Panduan Pembetulan Ralat Hadapan (FEC): Bagaimanakah Ia Berfungsi dalam Sistem Penghantaran Optik Penting

Selama bertahun-tahun, Forward Error Correction (FEC) telah terbukti sebagai alat yang sangat berkesan dalam industri kabel. Khususnya, peningkatan prestasi yang ketara dalam spesifikasi DOCSIS 3.1 dicapai dengan beralih daripada Reed-Solomon (RS) FEC yang digunakan sebelum ini kepada skim pengekodan baharu yang dikenali sebagai low-density parity check (LDPC), yang menawarkan prestasi lebih baik. Begitu juga, FEC telah menjadi komponen penting dalam sistem penghantaran optik berkelajuan tinggi, khususnya dalam era penghantaran optik koheren masa kini.

Apakah Pembetulan Ralat Hadapan?

FEC bermaksud Forward Error Correction, iaitu teknik pemprosesan isyarat digital yang cekap untuk meningkatkan kadar ralat bit pautan komunikasi. Kaedah ini melibatkan penambahan maklumat berlebihan, khususnya bit pariti, pada data di bahagian pemancar. Seterusnya, penerima menggunakan maklumat berlebihan ini untuk mengenal pasti dan membetulkan ralat yang mungkin berlaku semasa penghantaran. Rajah yang ditunjukkan menggambarkan bahawa pengekodan isyarat yang dijalankan pada pemancar memerlukan penyahkodan yang tepat oleh penerima untuk mengekstrak maklumat isyarat asal. Peraturan pengekodan perlu ditakrifkan dan dilaksanakan dengan tepat bagi mengelakkan salah tafsir maklumat semasa penyahkodan isyarat. Saling kendali yang berjaya hanya dapat dicapai apabila pemancar dan penerima mematuhi serta menguatkuasakan peraturan pengekodan dan penyahkodan yang sama. Saling kendali yang berjaya hanya dapat dicapai apabila pemancar dan penerima mematuhi serta melaksanakan peraturan pengekodan dan penyahkodan yang sama.

Pembetulan Ralat Hadapan (FEC) ialah komponen penting yang mesti ditentukan untuk memudahkan penciptaan transceiver boleh kendali antara yang menggunakan teknologi optik merentasi pautan titik ke titik. Trend industri semasa berorientasikan kepada penghapusan elemen proprietari dan penggalakan kebolehoperasian, terutamanya apabila pengendali memperjuangkan pengangkutan yang lebih terbuka dan terdisagregasi dalam aplikasi volum tinggi dan jarak capaian pendek.

Apabila menilai FEC yang sesuai untuk spesifikasi baharu, adalah penting untuk mengambil kira beberapa metrik utama, seperti:

Kadar Overhed Pengekodan: Nisbah bit berlebihan kepada bit maklumat.

Net Coding Gain (NCG): Peningkatan sensitiviti optik yang diterima dengan dan tanpa menggunakan FEC, yang berkait dengan peningkatan kadar bit.

Ambang BER Pra-FEC: Ambang yang telah ditetapkan yang menunjukkan penghantaran selepas FEC tanpa ralat, ditentukan oleh NCG.

Pertimbangan lain: Ini merangkumi faktor seperti kerumitan perkakasan, kependaman dan penggunaan kuasa.

Proses Perkembangan FEC

Keputusan penting dalam pengekodan dan penyahkodan FEC melibatkan pemilihan antara Hard-Decision FEC (HD-FEC) dan FEC Keputusan Lembut (SD-FEC). HD-FEC membuat keputusan binari berdasarkan ambang tepat, menentukan sama ada 1 atau 0 telah berlaku, manakala SD-FEC membuat keputusan berdasarkan kebarangkalian dengan menilai kemungkinan berlakunya 1 atau 0. SD-FEC boleh menawarkan Net Coding Gain (NCG) yang lebih tinggi untuk menghampiri had Shannon yang ideal, walaupun dengan kos kerumitan yang meningkat dan penggunaan kuasa yang lebih tinggi.

Kod FEC generasi pertama yang diseragamkan untuk komunikasi optik ialah kod Reed-Solomon (RS), yang lazimnya digunakan untuk penghantaran optik jarak jauh mengikut ITU-T G.709 dan cadangan G.975. Dalam pelaksanaan RS, setiap kata kod terdiri daripada 255 bait kata kod, dengan 239 bait untuk data dan 16 bait untuk pariti, yang sering ditulis sebagai RS(255,239) dan dirujuk sebagai FEC Generik (GFEC). 

