Guía de corrección de errores hacia adelante (FEC): cómo funciona en el sistema esencial de transmisión óptica

Durante numerosos años, Forward Error Correction (FEC) ha demostrado ser una herramienta muy eficaz dentro de la industria del cable. En particular, se logró una mejora significativa del rendimiento dentro de las especificaciones DOCSIS 3.1 al pasar del Reed-Solomon (RS) FEC utilizado anteriormente a un nuevo esquema de codificación conocido como low-density parity check (LDPC), que ofrece un rendimiento mejorado. Del mismo modo, FEC se ha convertido en un componente esencial en los sistemas de transmisión óptica de alta velocidad, especialmente en la era actual de la transmisión óptica coherente.

¿Qué es la corrección de errores hacia adelante?

FEC significa Forward Error Correction, una técnica eficaz de procesamiento de señales digitales para mejorar la tasa de errores de bit de los enlaces de comunicación. Este método implica añadir información redundante, específicamente bits de paridad, a los datos en el lado del transmisor. Posteriormente, el receptor utiliza esta información redundante para identificar y corregir errores que pueden haber ocurrido durante la transmisión. El diagrama representado ilustra que la codificación de la señal realizada en el transmisor requiere una decodificación precisa por parte del receptor para extraer la información de la señal original. Es imperativo definir e implementar reglas de codificación con precisión para evitar la interpretación errónea de la información durante la decodificación de la señal. La interoperabilidad exitosa solo se logra cuando tanto el transmisor como el receptor se adhieren y aplican reglas de codificación y decodificación idénticas.La interoperabilidad exitosa solo se logra cuando tanto el transmisor como el receptor se adhieren e implementan reglas de codificación y decodificación idénticas.

La corrección de errores hacia adelante (FEC) es un componente crucial que debe especificarse para facilitar la creación de transceptores interoperables que utilicen tecnología óptica en enlaces punto a punto. Las tendencias actuales de la industria se orientan hacia la eliminación de elementos propietarios y la promoción de la interoperabilidad, principalmente a medida que los operadores abogan por un transporte más abierto y desagregado en aplicaciones de alto volumen y corto alcance.

Al evaluar el FEC adecuado para una nueva especificación, es esencial tener en cuenta varias métricas clave, como:

Tasa de sobrecarga de codificación: la relación entre bits redundantes y bits de información.

Ganancia neta de codificación (NCG): La mejora de la sensibilidad óptica recibida con y sin el uso de FEC, correlacionada con el aumento de la tasa de bits.

Umbral BER pre-FEC: Un umbral predefinido que indica una transmisión post-FEC sin errores, determinado por NCG.

Otras consideraciones: Estas abarcan factores como la complejidad del hardware, la latencia y el consumo de energía.

El proceso de desarrollo de FEC

Una decisión fundamental en la codificación y decodificación FEC implica elegir entre Hard-Decision FEC (HD-FEC) y Soft-Decision FEC (SD-FEC). HD-FEC toma decisiones binarias basadas en umbrales exactos, determinando si se han producido 1s o 0s, mientras que SD-FEC toma decisiones basadas en probabilidades, evaluando la probabilidad de que ocurra un 1 o un 0. SD-FEC puede ofrecer una mayor ganancia neta de codificación (NCG) para acercarse al límite ideal de Shannon, aunque a costa de una mayor complejidad y un mayor consumo de energía.

El código FEC de primera generación estandarizado para la comunicación óptica es el código Reed-Solomon (RS), comúnmente utilizado para la transmisión óptica de larga distancia según ITU-T G.709 y las recomendaciones G.975. En la implementación RS, cada palabra de código comprende 255 bytes de palabra de código, con 239 bytes para datos y 16 para paridad, a menudo denotado como RS(255,239) y denominado FEC genérico (GFEC). 

