¿Cómo soporta FEC la transmisión de datos 100G de largo alcance?

La corrección de errores hacia adelante se utiliza para mejorar la integridad de la transmisión de datos. Esta técnica se aplica insertando datos redundantes, denominados código de corrección de errores, antes de transmitir los paquetes de datos. La corrección de errores hacia delante (FEC) permite al receptor rectificar los errores incluso sin necesidad de retransmitir los datos a través de un canal inverso.

Aunque todos lo sabemos, las señales ópticas pueden degradarse debido a diversas circunstancias durante la transmisión, lo que puede provocar errores de apreciación en el receptor, como confundir una señal "0" con una señal "1" o una señal "1" con una señal "0". Los codificadores de canal encontrarán, corregirán y descodificarán los "1" o "0" erróneos para mejorar la calidad de la señal, siempre que el número de errores en la transmisión esté dentro de la capacidad de corrección.

En los sistemas de comunicación óptica, el desarrollo de la FEC puede dividirse en tres fases o generaciones.

1. Los sistemas de corrección de errores hacia delante (FEC) de primera generación se utilizaron con éxito en submarinos
2. Con el desarrollo de los sistemas WDM, surgió una segunda generación de FEC más sólida para los sistemas comerciales.
3. La llegada de los algoritmos FEC de tercera generación abrió nuevas oportunidades a los modernos sistemas de comunicación óptica.

A continuación se enumeran las tecnologías de conexión anticipada de errores (FEC) disponibles actualmente para sistemas DWDM y SDH;

FEC en banda

La norma UIT-T G.707 admite FEC en banda. En la trama SDH, los símbolos supervisados del código FEC se cargan utilizando una porción o ración de los bytes de sobrecarga. La FEC en banda viene con una pequeña ganancia de codificación que se mantiene dentro de la banda de 3dB a 4dB.

FEC fuera de banda

El sistema UIT-T G.975/709 admite FEC fuera de banda. La FEC fuera de banda se caracteriza por una gran redundancia de codificación, una mayor capacidad de corrección de errores, una mayor flexibilidad y una ganancia de codificación relativamente mayor (5-6 dB).

FEC mejorada (EFEC)

La EFEC se utiliza con mayor frecuencia en redes ópticas con restricciones de latencia laxas y necesidades de alta ganancia de codificación. Debido a su rendimiento superior, se cree que la EFEC evolucionará hasta convertirse en una tecnología práctica a pesar de que su procedimiento de codificación y descodificación es menos aplicable y más difícil en el escenario actual.

Características de FEC

La FEC disminuye la frecuencia de los errores de transmisión, aumenta el alcance operativo y reduce el consumo de energía de los sistemas de comunicación. La corrección de errores hacia delante mejora el rendimiento efectivo del sistema al reducir la necesidad de retransmitir datos dañados por canales ruidosos o de otro tipo.

La FEC mejora la fiabilidad e integridad de los datos en el extremo receptor, de forma independiente. En el contexto de un sistema, la FEC se convierte en un elemento habilitador que el diseñador del sistema puede utilizar de diversas maneras. La FEC es especialmente beneficiosa para los sistemas con potencia limitada. Sin embargo, las limitaciones de ancho de banda también pueden solucionarse mediante señalización de orden superior. Si se dispone de más ancho de banda, la FEC permite la transmisión a velocidades de datos mucho mayores.

FEC para redes 100G

La FEC se utiliza para abordar la SNR óptica u OSNR en las redes de fibra óptica, el principal factor que determina la distancia que puede recorrer cada longitud de onda antes de tener que volver a generarse. La FEC es especialmente importante en los sistemas de transmisión de datos a alta velocidad, donde son necesarias técnicas avanzadas de modulación para minimizar la dispersión y mantener la coherencia de la señal con la red de frecuencias. La transmisión a 100G quedaría confinada a distancias extremadamente pequeñas sin FEC. Para despliegues de larga distancia (>2500 kilómetros) necesitamos una mejora de la ganancia del sistema de al menos 2 dB, una brecha de rendimiento que puede cubrirse mediante la actualización de FEC de decisión dura a FEC de decisión suave.

Los esquemas SD-FEC o "Soft-Decision Forward Error Correction" son cada vez más populares a medida que aumentan las velocidades de transmisión. Los esquemas SD-FEC pueden tener un gasto en bytes de alrededor del 20%, lo que supone aproximadamente el triple del coste en bytes incurrido por el método de codificación RS original. Sin embargo, sus ventajas en el caso de las redes de alta velocidad son asombrosamente sustanciales. En una red de 100G, por ejemplo, una mejora de 1 a 2 dB conseguida mediante FEC equivale a un aumento del alcance de entre el 15% y el 40%.

A continuación se exponen algunas cuestiones que requieren una consideración especial cuando se desea implementar FEC en enlaces de 100G.

Algunos módulos especialmente diseñados o personalizados incorporan funciones FEC específicas. Por otro lado, los módulos ópticos 100G QSFP28 dependen de la configuración FEC del dispositivo host.

Es importante entender que la FEC sólo puede implementarse en enlaces en los que los conmutadores desplegados tanto en el extremo transmisor como en el receptor admitan FEC. No todos los conmutadores están diseñados para soportar FEC. Por lo tanto, este punto debe tenerse en cuenta a la hora de elegir el hardware para implementar un enlace 100G compatible con FEC.

La funcionalidad Forward Error Correction es algo más que una comodidad. La metodología de corrección de errores provocará inevitablemente un retraso en la transmisión de algunos paquetes de datos. En consecuencia, no es necesaria para todos los transceptores QSFP28 de 100G.

Según el protocolo estándar IEEE para transceptores QSFP28-LR4-100G, no se recomienda activar la FEC a menos que se mencione. Dado que la tecnología de los módulos ópticos 100G QSFP28 varía de un proveedor a otro, no existe una condición uniforme.

La función FEC del puerto 100G es parte integrante de la autonegociación. Cuando la autonegociación del puerto está activada, la función Forward Error Correction (FEC) se acuerda mediante negociación en cualquiera de los extremos del enlace. Si la función Forward Error Correction se inicia en un extremo, debe activarse también en el otro, de lo contrario el puerto no se conectará.

Si el puerto está configurado como puerto de apilamiento, el comando Forward Error Correction no funcionará. A la inversa, los puertos configurados para utilizar Forward Error Correction no pueden configurarse para funcionar como puertos de apilamiento.

La función de la corrección anticipada de errores (FEC) es cada vez más importante en los sistemas de comunicación por fibra óptica a medida que la velocidad de las redes troncales aumenta a 40G y 100G. El bajo rendimiento de la OSNR es otra de las razones que explican la creciente importancia de la FEC. Los operadores de redes se enfrentan a una enorme presión para ampliar el ancho de banda de la red con el fin de satisfacer la creciente demanda de Internet de alta velocidad y servicios de datos como el streaming en línea.

Al pasar de 10G a 100G por longitud de onda, el requisito de OSNR aumenta en +10 dB. Es comprensible que las distancias de transmisión óptica de 100G sean muy cortas y poco económicas sin algún tipo de corrección o compensación. Hemos visto algoritmos FEC de primera y segunda generación que funcionan en configuraciones de 10 y 40G para mejorar las distancias totales y minimizar la BER.

SD-FEC (Soft-decision FEC) es un algoritmo de tercera generación que permite menos regeneraciones y mayores distancias en redes ópticas de 100G. La implementación de FEC es muy recomendable en módulos ópticos de redes de alta velocidad y larga distancia para mejorar el rendimiento de la transmisión de datos.