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

Migelle

Übersetzer*in Felix
25. Oktober 2019

Da die Anforderungen an die Bandbreite steigen und die Toleranz für Fehler und Latenzzeiten abnimmt, haben die Entwickler von Datenkommunikationssystemen nach neuen Wegen gesucht, um die verfügbare Bandbreite zu erweitern und die Qualität der Übertragung zu verbessern. Eine dieser Lösungen ist nicht wirklich neu, hat sich aber als sehr nützlich erwiesen. Sie heißt Forward Error Correction (FEC), eine Technik, die seit Jahren eingesetzt wird, um eine effiziente und qualitativ hochwertige Datenkommunikation über verrauschte Kanäle zu ermöglichen. Heute, mit der Erhöhung der Datenübertragungskapazität und der Erweiterung der Entfernung, wollen wir mehr über die FEC-Technik in optischen Netzwerken erfahren.

Was ist FEC?

Die Forward Error Correction (FEC) ist eine digitale Signalverarbeitungstechnik, die zur Erhöhung der Datensicherheit eingesetzt wird. Dies geschieht durch die Einführung redundanter Daten, genannt Fehlerkorrekturcode, vor der Datenübertragung oder -speicherung. Die FEC bietet dem Empfänger die Möglichkeit, Fehler zu korrigieren, ohne dass ein Rückkanal zur Anforderung einer erneuten Datenübertragung vorhanden ist. Wie wir wissen, kann es vorkommen, dass sich optische Signale während der Übertragung aufgrund einiger Faktoren verschlechtern, was zu einer Fehleinschätzung auf der Empfängerseite führen kann, wobei möglicherweise das "1"-Signal mit dem "0"-Signal oder das "0"-Signal mit dem "1"-Signal verwechselt wird. Wenn die Anzahl der Übertragungsfehler innerhalb der Korrekturkapazität liegt (diskontinuierliche Fehler), wird der Kanaldecoder die falsche "0" oder "1" finden und korrigieren, um die Qualität des Signals zu verbessern.

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Abbildung 1: Das Funktionsprinzip der FEC

Die Entwicklung der Forward Error Correction in der optischen Kommunikation lässt sich in drei Generationen einteilen. Die erste Generation der FEC ist die erste, die erfolgreich in U-Booten und terrestrischen Systemen eingesetzt wird. Mit der Reifung der WDM-Systeme wurde eine stärkere zweite Generation FEC in kommerzielle Systeme eingebaut. Mit dem Aufkommen der dritten FEC-Generation eröffneten sich neue Perspektiven für die nächste Generation optischer Kommunikationssysteme.

Was sind die verschiedenen Arten und Eigenschaften von FEC?

Arten

Die praktischen FEC-Technologien für SDH (Synchronous Digital Hierarchy) und DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) sind derzeit im Wesentlichen folgende:

In-Band FEC. Die In-Band-FEC wird durch den ITU-T G.707 Standard unterstützt. Die überwachten Symbole des FEC-Codes werden über einen Teil der Overhead-Bytes im SDH-Frame geladen. Die Kodierverstärkung ist gering (3-4dB).

Out-of-Band FEC. Die Out-of-Band-FEC wird vom ITU-T-Standard G.975/709 unterstützt. Die Out-of-Band FEC hat eine große Kodierredundanz, starke Fehlerkorrekturfähigkeit, starke Flexibilität und hohe Kodierverstärkung (5-6dB).

Enhanced FEC (EFEC). Enhanced FEC wird hauptsächlich in optischen Kommunikationssystemen verwendet, bei denen die Anforderungen an die Verzögerung nicht so hoch sind und die Anforderungen an die Kodierverstärkung besonders hoch sind. Obwohl der Kodierungs- und Dekodierungsprozess von EFEC derzeit komplizierter und weniger anwendbar ist, wird sich diese Technologie aufgrund ihrer Leistungsvorteile zu einer praktischen Technologie entwickeln und zum Mainstream der nächsten Generation von Out-of-Band-FEC werden.

