關(guān)鍵詞： SD-FEC , 100G , 軟判決 , 華為 , FEC

FEC實現(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時代的直接調(diào)制方式到10G時代的外調(diào)制方式及DCM色散補償；10G時代到40G時代是OOK調(diào)制技術(shù)向PSK調(diào)制技術(shù)的轉(zhuǎn)變；40G時代到100G時代的關(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(fù)用技術(shù)的發(fā)展過程中，前向糾錯（FEC，F(xiàn)orward Error Correction）技術(shù)作為實現(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的方向。

2013-3-10 20:56:03 上傳

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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信息作為一個分組進行編碼，加入（n-k）bit的冗余校驗信息，組成長度為n bit的碼字。碼字經(jīng)過信道到達接收端之后，如果錯誤在可糾范圍之內(nèi)，通過譯碼即可檢查并糾正錯誤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，有效降低系統(tǒng)的誤碼率，延長傳輸距離，實現(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、碼字方案這三個主要因素決定。
（1）編碼開銷：校驗位長度（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)計的需求來確定。

2013-3-10 20:56:02 上傳

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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)可以實現(xiàn)。隨著傳送技術(shù)的發(fā)展，100G時代快速到來，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，由于其良好的糾錯性能，且非常適合高并行度實現(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 標準，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7000km的遠洋通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)速率達到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。

2013-3-10 20:55:32 上傳

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圖3 光通信FEC的演進

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)進行硬判決譯碼。這種方式實際上丟失了信號中包含的信道干擾的統(tǒng)計特征信息。

2013-3-10 20:55:25 上傳

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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。幸運的是，集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展使得軟判決得以實現(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)時計算機處理能力的限制，LDPC碼很長時間內(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)注的熱點之一。

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圖5 LDPC碼校驗矩陣及其Tanner圖表示

LDPC碼的名稱來源于其校驗矩陣是稀疏矩陣，即校驗矩陣中只有數(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矩陣建立的碼字內(nèi)比特間建立的運算關(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)點和校驗節(jié)點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(yīng)；譯碼復(fù)雜度僅隨著碼長線性增長，計算復(fù)雜性相對較低；可以實現(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)的六項工程目標和四大創(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(yīng)用于中國航天領(lǐng)域。LDPC糾錯能力強、編碼增益高的特點，可進一步提高信道余量，進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)界認為是下一代主流的傳輸速率。隨著電子技術(shù)的飛速進步，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(yīng)用到100G傳輸提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
同時，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、覆蓋范圍有限的問題?；贚DPC的軟判決前向糾錯（SD-FEC）為進一步提升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：
· 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，延時大為降低。
· 獨特的級聯(lián)流水線架構(gòu)，顯著降低了軟判決譯碼的實現(xiàn)復(fù)雜度。
· 創(chuàng)新軟判決架構(gòu)，可擴展實現(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，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。
· 軟判決FEC與獨特的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，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。