|
FEC實(shí)現光通信系統的可靠傳輸 伴隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )流量的快速增長(cháng)，波分復用技術(shù)作為現在通信系統的基礎承載技術(shù)，也經(jīng)歷了容量從小到大的發(fā)展過(guò)程。在這一發(fā)展過(guò)程中，每一次單波長(cháng)速率的提升都伴隨著(zhù)技術(shù)的重大變化：從單波長(cháng)2.5G時(shí)代的直接調制方式到10G時(shí)代的外調制方式及DCM色散補償；10G時(shí)代到40G時(shí)代是OOK調制技術(shù)向PSK調制技術(shù)的轉變；40G時(shí)代到100G時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)特征則是高速DSP（ADC采樣速率達到56Gbit/s以上）使能的相干技術(shù)。 在波分復用技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，前向糾錯（FEC，Forward Error Correction）技術(shù)作為實(shí)現信息可靠傳輸的關(guān)鍵，逐漸成為必不可少的主流技術(shù)。光纖通信中的FEC也經(jīng)歷了幾代技術(shù)的演變，從經(jīng)典硬判決，到級聯(lián)碼，而100G相干技術(shù)的出現使得軟判決成為演進(jìn)的方向。 
圖1 FEC在光通信中的位置 FEC技術(shù)是一種廣泛應用于通信系統中的編碼技術(shù)。以典型的分組碼為例，其基本原理是：在發(fā)送端，通過(guò)將kbit信息作為一個(gè)分組進(jìn)行編碼，加入（n-k）bit的冗余校驗信息，組成長(cháng)度為n bit的碼字。碼字經(jīng)過(guò)信道到達接收端之后，如果錯誤在可糾范圍之內，通過(guò)譯碼即可檢查并糾正錯誤bit，從而抵抗信道帶來(lái)的干擾，提高通信系統的可靠性。在光通信系統中，通過(guò)FEC的處理，可以以很小的冗余開(kāi)銷(xiāo)代價(jià)，有效降低系統的誤碼率，延長(cháng)傳輸距離，實(shí)現降低系統成本的目的。FEC的使用可以有效提高系統的性能，根據香農定理可以得到噪聲信道無(wú)誤碼傳輸的極限性能（香農限），如圖2所示。從圖2可以看出，FEC方案的性能主要由編碼開(kāi)銷(xiāo)、判決方式、碼字方案這三個(gè)主要因素決定。 �。�1）編碼開(kāi)銷(xiāo)：校驗位長(cháng)度（n-k）與信息位長(cháng)度k的比值，稱(chēng)為編碼開(kāi)銷(xiāo)。開(kāi)銷(xiāo)越大，FEC方案的理論極限性能越高，但增加并不是線(xiàn)性的，開(kāi)銷(xiāo)越大，開(kāi)銷(xiāo)增加帶來(lái)的性能提高越小。開(kāi)銷(xiāo)的選擇，需要根據具體系統設計的需求來(lái)確定。
圖2 硬判決FEC和軟判決FEC的香農限 �。�2）判決方式：FEC的譯碼方式分為硬判決譯碼和軟判決譯碼兩種。硬判決FEC譯碼器輸入為0，1電平，由于其復雜度低，理論成熟，已經(jīng)廣泛應用于多種場(chǎng)景。軟判決FEC譯碼器輸入為多級量化電平。在相同碼率下，軟判決較硬判決有更高的增益，但譯碼復雜度會(huì )成倍增加。微電子技術(shù)發(fā)展到今天，100G吞吐量的軟判決譯碼已經(jīng)可以實(shí)現。隨著(zhù)傳送技術(shù)的發(fā)展，100G時(shí)代快速到來(lái)，軟判決FEC的研究與應用正日趨成熟，并將在基于相干接收的高速光通信中得到廣泛應用。�。�3）碼字方案：當確定開(kāi)銷(xiāo)和判決方式后，設計優(yōu)異碼字方案，使性能更接近香農極限，是FEC的主要研究課題。目前，軟判決LDPC碼，由于其良好的糾錯性能，且非常適合高并行度實(shí)現，逐步成為高速光通信領(lǐng)域主流FEC的方案。 第三代FEC是高性能傳輸的關(guān)鍵 FEC在光纖通信中的應用研究起步較晚，從1988年Grover最早將FEC用于光纖通信開(kāi)始，光纖通信中的FEC應用可分為三代。 第一代FEC：采用經(jīng)典的硬判決碼字，例如漢明碼、BCH碼、RS碼等。