实现100G高性能传输的SD-FEC关键技术

卷积、交织等技术，可以提供11dB以上的高性能FEC方案，有效支撑100G和400G系统的应用需求（见图3）。
　　（1）软判决原理
　　硬判决译码器接收的序列中仅包含"0"和"1"序列，主要利用码字中的代数结构进行硬判决译码。这种方式实际上丢失了信号中包含的信道干扰的统计特征信息。

图4 软判决与硬判决的差别

　　为了充分利用接收波形中的信息，提升译码器的正确判决概率，可以将接收的信号进行量化采样（见图4）。译码器利用这些信息可以获得更高的译码准确度，系统性能得到较大幅度的提高。相同码率下，软判决FEC增益性能比硬判决高1.5dB左右。
　　虽然软判决性能优良，但其实现需要高速ADC做信号的采样量化处理，译码器比特吞吐量也是硬判决的好几倍。同时软判决译码算法需要处理更多的信息，也需要考虑由于信道劣化特征造成的噪声概率分布变化，算法复杂性大为增加。幸运的是，集成电路技术的迅猛发展使得软判决得以实现商用。
　　（2）LDPC原理
　　1962年，Gallager首先提出LDPC码（Low Density Parity Check Code，低密度校验码），并给出LDPC码简单构造和硬判决译码算法。但由于其算法复杂度高且当时计算机处理能力的限制，LDPC码很长时间内被忽视。1996年，MacKay 和R. Neal重新研究了LDPC码，发现其具备逼近香农极限的优良性能，LDPC码成为编码领域被关注的热点之一。

图5 LDPC码校验矩阵及其Tanner图表示

　　LDPC码的名称来源于其校验矩阵是稀疏矩阵，即校验矩阵中只有数量很少的元素为"1"，大部分元素都是"0"，这样码字之间可以有较长的码距离。
　　LDPC软判决译码算法采用置信度传播（Belief Propagation，BP）算法或和积（Sum-Product）算法译码。该算法利用量化电平提供的信道信息以及通过校验矩阵建立的码字内比特间建立的运算关系来判断比特的置信度（见图5）。通过在Tanner图上相邻的变量节点和校验节点间传递这些置信度信息，并通过多次迭代的方式，可以有效提升判决的准确度。
　　与基于乘积码构造的Turbo码相比，LDPC同样可以获得接近香农极限的优异性能，在高误码率情况下仍然具有很强的纠错能力。不仅如此，LDPC码还具有较低的错误平层（Error floor）效应；译码复杂度仅随着码长线性增长，计算复杂性相对较低；可以实现并行译码，适合于高速通信系统。因而，LDPC码在光通信、无线通信、深空通信以及磁记录方面得到广泛的应用。
　　中国探月工程二期嫦娥二号工程中，LDPC被列为嫦娥二号任务的六项工程目标和四大创新技术的核心内容之一。2010年11月，清华大学研制的低密度奇偶校验码（LDPC）遥测信道编码试验取得成功，这是LDPC信道编码技术首次应用于中国航天领域。LDPC纠错能力强、编码增益高的特点，可进一步提高信道余量，进而大幅度提高整星测控的可靠性，为未来深空探测提供技术储备。
　　在光通信领域，100G已经被业界认为是下一代主流的传输速率。随着电子技术的飞速进步，高速ADC（超过56Gbit/s的采样速率）和DSP的商用化，100G相干技术以其高频谱效率、高OSNR灵敏度、电CD/PMD补偿，成为主流的100G传输技术。这也为基于LDPC的软判决前向纠错（SD-FEC）应用到100G传输提供了技术基础。
　　同时，100G相干技术虽然在性能上相比非相干技术有大幅提升，但与当前已经被广泛应用的10G/40G传输相比，仍然存在传输距离不够远、覆盖范围有限的问题。基于LDPC的软判决前向纠错（SD-FEC）为进一步提升100G传输性能提供了很好的解决方案。
　　基于LDPC码的软判决高性能FEC方案
　　软判决方案的性能受码字构造，译码算法的影响较大。合理的构造，高效的译码算法，采用交织、级联、卷积等技术手段，充分利用冗余信息可以有效提高软判决方案的性能。
　　华为基于LDPC码构造的高性能FEC方案BICC，在传统的LDPC码基础上，创新地融合了交织技术、级联技术等手段，获得了11.5dB以上的高编码增益, 相对传统的硬判决方案提升了近2.6dB编码增益，可以很好支撑100G高速光传输系统的应用需求。
　　华为100G SD-FEC软判决算法具有如下特点：
　　· 创新的全软判决FEC，可获得更高的增益、更高的集成度和更低的功耗。
　　· 采用100%的软判决，没有级联HD-FEC码，延时大为降低。
　　· 独特的级联流水线架构，显著降低了软判决译码的实现复杂度。
　　· 创新软判决架构，可扩展实现不同功耗、不同性能的灵活解决方案。
　　· 软判决FEC采用20%以上的开销，结合发端频谱压缩技术，可以在传送带宽增加的同时，降低速率提升的传输代价，保证高开销软判决FEC带来的增益性能。
　　· 软判决FEC与独特的DSP算法相结合，提供差异化的应用场景解决方案。
　　随着FEC技术的发展，码字性能越来越接近香农限。然而，FEC技术在光传送系统中的应用需要结合系统的需求，选择合理的开销和判决方式，设计低复杂度、高性能的码字方案。
　　我们知道，硬判决FEC将长期应用于光通信领域，通过对融合、高性能的硬判决方案的研究，可以有效支撑现有10G、40G系统的升级需求。针对100G、400G甚至1T的高速光传输应用，软判决算法将在如何提升吞吐量和净编码增益，降低错误平层和算法复杂度，以及软判决算法如何适应Non-AWGN非线性信道等方面持续改进，以适应更高速率系统的性能要求。我们相信，高性能低复杂度的软判决将成为主流，支撑和推动光传送应用与发展。