Eigenschaften

FEC reduziert die Anzahl der Übertragungsfehler, erweitert den Betriebsbereich und reduziert den Leistungsbedarf von Kommunikationssystemen. FEC erhöht auch den effektiven Systemdurchsatz, selbst wenn den Datenbits zusätzliche Prüfbits hinzugefügt werden, indem die Notwendigkeit der erneuten Übertragung von durch zufälliges Rauschen verfälschten Daten entfällt.

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 der Glasfaservernetzung wird FEC zur Adressierung des optischen SNR (OSNR) verwendet - einer der Schlüsselparameter, der bestimmt, wie weit eine Wellenlänge reisen kann, bevor sie regeneriert werden muss. Die FEC ist besonders wichtig bei hohen Datenraten, bei denen fortschrittliche Modulationsschemata erforderlich sind, um die Dispersion und die Signalübereinstimmung mit dem Frequenzgitter zu minimieren. Ohne den Einbau von FEC wäre der 100G-Transport auf extrem kurze Distanzen beschränkt. Für die Realisierung von Langstreckenübertragungen (> 2500 km) muss die Systemverstärkung um ca. 2 dB weiter verbessert werden. Mit der Aufrüstung der FEC von Hard-Decision auf Soft-Decision wird diese Leistungslücke geschlossen.

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

Manche Spezialmodule haben eigene FEC-Funktionen, wie z.B. das FS 100G CFP-Konvertierungsmodul. Während das optische Modul 100G QSFP28 hauptsächlich auf die Konfiguration der FEC-Funktion am Gerät angewiesen ist, um eine Fehlerkorrektur zu realisieren, wie z.B. 100G-Schalter.

FEC-Unterstützung bei Switches

Die Konfiguration von FEC auf 100G-Switches kann nur erreicht werden, wenn der Switch dies unterstützt, und nicht alle Switches tun dies. Während alle 100G-Switches von FS FEC unterstützen, ist die Konfiguration von FEC bei 100G-Switches nicht möglich.

Switch-Typ Port-Typ FEC-Support
S5850-48S2Q4C 48*10Gb, 2*40Gb, 4*100Gb Ja (sowohl für 40Gb als auch für 100Gb Ports)
S8050-20Q4C
20*40Gb, 4*100Gb Ja (sowohl für 40Gb als auch für 100Gb Ports)
N8500-48B6C
40*25Gb, 6*100Gb Ja (sowohl für 40Gb als auch für 100Gb Ports)
N8500-32C
32*100Gb Ja

Tabelle 1: Technische Daten der FS 100G-Schalter

Hinweis: Bei den FS 100G-Schaltern ist FEC standardmäßig aktiviert. Um sie nach dem Ausschalten zu aktivieren, kann der Befehl FEC-Enable konfiguriert werden.

Aktivierung von FEC bei 100G QSFP28 Transceivern

Die FEC-Funktion ist nicht nur ein Vorteil, der Prozess der Korrektur des Fehlercodes wird unweigerlich eine gewisse Verzögerung der Datenpakete verursachen. Daher benötigen nicht alle 100G QSFP28 Transceiver diese Funktion. Gemäß dem IEEE-Standardprotokoll ist es nicht empfehlenswert, FEC bei Verwendung von QSFP28-LR4-100G-Transceivern zu aktivieren, außer es wird empfohlen, sie zu aktivieren. Da die Technologie der 100G-QSFP28-Optikmodule von Unternehmen zu Unternehmen unterschiedlich ist, ist die Situation nicht genau die gleiche. Die folgende Tabelle erläutert, ob es empfohlen wird, FEC bei Verwendung der optischen Module FS 100G QSFP28 zu aktivieren.

Transceiver-Typ
Beschreibung FEC
QSFP28-SR4-100G 850nm 100m MTP/MPO Transceiver-Modul für SMF Nein
QSFP28-LR4-100G 1310nm 10km Transceiver-Modul für SMF Nein
QSFP28-PIR4-100G 1310nm 500m Transceiver-Modul für SMF Nein
QSFP28-IR4-100G 1310nm 2km Transceiver-Modul für SMF Ja
QSFP28-EIR4-100G 1310nm 10km Transceiver-Modul für SMF Ja
QSFP28-ER4-100G 1310nm 40km Transceiver-Modul für SMF Ja

Tabelle 2: Technische Daten 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. Mit all diesen 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.

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