新型的糾錯(cuò)技術(shù)：SD—FEC

楊兆祥 李金鳳

摘 要：隨著IP業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，傳輸網(wǎng)絡(luò)的大容量高帶寬的需求問題，推動(dòng)了100G WDM 技術(shù)的不斷發(fā)展，而因?yàn)橄喔杉夹g(shù)在100G傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用使得軟判決技術(shù)成為了糾錯(cuò)技術(shù)發(fā)展的方向，并發(fā)展為現(xiàn)在必不可少的主流技術(shù)。本文通過對三代前向糾錯(cuò)技術(shù)的對比，并著重論述第三代軟判決前向糾錯(cuò)技術(shù)（SD-FEC）并說明其能有效的提高100G傳輸系統(tǒng)的性能。

關(guān)鍵詞：100G WDM；SD-FEC；糾錯(cuò)技術(shù)

目前，前向糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)是提高光通信系統(tǒng)傳輸性能的傳統(tǒng)技術(shù)，其通過優(yōu)化線路信號(hào)來優(yōu)化OSNR 性能及其改善系統(tǒng)的誤碼性能，降低了光發(fā)射機(jī)功率要求同時(shí)能延長光信號(hào)的傳輸距離。但FEC技術(shù)的本質(zhì)是通過編碼冗余度（通常15%-20%）以及利用比較復(fù)雜的對應(yīng)的信號(hào)處理系統(tǒng)，犧牲大量的有效帶寬，來換取大的凈增益效果。在光纖通信中， FEC技術(shù)經(jīng)歷了三代的快速發(fā)展。

第一代的帶外FEC 采用經(jīng)典的硬判決碼字，RS（255，239）是其最典型的代表技術(shù)，近7%的開銷冗余度，凈編碼收獲了6dB左右的增益，使糾前誤碼容限值達(dá)到了8.3×10-5，主要用于SDH系統(tǒng)和早期的WDM 系統(tǒng)。

第一代FEC 技術(shù)相對簡單，算法規(guī)模較?。ㄊf門左右），其已經(jīng)形成ITU-T G.975和ITU-T G.709標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于光通信領(lǐng)域。

隨著WDM 單波10G 及40G 系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，要實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率和更長傳輸距離，傳輸系統(tǒng)的糾前誤碼率容限要求進(jìn)一步降低，在這種情況下第二代FEC 技術(shù)誕生，其糾錯(cuò)能力更好、凈編碼增益更高。

第二代FEC 采用硬判決級(jí)聯(lián)編碼技術(shù)，綜合應(yīng)用級(jí)聯(lián)、交織、迭代譯碼等技術(shù)， FEC的糾錯(cuò)能力得到了大大提高，凈編碼增益可達(dá)到8dB以上，糾前誤碼率容限可低至1×10-3。

ITU-T G.975.1 規(guī)定了第二代FEC 算法的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。雖然凈編碼增益得到了顯著提高，但也提高了FEC算法的復(fù)雜度和增加了運(yùn)算規(guī)模。在實(shí)際應(yīng)用中，第二代FEC 技術(shù)需要上百萬門規(guī)模的ASIC 芯片或幾十萬門的FPGA來承載。

當(dāng)前因?yàn)閱尾ǖ?00G WDM系統(tǒng)的研發(fā)，其中應(yīng)用到了相干技術(shù)和高速集成電路技術(shù)，基于軟判決（SD）的第三代FEC 編碼技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。軟判決前向糾錯(cuò)技術(shù)（SD-FEC）可以采用Turbo 乘積碼（Turbo Product Code，TPC）或者低密度奇偶校驗(yàn)碼（Low Density Parity Check Code，LDPC），可得到約11dB 的凈編碼增益。

同時(shí)SD-FEC 需要相當(dāng)于千萬門以上的ASIC規(guī)模的運(yùn)算，為實(shí)現(xiàn)其低功耗和高運(yùn)算量的目標(biāo)，目前基于65nm 工藝的ASIC 技術(shù)已經(jīng)不能滿足其需要，更高精度的40nm 工藝ASIC 才能實(shí)現(xiàn)。SD-FEC采用較大的20%的碼字開銷，使得100G波道的真實(shí)速率達(dá)到128Gbps，這在濾波效應(yīng)和非線性方面對系統(tǒng)的傳輸性能造成一定的影響。但是當(dāng)輸出誤碼率為1E-15時(shí)，凈編碼增益達(dá)到了11dB上下，可滿足100G甚至超100G系統(tǒng)的長距離傳輸需求。

第三代FEC和第一代、第二代FEC的區(qū)別是：前兩代是硬判決編碼而第三代為軟判決編碼。一般來講，硬判決是通過具體的值來判斷，是非彼即此的一級(jí)量化；而軟判決則是多級(jí)量化，充分利用譯碼器通過概率譯碼，充分利用波道信號(hào)中所包含的相關(guān)信道干擾的統(tǒng)計(jì)信息，以此獲得比硬判決譯碼更大的編碼增益。

以二進(jìn)制為例，硬判決譯碼是解調(diào)器根據(jù)接收信號(hào)的電壓幅值來進(jìn)行判決，硬判決譯碼器接收到的是確定的碼流，不是0就是1，譯碼器根據(jù)接收到的判決結(jié)果，利用碼字的矩陣算法來糾正其中的誤碼。

而軟判決的解調(diào)器充分利用信道輸出的波形信息，將解調(diào)器輸出波形進(jìn)行多電平量化或者直接輸出模擬量，解調(diào)器并不進(jìn)行直接判決，這樣譯碼器的值就不簡單兩個(gè)量化電平0和1，而是一個(gè)序列，然后譯碼器根據(jù)這個(gè)序列進(jìn)行譯碼，即編碼信道的輸出是“軟信息”，并沒有進(jìn)行過判決，從而使得接收機(jī)能夠充分利用解調(diào)器及濾波器的輸出，降低譯碼器的錯(cuò)誤概率。

在具體的軟判決碼型方案中，在波長轉(zhuǎn)換單板上需要完成大量的運(yùn)算來保證單波信號(hào)的性能。軟判決的凈編碼增益，是經(jīng)過對開銷的運(yùn)算處理得到的，所以編碼冗余度越大則能獲得更多的凈增益。當(dāng)前基于LDPC碼構(gòu)造的高性能FEC方案，在經(jīng)典的LDPC碼基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地融合了交織技術(shù)、級(jí)聯(lián)技術(shù)等手段，相對傳統(tǒng)的硬判決方案提升了2.5dB左右的編碼增益，獲得了近12dB的高編碼增益，可以很好支撐100G高速光傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

總之，F(xiàn)EC技術(shù)經(jīng)過從經(jīng)典硬判決到現(xiàn)在的軟判決技術(shù)的發(fā)展，通過運(yùn)用獨(dú)特的級(jí)聯(lián)流水架構(gòu)，有效地降低了軟判決譯碼地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。這種新型的100G SD-FEC軟判決技術(shù)采用20%以上的開銷，結(jié)合發(fā)送端頻譜壓縮技術(shù)，采用100%軟判決，在傳送帶寬增加的同時(shí)，降低速率提升的傳輸代價(jià)，保證高開銷軟判決FEC帶來的增益性能，并使其延時(shí)大大減低，為100G WDM系統(tǒng)在今后網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和全業(yè)務(wù)競爭中提供有力保障。

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作者簡介：

楊兆祥（1982-），男，漢族，河北藁城人，現(xiàn)任中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司石家莊市分公司網(wǎng)絡(luò)維護(hù)中心工程師，主要負(fù)責(zé)長途傳輸網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作。