专利名称：以太网通信系统、多速率以太网设备及其方法
技术领域：
本发明涉及以太网系统和方法。更具体地说，本发明涉及用于频分复用高速物理层设备中的方法和系统。
背景技术：
随着标准化传输速率以数量级的幅度递增，以太网设备的能力也在增强。在相当短的时间内，标准化以太网设备的传输速率已经从lOMbit/s增至100Mbit/S，从100Mbit/S 增至mbit/s，甚至最近从Kibit/s增至10(ibit/S。目前正在努力确定将作为以太网性能的下一标准的下一传输速率。不论是40(ibit/S还是100(ibit/S，下一传输速率将远远高于 10(ibit/s。标准化传输速率的大幅提高为以太网中可用带宽的增加提供了巨大便利。可用带宽的大幅增长使得能被各种类型网络支持的应用得到明显改变。由于带宽消耗的减少，阻碍一些应用类型的性能障碍也随之减少。尽管传输速率的大幅增长实现了巨大利益，传输速率的大幅增长同样可能产生阻碍一些应用的发展的其它成本障碍。实施成本，例如系统复杂度、物理设备的改进(例如电缆)、增加的能耗等将抵消增长的传输速率带来的益处。因此，需要一种在低成本实施条件下实现传输速率增长的解决途径。
发明内容
本发明涉及一种用于频分复用高速物理层设备的系统和/或方法，以下将结合至少一副附图对其进行详细描述，并在权利要求书中给出更完整的介绍。根据本发明的一个方面，提供一种以太网通信系统，包括
第一基带以太网发送器，所述第一基带以太网发送器具有确定的信号机制并生成位于第一频谱中的第一输出；
第二基带以太网发送器，所述第二基带以太网发送器具有所述确定的信号机制并生成第二输出；
混频器，用于将所述第二基带以太网发送器的所述第二输出转移(shift)到与所述第一频谱不同的第二频谱；以及
合成器，用于将位于所述第一频谱中所述第一输出的至少一部分与位于所述第二频谱中所转移的第二输出的至少一部分合成以便在单个线对上发送。优选地，所述第一基带以太网发送器是10GBASE-T发送器。优选地，所述第一基带以太网发送器被分配到第一端口，所述第二基带以太网发送器被分配到第二端口，所述第二端口相对所述第一端口独立寻址。优选地，所述第一和第二基带以太网发送器被分配到同一端口。优选地，所述第一和第二基带以太网发送器是10GBASE-T发送器，且所述第一和第二基带以太网发送器被分配到同一 40G端口。
优选地，所述第一和第二基带以太网发送器其中之一除了活跃状态，还具有低功率状态，进入所述低功率状态以便在所述第一和第二基带以太网发送器中的另一个保持在活跃状态时节省功率。优选地，所述第一和第二基带以太网发送器与控制器集成在一起。根据本发明的另一方面，提供一种多速率以太网设备，包括
多个基带以太网发送器，所述多个基带以太网发送器中的每一个使用同一确定的信号机制并生成多个对应的输出；
多个混频器，所述多个混频器用于生成多个频移的输出，所述多个频移的输出中的每一个分别具有不同的频谱；以及
合成器，用于将所述多个频移的输出中的每一个的至少一部分合成以便在单个线对上发送，
其中所述多速率以太网设备具有第一工作模式和第二工作模式，在所述第一工作模式中所述多个基带以太网发送器全都是活跃的，在所述第二工作模式中所述多个基带以太网发送器只有一部分是活跃的。优选地，所述多个基带以太网发送器中的每一个都是10GBASE-T发送器，且所述第一工作模式能用40G发送，所述第二工作模式能用IOG发送。优选地，在启动所述多速率以太网设备时选择所述第一工作模式和所述第二工作模式其中之一。优选地，根据包含所述单个线对在内的电缆的类型选择所述第一工作模式和所述
第二工作模式其中之一。优选地，所述多速率以太网设备工作时能够在所述第一工作模式和所述第二工作模式间切换以便于节省功率。优选地，所述多个基带以太网发送器与控制器集成在一起。根据本发明的另一方面，提供一种用于发送端通信设备中的方法，包括 在线对的第一频谱中发送第一基带以太网发送器的输出；
在所述线对的第二频谱中发送第二基带以太网发送器的输出； 确定包含所述线对在内的链路的使用率是否低于阈值；以及
当所述确定过程表明所述链路的所述使用率低于所述阈值时，将所述第二基带以太网发送器从活跃状态转换为低功率状态，所述转换过程至少暂时减少了所述第二基带以太网发送器对所述第二频谱的使用。优选地，所述发送包括以IOG速率发送。优选地，由所述第一和第二基带以太网发送器进行的所述发送使用同一信号机制。
为了描述能够获得本发明的上述和其它优点及特征的方法，将参考附图中示出的具体实施例给出本发明上述简要说明的详细描述。应当理解，这些附图只是本发明的典型实施例，因此不被认作对本发明范围的限制，将通过使用下列附图描述并解释本发明的其它特点和细节图1是OSI分层的示意图； 图2是典型以太网物理层设备的示意图； 图3是以太网物理层设备中频分复用的典型实施例的示意图； 图4是频分复用的以太网物理层设备使用的典型频谱的示意图； 图5是本发明的处理流程图。
具体实施例方式下面将详细讨论本发明的各种实施例。应当理解，虽然所讨论的是特定的实施例， 但这仅是为举例说明的目的。本领域的技术人员知悉，也可使用其它的组件和配置，而不脱离本发明的精神和范围。以太网已经成为一种应用于各种环境(包括双绞线、背板和光纤应用)中的日益普及的技术。以太网所固有的简单性质使得该技术可应用于各种媒介、各种速率和各种距离中。这些特征使以太网成为一种跨越高速实验室网络、商业网络甚至客户网络的可行的技术选择。随着以太网的普及，其规模效益也越来越引人注意。因此，得到简单、低成本的以太网解决途径是便于继续其扩大使用的重要因素。注意，以太网传输速率已经得到迅猛发展，在新一代以太网设备中可以使用的传输速率已经以数量级增长。但是，传输速率的大幅增长带来了一些实施成本，因此系统复杂度的增加、物理设备改进(例如电缆)成本的增加、功耗的增加等抵消了传输速率增加带来的益处。考虑下一代以太网设备(例如40(ibit/S或100(ibit/S)时，这些实施成本代表了实际设计面临的挑战。目前还没有确定针对双绞线应用的40(ibit/S或100(ibit/S以太网设备。但是，技术发展的步伐决定该以太网设备即将问世。由于从10(ibit/s到40(}bit/s或100(}bit/s的带宽增长是巨大的，这种改进的解决途径的实施成本的增长也是巨大的。由于基于该技术的低成本接口的需要时间来发展，这种实施成本决定了必须使用低速率。根据本发明，提供了一种物有所值的解决途径，使得能够通过结构化电缆 (structured cabling)进行下一代传输(即传输速率高于KXibit/s)。为了说明本发明的特征，首先参考图1，图1示出了 ISO开放系统互联(Open System Interconnection, OSI) 参考模型以及它与IEEE802. 3分层的对应。如图所示，PHY包括物理编码子层(PCS)、物理媒介附加子层(physical medium attachment，PMA)、物理媒介关联层(Physical Media Dependent，PMD)以及自动协商 (AN)0 PHY通过媒介相关接口(MDI)与双绞线连接。如图所示，物理层(通常称作PHY)包括物理编码子层(PCS)、物理媒介附加(PMA)、 物理媒介关联层(PMD)以及自动协商(AN)。如图所示，PCS与协调子层(reconciliation sublayer，RS)连接，RS提供接口 110与MAC层间的信号映射。在各种实例中，接口 110可以基于连接单元接口(AUI)、媒介无关接口(Mil)、串行Mil (SMII)、简化Mil (RMII)、千兆 Mil (GMII)、简化 GMII (RGMII)、串行 GMII (SGMII)、四串行千兆 Mil (QSGMII)UO 千兆 MII (XGMII)、SXGMII、XFI、10-Gbps AUI (XAUI)、40 千兆 Mil (XLGMII)、40_Gbps AUI (XLAUI)、 100千兆Mil (CGMII)UOGbps AUI (CAUI)等。在各种实施例中，PHY的一个或多个部分可以在MAC内部或外部。在一个实施例中，可以在MAC/PHY间使用扩展器(extender)，例如 XAUI扩展子层(XGXS)或XFI。对于更高的传输速率，还可以确定类似的扩展器，例如XLAUI 禾口 CAUI。一般而言，PMA从物理媒介中提取PCS。因此，PCS可以不知媒介类型。PMA的主要功能包括对应PCS和PMA间的发送及接收代码组，并串行化(serialization) /反串行化(deserialization)代码组以便下层PMD上的发送/接收，根据PMD提供的编码数据(例如4B/5B、8B/10B、64B/65B、64B/66B等)恢复时钟，以及对应PMA和PMD间的发送和接收位 (bits)。PMD通常用于根据所连接的物理媒介的本质生成电学或光学信号。PMD信号被发送给媒介相关接口(MDI)，MDI是针对所支持的各种媒体的实际连接媒介(包含连接器)。一般而言，AN提供链接的设备，该设备具有检测链路另一端的设备所支持的能力 (运行模式)、确定常用能力以及配置联合运行的功能。典型地，AN处理过程确定了两个PHY 设备共享的最佳运行模式(或最常用标准)。这里，可以确定不同运行模式间的特定优先级， 例如，高速优于低速，在同一速率全双工优于半双工。AN还可以不对等地应用于链路。在一个实施例中，AN可被设计为支持多模。例如，AN可被设计为不仅支持标准的 10Mbit/s、100Mbit/s、lGbit/s 和 10Gbit/s 运行模式，还通过结构化电缆支持 40Gbit/sPHY 运行模式。在另一个实施例中，AN可以被设计为从运行模式的复数集中进行选择，运行模式的复数集不仅包括上述标准的运行模式，还包括非标准的运行模式(例如通过结构化电缆进行2. 5(;bit/S、5(ibit/S等速率的传输)。在又另一实施例中，AN可被用来自动协商到不同速率。这里，每个PHY可以测试信道并交换有关信道的信息(例如电缆类型、电缆长度等)， 这些信息可被用来选择特定运行模式。在各种实例中，AN处理过程可以在检测到第7A类电缆时选择40(ibit/S传输速率，在检测到第6A类电缆时选择10(ibit/S传输速率，检测到 15米长第6A类电缆时选择40(ibit/S传输速率等。一般而言，AN处理过程可被设计为不仅根据PHY本身的功能，还根据其间特定的通信信道的功能来选择运行模式。由于可提供的电缆的种类繁多，运行模式的种类也有很多。随着以太网PHY技术的发展，电缆技术也得到了发展。为了有利于更高的传输速率，对电缆、连接器和磁性元件质量的更严格的限制将决定对现有设施的取代。现有各种类型的以太网兼容电缆。例如，第3类非屏蔽双绞线表示的性能特点能实现10BASE-T传输而不能实现100BASE-TX传输，100BASE_TE传输需要第5类或第k类电缆表示的性能特点来实现。后来定义了第6类电缆作为支持1000BASE-T运行的电缆标准。 自那时起，电缆发展导致了能支持高达mhz频率的改进型第6A类、第7类、第7A类电缆以及能支持高达2(ihZ及更高频率的增强型7A或更新的电缆的产生。双绞线链路上的传输速率与信道条件相关，而信道条件本身又与电缆类型、电缆长度、连接器等相关。如上所述，更新的增强型7A电缆具有高达2(ihZ的带宽，这样大的带宽被认为足以支持40GBASE-T传输。本发明的一个特点是，通过促进对现有以太网设备结构进行复用这一解决途径， 可以降低下一代组件的发展招致的实施成本和其它发展成本。例如，参考图2，图2示出了用于10GBASE-T运行的现有以太网设备结构。如图所示，PHY收发器包括MAC I/F 210,MAC I/F 210被设计为支持例如XGMII或XAUI接口。在发送端，PHY收发器可以包括PCS编码221、加扰器222、低密度奇偶校验(LDPC) 223、1观双方(DSQ)映射器224、预编码器225、数模转换器(DAC) 226以及混合器(Hybrid) 2400相应地，在接收端，混合器240接收的信号由可变增益放大器(VGA) 237、模数转换器(ADC) 236、 串扰(Xtalk)消除器及均衡器235、128DSQ软式决议(Soft Decisions)234、LDPC解码233、 解扰器232以及PCS解码231进行处理，且PCS解码231将信号传送给MAC I/F 210。在本发明中，期望在下一代设备中复用现有PHY收发器(例如如图2所示的)。这种结构复用可以提供一种简单的方法，在该方法中，可以增加传输容量，而不需要承担转换为支持下一代传输速率的新设计的结构所导致的大额成本增长。图3示出了利用现有结构的一个典型实施例。