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FEC實(shí)現(xiàn)光通信系統(tǒng)的可靠傳輸 伴隨著網(wǎng)絡(luò)流量的快速增長，波分復(fù)用技術(shù)作為現(xiàn)在通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)承載技術(shù)，也經(jīng)歷了容量從小到大的發(fā)展過程。在這一發(fā)展過程中，每一次單波長速率的提升都伴隨著技術(shù)的重大變化：從單波長2.5G時(shí)代的直接調(diào)制方式到10G時(shí)代的外調(diào)制方式及DCM色散補(bǔ)償；10G時(shí)代到40G時(shí)代是OOK調(diào)制技術(shù)向PSK調(diào)制技術(shù)的轉(zhuǎn)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(dá)到56Gbit/s以上）使能的相干技術(shù)。 在波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展過程中，前向糾錯(cuò)（FEC，F(xiàn)orward Error Correction）技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)信息可靠傳輸?shù)年P(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(xiàn)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(yīng)用于通信系統(tǒng)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(yàn)信息，組成長度為n bit的碼字。碼字經(jīng)過信道到達(dá)接收端之后，如果錯(cuò)誤在可糾范圍之內(nèi)，通過譯碼即可檢查并糾正錯(cuò)誤bit，從而抵抗信道帶來的干擾，提高通信系統(tǒng)的可靠性。在光通信系統(tǒng)中，通過FEC的處理，可以以很小的冗余開銷代價(jià)，有效降低系統(tǒng)的誤碼率，延長傳輸距離，實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)成本的目的。FEC的使用可以有效提高系統(tǒng)的性能，根據(jù)香農(nóng)定理可以得到噪聲信道無誤碼傳輸?shù)臉O限性能（香農(nóng)限），如圖2所示。從圖2可以看出，F(xiàn)EC方案的性能主要由編碼開銷、判決方式、碼字方案這三個(gè)主要因素決定。 （1）編碼開銷：校驗(yàn)位長度（n-k）與信息位長度k的比值，稱為編碼開銷。開銷越大，F(xiàn)EC方案的理論極限性能越高，但增加并不是線性的，開銷越大，開銷增加帶來的性能提高越小。開銷的選擇，需要根據(jù)具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求來確定。
圖2 硬判決FEC和軟判決FEC的香農(nóng)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(fù)雜度低，理論成熟，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種場景。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(fù)雜度會成倍增加。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(xiàn)。隨著傳送技術(shù)的發(fā)展，100G時(shí)代快速到來，軟判決FEC的研究與應(yīng)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(yīng)用。（3）碼字方案：當(dāng)確定開銷和判決方式后，設(shè)計(jì)優(yōu)異碼字方案，使性能更接近香農(nóng)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(cuò)性能，且非常適合高并行度實(shí)現(xiàn)，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?shù)年P(guān)鍵 FEC在光纖通信中的應(yīng)用研究起步較晚，從1988年Grover最早將FEC用于光纖通信開始，光纖通信中的FEC應(yīng)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），開銷6.69%，當(dāng)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距離通信系統(tǒng)的ITU-T G.709 標(biāo)準(zhǔn)，可以很好匹配STM16幀格式，獲得了廣泛應(yīng)用。1996年RS（255，239）被成功用于跨太平洋、大西洋長達(dá)7000km的遠(yuǎn)洋通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)速率達(dá)到5Gbit/s。 第二代FEC：在經(jīng)典硬判決碼字的基礎(chǔ)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(tǒng)的傳輸需求，許多方案性能均達(dá)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(xiàn)有10G系統(tǒng)多采用第二代硬判決FEC，采用更大開銷的硬判決FEC可以支撐現(xiàn)有系統(tǒng)的平滑升級。例如，10G海纜傳輸系統(tǒng)目前采用ITU-T G .975.1推薦的開銷為6.69%的硬判決FEC方案，若采用20%開銷的高性能硬判決FEC，較現(xiàn)有方案可提高1.5dB左右的編碼增益，極大改善系統(tǒng)的性能。 第三代FEC：相干接收技術(shù)在光通信中的應(yīng)用使軟判決FEC的應(yīng)用成為可能。采用更大開銷（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的長距離傳輸需求。
