Guide de la correction d'erreurs directe (FEC): comment fonctionne-t-elle dans le système essentiel de transmission optique

Depuis de nombreuses années, la correction d’erreurs directe (FEC) s’est révélée être un outil très efficace dans l’industrie du câble. Notamment, une amélioration significative des performances dans les spécifications DOCSIS 3.1 a été réalisée en passant de la correction FEC Reed-Solomon (RS) précédemment utilisée à un nouveau schéma de codage appelé contrôle de parité à faible densité (LDPC), qui offre de meilleures performances. De même, la FEC est devenue un composant essentiel des systèmes de transmission optique à haut débit, en particulier à l’ère actuelle de la transmission optique cohérente.

Qu’est-ce que la correction d’erreurs directe ?

FEC signifie Forward Error Correction, une technique efficace de traitement numérique du signal destinée à améliorer le taux d’erreur binaire des liaisons de communication. Cette méthode consiste à ajouter des informations redondantes, notamment des bits de parité, aux données côté émetteur. Ensuite, le récepteur utilise ces informations redondantes pour identifier et corriger les erreurs qui ont pu se produire pendant la transmission. Le schéma représenté illustre que le codage du signal effectué à l’émetteur nécessite un décodage précis par le récepteur afin d’extraire les informations du signal d’origine. Il est impératif de définir et de mettre en œuvre précisément les règles de codage afin d’éviter toute mauvaise interprétation des informations lors du décodage du signal. Une interopérabilité réussie n’est obtenue que lorsque l’émetteur et le récepteur respectent et appliquent des règles de codage et de décodage identiques.Une interopérabilité réussie n’est obtenue que lorsque l’émetteur et le récepteur respectent et mettent en œuvre des règles de codage et de décodage identiques.

La correction d’erreurs sans voie de retour (Forward Error Correction, FEC) est un composant crucial qui doit être spécifié pour faciliter la création d’émetteurs-récepteurs interopérables utilisant la technologie optique sur des liaisons point à point. Les tendances actuelles du secteur visent à éliminer les éléments propriétaires et à promouvoir l’interopérabilité, principalement parce que les opérateurs préconisent des transports plus ouverts et désagrégés dans les applications à grand volume et courte portée.

Lors de l’évaluation du FEC approprié pour une nouvelle spécification, il est essentiel de prendre en compte plusieurs métriques clés, telles que :

Taux de surcharge de codage : le rapport entre les bits redondants et les bits d’information.

Gain de codage net (NCG) : l’amélioration de la sensibilité optique reçue avec et sans recours à la FEC, corrélée à l’augmentation du débit binaire.

Seuil BER pré-FEC : seuil prédéfini indiquant une transmission post-FEC sans erreur, déterminé par NCG.

Autres considérations: celles-ci englobent des facteurs tels que la complexité matérielle, la latence et la consommation d'énergie.

Le processus de développement du FEC

Une décision cruciale dans le codage et le décodage FEC consiste à choisir entre le FEC à décision dure (HD-FEC) et le FEC à décision souple (SD-FEC). Le HD-FEC prend des décisions binaires sur la base de seuils exacts, déterminant si des 1 ou des 0 se sont produits, tandis que le SD-FEC prend des décisions fondées sur des probabilités, en évaluant la probabilité d’occurrence d’un 1 ou d’un 0. Le SD-FEC peut offrir un gain net de codage (NCG) plus élevé afin de se rapprocher de la limite idéale de Shannon, au prix toutefois d’une complexité accrue et d’une consommation d’énergie plus importante.

Le code FEC de première génération normalisé pour les communications optiques est le code Reed-Solomon (RS), couramment utilisé pour la transmission optique longue distance par ITU-T G.709 et les recommandations G.975. Dans la mise en œuvre RS, chaque mot de code comprend 255 octets de mot de code, dont 239 octets pour les données et 16 pour la parité, souvent noté RS(255,239) et appelé FEC générique (GFEC). 

