什么是前向糾錯（FEC）？FEC最全解析

光模塊正在向著(zhù)高速率、遠距離方向發(fā)展。與100G以太網(wǎng)及更高速率的高速通信時(shí)，可能會(huì )出現傳輸錯誤，信號的傳輸距離會(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(xiàn)性效應等，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(guò)程中也并不存在理想的數字通道，信號在各種媒體的傳輸過(guò)程中總會(huì )產(chǎn)生畸變和非等時(shí)時(shí)延，這就意味著(zhù)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？

前向糾錯碼（FEC）和信道編碼是在傳輸信道可靠性不高、強噪聲干擾信道中進(jìn)行數據傳輸時(shí)，用來(lái)控制接收數據包誤碼率（丟包、亂碼）的一項技術(shù)。

我們的世界充滿(mǎn)了噪聲。噪聲影響一切，包括數據傳輸和通信系統，無(wú)法擺脫。光通信系統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，當波通過(guò)光纖傳輸時(shí)，噪聲會(huì )對光強度產(chǎn)生影響，而在長(cháng)距離傳輸時(shí)，光色散會(huì )在信號中產(chǎn)生明顯的缺陷。每當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換為電壓。當接收器這樣做時(shí)噪聲太大，它會(huì )錯誤地解釋數據，將0讀為1或將1讀為0。

FEC，在這一點(diǎn)上發(fā)揮作用，因為它減少了噪聲對光傳輸系統傳輸質(zhì)量的影響。通過(guò)在傳輸之前將開(kāi)銷(xiāo)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誤。數據塊受專(zhuān)門(mén)函數的約束，這些函數的輸出是奇偶校驗位的生成。開(kāi)銷(xiāo)由冗余位組成，其中還包含奇偶校驗位。之后，將初始數據塊和這些新數據拼接在一起，產(chǎn)生FEC碼字。之后，這個(gè)FEC碼字沿著(zhù)傳輸線(xiàn)發(fā)送。

需要在接收端的設備上配置相同的FEC模式，以便接收端的FEC****機制知道對FEC碼字應用什么樣的功能。這允許接收器FEC****機制選擇功能來(lái)重新生成數據并以高精度去除FEC開(kāi)銷(xiāo)。結果，產(chǎn)生了初始數據比特流，然后將其發(fā)送到更高的網(wǎng)絡(luò )層。

FEC類(lèi)型

FEC代碼可以檢測并糾正有限數量的錯誤，而無(wú)需重新傳輸數據流。FEC碼分為兩種類(lèi)型：塊碼和卷積碼。塊碼被歸類(lèi)為硬判決FEC，而卷積碼被歸類(lèi)為軟判決 FEC。

為了糾正錯誤，塊代碼使用固定大小的塊。最常見(jiàn)的塊代碼類(lèi)型是Reed-Solomon。硬判決FEC算法代碼采用固定長(cháng)度的代碼，判斷每個(gè)符號對應的是0還是1。

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

Reed-Solomon糾錯碼是當今通信行業(yè)中使用最廣泛的錯誤檢測機制。Reed-Solomon碼對數據塊進(jìn)行操作，該數據塊表示為一組稱(chēng)為符號的有限域元素，Reed-Solomon碼可以檢測和糾正各種符號錯誤。

當今通信鏈路中最常見(jiàn)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方案的區別：

RS-FEC(528,514)編碼以514符號的數據字段開(kāi)始，每個(gè)符號10位，并添加14個(gè)奇偶校驗符號以形成528符號的編碼碼字。然而，RS-FEC (544, 514)使用30個(gè)奇偶校驗符號組成544個(gè)符號編碼的碼字。

由于PAM-4信號在電壓電平之間具有更緊密的間距，因此眼圖幅度是類(lèi)似NRZ信號的三分之一，它略大并使用更多開(kāi)銷(xiāo)。結果，PAM-4信號的SNR降低并且更容易受到噪聲的影響。為了補償較低的SNR，KP-FEC設計有較高的編碼增益。KP-FEC有可能糾正每個(gè)碼字多達15個(gè)符號，而KR-FEC最多只能糾正7個(gè)符號。

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）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誤，因此我們可以使用相同的硬件組件獲得更好的結果，無(wú)需更昂貴的激光器和接收器。

• FEC實(shí)時(shí)運行，可以使用簡(jiǎn)單的算法在幾秒鐘內糾正代碼。

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

• 降低誤碼率(BER) 。

• 如果檢測到錯誤，FEC不需要重傳整個(gè)幀，僅檢測和糾正冗余位。節省了原本會(huì )用于重傳的帶寬。

缺點(diǎn)

• 延遲增加。FEC采用一種算法，將開(kāi)銷(xiāo)字節添加到有效載荷中，隨著(zhù)有效載荷的減少，將數據從A點(diǎn)傳輸到B點(diǎn)所需的時(shí)間會(huì )更長(cháng)。

• 鏈路配置可能需要額外的改動(dòng)，因為鏈路的兩端必須使用相同類(lèi)型的FEC；因此，在互連不同品牌設備時(shí)，請記住這一點(diǎn)。

總的來(lái)說(shuō)，在大多數情況下使用前向糾錯的優(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)現和使用通常由使用光模塊的系統以及模塊本身的類(lèi)型決定。

FEC注意事項

在鏈路兩端匹配FEC

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

RS-FEC 25G前向糾錯

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

NRZ 100G前向糾錯

除了100GBASE-LR4和100GBASE-ER4使用LAN-WDM****并且無(wú)需FEC即可達到所需的10km和40km距離之外，所有100G NRZ模塊要達到最大傳輸距離都需要在主機平臺上啟用RS FEC(528,514)。

100G PAM4前向糾錯

100G PAM4模塊（100GBASE-DR、100GBASE-FR、100GBASE-LR和100G-ER）在光模塊數字信號處理器(DSP)芯片內置了RS FEC(544、514) PAM4 (KP1)，當這些模塊被主機檢測到，主機平臺上的FEC被禁用。

PAM4 400G前向糾錯

為了實(shí)現最佳性能，必須在主機設備上為基于PAM4的400G QSFP-DD模塊啟用FEC (544,514)。

結論

總而言之，隨著(zhù)當前事件增加系統帶寬和整體網(wǎng)絡(luò )速度，在長(cháng)距離傳輸時(shí)必須考慮糾錯。前向糾錯使您能夠接收高質(zhì)量的信號而不會(huì )受到噪聲的干擾，噪聲會(huì )使信號失真，并且它可以通過(guò)低成本組件提供更長(cháng)的傳輸距離。FEC技術(shù)已經(jīng)是一個(gè)熱門(mén)話(huà)題，但我們可以預期它會(huì )隨著(zhù)速度和光調制技術(shù)的進(jìn)步而變得更加流行。