Почему оптические порты 400G/100G в коммутаторах требуют прямой коррекции ошибок (FEC)?

27 мая 2025

Брайан

Инженер оптических сетей

Содержание

Введение

Оптические сети требуют использования Коррекция ошибок (FEC) для гарантии надежной связи. Подобно тому, как читатель может не заметить одну орфографическую ошибку в тексте, но столкнуться с трудностями, когда ошибки накапливаются, цифровые передачи, закодированные как последовательности «0» и «1», подвержены неизбежному затуханию сигнала и ошибкам в битах. FEC определяется как способность системы связи поддерживать безошибочную передачу, несмотря на наличие шума и других нарушений. По сути, FEC — это процесс, который охватывает как кодирование, так и декодирование; кодер на передатчике добавляет алгоритмически сгенерированную избыточность к данным, и, применяя соответствующий алгоритм декодирования на приемнике, отдельные ошибки в битах могут быть обнаружены и исправлены без необходимости повторной передачи.

Оптические сети требуют использования прямой коррекции ошибок (FEC) для обеспечения надежной связи.

Причины ошибок передачи в оптических сетях

Существует несколько факторов, которые могут привести к ошибкам передачи в оптической сети:

Межсимвольная интерференция (ISI): Как многомодовые, так и одномодовые оптические волокна демонстрируют дисперсию, которая может искажать передаваемые импульсы во время распространения. Это искажение может привести к перекрытию импульсов, что приведет к межсимвольным помехам и увеличению частоты ошибок.

Ухудшение отношения сигнал/шум (SNR): Во время передачи и обнаружения комбинированные эффекты оптической дисперсии и электронного шума могут ухудшить качество входных импульсов. Например, шумовые пики в точках выборки могут привести к тому, что один переданный импульс будет неправильно интерпретирован как «1» или «0».

Повреждение данных: Ошибки также могут возникать, если во время передачи происходит повреждение данных, например, из-за шума параллельной передачи, что может привести к неправильной интерпретации отдельных битов на приемнике.

Принцип прямого исправления ошибок (FEC)

Оптические сети используют оптоволоконные кабели для передачи данных с помощью световых сигналов, особенно на большие расстояния и с высокой скоростью передачи данных (например, 100G и 400G). Во время передачи такие факторы, как затухание сигнала, дисперсия (включая хроматическую дисперсию и дисперсию поляризационных мод) и шум, могут повысить частоту появления ошибочных битов (BER) и нарушить целостность данных.

FEC — это метод цифровой обработки сигнала, разработанный для решения этой проблемы путем добавления избыточной информации, известной как коды исправления ошибок, к передаваемому потоку данных. Поскольку декодер FEC использует только избыточные биты для обнаружения и исправления ошибок, он избегает необходимости повторно передавать весь ошибочный кадр и тем самым сохраняет полосу пропускания.

FEC — это метод цифровой обработки сигнала, призванный решить эту проблему путем добавления избыточной информации.

Код FEC обычно указывается как упорядоченная пара (n, k), где k представляет собой количество символов полезной нагрузки и n указывает общую длину кодового слова. Кодовое слово состоит из блока данных из k символов и дополнительного блока четности из n–k символов, который содержит как биты четности, так и избыточную информацию. На передатчике кодер FEC использует сложную полиномиальную функцию для передискретизации блока данных, генерируя полином ошибки. На приемнике обнаружение и исправление ошибок выполняются путем вычисления «синдрома» из полученного кодового слова; нулевой синдром указывает на то, что передача была безошибочной.

В сетевой архитектуре уровень FEC располагается между уровнем Physical Coding Sublayer (PCS) и уровнем Physical Medium Attachment (PMA). Уровень PCS отвечает за преобразование необработанных битов данных в кодовые группы, пригодные для передачи, в то время как уровень PMA передает поток символов на фактический трансивер или с него.

Общие схемы FEC

В оптической связи обычно используются две схемы FEC: RS-FEC (528, 514) и RS-FEC (544, 514).