Dalam generasi kedua kod FEC yang disyorkan oleh ITU-T G.975.1, beberapa skim pengekodan FEC disarankan untuk sistem dasar laut pemultipleksan pembahagian panjang gelombang padat (DWDM) kadar bit tinggi. Skim pengekodan terangkai dengan penyahkodan keputusan keras berulang lazimnya digunakan untuk meningkatkan Net Coding Gain (NCG). Salah satu contoh yang ketara ialah Enhanced FEC (EFEC) yang dinyatakan dalam G.975.1 Klausa I.4, yang direka khusus untuk antara muka optik 10G dan 40G.

FEC generasi ketiga menggabungkan teknik keputusan lembut atau berlelar, seperti Block Turbo Code dan kod LDPC (Low-Density Parity-Check).

Dalam teknologi Pembetulan Ralat Hadapan (FEC) generasi pertama dan kedua, proses penyahkodan biasanya hanya bergantung pada struktur algebra kod tersebut. Demodulator membekalkan penyahkod dengan jujukan binari, dengan peranan demodulator terhad kepada membuat keputusan 0 atau 1 berdasarkan jujukan yang diterima. Pendekatan penyahkodan khusus ini dikenali sebagai Hard-Decision (HD-FEC). Pelbagai jenis FEC keputusan keras dibandingkan seperti yang digariskan di bawah:

Dalam generasi ketiga Pembetulan Ralat Hadapan (FEC), kaedah Keputusan Lembut (SD-FEC) digunakan, yang mewakili pendekatan penyahkodan kebarangkalian. Teknik ini melibatkan pelaksanaan pengkuantuman berbilang bit pada sampel voltan yang disediakan oleh demodulator. Data yang telah dikuantumkan kemudiannya dihantar kepada penyahkod, tempat struktur algebra kod dinyahkodkan.

Seperti yang digambarkan dalam ilustrasi di atas, keputusan keras menggunakan satu ambang untuk mengkuantumkan satu bit, manakala keputusan lembut menggunakan berbilang ambang untuk mengkuantumkan simbol yang dipulihkan, dengan memberikan maklumat satu bit bersama-sama beberapa bit tambahan data kebarangkalian (keyakinan). Hal ini boleh disamakan dengan memperkenalkan kategori "Mungkin" antara "YA" dan "TIDAK." Dengan nisbah overhed yang setara, Non-Coherent Gain (NCG) bagi SD-FEC adalah 1-1.5dB lebih tinggi berbanding HFEC keputusan keras.

Pada masa ini, sistem pembahagian panjang gelombang 100G dan melebihi 100G terutamanya menggunakan SD-FEC atau pendekatan pengekodan hibrid yang menggabungkan SD-FEC dengan EFEC/HFEC. Dengan menggunakan definisi LDPC yang ditetapkan oleh persidangan LOFC sebagai rujukan, jadual di bawah menunjukkan overhed dan NCG-nya.

Berdasarkan data terdahulu, kita boleh membuat kesimpulan bahawa overhed FEC yang lebih tinggi berkorelasi dengan keuntungan pengekodan yang lebih besar.

FEC digunakan dalam komunikasi berkelajuan tinggi, khususnya dalam senario 25G, 40G dan 100G, dengan penekanan ketara pada 40G dan 100 G. Isyarat optik mengalami kemerosotan semasa penghantaran disebabkan oleh pelbagai faktor, yang boleh menyebabkan kesilapan tafsiran di pihak penerima. Kesilapan ini mungkin melibatkan isyarat "1" disalah anggap sebagai isyarat "0" atau sebaliknya. Fungsi FEC melibatkan penukaran kod maklumat kepada kod pembetulan ralat melalui pengekod saluran di pihak penghantar. Penyahkod saluran di pihak penerima kemudiannya menyahkod kod yang diterima, mengenal pasti dan membetulkan ralat dalam keupayaan pembetulan ralat jika ralat tersebut berada dalam skop ralat yang boleh dibetulkan (ralat tidak berterusan), sekali gus meningkatkan kualiti isyarat.

Modul Optik 100G QSFP28 dengan Fungsi FEC

Penggabungan fungsi FEC sememangnya akan memperkenalkan kelewatan paket tertentu semasa pembetulan ralat bit. Oleh itu, tidak semua modul optik QSFP28 100G perlu mengaktifkan ciri ini. Sebagai contoh, berdasarkan protokol piawaian IEEE, adalah disarankan agar FEC tidak diaktifkan apabila menggunakan modul optik QSFP28 LR4 100G. Sebaliknya, sesetengah model modul optik lain disarankan untuk mengaktifkan FEC.

Pelbagai syarikat menawarkan modul optik 100G QSFP28 dengan variasi dalam spesifikasinya. Jadual di bawah menunjukkan sama ada disarankan untuk mengaktifkan fungsi FEC apabila menggunakan modul optik QSFPTEK 100G QSFP28 berikut: