新型的糾錯技術：SD—FEC

楊兆祥 李金鳳

摘 要：隨著IP業務的高速發展，傳輸網絡的大容量高帶寬的需求問題，推動了100G WDM 技術的不斷發展，而因為相干技術在100G傳輸系統中應用使得軟判決技術成為了糾錯技術發展的方向，并發展為現在必不可少的主流技術。本文通過對三代前向糾錯技術的對比，并著重論述第三代軟判決前向糾錯技術（SD-FEC）并說明其能有效的提高100G傳輸系統的性能。

關鍵詞：100G WDM；SD-FEC；糾錯技術

目前，前向糾錯（FEC）技術是提高光通信系統傳輸性能的傳統技術，其通過優化線路信號來優化OSNR 性能及其改善系統的誤碼性能，降低了光發射機功率要求同時能延長光信號的傳輸距離。但FEC技術的本質是通過編碼冗余度（通常15%-20%）以及利用比較復雜的對應的信號處理系統，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技術經歷了三代的快速發展。

第一代的帶外FEC 采用經典的硬判決碼字，RS（255，239）是其最典型的代表技術，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到了8.3×10-5，主要用于SDH系統和早期的WDM 系統。

第一代FEC 技術相對簡單，算法規模較小（十萬門左右），其已經形成ITU-T G.975和ITU-T G.709標準，廣泛應用于光通信領域。

隨著WDM 單波10G 及40G 系統的廣泛應用，要實現更高的傳輸速率和更長傳輸距離，傳輸系統的糾前誤碼率容限要求進一步降低，在這種情況下第二代FEC 技術誕生，其糾錯能力更好、凈編碼增益更高。

第二代FEC 采用硬判決級聯編碼技術，綜合應用級聯、交織、迭代譯碼等技術， FEC的糾錯能力得到了大大提高，凈編碼增益可達到8dB以上，糾前誤碼率容限可低至1×10-3。

ITU-T G.975.1 規定了第二代FEC 算法的行業標準。雖然凈編碼增益得到了顯著提高，但也提高了FEC算法的復雜度和增加了運算規模。在實際應用中，第二代FEC 技術需要上百萬門規模的ASIC 芯片或幾十萬門的FPGA來承載。

當前因為單波道100G WDM系統的研發，其中應用到了相干技術和高速集成電路技術，基于軟判決（SD）的第三代FEC 編碼技術應運而生。軟判決前向糾錯技術（SD-FEC）可以采用Turbo 乘積碼（Turbo Product Code，TPC）或者低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC），可得到約11dB 的凈編碼增益。

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

第三代FEC和第一代、第二代FEC的區別是：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，是非彼即此的一級量化；而軟判決則是多級量化，充分利用譯碼器通過概率譯碼，充分利用波道信號中所包含的相關信道干擾的統計信息，以此獲得比硬判決譯碼更大的編碼增益。

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

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

在具體的軟判決碼型方案中，在波長轉換單板上需要完成大量的運算來保證單波信號的性能。軟判決的凈編碼增益，是經過對開銷的運算處理得到的，所以編碼冗余度越大則能獲得更多的凈增益。當前基于LDPC碼構造的高性能FEC方案，在經典的LDPC碼基礎上，創新地融合了交織技術、級聯技術等手段，相對傳統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高速光傳輸系統的應用需求。

總之，FEC技術經過從經典硬判決到現在的軟判決技術的發展，通過運用獨特的級聯流水架構，有效地降低了軟判決譯碼地實現復雜度。這種新型的100G SD-FEC軟判決技術采用20%以上的開銷，結合發送端頻譜壓縮技術，采用100%軟判決，在傳送帶寬增加的同時，降低速率提升的傳輸代價，保證高開銷軟判決FEC帶來的增益性能，并使其延時大大減低，為100G WDM系統在今后網絡發展和全業務競爭中提供有力保障。

參考文獻：

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[3] 林思偉.基于無線光通信的增強型FEC研究[D].電子科技大學，2010.

作者簡介：

楊兆祥（1982-），男，漢族，河北藁城人，現任中國聯合網絡通信有限公司石家莊市分公司網絡維護中心工程師，主要負責長途傳輸網絡維護工作。