關鍵詞： SD-FEC , 100G , 軟判決 , 華為 , FEC

FEC實現光通信系統的可靠傳輸
伴隨著網絡流量的快速增長，波分復用技術作為現在通信系統的基礎承載技術，也經歷了容量從小到大的發展過程。在這一發展過程中，每一次單波長速率的提升都伴隨著技術的重大變化：從單波長2.5G時代的直接調制方式到10G時代的外調制方式及DCM色散補償；10G時代到40G時代是OOK調制技術向PSK調制技術的轉變；40G時代到100G時代的關鍵技術特征則是高速DSP（ADC采樣速率達到56Gbit/s以上）使能的相干技術。
在波分復用技術的發展過程中，前向糾錯（FEC，Forward Error Correction）技術作為實現信息可靠傳輸的關鍵，逐漸成為必不可少的主流技術。光纖通信中的FEC也經歷了幾代技術的演變，從經典硬判決，到級聯碼，而100G相干技術的出現使得軟判決成為演進的方向。

2013-3-10 20:56:03 上傳

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圖1 FEC在光通信中的位置

FEC技術是一種廣泛應用于通信系統中的編碼技術。以典型的分組碼為例，其基本原理是：在發送端，通過將kbit信息作為一個分組進行編碼，加入（n-k）bit的冗余校驗信息，組成長度為n bit的碼字。碼字經過信道到達接收端之后，如果錯誤在可糾范圍之內，通過譯碼即可檢查并糾正錯誤bit，從而抵抗信道帶來的干擾，提高通信系統的可靠性。在光通信系統中，通過FEC的處理，可以以很小的冗余開銷代價，有效降低系統的誤碼率，延長傳輸距離，實現降低系統成本的目的。
FEC的使用可以有效提高系統的性能，根據香農定理可以得到噪聲信道無誤碼傳輸的極限性能（香農限），如圖2所示。從圖2可以看出，FEC方案的性能主要由編碼開銷、判決方式、碼字方案這三個主要因素決定。
（1）編碼開銷：校驗位長度（n-k）與信息位長度k的比值，稱為編碼開銷。開銷越大，FEC方案的理論極限性能越高，但增加并不是線性的，開銷越大，開銷增加帶來的性能提高越小。開銷的選擇，需要根據具體系統設計的需求來確定。

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圖2 硬判決FEC和軟判決FEC的香農限

（2）判決方式：FEC的譯碼方式分為硬判決譯碼和軟判決譯碼兩種。硬判決FEC譯碼器輸入為0，1電平，由于其復雜度低，理論成熟，已經廣泛應用于多種場景。軟判決FEC譯碼器輸入為多級量化電平。在相同碼率下，軟判決較硬判決有更高的增益，但譯碼復雜度會成倍增加。微電子技術發展到今天，100G吞吐量的軟判決譯碼已經可以實現。隨著傳送技術的發展，100G時代快速到來，軟判決FEC的研究與應用正日趨成熟，并將在基于相干接收的高速光通信中得到廣泛應用。
（3）碼字方案：當確定開銷和判決方式后，設計優異碼字方案，使性能更接近香農極限，是FEC的主要研究課題。目前，軟判決LDPC碼，由于其良好的糾錯性能，且非常適合高并行度實現，逐步成為高速光通信領域主流FEC的方案。
第三代FEC是高性能傳輸的關鍵
FEC在光纖通信中的應用研究起步較晚，從1988年Grover最早將FEC用于光纖通信開始，光纖通信中的FEC應用可分為三代。
第一代FEC：采用經典的硬判決碼字，例如漢明碼、BCH碼、RS碼等。最典型的代表碼字為RS（255，239），開銷6.69%，當輸入BER為1.4E-4時輸出BER為1E-13，凈編碼增益為5.8dB。RS（255，239）已被推薦為大范圍長距離通信系統的ITU-T G.709 標準，可以很好匹配STM16幀格式，獲得了廣泛應用。1996年RS（255，239）被成功用于跨太平洋、大西洋長達7000km的遠洋通信系統中，數據速率達到5Gbit/s。
第二代FEC：在經典硬判決碼字的基礎上，采用級聯的方式，并引入了交織、迭代、卷積的技術方法，大大提高了FEC方案的增益性能，可以支撐10G甚至40G系統的傳輸需求，許多方案性能均達到8dB以上。ITU-T G .975.1中推薦的FEC方案可以作為第二代FEC的代表。
現有10G系統多采用第二代硬判決FEC，采用更大開銷的硬判決FEC可以支撐現有系統的平滑升級。例如，10G海纜傳輸系統目前采用ITU-T G .975.1推薦的開銷為6.69%的硬判決FEC方案，若采用20%開銷的高性能硬判決FEC，較現有方案可提高1.5dB左右的編碼增益，極大改善系統的性能。
第三代FEC：相干接收技術在光通信中的應用使軟判決FEC的應用成為可能。采用更大開銷（20%或以上）的軟判決FEC方案，如Turbo 碼、LDPC 碼和TPC碼，可以獲得大于10dB的編碼增益，有效支撐40G、100G至400G的長距離傳輸需求。

