Correction d'erreur directe (FEC) dans la transmission de données 100G

Comme les exigences de bande passante augmentent et que la tolérance aux erreurs et à la latence diminue, les concepteurs de systèmes de communication de données sont à la recherche de nouvelles solutions pour améliorer la bande passante disponible et la qualité de la transmission. Une solution s'est avérée très utile. Il s'agit de la correction d'erreur directe (FEC), une technique utilisée depuis des années pour assurer une communication de données efficace et de haute qualité sur des canaux bruyants. Aujourd'hui, avec l'augmentation de la capacité de transmission des données et des distances à parcourir plus grandes, nous allons examiner de plus près la technique FEC sur les réseaux optiques.

Qu'est-ce que la Correction d'erreur directe (FEC) ?

La correction d'erreur directe (FEC) est une technique de traitement du signal numérique utilisée pour améliorer la fiabilité des données. Pour y parvenir, elle introduit des données redondantes, appelées “codes correcteurs d'erreurs” avant la transmission ou le stockage des données. La FEC permet au récepteur de corriger les erreurs sans avoir besoin d'un canal inverse pour demander la retransmission des données. Comme nous le savons, les signaux optiques peuvent parfois se détériorer au cours de la transmission en raison de certains facteurs et cela peut conduire à une erreur de diagnostic du côté du récepteur, qui peut confondre le signal "1" avec le signal "0", ou le signal "0" avec le signal "1". Si le nombre d'erreurs de transmission est dans les limites de la capacité de correction (erreurs non répétitives), le décodeur de canal localisera et corrigera le "0" ou "1" incorrect afin d’améliorer la qualité du signal.

Figure 1. Le principe de fonctionnement de la FEC

Le développement du FEC (correction d'erreur directe) dans la communication optique peut être divisé en trois générations. La FEC de première génération est utilisée avec succès dans les systèmes sous-marins et terrestres. Avec le développement des systèmes WDM, le FEC de deuxième génération plus puissant a été installé dans les systèmes commerciaux. Le lancement de la troisième génération de FEC a ouvert de nouvelles perspectives pour la prochaine génération de systèmes de communication optique.

Quels sont les types et caractéristiques du FEC ?

Types

Actuellement, les technologies FEC utilisées pour le SDH (Synchronous Digital Hierarchy) et le DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) sont les suivantes :

FEC en bande (In-band FEC). Le FEC en bande est supportée par la norme ITU-T G.707. Les symboles supervisés du code FEC sont chargés en utilisant une partie des octets de surcharge dans la trame SDH. Le gain de codage est faible (3-4dB).

FEC hors bande (Out-of-band FEC). Le FEC hors bande est supportée par la norme ITU-T G.975/709. La FEC hors bande a une grande redondance de codage, une forte capacité de correction d'erreurs, une grande flexibilité et un gain de codage élevé (5-6dB).

FEC renforcé (EFEC). Le FEC renforcée est principalement utilisée dans les systèmes de communication optique où les exigences en matière de délai ne sont pas strictes et celles concernant le gain de codage sont particulièrement élevées. Bien que le processus de codage et de décodage de l'EFEC soit plus compliqué et moins applicable à l'heure actuelle, en raison de ses avantages en termes de performances, il se développera en une technologie pratique et sera prédominant dans la prochaine génération de FEC hors bande.

Caractéristiques

Le FEC réduit le nombre d'erreurs de transmission, augmente la portée de fonctionnement et réduit les besoins en énergie des systèmes de communication..Il augmente également le débit effectif des systèmes, même avec les bits de contrôle supplémentaires ajoutés aux bits de données, en éliminant la nécessité de retransmettre des données corrompues par un bruit aléatoire.

Le FEC augmente de manière indépendante la fiabilité des données au niveau du récepteur. Dans le contexte d'un système, le FEC devient une technologie que le concepteur du système peut utiliser de plusieurs façons. L'avantage le plus évident de l'utilisation du FEC concerne les systèmes à puissance limitée. Cependant, grâce à l'utilisation d'une signalisation de niveau supérieur, les limitations de la largeur de bande peuvent également être traitées. Dans de nombreux systèmes sans fil, la puissance d'émission autorisée est limitée. Ces limitations peuvent être dues au respect d'une norme ou à des considérations pratiques. Le FEC permet de transmettre à des débits de données beaucoup plus élevés si une largeur de bande supplémentaire est disponible.

