Guida alla correzione degli errori in avanti (FEC): come funziona nel sistema essenziale di trasmissione ottica

Per numerosi anni, Forward Error Correction (FEC) si è dimostrato uno strumento altamente efficace nel settore dei cavi. In particolare, un significativo miglioramento delle prestazioni nelle specifiche DOCSIS 3.1 è stato ottenuto passando dal precedente FEC Reed-Solomon (RS) a un nuovo schema di codifica noto come low-density parity check (LDPC), che offre prestazioni migliori. Allo stesso modo, FEC è diventato un componente essenziale nei sistemi di trasmissione ottica ad alta velocità, in particolare nell'attuale era della trasmissione ottica coerente.

Che cos'è la Forward Error Correction?

FEC sta per Forward Error Correction, una tecnica efficiente di elaborazione del segnale digitale per migliorare il tasso di errore sui bit dei collegamenti di comunicazione. Questo metodo prevede l'aggiunta di informazioni ridondanti, in particolare bit di parità, ai dati sul lato trasmettitore. Successivamente, il ricevitore utilizza queste informazioni ridondanti per identificare e correggere gli errori che possono essersi verificati durante la trasmissione. Il diagramma illustrato mostra che la codifica del segnale effettuata dal trasmettitore richiede una decodifica accurata da parte del ricevitore per estrarre le informazioni originali del segnale. È indispensabile definire e implementare con precisione le regole di codifica per evitare interpretazioni errate delle informazioni durante la decodifica del segnale. L'interoperabilità riuscita si ottiene solo quando sia il trasmettitore sia il ricevitore aderiscono e applicano regole di codifica e decodifica identiche.L'interoperabilità riuscita si ottiene solo quando sia il trasmettitore sia il ricevitore aderiscono e implementano regole di codifica e decodifica identiche.

La Forward Error Correction (FEC) è un componente cruciale che deve essere specificato per facilitare la creazione di transceiver interoperabili che utilizzano la tecnologia ottica su collegamenti punto-punto. Le attuali tendenze del settore sono orientate all'eliminazione degli elementi proprietari e alla promozione dell'interoperabilità, principalmente poiché gli operatori sostengono un trasporto più aperto e disaggregato nelle applicazioni ad alto volume e a corto raggio.

Quando si valuta la FEC appropriata per una nuova specifica, è essenziale prendere in considerazione diversi parametri chiave, come:

Tasso di overhead di codifica: il rapporto tra bit ridondanti e bit di informazione.

Net Coding Gain (NCG): Il miglioramento della sensibilità ottica ricevuta con e senza l'impiego di FEC, correlato all'aumento del bit rate.

Soglia BER pre-FEC: una soglia predefinita che indica una trasmissione post-FEC senza errori, determinata da NCG.

Altre considerazioni: comprendono fattori come la complessità dell'hardware, la latenza e il consumo energetico.

Il processo di sviluppo di FEC

Una decisione fondamentale nella codifica e decodifica FEC riguarda la scelta tra Hard-Decision FEC (HD-FEC) e Soft-Decision FEC (SD-FEC). HD-FEC prende decisioni binarie basate su soglie esatte, determinando se si siano verificati 1 o 0, mentre SD-FEC prende decisioni basate sulle probabilità, valutando la probabilità del verificarsi di un 1 o di uno 0. SD-FEC può offrire un Net Coding Gain (NCG) più elevato per avvicinarsi al limite ideale di Shannon, sebbene al costo di una maggiore complessità e di un consumo energetico superiore.

Il codice FEC di prima generazione standardizzato per la comunicazione ottica è il codice Reed-Solomon (RS), comunemente utilizzato per la trasmissione ottica a lunga distanza secondo ITU-T G.709 e le raccomandazioni G.975. Nell'implementazione RS, ogni parola di codice comprende 255 byte di parola di codice, con 239 byte per i dati e 16 per la parità, spesso indicata come RS(255,239) e denominata Generic FEC (GFEC). 

Nella seconda generazione di codici FEC raccomandati da ITU-T G.975.1, sono consigliati diversi schemi di codifica FEC per sistemi sottomarini DWDM (dense wavelength division multiplexing) ad alta velocità di bit. Gli schemi di codifica concatenata con decodifica iterativa a decisione rigida erano comunemente utilizzati per migliorare il Net Coding Gain (NCG). Un esempio notevole è l'Enhanced FEC (EFEC) specificato in G.975.1 Clausola I.4, progettato specificamente per interfacce ottiche 10G e 40G.

La FEC di terza generazione incorpora tecniche soft-decision o iterative, come il Block Turbo Code e il codice LDPC (Low-Density Parity-Check).

Nelle tecnologie Forward Error Correction (FEC) di prima e seconda generazione, il processo di decodifica si basa generalmente solo sulla struttura algebrica del codice. Il demodulatore fornisce al decoder una sequenza binaria, in cui il ruolo del demodulatore è limitato a prendere decisioni 0 o 1 in base alla sequenza ricevuta. Questo particolare approccio di decodifica è noto come Hard-Decision (HD-FEC). I vari tipi di FEC a decisione hard sono confrontati come indicato di seguito:

Nella terza generazione della Forward Error Correction (FEC), viene impiegato il metodo Soft-Decision (SD-FEC), che rappresenta un approccio di decodifica probabilistico. Questa tecnica prevede l’esecuzione della quantizzazione multi-bit sui campioni di tensione forniti dal demodulatore. I dati quantizzati vengono successivamente inoltrati al decoder, dove viene decodificata la struttura algebrica del codice.

Come illustrato nella figura sopra, la decisione hard impiega una singola soglia per quantizzare un bit, mentre la decisione soft utilizza più soglie per quantizzare i simboli recuperati, fornendo informazioni a un bit insieme a ulteriori dati di probabilità (confidenza) di diversi bit. Questo può essere paragonato all'introduzione di una categoria "Forse" tra "SÌ" e "NO". Con un rapporto di overhead equivalente, il Non-Coherent Gain (NCG) di SD-FEC è superiore di 1-1.5dB rispetto a quello dell'HFEC a decisione hard.

Attualmente, i sistemi a divisione di lunghezza d'onda 100G e oltre 100G utilizzano principalmente SD-FEC o un approccio di codifica ibrido, combinando SD-FEC con EFEC/HFEC. Utilizzando come riferimento la definizione di LDPC stabilita dalla conferenza LOFC, la tabella seguente ne illustra l'overhead e l'NCG.

Sulla base dei dati precedenti, possiamo concludere che un overhead FEC più elevato è correlato a un maggiore guadagno di codifica.

La FEC trova applicazione nelle comunicazioni ad alta velocità, in particolare negli scenari 25G, 40G e 100G, con un'enfasi marcata su 40G e 100 G. Il segnale ottico subisce degradazione durante la trasmissione a causa di vari fattori, portando a potenziali errori di valutazione all'estremità ricevente. Questi errori di valutazione potrebbero comportare lo scambio di un segnale "1" per un segnale "0" o viceversa. La funzione FEC consiste nel trasformare il codice informativo in un codice di correzione degli errori tramite il codificatore di canale all'estremità trasmittente. Il decodificatore di canale all'estremità ricevente decodifica quindi il codice ricevuto, individuando e rettificando gli errori entro la capacità di correzione degli errori se rientrano nell'ambito degli errori correggibili (errori discontinui), migliorando così la qualità del segnale.

Modulo ottico 100G QSFP28 con funzione FEC

L'integrazione della funzionalità FEC comporta inevitabilmente alcuni ritardi dei pacchetti durante la correzione degli errori di bit. Di conseguenza, non è obbligatorio attivare questa funzione per tutti i moduli ottici 100G QSFP28. Ad esempio, secondo il protocollo standard IEEE, si consiglia di evitare di abilitare FEC quando si utilizza il modulo ottico 100G QSFP28 LR4. Al contrario, per alcuni altri modelli di moduli ottici si suggerisce di abilitare FEC.

Diverse aziende offrono moduli ottici 100G QSFP28 con variazioni nelle loro specifiche. La tabella seguente illustra se sia consigliabile attivare la funzione FEC quando si utilizza il seguente modulo ottico QSFPTEK 100G QSFP28: