10 Gbit/s sur paires de cuivre non blindées : une alchimie subtile

En approuvant la norme 802.3an, l'IEEE entérine la faisabilité technique du 10 Gbit/s sur paires torsadées de cuivre non blindées. Ce niveau de débit suppose câble et connectique spécifiques et repose sur des technologies très évoluées de codage du signal. En attendant l'arrivée d'équipements actifs de réseau.

Les entreprises n'en rêvaient pas encore, mais l'IEEE l'a fait. Le transport de flux Ethernet à 10 Gbit/s sur du câblage structuré à paires de cuivre non blindées a été normalisé, le 8 juin dernier, par l'organisme américain. Le débit nominal de 10 Gbit/s s'appuie sur une liaison channel (distance totale reliant l'équipement actif au terminal) d'une longueur de 100 m. Cette spécification 802.3an, plus connue sous l'appellation 10GBaseT, respecte les caractéristiques des trames Ethernet en détaillant une couche physique (niveau 1 du modèle OSI, ou Open systems interconnection, à 7 couches) assurant la connexion pour transporter un débit cumulé de 10 Gbit/s sur quatre paires de cuivre torsadées non blindées, comme en 1 000BaseT. L'arrivée du 10GBaseT a conduit à une spécification de câblage appelée à supporter ce très haut débit. L'élévation du débit induit en effet une hausse des fréquences utilisées pour transporter le signal. Cette norme fonctionne ainsi sur les quatre paires de cuivre d'un câble existant de catégorie 5e (sur moins de 45 m) et 6 (entre 55 et 100 m). Ces distances prévues sont très variables selon les processus de qualification des câbles et de leur capacité à supporter le 10 Gbit/s. Avec des câbles de catégorie 5e et 6, qui n'ont pas été spécifiés à l'origine dans les hautes fréquences, ces distances sont généralement inférieures aux 100 m du nouveau standard.

Une nouvelle classe de câble

Pour satisfaire aux exigences du 10 Gbit/s, il a donc fallu définir une nouvelle classe de câble à paires torsadées non blindées, baptisée 6a.Ce câble doit gérer des caractéristiques comme l'affaiblissement du signal, la diaphonie ou la perte de réflexion (return loss), à des fréquences allant jusqu'à 625 MHz, et non plus 250 MHz ?" fréquence limite référencée dans la catégorie 6 actuelle. Les câbles blindés existants de catégorie 7 doivent aussi pouvoir supporter un transport à 10 Gbit/s sur 100 m.Le principe du connecteur à huit broches de type RJ 45 n'est, quant à lui, pas modifié, ce qui assurera une compatibilité mécanique, même si la conception de ce connecteur, en raison de l'élévation en fréquences, doit être différente des RJ 45 actuels pour satisfaire aux exigences de hautes fréquences du 10 Gbit/s sur paires non blindées. La multiplication par dix du débit par rapport à la norme 1000BaseT n'était même pas envisageable il y a seulement cinq ans. Pour réaliser cette prouesse technique et définir une interface physique à 10 Gbit/s, les normalisateurs de l'IEEE ont fait appel aux technologies de dernier cri, aussi bien en matière de codage du signal et d'annulation d'écho que de correction d'erreurs.Le groupe de travail 802.3an a tout d'abord opté pour une modulation PAM (Pulse amplitude modulation, ou modulation d'impulsion en amplitude) à seize niveaux par paire. Ce choix technique permet de limiter (si l'on peut dire) la vitesse de modulation à 800 Mbauds (millions de symboles par seconde), contre 125 Mbauds en 1 000BaseT ?" soit, quand même, une vitesse six à sept fois supérieure. La conversion analogique-numérique des signaux à ce niveau de rapidité a pu être traitée par les technologies actuelles, notamment dans le domaine de la parallélisation.

