自從2002年批准10Gb乙太網通信標準以來，業界總是預測“明年”將會最終推出10Gb乙太網。然而，自誕生以來，10Gb乙太網的發展就因為其無法利用各種低速乙太網標準成熟的傳輸方式而受到阻礙。最初，業界曾認為10GBASE-T，即現在所謂的基於銅質電纜的10Gb乙太網，在設計、研發和實現上難度太大，因此他們希望改變原有的基本結構、傳輸介質、成本結構和操作方式，使用光纖網路重新組建數據中心和組織機構。直到2005年，10Gb乙太網光纖方案的成本仍然高達每連線埠1000美元以上。原本預計光學模組的價格將會下降，密度將會提高，但是這些預測都沒有實現。2002年末，IEEE 802.3工作組意識到需要展開進一步的研究工作，並啟動了兩項研究計畫。第一個計畫是稱為10GBASE-CX4的短期計畫，它基於禁止雙絞線和Infiniband電纜互連技術，在短期內支持短距離的機架內互連。第二個計畫是長期的10GBASE-T發展計畫。
10GBASE-T解決方案採用了由集成式CMOS器件構成的成本結構、成熟的結構線纜和RJ-45連線技術，並同時具有之前乙太網實現方案的密度優勢。當前，10Gb乙太網光學收發器鏈路已經在大型企業的數據中心內充當了IT設備的主機，如交換機、伺服器和數據存儲平台。但是，它們的數量規模還沒有達到之前人們的預期。光纖基礎結構的普及程度還不如銅質電纜，除了這一妨礙因素之外，光學收發器相對較慢的普及過程也是一個原因。根據第三方市場調查機構的統計結果，帶有10Gb光開關連線埠的收發器價格仍然相對比較昂貴，超過了2600美元。
10GBASE-T面臨著很多技術挑戰，本文將針對某些解決方案展開分析。10GBASE-T的市場前景依然看好。基於銅質電纜的10Gb乙太網將具備10G鏈路所有的性能，而成本只有它的一半，支持更高的連線埠密度，收發器的成本趨勢也符合成本降低的摩爾定律曲線。
2006年6月，基於雙絞線銅質電纜的10Gb乙太網IEEE 802.3an 10GBASE-T規範得以批准通過，該規範為網路管理員和IT專業人員構建數據中心和企業網路提供了兩個重要的特性。首先，它支持傳統的銅質電纜，新裝用戶能夠沿用原有的銅質電纜結構並支持RJ-45連線器和接插板。其次，10GBASE-T通過支持高密度的10G開關，實現了有史以來成本最低的10G互連解決方案。由於Solarflare和其他一些公司曾經支持、參與和關注過該互連標準，因此PHY層晶片組在2007年初就問世了——為系統設計公司提供了構建具有10GBASE-T接口的乙太網開關和NIC的相關技術，並將從2007年末開始面向最終用戶推出相關產品。
由於具有較低的成本和方便的即插即用特性，六類UTP銅質電纜仍然可以作為建築物內橫向布線和數據中心布線的備選介質。在6類鏈路中，該標準支持的傳輸距離為55米。因10GBASE-T工作頻率在400MHz，超出標準六類雙絞線的250MHz設定，所以當用戶希望採用已安裝的六類線纜支持10GBase-T時，需用現場線纜測試儀選取TSB-155或ISO/IEC/TR24750進行信道測試和外部串擾測試，認證合格的信道就可以支持10GBase-T。此外，綜合布線標準ISO/IEC 11801已推出超六類、七類、超七類等可以支持10GBASE-T到100 米的銅纜雙絞線傳輸介質。
由於10GBASE-T的運行可以基於原來已安裝的或者新布設的UTP銅質電纜，因此它保持了即插即用的方便性以及UTP布線的低成本特點。10GBASE-T標準使得網路管理員在將網路擴展到10Gb的同時能夠沿用原來已布設的銅質電纜基礎結構，新裝用戶也可以利用銅質結構電纜的高性價比特點。
對於上述第二點，就像1G標準1000BASE-T一樣，隨著10GBASE-T PHY行業不斷提高矽器件的製造工藝並逐漸轉向下一代工藝，10Gb乙太網的OEM廠商將會為廣大用戶提供具有更小外觀尺寸和更低功耗的產品。這兩個趨勢將有助於乙太網開關廠商進一步提高連線埠密度，降低10Gb乙太網的成本。而且，隨著10GBASE-T市場規模的增長，10GBASE-T PHY將按照摩爾定律的趨勢而發展。因此，由於10GBASE-T具有較大的連線埠密度和相對較低的元件成本，因此它有助於網路設備廠商大幅降低10Gb乙太網互連的成本。
