什么是前向糾錯(cuò)（FEC）？FEC最全解析

光模塊正在向著高速率、遠(yuǎn)距離方向發(fā)展。與100G以太網(wǎng)及更高速率的高速通信時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤，信號(hào)的傳輸距離會(huì)受到很多因素的限制。比如偏振模色散、色度色散、噪聲、非線性效應(yīng)等，這些因素會(huì)限制傳輸速率和傳輸距離同時(shí)提升。另外在實(shí)際傳輸過程中也并不存在理想的數(shù)字通道，信號(hào)在各種媒體的傳輸過程中總會(huì)產(chǎn)生畸變和非等時(shí)時(shí)延，這就意味著誤碼和抖動(dòng)，而FEC編解碼技術(shù)可以較好的改善誤碼性能。

什么是FEC？

前向糾錯(cuò)碼（FEC）和信道編碼是在傳輸信道可靠性不高、強(qiáng)噪聲干擾信道中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，用來控制接收數(shù)據(jù)包誤碼率（丟包、亂碼）的一項(xiàng)技術(shù)。

我們的世界充滿了噪聲。噪聲影響一切，包括數(shù)據(jù)傳輸和通信系統(tǒng)，無法擺脫。光通信系統(tǒng)的接收器直接受到噪聲的影響，這使得理解接收到的信息變得更加困難。從技術(shù)上講，當(dāng)波通過光纖傳輸時(shí)，噪聲會(huì)對(duì)光強(qiáng)度產(chǎn)生影響，而在長距離傳輸時(shí)，光色散會(huì)在信號(hào)中產(chǎn)生明顯的缺陷。每當(dāng)有噪聲或光色散失真的影響時(shí)，光脈沖就會(huì)退化并失去其作為0或1的意義，接收器將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換為電壓。當(dāng)接收器這樣做時(shí)噪聲太大，它會(huì)錯(cuò)誤地解釋數(shù)據(jù)，將0讀為1或?qū)?讀為0。

FEC，在這一點(diǎn)上發(fā)揮作用，因?yàn)樗鼫p少了噪聲對(duì)光傳輸系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的影響。通過在傳輸之前將開銷信息添加到比特流中，該方法能夠檢測和糾正比特流中可能存在的部分錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)塊受專門函數(shù)的約束，這些函數(shù)的輸出是奇偶校驗(yàn)位的生成。開銷由冗余位組成，其中還包含奇偶校驗(yàn)位。之后，將初始數(shù)據(jù)塊和這些新數(shù)據(jù)拼接在一起，產(chǎn)生FEC碼字。之后，這個(gè)FEC碼字沿著傳輸線發(fā)送。

需要在接收端的設(shè)備上配置相同的FEC模式，以便接收端的FEC解碼器機(jī)制知道對(duì)FEC碼字應(yīng)用什么樣的功能。這允許接收器FEC解碼器機(jī)制選擇功能來重新生成數(shù)據(jù)并以高精度去除FEC開銷。結(jié)果，產(chǎn)生了初始數(shù)據(jù)比特流，然后將其發(fā)送到更高的網(wǎng)絡(luò)層。

FEC類型

FEC代碼可以檢測并糾正有限數(shù)量的錯(cuò)誤，而無需重新傳輸數(shù)據(jù)流。FEC碼分為兩種類型：塊碼和卷積碼。塊碼被歸類為硬判決FEC，而卷積碼被歸類為軟判決 FEC。

為了糾正錯(cuò)誤，塊代碼使用固定大小的塊。最常見的塊代碼類型是Reed-Solomon。硬判決FEC算法代碼采用固定長度的代碼，判斷每個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)的是0還是1。

軟判決FEC算法中使用了卷積碼，它們使用可變長度的符號(hào)流，并為0或1決策引入置信因子。這意味著接收器可以根據(jù)信號(hào)的幅度將位解釋為0或1，如果它處于0置信區(qū)間或1置信區(qū)間內(nèi)。這些代碼將光傳輸系統(tǒng)的總距離可達(dá)性提高了30-40%。因此，軟判決FEC有一個(gè)缺點(diǎn)：它增加了15-30%的開銷，硬判決塊代碼是其三倍大。軟判決FEC算法分支包括Trellis糾錯(cuò)碼。

Reed-Solomon糾錯(cuò)碼是當(dāng)今通信行業(yè)中使用最廣泛的錯(cuò)誤檢測機(jī)制。Reed-Solomon碼對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行操作，該數(shù)據(jù)塊表示為一組稱為符號(hào)的有限域元素，Reed-Solomon碼可以檢測和糾正各種符號(hào)錯(cuò)誤。

當(dāng)今通信鏈路中最常見的兩種FEC方案是RS-FEC（528、514）和RS-FEC（544、514）。RS FEC(544,514)用于400G PAM4光模塊鏈路和100G PAM4 (CAUI-2)鏈路；而RS-FEC（528、514）用于100G NRZ鏈路。

