순방향 오류 정정(FEC) 가이드: 필수 광 전송 시스템에서 어떻게 작동하나요

수년 동안 순방향 오류 정정(Forward Error Correction, FEC)은 케이블 산업에서 매우 효과적인 도구로 입증되었습니다. 특히 DOCSIS 3.1 사양에서 이전에 사용되던 Reed-Solomon(RS) FEC에서 저밀도 패리티 검사(low-density parity check, LDPC)로 알려진 새로운 코딩 방식으로 전환함으로써 상당한 성능 향상이 이루어졌으며, LDPC는 향상된 성능을 제공합니다. 마찬가지로 FEC는 특히 현재의 코히어런트 광 전송 시대에 고속 광 전송 시스템의 필수 구성 요소가 되었습니다.

순방향 오류 수정이란 무엇입니까?

FEC는 Forward Error Correction의 약자로, 통신 링크의 비트 오류율을 개선하기 위한 효율적인 디지털 신호 처리 기술입니다. 이 방법은 송신기 측에서 데이터에 중복 정보, 특히 패리티 비트를 추가하는 것을 포함합니다. 이후 수신기는 이 중복 정보를 사용하여 전송 중 발생했을 수 있는 오류를 식별하고 수정합니다. 표시된 다이어그램은 송신기에서 수행되는 신호 인코딩이 원래 신호 정보를 추출하기 위해 수신기에서 정확한 디코딩을 필요로 함을 보여줍니다. 신호 디코딩 중 정보의 오해석을 방지하려면 인코딩 규칙을 정확하게 정의하고 구현하는 것이 필수적입니다. 송신기와 수신기가 동일한 인코딩 및 디코딩 규칙을 준수하고 적용할 때만 성공적인 상호 운용성이 달성됩니다.송신기와 수신기가 동일한 인코딩 및 디코딩 규칙을 준수하고 구현할 때만 성공적인 상호 운용성이 달성됩니다.

순방향 오류 정정(FEC)은 포인트 투 포인트 링크 전반에서 광 기술을 활용하는 상호 운용 가능한 트랜시버의 생성을 촉진하기 위해 지정되어야 하는 핵심 구성 요소입니다. 현재 업계 동향은 독점 요소를 제거하고 상호 운용성을 촉진하는 방향으로 나아가고 있으며, 이는 주로 사업자들이 대용량, 단거리 애플리케이션에서 보다 개방적이고 분리된 전송을 지지하기 때문입니다.

새로운 사양에 적합한 FEC를 평가할 때는 다음과 같은 몇 가지 핵심 지표를 고려하는 것이 필수적입니다:

코딩 오버헤드 비율: 정보 비트 대비 중복 비트의 비율.

순 코딩 이득(NCG): FEC 적용 여부에 따른 수신 광 감도의 향상으로, 증가하는 비트 전송률과 상관관계가 있습니다.

Pre-FEC BER 임계값: NCG에 의해 결정되는, 오류 없는 post-FEC 전송을 나타내는 사전 정의된 임계값입니다.

기타 고려 사항: 여기에는 하드웨어 복잡성, 지연 시간 및 전력 소비와 같은 요소가 포함됩니다.

FEC의 개발 과정

FEC 코딩 및 디코딩에서 핵심적인 결정은 Hard-Decision FEC (HD-FEC)와 Soft-Decision FEC (SD-FEC) 중에서 선택하는 것입니다. HD-FEC는 정확한 임계값을 기준으로 이진 결정을 내려 1 또는 0이 발생했는지 판단하는 반면, SD-FEC는 확률을 기준으로 결정을 내려 1 또는 0이 발생할 가능성을 평가합니다. SD-FEC는 이상적인 Shannon 한계에 접근하기 위해 더 높은 Net Coding Gain (NCG)을 제공할 수 있지만, 복잡성이 증가하고 전력 소비가 더 커지는 대가가 따릅니다.

광통신용으로 표준화된 1세대 FEC 코드는 Reed-Solomon(RS) 코드로, 일반적으로 장거리 광 전송에 사용됩니다 per ITU-T G.709 및 G.975 권고사항. RS 구현에서 각 코드워드는 255개의 코드워드 바이트로 구성되며, 데이터용 239바이트와 패리티용 16바이트를 포함하고, 흔히 RS(255,239)로 표기되며 Generic FEC (GFEC)라고 합니다. 

