什么是前向糾錯（FEC）？FEC最全解析

光模塊正在向著高速率、遠距離方向發展。與100G以太網及更高速率的高速通信時，可能會出現傳輸錯誤，信號的傳輸距離會受到很多因素的限制。比如偏振模色散、色度色散、噪聲、非線性效應等，這些因素會限制傳輸速率和傳輸距離同時提升。另外在實際傳輸過程中也并不存在理想的數字通道，信號在各種媒體的傳輸過程中總會產生畸變和非等時時延，這就意味著誤碼和抖動，而FEC編解碼技術可以較好的改善誤碼性能。

什么是FEC？

前向糾錯碼（FEC）和信道編碼是在傳輸信道可靠性不高、強噪聲干擾信道中進行數據傳輸時，用來控制接收數據包誤碼率（丟包、亂碼）的一項技術。

我們的世界充滿了噪聲。噪聲影響一切，包括數據傳輸和通信系統，無法擺脫。光通信系統的接收器直接受到噪聲的影響，這使得理解接收到的信息變得更加困難。從技術上講，當波通過光纖傳輸時，噪聲會對光強度產生影響，而在長距離傳輸時，光色散會在信號中產生明顯的缺陷。每當有噪聲或光色散失真的影響時，光脈沖就會退化并失去其作為0或1的意義，接收器將接收到的光脈沖轉換為電壓。當接收器這樣做時噪聲太大，它會錯誤地解釋數據，將0讀為1或將1讀為0。

FEC，在這一點上發揮作用，因為它減少了噪聲對光傳輸系統傳輸質量的影響。通過在傳輸之前將開銷信息添加到比特流中，該方法能夠檢測和糾正比特流中可能存在的部分錯誤。數據塊受專門函數的約束，這些函數的輸出是奇偶校驗位的生成。開銷由冗余位組成，其中還包含奇偶校驗位。之后，將初始數據塊和這些新數據拼接在一起，產生FEC碼字。之后，這個FEC碼字沿著傳輸線發送。

需要在接收端的設備上配置相同的FEC模式，以便接收端的FEC解碼器機制知道對FEC碼字應用什么樣的功能。這允許接收器FEC解碼器機制選擇功能來重新生成數據并以高精度去除FEC開銷。結果，產生了初始數據比特流，然后將其發送到更高的網絡層。

FEC類型

FEC代碼可以檢測并糾正有限數量的錯誤，而無需重新傳輸數據流。FEC碼分為兩種類型：塊碼和卷積碼。塊碼被歸類為硬判決FEC，而卷積碼被歸類為軟判決 FEC。

為了糾正錯誤，塊代碼使用固定大小的塊。最常見的塊代碼類型是Reed-Solomon。硬判決FEC算法代碼采用固定長度的代碼，判斷每個符號對應的是0還是1。

軟判決FEC算法中使用了卷積碼，它們使用可變長度的符號流，并為0或1決策引入置信因子。這意味著接收器可以根據信號的幅度將位解釋為0或1，如果它處于0置信區間或1置信區間內。這些代碼將光傳輸系統的總距離可達性提高了30-40%。因此，軟判決FEC有一個缺點：它增加了15-30%的開銷，硬判決塊代碼是其三倍大。軟判決FEC算法分支包括Trellis糾錯碼。

Reed-Solomon糾錯碼是當今通信行業中使用最廣泛的錯誤檢測機制。Reed-Solomon碼對數據塊進行操作，該數據塊表示為一組稱為符號的有限域元素，Reed-Solomon碼可以檢測和糾正各種符號錯誤。

當今通信鏈路中最常見的兩種FEC方案是RS-FEC（528、514）和RS-FEC（544、514）。RS FEC(544,514)用于400G PAM4光模塊鏈路和100G PAM4 (CAUI-2)鏈路；而RS-FEC（528、514）用于100G NRZ鏈路。

