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FEC (Forward Error Correction) arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip. Signale werden für die Übertragung als „0“ und „1“ codiert, mit unvermeidlichen Verschlechterungs- und Fehlercodes. Wenn dieses Fehlerniveau innerhalb des Bereichs der Fehlerkorrekturfähigkeit von FEC liegt, kann das System einen fehlerfreien Empfang erreichen und somit ohne die Notwendigkeit einer erneuten Übertragung.

Hamming Code, wahrscheinlich die erste Form von FEC, wurde erstmals 1950 von Richard Hamming erfunden. Während seiner Arbeit bei Bell Labs ärgerte er sich über die häufigen Fehler bei Lochkarten (die damals zur Aufzeichnung und Übertragung von Daten verwendet wurden). Er entwickelte eine Kodierungsmethode, um Fehler zu identifizieren und zu korrigieren und so das Kopieren und erneute Versenden von Karten zu vermeiden.

Die beiden wesentlichen Entwicklungsrichtungen der Glasfaserkommunikation sind die Erhöhung der Übertragungsrate und die Verlängerung der Übertragungsdistanz. Mit zunehmender Übertragungsrate begrenzen mehr Faktoren die Übertragungsdistanz während der Signalübertragung. Chromatische Dispersion, nichtlineare Effekte, Dispersion des Polarisationsmodus und andere Faktoren beeinflussen die gleichzeitige Verstärkung der zwei Richtungen. Branchenexperten haben die Forward Error Correction-Funktion vorgeschlagen, um die Auswirkungen dieser nachteiligen Faktoren zu reduzieren.

In optischen Übertragungssystemen besteht die zentrale Rolle der FEC darin, die Toleranz des OSNR des Systems zu reduzieren. Wenn wir das optische Übertragungssystem mit dem Lesevorgang vergleichen, verbessert FEC das Verständnis der Leser, bereichert ihre Unterscheidungserfahrung und erlaubt bis zu einem gewissen Grad mehr Fehler im Artikel.

Abbildung 1: das schematische Diagramm der FEC-Funktion

Daher definieren wir FEC (Forward Error Correction) als eine Fähigkeit, die sicherstellt, dass das Kommunikationssystem auch unter dem Einfluss von Rauschen und anderen Beeinträchtigungen noch eine fehlerfreie Übertragung erreichen kann. FEC ist im Wesentlichen ein Prozess der Codierung und Decodierung, und das Ergebnis des Algorithmus wird als zusätzliche Information zusammen mit den Daten vom Sender gesendet. Durch Wiederholen des gleichen Algorithmus am fernen Ende kann der Empfänger Fehler auf Einzelbitebene erkennen und korrigieren (korrigierbare Fehler), ohne die Daten erneut zu übertragen.

Um diese Fähigkeit zu messen, ist es notwendig, sich auf vier FEC-Größen zu konzentrieren: Vorkorrektur-BER-Toleranz, Codierungsverstärkung (CG), Overhead (OH) und Nettocodierungsverstärkung (NCG). Werfen wir einen Blick auf die Definition der NCG-Codierungsverstärkung: Sie definiert die Differenz zwischen dem Q-Wert, der einem bestimmten BER-Pegel entspricht (z. B. 1 × 10-15) und dem Q-Wert (dB), der der Vorkorrektur entspricht BER-Toleranz.

Abbildung 2: Der Codierungsgewinn zwischen einem bestimmten BEC-Level mit FEC und ohne FEC

NCG kann mit dem Fähigkeitsunterschied zwischen einem Anfänger und einem Experten verglichen werden, die richtigen Informationen zu korrigieren und zu erhalten. Im Allgemeinen gibt es zwei Arten von FEC-Technologien: In-Band-FEC und Out-of-Band-FEC.

• Inband-FEC: Definiert durch den ITU-T G.707-Standard. Es verwendet ein Overhead-Byte des SDH-Rahmens, um das FEC-Symbol zu transportieren, und wird hauptsächlich im SDH-System verwendet.
• Außerband-FEC: Unterstützt durch den Standard ITU-T G.975/709. G.975 wird für die FEC des optischen Unterwasserkabelsystems unter Verwendung von RS (255, 239) empfohlen, und G.709 wird gemäß dem FEC-Code von G.975 modifiziert.

