Quando lemos um artigo, se houver um erro tipográfico, digamos duas palavras na ordem errada, não haverá dificuldade para entendermos o texto original. Mas se houver muitos erros de ortografia, será difícil para os leitores entenderem o artigo. Neste momento, as informações não podem ser obtidas de forma correta e eficiente.

FEC (Forward Error Correction) funciona com um princípio semelhante. Os sinais são codificados como “0” e “1” para transmissão, com degradação inevitável e códigos de erro. Quando este nível de erro está dentro do alcance da capacidade de correção de erros do FEC, o sistema pode obter uma recepção sem erros e, portanto, sem a necessidade de retransmissão.

O código de Hamming, provavelmente a primeira forma de FEC, foi inventado por Richard Hamming em 1950. Enquanto trabalhava na Bell Labs, ele se incomodava com os erros frequentes em cartões perfurados (que eram usados ​​para gravar e transmitir dados na época), então ele desenvolveu um método de codificação para identificar e corrigir erros, evitando assim a necessidade de copiar e reenviar cartões.

As duas direções essenciais de desenvolvimento da comunicação por fibra óptica são aumentar a taxa de transmissão e estender a distância de transmissão. À medida que a taxa de transmissão aumenta, mais fatores limitam a distância de transmissão durante a transmissão do sinal. A dispersão cromática, efeitos não lineares, dispersão do modo de polarização e outros fatores afetam o aprimoramento simultâneo das duas direções. Especialistas do setor propuseram a função Forward Error Correction para reduzir o impacto desses fatores adversos.

Em sistemas de transmissão óptica, o papel central do FEC é reduzir a tolerância do OSNR do sistema. Se compararmos o sistema de transmissão óptica com o processo de leitura, o FEC melhora a compreensão dos leitores, enriquece sua experiência discriminativa e, em certa medida, permite mais erros no artigo.

Figura 1: o diagrama esquemático da função FEC

Portanto, definimos FEC (Forward Error Correction) como uma habilidade que garante que o sistema de comunicação ainda possa alcançar uma transmissão livre de erros sob a influência de ruídos e outras deficiências. Essencialmente, o FEC é um processo de codificação e decodificação, e o resultado do algoritmo é enviado como informação adicional junto com os dados do transmissor. Ao repetir o mesmo algoritmo na extremidade oposta, o receptor pode detectar erros de nível de bit único e corrigi-los (erros corrigíveis) sem retransmitir os dados.

Para medir essa capacidade, é necessário focar em quatro quantidades de FEC: tolerância de pré-correção BER, ganho de codificação (CG), overhead (OH) e ganho de codificação líquido (NCG). Vamos dar uma olhada na definição de ganho de codificação NCG: ele define a diferença entre o valor Q correspondente a um certo nível de BER (por exemplo, 1 × 10-15) e o valor Q (dB) correspondente à pré-correção Tolerância BER.

Figura 2: o ganho de codificação entre um determinado nível de BEC com FEC e sem FEC

O NCG pode ser comparado à diferença de capacidade de corrigir e receber as informações corretas entre um novato e um especialista. De um modo geral, existem dois tipos de tecnologias FEC: FEC dentro da banda e FEC fora da banda.

• FEC em banda: Definido pelo padrão ITU-T G.707. Ele usa um byte de sobrecarga do quadro SDH para carregar o símbolo FEC e é usado principalmente no sistema SDH.
• FEC fora de banda: Suportado pelo padrão ITU-T G.975/709. O G.975 é recomendado para o FEC do sistema de cabos ópticos submarinos, usando RS (255, 239), e o G.709 é modificado de acordo com o código FEC de G.975.

No sistema DWDM/OTN, usamos principalmente a tecnologia FEC fora de banda. Em G.709, Reed Solomon FEC (RS-FEC) é definido para o sistema OTN, que está localizado no overhead FEC da camada OTUk, e sua localização é mostrada na figura a seguir.

Figura 3: a localização do RS-FEC em G.709

Atualmente, o FEC se desenvolveu por muitas gerações.

• A primeira geração de FEC usa principalmente códigos cíclicos ou códigos algébricos, como os códigos RS (255, 239) definidos pelo ITU-T G.975, que é freqüentemente chamado de FEC padrão.
• A segunda geração de FEC usa principalmente códigos em cascata para construir FEC, como RS+RS ou RS+BCH. Existem dois tipos de FEC, Enhanced FEC (EFEC) e Addition FEC (AFEC).
• O FEC de terceira geração adota métodos de decisão suave ou iterativos, como Block Turbo Code e código de verificação de paridade de baixa densidade LDPC.