2013-3-10 20:55:32 上傳

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圖3 光通信FEC的演進

現有40G系統可以采用更大開銷硬判決FEC完成平滑升級，也可以基于相干接收方案采用軟判決FEC，從而提供更強的傳輸性能。而100G以及400G光傳輸系統采用相干接收技術，非常適合采用軟判決FEC技術。基于軟判決FEC，采用級聯、卷積、交織等技術，可以提供11dB以上的高性能FEC方案，有效支撐100G和400G系統的應用需求（見圖3）。
（1）軟判決原理
硬判決譯碼器接收的序列中僅包含"0"和"1"序列，主要利用碼字中的代數結構進行硬判決譯碼。這種方式實際上丟失了信號中包含的信道干擾的統計特征信息。

2013-3-10 20:55:25 上傳

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圖4 軟判決與硬判決的差別

為了充分利用接收波形中的信息，提升譯碼器的正確判決概率，可以將接收的信號進行量化采樣（見圖4）。譯碼器利用這些信息可以獲得更高的譯碼準確度，系統性能得到較大幅度的提高。相同碼率下，軟判決FEC增益性能比硬判決高1.5dB左右。
雖然軟判決性能優良，但其實現需要高速ADC做信號的采樣量化處理，譯碼器比特吞吐量也是硬判決的好幾倍。同時軟判決譯碼算法需要處理更多的信息，也需要考慮由于信道劣化特征造成的噪聲概率分布變化，算法復雜性大為增加。幸運的是，集成電路技術的迅猛發展使得軟判決得以實現商用。
（2）LDPC原理
1962年，Gallager首先提出LDPC碼（Low Density Parity Check Code，低密度校驗碼），并給出LDPC碼簡單構造和硬判決譯碼算法。但由于其算法復雜度高且當時計算機處理能力的限制，LDPC碼很長時間內被忽視。1996年，MacKay 和R. Neal重新研究了LDPC碼，發現其具備逼近香農極限的優良性能，LDPC碼成為編碼領域被關注的熱點之一。