Im DWDM/OTN-System verwenden wir hauptsächlich die Out-of-Band-FEC-Technologie. In G.709 ist Reed Solomon FEC (RS-FEC) für das OTN-System definiert, das sich im FEC-Overhead der OTUk-Schicht befindet, und seine Position ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung 3: Die Position des RS-FEC in G.709

Derzeit hat sich FEC für viele Generationen entwickelt.

• Die erste Generation von FEC verwendet hauptsächlich zyklische Codes oder algebraische Codes, wie z. B. RS (255, 239)-Codes, die durch ITU-T G.975 definiert sind, was oft als Standard-FEC bezeichnet wird.
• Die zweite Generation von FEC verwendet hauptsächlich Kaskadencodes, um FEC zu konstruieren, wie etwa RS+RS oder RS+BCH. Es gibt zwei Arten von FEC, Enhanced FEC (EFEC) und Addition FEC (AFEC).
• Die FEC der dritten Generation verwendet Soft-Decision- oder iterative Methoden wie Block Turbo Code und LDPC-Paritätsprüfcode mit niedriger Dichte.

Abbildung 4: Die drei Generationen von FEC

In den FEC-Technologien der ersten und zweiten Generation verwendet die Decodierung normalerweise nur die algebraische Struktur des Codes. Die Binärfolge wird dem Decodierer vom Demodulator zugeführt, dh der Demodulator führt nur eine 0-Entscheidung an der empfangenen Folge durch. Dieses Decodierungsverfahren wird Hard-Decision (HD-FEC) genannt. Verschiedene Arten von Hard Decision FEC werden wie folgt verglichen:

Programmierung	Verschlüsselungsalgorithmus	Codierungsgewinn	Liniengeschwindigkeit	Normen
Außerband-FEC	RS (255,239)	5 ~ 7dB	10.7Gbps	G.709
Verbesserte FEC	RS (255,238) RS (245,210)	7 ~ 9dB	12.5Gbps	Nein
Advanced-FEC	RS (255,238) BCH(900,860) BCH(500,491)	7 ~ 9dB	10.7 Gbit / s.	G.709

Tabelle XNUMX: Vergleiche von drei verschiedenen Arten von FEC mit harter Entscheidung

Die in der dritten Generation von FEC (SD-FEC) verwendete Soft-Decision ist ein probabilistisches Decodierungsverfahren. Er führt eine Mehrbit-Quantisierung an der vom Demodulator ausgegebenen abgetasteten Spannung durch und sendet sie dann an den Decoder, um die algebraische Struktur des Codes zu decodieren.

Abbildung 5: Schematische Darstellung der Soft-Decision-Technologie

Wie in der obigen Abbildung gezeigt, verwendet die harte Entscheidung nur einen Schwellenwert, um ein Bit zu quantisieren, während die weiche Entscheidung mehrere Schwellenwerte verwendet, um die wiederhergestellten Symbole zu quantisieren, wodurch Ein-Bit-Informationen plus mehrere Bit-Wahrscheinlichkeitsinformationen (Vertrauensinformationen) erhalten werden. Es entspricht dem Hinzufügen von Vielleicht zwischen JA und NEIN. Bei gleichem Overhead-Verhältnis ist die NCG-Verstärkung von SD-FEC 1-1.5 dB höher als die von HFEC mit fester Entscheidung.

Oben	HD	SD	Zusätzliche NCG (HD>SD)
0.07	10.00dB	11.10dB	1.10dB
0.15	10.95dB	12.20dB	1.25dB
0.25	11.60dB	12.90dB	1.30dB

Tabelle XNUMX: Vergleiche von NCG von SD-FEC und HD-FEC

Gegenwärtig wird SD-FEC oder ein hybrides Codierungsverfahren wie SD-FEC und EFEC/HFEC hauptsächlich in 100G- und über 100G-Wellenlängenteilungssystemen verwendet. Nimmt man die Definition von LDPC durch die LOFC-Konferenz als Beispiel, werden sein Overhead und NCG in der folgenden Tabelle gezeigt.