最典型的代表碼字為RS（255，239），開(kāi)銷(xiāo)6.69%，當輸入BER為1.4E-4時(shí)輸出BER為1E-13，凈編碼增益為5.8dB。RS（255，239）已被推薦為大范圍長(cháng)距離通信系統的ITU-T G.709 標準，可以很好匹配STM16幀格式，獲得了廣泛應用。1996年RS（255，239）被成功用于跨太平洋、大西洋長(cháng)達7000km的遠洋通信系統中，數據速率達到5Gbit/s。 第二代FEC：在經(jīng)典硬判決碼字的基礎上，采用級聯(lián)的方式，并引入了交織、迭代、卷積的技術(shù)方法，大大提高了FEC方案的增益性能，可以支撐10G甚至40G系統的傳輸需求，許多方案性能均達到8dB以上。ITU-T G .975.1中推薦的FEC方案可以作為第二代FEC的代表。 現有10G系統多采用第二代硬判決FEC，采用更大開(kāi)銷(xiāo)的硬判決FEC可以支撐現有系統的平滑升級。例如，10G海纜傳輸系統目前采用ITU-T G .975.1推薦的開(kāi)銷(xiāo)為6.69%的硬判決FEC方案，若采用20%開(kāi)銷(xiāo)的高性能硬判決FEC，較現有方案可提高1.5dB左右的編碼增益，極大改善系統的性能。 第三代FEC：相干接收技術(shù)在光通信中的應用使軟判決FEC的應用成為可能。采用更大開(kāi)銷(xiāo)（20%或以上）的軟判決FEC方案，如Turbo 碼、LDPC 碼和TPC碼，可以獲得大于10dB的編碼增益，有效支撐40G、100G至400G的長(cháng)距離傳輸需求。
圖3 光通信FEC的演進(jìn) 現有40G系統可以采用更大開(kāi)銷(xiāo)硬判決FEC完成平滑升級，也可以基于相干接收方案采用軟判決FEC，從而提供更強的傳輸性能。而100G以及400G光傳輸系統采用相干接收技術(shù)，非常適合采用軟判決FEC技術(shù)�；谲浥袥QFEC，采用級聯(lián)、卷積、交織等技術(shù)，可以提供11dB以上的高性能FEC方案，有效支撐100G和400G系統的應用需求（見(jiàn)圖3）。�。�1）軟判決原理 硬判決譯碼器接收的序列中僅包含"0"和"1"序列，主要利用碼字中的代數結構進(jìn)行硬判決譯碼。這種方式實(shí)際上丟失了信號中包含的信道干擾的統計特征信息。
圖4 軟判決與硬判決的差別 為了充分利用接收波形中的信息，提升譯碼器的正確判決概率，可以將接收的信號進(jìn)行量化采樣（見(jiàn)圖4）。譯碼器利用這些信息可以獲得更高的譯碼準確度，系統性能得到較大幅度的提高。相同碼率下，軟判決FEC增益性能比硬判決高1.5dB左右。雖然軟判決性能優(yōu)良，但其實(shí)現需要高速ADC做信號的采樣量化處理，譯碼器比特吞吐量也是硬判決的好幾倍。同時(shí)軟判決譯碼算法需要處理更多的信息，也需要考慮由于信道劣化特征造成的噪聲概率分布變化，算法復雜性大為增加。幸運的是，集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展使得軟判決得以實(shí)現商用。 �。�2）LDPC原理 1962年，Gallager首先提出LDPC碼（Low Density Parity Check Code，低密度校驗碼），并給出LDPC碼簡(jiǎn)單構造和硬判決譯碼算法。但由于其算法復雜度高且當時(shí)計算機處理能力的限制，LDPC碼很長(cháng)時(shí)間內被忽視。1996年，MacKay 和R. Neal重新研究了LDPC碼，發(fā)現其具備逼近香農極限的優(yōu)良性能，LDPC碼成為編碼領(lǐng)域被關(guān)注的熱點(diǎn)之一。
圖5 LDPC碼校驗矩陣及其Tanner圖表示 LDPC碼的名稱(chēng)來(lái)源于其校驗矩陣是稀疏矩陣，即校驗矩陣中只有數量很少的元素為"1"，大部分元素都是"0"，這樣碼字之間可以有較長(cháng)的碼距離。LDPC軟判決譯碼算法采用置信度傳播（Belief Propagation，BP）算法或和積（Sum-Product）算法譯碼。該算法利用量化電平提供的信道信息以及通過(guò)校驗矩陣建立的碼字內比特間建立的運算關(guān)系來(lái)判斷比特的置信度（見(jiàn)圖5）。通過(guò)在Tanner圖上相鄰的變量節點(diǎn)和校驗節點(diǎn)間傳遞這些置信度信息，并通過(guò)多次迭代的方式，可以有效提升判決的準確度。 