Pourquoi les ports optiques 400G/100G des commutateurs nécessitent-ils une correction d'erreur directe (FEC) ?

Introduction

Les réseaux optiques nécessitent l’utilisation de Forward Error Correction (FEC) pour garantir une communication fiable. De la même manière qu'un lecteur peut ignorer une seule faute d'orthographe dans un texte, mais éprouver des difficultés lorsque les erreurs s'accumulent, les transmissions numériques, codées sous forme de séquences de « 0 » et de « 1 », sont sujettes à une inévitable atténuation du signal et à des erreurs binaires. La FEC se définit comme la capacité d'un système de communication à maintenir une transmission sans erreur malgré la présence de bruit et d'autres perturbations. En résumé, la FEC est un processus qui englobe à la fois le codage et le décodage ; le codeur de l'émetteur ajoute aux données une redondance générée par algorithme, et en appliquant l'algorithme de décodage correspondant au récepteur, les erreurs binaires individuelles peuvent être détectées et corrigées sans retransmission.

Causes des erreurs de transmission dans les réseaux optiques

Plusieurs facteurs peuvent entraîner des erreurs de transmission dans un réseau optique :

Interférence inter-symboles (ISI) : Les fibres optiques multimodes et monomodes présentent une dispersion susceptible de déformer les impulsions transmises lors de leur propagation. Cette distorsion peut entraîner un chevauchement des impulsions, entraînant des interférences entre symboles et une augmentation des taux d'erreur.

Dégradation du rapport signal sur bruit (SNR) : Lors de la transmission comme de la détection, les effets combinés de la dispersion optique et du bruit électronique peuvent dégrader la qualité des impulsions d'entrée. Par exemple, des pics de bruit aux points d'échantillonnage peuvent entraîner l'interprétation erronée d'une impulsion transmise comme un « 1 » ou un « 0 ».

Corruption de données: Des erreurs peuvent également se produire si une corruption des données est induite pendant la transmission, par exemple par un bruit de transmission parallèle, ce qui peut conduire à une interprétation incorrecte de bits individuels au niveau du récepteur.

Le principe de la correction d'erreur directe (FEC)

Les réseaux optiques s'appuient sur des câbles à fibres optiques pour transmettre des données à l'aide de signaux lumineux, en particulier sur de longues distances et à des débits de données élevés (tels que 100G et 400G). Pendant la transmission, des facteurs tels que l'atténuation du signal, la dispersion (y compris la dispersion chromatique et la dispersion du mode de polarisation) et le bruit peuvent augmenter le taux d'erreur binaire (BER) et compromettre l'intégrité des données.

La FEC est une technique de traitement numérique du signal conçue pour résoudre ce problème en ajoutant des informations redondantes, appelées codes de correction d'erreurs, au flux de données transmis. Comme le décodeur FEC utilise uniquement les bits redondants pour détecter et corriger les erreurs, il évite de retransmettre l'intégralité d'une trame erronée et préserve ainsi la bande passante.

Un code FEC est généralement spécifié sous la forme d'une paire ordonnée (n, k), où k représente le nombre de symboles de charge utile et n Indique la longueur totale du mot de code. Ce dernier comprend un bloc de données de k symboles et un bloc de parité supplémentaire de n à k symboles contenant à la fois des bits de parité et des informations redondantes. À l'émetteur, le codeur FEC utilise une fonction polynomiale complexe pour suréchantillonner le bloc de données, générant ainsi un polynôme d'erreur. Au récepteur, la détection et la correction des erreurs sont effectuées en calculant un « syndrome » à partir du mot de code reçu ; un syndrome nul indique que la transmission s'est déroulée sans erreur.

Dans l'architecture réseau, la couche FEC est située entre la sous-couche de codage physique (PCS) et la couche de connexion au support physique (PMA). La PCS est chargée de mapper les bits de données brutes en groupes de codes adaptés à la transmission, tandis que la couche PMA relaie le flux de symboles vers ou depuis l'émetteur-récepteur.

Schémas FEC courants

Deux schémas FEC couramment utilisés dans les communications optiques sont : RS-FEC (528, 514) et RS-FEC (544, 514).