下一級網路互連
由於有了已經被認可的IEEE 802.3an標準，目前的矽解決方案已經成熟，相關的開關和NIC產品也即將問世，因此10GBASE-T已經做好了大規模套用於數據中心和企業級網路的準備。10GBASE-T非常適合於數據中心、企業機構、1G開關集群和小型骨幹網路環境，它基於銅質電纜的互連方式將在實現10Gb網路互連性能的同時，為用戶節省成本和投資。
通過轉向穩定可靠、經濟划算的下一級高性能乙太網，具有更高頻寬需求的高級套用將最終成為可能——從大量流媒體套用到支持Web 2.0的全部功能;採用iSCSI協定的會聚網路(converged fabrics)以及存儲區域網路;在同一個物理伺服器上相互獨立運行，某些情況下採用異構作業系統的多台虛擬機器構成的虛擬伺服器。
從1Gbps到10Gbps
為了更清楚地說明10GBASE-T及其工作原理，本文將簡要回顧1000BASE-T並與10GBASE-T相對比。為了將乙太網的傳輸速率提高到1Gbps，1000BASE-T乙太網使用了4對5e類線，採用了基於格線編碼調製的多位雙向信號傳輸方式。收發器需要抵消掉每對線上的回波和近端串擾，以及抵消遠端串擾(不作強制規定)。為了將比特率再提高一個數量級，10GBASE-T在這些方面做了進一步改進，增大了信號傳輸速率(從125M波特提高到800M波特)，並增加了傳輸信號的層數(從5層增加到16層)。
為了實現這一目標，人們採用了具有最新技術水平的低密度奇偶校驗(LDPC)碼，並進一步改進了接收器靈敏度、回波與串擾消除技術。儘管對信號傳輸、接收器靈敏度和干擾消除技術的改進措施使得10GBASE-T的實現成為可能，但是要想在更高速度下有效運行，還必須要用到10GBASE-T的相關算法和電路技術。
板級設計者面臨的問題
幸運的是，10GBASE-T中大部分複雜的技術問題都隱藏在矽器件一級，這對於板級設計者而言是透明的。與之前的1000BASE-T一樣，10GBASE-T與MAC層的接口沿用現有的標準並行接口。
10GBASE-T設備有望像XENPAK、 X2和CX4設備那樣，提供XAUI(每通道3.125Gbps)接口。這些均衡的自定時接口支持從MAC層到PHY層實現簡潔的板級轉換，不要求設備之間具有緊密的間隔。在設備的線路端，10GBASE-T產品將在混合電路與磁排列方案中採用廠商特有的PHY設計，這與1000BASE-T和之前基於雙絞線的乙太網解決方案是類似的。
通過使用與基於雙絞線傳輸相同的信號傳輸與均衡技術，這些模擬接口所需的頻寬將保持在400MHz。但是，和1000BASE-T一樣，OEM廠商必須及時關注並指導其PHY供貨商在DAC、磁模組和接收器前端之間的設計，最佳化回波消除的效果。此外，作為第一代10GBASE-T設備，功耗和成本效率問題將促使人們採用多晶片的解決方案，這需要在某些模擬器件和數字器件之間設定高速接口電路。通常，這需要使用標準的LVDS接口或其他速率達到幾百MHz的類似接口。這種接口要求在10GBASE-T晶片組中各個晶片要相互靠近，為此廠商需要提供一些參考設計材料。
開發10GBASE-T的技術挑戰
在最初制訂10Gb乙太網標準時，很多專業人士都認為基於非禁止雙絞線銅質電纜實現10Gb速率是不可能的，這是因為減少降低基於UTP布線的通信信道性能所涉及的大量元件面臨著巨大的挑戰。這可能會對信號本身的傳輸產生損害，例如介入損耗和符號間干擾(ISI)，這些損害來源於線纜有限的頻寬和本身的實際阻抗以及一些干擾因素導致的性能下降，例如回波(Echo)、近端串擾(NEXT)和遠端串擾(FEXT)。此外，基底噪聲和其他輻射信號，例如外來串擾(來源於其他線纜的串擾)，也會降低接收信號的信噪比(即SNR)。
各種有線乙太網系統都面臨著信道損耗帶來的挑戰。介入損耗能夠衡量一定長度的線纜上信號損耗與信號頻率之間的關係。隨著頻率的增大，接收到的信號將會變得越來越弱，使其更容易受到噪聲的影響，最終的損耗將比400MHz頻率下的功率損耗高4個量級。除了需要對10Gbps的信號進行編碼，使其適合每對頻寬為400MHz的4對傳輸線之外，信號衰減的斜率——從低頻下不到3dB到400MHz頻帶邊緣下的40dB損耗——也迫切需要進行高效的信號均衡處理。
