100G技术革命：纠错编码技术
来源：C114
摘要：要在现有线路上达到目前10G OOK的传输误码率性能，100G收发机至少需要提高10dB 增益，而相干检测PM-QPSK调制结合目前的电均衡补偿技术最多能提供7dB增益，额外3dB增益需借助FEC提供。这要求100G传输系统的FEC编码净增益达到11dB以上。
Abstract：
Key words :
基于数字相干接收PM-QPSK调制的100G光传输技术在长距离光传输技术史上具有里程碑意义。在调制、检测、均衡以及复用技术无法满足系统传输性能要求的情况下，可采用纠错编码技术进一步改善系统性能。要在现有线路上达到目前10G OOK的传输误码率性能，100G收发机至少需要提高10dB 增益，而相干检测PM-QPSK调制结合目前的电均衡补偿技术最多能提供7dB增益，额外3dB增益需借助FEC提供。这要求100G传输系统的FEC编码净增益(NCG: Net Coding Gain)达到11dB以上。
1. 纠错编码技术
纠错编码是按照一定编码规则人为增加冗余比特信息以便于在接收端检错纠错的信道编码。准确地说，就是把原码字按某种规则变换成有一定剩余度的码字，并使每个码字的码元间有一定的对应关系。关系的建立过程称为编码。码字到达接收端后，用编码时所用的规则去检验。如果没有错误，则原规则一定满足，否则就不满足；由此足以判定传输或存取过程有无错误。当不能满足时，在可纠错能力之内按一定的规则确定错误所在的位置，并予以纠正。
纠错编码的性能评价指标包括①编码增益：单位为dB，一般用打开和关闭纠错算法时背靠背无误码传输时最小信噪比之差来描述，该差值即是纠错编码处理增益对传输信噪比要求的改善；②编码开销：也称冗余比，即所增加的冗余码长与编码前码字长度之比，通常以百分比来表示。例如RS(255,239)的编码开销为(255-239)/239=6.69%；③实现复杂度：通常用物理实现的逻辑门数或软件加乘运算的次数来描述；④处理时延：与所采用的算法以及算法实现的结构相关，算法的并行能力越强，处理时延越低。
光传输常用的纠错编码经历了三代：第一代是以RS、BCH为代表的基础编码，其编码增益在6dB左右，编码开销约为7%；第二代为以RS、BCH为基础两级链接而成的链接编码，其编码增益在9dB左右，详见G.975.1；第三代为以LDPC、Turbo为代表的
软判决迭代编码，其编码增益约在12dB左右，编码开销在15%以上。
LDPC码即低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code），它由Robert G.Gallager博士于1963年提出的一类具有稀疏校验矩阵的线性分组码，不仅有逼近Shannon限的编码增益，而且译码复杂度低、处理时延短、结构灵活，是近年信道编码领域的研究热点，目前已广泛应用于深空通信、光纤通信、卫星数字视频和音频广播等领域。未来的第四代纠错编码将是调制技术与LDPC技术的融合产物。
纠错编码技术可以跳出传输物理层的限制，在逻辑层对一切物理传输损伤进行补偿，特别是对非线性效应影响的补偿。纠错编码的编码增益越大，相同传输距离下对入纤光功率的要求越低，接收机OSNR要求越小。另一方面，光信号在传输过程中OSNR越小，纤芯光功率强度的变化越小，纤芯折射率的波动越小，非线性效应的影响就越不明显。
2. 100G软判决纠错技术
除了采用新的编码算法外，采用软判决也可以提高FEC编码增益。软判决是相对于硬判决而言的，与具体的纠错编码或后续算法没有必然关联。软硬判决的区别在于其对信号量化所采用的比特位数。硬判决以阈值为准绳，武断地对输入信号进行判定；软判决以阈值为参考，对输入信号进行猜测，并声明猜测的可信度。软判决并未判决，仅提供猜测信息和可信度信息，便于后续算法（如Viterbi）结合其他信息进一步处理、综合判定。
图1：QPSK调制软判决示意图
对于一般的单比特判决而言，判决软硬判决的不同在物理实现上表现为其对信号量化所采用的比特位数。硬判决对信号量化的比特数为1位，其判决结果非“0”即“1”，没有回旋余地。软判决则采用多个比特对信号进行量化，一个比特为猜测信息，额外的比特提供该猜测的可信度信息。
以如图1所示QPSK调制的符号判决为例：由于QPSK调制包含了四个相位状态（体现为4个点的星座图），每个载波符号承载2bit信息，I(In-phase)、Q(Quadrature-phase)两个维度分别承载1bit进行，每个维度上硬判决仅根据“判决阈值”进行“0”或“1”的判定；而软判决在硬判决的“判决阈值”基础上还提供了一组“置信度阈值”，图中“置信度阈值”中3个参考值将“判决阈值”“0”或“1”判定之后的空间根据判决可靠性概率分为4个区域，需要用2bit对该组区域进行区分，所以软判决给后续纠错算法所提供的信息即为1bit的判决值＋2bit的置信度信息。
软判决所提供的可信度信息可以进一步提高FEC编码增益。一般而言，在相同开销和编码算法的情况下，相对于硬判决，软判决可以获得1.1dB以上的编码增益提升。对于主要受到非线性效应限制的100G光传输系统，1dB纠错编码增益对系统传输性能的提升远高于衰减或色散受限的光传输系统。根据中国移动、中国电信100G测试结果以及100G行标，G.655光纤时采用软判决的传输距离比硬判决多6个跨段，传输距离提升了60%。
3. 烽火100G纠错编码技术
烽火100G纠错编码采用13%软判决低密度奇偶校验编码（LDPC），并辅以7% EFEC编码，分别置于ASIC和framer中（图2）。其中7%的硬判决纠错编码为G.975.1所定义的二级链接码，这种组合实际上构成三级链接码。
图2：烽火100G纠错编码
之所以采用三级链接码编码形式，是因为LDPC编码具极强的突发大误码纠错能力，可以将2.5e-2 的误码降低到1e-5以下，但LDPC因其解码过程出现环路和死锁导致“误码平层”问题，无法将误码降低到1e-12以下。烽火在外部采用G.975.1所定义的7%二级链接硬判决纠错编码消除了LDPC“误码平层”的影响。通俗地讲，内部13%软判决LDPC编码的作用属于大炮式的大火力“面攻击”，外部7%硬判决纠错编码属于狙击枪式的“点清除”。
烽火100G纠错编码方式一方面利用了LDPC编码对大误码的纠错能力，利用外部硬判决纠错编码消除了“误码平层”的影响，另一方面利用成熟商用7%硬判决纠错编码的高增益尽可能的降低了LDPC编码的复杂度、功耗和时延，具有最优的性价比。
4. 烽火100G特性
烽火全系列100G OTN产品支持五超特性：96*100G超大系统容量、2600Km无电中继超长传输距离、NCG>11.5dB超强纠错编码、超高色散容限、小于50ms超快保护恢复。为进一步降低每比特传送成本，持续提升网络容量，烽火正在研制400G 波分传输系统，分别针对长距离干线传输和城域应用提供了两套解决方案，满足移动在网络扩容和投资收益方面的迫切要求。
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