Dans la deuxième génération de codes FEC recommandés par l’ITU-T G.975.1, plusieurs schémas de codage FEC sont préconisés pour les systèmes sous-marins à multiplexage dense en longueur d’onde (DWDM) à haut débit binaire. Des schémas de codage concaténés avec décodage itératif à décision dure étaient couramment utilisés pour améliorer le gain net de codage (NCG). Un exemple notable est l’Enhanced FEC (EFEC) spécifié dans la clause I.4 de la G.975.1, spécialement conçu pour les interfaces optiques 10G et 40G.

Le FEC de troisième génération intègre des techniques à décision souple ou itératives, telles que Block Turbo Code et le code LDPC (Low-Density Parity-Check).

Dans les technologies de correction d’erreurs sans voie de retour (FEC) de première et de deuxième génération, le processus de décodage repose généralement uniquement sur la structure algébrique du code. Le démodulateur fournit au décodeur une séquence binaire, le rôle du démodulateur se limitant à prendre des décisions 0 ou 1 sur la base de la séquence reçue. Cette approche particulière du décodage est appelée Hard-Decision (HD-FEC). Les différents types de FEC à décision dure sont comparés comme indiqué ci-dessous :

Dans la troisième génération de correction d’erreurs directe (FEC), la méthode Soft-Decision (SD-FEC) est utilisée, représentant une approche de décodage probabiliste. Cette technique consiste à effectuer une quantification multi-bits sur les échantillons de tension fournis par le démodulateur. Les données quantifiées sont ensuite transmises au décodeur, où la structure algébrique du code est décodée.

Comme illustré dans l’illustration ci-dessus, la décision dure utilise un seuil unique pour quantifier un bit, tandis que la décision souple utilise plusieurs seuils pour quantifier les symboles récupérés, fournissant une information d’un bit ainsi que des données de probabilité (confiance) supplémentaires de plusieurs bits. Cela peut être comparé à l’introduction d’une catégorie « Maybe » entre « YES » et « NO ». Avec un ratio de surcharge équivalent, le gain non cohérent (NCG) du SD-FEC est supérieur de 1-1,5dB à celui du HFEC à décision dure.

Actuellement, les systèmes de division en longueur d'onde 100G et au-delà de 100G utilisent principalement le SD-FEC ou une approche d'encodage hybride, combinant le SD-FEC avec l'EFEC/HFEC. En utilisant la définition LDPC établie par la conférence LOFC comme référence, le tableau ci-dessous illustre sa surcharge et son NCG.

Sur la base des données précédentes, nous pouvons conclure que un surdébit FEC plus élevé est corrélé à un gain de codage plus important.

La FEC trouve son application dans les communications à haut débit, en particulier dans les scénarios 25G, 40G et 100G, avec un accent marqué sur le 40G et le 100 G. Le signal optique subit une dégradation pendant la transmission en raison de divers facteurs, ce qui peut entraîner des erreurs d’interprétation à l’extrémité réceptrice. Ces erreurs d’interprétation peuvent consister à confondre un signal « 1 » avec un signal « 0 » ou inversement. La fonction FEC consiste à transformer le code d’information en un code correcteur d’erreurs au moyen de l’encodeur de canal à l’extrémité émettrice. Le décodeur de canal à l’extrémité réceptrice décode ensuite le code reçu, identifiant et corrigeant les erreurs dans les limites de la capacité de correction d’erreurs si elles relèvent du champ des erreurs corrigeables (erreurs discontinues), améliorant ainsi la qualité du signal.

Module optique 100G QSFP28 avec fonction FEC

L’intégration de la fonctionnalité FEC est susceptible d’introduire certains retards de paquets lors de la correction des erreurs de bits. Par conséquent, il n’est pas obligatoire que tous les modules optiques 100G QSFP28 activent cette fonctionnalité. Par exemple, selon le protocole standard IEEE, il est conseillé de ne pas activer le FEC lors de l’utilisation du module optique 100G QSFP28 LR4. À l’inverse, il est recommandé d’activer le FEC pour certains autres modèles de modules optiques.

Diverses entreprises proposent des modules optiques 100G QSFP28 avec des variations dans leurs spécifications. Le tableau ci-dessous indique s’il est conseillé d’activer la fonction FEC lors de l’utilisation du module optique QSFPTEK 100G QSFP28 suivant