Application du FEC sur les réseaux 100G

Dans le contexte des réseaux à fibre optique, le FEC est utilisé pour traiter le SNR optique (OSNR) - l'un des paramètres principaux qui déterminent la portée d'une longueur d'onde avant qu'elle n'ait besoin d'être régénérée. Il est particulièrement important pour les débits de données à grande vitesse, où des schémas de modulation avancés sont nécessaires pour minimiser la dispersion et la correspondance du signal avec la grille de fréquences. Sans l'incorporation du FEC, la transmission 100G serait limité à des distances extrêmement courtes. Pour mettre en œuvre une transmission à longue distance (> 2500 km), le gain du système doit être encore renforcé d'environ 2 dB. La mise à niveau du FEC, qui passe de procédures de décision dure à décision douce, comble ce manque de performance.

Alors que la demande pour des vitesses de transmission toujours plus élevées se poursuit, les systèmes d'erreur directe par décision douce (SD-FEC, soft-decision forward error correction) sont de plus en plus populaires. Bien qu'ils puissent exiger une surcharge d'octets d'environ 20 %, soit près de trois fois plus que le système de codage RS original, les gains qu'ils produisent dans le contexte des réseaux à haut débit sont substantiels. Le FEC qui entraîne un gain de 1 à 2 dB sur un réseau 100G, par exemple, se traduit par une portée accrue de 20 à 40 %.

Éléments nécessitant une attention particulière pour le FEC sur les réseaux 100G

Que faut-il prendre en compte lors de la configuration du FEC sur les réseaux 100G ? Il est suggéré de faire attention aux conseils suivants.

Procédure de mise en place

Certains modules spéciaux ont leurs propres fonctions FEC, tel que le module de conversion 100G CFP de FS. Alors que le module optique QSFP28 100G repose principalement sur la configuration des fonctions FEC sur l'appareil pour obtenir la correction des erreurs, comme les commutateurs 100G.

Est-ce que le commutateur prend en charge la fonction FEC

La configuration du FEC sur les commutateurs 100G peut uniquement être effectuée si le commutateur prend en charge cette fonction. Tous les commutateurs 100G fournis par FS prennent en charge la fonction FEC.

Tableau 1. Spécifications des switchs FS 100G

Remarque : les commutateurs 100G de FS ont la fonction FEC activée par défaut. Dans le cas où il est nécessaire de l'activer après la déconnexion, la commande d'activation de la fonction FEC peut être configurée.

Activer ou non la fonction FEC sur les modules optiques QSFP28 100G

La fonction FEC n'est pas seulement un avantage, le processus de correction du code d'erreur entraînera inévitablement un certain retard des paquets de données. Par conséquent, pas tous les modules optiques QSFP28 100G en ont besoin. Selon le protocole standard de l'IEEE, il n'est pas recommandé d'activer la fonction FEC lors de l'utilisation de modules optiques QSFP28-LR4-100G, à moins qu'il ne soit recommandé de l'activer. Comme la technologie des modules optiques QSFP28 100G varie d'une entreprise à l'autre, la situation n'est pas exactement la même. Le tableau suivant indique si l’activation de la fonction FEC est recommandée lors de l'utilisation des modules optiques 100G QSFP28 de FS.

Tableau 2. Spécifications des modules optiques QSFP28 100G de FS

Cohérence de la fonction FEC aux deux extrémités de la liaison

La fonction FEC du port fait partie de l'auto-négociation. Lorsque l'auto-négociation du port est activée, la fonction FEC est déterminée par la négociation aux deux extrémités de la liaison. Si la fonction FEC est activée sur une extrémité, l'autre extrémité doit également l'activer, sinon, le port est hors service.

Empilement et FEC

La configuration de la commande FEC n'est pas prise en charge si le port est déjà configuré en tant que port d'empilement physique. Inversement, les ports qui ont été configurés avec des commandes FEC ne supportent pas la configuration en tant que membre d'empilement physique.

Conclusion

Le rôle de la fonction FEC est très important dans les communications par fibre optique, car les réseaux backbone (réseau général) atteignent des vitesses de 40G et 100G, notamment dans les environnements où le rapport signal-bruit optique est faible. Ces types d'environnement deviennent plus courants dans les environnements à haut débit, car davantage d'amplificateurs optiques sont déployés dans les réseaux. Avec tous ces développements, la fonction FEC continuera à jouer un rôle dans les réseaux futurs. Pour assurer le fonctionnement normal du réseau, il est recommandé de faire particulièrement attention à la fonction FEC sur les modules optiques, qui permettra d’améliorer les performances dans la transmission des données.