如图所示，解复用器310接收一个发送(TX)数据流并输出4个解复用的数据流给基带发送器322、324、326、328。在一个实例中，接收的TX数据流是40(ibit/S数据流，且4个解复用的数据流分别是10(ibit/S数据流。 需要注意的是，本发明的原理不与数据传输速率的特定组合相关。例如，可以使用不同比例的解复用来匹配所给基带发送器集。利用40(ibit/S数据流的例子，解复用器310被设计为产生4个10(ibit/S解复用的数据流。每个10(ibit/S解复用数据流可以由实施现有IOG结构(例如图2所示的)的基带发送器322、324、326、3沘进行处理。实际上，每个基带发送器322、324、326、3沘分别可以实施现有10GBASE-T信号机制。基带发送器322、324、326、328的输出被传递给对应的混频器(mixer) 332、3；34、 336、338。混频器332、334、336、338被设计为实施频分复用机制，其中至少基带发送器324、 326、328的输出被频移至双绞线通信信道的频谱的不同部分。图4示出了利用频分复用通过增强型7A电缆发送的40(ibit/S数据流的频谱的实例。如上所述，增强型7A电缆具有大约2(ihZ带宽。每个10GBASE-T基带发送器将需要接近 400Mhz带宽。在图示的例子中，2Ghz频谱可以被分成4个500Mhz频带1_4，其中每个500Mhz 频带分别被设计为承载一个基带发送器的输出。对于可用范围0-400MhZ、500-900MhZ、 1000-1400Mhz以及1500-1900Mhz，基带发送器的频移的输出之间包含有大约IOOMhz空间。 需要注意的是，可用频谱与所选电缆相关，选择电缆是为了有利于所给数目及组合的基带发送器，其联合运行模式将产生预期的吞吐量。如图3所示，接收端包括用于从不同频带捕捉基带信号的混频器342、344、346、 ；348。然后，将混频器342、344、346、348的输出提供给对应的基带接收器352、354、356、358。 图2示出了能被基带接收器352、354、356、358使用的10GBASE-T接收器的现有结构。基带接收器352、354、356、358的输出被提供给复用器360，复用器360生成接收的40(ibit/S数据流。如上所述，双绞线信道的频分复用促进了结构复用。这种结构复用实现了高效扩展机制(scaling mechanism)，该机制降低了下一代以太网设备的大额实施成本。当然， 扩展机制的一个优点是可以高效转换为中间速率而不是下一最高标准的速率。例如，通过使用两个10(ibit/S基带发送器与接收器集，就可以在具有Kihz带宽的电缆设施上支持 20(ibit/S链路速率。因此实现了低成本的逐步过渡(migration)途径。需要注意，在一个实施例中，不需解复用器310和复用器360也能使用频分复用的机制。在该实施例中，基带发送器322、324、326、3观可被用作支持4个独立10(ibit/S信道
8的集成4-PHY芯片的一部分，并包括控制器、开关、缓冲器、连接器等。这里，频分复用机制从一根线引出4根独立的虚拟线，有效地将电缆的容量增至4倍。在另一个使用解复用器310和复用器360的实施例中，40(ibit/SPHY可以支持多模。这里，对于40Gbit/s模式，可以使用所有4个基带发送器322、324、326、328，而对于 10(ibit/S模式，只可使用一个基带发送器(例如322)。若上述一个基带发送器还支持传统模式(legacy modes)(标准的和/或非标准的)，那么该以太网设备还可以支持其它模式(例如 5Gbit/s、2. 5Gbit/s、lGbit/s、100Mbit/s、10Mbit/s 模式)。AN可以实现对各种运行模式的选择，该AN支持从频分复用的40(ibit/S运行模式、非复用的10(ibit/S运行模式以及现有标准的/非标准的运行模式中选择的运行模式。图5示出了高效节能以太网(EEE)应用，其中可以使用多种模式的频分复用设备。 如上所述，能量成本是任何实施中的首要考虑因素，由其是那些支持更高传输速率的。由于能量成本持续升级趋势在近些年来已经加剧，能量效率成为以太网设备中的首要考虑因素。