Forward Error Correction (FEC) bei der 100G-Datenübertragung

Da die Anforderungen an die Bandbreite steigen und die Toleranz gegenüber Fehlern und Latenzzeiten sinkt, haben die Entwickler von Datenkommunikationssystemen nach neuen Möglichkeiten gesucht, die verfügbare Bandbreite zu erweitern und die Qualität der Übertragung zu verbessern. Eine Lösung ist nicht wirklich neu, hat sich aber als sehr nützlich erwiesen. Es handelt sich um die Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC), eine Technik, die seit Jahren eingesetzt wird, um eine effiziente, qualitativ hochwertige Datenübertragung über verrauschte Kanäle zu ermöglichen. Angesichts der zunehmenden Datenübertragungskapazität und der immer größeren Entfernungen sollten wir mehr über die FEC-Technik in optischen Netzen erfahren.

Was ist FEC?

Die Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) ist ein digitales Signalverarbeitungsverfahren, das zur Verbesserung der Datensicherheit eingesetzt wird. Zu diesem Zweck werden vor der Datenübertragung oder -speicherung redundante Daten, so genannte Fehlerkorrekturcodes, eingefügt. FEC gibt dem Empfänger die Möglichkeit, Fehler zu korrigieren, ohne dass ein Rückkanal für die erneute Übertragung der Daten erforderlich ist. Wie wir wissen, können sich optische Signale während der Übertragung aufgrund einiger Faktoren verschlechtern, was zu einer Fehleinschätzung beim Empfänger führen kann, der möglicherweise ein „1“-Signal mit einem „0“-Signal oder ein „0“-Signal mit einem „1“-Signal verwechselt. Wenn die Anzahl der Fehler bei der Übertragung innerhalb der Korrekturkapazität liegt (diskontinuierliche Fehler), lokalisiert und korrigiert der Kanaldecoder die falsche „0“ oder „1“, um die Qualität des Signals zu verbessern.

Abbildung 1: Das Funktionsprinzip der FEC

Die Entwicklung der Vorwärtsfehlerkorrektur in der optischen Kommunikation lässt sich in drei Generationen unterteilen. Die erste Generation der FEC ist die erste, die erfolgreich in U-Booten und terrestrischen Systemen eingesetzt wurde. Als die WDM-Systeme ausgereift waren, wurde eine stärkere FEC der zweiten Generation in kommerziellen Systemen installiert. Das Aufkommen von FEC der dritten Generation eröffnete neue Perspektiven für die nächste Generation von optischen Kommunikationssystemen.

Was sind die Arten und Merkmale von FEC?

Arten

Gegenwärtig sind die praktischen FEC-Technologien für SDH (Synchronous Digital Hierarchy) und DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) im Wesentlichen wie folgt:

In-Band-FEC. In-Band-FEC wird durch den ITU-T-Standard G.707 unterstützt. Die überwachten Symbole des FEC-Codes werden unter Verwendung eines Teils der Overhead-Bytes im SDH-Rahmen geladen. Der Kodierungsgewinn ist gering (3-4dB).

Out-of-Band-FEC. Out-of-Band-FEC wird durch den ITU-T G.975/709 Standard unterstützt. Der Out-of-Band-FEC hat eine große Kodierungsredundanz, eine starke Fehlerkorrekturfähigkeit, eine große Flexibilität und einen hohen Kodierungsgewinn (5-6 dB).

Erweitertes FEC (EFEC). Enhanced FEC wird hauptsächlich in optischen Kommunikationssystemen eingesetzt, bei denen die Anforderungen an die Verzögerung nicht so streng sind und die Anforderungen an den Kodierungsgewinn besonders hoch sind. Obwohl der Kodierungs- und Dekodierungsprozess von EFEC derzeit komplizierter und weniger anwendbar ist, wird er sich aufgrund seiner Leistungsvorteile zu einer praktischen Technologie entwickeln und zum Hauptbestandteil der nächsten Generation von Out-of-Band-FEC werden.

Merkmale

FEC verringert die Anzahl der Übertragungsfehler, erweitert die Betriebsreichweite und reduziert den Energiebedarf von Kommunikationssystemen. FEC erhöht auch den effektiven Systemdurchsatz, selbst mit den zusätzlichen Prüfbits, die den Datenbits hinzugefügt werden, da die Notwendigkeit entfällt, durch Zufallsrauschen beschädigte Daten erneut zu übertragen.

Die FEC erhöht unabhängig davon die Zuverlässigkeit der Daten beim Empfänger. Innerhalb eines Systemkontextes wird die FEC zu einer Basistechnologie, die der Systementwickler auf verschiedene Weise nutzen kann. Der offensichtlichste Vorteil der Verwendung von FEC liegt in Bezug auf leistungsbegrenzte Systeme. Durch die Verwendung von Signalen höherer Ordnung können jedoch auch Bandbreitenbeschränkungen angesprochen werden. In vielen drahtlosen Systemen ist die zulässige Sendeleistung begrenzt. Diese Einschränkungen können durch die Einhaltung eines Standards oder durch praktische Erwägungen hervorgerufen werden. Mit FEC ist es möglich, mit wesentlich höheren Datenraten zu übertragen, wenn zusätzliche Bandbreite zur Verfügung steht.

