Leitfaden zur Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC): Wie funktioniert sie im grundlegenden optischen Übertragungssystem

Seit vielen Jahren hat sich Forward Error Correction (FEC) in der Kabelbranche als äußerst wirksames Werkzeug bewährt. Insbesondere wurde eine erhebliche Leistungssteigerung innerhalb der DOCSIS 3.1-Spezifikationen durch den Übergang von der zuvor verwendeten Reed-Solomon (RS) FEC zu einem neuen Codierungsschema namens Low-Density Parity Check (LDPC) erreicht, das eine verbesserte Leistung bietet. Ebenso ist FEC zu einem wesentlichen Bestandteil von optischen Hochgeschwindigkeits-Übertragungssystemen geworden, insbesondere in der heutigen Ära der kohärenten optischen Übertragung.

Was ist Forward Error Correction?

FEC steht für Forward Error Correction, eine leistungsfähige digitale Signalverarbeitungstechnik zur Verbesserung der Bitfehlerrate von Kommunikationsverbindungen. Bei dieser Methode werden den Daten auf der Senderseite redundante Informationen, insbesondere Paritätsbits, hinzugefügt. Anschließend nutzt der Empfänger diese redundanten Informationen, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren, die während der Übertragung aufgetreten sein können. Das dargestellte Diagramm veranschaulicht, dass die beim Sender durchgeführte Signalcodierung eine genaue Decodierung durch den Empfänger erfordert, um die ursprünglichen Signalinformationen zu extrahieren. Es ist unerlässlich, Codierungsregeln präzise zu definieren und umzusetzen, um Fehlinterpretationen von Informationen während der Signaldecodierung zu vermeiden. Erfolgreiche Interoperabilität wird nur erreicht, wenn sowohl Sender als auch Empfänger identische Codierungs- und Decodierungsregeln einhalten und durchsetzen.Erfolgreiche Interoperabilität wird nur erreicht, wenn sowohl Sender als auch Empfänger identische Codierungs- und Decodierungsregeln einhalten und umsetzen.

Forward Error Correction (FEC) ist eine entscheidende Komponente, die spezifiziert werden muss, um die Entwicklung interoperabler Transceiver zu erleichtern, die optische Technologie über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen nutzen. Aktuelle Branchentrends sind darauf ausgerichtet, proprietäre Elemente zu eliminieren und Interoperabilität zu fördern, vor allem da Betreiber sich für offenere und disaggregierte Übertragung in volumenstarken Anwendungen mit kurzer Reichweite einsetzen.

Bei der Bewertung der geeigneten FEC für eine neue Spezifikation ist es unerlässlich, mehrere wichtige Kennzahlen zu berücksichtigen, wie zum Beispiel:

Codierungs-Overhead-Rate: Das Verhältnis von redundanten Bits zu Informationsbits.

Net Coding Gain (NCG): Die Verbesserung der empfangenen optischen Empfindlichkeit mit und ohne Einsatz von FEC, korreliert mit der steigenden Bitrate.

Pre-FEC BER-Schwellenwert: Ein vordefinierter Schwellenwert, der eine fehlerfreie Post-FEC-Übertragung angibt, bestimmt durch NCG.

Weitere Überlegungen: Dazu gehören Faktoren wie Hardwarekomplexität, Latenz und Stromverbrauch.

Der Entwicklungsprozess von FEC

Eine zentrale Entscheidung bei der FEC-Codierung und -Decodierung besteht darin, zwischen Hard-Decision FEC (HD-FEC) und Soft-Decision FEC (SD-FEC) zu wählen. HD-FEC trifft binäre Entscheidungen auf Basis exakter Schwellenwerte und bestimmt, ob 1en oder 0en aufgetreten sind, während SD-FEC Entscheidungen auf Basis von Wahrscheinlichkeiten trifft und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer 1 oder 0 bewertet. SD-FEC kann einen höheren Net Coding Gain (NCG) bieten, um sich der idealen Shannon-Grenze anzunähern, allerdings auf Kosten erhöhter Komplexität und eines höheren Stromverbrauchs.

Der für die optische Kommunikation standardisierte FEC-Code der ersten Generation ist der Reed-Solomon-Code (RS), der häufig für die optische Langstreckenübertragung per ITU-T G.709 und G.975-Empfehlungen. In der RS-Implementierung umfasst jedes Codewort 255 Codewort-Bytes, davon 239 Bytes für Daten und 16 für Parität, häufig als RS(255,239) bezeichnet und als Generic FEC (GFEC) bezeichnet. 

In der zweiten Generation der von ITU-T G.975.1 empfohlenen FEC-Codes werden mehrere FEC-Codierungsschemata für hochbitratige submarine DWDM-Systeme (Dense Wavelength Division Multiplexing) empfohlen. Verkettete Codierungsschemata mit iterativer Hard-Decision-Decodierung wurden häufig eingesetzt, um den Net Coding Gain (NCG) zu verbessern. Ein bemerkenswertes Beispiel ist das in G.975.1 Abschnitt I.4 spezifizierte Enhanced FEC (EFEC), das speziell für optische 10G- und 40G-Schnittstellen entwickelt wurde.

