隨著對車載高速總線的深入研究，以電信號為媒介的傳輸方式逐漸顯露出劣勢，當傳輸速率超過25Gbps時，基于電信號傳輸已經很難保證長距離傳輸下的信號質量與損耗。在這樣的背景下，應用于工業領域的光通信技術因其高帶寬、長距離、低電磁干擾的特點得到了密切的關注，IEEE在2023年發布了802.3cz[1]協議，旨在定義一套光纖以太網在車載領域的應用標準。
MultiGBASE-AU總覽
以下是MultiGBASE-AU在OSI模型以及以太網層級中的位置：
MultiGBASE-AU基于一對多模玻璃光纖進行通信，兩根光纖分別對應了發送和接收，因此，MultiGBASE-AU的通信形式同樣是全雙工通信。同樣地，由于兩根光纖相對獨立地連接著PHY自身的發射機和對方的接收機，MultiGBASE-AU并沒有主從的概念，通信過程中，兩個PHY的PMA RX都需要進行時鐘恢復。
從上圖中可以看到，從介質無關接口（xMII）傳輸下來的數據，通過PCS TX的編碼及RS-FEC、PMA TX的電信號調制，PMD TX的電光轉換后，轉變為光信號傳輸至鏈路伙伴進行光電轉換、解調、解碼。在PMA TX的調制方式上，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，同樣包含了多個速率的MultiGBASE-AU在PHY的相關參數設定上，也通過縮放參數S（Scaling Parameter）對參數進行縮放，不一樣的是，由于50GBASE-AU的特殊性，802.3cz規定了另一個參數：分組參數G（Grouping Parameter）用于區分調制方式。
XG/25G、50GMII
在介質無關接口的定義上，802.3cz中包含了XGMII、25GMII、50GMII三種，其中，對于XGMII的介紹，可以參考《MultiGBASE-T1協議解讀系列（上）：車載以太網多G物理層概述》。
25GMII與XGMII在數據和控制字符的設定上完全一致，同樣包括了32bit TXD，32bit RXD，4bit TXC以及4bit RXC。在機制上同樣是將32bit數據字符劃分為四個虛擬的Lane，每個Lane通過一個控制字符指示信號內容（data或ctrl）。在時鐘頻率上，25GMII的時鐘頻率為390.625 MHz。
50GMII的時鐘速率與25GMII相同，主要的改動點在于將數據字符、控制字符和Lane的數量進行了翻倍。下表是對三者相關參數的對比，時鐘速率可以通過縮放參數S進行計算：
PCS子層
PCS子層位于協調子層（通過xMII）和PMA子層之間，MultiGBASE-AU的PCS子層包括了PCS Transmit和PCS Receive兩個部分。802.3cz中定義的兩個可選功能：節能以太網（EEE）與運行管理維護（OAM）也需要PCS子層的部分機制實現。
· PCS Transmit功能
與MultiGBASE-T1不同的是，MultiGBASE-AU的PCS子層引入了一個新的概念：Physical header data物理層頭部，簡稱PHD，包含了物理層傳輸模式，鏈路狀態、OAM信息等內容。通過XMII傳輸并經過64/65B編碼后的數據會與PHD進行組合，經過RS-FEC編碼以及擾碼器的擾碼后，發送至PMA子層。
由于PHD與Payload的組合方式是將PHD拆開插入Payload，因此將一個完整的PHD與Payload data組合，經過后續編碼形成的數據被稱為一個Transmit Block。
接下來我們將分別從上圖中的Physical header data path與Payload data path了解一下PCS發送數據的組成與編碼方式。
物理層頭部數據主要用于鏈路雙方交換發送模式、接收數據可靠性，link狀態，OAM信息等，共224bit，其構成如下表所示：
與Payload data組合之前，PHD data還需要經過CRC16、PHD Splitting以及TRC Encoder三個流程。加入CRC16校驗碼的240bit數據會被PHD Splitting分割成12個20bit的子模塊。TRC Encoder則是將每個子模塊復制為三份形成36個20bit子模塊。因此，一個完整的PHD data包含了720bit數據。
在進行64/65B編碼之前，來自XMII的Payload data還需要進行映射，對于分組參數G=1的速率，需要將兩個發送周期的數據組合為一個64bit block，再進行編碼。對于G=2的速率則是使用一個發送周期的數據直接進行編碼。
64/65B編碼的規則與MultiGBASE-T1的PCS子層編碼規則一致，可詳見《MultiGBASE-T1協議解讀系列（中）：MultiGBASE-T1 PCS子層》。需要特殊注意的是，由于50GMII上一個發送周期的數據是64bit，不會出現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。
經過64/65B編碼后，每80個65B數據組成一個模塊，一個Transmit Block中包含了36個模塊，共187200bit。這36個模塊的末尾插入一個PHD的子模塊后，這段長度為5220bit的數據被稱為一個Codeword，接下來的RS-FEC前向糾錯就是以Codeword為單位進行的。
MultiGBASE-AU的RS-FEC采用（544,522,10），即10bit一組，將5220bit分為522組進行RS-FEC的計算，計算完成后引入22組前向糾錯碼，共輸出5440bit數據。
完成RS-FEC編碼后的36Codeword數據會通過一個25位的移位寄存器進行擾碼。
由于分組參數G=1和G=2采用了不同的調制方式，為了平衡電平分布，二者的擾碼種子也不同。
· PCS Receive功能
PCS Receive在構成上與PCS Transmit基本相同，只是方向相反，從PMA Receive收到數據后，首先要進行解擾碼，然后分割成36個Codeword，進行RS-FEC的校驗糾錯，確認數據無誤會將PHD和Payload分開，Payload映射到XMII的通道上進行傳輸，PHD則進行TRC解碼、PHD組合、CRC16校驗得到完整的PHD。
結語
以上便是介紹的MultiGBASE-AU物理層中XMII及PCS子層的全部內容，在下一篇文章中，我們將介紹MultiGBASE-AU兩個可選功能：EEE及OAM的相關內容。這部分內容是如何實現的，與MultiGBASE-T1的EEE和OAM功能會有什么差別呢？敬請關注下期：一文讀懂光纖以太網IEEE 802.3cz-中。
經緯恒潤作為OPEN聯盟會員和AUTOSAR聯盟的高級合作伙伴，長期為國內外各大OEM和供應商提供涵蓋TCP/IP、SOME/IP、DoIP、AVB、TSN、DDS等技術領域的設計和測試咨詢服務，積極研發和探索車載網絡前沿技術的工程應用。通過多個項目的實踐經驗，已建立了高質量、本土化的設計與測試一體化解決方案，為整車網絡架構提供可靠支持。
參考文獻
[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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