实现100G高性能传输的SD-FEC关键技术

　　FEC实现光通信系统的可靠传输
　　伴随着网络流量的快速增长，波分复用技术作为现在通信系统的基础承载技术，也经历了容量从小到大的发展过程。在这一发展过程中，每一次单波长速率的提升都伴随着技术的重大变化：从单波长2.5G时代的直接调制方式到10G时代的外调制方式及DCM色散补偿；10G时代到40G时代是OOK调制技术向PSK调制技术的转变；40G时代到100G时代的关键技术特征则是高速DSP（ADC采样速率达到56Gbit/s以上）使能的相干技术。
　　在波分复用技术的发展过程中，前向纠错（FEC，Forward Error Correction）技术作为实现信息可靠传输的关键，逐渐成为必不可少的主流技术。光纤通信中的FEC也经历了几代技术的演变，从经典硬判决，到级联码，而100G相干技术的出现使得软判决成为演进的方向。

图1 FEC在光通信中的位置

　　FEC技术是一种广泛应用于通信系统中的编码技术。以典型的分组码为例，其基本原理是：在发送端，通过将kbit信息作为一个分组进行编码，加入（n-k）bit的冗余校验信息，组成长度为n bit的码字。码字经过信道到达接收端之后，如果错误在可纠范围之内，通过译码即可检查并纠正错误bit，从而抵抗信道带来的干扰，提高通信系统的可靠性。在光通信系统中，通过FEC的处理，可以以很小的冗余开销代价，有效降低系统的误码率，延长传输距离，实现降低系统成本的目的。
　　FEC的使用可以有效提高系统的性能，根据香农定理可以得到噪声信道无误码传输的极限性能（香农限），如图2所示。从图2可以看出，FEC方案的性能主要由编码开销、判决方式、码字方案这三个主要因素决定。
　　（1）编码开销：校验位长度（n-k）与信息位长度k的比值，称为编码开销。开销越大，FEC方案的理论极限性能越高，但增加并不是线性的，开销越大，开销增加带来的性能提高越小。开销的选择，需要根据具体系统设计的需求来确定。

图2 硬判决FEC和软判决FEC的香农限

　　（2）判决方式：FEC的译码方式分为硬判决译码和软判决译码两种。硬判决FEC译码器输入为0，1电平，由于其复杂度低，理论成熟，已经广泛应用于多种场景。软判决FEC译码器输入为多级量化电平。在相同码率下，软判决较硬判决有更高的增益，但译码复杂度会成倍增加。微电子技术发展到今天，100G吞吐量的软判决译码已经可以实现。随着传送技术的发展，100G时代快速到来，软判决FEC的研究与应用正日趋成熟，并将在基于相干接收的高速光通信中得到广泛应用。
　　（3）码字方案：当确定开销和判决方式后，设计优异码字方案，使性能更接近香农极限，是FEC的主要研究课题。目前，软判决LDPC码，由于其良好的纠错性能，且非常适合高并行度实现，逐步成为高速光通信领域主流FEC的方案。
　　第三代FEC是高性能传输的关键
　　FEC在光纤通信中的应用研究起步较晚，从1988年Grover最早将FEC用于光纤通信开始，光纤通信中的FEC应用可分为三代。
　　第一代FEC：采用经典的硬判决码字，例如汉明码、BCH码、RS码等。最典型的代表码字为RS（255，239），开销6.69%，当输入BER为1.4E-4时输出BER为1E-13，净编码增益为5.8dB。RS（255，239）已被推荐为大范围长距离通信系统的ITU-T G.709 标准，可以很好匹配STM16帧格式，获得了广泛应用。1996年RS（255，239）被成功用于跨太平洋、大西洋长达7000km的远洋通信系统中，数据速率达到5Gbit/s。
　　第二代FEC：在经典硬判决码字的基础上，采用级联的方式，并引入了交织、迭代、卷积的技术方法，大大提高了FEC方案的增益性能，可以支撑10G甚至40G系统的传输需求，许多方案性能均达到8dB以上。ITU-T G .975.1中推荐的FEC方案可以作为第二代FEC的代表。
　　现有10G系统多采用第二代硬判决FEC，采用更大开销的硬判决FEC可以支撑现有系统的平滑升级。例如，10G海缆传输系统目前采用ITU-T G .975.1推荐的开销为6.69%的硬判决FEC方案，若采用20%开销的高性能硬判决FEC，较现有方案可提高1.5dB左右的编码增益，极大改善系统的性能。
　　第三代FEC：相干接收技术在光通信中的应用使软判决FEC的应用成为可能。采用更大开销（20%或以上）的软判决FEC方案，如Turbo 码、LDPC 码和TPC码，可以获得大于10dB的编码增益，有效支撑40G、100G至400G的长距离传输需求。

图3 光通信FEC的演进现有40G系统可以采用更大开销硬判决FEC完成平滑升级，也可以基于相干接收方案采用软判决FEC，从而提供更强的传输性能。而100G以及400G光传输系统采用相干接收技术，非常适合采用软判决FEC技术。基于软判决FEC，采用级联、