以下是兩種RS-FEC方案的區(qū)別：

RS-FEC(528,514)編碼以514符號(hào)的數(shù)據(jù)字段開始，每個(gè)符號(hào)10位，并添加14個(gè)奇偶校驗(yàn)符號(hào)以形成528符號(hào)的編碼碼字。然而，RS-FEC (544, 514)使用30個(gè)奇偶校驗(yàn)符號(hào)組成544個(gè)符號(hào)編碼的碼字。

由于PAM-4信號(hào)在電壓電平之間具有更緊密的間距，因此眼圖幅度是類似NRZ信號(hào)的三分之一，它略大并使用更多開銷。結(jié)果，PAM-4信號(hào)的SNR降低并且更容易受到噪聲的影響。為了補(bǔ)償較低的SNR，KP-FEC設(shè)計(jì)有較高的編碼增益。KP-FEC有可能糾正每個(gè)碼字多達(dá)15個(gè)符號(hào)，而KR-FEC最多只能糾正7個(gè)符號(hào)。

FEC優(yōu)缺點(diǎn)

事物不止有美好的一面，因此使用FEC（前向糾錯(cuò)）有幾個(gè)優(yōu)缺點(diǎn)需要注意。

優(yōu)點(diǎn)

FEC具有成本效益。該技術(shù)的主要功能是糾正傳輸錯(cuò)誤，因此我們可以使用相同的硬件組件獲得更好的結(jié)果，無需更昂貴的激光器和接收器。

FEC實(shí)時(shí)運(yùn)行，可以使用簡單的算法在幾秒鐘內(nèi)糾正代碼。

增加互連距離。在糾正代碼時(shí)，F(xiàn)EC有助于在更遠(yuǎn)的距離接收信號(hào)，例如，使用SD-FEC在100G鏈路上可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)30-40%的距離增加。

降低誤碼率(BER) 。

如果檢測到錯(cuò)誤，F(xiàn)EC不需要重傳整個(gè)幀，僅檢測和糾正冗余位。節(jié)省了原本會(huì)用于重傳的帶寬。

缺點(diǎn)

延遲增加。FEC采用一種算法，將開銷字節(jié)添加到有效載荷中，隨著有效載荷的減少，將數(shù)據(jù)從A點(diǎn)傳輸?shù)紹點(diǎn)所需的時(shí)間會(huì)更長。

鏈路配置可能需要額外的改動(dòng)，因?yàn)殒溌返膬啥吮仨毷褂孟嗤愋偷腇EC；因此，在互連不同品牌設(shè)備時(shí)，請記住這一點(diǎn)。

總的來說，在大多數(shù)情況下使用前向糾錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn)，但它并不適用于每個(gè)光模塊。FEC的實(shí)現(xiàn)和使用通常由使用光模塊的系統(tǒng)以及模塊本身的類型決定。

FEC注意事項(xiàng)

在鏈路兩端匹配FEC

使用FEC時(shí)，需要考慮的一個(gè)簡單因素是必須在鏈路兩側(cè)的交換機(jī)和光模塊之間使用匹配的FEC類型。例如，如果光模塊支持RS-FEC，則其插入的主機(jī)設(shè)備也必須支持RS-FEC，并且鏈路設(shè)置的另一端必須遵循相同的原則。但是，如果鏈路一側(cè)的設(shè)備支持RS-FEC，而鏈路另一側(cè)的設(shè)備支持SD-FEC，則FEC功能將不起作用，并且鏈路將無法在FEC開啟的情況下工作。同樣，如果FEC在鏈路的一側(cè)打開而在另一側(cè)未打開，則該鏈路將不起作用。

RS-FEC 25G前向糾錯(cuò)

Reed-Solomon前向糾錯(cuò)用于許多25G SFP28光模塊，以增加25G-CSR、25G-LR、25G-ER和BIDI場景中的范圍。

NRZ 100G前向糾錯(cuò)

除了100GBASE-LR4和100GBASE-ER4使用LAN-WDM發(fā)射器并且無需FEC即可達(dá)到所需的10km和40km距離之外，所有100G NRZ模塊要達(dá)到最大傳輸距離都需要在主機(jī)平臺(tái)上啟用RS FEC(528,514)。

100G PAM4前向糾錯(cuò)

100G PAM4模塊（100GBASE-DR、100GBASE-FR、100GBASE-LR和100G-ER）在光模塊數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片內(nèi)置了RS FEC(544、514) PAM4 (KP1)，當(dāng)這些模塊被主機(jī)檢測到，主機(jī)平臺(tái)上的FEC被禁用。

PAM4 400G前向糾錯(cuò)

為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，必須在主機(jī)設(shè)備上為基于PAM4的400G QSFP-DD模塊啟用FEC (544,514)。

結(jié)論

總而言之，隨著當(dāng)前事件增加系統(tǒng)帶寬和整體網(wǎng)絡(luò)速度，在長距離傳輸時(shí)必須考慮糾錯(cuò)。前向糾錯(cuò)使您能夠接收高質(zhì)量的信號(hào)而不會(huì)受到噪聲的干擾，噪聲會(huì)使信號(hào)失真，并且它可以通過低成本組件提供更長的傳輸距離。FEC技術(shù)已經(jīng)是一個(gè)熱門話題，但我們可以預(yù)期它會(huì)隨著速度和光調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步而變得更加流行。

審核編輯黃昊