Warum benötigen optische 400G/100G-Ports in Switches eine Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC)?

Einführung

Optische Netzwerke erfordern den Einsatz von Forward Error Correction (FEC) gewährleistet eine zuverlässige Kommunikation. Ähnlich wie ein Leser einen einzelnen Rechtschreibfehler in einem Text übersehen, aber Schwierigkeiten haben kann, wenn sich Fehler häufen, unterliegen digitale Übertragungen – kodiert als Folgen von „0“ und „1“ – unvermeidlicher Signaldämpfung und Bitfehlern. FEC ist definiert als die Fähigkeit eines Kommunikationssystems, trotz Rauschen und anderer Störungen eine fehlerfreie Übertragung aufrechtzuerhalten. Im Wesentlichen ist FEC ein Prozess, der sowohl Kodierung als auch Dekodierung umfasst. Der Kodierer im Sender fügt den Daten algorithmisch erzeugte Redundanz hinzu, und durch Anwendung des entsprechenden Dekodierungsalgorithmus im Empfänger können einzelne Bitfehler erkannt und korrigiert werden, ohne dass eine erneute Übertragung erforderlich ist.

Ursachen für Übertragungsfehler in optischen Netzwerken

Es gibt mehrere Faktoren, die zu Übertragungsfehlern in einem optischen Netzwerk führen können:

Intersymbolinterferenz (ISI): Sowohl Multimode- als auch Singlemode-Glasfasern weisen Dispersion auf, die die übertragenen Impulse während der Ausbreitung verzerren kann. Diese Verzerrung kann zu Impulsüberlappungen führen, was zu Intersymbolinterferenzen und erhöhten Fehlerraten führt.

Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR): Sowohl bei der Übertragung als auch bei der Erfassung können optische Dispersion und elektronisches Rauschen die Qualität der Eingangsimpulse beeinträchtigen. Beispielsweise können Rauschspitzen an den Abtastpunkten dazu führen, dass ein einzelner gesendeter Impuls fälschlicherweise als „1“ oder „0“ interpretiert wird.

Datenkorruption: Fehler können auch auftreten, wenn während der Übertragung Datenverfälschungen auftreten, beispielsweise durch paralleles Übertragungsrauschen, was zu einer falschen Interpretation einzelner Bits beim Empfänger führen kann.

Das Prinzip der Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC)

Optische Netzwerke nutzen Glasfaserkabel zur Datenübertragung mittels Lichtsignalen, insbesondere über große Entfernungen und mit hohen Datenraten (wie 100G und 400G). Während der Übertragung können Faktoren wie Signaldämpfung, Dispersion (einschließlich chromatischer Dispersion und Polarisationsmodusdispersion) und Rauschen die Bitfehlerrate (BER) erhöhen und die Datenintegrität beeinträchtigen.

FEC ist ein digitales Signalverarbeitungsverfahren, das dieses Problem löst, indem dem übertragenen Datenstrom redundante Informationen, sogenannte Fehlerkorrekturcodes, hinzugefügt werden. Da der FEC-Decoder nur die redundanten Bits zur Fehlererkennung und -korrektur verwendet, entfällt die erneute Übertragung eines gesamten fehlerhaften Frames und spart so Bandbreite.

Ein FEC-Code wird üblicherweise als geordnetes Paar (n, k) angegeben, wobei k stellt die Anzahl der Nutzlastsymbole dar und n gibt die Gesamtlänge des Codeworts an. Das Codewort besteht aus einem Datenblock mit k Symbolen und einem zusätzlichen Paritätsblock mit n–k Symbolen, der sowohl Paritätsbits als auch redundante Informationen enthält. Beim Sender verwendet der FEC-Encoder eine komplexe Polynomfunktion, um den Datenblock zu überabtasten und so ein Fehlerpolynom zu erzeugen. Beim Empfänger werden Fehlererkennung und -korrektur durch Berechnung eines „Syndroms“ aus dem empfangenen Codewort durchgeführt; ein Null-Syndrom zeigt eine fehlerfreie Übertragung an.

In der Netzwerkarchitektur befindet sich die FEC-Schicht zwischen der Physical Coding Sublayer (PCS) und der Physical Medium Attachment (PMA)-Schicht. Die PCS ist für die Zuordnung der Rohdatenbits zu übertragungsfähigen Codegruppen verantwortlich, während die PMA-Schicht den Symbolstrom zum oder vom eigentlichen Transceiver weiterleitet.

Gängige FEC-Schemata

Zwei in der optischen Kommunikation häufig verwendete FEC-Schemata sind: RS-FEC (528, 514) und RS-FEC (544, 514).

