Руководство по прямому исправлению ошибок (FEC): как оно работает в оптической системе передачи данных Essential

На протяжении многих лет прямая коррекция ошибок (FEC) зарекомендовала себя как высокоэффективный инструмент в кабельной отрасли. В частности, значительное повышение производительности в спецификациях DOCSIS 3.1 было достигнуто благодаря переходу от ранее использовавшейся коррекции ошибок Reed-Solomon (RS FEC) к новой схеме кодирования, известной как проверка четности с низкой плотностью (LDPC), которая обеспечивает более высокую производительность. Аналогичным образом, FEC стала важнейшим компонентом высокоскоростных оптических систем передачи, особенно в современную эпоху когерентной оптической передачи.

Что такое коррекция ошибок при пересылке?

FEC означает прямое исправление ошибок (Forward Error Correction) — эффективный метод цифровой обработки сигналов для улучшения коэффициента битовых ошибок в каналах связи. Этот метод предполагает добавление избыточной информации, в частности битов четности, к данным на стороне передатчика. Затем приемник использует эту избыточную информацию для обнаружения и исправления ошибок, которые могли возникнуть во время передачи. Представленная диаграмма показывает, что кодирование сигнала, выполняемое передатчиком, требует точного декодирования приемником для извлечения исходной информации сигнала. Для предотвращения неправильной интерпретации информации при декодировании сигнала необходимо точно определить и реализовать правила кодирования. Успешная совместимость достигается только в том случае, если и передатчик, и приемник соблюдают и применяют идентичные правила кодирования и декодирования. Успешная совместимость достигается только в том случае, если и передатчик, и приемник соблюдают и реализуют идентичные правила кодирования и декодирования.

Forward Error Correction (FEC) является важным компонентом, который необходимо указать для обеспечения создания совместимых трансиверов с использованием оптических технологий в двухточечных соединениях. Современные отраслевые тенденции направлены на устранение проприетарных элементов и содействие совместимости, прежде всего поскольку операторы выступают за более открытый и дезагрегированный транспорт в приложениях с большими объемами и малой дальностью передачи.

При выборе подходящего FEC для новой спецификации необходимо учитывать несколько ключевых показателей, например:

Коэффициент избыточности кодирования: отношение избыточных битов к информационным битам.

Кодовый выигрыш сети (NCG): повышение чувствительности принимаемого оптического сигнала при использовании FEC по сравнению с работой без него, связанное с увеличением скорости передачи битов.

Порог BER до FEC: предопределённый порог, указывающий на передачу без ошибок после FEC, определяемый NCG.

Другие аспекты: к ним относятся такие факторы, как сложность оборудования, задержка и энергопотребление.

Процесс разработки FEC

Ключевое решение при кодировании и декодировании FEC заключается в выборе между Hard-Decision FEC (HD-FEC) и FEC с мягким решением (SD-FEC). HD-FEC принимает двоичные решения на основе точных пороговых значений, определяя, имели ли место значения 1 или 0, тогда как SD-FEC принимает решения на основе вероятностей, оценивая вероятность появления 1 или 0. SD-FEC может обеспечивать более высокий чистый выигрыш кодирования (NCG), приближаясь к идеальному пределу Шеннона, хотя это требует повышенной сложности и большего энергопотребления.

Первым стандартизированным кодом FEC для оптической связи является код Рида — Соломона (RS), обычно используемый для дальней оптической передачи согласно ITU-T G.709 и рекомендациям G.975. В реализации RS каждое кодовое слово состоит из 255 байт, из которых 239 байт предназначены для данных, а 16 — для четности; обычно это обозначается как RS(255,239) и называется Generic FEC (GFEC). 

Во втором поколении кодов FEC, рекомендованных ITU-T G.975.1, для подводных систем плотного мультиплексирования по длине волны (DWDM) с высокой скоростью передачи битов рекомендовано несколько схем кодирования FEC. Для повышения чистого выигрыша кодирования (NCG) обычно использовались каскадные схемы кодирования с итеративным декодированием по жесткому решению. Ярким примером является усовершенствованный FEC (EFEC), указанный в пункте I.4 документа G.975.1 и специально разработанный для оптических интерфейсов 10G и 40G.

FEC третьего поколения включает методы мягкого решения или итеративные методы, такие как блочный турбокод и код LDPC (код проверки на чётность с низкой плотностью).

В технологиях коррекции ошибок при прямой передаче (FEC) первого и второго поколений процесс декодирования обычно основывается исключительно на алгебраической структуре кода. Демодулятор передаёт декодеру двоичную последовательность, при этом его роль ограничивается принятием решений 0 или 1 на основе полученной последовательности. Такой подход к декодированию известен как Hard-Decision (HD-FEC). Различные типы FEC с жёстким решением сравниваются ниже:

В третьем поколении прямого исправления ошибок (FEC) применяется метод мягкого решения (SD-FEC), представляющий собой вероятностный подход к декодированию. Эта технология предполагает многоразрядное квантование отсчетов напряжения, предоставляемых демодулятором. Затем квантованные данные передаются декодеру, где выполняется декодирование алгебраической структуры кода.

Как показано на приведенной выше иллюстрации, жесткое решение использует один порог для квантования одного бита, тогда как мягкое решение использует несколько порогов для квантования восстановленных символов, предоставляя однобитную информацию, а также дополнительные многобитные данные о вероятности (достоверности). Это можно сравнить с добавлением категории «Возможно» между «ДА» и «НЕТ». При эквивалентном соотношении служебных данных некогерентный выигрыш (NCG) SD-FEC на 1–1.5 дБ выше, чем у жесткого решения HFEC.

В настоящее время в системах волнового мультиплексирования 100G и выше в основном используются SD-FEC или гибридный подход к кодированию, сочетающий SD-FEC с EFEC/HFEC. Используя определение LDPC, установленное конференцией LOFC, в таблице ниже представлены его избыточность и NCG.

На основании приведённых выше данных можно заключить, что Более высокий уровень избыточности FEC соответствует большему выигрышу от кодирования.

FEC применяется в высокоскоростной связи, особенно в сценариях 25G, 40G и 100G, с особым акцентом на 40G и 100 G. Во время передачи оптический сигнал ухудшается под воздействием различных факторов, что может привести к ошибкам распознавания на принимающей стороне. Например, сигнал «1» может быть ошибочно принят за сигнал «0» или наоборот. Функция FEC преобразует информационный код в код с исправлением ошибок с помощью канального кодера на передающей стороне. Затем канальный декодер на принимающей стороне декодирует полученный код, выявляя и исправляя ошибки в пределах возможностей коррекции, если они относятся к исправимым ошибкам (прерывистым ошибкам), тем самым повышая качество сигнала.

Оптический модуль 100G QSFP28 с функцией FEC

Внедрение функции FEC неизбежно приводит к определённым задержкам пакетов во время исправления битовых ошибок. Поэтому активация этой функции не является обязательной для всех оптических модулей 100G QSFP28. Например, согласно стандартному протоколу IEEE, при использовании оптического модуля 100G QSFP28 LR4 рекомендуется не включать FEC. В то же время для некоторых других моделей оптических модулей рекомендуется включить FEC.

Различные компании предлагают оптические модули 100G QSFP28 с отличающимися характеристиками. В таблице ниже показано, рекомендуется ли активировать функцию FEC при использовании следующих оптических модулей QSFPTEK 100G QSFP28: