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Importanza di FEC per 400G

Updated on ago 12, 2022
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400G

La rapida adozione delle tecnologie 400G ha visto un'impennata nella richiesta di larghezza di banda e una scarsa tolleranza agli errori e alla latenza nella trasmissione dei dati. I data center stanno ora ripensando la progettazione dei sistemi di comunicazione dati per espandere la larghezza di banda disponibile e migliorare al contempo la qualità della trasmissione.

Raggiungere questo obiettivo può essere piuttosto impegnativo, considerando che il miglioramento di un aspetto della trasmissione dati ne danneggia di conseguenza un altro. Tuttavia, una soluzione sembra distinguersi dalle altre per quanto riguarda una trasmissione dati affidabile, efficiente e di alta qualità. Nelle sezioni seguenti abbiamo approfondito il tema della correzione degli errori in avanti (FEC) e della tecnologia 400G, comprese le considerazioni sulla FEC per l'Ethernet a 400 Gbps.

 

What Is FEC?

La correzione degli errori in avanti è un metodo di rettifica degli errori utilizzato nei segnali digitali per migliorare l'affidabilità dei dati. La tecnica è utilizzata per rilevare e correggere gli errori nei dati trasmessi senza ritrasmettere i dati.

Il FEC introduce dati ridondanti e il codice di correzione degli errori prima della trasmissione dei dati. I bit/dati ridondanti sono funzioni complesse dell'informazione originale e vengono inviati più volte, poiché un errore può comparire in qualsiasi campione trasmesso. Il ricevitore corregge quindi gli errori senza richiedere la ritrasmissione dei dati, riconoscendo solo le parti dei dati senza errori apparenti.

I codici FEC possono anche generare segnali di bit-error-rate utilizzati come feedback per la regolazione fine dell'elettronica di ricezione analogica. Il design del codice FEC determina il numero di bit mancanti che possono essere corretti. I codici a blocchi e i codici convoluzionali sono le due categorie di codici FEC più utilizzate. I codici convoluzionali gestiscono dati di lunghezza arbitraria e utilizzano l'algoritmo Viterbi per la decodifica. I codici a blocchi, invece, gestiscono pacchetti di dati di dimensioni fisse e i blocchi di codice parziali vengono decodificati in un tempo polinomiale rispetto alla lunghezza del blocco di codice.FEC

 

Che cos'è il 400G?

Si tratta di un'infrastruttura cloud di nuova generazione, ampiamente utilizzata da data center ad alto volume di traffico, fornitori di servizi di telecomunicazione e altre grandi imprese con esigenze di trasmissione dati incessanti. Il rapido aumento del traffico di rete ha visto i carrier di rete confrontarsi continuamente con problemi di larghezza di banda. Questo aumento esponenziale del traffico è determinato dall'aumento delle implementazioni di machine learning, cloud computing, intelligenza artificiale (AI) e dispositivi IoT.

Rispetto alla precedente soluzione 100G, la 400G, nota anche come 400GbE o 400GB/s, è quattro volte più veloce. Questo Terabit Ethernet trasmette i dati a 400 miliardi di bit al secondo, cioè in lunghezza d'onda ottica; per questo trova applicazione nelle implementazioni ad alta velocità e ad alte prestazioni.

La tecnologia 400G offre anche la potenza, la densità di dati e l'efficienza necessarie per tecnologie all'avanguardia come la realtà virtuale (VR), la realtà aumentata (AR), il 5G e lo streaming video 4K. Oltre a consumare meno energia, le velocità supportano anche le architetture scale-out e scale-up fornendo un'alta densità, un basso costo per bit e un throughput affidabile.

 

Perché il 400G richiede FEC?

Diversi data center stanno adottando 400 Gigabit Ethernet, grazie alla maggiore velocità della rete e all'ampliamento dei casi d'uso che consentono nuove opportunità di business. Questo standard di trasmissione dati 400GE utilizza la tecnologia PAM4, che offre una velocità di trasmissione doppia rispetto alla tecnologia NRZ utilizzata per i 100GE.

La maggiore velocità e convenienza del PAM4 comporta anche delle sfide. Ad esempio, la velocità di trasmissione PAM4 è doppia rispetto a quella NRZ, ma i livelli di segnale sono la metà di quelli della tecnologia 100G. Questo degrada il rapporto segnale/rumore (SNR); di conseguenza, le trasmissioni 400G sono più soggette a distorsione.

Pertanto, la correzione degli errori in avanti (FEC) viene utilizzata per risolvere il problema della distorsione della forma d'onda comune alla trasmissione 400GE. Tuttavia, la velocità di trasmissione effettiva di un collegamento Ethernet 400G è di 425Gbps, con 25 bit aggiuntivi utilizzati per stabilire le tecniche FEC. Gli elementi 400GE, come le ottiche DR4 e FR4, presentano errori di trasmissione che il FEC aiuta a correggere.

 

Considerazioni sulla FEC per l'Ethernet a 400 Gbps

Con gli standard 802.3bj, la latenza legata al FEC è spesso mirata a essere uguale o inferiore a 100ns. In questo caso, il tempo di ricezione per il frame FEC richiede circa 50ns, mentre il tempo restante viene utilizzato per la decodifica. Questo obiettivo di latenza FEC è pratico e raggiungibile.

L'utilizzo di un codice FEC simile/stesso per la trasmissione a 400GbE consente di ottenere una latenza inferiore. Tuttavia, quando è richiesto un guadagno di codifica FEC più elevato, ad esempio a livello di PMD, è possibile scambiare la latenza FEC con il guadagno di codifica desiderato. Si raccomanda quindi di mantenere un obiettivo di latenza simile (preferibilmente 100ns) pur spingendo per un guadagno di codifica FEC più elevato.

Se si utilizza la modulazione PAM4, il guadagno di codifica (CG) del FEC potrebbe essere superiore a 8 dB. Poiché il FEC a decisione morbida comporta un consumo energetico eccessivo, non è spesso preferito per le implementazioni a 400GE. Allo stesso modo, i codici a blocchi convenzionali, con la loro latenza limitata, necessitano di un rapporto di overclocking più elevato per raggiungere l'obiettivo.

Supponendo che sia incluso uno schema di transcodifica simile a quello utilizzato in 802.3bj, il rapporto di overclocking dovrebbe essere inferiore al 10%. Ciò consente di ridurre al minimo l'aumento della velocità di linea, garantendo al contempo un guadagno di codifica sufficiente con una latenza limitata.

Quindi, con una latenza di 100ns e un rapporto di overclocking inferiore al 10%, i codici FEC con un guadagno di codifica di circa 8,5 dB sono realizzabili per una trasmissione di 400GE. Analogamente, per ottenere un throughput di 400G è possibile impiegare M (cioè M>1) codificatori indipendenti per codici a blocchi interlacciati a M invece di utilizzare codificatori paralleli.

 

Conclusioni

La trasmissione 400GE offre diversi vantaggi ai data center e alle grandi aziende che si affidano alla trasmissione di dati ad alta velocità per un funzionamento efficiente. Sebbene questa tecnologia 400G sia altamente affidabile, introduce alcuni errori di trasmissione che possono essere risolti efficacemente utilizzando tecniche di correzione degli errori in avanti. Esistono anche alcune considerazioni sulla FEC per 400G Ethernet, la maggior parte delle quali dipende dalle esigenze specifiche della rete e della trasmissione dei dati.

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