Le schéma FEC RS(544,514) est généralement utilisé pour 400G PAM4 et 100G La modulation PAM4 (CAUI-2) est généralement utilisée, tandis que la modulation RS-FEC (528,514) est généralement utilisée pour la modulation NRZ 100G. Avec la RS-FEC (528,514), le codage commence par un champ de données composé de 514 symboles (chacun d'une longueur typique de 10 bits), après quoi 14 symboles de parité sont ajoutés pour former un mot de code de 528 symboles. En revanche, la modulation RS-FEC (544,514) ajoute 30 symboles de parité pour créer un mot de code de 544 symboles. Les signaux PAM-4 ayant des niveaux de tension plus rapprochés, produisant un diagramme de l'œil d'une amplitude environ trois fois inférieure à celle d'un signal NRZ, ils sont plus sensibles au bruit et nécessitent une redondance supplémentaire. Pour compenser le rapport signal/bruit plus faible des signaux PAM-4, la KP-FEC est conçue pour obtenir un gain de codage plus élevé ; il peut corriger jusqu'à 15 erreurs de symbole par mot de code, tandis que KR-FEC est limité à la correction jusqu'à 7 erreurs de symbole.

Implémentation FEC dans les modules optiques 100G et 400G

La nécessité du FEC et le type de FEC implémenté dans un module optique dépendent du mode de fonctionnement et de la norme du module.

Modules optiques 100G

Pour les modules optiques 100G, la configuration FEC est déterminée par le format de modulation (NRZ ou PAM4) :

Type de module	FEC	Remarques
100GBASE-SR4	Non requis	Courte distance ; 100 m (fibre OM4)
100GBASE-LR4	Non requis	10 km; LAN-WDM
100GBASE-ER4	Non requis	30 km ; utilise un APD haute sensibilité
100G CWDM4	RS (528,514 XNUMX)	2 km ; modulation NRZ
100G PSM4	RS (528,514 XNUMX)	500 m; modulation NRZ
100GBASE-DR (PAM4)	FEC intégré	500 m ; PAM4 à longueur d'onde unique
100GBASE-FR (PAM4)	FEC intégré	2 km ; PAM4 à longueur d'onde unique
100GBASE-LR (PAM4)	FEC intégré	10 km ; PAM4 à longueur d'onde unique

Modules optiques 400G

Les modules optiques 400G reposent principalement sur la modulation PAM4. Compte tenu de leur débit élevé et de leur sensibilité accrue au bruit, la correction d'erreurs (FEC) est généralement activée par l'hôte. Les normes courantes dans cette catégorie incluent 400GBASE-DR4, 400GBASE-FR8, 400GBASE-LR8 et 400GBASE-SR8 :

Type de module	FEC	Remarques
400GBASE-DR4	RS (544,514 XNUMX)	500 m ; configuré en 4×100G avec PAM4
400GBASE-FR8	RS (544,514 XNUMX)	2 km ; configuré en 8×50G avec PAM4
400GBASE-LR8	RS (544,514 XNUMX)	10 km ; configuré en 8×50G avec PAM4
400GBASE-SR8	RS (544,514 XNUMX)	Utilise la fibre multimode ; 8×50G utilisant PAM4
400G ZR/ZR+	Autre FEC (Soft Decision FEC)	Longue distance ; modules cohérents (se référer à la documentation du fournisseur)

Considérations supplémentaires

Les progrès de la FEC continuent de jouer un rôle essentiel dans la prise en charge des débits de données toujours plus élevés et des distances de transmission plus longues dans les réseaux optiques. Outre les approches RS-FEC traditionnelles, la recherche sur les schémas FEC à décision souple et les algorithmes de décodage itératif innovants repousse les limites des performances de correction d'erreurs. Ces développements contribuent à compenser les dégradations du signal dans les systèmes de transmission cohérents et à améliorer la fiabilité globale du réseau.

L’exploration des compromis entre le gain de codage, la surcharge et la complexité reste un aspect essentiel de la conception de systèmes de communication optique de nouvelle génération, un sujet qui continue de susciter une attention considérable tant dans la recherche que dans l’industrie.