Две схемы FEC, обычно используемые в оптической связи

Схема RS(544,514) FEC обычно используется для 400G PAM4 и 100G Модуляция PAM4 (CAUI-2), тогда как RS-FEC (528,514) обычно используется для модуляции 100G NRZ. В RS-FEC (528,514) процесс кодирования начинается с поля данных, состоящего из 514 символов (каждый символ обычно имеет длину 10 бит), после чего добавляются 14 символов четности для формирования кодового слова из 528 символов. Напротив, схема RS-FEC (544,514) добавляет 30 символов четности для создания кодового слова из 544 символов. Поскольку сигналы PAM-4 имеют более близко расположенные уровни напряжения, что приводит к глазковой диаграмме с амплитудой примерно в одну треть от амплитуды сигнала NRZ, они более восприимчивы к шуму и требуют дополнительной избыточности. Чтобы компенсировать более низкое отношение сигнал/шум сигналов PAM-4, KP-FEC разработан для достижения более высокого коэффициента кодирования; он может исправить до 15 ошибок в символах на кодовое слово, в то время как KR-FEC ограничивается исправлением до 7 ошибок в символах.

Реализация FEC в оптических модулях 100G и 400G

Необходимость FEC и тип FEC, реализованный в оптическом модуле, зависят от режима работы и стандарта модуля.

Оптические модули 100G

Для оптических модулей 100G конфигурация FEC определяется форматом модуляции (NRZ или PAM4):

Тип модуля	FEC	Замечания
100GBASE-SR4	Не требуется	Короткое расстояние; 100 м (волокно OM4)
100GBASE-LR4	Не требуется	10 км; LAN-WDM
100GBASE-ER4	Не требуется	30 км; использует высокочувствительный APD
100 Гб CWDM4	RS (528,514 XNUMX)	2 км; модуляция NRZ
100G PSM4	RS (528,514 XNUMX)	500 м; модуляция NRZ
100GBASE-DR (PAM4)	Встроенный ФЭК	500 м; одноволновый PAM4
100GBASE-FR (PAM4)	Встроенный ФЭК	2 км; одноволновый PAM4
100GBASE-LR (PAM4)	Встроенный ФЭК	10 км; одноволновый PAM4

Оптические модули 400G

Оптические модули 400G в основном основаны на модуляции PAM4. Учитывая их высокую скорость передачи данных и повышенную восприимчивость к шуму, FEC обычно включается хостом. Распространенные стандарты в этой категории включают 400GBASE-DR4, 400GBASE-FR8, 400GBASE-LR8 и 400GBASE-SR8:

Тип модуля	FEC	Замечания
400GBASE-DR4	RS (544,514 XNUMX)	500 м; настроено как 4×100G с использованием PAM4
400GBASE-FR8	RS (544,514 XNUMX)	2 км; настроен как 8×50G с использованием PAM4
400GBASE-LR8	RS (544,514 XNUMX)	10 км; настроен как 8×50G с использованием PAM4
400GBASE-SR8	RS (544,514 XNUMX)	Использует многомодовое волокно; 8×50G с использованием PAM4
400G ЗР/ЗР+	Другие FEC (Мягкое решение FEC)	Дальние расстояния; согласованные модули (см. документацию поставщика)

Дальнейшие соображения

Достижения в области FEC продолжают играть ключевую роль в поддержке постоянно растущих скоростей передачи данных и более длинных расстояний передачи в оптических сетях. В дополнение к традиционным подходам RS-FEC, исследования схем FEC с мягким решением и инновационных алгоритмов итеративного декодирования расширяют границы производительности исправления ошибок. Эти разработки помогают противодействовать ухудшению сигнала в когерентных системах передачи и дополнительно повышают общую надежность сети.

Изучение компромиссов между эффективностью кодирования, накладными расходами и сложностью остается важнейшим аспектом проектирования оптических систем связи следующего поколения — тема, которая продолжает привлекать значительное внимание как в исследованиях, так и в промышленности.