如图5所示，EEE处理过程开始于步骤502，其中频分复用的以太网设备被配置为运行状态。例如在启动时，频分复用的以太网设备可以被配置为使用4个IOG基带发送器的40G运行模式。频分复用的以太网设备被配置为40G运行模式后，该处理过程将继续于步骤504，其中对链路使用量进行监视。一般而言，用于确定何时进入节能状态、进入哪种节能状态(即节能水平)、在该节能状态停留多长时间、从上一节能状态转换到哪种节能状态等的EEE控制策略可以监视链路使用量。EEE控制策略实体可以包括能够与一个或多个层(包括PHY、MAC、交换层或主机中其它子层的一些部分)互操作的软件代码。在一个实施例中，EEE控制策略在PHY中。EEE 控制策略实体可以分析物理链路上的流量，以及分析自己里面的或链路伙伴里面的数据的运行和/或处理。以这种方式，EEE控制策略实体可以交换来自或关于OSI层次体系的一层或多层的信息，以便建立和/或实施EEE控制策略。基于软件的EEE控制策略可以被设计为将IT管理器、缺省(default)软件配置、链路本身的流量带宽的性质、当日时间或其它固定参数集所建立的静态设置的组合作为其决议的基础。例如，EEE控制策略可以被设计为检测端口、队列、缓冲器等的空闲或非空闲条件以确定是转向还是转自一种节能状态。在步骤506，当链路使用量被监视时，确定被监视的链路使用量是否暗示需要进行状态转换。若确定不需状态转换，该过程将继续于监视链路使用量。但是，若确定需要进行状态转换，该过程将返回步骤502，在步骤502中，配置频分复用的以太网设备的运行状态。 这里，频分复用的以太网设备可以被配置为从前一活跃40G状态转换为低功率状态。在一个实施例中，可以通过降低至少一个IOG基带发送器信道的功耗可以配置频分复用的以太网设备的低功率状态。降低的功耗可以由至少一个IOG基带发送器信道的传输速率的减少来表示。在各种实例中，可以关闭其中一个较高频移输出(例如，基带发送器324、326、328 产生的)基带发送器以便产生30G吞吐量，或在第二基带发送器选择5G运行模式时关闭其中一个基带发送器以便产生25G吞吐量，或只开启其中一个基带发送器以便产生唯一活跃的基带发送器所选运行模式的吞吐量(例如10G、5G、2.5G、1G、100M、10M)。频分复用的以太网设备可以继续停留在所选低功率运行模式，直至链路使用量暗示需要返回活跃的40G运行状态。
如上所述，频分复用的以太网设备在启动或活跃运行时可以支持多种运行模式， 该多种运行模式可支持不同配置。实现了高效扩展的结构复用可以实现运行模式的复杂性。需要注意，上述40G/10G例子不用于限制结构复用提供的可扩展性。例如，可以使用M个IG基带发送器来制造频分复用的M*G以太网设备。还需注意，本发明的原理并不被解释为限制于图2所示的IOG例子。更一般地，本发明的原理可以应用于任意现有结构中，包括lOMbit/s、100Mbit/S、Kibit/s、10(ibit/S (例如 10GBASE-KR、KX4、CRl)、40Gbit/s(例如 40GBASE-CR4)、100Gbit/s(例如 100GBASE-CR10) 等系统。就此而言，本发明的原理还可以应用于各种标准的、非标准的(例如2. 5(ibit/S、 5Gbit/s、20Gbit/s、25Gbit/sJ8Gbit/s 等)或未来的(例如 40Gbit/s、100Gbit/s、250Gbit/ s,400Gbit/sU000Gbit/s等)链路速率的系统中。本发明的原理还可以应用于共享媒体链路(例如无源光网络(PON))和点对点(P2P)光纤网络。在一个实施例中，可以根据信道诊断发现的信道性质(例如电缆类型、电缆长度、 捆绑限制等)生成可变速的频分复用的以太网设备。然后，可以使用该信息选择特定数目及组合的基带发送器/接收器(及不需相同)以便获得相对特定信道的所需带宽。一般而言， 特定设备实施与所使用的基带发送器/接收器、可用电缆带宽数量、可用电缆带宽(例如载波空间)使用效率等相关。值得注意的是，本发明的原理还可以不对等地应用于链路。通过上面的详细描述，本发明的各个方面对本领域技术人员来说将是显而易见的。尽管上面描述了本发明的一些突出特征，但本发明还可以具备其它实施例，并可以通过各种方法实践及贯彻，这些方法在本领域技术人员阅读完公开的发明内容后将是显而易见的，因此不能认为上述描述穷尽了类似其它实施例。另外，应当理解，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应作为限制。