Das RS(544,514) FEC-Schema wird typischerweise für 400G PAM4 verwendet und 100G PAM4 (CAUI-2)-Modulation, während RS-FEC (528,514) im Allgemeinen für 100G NRZ-Modulation verwendet wird. Bei RS-FEC (528,514) beginnt der Kodierungsprozess mit einem Datenfeld aus 514 Symbolen (wobei jedes Symbol typischerweise 10 Bit lang ist). Danach werden 14 Paritätssymbole hinzugefügt, um ein 528-Symbol-Codewort zu bilden. Im Gegensatz dazu fügt das RS-FEC (544,514)-Schema 30 Paritätssymbole hinzu, um ein 544-Symbol-Codewort zu erstellen. Da PAM-4-Signale enger beieinander liegende Spannungspegel aufweisen, was zu einem Augendiagramm mit einer Amplitude von etwa einem Drittel der eines NRZ-Signals führt, sind sie anfälliger für Rauschen und erfordern zusätzliche Redundanz. Um das niedrigere SNR von PAM-4-Signalen zu kompensieren, ist KP-FEC darauf ausgelegt, einen höheren Kodiergewinn zu erzielen; Es kann bis zu 15 Symbolfehler pro Codewort korrigieren, während KR-FEC auf die Korrektur von bis zu 7 Symbolfehlern beschränkt ist.

FEC-Implementierung in optischen 100G- und 400G-Modulen

Die Notwendigkeit von FEC und der in einem optischen Modul implementierte FEC-Typ hängen vom Betriebsmodus und Standard des Moduls ab.

Optische 100G-Module

Bei optischen 100G-Modulen wird die FEC-Konfiguration durch das Modulationsformat (NRZ oder PAM4) bestimmt:

Modultyp	FEC	Bemerkungen
100GBASE-SR4	Nicht benötigt	Kurze Distanz: 100 m (OM4-Glasfaser)
100GBASE-LR4	Nicht benötigt	10 km; LAN-WDM
100GBASE-ER4	Nicht benötigt	30 km; nutzt hochempfindliche APD
100G CWDM4	RS (528,514)	2 km; NRZ-Modulation
100G PSM4	RS (528,514)	500 m; NRZ-Modulation
100GBASE-DR (PAM4)	Eingebautes FEC	500 m; Einzelwellenlänge PAM4
100GBASE-FR (PAM4)	Eingebautes FEC	2 km; Einzelwellenlänge PAM4
100GBASE-LR (PAM4)	Eingebautes FEC	10 km; Einzelwellenlänge PAM4

Optische 400G-Module

Optische 400G-Module basieren überwiegend auf PAM4-Modulation. Aufgrund ihrer hohen Datenrate und erhöhten Störanfälligkeit wird FEC in der Regel vom Host aktiviert. Gängige Standards in dieser Kategorie sind 400GBASE-DR4, 400GBASE-FR8, 400GBASE-LR8 und 400GBASE-SR8:

Modultyp	FEC	Bemerkungen
400GBASE-DR4	RS (544,514)	500 m; konfiguriert als 4×100G mit PAM4
400GBASE-FR8	RS (544,514)	2 km; konfiguriert als 8×50G mit PAM4
400GBASE-LR8	RS (544,514)	10 km; konfiguriert als 8×50G mit PAM4
400GBASE-SR8	RS (544,514)	Verwendet Multimode-Glasfasern; 8×50G mit PAM4
400G ZR/ZR+	Andere FEC (Soft Decision FEC)	Lange Distanz; kohärente Module (siehe Dokumentation des Anbieters)

Weitere Überlegungen

Fortschritte in der Fehlerkorrektur (FEC) spielen weiterhin eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung stetig steigender Datenraten und größerer Übertragungsdistanzen in optischen Netzwerken. Neben traditionellen RS-FEC-Ansätzen erweitert die Forschung an Soft-Decision-FEC-Verfahren und innovativen iterativen Dekodierungsalgorithmen die Grenzen der Fehlerkorrekturleistung. Diese Entwicklungen tragen dazu bei, Signalstörungen in kohärenten Übertragungssystemen entgegenzuwirken und die Netzwerkzuverlässigkeit insgesamt weiter zu verbessern.

Die Untersuchung der Kompromisse zwischen Codierungsgewinn, Overhead und Komplexität bleibt ein entscheidender Aspekt bei der Entwicklung optischer Kommunikationssysteme der nächsten Generation – ein Thema, das sowohl in der Forschung als auch in der Industrie weiterhin große Aufmerksamkeit erregt.