Figura 4: As três gerações de FEC

Nas tecnologias FEC de primeira e segunda geração, a decodificação geralmente usa apenas a estrutura algébrica do código. A sequência binária é fornecida ao descodificador pelo desmodulador, ou seja, o desmodulador apenas executa 0 decisão sobre a sequência recebida. Este método de decodificação é chamado Hard-Decision (HD-FEC). Diferentes tipos de FEC de decisão difícil são comparados da seguinte forma:

Codificação	Algoritmo de Codificação	Ganho de codificação	Velocidade da linha	Standard
FEC fora de banda	RS (255,239)	5 ~ 7dB	10.7Gbps	G.709
FEC aprimorado	RS (255,238) RS (245,210)	7 ~ 9dB	12.5Gbps	Não
Avançado-FEC	RS (255,238) BCH (900,860) BCH (500,491)	7 ~ 9dB	10.7 Gbps.	G.709

Tabela um: Comparações de três tipos diferentes de FEC de decisão difícil

O Soft-Decision utilizado na terceira geração do FEC (SD-FEC) é um método de decodificação probabilística. Ele executa a quantização de vários bits na saída de tensão amostrada pelo demodulador e, em seguida, a envia ao decodificador para decodificar a estrutura algébrica do código.

Figura 5: Diagrama esquemático da tecnologia de decisão suave

Conforme mostrado na figura acima, a decisão difícil usa apenas um limite para quantizar um bit, enquanto a decisão suave usa vários limites para quantizar os símbolos recuperados, obtendo informações de um bit mais informações de probabilidade (confiança) de vários bits. É equivalente a adicionar Maybe entre SIM e NÃO. Com a mesma taxa de sobrecarga, o ganho NCG do SD-FEC é 1-1.5dB maior que o do HFEC de decisão difícil.

Despesas gerais	HD	SD	NCG Adicional (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

Tabela dois: comparações de NCG de SD-FEC e HD-FEC

Atualmente, SD-FEC ou um método de codificação híbrido, como SD-FEC e EFEC/HFEC, é usado principalmente em sistemas de divisão de comprimento de onda de 100G e além de 100G. Tomando como exemplo a definição de LDPC pela conferência LOFC, seu overhead e NCG são mostrados na tabela a seguir.

Tipo FEC	OH aéreo	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

Tabela três: despesas gerais e NCGs de diferentes FEC

Da tabela acima, parece que traçamos uma regra: quanto maior o overhead usado pelo FEC, maior o ganho de codificação.

O FEC é adequado para comunicação de alta velocidade (25G, 40G e 100G, especialmente 40G e 100G). O sinal óptico é degradado devido a outros fatores durante a transmissão, resultando em erros de julgamento na extremidade receptora. Ele pode julgar erroneamente o sinal “1” como um sinal “0” ou o sinal “0” como um sinal “1”. A função FEC forma o código de informação em um código com capacidade de correção de erros através do codificador de canal na extremidade de transmissão e o decodificador de canal na extremidade de recepção decodifica o código recebido. O decodificador localizará e corrigirá o erro para melhorar a qualidade do sinal se o número de erros gerados na transmissão estiver dentro da capacidade de correção de erros (erros descontínuos).

Módulo óptico 100G QSFP28 e função FEC

A função FEC inevitavelmente causará alguns atrasos de pacotes no processo de correção de erros de bits, portanto, nem todos 100G QSFP28 módulos ópticos precisam habilitar esta função. De acordo com o protocolo padrão IEEE, ao usar o 100G QSFP28 LR4 módulo óptico, não é recomendado habilitar o FEC, e é recomendado para outros módulos ópticos.

Os módulos ópticos 100G QSFP28 de diferentes empresas são diferentes em alguns aspectos. A tabela a seguir mostra se é recomendável habilitar a função FEC ao usar o módulo óptico FiberMall 100G QSFP28.

Número do modelo	Descrição do produto	Com FEC
QSFP28-100G-SR4	100G QSFP28 SR4 850nm 100m MTP/MPO MMF DDM Módulo Transceptor	NÃO
QSFP28-100G-LR4	100G QSFP28 LR4 1310nm (LAN WDM) 10km LC SMF DDM Módulo Transceptor	NÃO
QSFP28-100G-PSM4	Módulo Transceptor DDM 100G QSFP28 PSM4 1310nm 500m MTP/MPO SMF	NÃO
QSFP28-100G-IR4	100G QSFP28 IR4 1310nm (CWDM4) 2km LC SMF DDM Módulo Transceptor	Sim
QSFP28-100G-4WDM-10	Módulo transceptor 100G QSFP28 4WDM 10km LC SMF DDM	Sim
QSFP28-100G-ER4	100G QSFP28 ER4 Lite 1310nm (LAN WDM) 40km LC SMF DDM Módulo Transceptor	Sim

Tabela quatro: Wgalinha para usar FEC no FiberMall 100G QSFP28

Consistência das funções FEC em ambas as extremidades do link

A função FEC de uma interface faz parte da negociação automática. Quando a negociação automática é habilitada em uma interface, a função FEC é determinada pelas duas extremidades do link por meio da negociação. Se uma extremidade tiver a função FEC habilitada, a outra extremidade também deverá habilitar a função FEC.

 Função de empilhamento e FEC

Se a interface foi configurada como uma porta de membro físico de pilha, o comando FEC não é suportado. Por outro lado, a interface que foi configurada com o comando FEC não pode ser configurada como uma porta de membro físico da pilha.