與基于乘積碼構造的Turbo碼相比，LDPC同樣可以獲得接近香農極限的優(yōu)異性能，在高誤碼率情況下仍然具有很強的糾錯能力。不僅如此，LDPC碼還具有較低的錯誤平層（Error floor）效應；譯碼復雜度僅隨著(zhù)碼長(cháng)線(xiàn)性增長(cháng)，計算復雜性相對較低；可以實(shí)現并行譯碼，適合于高速通信系統。因而，LDPC碼在光通信、無(wú)線(xiàn)通信、深空通信以及磁記錄方面得到廣泛的應用。 中國探月工程二期嫦娥二號工程中，LDPC被列為嫦娥二號任務(wù)的六項工程目標和四大創(chuàng )新技術(shù)的核心內容之一。2010年11月，清華大學(xué)研制的低密度奇偶校驗碼（LDPC）遙測信道編碼試驗取得成功，這是LDPC信道編碼技術(shù)首次應用于中國航天領(lǐng)域。LDPC糾錯能力強、編碼增益高的特點(diǎn)，可進(jìn)一步提高信道余量，進(jìn)而大幅度提高整星測控的可靠性，為未來(lái)深空探測提供技術(shù)儲備。 在光通信領(lǐng)域，100G已經(jīng)被業(yè)界認為是下一代主流的傳輸速率。隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，高速ADC（超過(guò)56Gbit/s的采樣速率）和DSP的商用化，100G相干技術(shù)以其高頻譜效率、高OSNR靈敏度、電CD/PMD補償，成為主流的100G傳輸技術(shù)。這也為基于LDPC的軟判決前向糾錯（SD-FEC）應用到100G傳輸提供了技術(shù)基礎。 同時(shí)，100G相干技術(shù)雖然在性能上相比非相干技術(shù)有大幅提升，但與當前已經(jīng)被廣泛應用的10G/40G傳輸相比，仍然存在傳輸距離不夠遠、覆蓋范圍有限的問(wèn)題�；贚DPC的軟判決前向糾錯（SD-FEC）為進(jìn)一步提升100G傳輸性能提供了很好的解決方案。 基于LDPC碼的軟判決高性能FEC方案 軟判決方案的性能受碼字構造，譯碼算法的影響較大。合理的構造，高效的譯碼算法，采用交織、級聯(lián)、卷積等技術(shù)手段，充分利用冗余信息可以有效提高軟判決方案的性能。 華為基于LDPC碼構造的高性能FEC方案BICC，在傳統的LDPC碼基礎上，創(chuàng )新地融合了交織技術(shù)、級聯(lián)技術(shù)等手段，獲得了11.5dB以上的高編碼增益, 相對傳統的硬判決方案提升了近2.6dB編碼增益，可以很好支撐100G高速光傳輸系統的應用需求。 華為100G SD-FEC軟判決算法具有如下特點(diǎn)： · 創(chuàng )新的全軟判決FEC，可獲得更高的增益、更高的集成度和更低的功耗。 · 采用100%的軟判決，沒(méi)有級聯(lián)HD-FEC碼，延時(shí)大為降低。 · 獨特的級聯(lián)流水線(xiàn)架構，顯著(zhù)降低了軟判決譯碼的實(shí)現復雜度。 · 創(chuàng )新軟判決架構，可擴展實(shí)現不同功耗、不同性能的靈活解決方案。 · 軟判決FEC采用20%以上的開(kāi)銷(xiāo)，結合發(fā)端頻譜壓縮技術(shù)，可以在傳送帶寬增加的同時(shí)，降低速率提升的傳輸代價(jià)，保證高開(kāi)銷(xiāo)軟判決FEC帶來(lái)的增益性能。 · 軟判決FEC與獨特的DSP算法相結合，提供差異化的應用場(chǎng)景解決方案。 隨著(zhù)FEC技術(shù)的發(fā)展，碼字性能越來(lái)越接近香農限。然而，FEC技術(shù)在光傳送系統中的應用需要結合系統的需求，選擇合理的開(kāi)銷(xiāo)和判決方式，設計低復雜度、高性能的碼字方案。 我們知道，硬判決FEC將長(cháng)期應用于光通信領(lǐng)域，通過(guò)對融合、高性能的硬判決方案的研究，可以有效支撐現有10G、40G系統的升級需求。針對100G、400G甚至1T的高速光傳輸應用，軟判決算法將在如何提升吞吐量和凈編碼增益，降低錯誤平層和算法復雜度，以及軟判決算法如何適應Non-AWGN非線(xiàn)性信道等方面持續改進(jìn)，以適應更高速率系統的性能要求。我們相信，高性能低復雜度的軟判決將成為主流，支撐和推動(dòng)光傳送應用與發(fā)展。 |
