1. 糾錯編碼技術

 

　　糾錯編碼是按照一定編碼規則人為增加冗余比特信息以便于在接收端檢錯糾錯的信道編碼。準確地說，就是把原碼字按某種規則變換成有一定剩余度的碼字，并使每個碼字的碼元間有一定的對應關系。關系的建立過程稱為編碼。碼字到達接收端后，用編碼時所用的規則去檢驗。如果沒有錯誤，則原規則一定滿足，否則就不滿足；由此足以判定傳輸或存取過程有無錯誤。當不能滿足時，在可糾錯能力之內按一定的規則確定錯誤所在的位置，并予以糾正。

 

　　糾錯編碼的性能評價指標包括①編碼增益：單位為dB，一般用打開和關閉糾錯算法時背靠背無誤碼傳輸時最小信噪比之差來描述，該差值即是糾錯編碼處理增益對傳輸信噪比要求的改善；②編碼開銷：也稱冗余比，即所增加的冗余碼長與編碼前碼字長度之比，通常以百分比來表示。例如RS(255,239)的編碼開銷為(255-239)/239=6.69%；③實現復雜度：通常用物理實現的邏輯門數或軟件加乘運算的次數來描述；④處理時延：與所采用的算法以及算法實現的結構相關，算法的并行能力越強，處理時延越低。

 

　　光傳輸常用的糾錯編碼經歷了三代：第一代是以RS、BCH為代表的基礎編碼，其編碼增益在6dB左右，編碼開銷約為7%；第二代為以RS、BCH為基礎兩級鏈接而成的鏈接編碼，其編碼增益在9dB左右，詳見G.975.1；第三代為以LDPC、Turbo為代表的軟判決迭代編碼，其編碼增益約在12dB左右，編碼開銷在15%以上。

 

　　LDPC碼即低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code），它由Robert G.Gallager博士于1963年提出的一類具有稀疏校驗矩陣的線性分組碼，不僅有逼近Shannon限的編碼增益，而且譯碼復雜度低、處理時延短、結構靈活，是近年信道編碼領域的研究熱點，目前已廣泛應用于深空通信、光纖通信、衛星數字視頻和音頻廣播等領域。未來的第四代糾錯編碼將是調制技術與LDPC技術的融合產物。

 

　　糾錯編碼技術可以跳出傳輸物理層的限制，在邏輯層對一切物理傳輸損傷進行補償，特別是對非線性效應影響的補償。糾錯編碼的編碼增益越大，相同傳輸距離下對入纖光功率的要求越低，接收機OSNR要求越小。另一方面，光信號在傳輸過程中OSNR越小，纖芯光功率強度的變化越小，纖芯折射率的波動越小，非線性效應的影響就越不明顯。

 

　　2. 100G軟判決糾錯技術

 

　　除了采用新的編碼算法外，采用軟判決也可以提高FEC編碼增益。軟判決是相對于硬判決而言的，與具體的糾錯編碼或后續算法沒有必然關聯。軟硬判決的區別在于其對信號量化所采用的比特位數。硬判決以閾值為準繩，武斷地對輸入信號進行判定；軟判決以閾值為參考，對輸入信號進行猜測，并聲明猜測的可信度。軟判決并未判決，僅提供猜測信息和可信度信息，便于后續算法（如Viterbi）結合其他信息進一步處理、綜合判定。

 

 

圖1：QPSK調制軟判決示意圖

 

　　對于一般的單比特判決而言，判決軟硬判決的不同在物理實現上表現為其對信號量化所采用的比特位數。硬判決對信號量化的比特數為1位，其判決結果非“0”即“1”，沒有回旋余地。軟判決則采用多個比特對信號進行量化，一個比特為猜測信息，額外的比特提供該猜測的可信度信息。

 

　　以如圖1所示QPSK調制的符號判決為例：由于QPSK調制包含了四個相位狀態（體現為4個點的星座圖），每個載波符號承載2bit信息，I(In-phase)、Q(Quadrature-phase)兩個維度分別承載1bit進行，每個維度上硬判決僅根據“判決閾值”進行“0”或“1”的判定；而軟判決在硬判決的“判決閾值”基礎上還提供了一組“置信度閾值”，圖中“置信度閾值”中3個參考值將“判決閾值”“0”或“1”判定之后的空間根據判決可靠性概率分為4個區域，需要用2bit對該組區域進行區分，所以軟判決給后續糾錯算法所提供的信息即為1bit的判決值＋2bit的置信度信息。

 

　　軟判決所提供的可信度信息可以進一步提高FEC編碼增益。一般而言，在相同開銷和編碼算法的情況下，相對于硬判決，軟判決可以獲得1.1dB以上的編碼增益提升。對于主要受到非線性效應限制的100G光傳輸系統，1dB糾錯編碼增益對系統傳輸性能的提升遠高于衰減或色散受限的光傳輸系統。根據中國移動、中國電信100G測試結果以及100G行標，G.655光纖時采用軟判決的傳輸距離比硬判決多6個跨段，傳輸距離提升了60%。

 

　　3. 烽火100G糾錯編碼技術

 

　　烽火100G糾錯編碼采用13%軟判決低密度奇偶校驗編碼（LDPC），并輔以7% EFEC編碼，分別置于ASIC和framer中（圖2）。其中7%的硬判決糾錯編碼為G.975.1所定義的二級鏈接碼，這種組合實際上構成三級鏈接碼。

 

 

圖2：烽火100G糾錯編碼

 

　　之所以采用三級鏈接碼編碼形式，是因為LDPC編碼具極強的突發大誤碼糾錯能力，可以將2.5e-2 的誤碼降低到1e-5以下，但LDPC因其解碼過程出現環路和死鎖導致“誤碼平層”問題，無法將誤碼降低到1e-12以下。烽火在外部采用G.975.1所定義的7%二級鏈接硬判決糾錯編碼消除了LDPC“誤碼平層”的影響。通俗地講，內部13%軟判決LDPC編碼的作用屬于大炮式的大火力“面攻擊”，外部7%硬判決糾錯編碼屬于狙擊槍式的“點清除”。

 

　　烽火100G糾錯編碼方式一方面利用了LDPC編碼對大誤碼的糾錯能力，利用外部硬判決糾錯編碼消除了“誤碼平層”的影響，另一方面利用成熟商用7%硬判決糾錯編碼的高增益盡可能的降低了LDPC編碼的復雜度、功耗和時延，具有最優的性價比。

 

　　4. 烽火100G特性

 

　　烽火全系列100G OTN產品支持五超特性：96*100G超大系統容量、2600Km無電中繼超長傳輸距離、NCG>11.5dB超強糾錯編碼、超高色散容限、小于50ms超快保護恢復。為進一步降低每比特傳送成本，持續提升網絡容量，烽火正在研制400G 波分傳輸系統，分別針對長距離干線傳輸和城域應用提供了兩套解決方案，滿足移動在網絡擴容和投資收益方面的迫切要求。