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圖5 LDPC碼校驗矩陣及其Tanner圖表示

LDPC碼的名稱來源于其校驗矩陣是稀疏矩陣，即校驗矩陣中只有數量很少的元素為"1"，大部分元素都是"0"，這樣碼字之間可以有較長的碼距離。
LDPC軟判決譯碼算法采用置信度傳播（Belief Propagation，BP）算法或和積（Sum-Product）算法譯碼。該算法利用量化電平提供的信道信息以及通過校驗矩陣建立的碼字內比特間建立的運算關系來判斷比特的置信度（見圖5）。通過在Tanner圖上相鄰的變量節點和校驗節點間傳遞這些置信度信息，并通過多次迭代的方式，可以有效提升判決的準確度。
與基于乘積碼構造的Turbo碼相比，LDPC同樣可以獲得接近香農極限的優異性能，在高誤碼率情況下仍然具有很強的糾錯能力。不僅如此，LDPC碼還具有較低的錯誤平層（Error floor）效應；譯碼復雜度僅隨著碼長線性增長，計算復雜性相對較低；可以實現并行譯碼，適合于高速通信系統。因而，LDPC碼在光通信、無線通信、深空通信以及磁記錄方面得到廣泛的應用。
中國探月工程二期嫦娥二號工程中，LDPC被列為嫦娥二號任務的六項工程目標和四大創新技術的核心內容之一。2010年11月，清華大學研制的低密度奇偶校驗碼（LDPC）遙測信道編碼試驗取得成功，這是LDPC信道編碼技術首次應用于中國航天領域。LDPC糾錯能力強、編碼增益高的特點，可進一步提高信道余量，進而大幅度提高整星測控的可靠性，為未來深空探測提供技術儲備。
在光通信領域，100G已經被業界認為是下一代主流的傳輸速率。隨著電子技術的飛速進步，高速ADC（超過56Gbit/s的采樣速率）和DSP的商用化，100G相干技術以其高頻譜效率、高OSNR靈敏度、電CD/PMD補償，成為主流的100G傳輸技術。這也為基于LDPC的軟判決前向糾錯（SD-FEC）應用到100G傳輸提供了技術基礎。
同時，100G相干技術雖然在性能上相比非相干技術有大幅提升，但與當前已經被廣泛應用的10G/40G傳輸相比，仍然存在傳輸距離不夠遠、覆蓋范圍有限的問題。基于LDPC的軟判決前向糾錯（SD-FEC）為進一步提升100G傳輸性能提供了很好的解決方案。
基于LDPC碼的軟判決高性能FEC方案
軟判決方案的性能受碼字構造，譯碼算法的影響較大。合理的構造，高效的譯碼算法，采用交織、級聯、卷積等技術手段，充分利用冗余信息可以有效提高軟判決方案的性能。
華為基于LDPC碼構造的高性能FEC方案BICC，在傳統的LDPC碼基礎上，創新地融合了交織技術、級聯技術等手段，獲得了11.5dB以上的高編碼增益, 相對傳統的硬判決方案提升了近2.6dB編碼增益，可以很好支撐100G高速光傳輸系統的應用需求。
華為100G SD-FEC軟判決算法具有如下特點：
· 創新的全軟判決FEC，可獲得更高的增益、更高的集成度和更低的功耗。
· 采用100%的軟判決，沒有級聯HD-FEC碼，延時大為降低。
· 獨特的級聯流水線架構，顯著降低了軟判決譯碼的實現復雜度。
· 創新軟判決架構，可擴展實現不同功耗、不同性能的靈活解決方案。
· 軟判決FEC采用20%以上的開銷，結合發端頻譜壓縮技術，可以在傳送帶寬增加的同時，降低速率提升的傳輸代價，保證高開銷軟判決FEC帶來的增益性能。
· 軟判決FEC與獨特的DSP算法相結合，提供差異化的應用場景解決方案。
隨著FEC技術的發展，碼字性能越來越接近香農限。然而，FEC技術在光傳送系統中的應用需要結合系統的需求，選擇合理的開銷和判決方式，設計低復雜度、高性能的碼字方案。
我們知道，硬判決FEC將長期應用于光通信領域，通過對融合、高性能的硬判決方案的研究，可以有效支撐現有10G、40G系統的升級需求。針對100G、400G甚至1T的高速光傳輸應用，軟判決算法將在如何提升吞吐量和凈編碼增益，降低錯誤平層和算法復雜度，以及軟判決算法如何適應Non-AWGN非線性信道等方面持續改進，以適應更高速率系統的性能要求。我們相信，高性能低復雜度的軟判決將成為主流，支撐和推動光傳送應用與發展。