Die Bedeutung von FEC für 400G

Die rasche Einführung von 400G-Technologien hat zu einem sprunghaften Anstieg der Bandbreitenanforderungen und einer geringen Toleranz gegenüber Fehlern und Latenzzeiten bei der Datenübertragung geführt. Rechenzentren überdenken jetzt das Design von Datenkommunikationssystemen, um die verfügbare Bandbreite zu erweitern und gleichzeitig die Übertragungsqualität zu verbessern.

Die Erreichung dieses Ziels kann eine ziemliche Herausforderung sein, da die Verbesserung eines Aspekts der Datenübertragung einen anderen beeinträchtigt. Eine Lösung scheint sich jedoch von den anderen abzuheben, wenn es darum geht, eine zuverlässige, effiziente und hochwertige Datenübertragung zu ermöglichen. In den folgenden Abschnitten erfahren Sie mehr über die Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) und die 400G-Technologie, einschließlich der FEC-Überlegungen für 400Gbps Ethernet.

Was ist FEC?

Forward Error Correction (Vorwärtsfehlerkorrektur) ist eine Methode zur Fehlerbehebung, die bei digitalen Signalen zur Verbesserung der Datensicherheit eingesetzt wird. Die Technik wird verwendet, um Fehler in den übertragenen Daten zu erkennen und zu korrigieren, ohne die Daten erneut zu übertragen.

Bei FEC werden redundante Daten und der Fehlerkorrekturcode vor der Datenübertragung eingefügt. Die redundanten Bits/Daten sind komplexe Funktionen der ursprünglichen Informationen und werden mehrfach gesendet, da in jedem übertragenen Muster ein Fehler auftreten kann. Der Empfänger korrigiert dann die Fehler, ohne eine erneute Übertragung der Daten anzufordern, indem er nur die Teile der Daten bestätigt, die keine offensichtlichen Fehler aufweisen.

FEC-Codes können auch Bitfehlerraten-Signale erzeugen, die als Feedback für die Feinabstimmung der analogen Empfangselektronik verwendet werden. Das Konzept des FEC-Codes bestimmt die Anzahl der fehlenden Bits, die korrigiert werden können. Blockcodes und Faltungscodes sind die beiden weit verbreiteten FEC-Code-Kategorien. Faltungscodes verarbeiten Daten beliebiger Länge und verwenden den Viterbi-Algorithmus für die Dekodierung. Blockcodes hingegen verarbeiten Datenpakete fester Größe, und partielle Codeblöcke werden in polynomialer Zeit zur Codeblocklänge dekodiert.

Was ist 400G?

Dies ist die nächste Generation der Cloud-Infrastruktur, die von Rechenzentren mit hohem Verkehrsaufkommen, Telekommunikationsdienstleistern und anderen großen Unternehmen mit unablässigem Datenübertragungsbedarf genutzt wird. Der rasant steigende Netzwerkverkehr stellt die Netzwerkbetreiber immer wieder vor Bandbreitenprobleme. Dieser exponentielle Anstieg des Datenverkehrs wird durch den zunehmenden Einsatz von maschinellem Lernen, Cloud Computing, künstlicher Intelligenz (KI) und IoT-Geräten verursacht.

Verglichen mit der bisherigen 100G-Lösung ist 400G, auch bekannt als 400GbE oder 400GB/s, viermal schneller. Dieses Terabit-Ethernet überträgt Daten mit 400 Milliarden Bits pro Sekunde, d. h. in optischer Wellenlänge; daher findet es Anwendung in Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsanwendungen.

Die 400G-Technologie bietet auch die Leistung, Datendichte und Effizienz, die für Spitzentechnologien wie Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR), 5G und 4K-Video-Streaming erforderlich sind. Die Geschwindigkeiten verbrauchen nicht nur weniger Strom, sondern unterstützen auch Scale-out- und Scale-up-Architekturen, indem sie eine hohe Dichte, niedrige Kosten pro Bit und einen zuverlässigen Durchsatz bieten.