圖3 光通信FEC的演進(jìn) 現(xiàn)有40G系統(tǒng)可以采用更大開銷硬判決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(qiáng)的傳輸性能。而100G以及400G光傳輸系統(tǒng)采用相干接收技術(shù)，非常適合采用軟判決FEC技術(shù)。基于軟判決FEC，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(tǒng)的應(yīng)用需求（見圖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(shù)結(jié)構(gòu)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(tǒng)計(jì)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（見圖4）。譯碼器利用這些信息可以獲得更高的譯碼準(zhǔn)確度，系統(tǒng)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(xiàn)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(fù)雜性大為增加。幸運(yùn)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(xiàn)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(yàn)碼），并給出LDPC碼簡單構(gòu)造和硬判決譯碼算法。但由于其算法復(fù)雜度高且當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)處理能力的限制，LDPC碼很長時(shí)間內(nèi)被忽視。1996年，MacKay 和R. Neal重新研究了LDPC碼，發(fā)現(xiàn)其具備逼近香農(nóng)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(yàn)矩陣及其Tanner圖表示 LDPC碼的名稱來源于其校驗(yàn)矩陣是稀疏矩陣，即校驗(yàn)矩陣中只有數(shù)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校驗(yàn)矩陣建立的碼字內(nèi)比特間建立的運(yùn)算關(guān)系來判斷比特的置信度（見圖5）。通過在Tanner圖上相鄰的變量節(jié)點(diǎn)和校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)間傳遞這些置信度信息，并通過多次迭代的方式，可以有效提升判決的準(zhǔn)確度。 與基于乘積碼構(gòu)造的Turbo碼相比，LDPC同樣可以獲得接近香農(nóng)極限的優(yōu)異性能，在高誤碼率情況下仍然具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。不僅如此，LDPC碼還具有較低的錯(cuò)誤平層（Error floor）效應(yīng)；譯碼復(fù)雜度僅隨著碼長線性增長，計(jì)算復(fù)雜性相對較低；可以實(shí)現(xiàn)并行譯碼，適合于高速通信系統(tǒng)。因而，LDPC碼在光通信、無線通信、深空通信以及磁記錄方面得到廣泛的應(yīng)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(xiàng)工程目標(biāo)和四大創(chuàng)新技術(shù)的核心內(nèi)容之一。2010年11月，清華大學(xué)研制的低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）遙測信道編碼試驗(yàn)取得成功，這是LDPC信道編碼技術(shù)首次應(yīng)用于中國航天領(lǐng)域。LDPC糾錯(cuò)能力強(qiáng)、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(rèn)為是下一代主流的傳輸速率。隨著電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，高速ADC（超過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(bǔ)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(cuò)（SD-FEC）應(yīng)用到100G傳輸提供了技術(shù)基礎(chǔ)。 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(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的10G/40G傳輸相比，仍然存在傳輸距離不夠遠(yuǎn)、覆蓋范圍有限的問題。基于LDPC的軟判決前向糾錯(cuò)（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(gòu)造，譯碼算法的影響較大。合理的構(gòu)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(gòu)造的高性能FEC方案BICC，在傳統(tǒng)的LDPC碼基礎(chǔ)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(tǒng)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(tǒng)的應(yīng)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，沒有級聯(lián)HD-FEC碼，延時(shí)大為降低。 · 獨(dú)特的級聯(lián)流水線架構(gòu)，顯著降低了軟判決譯碼的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。 · 創(chuàng)新軟判決架構(gòu)，可擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)不同功耗、不同性能的靈活解決方案。 · 軟判決FEC采用20%以上的開銷，結(jié)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)，保證高開銷軟判決FEC帶來的增益性能。 · 軟判決FEC與獨(dú)特的DSP算法相結(jié)合，提供差異化的應(yīng)用場景解決方案。 隨著FEC技術(shù)的發(fā)展，碼字性能越來越接近香農(nóng)限。然而，F(xiàn)EC技術(shù)在光傳送系統(tǒng)中的應(yīng)用需要結(jié)合系統(tǒng)的需求，選擇合理的開銷和判決方式，設(shè)計(jì)低復(fù)雜度、高性能的碼字方案。 我們知道，硬判決FEC將長期應(yīng)用于光通信領(lǐng)域，通過對融合、高性能的硬判決方案的研究，可以有效支撐現(xiàn)有10G、40G系統(tǒng)的升級需求。針對100G、400G甚至1T的高速光傳輸應(yīng)用，軟判決算法將在如何提升吞吐量和凈編碼增益，降低錯(cuò)誤平層和算法復(fù)雜度，以及軟判決算法如何適應(yīng)Non-AWGN非線性信道等方面持續(xù)改進(jìn)，以適應(yīng)更高速率系統(tǒng)的性能要求。我們相信，高性能低復(fù)雜度的軟判決將成為主流，支撐和推動光傳送應(yīng)用與發(fā)展。 |