权利要求
1.一种以太网通信系统，其特征在于，包括第一基带以太网发送器，所述第一基带以太网发送器具有确定的信号机制并生成位于第一频谱中的第一输出；第二基带以太网发送器，所述第二基带以太网发送器具有所述确定的信号机制并生成第二输出；混频器，用于将所述第二基带以太网发送器的所述第二输出转移到与所述第一频谱不同的第二频谱；以及合成器(combiner)，用于将位于所述第一频谱中所述第一输出的至少一部分与位于所述第二频谱中所转移的第二输出的至少一部分合成以便在单个线对上发送。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一基带以太网发送器是10GBASE-T 发送器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一基带以太网发送器被分配到第一端口，所述第二基带以太网发送器被分配到第二端口，所述第二端口相对所述第一端口独立寻址。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一和第二基带以太网发送器其中之一除了活跃状态，还具有低功率状态，进入所述低功率状态以便在所述第一和第二基带以太网发送器中的另一个保持在活跃状态时节省功率。
5.一种多速率以太网设备，其特征在于，包括多个基带以太网发送器，所述多个基带以太网发送器中的每一个使用同一确定的信号机制并生成多个对应的输出；多个混频器，所述多个混频器用于生成多个频移的输出，所述多个频移的输出中的每一个分别具有不同的频谱；以及合成器，用于将所述多个频移的输出中的每一个的至少一部分合成以便在单个线对上发送，其中所述多速率以太网设备具有第一工作模式和第二工作模式，在所述第一工作模式中所述多个基带以太网发送器全都是活跃的，在所述第二工作模式中所述多个基带以太网发送器只有一部分是活跃的。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述多个基带以太网发送器中的每一个都是10GBASE-T发送器，且所述第一工作模式能用40G发送，所述第二工作模式能用IOG发送。
7.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，在启动所述多速率以太网设备时选择所述第一工作模式和所述第二工作模式其中之一。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，根据包含所述单个线对在内的电缆的类型选择所述第一工作模式和所述第二工作模式其中之一。
9.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述多速率以太网设备工作时能够在所述第一工作模式和所述第二工作模式间切换以便于节省功率。
10.一种用于发送端通信设备中的方法，其特征在于，包括在线对的第一频谱中发送第一基带以太网发送器的输出；在所述线对的第二频谱中发送第二基带以太网发送器的输出；确定包含所述线对在内的链路的使用率是否低于阈值；以及当所述确定过程表明所述链路的所述使用率低于所述阈值时，将所述第二基带以太网发送器从活跃状态转换为低功率状态，所述转换过程至少暂时减少了所述第二基带以太网发送器对所述第二频谱的使用。
全文摘要
本发明提供了一种用于频分复用高速物理层设备的方法和系统。下一代以太网设备可以通过复用现有结构而生成。通过多个载体上的频分复用可以在所给线对上支持现有结构的多个实例。所述多个实例可以实现多种能支持不同配置、各种速率以及高效节能以太网的模式。
文档编号H04L12/28GK102164062SQ20111004041
公开日2011年8月24日 申请日期2011年2月18日 优先权日2010年2月18日
发明者斯科特·鲍威尔, 韦尔·威廉·戴博 申请人:美国博通公司