FEC в сетях 100G и за их пределами

Для исправления ошибок (ECC) было разработано большое количество кодов. Их можно разделить на два основных типа — блочный и сверточный, но наиболее эффективным методом является применение схем каскадного кодирования, объединяющих преимущества обоих вышеупомянутых типов.

 

В связи с тем, что избыточные биты передаются совместно с исходными данными, для защиты которых они предназначены, существует компромисс между битовыми ошибками и скоростью передачи данных. Надежные коды являются более сложными и содержат больше избыточных битов. Занимая много места в канале передачи, такие коды снижают скорость передачи данных, несмотря на то, что они улучшают соотношение сигнал шум (SNR).

 

Ключевая величина, связанная с этим компромиссом — это предел Шеннона, также известная как пропускная способность канала. Названная в честь пионера теории информации Клода Шеннона, она является теоретической максимальной скоростью передачи информации для канала с базовым уровнем шума.

FEC

Типы ECC

Блочные коды добавляют избыточные блоки битов фиксированного размера в конец исходного сообщения. Они обычно декодируются с помощью hard-decision алгоритмов, которые определяют соответствие битов на основе отношения сигнала к порогу «один или ноль».

 

Сверточные коды непрерывно добавляют избыточные биты и имеют произвольную длину. Они используют soft-decision алгоритмы с дополнительными битами, чтобы определить значение доверительного коэффициента для того же соотношения. Это позволяет значительно увеличить производительность исправления ошибок, но при этом сильно усложняет код.

 

Лучший метод исправления ошибок объединяет преимущества обоих подходов в схемах каскадного кодирования, в которых сверточный код выполняет первичную коррекцию, а блочный код исправляет оставшиеся ошибки. Такие схемы могут работать в пределах 1-1,5 дБ от предела Шеннона.

 

Применение FEC

В приложениях волоконно-оптических сетей функция FEC используется для улучшения оптического SNR (OSNR) — одного из ключевых параметров, определяющего максимальную дальность передачи оптического сигнала до точки регенерации. FEC особенно важна для высокоскоростной передачи данных, где требуются усовершенствованные схемы модуляции для минимизации влияния дисперсии. Без включения FEC транспорт 100G был бы ограничен очень короткими расстояниями.

 

Первым стандартом оптической функции FEC, применяемой в сетях 2,5G и 10G, был блочный код Рида-Соломона (RS). Использование RS-FEC добавило менее 7% избыточной информации и дало улучшение OSNR около 6 дБ, что позволило увеличить дальность передачи информации в 4 раза. Обнаружив, что добавление модернизированной функции FEC — это экономически эффективный путь к улучшению передачи сигналов 10G, поставщики начали предлагать более сложные схемы, названные улучшенным FEC (EFEC). Это дало улучшение OSNR еще на 2 дБ без необходимости увеличения расходов.

 

Еще один ECC, который стоит упомянуть — это код с малой плотностью проверок на четность (LDPC). Разработанный для улучшения производительности, LDPC является блочным кодом, содержащим несколько кодов с одной проверкой четности (SPC), которые декодируются параллельно с применением soft-decision алгоритмов. Другой вариант кода — турбокод — это блочный код, построенный из двух или более относительно простых чередующихся сверточных кодов, который создает более равномерное распределение ошибок. Турбокоды работают в пределах доли децибела от предела Шеннона.

 

Одним из наиболее новых ECC является полярный код, который использует рекурсивную конкатенацию для преобразования физического канала в виртуальные внешние каналы. После достаточного числа рекурсий виртуальные каналы становятся поляризованными, демонстрируя высокую или низкую надежность. Биты данных могут быть распределены по наиболее надежным каналам. Теоретически, полярные коды могут достигать полной пропускной способности канала, но размер блока, необходимый для этого, представляет проблему практичности для реальных приложений.

 

Заглядывая вперед

Поскольку спрос на увеличение пропускной способности продолжает расти, схемы с применением soft-decision FEC (SD-FEC) становятся все более популярными. Несмотря на то, что для использования таких схем требуется около 20% избыточной информации, а это почти в три раза больше, чем в оригинальной схеме кодирования RS, преимущество, которое оно дает для высокоскоростных приложений, значительно. Например, FEC, улучшающий OSNR на 1-2 дБ в сетях 100G увеличивает дальность передачи от 20 до 40 %.

 

Другим важным фактором, стимулирующим использование FEC, является развитие программно-определяемых сетей SDN, которые создают компоненты, адаптируемые к параметрам физического канала, что позволяет более эффективно распределять ресурсы. Схемы FEC входят в число наиболее оптимизированных алгоритмов SDN. Например, настраиваемое ядро FEC может переключаться между 7% и 20% избыточной информации, которая связана с hard-decision и soft-decision алгоритмами соответственно.

 

 

По материалам: https://www.lightwaveonline.com (перевод блога Джерри Колачино – главного системного инженера Precision Optical Transceivers, Inc.)