，由于50GMII上一个发送周期的数据是64bit，不会出现Start字符在65bit中间的情况，因此50G速率下，64/65B编码的block格式与其他速率不同，如下图所示。

        经过64/65B编码后，每80个65B数据组成一个模块，一个Transmit Block中包含了36个模块，共187200bit。这36个模块的末尾插入一个PHD的子模块后，这段长度为5220bit的数据被称为一个Codeword，接下来的RS-FEC前向纠错就是以Codeword为单位进行的。

        MultiGBASE-AU的RS-FEC采用（544,522,10），即10bit一组，将5220bit分为522组进行RS-FEC的计算，计算完成后引入22组前向纠错码，共输出5440bit数据。

        完成RS-FEC编码后的36Codeword数据会通过一个25位的移位寄存器进行扰码。

        由于分组参数G=1和G=2采用了不同的调制方式，为了平衡电平分布，二者的扰码种子也不同。

• PCS Receive功能
  

        PCS Receive在构成上与PCS Transmit基本相同，只是方向相反，从PMA Receive收到数据后，首先要进行解扰码，然后分割成36个Codeword，进行RS-FEC的校验纠错，确认数据无误会将PHD和Payload分开，Payload映射到XMII的通道上进行传输，PHD则进行TRC解码、PHD组合、CRC16校验得到完整的PHD。

结语

        以上便是介绍的MultiGBASE-AU物理层中XMII及PCS子层的全部内容，在下一篇文章中，我们将介绍MultiGBASE-AU两个可选功能：EEE及OAM的相关内容。这部分内容是如何实现的，与MultiGBASE-T1的EEE和OAM功能会有什么差别呢？敬请关注下期：一文读懂光纤以太网IEEE 802.3cz-中。

        经纬恒润作为OPEN联盟会员和AUTOSAR联盟的高级合作伙伴，长期为国内外各大OEM和供应商提供涵盖TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技术领域的设计和测试咨询服务，积极研发和探索车载网络前沿技术的工程应用。通过多个项目的实践经验，已建立了高质量、本土化的设计与测试一体化解决方案，为整车网络架构提供可靠支持。

参考文献

[1] IEEE, 802.3cz-2023, " IEEE Standard for Ethernet, Amendment 7: Physical Layer Specifications and Management Parameters for  Multi‐Gigabit Glass Optical Fiber Automotive Ethernet ", 2023.

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