Die FEC der dritten Generation umfasst Soft-Decision- oder iterative Techniken wie Block Turbo Code und LDPC-Code (Low-Density Parity-Check).

Bei Forward Error Correction (FEC)-Technologien der ersten und zweiten Generation beruht der Decodierungsprozess typischerweise ausschließlich auf der algebraischen Struktur des Codes. Der Demodulator liefert dem Decoder eine Binärsequenz, wobei die Rolle des Demodulators darauf beschränkt ist, auf Grundlage der empfangenen Sequenz 0- oder 1-Entscheidungen zu treffen. Dieser spezielle Decodierungsansatz wird als Hard-Decision (HD-FEC) bezeichnet. Die verschiedenen Arten von Hard-Decision-FEC werden wie unten beschrieben verglichen:

In der dritten Generation der Forward Error Correction (FEC) wird das Soft-Decision-Verfahren (SD-FEC) eingesetzt, das einen probabilistischen Decodierungsansatz darstellt. Bei dieser Technik wird eine Mehrbit-Quantisierung der vom Demodulator bereitgestellten Spannungsabtastwerte durchgeführt. Die quantisierten Daten werden anschließend an den Decoder weitergeleitet, wo die algebraische Struktur des Codes decodiert wird.

Wie in der obigen Abbildung dargestellt, verwendet die Hard Decision einen einzelnen Schwellenwert zur Quantisierung eines Bits, während die Soft Decision mehrere Schwellenwerte nutzt, um wiederhergestellte Symbole zu quantisieren, wobei Ein-Bit-Informationen zusammen mit zusätzlichen mehrbitigen Wahrscheinlichkeitsdaten (Vertrauensdaten) bereitgestellt werden. Dies lässt sich mit der Einführung einer Kategorie "Vielleicht" zwischen "JA" und "NEIN" vergleichen. Bei einem äquivalenten Overhead-Verhältnis ist der Non-Coherent Gain (NCG) von SD-FEC um 1-1.5dB höher als der von Hard-Decision HFEC.

Derzeit nutzen 100G- und über 100G-Wellenlängenmultiplexsysteme hauptsächlich SD-FEC oder einen hybriden Codierungsansatz, der SD-FEC mit EFEC/HFEC kombiniert. Unter Verwendung der von der LOFC-Konferenz festgelegten LDPC-Definition als Referenz veranschaulicht die folgende Tabelle deren Overhead und NCG.

Basierend auf den vorstehenden Daten können wir schlussfolgern, dass ein höherer FEC-Overhead korreliert mit einem größeren Codierungsgewinn.

FEC findet Anwendung in der Hochgeschwindigkeitskommunikation, insbesondere in 25G-, 40G- und 100G-Szenarien, mit einem ausgeprägten Schwerpunkt auf 40G und 100 G. Das optische Signal erfährt während der Übertragung aufgrund verschiedener Faktoren eine Verschlechterung, was zu potenziellen Fehleinschätzungen am Empfangsende führt. Diese Fehleinschätzungen können darin bestehen, ein "1"-Signal mit einem "0"-Signal zu verwechseln oder umgekehrt. Die FEC-Funktion beinhaltet die Umwandlung des Informationscodes in einen fehlerkorrigierenden Code durch den Kanalencoder am Sendeende. Der Kanaldecoder am Empfangsende decodiert anschließend den empfangenen Code, lokalisiert und korrigiert Fehler innerhalb der Fehlerkorrekturfähigkeit, sofern sie in den Bereich korrigierbarer Fehler (diskontinuierliche Fehler) fallen, und verbessert dadurch die Signalqualität.

Optisches 100G-QSFP28-Modul mit FEC-Funktion

Die Integration der FEC-Funktionalität führt zwangsläufig zu gewissen Paketverzögerungen während der Korrektur von Bitfehlern. Daher ist es nicht zwingend erforderlich, dass alle 100G QSFP28 optischen Module diese Funktion aktivieren. Beispielsweise wird gemäß dem IEEE-Standardprotokoll empfohlen, FEC bei Verwendung des optischen Moduls 100G QSFP28 LR4 nicht zu aktivieren. Umgekehrt wird für bestimmte andere Modelle optischer Module empfohlen, FEC zu aktivieren.

Verschiedene Unternehmen bieten optische 100G QSFP28-Module mit unterschiedlichen Spezifikationen an. Die folgende Tabelle zeigt, ob es ratsam ist, die FEC-Funktion zu aktivieren, wenn das folgende optische QSFPTEK 100G QSFP28-Modul verwendet wird: