海底光缆通信系统中的前向纠错技术

在海底光缆通信系统中采用前向纠错（FEC）技术，达到改善系统的误码率性能、提高系统通信可靠性、延长光信号的传输距离、降低光发射机发射功率以及降低系统成本的目的。近年来，ITU-T针对光通信系统的迅速发展而开展了FEC码的研究，相继提出了若干与此相关的建议（如ITU-T G.707、G.975、G.709和G.975.1等）。但随着光通信系统向更长距离、更大容量和更高速率发展，特别是单波速率从40Gbit/s向100Gbit/s甚至超100Gbit/s演进时，光纤中的传输效应（如色散、偏振模色散和非线性效应）就会严重影响传输速率和传输距离的进一步提高。多年的实际应用证明，在OSNR受限系统和色散受限系统中FEC是非常有效的。随着光纤通信系统向超高速、超长距离、超大容量的方向发展，前向纠错（FEC）技术作为超长距离光传输系统的关键技术之一，正被广泛用于光传输系统中，用以改善系统在光信噪比（OSNR）和信号畸变方面的限制。将前向纠错技术引入色散限制海底光缆通信系统，可取得很好的效果。前向纠错技术是提高光纤通信系统可靠性的重要手段。

前向纠错（FEC）是一种数据编码技术，该技术通过在发送端传输的信息序列中加入一些冗余监督码进行纠错。在发送端，由发送设备按一定算法生成冗余码，插入到要传输的数据流中；在接收端，按同样的算法对接收到的数据流进行译码，根据接收到的码流确定误码的位置，并进行纠错。海底光缆传输技术为实现超长距离传输不排斥采用各种先进的、非标准的FEC技术，例如，级联各种基本FEC编码算法（BCH、RS、卷积码），所以存在12Gbit/s、48.0Gbit/s和140.0Gbit/s等多种非标准速率。在FEC方式中，传输中检错由接收方进行验证，接收端不但能发现差错，而且能确定二进制码元发生错误的位置，从而加以纠正。FEC方式必须使用纠错码，发现错误无须通知发送方重发。FEC技术在光通信中的应用主要是为了获得额外的增益，即净编码增益（Net Coding Gain，NCG）。为此，人们不断研究开发性能更好的FEC码型，使其获得更高的净编码增益（NGG）和更好的纠错性能，满足光通信系统高速发展的需要。按照FEC编码和SDH之间的关系，用于SDH/DWDM的实用化FEC主要有带内FEC、带外FEC和增强FEC。

1.带内FEC

带内FEC方案是ITU-T在2000年10月通过的G.707建议中提出的。所谓带内，是指将FEC的冗余监督位置于SDNET/SDH原有帧格式开销中的未定义位上，无须增加额外的带宽，利用SDH帧中的一部分开销字节装载FEC码的监督码元。该方案适用于OC-48/STM-16或OC-192/STM-64信号，速率低于OC-48/STM-16时不使用FEC，高于此速率时须在此方案基础上加上交织技术。带内FEC方案采用可纠3bit错误的二元（4359，4320）BCH码（简称为BCH-3），采用带内FEC既不影响原来的STM-16帧格式，也不改变线路的传输速率。若经过交织处理，带内FEC可纠正单个接收码组中的任意3bit错误，同时可纠正STM-16帧中长度多达24bit的突发错误。因带内FEC是在不改变SONET/SDH原有帧格式的基础上引入的，并能与不用FEC的系统兼容。为了便于接收机区分发送端是否用了FEC，在开销中加了两比特的FEC状态指示器（FSI），若FSI为01，便表明用了FEC，若为00，则表示未用FEC。BCH码的纠错性能可用数学方法计算。

比如，发送端在SDH的STM-1信号（155Mbit/s）的开销字节中，插入冗余纠错码，对发射信号进行前向纠错（FEC）编码；在接收端，对传输过程中产生的误码，通过奇偶检验进行监视并纠正，可使比特误码率减小，如图3-1所示。由图可见，输入误码率为10^-3时，经过FEC后输出误码率可减小到10^-6；当输入误码率为10^-4时，输出误码率进一步可减小到10^-14，提高了10个数量级。图3-2表示2.5Gbit/s信号传输480km之后，同样误码率的情况下所需接收光功率的差异。

图3-1 FEC使BER减小

图3-2 采用FEC前后的BER与接收光功率对比

2.带外FEC

带内FEC的优点是不用改变SONET/SDH的帧格式、无须提高线路速率，但其纠错能力非常有限，已不能满足更高速率的远程网络的质量要求。因而IUT-T在2001年制定的G.709标准中便提出了适合DWDM光传输网（OTN）2.5Gbit/s、10Gbit/s、40Gbit/s速率的带外FEC方案，而G.975提出的带外FEC方案则主要用于2.5Gbit/s以及更高速率的海底光缆传输网络。这两种带外FEC方案基本相同，不同点是G.975采用的交织技术未形成各厂家统一标准，G.709则有统一的标准。所谓带外，是指FEC为了实现纠错所增加的冗余校验位不像带内FEC那样插入原有帧格式的空闲位中，而是附加在数据帧之后，需要增加额外的带宽，即使用带外FEC后线路速率会提高。以上两种带外FEC均采用Reed-Solomon码（RS码）。ITU-T G.709标准规定使用RS（255，239）码，编码冗余度更大，且开销有一定的灵活性。由于各设备厂商的广泛支持和应用，目前带外FEC基本上已成为事实上的FEC编码标准，也解决了初期由于FEC编码不同导致的各厂家设备间不能互通的问题。

带外FEC采用数字封装技术，数字封装帧是基本的传输单元，只要提高帧速率，就可以提高线路速率。G.975标准的带外FEC采用RS（255，239）码，一个数字封装帧由4×4080个字节组成，其中每个4080字节包括16行，每个子行就是长为255字节的一个（255，239）RS码的码字，每行头部16列为开销字节，中间3808字节为净荷，尾部255字节为FEC校验字节。这实际上是采用了一种深度为16的字节交织技术，发送时首先由上而下逐个字节地发送第一列中的16个字节，接着发送第2列中的16个字节，依此类推最后发送第255列的16个字节。数字封装帧中的第1列用于系统开销，第2列到第239列用于传送有效负载数据，第240列到第255列则是用于纠错冗余校验元。采用交织技术后该方案具有很强的纠突发错误的能力，不仅能纠正一个接收码组中发生的不多于8个字节的错误，而且能纠正4080字节中最多长达128个字节的突发错误。带外FEC在理论上的纠错性能曲线如图3-3所示。

将不同数目的数字封装帧组合起来便构成代表不同传输速率的光传输单元（OTU），即OTU1、OTU2和OTU3，其速率分别为2.666Gbit/s、10.709Gbit/s和43.018Gbit/s。

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图3-3 RS（255，239）码在理论上的纠错性能

3.增强型FEC（SFEC）

随着软硬件技术的发展，光通信系统逐步引入了级联信道编码等大增益编码技术，进行增强型FEC的研制，主要应用于时延要求不严、编码增益要求特别高的光通信系统。级联码与迭代译码等技术结合的编译码方案称之为超级FEC方案，涉及的码型包括RS级联码、分组Turbo码、Goppa码等。在该方案中，采用迭代硬判决译码技术的级联码又称为第二代光纤通信FEC码，如级联RS码等。而采用迭代软判决译码技术的FEC码称为第三代光通信FEC码，如LDPC码、分组Turbo码等。由于SFEC的编译码中采用了交织及迭代译码技术，因而具有较长的延时。

2004年2月，ITU-T为高比特率WDM海底光缆系统FEC制定了G.975.1建议，规定了8种级联码型。这是一种比G.975建议RS（255，239）码具有更强纠错能力的超级FEC（SFEC，SuperFEC）码。大部分是用里德-所罗门（Reed-Solomon，RS）编码（内编码）和其他的一些编码方式（外编码）级联而成。RS编码方式是由Reed和Solomon提出的一种多进制BCH编码。BCH码是Bose、Ray-Chaudhuri、Hocquenghem的缩写，是编码理论尤其是纠错码中研究较多的一种编码方式。目前ITU-T G.975.1标准的8种SFEC码见表3-1。

表3-1 G.975.1的8种SFEC码

级联码由两个取自不同域的子码（一般采用分组码）串接而成长码，不需要长码所需的复杂译码设备，且具有极强的纠突发和随机错误能力。理论上，通常采用一个二进制码作内编码，另一个非二进制码作外编码就能组成一个简单的级联码，其原理实现如图3-4所示。当信道产生少量的随机错误时，可以通过内码纠正；当产生较大的突发错误或随机错误，以至于超过内码的纠错能力时，而内译码器产生错译，输出的码字有几个错误，但这仅相当于外码的几个错误符号，外译码器能较容易的纠正。因此，级联码用来纠正组合信道错误以及较长的突发性错误非常有效，而且编译码电路实现简单，以及需要较少的代价，所以非常适合在光通信中使用。

图3-4 级联码原理实现框图（G.975.1，P3）

SFEC是一种基于软件判决和循环解码的纠错，其净编码增益可以达到10dB以上，可以使对输入BER_in的要求从2×10^-13降低到2×10^-2，此时判决前的眼图即使张开得很小，信号几乎淹没在噪声中，经过SFEC纠错后，可以不产生误码。图3-5表示SFEC的解码特性与纠错能力，图3-5a表示输出BER与输入BER的关系，图3-5b表示比特误码率与每比特信息Q参数的关系。Q参数和BER_in的关系是

图3-5 超级前向纠错（SFEC）误码纠错能力