Wie unterstützt FEC die 100G-Langstrecken-Datenübertragung?

Die Entwickler und Betreiber von Datenkommunikationssystemen suchen nach neueren Lösungen, um den ständig wachsenden Bandbreitenbedarf zu decken und die Zuverlässigkeit der Datenübertragung zu maximieren. Ein solches System namens FEC (Forward Error Correction) hat sich als sehr geeignet erwiesen. Diese Technologie gibt es schon seit langem, um eine effektive Datenübertragung über verrauschte Kanäle zu gewährleisten. Wir wollen nun mehr über FEC und seine Bedeutung in optischen Netzen erfahren, in denen das Übertragungsvolumen und die Entfernung zunehmen.

Die Vorwärtsfehlerkorrektur wird eingesetzt, um die Integrität der Datenübertragung zu verbessern. Diese Technik wird durch das Einfügen redundanter Daten, die als Fehlerkorrekturcode bezeichnet werden, vor den zu übertragenden Datenpaketen realisiert. Die Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) ermöglicht es dem Hörer, Fehler zu korrigieren, ohne dass die Daten über einen Rückkanal erneut übertragen werden müssen.

Bekanntlich können sich optische Signale während der Übertragung aufgrund verschiedener Umstände verschlechtern, was zu Fehleinschätzungen auf Empfängerseite führen kann, z. B. zur Verwechslung eines "0"-Signals mit einem "1"-Signal oder eines "1"-Signals mit einem "0"-Signal. Die Kanalcodierer finden und dekodieren die fehlerhafte "1" oder "0", um die Signalqualität zu verbessern, sofern die Anzahl der Fehler bei der Übertragung innerhalb der Korrekturkapazität liegt.

Bei optischen Kommunikationssystemen kann die Entwicklung von FEC in drei Phasen oder Generationen unterteilt werden.

1. Die erste Generation von Vorwärtsfehlerkorrektursystemen (FEC) wurde erfolgreich in U-Booten eingesetzt.
   Mit der Entwicklung von WDM-Systemen wurde eine robustere zweite Generation von FEC für kommerzielle Systeme eingeführt.
   Mit dem Aufkommen von FEC-Algorithmen der 3. Generation eröffneten sich neue Möglichkeiten für moderne optische Kommunikationssysteme.

Die derzeit verfügbaren FEC-Technologien (Forward Error Connection) für DWDM- und SDH-Systeme sind im Folgenden aufgeführt;

In-Band-FEC

Der ITU-T-Standard G.707 unterstützt In-Band-FEC. Im SDH-Rahmen werden die überwachten Symbole des FEC-Codes unter Verwendung eines Teils oder einer Ration der Overhead-Bytes geladen. In-Band-FEC ist mit einer geringen Kodierungsverstärkung verbunden, die innerhalb eines Bereichs von 3 dB bis 4 dB liegt.

Bandexterner FEC

Das ITU-T G.975/709-System unterstützt Out-of-Band-FEC. Große Kodierungsredundanz, stärkere Fehlerkorrekturfähigkeiten, bessere Flexibilität und eine relativ höhere Kodierungsverstärkung (5-6 dB) sind alles Merkmale der Out-of-Band-FEC

Erweitertes FEC (EFEC)

EFEC wird am häufigsten in optischen Netzen mit geringen Latenzzeiten und hohen Anforderungen an die Kodierleistung eingesetzt. Es wird angenommen, dass sich EFEC aufgrund seiner überlegenen Leistung zu einer praktischen Technologie entwickeln wird, obwohl das Kodierungs- und Dekodierungsverfahren im aktuellen Szenario weniger anwendbar und schwieriger ist.

Merkmale von FEC

FEC verringert die Häufigkeit von Übertragungsfehlern, erhöht die Betriebsreichweite und verringert den Stromverbrauch von Kommunikationssystemen. Die Vorwärtsfehlerkorrektur verbessert die effektive Systemleistung, indem sie die Notwendigkeit verringert, durch verrauschte Kanäle oder anderweitig beschädigte Daten erneut zu übertragen.

FEC verbessert die Zuverlässigkeit und Integrität der Daten auf der Empfangsseite - unabhängig. Im Kontext eines Systems wird FEC zu einem aktivierenden Element, das vom Systemdesigner auf vielfältige Weise genutzt werden kann. FEC ist besonders vorteilhaft für Systeme mit begrenzter Leistung. Bandbreitenbeschränkungen können jedoch auch durch Signalisierung höherer Ordnung gelöst werden. Wenn mehr Bandbreite zur Verfügung steht, ermöglicht FEC die Übertragung mit wesentlich höheren Datenraten.