En la segunda generación de códigos FEC recomendados por ITU-T G.975.1, se recomiendan varios esquemas de codificación FEC para sistemas submarinos de multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) de alta tasa de bits. Los esquemas de codificación concatenada con decodificación iterativa de decisión dura se utilizaban comúnmente para mejorar la ganancia neta de codificación (NCG). Un ejemplo notable es el FEC mejorado (EFEC) especificado en G.975.1, cláusula I.4, diseñado específicamente para interfaces ópticas 10G y 40G.

La tercera generación de FEC incorpora técnicas de decisión blanda o iterativas, como Block Turbo Code y código LDPC (Low-Density Parity-Check).

En las tecnologías de corrección de errores hacia adelante (FEC) de primera y segunda generación, el proceso de decodificación normalmente se basa únicamente en la estructura algebraica del código. El demodulador proporciona al decodificador una secuencia binaria, donde la función del demodulador se limita a tomar decisiones de 0 o 1 basadas en la secuencia recibida. Este enfoque de decodificación particular se conoce como Hard-Decision (HD-FEC). Los distintos tipos de FEC de decisión dura se comparan como se describe a continuación:

En la tercera generación de Forward Error Correction (FEC), se emplea el método Soft-Decision (SD-FEC), que representa un enfoque de decodificación probabilística. Esta técnica consiste en realizar una cuantificación multibit de las muestras de tensión que proporciona el demodulador. Los datos cuantificados se reenvían posteriormente al decodificador, donde se decodifica la estructura algebraica del código.

Como se muestra en la ilustración anterior, la decisión dura emplea un único umbral para cuantificar un bit, mientras que la decisión blanda utiliza múltiples umbrales para cuantificar los símbolos recuperados, proporcionando información de un bit junto con datos adicionales de probabilidad (confianza) de varios bits. Esto puede compararse con introducir una categoría "Quizás" entre "SÍ" y "NO". Con una relación de sobrecarga equivalente, la ganancia no coherente (NCG) de SD-FEC es 1-1.5dB mayor en comparación con la de HFEC de decisión dura.

Actualmente, los sistemas de multiplexación por división de longitud de onda de 100G y superiores a 100G utilizan principalmente SD-FEC o un enfoque de codificación híbrida, que combina SD-FEC con EFEC/HFEC. Utilizando como referencia la definición de LDPC establecida por la conferencia LOFC, la tabla siguiente ilustra su sobrecarga y NCG.

Según los datos anteriores, podemos concluir que una mayor sobrecarga de FEC se correlaciona con una mayor ganancia de codificación.

FEC encuentra su aplicación en la comunicación de alta velocidad, particularmente en escenarios de 25G, 40G y 100G, con un énfasis pronunciado en 40G y 100 G. La señal óptica sufre degradación durante la transmisión debido a diversos factores, lo que provoca posibles errores de juicio en el extremo receptor. Estos errores de juicio podrían implicar confundir una señal "1" con una señal "0" o viceversa. La función FEC consiste en transformar el código de información en un código de corrección de errores mediante el codificador de canal en el extremo transmisor. Luego, el decodificador de canal en el extremo receptor decodifica el código recibido, localizando y rectificando errores dentro de la capacidad de corrección de errores si se encuentran dentro del alcance de los errores corregibles (errores discontinuos), mejorando así la calidad de la señal.

Módulo óptico 100G QSFP28 con función FEC

La incorporación de la funcionalidad FEC está destinada a introducir ciertos retrasos de paquetes durante la corrección de errores de bits. Como resultado, no es obligatorio que todos los módulos ópticos 100G QSFP28 activen esta función. Por ejemplo, según el protocolo estándar IEEE, se recomienda abstenerse de habilitar FEC al utilizar el módulo óptico 100G QSFP28 LR4. Por el contrario, se sugiere que ciertos otros modelos de módulos ópticos tengan FEC habilitado.

Diversas empresas ofrecen módulos ópticos 100G QSFP28 con variaciones en sus especificaciones. La siguiente tabla ilustra si es aconsejable activar la función FEC al utilizar el siguiente módulo óptico QSFPTEK 100G QSFP28: