隨著對(duì)車載高速總線的深入研究，以電信號(hào)為媒介的傳輸方式逐漸顯露出劣勢(shì)，當(dāng)傳輸速率超過(guò)25Gbps時(shí)，基于電信號(hào)傳輸已經(jīng)很難保證長(zhǎng)距離傳輸下的信號(hào)質(zhì)量與損耗。在這樣的背景下，應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的光通信技術(shù)因其高帶寬、長(zhǎng)距離、低電磁干擾的特點(diǎn)得到了密切的關(guān)注，IEEE在2023年發(fā)布了802.3cz[1]協(xié)議，旨在定義一套光纖以太網(wǎng)在車載領(lǐng)域的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

MultiGBASE-AU總覽

以下是MultiGBASE-AU在OSI模型以及以太網(wǎng)層級(jí)中的位置：

MultiGBASE-AU基于一對(duì)多模玻璃光纖進(jìn)行通信，兩根光纖分別對(duì)應(yīng)了發(fā)送和接收，因此，MultiGBASE-AU的通信形式同樣是全雙工通信。同樣地，由于兩根光纖相對(duì)獨(dú)立地連接著PHY自身的發(fā)射機(jī)和對(duì)方的接收機(jī)，MultiGBASE-AU并沒(méi)有主從的概念，通信過(guò)程中，兩個(gè)PHY的PMA RX都需要進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)。

從上圖中可以看到，從介質(zhì)無(wú)關(guān)接口（xMII）傳輸下來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)PCS TX的編碼及RS-FEC、PMA TX的電信號(hào)調(diào)制，PMD TX的電光轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)傳輸至鏈路伙伴進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、解調(diào)、解碼。在PMA TX的調(diào)制方式上，2.5G/5G/10G/25GBASE-AU采用的是NRZ編碼，50GBASE-AU采用的是PAM4編碼。

與MultiGBASE-T1類似的是，同樣包含了多個(gè)速率的MultiGBASE-AU在PHY的相關(guān)參數(shù)設(shè)定上，也通過(guò)縮放參數(shù)S（Scaling Parameter）對(duì)參數(shù)進(jìn)行縮放，不一樣的是，由于50GBASE-AU的特殊性，802.3cz規(guī)定了另一個(gè)參數(shù)：分組參數(shù)G（Grouping Parameter）用于區(qū)分調(diào)制方式。

XG/25G、50GMII

在介質(zhì)無(wú)關(guān)接口的定義上，802.3cz中包含了XGMII、25GMII、50GMII三種，其中，對(duì)于XGMII的介紹，可以參考《MultiGBASE-T1協(xié)議解讀系列（上）：車載以太網(wǎng)多G物理層概述》。

25GMII與XGMII在數(shù)據(jù)和控制字符的設(shè)定上完全一致，同樣包括了32bit TXD，32bit RXD，4bit TXC以及4bit RXC。在機(jī)制上同樣是將32bit數(shù)據(jù)字符劃分為四個(gè)虛擬的Lane，每個(gè)Lane通過(guò)一個(gè)控制字符指示信號(hào)內(nèi)容（data或ctrl）。在時(shí)鐘頻率上，25GMII的時(shí)鐘頻率為390.625 MHz。

50GMII的時(shí)鐘速率與25GMII相同，主要的改動(dòng)點(diǎn)在于將數(shù)據(jù)字符、控制字符和Lane的數(shù)量進(jìn)行了翻倍。下表是對(duì)三者相關(guān)參數(shù)的對(duì)比，時(shí)鐘速率可以通過(guò)縮放參數(shù)S進(jìn)行計(jì)算：

PCS子層

PCS子層位于協(xié)調(diào)子層（通過(guò)xMII）和PMA子層之間，MultiGBASE-AU的PCS子層包括了PCS Transmit和PCS Receive兩個(gè)部分。802.3cz中定義的兩個(gè)可選功能：節(jié)能以太網(wǎng)（EEE）與運(yùn)行管理維護(hù)（OAM）也需要PCS子層的部分機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

PCS Transmit功能

與MultiGBASE-T1不同的是，MultiGBASE-AU的PCS子層引入了一個(gè)新的概念：Physical header data物理層頭部，簡(jiǎn)稱PHD，包含了物理層傳輸模式，鏈路狀態(tài)、OAM信息等內(nèi)容。通過(guò)XMII傳輸并經(jīng)過(guò)64/65B編碼后的數(shù)據(jù)會(huì)與PHD進(jìn)行組合，經(jīng)過(guò)RS-FEC編碼以及擾碼器的擾碼后，發(fā)送至PMA子層。

