Forward Error Correction (FEC) nella Trasmissione Dati 100G

Con la crescente domanda di larghezza di banda e la sempre meno tolleranza per errori e latenza, i progettisti dei sistemi di comunicazione dati stanno cercando nuovi metodi per espandere la larghezza di banda disponibile e migliorare la qualità della trasmissione. Una delle soluzioni utilizzate non è in verità nuova, ma si è dimostrata molto utile. Si chiama forward error correction (FEC), una tecnica utilizzata per anni per permettere comunicazione dati efficiente e di alta qualità su canali rumorosi. Alla luce dell'aumentata capacità di trasmissione dati e dell'estensione della distanza al giorno d'oggi, può essere utile sapere di più riguardo alla tecnica FEC nelle reti ottiche.

Cosa è FEC?

Forward error correction (FEC) è una tecnica di elaborazione del segnale digitale utilizzata per potenziare l'affidabilità dati. Riesce a fare questo introducendo dati ridondanti, il cosiddetto error correcting code, prima della trasmissione o dell'archiviazione dati. FEC fornisce al ricevitore la capacità di correggere gli errori senza un canale inverso per richiedere la ritrasmissione dei dati. Come noto, delle volte i segnali ottici possono deteriorare a causa di alcuni fattori durante la trasmissione, creando potenzialmente errori di valutazione da parte del ricevitore, confondendo un segnale "1" per un segnale "0", o un segnale "0" per un segnale "1". Se il numero degli errori nella trasmissione rientra nella capacità di correzione (errori discontinui), il decoder del canale individuerà e correggerà i falsi "0" o "1" per migliorare la qualità del segnale.

Immagine 1. Principio di funzionamento di FEC

Lo sviluppo di Forward Error Correction nelle comunicazioni ottiche può essere diviso in tre generazioni. La prima generazione di FEC è la prima a essere stata utilizzata con successo nei sistemi sottomarini e terresti. Con la maturazione di sistemi WDM, una seconda generazione di FEC più potente è stata installata nei sistemi commerciali. L'avvento del FEC di terza generazione ha aperto nuove prospettive per la nuova generazione di sistemi di comunicazione ottici.

Quali sono le tipologie e le caratteristiche di FEC?

Tipologie

Al momento, le tecnologie FEC pratiche per SDH (Synchronous Digital Hierarchy) e DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) sono principalmente le seguenti:

FEC in-band. La FEC in-band è supportata da standard ITU-T G.707. I simboli supervisionati dal codice FEC sono caricati utilizzando una parte dei byte overhead nel frame SDH. Il gain di coding è di piccole dimensioni (3-4dB).

FEC out-of-band. FEC out-of-band è supportata dallo standard ITU-T G.975/709. La FEC out-of-band ha grande ridondanza di coding, forte capacità di correzione d'errore, forte flessibilità e alto gain di coding (5-6dB).

FEC enhanced (EFEC). La FEC enhanced è principalmente utilizzata in sistemi di comunicazione ottica dove i requisiti di ritardo non sono stringenti e i requisiti di gain di coding sono particolarmente alti. Sebbene il processo di encoding e decoding di EFEC sia molto complicato e meno applicabile al momento, in virtù dei vantaggi delle prestazioni, si svilupperà in una tecnologia pratica e diventerà la tecnologia mainstream della nuova generazione di FEC out-of-band.

Caratteristiche

FEC riduce il numero degli errori di trasmissione, estende il range operativo e riduce i requisiti energetici per i sistemi di comunicazioni. FEC aumenta anche il throughput dei sistemi effettivi, anche con i bit check extra aggiunti ai bit dati, eliminando la necessità di ritrasmettere i dati corrotti da un rumore casuale.

FEC aumenta indipendentemente l'affidabilità dei dati al ricevitore. Nel contesto di sistema, FEC è diventata una tecnologia abilitante che il progettista di sistema può usare in diverse maniere. Il vantaggio più ovvio dell'utilizzo di FEC riguarda i sistemi ad alimentazione limitata. Queste limitazioni possono essere determinate dall'aderenza a uno standard o da considerazioni pratiche. FEC rende possibile la trasmissione a velocità dati molto più alte se larghezza di banda aggiuntiva è disponibile.