Warum 400G FEC erfordert

Mehrere Rechenzentren setzen 400-Gigabit-Ethernet ein, da die schnelleren Netzwerkgeschwindigkeiten und die erweiterten Anwendungsmöglichkeiten neue Geschäftsmöglichkeiten eröffnen. Dieser 400GE-Datenübertragungsstandard verwendet die PAM4-Technologie, die eine doppelt so hohe Übertragungsgeschwindigkeit wie die für 100GE verwendete NRZ-Technologie bietet.

Die höhere Geschwindigkeit und der Komfort von PAM4 bringen auch ihre eigenen Herausforderungen mit sich. So ist die Übertragungsgeschwindigkeit von PAM4 doppelt so hoch wie die von NRZ, aber die Signalpegel sind nur halb so hoch wie bei der 100G-Technologie. Dadurch verschlechtert sich das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), so dass 400G-Übertragungen anfälliger für Verzerrungen sind.

Daher wird die Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) eingesetzt, um das Problem der Verzerrung von Wellenformen zu lösen, das bei der 400GE-Übertragung auftritt. Allerdings beträgt die tatsächliche Übertragungsrate einer 400G-Ethernet-Verbindung 425 Gbps, wobei die zusätzlichen 25 Bits für die Einrichtung der FEC-Techniken verwendet werden. 400GE-Elemente, wie DR4- und FR4-Optik, weisen Übertragungsfehler auf, die mit Hilfe von FEC korrigiert werden.

FEC-Überlegungen für 400Gbps-Ethernet

Bei den 802.3bj-Standards wird häufig eine FEC-Latenzzeit von 100 ns oder weniger angestrebt. Hier beträgt die Empfangszeit für einen FEC-Frame etwa 50 ns, während das restliche Zeitbudget für die Dekodierung verwendet wird. Dieses Ziel für die FEC-Latenzzeit ist praktisch und realisierbar.

Die Verwendung eines ähnlichen/gleichen FEC-Codes für die 400-GbE-Übertragung ermöglicht eine geringere Latenz. Wenn jedoch ein höherer FEC-Codierungsgewinn erforderlich ist, z. B. auf PMD-Ebene, kann man die FEC-Latenz gegen den gewünschten Codierungsgewinn eintauschen. Es wird daher empfohlen, ein ähnliches Latenzziel (vorzugsweise 100 ns) beizubehalten und gleichzeitig einen höheren FEC-Codierungsgewinn anzustreben.

Wenn PAM4-Modulation verwendet wird, kann die angestrebte Kodierungsverstärkung (CG) von FEC über 8 dB betragen. Da FEC mit Soft-Decision einen übermäßigen Stromverbrauch hat, wird es für 400GE-Einsätze nicht oft bevorzugt. Ebenso benötigen herkömmliche Blockcodes mit ihrer begrenzten Latenzzeit ein höheres Overlocking-Verhältnis, um das Ziel zu erreichen.

Unter der Annahme, dass ein ähnliches Transkodierungsschema wie in 802.3bj verwendet wird, sollte die Overlocking-Verhältnis weniger als 10 % betragen. Dies trägt dazu bei, den Anstieg der Leitungsrate zu minimieren und gleichzeitig einen ausreichenden Kodierungsgewinn bei begrenzter Latenz zu gewährleisten.

Bei einer Latenzzeit von 100 ns und einem Übertaktungsverhältnis von weniger als 10 % sind also FEC-Codes mit einem Codierungsgewinn von etwa 8,5 dB für eine 400GE-Übertragung realisierbar. In ähnlicher Weise können Sie M (d.h. M>1) unabhängige Encoder für M-interleaved Blockcodes einsetzen, anstatt parallele Encoder zu verwenden, um einen 400G-Durchsatz zu erreichen.

Fazit

Die 400GE-Übertragung bietet Rechenzentren und großen Unternehmen, die für einen effizienten Betrieb auf Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung angewiesen sind, mehrere Vorteile. Diese 400G-Technologie ist zwar sehr zuverlässig, führt aber auch zu einigen Übertragungsfehlern, die mit Vorwärtsfehlerkorrekturtechniken effektiv behoben werden können. Es gibt auch einige FEC-Überlegungen für 400G-Ethernet, von denen die meisten von Ihren individuellen Datenübertragungs- und Netzwerkanforderungen abhängen.