ITU-T G.975.1에서 권장하는 2세대 FEC 코드에서는 고비트율 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM) 해저 시스템을 위해 여러 FEC 코딩 방식이 권고됩니다. 반복 하드 결정 디코딩을 사용하는 연접 코딩 방식은 순 코딩 이득(NCG)을 향상시키기 위해 일반적으로 활용되었습니다. 대표적인 예로는 G.975.1 조항 I.4에 명시된 Enhanced FEC(EFEC)가 있으며, 이는 10G 및 40G 광 인터페이스용으로 특별히 설계되었습니다.

3세대 FEC는 Block Turbo Code 및 LDPC (Low-Density Parity-Check) code와 같은 소프트 디시전 또는 반복 기법을 통합합니다.

1세대 및 2세대 Forward Error Correction(FEC) 기술에서 디코딩 프로세스는 일반적으로 코드의 대수적 구조에만 의존합니다. 복조기는 디코더에 이진 시퀀스를 제공하며, 복조기의 역할은 수신된 시퀀스를 기반으로 0 또는 1을 결정하는 것으로 제한됩니다. 이러한 특정 디코딩 방식은 Hard-Decision(HD-FEC)으로 알려져 있습니다. 다양한 유형의 hard decision FEC는 아래에 설명된 대로 비교됩니다:

3세대 순방향 오류 정정(FEC)에서는 확률적 디코딩 접근 방식을 나타내는 Soft-Decision(SD-FEC) 방법이 사용됩니다. 이 기술은 복조기가 제공하는 전압 샘플에 대해 멀티비트 양자화를 수행하는 것을 포함합니다. 양자화된 데이터는 이후 디코더로 전달되며, 여기서 코드의 대수적 구조가 디코딩됩니다.

위 그림에 묘사된 바와 같이, 하드 결정은 1비트를 양자화하는 데 단일 임계값을 사용하는 반면, 소프트 결정은 여러 임계값을 사용하여 복원된 심볼을 양자화하고, 1비트 정보와 함께 추가적인 여러 비트의 확률(신뢰도) 데이터를 제공합니다. 이는 "YES"와 "NO" 사이에 "Maybe" 범주를 도입하는 것에 비유할 수 있습니다. 동일한 오버헤드 비율에서 SD-FEC의 비코히어런트 이득(NCG)은 하드 결정 HFEC보다 1-1.5dB 더 높습니다.

현재 100G 및 100G 이상 파장 분할 시스템은 주로 SD-FEC 또는 SD-FEC와 EFEC/HFEC를 결합한 하이브리드 인코딩 방식을 활용합니다. LOFC 컨퍼런스에서 정립한 LDPC 정의를 기준으로, 아래 표는 해당 오버헤드와 NCG를 보여줍니다.

앞선 데이터를 바탕으로, 우리는 다음과 같이 결론 내릴 수 있습니다 FEC 오버헤드가 높을수록 더 큰 코딩 이득과 상관관계가 있습니다.

FEC는 고속 통신, 특히 25G, 40G 및 100G 시나리오에서 적용되며, 40G와 100 G에 특히 중점을 둡니다. 광 신호는 다양한 요인으로 인해 전송 중 열화되어 수신단에서 오판이 발생할 수 있습니다. 이러한 오판에는 "1" 신호를 "0" 신호로 착각하거나 그 반대의 경우가 포함될 수 있습니다. FEC 기능은 송신단의 채널 인코더를 통해 정보 코드를 오류 정정 코드로 변환하는 것입니다. 그런 다음 수신단의 채널 디코더가 수신된 코드를 디코딩하여, 오류 정정 능력 범위 내에 있는 경우(불연속 오류) 오류를 찾아 수정함으로써 신호 품질을 향상시킵니다.

FEC 기능이 있는 100G QSFP28 광 모듈

FEC 기능의 통합은 비트 오류를 수정하는 동안 특정 패킷 지연을 초래할 수밖에 없습니다. 따라서 모든 100G QSFP28 광 모듈에서 이 기능을 활성화해야 하는 것은 아닙니다. 예를 들어, IEEE 표준 프로토콜에 따르면 100G QSFP28 LR4 광 모듈을 사용할 때는 FEC를 활성화하지 않는 것이 권장됩니다. 반대로, 일부 다른 광 모듈 모델에서는 FEC를 활성화하는 것이 권장됩니다.

여러 회사에서 사양이 다양한 100G QSFP28 광 모듈을 제공합니다. 아래 표는 다음 QSFPTEK 100G QSFP28 광 모듈을 사용할 때 FEC 기능을 활성화하는 것이 권장되는지 여부를 보여줍니다: