100G技術(shù)革命：糾錯(cuò)編碼技術(shù)

　　基于數(shù)字相干接收PM-QPSK調(diào)制的100G光傳輸技術(shù)在長(zhǎng)距離光傳輸技術(shù)史上具有里程碑意義。在調(diào)制、檢測(cè)、均衡以及復(fù)用技術(shù)無(wú)法滿足系統(tǒng)傳輸性能要求的情況下，可采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)進(jìn)一步改善系統(tǒng)性能。要在現(xiàn)有線路上達(dá)到目前10G OOK的傳輸誤碼率性能，100G收發(fā)機(jī)至少需要提高10dB 增益，而相干檢測(cè)PM-QPSK調(diào)制結(jié)合目前的電均衡補(bǔ)償技術(shù)最多能提供7dB增益，額外3dB增益需借助FEC提供。這要求100G傳輸系統(tǒng)的FEC編碼凈增益(NCG: Net Coding Gain)達(dá)到11dB以上。

　　1. 糾錯(cuò)編碼技術(shù)

　　糾錯(cuò)編碼是按照一定編碼規(guī)則人為增加冗余比特信息以便于在接收端檢錯(cuò)糾錯(cuò)的信道編碼。準(zhǔn)確地說(shuō)，就是把原碼字按某種規(guī)則變換成有一定剩余度的碼字，并使每個(gè)碼字的碼元間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。關(guān)系的建立過(guò)程稱(chēng)為編碼。碼字到達(dá)接收端后，用編碼時(shí)所用的規(guī)則去檢驗(yàn)。如果沒(méi)有錯(cuò)誤，則原規(guī)則一定滿足，否則就不滿足;由此足以判定傳輸或存取過(guò)程有無(wú)錯(cuò)誤。當(dāng)不能滿足時(shí)，在可糾錯(cuò)能力之內(nèi)按一定的規(guī)則確定錯(cuò)誤所在的位置，并予以糾正。

　　糾錯(cuò)編碼的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括①編碼增益：?jiǎn)挝粸閐B，一般用打開(kāi)和關(guān)閉糾錯(cuò)算法時(shí)背靠背無(wú)誤碼傳輸時(shí)最小信噪比之差來(lái)描述，該差值即是糾錯(cuò)編碼處理增益對(duì)傳輸信噪比要求的改善;②編碼開(kāi)銷(xiāo)：也稱(chēng)冗余比，即所增加的冗余碼長(zhǎng)與編碼前碼字長(zhǎng)度之比，通常以百分比來(lái)表示。例如RS(255,239)的編碼開(kāi)銷(xiāo)為(255-239)/239=6.69%;③實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度：通常用物理實(shí)現(xiàn)的邏輯門(mén)數(shù)或軟件加乘運(yùn)算的次數(shù)來(lái)描述;④處理時(shí)延：與所采用的算法以及算法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)相關(guān)，算法的并行能力越強(qiáng)，處理時(shí)延越低。

　　光傳輸常用的糾錯(cuò)編碼經(jīng)歷了三代：第一代是以RS、BCH為代表的基礎(chǔ)編碼，其編碼增益在6dB左右，編碼開(kāi)銷(xiāo)約為7%;第二代為以RS、BCH為基礎(chǔ)兩級(jí)鏈接而成的鏈接編碼，其編碼增益在9dB左右，詳見(jiàn)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(kāi)銷(xiāo)在15%以上。

　　LDPC碼即低密度奇偶校驗(yàn)碼(Low Density Parity Check Code)，它由Robert G.Gallager博士于1963年提出的一類(lèi)具有稀疏校驗(yàn)矩陣的線分組碼，不僅有逼近Shannon限的編碼增益，而且譯碼復(fù)雜度低、處理時(shí)延短、結(jié)構(gòu)靈活，是近年信道編碼領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于深空通信、光纖通信、衛(wèi)星數(shù)字視頻和音頻廣播等領(lǐng)域。未來(lái)的第四代糾錯(cuò)編碼將是調(diào)制技術(shù)與LDPC技術(shù)的融合產(chǎn)物。

　　糾錯(cuò)編碼技術(shù)可以跳出傳輸物理層的限制，在邏輯層對(duì)一切物理傳輸損傷進(jìn)行補(bǔ)償，特別是對(duì)非線性效應(yīng)影響的補(bǔ)償。糾錯(cuò)編碼的編碼增益越大，相同傳輸距離下對(duì)入纖光功率的要求越低，接收機(jī)OSNR要求越小。另一方面，光信號(hào)在傳輸過(guò)程中OSNR越小，纖芯光功率強(qiáng)度的變化越小，纖芯折射率的波動(dòng)越小，非線性效應(yīng)的影響就越不明顯。

　　2. 100G軟判決糾錯(cuò)技術(shù)

　　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(duì)于硬判決而言的，與具體的糾錯(cuò)編碼或后續(xù)算法沒(méi)有必然關(guān)聯(lián)。軟硬判決的區(qū)別在于其對(duì)信號(hào)量化所采用的比特位數(shù)。硬判決以閾值為準(zhǔn)繩，武斷地對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行判定;軟判決以閾值為參考，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行猜測(cè)，并聲明猜測(cè)的可信度。軟判決并未判決，僅提供猜測(cè)信息和可信度信息，便于后續(xù)算法(如Viterbi)結(jié)合其他信息進(jìn)一步處理、綜合判定。

QPSK調(diào)制軟判決示意圖

        對(duì)于一般的單比特判決而言，判決軟硬判決的不同在物理實(shí)現(xiàn)上表現(xiàn)為其對(duì)信號(hào)量化所采用的比特位數(shù)。硬判決對(duì)信號(hào)量化的比特?cái)?shù)為1位，其判決結(jié)果非“0”即“1”，沒(méi)有回旋余地。軟判決則采用多個(gè)比特對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化，一個(gè)比特為猜測(cè)信息，額外的比特提供該猜測(cè)的可信度信息。

　　以如圖1所示QPSK調(diào)制的符號(hào)判決為例：由于QPSK調(diào)制包含了四個(gè)相位狀態(tài)(體現(xiàn)為4個(gè)點(diǎn)的星座圖)，每個(gè)載波符號(hào)承載2bit信息，I(In-phase)、Q(Quadrature-phase)兩個(gè)維度分別承載1bit進(jìn)行，每個(gè)維度上硬判決僅根據(jù)“判決閾值”進(jìn)行“0”或“1”的判定;而軟判決在硬判決的“判決閾值”基礎(chǔ)上還提供了一組“置信度閾值”，圖中“置信度閾值”中3個(gè)參考值將“判決閾值”“0”或“1”判定之后的空間根據(jù)判決可靠性概率分為4個(gè)區(qū)域，需要用2bit對(duì)該組區(qū)域進(jìn)行區(qū)分，所以軟判決給后續(xù)糾錯(cuò)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(jìn)一步提高FEC編碼增益。一般而言，在相同開(kāi)銷(xiāo)和編碼算法的情況下，相對(duì)于硬判決，軟判決可以獲得1.1dB以上的編碼增益提升。對(duì)于主要受到非線性效應(yīng)限制的100G光傳輸系統(tǒng)，1dB糾錯(cuò)編碼增益對(duì)系統(tǒng)傳輸性能的提升遠(yuǎn)高于衰減或色散受限的光傳輸系統(tǒng)。根據(jù)中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信100G測(cè)試結(jié)果以及100G行標(biāo)，G.655光纖時(shí)采用軟判決的傳輸距離比硬判決多6個(gè)跨段，傳輸距離提升了60%。

　　3. 烽火100G糾錯(cuò)編碼技術(shù)

　　烽火100G糾錯(cuò)編碼采用13%軟判決低密度奇偶校驗(yàn)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(cuò)編碼為G.975.1所定義的二級(jí)鏈接碼，這種組合實(shí)際上構(gòu)成三級(jí)鏈接碼。

烽火100G糾錯(cuò)編碼

        之所以采用三級(jí)鏈接碼編碼形式，是因?yàn)長(zhǎng)DPC編碼具極強(qiáng)的突發(fā)大誤碼糾錯(cuò)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(guò)程出現(xiàn)環(huán)路和死鎖導(dǎo)致“誤碼平層”問(wèn)題，無(wú)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(jí)鏈接硬判決糾錯(cuò)編碼消除了LDPC“誤碼平層”的影響。通俗地講，內(nèi)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(cuò)編碼屬于狙擊槍式的“點(diǎn)清除”。

　　烽火100G糾錯(cuò)編碼方式一方面利用了LDPC編碼對(duì)大誤碼的糾錯(cuò)能力，利用外部硬判決糾錯(cuò)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(cuò)編碼的高增益盡可能的降低了LDPC編碼的復(fù)雜度、功耗和時(shí)延，具有最優(yōu)的性價(jià)比。

　　4. 烽火100G特性

　　烽火全系列100G OTN產(chǎn)品支持五超特性：96*100G超大系統(tǒng)容量、2600Km無(wú)電中繼超長(zhǎng)傳輸距離、NCG>11.5dB超強(qiáng)糾錯(cuò)編碼、超高色散容限、小于50ms超快保護(hù)恢復(fù)。為進(jìn)一步降低每比特傳送成本，持續(xù)提升網(wǎng)絡(luò)容量，烽火正在研制400G 波分傳輸系統(tǒng)，分別針對(duì)長(zhǎng)距離干線傳輸和城域應(yīng)用提供了兩套解決方案，滿足移動(dòng)在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容和投資收益方面的迫切要求。