以下是兩種RS-FEC方案的區別：

RS-FEC(528,514)編碼以514符號的數據字段開始，每個符號10位，并添加14個奇偶校驗符號以形成528符號的編碼碼字。然而，RS-FEC (544, 514)使用30個奇偶校驗符號組成544個符號編碼的碼字。

由于PAM-4信號在電壓電平之間具有更緊密的間距，因此眼圖幅度是類似NRZ信號的三分之一，它略大并使用更多開銷。結果，PAM-4信號的SNR降低并且更容易受到噪聲的影響。為了補償較低的SNR，KP-FEC設計有較高的編碼增益。KP-FEC有可能糾正每個碼字多達15個符號，而KR-FEC最多只能糾正7個符號。

FEC優缺點

事物不止有美好的一面，因此使用FEC（前向糾錯）有幾個優缺點需要注意。

優點

FEC具有成本效益。該技術的主要功能是糾正傳輸錯誤，因此我們可以使用相同的硬件組件獲得更好的結果，無需更昂貴的激光器和接收器。

FEC實時運行，可以使用簡單的算法在幾秒鐘內糾正代碼。

增加互連距離。在糾正代碼時，FEC有助于在更遠的距離接收信號，例如，使用SD-FEC在100G鏈路上可以實現高達30-40%的距離增加。

降低誤碼率(BER) 。

如果檢測到錯誤，FEC不需要重傳整個幀，僅檢測和糾正冗余位。節省了原本會用于重傳的帶寬。

缺點

延遲增加。FEC采用一種算法，將開銷字節添加到有效載荷中，隨著有效載荷的減少，將數據從A點傳輸到B點所需的時間會更長。

鏈路配置可能需要額外的改動，因為鏈路的兩端必須使用相同類型的FEC；因此，在互連不同品牌設備時，請記住這一點。

總的來說，在大多數情況下使用前向糾錯的優點大于缺點，但它并不適用于每個光模塊。FEC的實現和使用通常由使用光模塊的系統以及模塊本身的類型決定。

FEC注意事項

在鏈路兩端匹配FEC

使用FEC時，需要考慮的一個簡單因素是必須在鏈路兩側的交換機和光模塊之間使用匹配的FEC類型。例如，如果光模塊支持RS-FEC，則其插入的主機設備也必須支持RS-FEC，并且鏈路設置的另一端必須遵循相同的原則。但是，如果鏈路一側的設備支持RS-FEC，而鏈路另一側的設備支持SD-FEC，則FEC功能將不起作用，并且鏈路將無法在FEC開啟的情況下工作。同樣，如果FEC在鏈路的一側打開而在另一側未打開，則該鏈路將不起作用。

RS-FEC 25G前向糾錯

Reed-Solomon前向糾錯用于許多25G SFP28光模塊，以增加25G-CSR、25G-LR、25G-ER和BIDI場景中的范圍。

NRZ 100G前向糾錯

除了100GBASE-LR4和100GBASE-ER4使用LAN-WDM發射器并且無需FEC即可達到所需的10km和40km距離之外，所有100G NRZ模塊要達到最大傳輸距離都需要在主機平臺上啟用RS FEC(528,514)。

100G PAM4前向糾錯

100G PAM4模塊（100GBASE-DR、100GBASE-FR、100GBASE-LR和100G-ER）在光模塊數字信號處理器(DSP)芯片內置了RS FEC(544、514) PAM4 (KP1)，當這些模塊被主機檢測到，主機平臺上的FEC被禁用。

PAM4 400G前向糾錯

為了實現最佳性能，必須在主機設備上為基于PAM4的400G QSFP-DD模塊啟用FEC (544,514)。

結論

總而言之，隨著當前事件增加系統帶寬和整體網絡速度，在長距離傳輸時必須考慮糾錯。前向糾錯使您能夠接收高質量的信號而不會受到噪聲的干擾，噪聲會使信號失真，并且它可以通過低成本組件提供更長的傳輸距離。FEC技術已經是一個熱門話題，但我們可以預期它會隨著速度和光調制技術的進步而變得更加流行。

審核編輯黃昊