10GBASE-T系統通過採用Tomlinson-Harashima預編碼(簡稱THP)技術實現了這一目標，而且沒有傳輸誤差並且避免了性能損失。雖然與判定反饋均衡(DFE)技術類似，但是THP是運行在鏈路傳送端的，能夠避免判定誤差(由於傳輸的符號是已知的)。
儘管使用了THP技術，但是由於發射脈衝的傳輸幾乎覆蓋了近百位的間隔，因此數據信道仍然出現大量的符號間干擾(ISI)現象。根據之前的1000BASE-T乙太網和DSL技術，10Gb乙太網需要使用高性能的均衡器減輕ISI的影響，並恢復接收信號的脈衝波形。由於均衡器硬體的引入會影響系統的魯棒性，因此，在評估PHY時不僅要測試PHY能夠運行的最長鏈路，而且需要測試大量中等長度的鏈路和配置的轉接線路。要想實現符合10GBASE-T信號傳輸要求的穩定均衡器，需要一定的實驗室測試經驗。這種均衡器僅僅是10GBASE-T設計者面臨的諸多挑戰的開始。
10GBASE-T的設計者還必須應對如何減少回波和近端串擾的巨大挑戰。由於近端串擾的傳播方式與回波是類似的，因此減少這兩種現象對於設計者而言也是類似的。之前，線纜廠商總是想方設法降級相鄰線纜對之間的NEXT，認為NEXT是限制線纜頻寬的一種不可消除的妨礙因素。從1000BASE-T開始直到10GBASE-T，人們已經在信號接收端大大消減了回波和NEXT。如前所述，在10GBASE-T中遠端接收到的信號是被大幅度衰減過的，因此在10GBASE-T中消減回波和NEXT的程度應該比在1000BASE-T中高3個數量級。
這實際上意味著，除了線纜連線器和接口之外，還必須消除掉傳輸信號在雙絞線內的微小瑕疵上發生的反射而形成的回波。因此，為了設定回波消除器，可能需要在信道的整個來迴路徑上都布滿tap。這些tap必須不斷適應信道的變化，以滿足線纜機械特性的變化需求。對於10GBASE-T而言，人們已經研究出了利用轉換域處理的強大並行處理和共享技術以及最新的自適應技術，從而將這些自適應濾波器的信號處理需求降低一個數量級。
消除回波和NEXT是實現10GBASE-T所面臨的主要挑戰之一。在1000BASE-T方案中所使用的FIR技術如果直接在10GBASE-T中實現，其複雜性將比1000BASE-T增加45倍。在這些速度下所需的高度消除水平也使得全模擬消除方式很難湊效，需要高頻寬和高功率的自適應模擬濾波器，這即便是可行的也會產生很高的功耗。
由於脈衝回響固有的可變性和隨機性，某些增強脈衝回響消除能力的簡單技術，例如連續時間模擬濾波器或者IIR數字濾波器，無法實現在各種布線結構下都能夠起作用的靈活解決方案。更糟糕的是，回波和NEXT信號在很弱的接收信號中占了主導地位，因此直接的全數字方法需要10位以上的ADC。
為了同時發揮高精度DSP處理和高效模擬處理技術的優勢，Solarflare的解決方案同時採用了模擬和數位訊號處理技術。為了執行必要的計算(對於直接實現方法，這一計算量將超過每秒10Tops)，必須採用大規模並行計算方法來實現這些濾波器，通過執行大量的重用計算實現快速的算法逼近。Solarflare針對這一問題申請了專利技術，通過實現幾百個tap長的消除器，以及在所有16個回波和NEXT消除通路之間共享計算，實現了穩定可靠的NEXT和回波消除性能。
這樣，10GBASE-T所需的計算量相比1000BASE-T方案增大了不到6倍，使得消除回波與NEXT變得可行。此外，該算法結合了模擬域中的處理，減少了ADC上的NEXT和回波，有效實現了不到9個等效位(ENOB)的ADC設計。由於在回波和近端串擾消除器的設計中採用了折衷處理，因此檢測系統回響線纜擾動的能力是非常重要的。誤碼可能出現在電纜彎曲的瞬間，但是系統應該在調整到新的回波與NEXT環境之後恢復過來。
最後一種線纜內損傷是FEXT。FEXT是在10Gb乙太網鏈路的遠端從相鄰發射器發出的信號產生的干擾。由於這些信號位於鏈路的遠端，它們曾與NEXT一樣被認為是無法消除的。1000BASE-T 本來不需要FEXT消除器，但是當前的某些1000BASE-T接收器仍然具有一定的FEXT消除能力。但是，對於10GBASE-T而言，FEXT干擾會產生明顯的SNR損耗，這將會妨礙中等長度距離以及長距離下的10GBASE-T傳輸。