Utilizzi di FEC in reti 100G

Nel contesto delle reti in fibra ottica, FEC è utilizzata per SNR (OSNR) - uno dei parametri chiave che determina quanto distante una lunghezza d'onda possa viaggiare prima di richiedere rigenerazione. FEC è specialmente importante a velocità dati molto alte, in cui schemi di modulazione molto avanzati sono richiesti per minimizzare dispersione e corrispondenza di segnale con la griglia di corrispondenza. Senza l'incorporazione di FEC, il trasporto 100G sarebbe limitato a distanze estremamente brevi. Per implementare trasmissioni a lunga distanza (> 2500 km), il gain di sistema deve essere migliorato ulteriormente di circa 2 dB. L'upgrade di FEC da hard-decision a soft-decision riempie questo gap di prestazioni.

Con la continua spinta per velocità di trasmissione sempre più alte, gli schemi di soft-decision forward error correction (SD-FEC) sono cresciuti in popolarità. Sebbene questi possano richiedere un overhead byte di circa il 20% — quasi tre volte lo schema coding RS originale — i guadagni che producono nel contesto di reti ad alta velocità sono sostanziali. FEC che con un gain di 1-2 dB su una rete 100G, per esempio, si traduce in un reach più grande dal 20% al 40%.

Questioni a cui si deve fare attenzione per FEC in reti 100G

Cosa va tenuto in considerazione quando si esegue la configurazione FEC in reti 100G? Si raccomanda di fare attenzione ai seguenti punti.

Metodo di implementazione

Alcuni moduli speciali hanno le proprie funzioni FEC, come il modulo di conversione CFP 100G FS, mentre il modulo ottico QSFP28 100G fa principalmente affidamento sulla configurazione di funzione FEC sul dispositivo per realizzare la correzione di errore, come negli switch 100G.

Se lo switch supporti o meno FEC

La configurazione di FEC sugli switch 100G può essere ottenuta solamente se lo switch la supporta e non tutti gli switch lo fanno. Tutti gli switch offerti da FS supportano però FEC.

Tabella 1. Specifiche degli switches 100G FS

Nota: Gli switch 100G FS hanno la FEC abilitata di default. Se si richiede di abilitarla dopo lo spegnimento, il comando di abilitazione FEC può essere configurato.

Abilitare o meno FEC su transceiver QSFP28 100G

La funzione FEC non è solo un vantaggio, il processo di correzione del codice d'errore causerà inevitabilmente del ritardo del pacchetto dati. Per questo motivo, non tutti i transceiver QSFP28 100G ne hanno bisogno. Secondo il protocollo standard IEEE, non è raccomandato abilitare FEC quando si utilizzano transceiver QSFP28-LR4-100G, tranne nei casi in cui è consigliato. Dato che la tecnologia dei moduli ottici QSFP28 100G varia da compagnia a compagnia, la situazione non è sempre la stessa. La seguente tabella spiega se sia raccomandato o meno abilitare FEC quando si utilizzano moduli ottici QSFP8.

Tabella 2. Specifiche dei transceivers QSFP28 00G FS

Consistenza della funzione FEC ad entrambe le terminazioni del link

La funzione FEC della porta è parte dell'auto-negoziazione. Quando l'auto negoziazione della porta è abilitata, la funzione FEC è determinata dalla negoziazione ad entrambe le terminazioni del link. Se la funzione FEC è abilitata in una terminazione, anche l'altra dovrebbe, altrimenti la porta non sarà up.

Stacking & FEC

La configurazione del comando FEC non è supportata se la porta è già configurata come una porta per stacking fisico. Al contrario, le porte che sono state configurate con i comandi FEC non supportano configurazione come parti di uno stack fisico.

Conclusioni

Il ruolo di FEC è diventato di importanza fondamentale nelle comunicazioni in fibra ottica, dato che le reti backbone aumentano la velocità a 40 e 100G, in particolar modo quando si incontrano ambienti con scarso rapporto segnale ottico rumore. Questi ambienti sono diventati più comuni in ambienti ad alta velocità, poiché un numero maggiore di amplificatori ottici viene utilizzato nelle reti. Alla luce di questi sviluppi, FEC continuerà ad avere un ruolo nelle reti future. Al fine di assicurare la normale operatività della rete, è consigliato prestare particolare attenzione alla funzione FEC nei moduli ottici perché aiuterà a migliorare le prestazioni nella trasmissione dati.