FEC für 100G-Netze

FEC wird eingesetzt, um das optische SNR oder OSNR in Glasfasernetzen zu verbessern - der Hauptfaktor, der bestimmt, wie weit jede einzelne Wellenlänge übertragen werden kann, bevor sie neu generiert werden muss. FEC ist besonders wichtig in Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungssystemen, wo fortschrittliche Modulationstechniken für die Minimierung der Dispersion und die Konsistenz des Signals mit dem Frequenzraster erforderlich sind. Die 100G-Übertragung wäre ohne FEC auf extrem kleine Entfernungen beschränkt. Für Langstreckeneinsätze (>2500 Kilometer) benötigen wir eine um mindestens 2 dB verbesserte Systemverstärkung - eine Leistungslücke, die durch die Aufrüstung von Hard-Decision-FEC zu Soft-Decision-FEC geschlossen werden kann.

SD-FEC oder "Soft-Decision Forward Error Correction"-Schemata werden immer beliebter, da das Streben nach immer höheren Übertragungsraten anhält. SD-FEC-Schemata können einen Byte-Aufwand von etwa 20 % haben, was ungefähr dem Dreifachen der Byte-Kosten entspricht, die bei der ursprünglichen RS-Codierungsmethode anfallen. Ihre Vorteile bei Hochgeschwindigkeitsnetzen sind jedoch erstaunlich groß. In einem 100G-Netz beispielsweise entspricht eine durch FEC erzielte Verbesserung von 1 - 2 dB einer Reichweitensteigerung von 15 % bis 40 % und mehr.

Im Folgenden sind einige Punkte aufgeführt, die bei der Implementierung von FEC auf 100G-Verbindungen besonders zu beachten sind.

Einige speziell entwickelte oder angepasste Module verfügen über spezifische FEC-Funktionen. Andererseits sind 100G QSFP28 optische Module von der FEC-Konfiguration des Host-Geräts abhängig.

Es ist wichtig zu verstehen, dass der FEC nur auf Verbindungen implementiert werden kann, bei denen die Switches sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite FEC unterstützen. Nicht alle Switches sind für die Unterstützung von FEC ausgelegt. Dieser Punkt sollte also bei der Auswahl der Hardware für die Implementierung einer FEC-fähigen 100G-Verbindung beachtet werden.

Die Vorwärtsfehlerkorrektur ist mehr als nur eine praktische Funktion. Die Methodik der Fehlerbehebung führt unweigerlich zu einer verzögerten Übertragung einiger Datenpakete. Daher ist sie nicht für alle 100G QSFP28-Transceiver erforderlich.

Gemäß dem IEEE-Standardprotokoll für QSFP28-LR4-100G-Transceiver wird die Aktivierung von FEC nicht empfohlen, es sei denn, dies wird erwähnt. Da die Technologie der optischen 100G QSFP28-Module von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich ist, gibt es keine einheitlichen Bedingungen.

Die FEC-Funktion des 100G-Ports ist ein integraler Bestandteil der automatischen Aushandlung. Wenn die Auto-Negotiation des Ports aktiviert ist, wird die Forward Error Correction (FEC)-Funktion durch Verhandlungen an beiden Enden der Verbindung vereinbart. Wenn die Vorwärtsfehlerkorrekturfunktion an einem Ende initiiert wird, muss sie auch am anderen Ende aktiviert werden, da der Anschluss sonst nicht online geht.

Wenn der Anschluss als Stacking-Anschluss konfiguriert ist, funktioniert der Befehl Forward Error Correction nicht. Umgekehrt können die für die Vorwärtsfehlerkorrektur konfigurierten Ports nicht für den Betrieb als Stacking-Port konfiguriert werden.

Die Rolle der Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) wird in Glasfaserkommunikationssystemen immer wichtiger, da die Geschwindigkeit der Backbone-Netzwerke auf 40G und 100G erhöht wird. Eine schlechte OSNR-Leistung ist ein weiterer wichtiger Grund für die wachsende Bedeutung von FEC. Netzbetreiber stehen unter enormem Druck, die Netzbandbreite zu erweitern, um die wachsende Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Internet und Datendiensten wie Online-Streaming zu befriedigen.

Wenn wir von 10G auf 100G pro Wellenlänge wechseln, steigt die OSNR-Anforderung um +10 dB. Es ist verständlich, dass die optischen 100G-Übertragungsstrecken ohne eine Art von Korrektur oder Kompensation sehr kurz und unwirtschaftlich wären. Wir haben gesehen, dass FEC-Algorithmen der ersten und zweiten Generation sowohl in 10- als auch in 40G-Konfigurationen funktionieren, um die Gesamtentfernung zu verbessern und die BER zu minimieren.

SD-FEC (Soft-decision FEC) ist ein Algorithmus der dritten Generation, der weniger Regenerationen und größere Entfernungen in optischen 100G-Netzen ermöglicht. Die Implementierung von FEC auf optischen Modulen in Hochgeschwindigkeitsnetzen mit großen Entfernungen wird dringend empfohlen, um die Leistung der Datenübertragung zu verbessern.