Un précodage Tomlinson-Harashima

À 10 Gbit/s, la réception de signaux à une extrémité des quatre paires (qui envoient simultanément ces signaux) génère bruit, écho et diaphonie, qui se trouvent renforcés par la proximité des paires. Ces perturbations ont été corrigées grâce à de nouveaux algorithmes réduisant fortement ces phénomènes. Des techniques similaires à celles qui sont employées dans le domaine des radars auraient été utilisées. Un précodage Tomlinson-Harashima (THP) a également été retenu, couplé au codage nécessaire pour la correction d'erreurs.Il recourt aux techniques LDPC (Low density parity check, ou code de vérification de parité à faible densité). Ces techniques ont été mises au point dans les années 60. Enfin, pour atteindre 10 Gbit/s sur une distance de 100 m, il convient de transmettre des fréquences jusqu'à 625 MHz sur quatre paires. Sachant que cette transmission s'effectue en mode bidirectionnel simultané, il a fallu empêcher les effets négatifs de certains phénomènes de couplage électromagnétique inhérents à ces échanges parallèles à très hautes fréquences sur les câbles adjacents non blindés.Le principal parasite du signal est la diaphonie exogène, provoquée par l'énergie rayonnée des câbles directement adjacents.Outre le câble lui-même, ce phénomène perturbateur affecte aussi les panneaux de brassage d'un système de câblage où sont regroupées les prises.Anticipant l'avènement de la norme 802.3an, les fabricants de câblage ont déjà développé des solutions propriétaires prétendument conformes aux exigences, sur le plan des paramètres électriques, de l'Ethernet 10 Gbit/s (notamment sur la longueur maximale de la chaîne de liaison, soit 100 m). Depuis sa ratification en juin dernier, des industriels (Siemon et Systimax Solutions) se sont même empressés de proclamer la conformité à la nouvelle norme de leurs systèmes de câblage : câble, connecteur, cordon et panneau de brassage.Tous ces composants sont de conception nouvelle, chaque constructeur apportant sa touche spécifique au blindage du connecteur ou au câble à paires torsadées non blindées pour respecter les exigeants paramètres (diaphonie, paradiaphonie ou perte de réflexion) de la norme IEEE. Néanmoins, aucun de ces systèmes de câblage présumés normés ne garantit les performances affichées s'il n'est pas pourvu de composants (connectique, câble et cordon) de même origine. On est encore loin d'une interopérabilité des systèmes de câblage à 10 Gbit/s...

Les composants électroniques ne sont pas encore disponibles

Reste aussi à mettre au point, pour les testeurs de terrain, des méthodes communes de mesure des paramètres électriques qualifiant les systèmes de câblage, notamment sur les câbles à paires non blindées, par rapport aux valeurs de référence de la norme 802.3an. Enfin, si l'interface physique Ethernet 10 Gbit/s est normalisée, les composants électroniques ad hoc destinés aux équipements actifs (carte pour serveur et interface pour commutateur 10 Gbit/s), eux, ne sont pas encore disponibles. Ce n'est qu'avec l'arrivée de ces équipements actifs que l'épreuve du feu pour le nouveau standard débutera vraiment, passant de la théorie à la pratique.

Lexique

Diaphonie : phénomène qui fait que, à l'intérieur d'un même câble à plusieurs paires, un signal transmis sur une paire pollue le signal transmis sur une autre paire.
Diaphonie exogène (alien crosstalk) : ce paramètre mesure la perturbation d'un signal émis sur un câble à paires torsadées par rapport aux câbles adjacents. Il provoque des perturbations significatives à des débits de l'ordre de 10 Gbit/s. Les signaux contiennent en effet des composants à haute fréquence, et la diaphonie augmente avec la fréquence des signaux transmis.

Bientôt l'Ethernet à 100 Gbit/s ?

En juillet 2006, l'IEEE a créé un groupe de travail chargé d'étudier les besoins pour la prochaine génération Ethernet à très haut débit. Baptisé HSSG (Higher Speed Study Group), celui-ci ne planche formellement sur aucun débit au-delà du 10 Gbit/s. Mais certains évoquent des travaux sur l'Ethernet à 100 Gbit/s, même si les composants électroniques conventionnels capables de traiter des informations à cette vitesse sur un réseau nexistent pas encore sur le marché. Pour contourner cet écueil, il pourrait être question de travailler sur des spécifications utilisant des multiples de 20 ou 25 Gbit/s pour atteindre 100 Gbit/s.