由于PHD與Payload的組合方式是將PHD拆開(kāi)插入Payload，因此將一個(gè)完整的PHD與Payload data組合，經(jīng)過(guò)后續(xù)編碼形成的數(shù)據(jù)被稱為一個(gè)Transmit Block。

接下來(lái)我們將分別從上圖中的Physical header data path與Payload data path了解一下PCS發(fā)送數(shù)據(jù)的組成與編碼方式。

物理層頭部數(shù)據(jù)主要用于鏈路雙方交換發(fā)送模式、接收數(shù)據(jù)可靠性，link狀態(tài)，OAM信息等，共224bit，其構(gòu)成如下表所示：

與Payload data組合之前，PHD data還需要經(jīng)過(guò)CRC16、PHD Splitting以及TRC Encoder三個(gè)流程。加入CRC16校驗(yàn)碼的240bit數(shù)據(jù)會(huì)被PHD Splitting分割成12個(gè)20bit的子模塊。TRC Encoder則是將每個(gè)子模塊復(fù)制為三份形成36個(gè)20bit子模塊。因此，一個(gè)完整的PHD data包含了720bit數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行64/65B編碼之前，來(lái)自XMII的Payload data還需要進(jìn)行映射，對(duì)于分組參數(shù)G=1的速率，需要將兩個(gè)發(fā)送周期的數(shù)據(jù)組合為一個(gè)64bit block，再進(jìn)行編碼。對(duì)于G=2的速率則是使用一個(gè)發(fā)送周期的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行編碼。

64/65B編碼的規(guī)則與MultiGBASE-T1的PCS子層編碼規(guī)則一致，可詳見(jiàn)《MultiGBASE-T1協(xié)議解讀系列（中）：MultiGBASE-T1 PCS子層》。需要特殊注意的是，由于50GMII上一個(gè)發(fā)送周期的數(shù)據(jù)是64bit，不會(huì)出現(xiàn)Start字符在65bit中間的情況，因此50G速率下，64/65B編碼的block格式與其他速率不同，如下圖所示。

經(jīng)過(guò)64/65B編碼后，每80個(gè)65B數(shù)據(jù)組成一個(gè)模塊，一個(gè)Transmit Block中包含了36個(gè)模塊，共187200bit。這36個(gè)模塊的末尾插入一個(gè)PHD的子模塊后，這段長(zhǎng)度為5220bit的數(shù)據(jù)被稱為一個(gè)Codeword，接下來(lái)的RS-FEC前向糾錯(cuò)就是以Codeword為單位進(jìn)行的。

MultiGBASE-AU的RS-FEC采用（544,522,10），即10bit一組，將5220bit分為522組進(jìn)行RS-FEC的計(jì)算，計(jì)算完成后引入22組前向糾錯(cuò)碼，共輸出5440bit數(shù)據(jù)。

完成RS-FEC編碼后的36Codeword數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)一個(gè)25位的移位寄存器進(jìn)行擾碼。

由于分組參數(shù)G=1和G=2采用了不同的調(diào)制方式，為了平衡電平分布，二者的擾碼種子也不同。

PCS Receive功能

PCS Receive在構(gòu)成上與PCS Transmit基本相同，只是方向相反，從PMA Receive收到數(shù)據(jù)后，首先要進(jìn)行解擾碼，然后分割成36個(gè)Codeword，進(jìn)行RS-FEC的校驗(yàn)糾錯(cuò)，確認(rèn)數(shù)據(jù)無(wú)誤會(huì)將PHD和Payload分開(kāi)，Payload映射到XMII的通道上進(jìn)行傳輸，PHD則進(jìn)行TRC解碼、PHD組合、CRC16校驗(yàn)得到完整的PHD。

結(jié)語(yǔ)

以上便是介紹的MultiGBASE-AU物理層中XMII及PCS子層的全部?jī)?nèi)容，在下一篇文章中，我們將介紹MultiGBASE-AU兩個(gè)可選功能：EEE及OAM的相關(guān)內(nèi)容。這部分內(nèi)容是如何實(shí)現(xiàn)的，與MultiGBASE-T1的EEE和OAM功能會(huì)有什么差別呢？敬請(qǐng)關(guān)注下期：一文讀懂光纖以太網(wǎng)IEEE 802.3cz-中。

經(jīng)緯恒潤(rùn)作為OPEN聯(lián)盟會(huì)員和AUTOSAR聯(lián)盟的高級(jí)合作伙伴，長(zhǎng)期為國(guó)內(nèi)外各大OEM和供應(yīng)商提供涵蓋TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技術(shù)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和測(cè)試咨詢服務(wù)，積極研發(fā)和探索車載網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)的工程應(yīng)用。通過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，已建立了高質(zhì)量、本土化的設(shè)計(jì)與測(cè)試一體化解決方案，為整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供可靠支持。

參考文獻(xiàn)

[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.