前方誤り訂正（FEC）ガイド：重要な光伝送システムでどのように機能するか

長年にわたり、Forward Error Correction (FEC)は、ケーブル業界において非常に効果的なツールであることが実証されてきました。特に、DOCSIS 3.1仕様では、従来使用されていたReed-Solomon (RS) FECから、より優れた性能を持つlow-density parity check (LDPC)と呼ばれる新しい符号化方式へ移行することで、性能の大幅な向上が実現されました。同様に、FECは、特にコヒーレント光伝送が主流となっている現在、高速光伝送システムに不可欠な構成要素となっています。

前方誤り訂正とは何ですか？

FECはForward Error Correction（前方誤り訂正）の略で、通信リンクのビット誤り率を改善するための高度なデジタル信号処理技術です。この方法では、送信側でデータに冗長情報、具体的にはパリティビットを追加します。その後、受信側はこの冗長情報を利用して、伝送中に発生した可能性のある誤りを特定し、訂正します。図に示すように、元の信号情報を抽出するには、送信側で実行された信号符号化を受信側で正確に復号する必要があります。信号の復号時に情報が誤って解釈されるのを防ぐには、符号化規則を正確に定義して実装することが不可欠です。送信側と受信側の双方が同一の符号化および復号規則に従い、それを適用する場合にのみ、相互運用性が確保されます。送信側と受信側の双方が同一の符号化および復号規則に従い、それを実装する場合にのみ、相互運用性が確保されます。

前方誤り訂正 (FEC) は、ポイントツーポイントリンク全体で光技術を利用する相互運用可能なトランシーバーの構築を促進するために規定する必要がある重要なコンポーネントです。現在の業界動向は、主に通信事業者が大容量・短距離用途において、よりオープンで分離された伝送を推進していることから、独自要素を排除し、相互運用性を促進する方向に向かっています。

新しい仕様に適したFECを評価する際には、次のようないくつかの主要な指標を考慮することが不可欠です：

符号化オーバーヘッド率：情報ビットに対する冗長ビットの比率。

ネットコーディング利得（NCG）：FECを採用した場合と採用しない場合の受信光感度の向上度であり、ビットレートの増加と相関します。

Pre-FEC BERしきい値：NCGによって決定される、FEC後のエラーフリー伝送を示す事前定義されたしきい値。

その他の考慮事項: これには、ハードウェアの複雑さ、レイテンシー、消費電力などの要因が含まれます。

FECの開発プロセス

FECの符号化および復号における重要な判断の一つは、硬判定FEC（HD-FEC）と軟判定FEC（SD-FEC）のどちらを選択するかです。HD-FECは厳密なしきい値に基づいて二値判定を行い、1または0のどちらが発生したかを判断します。一方、SD-FECは確率に基づいて判定を行い、1または0が発生した可能性を評価します。SD-FECは、理想的なシャノン限界に近づくためのより高いネットコーディングゲイン（NCG）を実現できますが、その代償として複雑性と消費電力が増大します。

光通信向けに標準化された第1世代のFECコードはReed-Solomon（RS）コードであり、一般に長距離光伝送に使用されています ITU-T G.709 および G.975 勧告。RS の実装では、各コードワードは 255 コードワードバイトで構成され、そのうち 239 バイトがデータ用、16 バイトがパリティ用であり、一般に RS(255,239) と表記され、Generic FEC (GFEC) と呼ばれます。 

ITU-T G.975.1で推奨されている第2世代のFEC符号では、高ビットレート高密度波長分割多重（DWDM）海底システム向けに、複数のFEC符号化方式が推奨されています。反復硬判定復号を用いた連接符号化方式は、正味符号化利得（NCG）を向上させるために広く利用されていました。代表的な例として、G.975.1のI.4節で規定され、10Gおよび40G光インターフェース向けに特別に設計された拡張FEC（EFEC）が挙げられます。

第3世代FECは、Block Turbo CodeやLDPC（Low-Density Parity-Check）codeなどの軟判定または反復技術を採用しています。

第1世代および第2世代の前方誤り訂正（FEC）技術では、復号処理は通常、符号の代数的構造のみに依存します。復調器は復号器にバイナリシーケンスを供給し、その役割は受信シーケンスに基づいて0または1を判定することに限定されます。この特定の復号方式は、Hard-Decision（HD-FEC）として知られています。各種ハード判定FECの比較は以下のとおりです：

第3世代の前方誤り訂正（FEC）では、確率的な復号方式である軟判定（SD-FEC）方式が採用されています。この技術では、復調器から提供される電圧サンプルに対してマルチビット量子化を行います。量子化されたデータはその後デコーダーに転送され、そこで符号の代数的構造が復号されます。

上図に示すように、硬判定では1つのしきい値を使用して1ビットを量子化するのに対し、軟判定では複数のしきい値を使用して復元されたシンボルを量子化し、1ビットの情報に加えて数ビットの確率（信頼度）データを提供します。これは、「YES」と「NO」の間に「Maybe」というカテゴリーを導入することに例えられます。同等のオーバーヘッド比では、SD-FECのNon-Coherent Gain (NCG)は、硬判定HFECより1-1.5dB高くなります。

現在、100Gおよび100Gを超える波長分割システムでは、主にSD-FEC、またはSD-FECとEFEC/HFECを組み合わせたハイブリッド符号化方式が使用されています。LOFC会議で定められたLDPCの定義を参考として、以下の表にそのオーバーヘッドとNCGを示します。

上記のデータに基づき、次のように結論付けることができます FECオーバーヘッドが高いほど、符号化利得も大きくなります。

FECは高速通信、特に25G、40G、100Gのシナリオで使用され、とりわけ40Gと100 Gで重視されています。光信号はさまざまな要因により伝送中に劣化し、受信側で誤判定が生じる可能性があります。こうした誤判定には、「1」信号を「0」信号と取り違えたり、その逆に取り違えたりすることが含まれます。FEC機能では、送信側のチャネルエンコーダーを介して情報コードを誤り訂正コードに変換します。その後、受信側のチャネルデコーダーが受信したコードを復号し、誤りが訂正可能な範囲（不連続誤り）にある場合は、誤り訂正能力の範囲内で誤りを特定して修正することで、信号品質を向上させます。

FEC機能搭載100G QSFP28光モジュール

FEC機能を組み込むと、ビットエラーの訂正時に一定のパケット遅延が発生します。そのため、すべての100G QSFP28光モジュールでこの機能を有効にする必要はありません。たとえば、IEEE標準プロトコルでは、100G QSFP28 LR4光モジュールを使用する際はFECを有効にしないことが推奨されています。一方、その他の一部の光モジュールモデルでは、FECを有効にすることが推奨されています。

さまざまな企業が、仕様の異なる100G QSFP28光モジュールを提供しています。以下の表は、次のQSFPTEK 100G QSFP28光モジュールを使用する際に、FEC機能を有効にすることが推奨されるかどうかを示しています。