一文读懂光纤以太网IEEE 802.3cz-下

hirain123

        在之前的文章中，我们介绍了IEEE 802.3cz[1]协议，MultiGABSE-AU物理层中XMII、PCS子层以及两个可选功能的相关内容，本篇将介绍MultiGABSE-AU物理层PMA子层及PMD子层的相关机制。

PMA子层

        PMA子层位于PCS子层和PMD子层之间，规范中定义了PMA子层的三个功能：PMA Transmit、PMA Receive及PHY Control。

• PMA Transmit功能
  

        PMA Transmit功能依赖于PHY的分组参数G，接收到PCS传输下来的数据后，PMA Transmit会按照下图中的方案，将比特映射为对应的符号。

        当G=1时，Transmit Block会被映射为195840个独立小组，对应符号{-1}和{+1}。

        当G=2时，Transmit Block会被映射为97920个2bit小组，对应符号{-1}，{-1/3}，{+1/3}和{+1}。

• PMA Receive功能
  

        PMA Receive的功能包括了Transmit Block的同步以及从PMD Receive中恢复时钟和数据。

        PMA Receive的时钟恢复包含粗定时恢复，时钟频率偏差估计以及精细时钟恢复三个过程：粗定时恢复用于与接收Transmit Block的起始进行同步，精细时钟恢复用于输出稳定的恢复时钟，可通过这个时钟从PMD传输的信号中采样并接收符号数据。符号数据会通过上图的方案，映射为Bit Group发送给PCS Receive。

• PHY Control功能
  

        PHY Control包含了五个模块：PHY Tx Control、PHY Rx Control、PHD monitor、Link monitor以及PHY quality monitor，五个模块共同定义了从初始化到稳定传输信号之间，PHY需要进行的工作。以下是五个模块主要功能的介绍。

        » PHY Tx control：数据发送控制

        » PHY Rx control：时钟恢复、数据接收

        » PHD monitor：PHD恢复、解析及完整性检查

        » Link monitor：link状态检测

        » PHY quality monitor：通信质量检测

        为了更好地理解PHY Control的整体功能，接下来会将五个模块整合起来，通过上电后的流程进行简要介绍，要注意的是，相同序号的步骤并不一定在同一时刻发生。

        ① 系统上电，PMA子层Reset，所有模块进入初始化阶段。

        ② 初始化完成后，PHY Tx control模块开始发送数据，由于此时还没有Link up，发送的数据并不是payload数据，而是一种特殊的65B控制信号：Local Fault，在正式收到link up信号前，PHY Tx control模块会持续发送携带PHD的Local Fault信号。

        ③ 在发送Local Fault信号的同时，链路伙伴也完成了上述步骤，开始发送该信号，因此，PHY Rx control模块会接收携带了PHD的Local Fault信号，并进行时钟恢复。

        ④ 针对收集的数据，解析后得到PHD和Payload两部分，Payload会在PHY quality monitor模块中持续检测基于符号噪声方差估计的Link Margin，这是一个持续检测的过程。PHD则是在进行CRC16校验后，读取PHD中LINKSTATUS和HDRSTATUS的值，分别输入给Link monitor模块和PHD monitor模块，这一步骤的目的是通过检测PHD获取对方接收Payload和PHD的状态，对方接收到步骤2发出的数据后也会进行步骤四的分析，并将结论写入PHD发送至本地的PHY Rx control模块。

        ⑤ 与此同时，CRC校验后，PHD monitor模块还会将结果写入本地的HDRSTATUS参数中，通知发送和接收模块以正确接收PHD，这个结果也会通过PHD告知链路伙伴。

        ⑥ 接下来，PHY Rx control模块会持续接收多条数据用于PHY quality monitor模块的链路余量估计，至少一次Link Margin大于0可认为本地接收状态通过。

        ⑦ 检测到本地接收状态通过后，PHY quality monitor模块会将这个结果通知Link monitor模块。

        ⑧ Link monitor模块根据步骤4和步骤7输出的远程和本地接收状态，二者均为OK则进入Link UP状态，要注意的是，只有二者均为OK才可以进入Link UP状态，其中一个出现问题会退出Link UP。

        ⑨ Link up后，PHY Tx control模块会确认TX.NEXT.MODE，如果是normal transmission模式则开始发送XMII上下发的Payload数据，PHY Rx control模块开始接收对方发送的Payload数据，进入正常工作模式。

PMD子层

        PMD子层全称Physical Medium Dependent，位置在PMA子层和传输介质之间，主要功能是光信号与电信号的转换，802.3cz中定义了PMD子层的三个功能：PMD Transmit、PMD Receive以及PMD signal detect。

        PMD Transmit与PMD Receive的功能比较简单，PMD Transmit接收到PMA Transmit发送的符号后，会根据TP2节点的平均光功率进行符号到发射功率的计算。PMD Receive收到光信号后同样会根据接收到的光功率反向计算出符号发送至PMA Receive。

        输出光功率的计算公式如下：

        PMD 发射机的信号速率及调制方式如下图所示：

        PMD signal detect功能是在PMD Receive端运行的功能，其作用是通过检测TP3处的平均光功率确认是否收到光信号，判断条件如下图所示：

        Signal detect为FAIL表示没有收到光信号，无法发起链路建立，因此在启用EEE功能时，PMD signal detect功能可用于将系统由正常状态转变为EEE状态。

        除此之外，803cz在PMD的章节中还提出了对传输介质的需求：

• MultiGBASE-AU在传输介质上需要采用50/125 µm 的OM3规格多模光纤
• 光纤中心波长范围为970-990nm
• 光纤传输距离如下图所示，但规范中同样提到，当满足所有光学规格的情况下，超过规定长度的PMD是合规的
  

结语

        以上便是介绍的MultiGBASE-AU物理层的全部内容，主要包括了XMII、PCS子层、PMA子层及PMD子层四大板块的内容。随着车载领域对于高带宽、低延迟、低电磁干扰的需求，光通信和MultiGBASE-AU成为可供选择的车载通信新技术，带来更多的创新和进步的同时，也带来了更大的挑战。

        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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