Anwendung des FEC in 100G-Netzen

Im Zusammenhang mit Glasfasernetzwerken wird FEC verwendet, um das optische SNR (OSNR) zu verbessern - einer der Schlüsselparameter, der bestimmt, wie weit eine Wellenlänge gehen kann, bevor sie regeneriert werden muss. FEC ist besonders wichtig bei Hochgeschwindigkeitsdatenraten, bei denen fortschrittliche Modulationsverfahren erforderlich sind, um die Dispersion und die Übereinstimmung des Signals mit dem Frequenzraster zu minimieren. Ohne die Integration von FEC wäre die 100G-Übertragung auf extrem kurze Entfernungen beschränkt. Um eine Langstreckenübertragung (> 2500 km) zu realisieren, muss die Systemverstärkung um ca. 2 dB weiter verbessert werden. Die Aufwertung von FEC von Hard-Decision zu Soft-Decision schließt diese Leistungslücke.

Da der Drang nach immer höheren Übertragungsraten weitergeht, haben Soft-Decision-Forward Error Correction (SD-FEC) an Popularität gewonnen. Obwohl diese einen Byte-Overhead von etwa 20% erfordern können - fast dreimal so groß wie das ursprüngliche RS-Codierungsverfahren - sind die Gewinne, die sie im Zusammenhang mit Hochgeschwindigkeitsnetzwerken erzielen, beträchtlich. Eine FEC, die in einem 100G-Netz zu einem Gewinn von 1 bis 2 dB führt, bedeutet zum Beispiel eine um 20 bis 40 % größere Reichweite.

Wichtige Themen rund um FEC in 100G-Netzen

Was ist bei der Konfiguration von FEC in 100G-Netzen zu beachten? Es wird empfohlen, die folgenden Tipps zu beachten.

Implementierungsmethode

Einige Spezialmodule verfügen über eigene FEC-Funktionen, z. B. das FS 100G CFP-Konvertierungsmodul. Während 100G QSFP28 optische Module hauptsächlich auf die FEC-Funktionskonfiguration auf dem Gerät angewiesen sind, um die Fehlerkorrektur zu realisieren, z. B. 100G-Switches.

FEC-Unterstützung bei Switches

Die Konfiguration von FEC auf 100G Switches ist nur möglich, wenn der Switch dies unterstützt, und das ist nicht bei allen Switches der Fall. Alle von FS angebotenen 100G-Switches unterstützen jedoch FEC.

Tabelle 1. Spezifikationen der FS 100G-Switches

Hinweis: Bei FS 100G-Switches ist FEC standardmäßig aktiviert. Wenn sie nach dem Ausschalten aktiviert werden soll, kann der Befehl FEC enable konfiguriert werden.

Aktivierung von FEC auf 100G QSFP28-Transceivern

Die FEC-Funktion ist nicht nur ein Vorteil, sondern der Prozess der Fehlerkorrektur verursacht unweigerlich eine gewisse Verzögerung der Datenpakete. Daher ist sie nicht für alle 100G QSFP28-Transceiver erforderlich. Gemäß dem IEEE-Standardprotokoll wird die Aktivierung von FEC bei der Verwendung von QSFP28-LR4-100G-Transceivern nicht empfohlen, es sei denn, es wird empfohlen, sie zu aktivieren. Da die Technologie der optischen 100G-QSFP28-Module von Unternehmen zu Unternehmen variiert, ist die Situation nicht exakt gleich. In der folgenden Tabelle wird erklärt, ob es empfohlen wird, FEC zu aktivieren, wenn die optischen FS 100G QSFP28-Module verwendet werden.

Tabelle 2. Spezifikationen der FS 100G QSFP28-Transceiver

FEC-Funktionskonsistenz an beiden Enden der Verbindung

Die FEC-Funktion des Ports ist Teil der Auto-Negotiation. Wenn die Auto-Negotiation des Ports aktiviert ist, wird die FEC-Funktion durch Verhandlung an beiden Enden der Verbindung bestimmt. Wenn die FEC-Funktion an einem Ende aktiviert ist, sollte das andere Ende sie auch aktivieren, andernfalls ist der Port nicht aktiv.

Stacking & FEC

Das Konfigurieren des FEC-Befehls wird nicht unterstützt, wenn der Port bereits als physikalischer Stacking-Port konfiguriert ist. Umgekehrt unterstützen Ports, die mit FEC-Befehlen konfiguriert wurden, die Konfiguration als physisches Stacking-Mitglied nicht.

Fazit

Die Rolle von FEC ist in der Glasfaserkommunikation von entscheidender Bedeutung geworden, da die Geschwindigkeit von Backbone-Netzwerken auf 40 und 100G steigt, insbesondere wenn schlechte optische Signal-zu-Rausch-Umgebungen angetroffen werden. Solche Umgebungen werden in Umgebungen mit höherer Geschwindigkeit immer üblicher, da mehr optische Verstärker in den Netzwerken eingesetzt werden. Angesichts all dieser Entwicklungen wird FEC auch in zukünftigen Netzwerken eine Rolle spielen. Um den normalen Betrieb des Netzwerks zu gewährleisten, wird empfohlen, der FEC-Funktion auf den optischen Modulen besondere Aufmerksamkeit zu widmen, um die Leistung bei der Datenübertragung zu verbessern.