FEC-Typ	Overhead-OH	NCG
EFEC+LDPC	0.205	10.8dB
LDPC	0.2	11.3dB
LDPC+CC	0.11	10.2dB
LDPC+CC	0.2	11.5dB
BCH+LDPC	0.255	12.0dB

Tabelle drei: Gemeinkosten und NCGs verschiedener FEC

Aus der obigen Tabelle scheinen wir eine Regel zu ziehen: Je höher der von FEC verwendete Overhead, desto höher der Codierungsgewinn.

FEC eignet sich für Hochgeschwindigkeitskommunikation (25G, 40G und 100G, insbesondere 40G und 100G). Das optische Signal wird aufgrund anderer Faktoren während der Übertragung verschlechtert, was zu einer Fehleinschätzung auf der Empfängerseite führt. Es kann das „1“-Signal fälschlicherweise als „0“-Signal oder das „0“-Signal als „1“-Signal interpretieren. Die FEC-Funktion formt den Informationscode über den Kanalcodierer am Sendeende in einen Code mit Fehlerkorrekturfähigkeit, und der Kanaldecodierer am Empfangsende decodiert den empfangenen Code. Der Decoder lokalisiert und korrigiert den Fehler, um die Qualität des Signals zu verbessern, wenn die Anzahl der bei der Übertragung erzeugten Fehler innerhalb der Fehlerkorrekturfähigkeit liegt (diskontinuierliche Fehler).

100G QSFP28 optisches Modul und FEC-Funktion

Die FEC-Funktion verursacht unweigerlich einige Paketverzögerungen bei der Korrektur von Bitfehlern, also nicht alle 100G QSFP28 optische Module müssen diese Funktion ermöglichen. Gemäß dem IEEE-Standardprotokoll wird bei Verwendung des 100G QSFP28 LR4 optisches Modul, wird es nicht empfohlen, FEC zu aktivieren, und es wird für andere optische Module empfohlen.

Optische 100G-QSFP28-Module verschiedener Unternehmen unterscheiden sich in einigen Aspekten. Die folgende Tabelle zeigt, ob es empfohlen wird, die FEC-Funktion zu aktivieren, wenn das optische FiberMall 100G QSFP28-Modul verwendet wird.

Modellnummer	Produktbeschreibung	Mit FEC
QSFP28-100G-SR4	100G QSFP28 SR4 850nm 100m MTP/MPO MMF DDM Transceiver-Modul	NEIN
QSFP28-100G-LR4	100G QSFP28 LR4 1310 nm (LAN WDM) 10 km LC SMF DDM Transceiver-Modul	NEIN
QSFP28-100G-PSM4	100G QSFP28 PSM4 1310nm 500m MTP/MPO SMF DDM Transceiver-Modul	NEIN
QSFP28-100G-IR4	100G QSFP28 IR4 1310 nm (CWDM4) 2 km LC SMF DDM-Transceiver-Modul	Ja
QSFP28-100G-4WDM-10	100G QSFP28 4WDM 10 km LC SMF DDM-Transceiver-Modul	Ja
QSFP28-100G-ER4	100G QSFP28 ER4 Lite 1310 nm (LAN WDM) 40 km LC SMF DDM Transceiver-Modul	Ja

Tabelle vier: When, FEC in FiberMall zu verwenden 100G QSFP28

Konsistenz der FEC-Funktionen an beiden Enden der Verbindung

Die FEC-Funktion einer Schnittstelle ist Teil der Autonegotiation. Wenn die automatische Aushandlung auf einer Schnittstelle aktiviert ist, wird die FEC-Funktion von den beiden Enden der Verbindung durch Aushandlung bestimmt. Wenn an einem Ende die FEC-Funktion aktiviert ist, muss das andere Ende die FEC-Funktion ebenfalls aktivieren.

 Stapel- und FEC-Funktion

Wenn die Schnittstelle als Port eines physischen Stack-Mitglieds konfiguriert wurde, wird der FEC-Befehl nicht unterstützt. Umgekehrt kann die mit dem FEC-Befehl konfigurierte Schnittstelle nicht als physischer Stack-Mitgliedsport konfiguriert werden.