光纖通信中FEC技術(shù)編碼方案的優(yōu)劣及其發(fā)展歷程

1、光纖通信中FEC技術(shù)編碼方案的優(yōu)劣及其發(fā)展歷程羅秋園，龔巖芬，張宗寶，李培煉，黃志鋒摘要：本文簡述了前向糾錯與差錯控制的基本概念，總結(jié)了FEC技術(shù)的編碼方法，結(jié)合FEC所采用的BCH-3碼和RS-8碼的編碼技術(shù)，著重分析比較了FEC編碼方法的優(yōu)劣勢。最后總結(jié)了近幾年FEC技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。關(guān)鍵詞：光線通信；前向糾錯碼型；帶內(nèi)FEC;帶外FEC1引言近30年來，光纖通信傳輸速率正以每五年十倍的速度增長，而提高信息的傳輸速率和延長傳輸距離是光纖通信發(fā)展的兩個重要方向，提高光纖傳輸速率的非常有效的兩種途徑是提高單信道的傳輸速率和采用密集波分復(fù)用技術(shù)。在速率大幅提高的同時，又伴隨著對傳輸距離的新限制因素

2、的出現(xiàn)，這些物理限制因素包括色度色散、非線性效應(yīng)和偏振模色散等，為了降低這些不利因素，國內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量的研究，并提出了前向糾錯等技術(shù)1（Forward-Error-Correction簡稱為FEC）。FEC技術(shù)早已廣泛的應(yīng)用于電通信系統(tǒng)，有著堅實的理論基礎(chǔ)，經(jīng)過多年發(fā)展已相當(dāng)成熟。它的主要優(yōu)點是不需要反饋信道，譯碼實時性較好。缺點是譯碼設(shè)備比較復(fù)雜，所選用的糾錯碼必須與信道的干擾情況相匹配，對信道的適應(yīng)性差。目前，在海底光纜系統(tǒng)中已經(jīng)采用了FEC技術(shù)。前向糾錯編碼是實現(xiàn)長距離高速光纖通信的關(guān)鍵技術(shù)，能提高數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性，降低誤碼率以改善光傳輸系統(tǒng)通信的質(zhì)量，其在深空通信，衛(wèi)星通信，

3、移動通信及計算機網(wǎng)絡(luò)中已得到廣泛應(yīng)用20目前，廣泛應(yīng)用于光傳輸系統(tǒng)中的前向糾錯（FEC）就是應(yīng)用糾錯編碼進(jìn)行差錯控制的一種方式3。由于編碼后的碼組長度大于編碼前的信息碼組長度，從而降低了信息傳輸速率，可見采用FEC技術(shù)來提高光傳輸系統(tǒng)的可靠性是以降低通信的有效性為代價的4因而，F(xiàn)EC技術(shù)在光通信中的應(yīng)用主要為了獲得額外的增益（所謂增益是指為達(dá)到同樣的誤比特率，無編碼和有編碼情況下所需信噪比之差），也就是關(guān)鍵要在有效性和可靠性之間找到一個平衡點，即在不過分犧牲通信有效性的基礎(chǔ)上盡量提高通信的可靠性。2糾錯碼與差錯控制糾錯碼又稱為信道編碼，具基本原理是發(fā)送端在帶傳輸?shù)男畔⑿蛄泻蟀匆欢ǖ囊?guī)則增加一些

4、用以實現(xiàn)糾、檢錯的冗余監(jiān)督碼元，構(gòu)成一個字碼，再送入信道傳輸；在接收端則按同樣的規(guī)則檢測所接收的碼組看是否有錯，若發(fā)生的錯誤數(shù)不大于碼的糾、檢錯能力，則可能發(fā)現(xiàn)錯誤，要求對方重發(fā)或自動加以糾正。糾錯碼按其信息元處理方法分為分組碼和卷積碼，考慮到光通信中的差錯大部分均為無記憶的獨立隨機差錯，不必要應(yīng)用編譯碼結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜的卷積碼5,因而一般選用分組碼。按照所糾、檢錯誤的類型，糾錯碼可分為糾正隨機錯誤與糾正突發(fā)錯誤的碼。分組碼的種類很多，典型的有漢明碼、BCH碼、RS、RM碼、Copp刎等，光纖通信中目前采用的是BCH碼和RS碼。一種糾錯碼用于只糾錯，只檢錯，還是既糾錯又檢錯，這取決于系統(tǒng)所采用的猜

5、錯控制方式。差錯控制方式通常有3種：前向糾錯（FEC）、自動請求重傳（ARQ）及混合ARQ。糾錯碼的性能取決于碼的糾錯能力、譯碼算法及所用的差錯控制方式。3FE阱碼方案及其優(yōu)劣1996年，實驗達(dá)到每條光纖的傳輸速率為1Tb/s,而到2001年是為10Tb/s,光纖通信速率的突飛猛進(jìn)增長歸功于先進(jìn)光技術(shù)和前向糾錯技術(shù)的大力支持6。FEC在光纖通信中的應(yīng)用是近年來才提出的基本原因在于：一是光纖本身有較強的抗干擾能力；二是在光纖通信初期對速率的要求不高，一條光纖只須傳輸一個波長信號。由于當(dāng)年在開發(fā)該技術(shù)時網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)闹饕獦I(yè)務(wù)仍是話音，話音對誤碼不太敏感，線路傳輸速率也不高，因而并沒有考慮采用糾錯碼。

6、隨著網(wǎng)絡(luò)的普及與迅速發(fā)展，通信業(yè)務(wù)量大增，因而需要采用波分復(fù)用（WDM）,甚至密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)，使線路速率提高到10Gb/s、40Gb/s甚至更高。不同通信系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)不同，信道的干擾特性也不同，故須采用不同的編碼方案。同步光網(wǎng)/同步數(shù)字體系（SONET/SDH）是高速光纖通信目前采用的骨干傳輸技術(shù)。根據(jù)FEC編碼和SDH之間的關(guān)系，提出了用于SDH/DWDM的實用化FEC主要有以下三種：3.1 帶內(nèi)FEC帶內(nèi)FEC是ITU-T在2000年10月通過的G.707建議中提出的。所謂內(nèi)帶是指將監(jiān)督碼元映射到SDH幀結(jié)構(gòu)中，即利用未使用的開銷字節(jié)傳送FEC的校驗位，無須增加額外的帶

7、寬。該方案適用于4路OC-48/STM-16,或單路OC-192/STM-64信號，線路速率為10Gb/s,速率低OC-48/STM-16時不使用FEC,高于此速率時須在此方案基礎(chǔ)上加上交織技術(shù)。顯然，這種方式避免了碼速調(diào)整，但這種方式的解碼延時比帶外FEC的稍大，同時，由于校驗位可獲得的帶寬嚴(yán)格受限，從而使糾錯性能受到一定的影響，編碼增益較小（34dB）。因帶內(nèi)FEC是在不改變SONET/SDH原有幀格式的基礎(chǔ)上引入的，線路速率保持不變，并能與不用FEC的系統(tǒng)兼容。為了便于接收機區(qū)分發(fā)送端是否用了FEC,在開銷中加了兩比特的FEC狀態(tài)指示器(FSI),若FSI為01,便表明用了FEC,若為0

8、0,則表示未用FEC。2.2 帶外FECITU-T在2001年制定的G.709s準(zhǔn)中便提出了適合DWDM光傳輸網(wǎng)(OTN)2.5、10、40Gb/s速率的帶外方案，帶外方案指在SDH層下另外增加一個FEC層，專門用于FEC的處理。其優(yōu)點是不用改變SONET/SDH的幀格式、無須提高線路速率，并可方便地插人FEC開銷而不受SDH幀格式的限制，具有較強的靈活性，但其糾錯能力非常有限，已不能滿足更高速率的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量要求，且插人的開銷增加了線路碼率，從而提高了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性；。而G.79雕出的帶外FEC方案則主要用于2.5Gb/s以及更高的速率海底光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)。這兩種帶外FEC方案基本相同，不

9、同點是G.97冰用的交織技術(shù)未形成標(biāo)準(zhǔn)，G.709則有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。以上兩種帶外FEC土勻采用Reed-Solomo訓(xùn)(簡稱RS碼)。ITU-TG.709標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用RS(255,238)碼，編碼冗余度更大，且開銷有一定的靈活性。由于各設(shè)備廠商的廣泛支持和應(yīng)用，目前帶外FEC基本上已成為事實上的FEC編碼標(biāo)準(zhǔn)，也解決了初期由于FEC編碼不同引起的不同公司設(shè)備不能互通的問題。帶外FEC采用數(shù)字封裝技術(shù)(DigitalWrapper)。帶外FEC采用RS(255,239)碼，一個數(shù)字封裝幀由4080個字節(jié)組成，共16行，每行就是長為255字節(jié)的一個(255,239)R駟的碼字。這實際上是采用了一種深

10、度為16的字節(jié)交織技術(shù)，發(fā)送時首先由上而下逐個字節(jié)地發(fā)送第一列中的16個字節(jié)，接著發(fā)送第2列中的16個字節(jié)，以此類推最后發(fā)送第255列白16個字節(jié)。數(shù)字封裝幀中的第1列用于系統(tǒng)開銷，第2列到第239列用于傳送有效負(fù)載數(shù)據(jù)，第240列到第255列則是用于糾錯冗余校驗元。采用交織技術(shù)后該方案具有很強的糾突發(fā)錯誤的能力，不僅能糾正一個接收碼組中發(fā)生的不多于8個字節(jié)的錯誤，而且能糾正408嚀節(jié)中最多長達(dá)128個字節(jié)的突發(fā)錯誤。將不同數(shù)目的數(shù)字封裝幀組合起來便構(gòu)成代表不同傳輸速率的光傳輸單元(OTU),即OTU1、OTU2和OTU3,其線路速率分別為2.5Gb/s、10Gb/矯P40Gb/so另外，隨著

11、碼長的增加，譯碼錯誤概率按指數(shù)接近零，但是隨著碼長的增加，在一個碼組中要求糾錯的數(shù)目相應(yīng)增加，譯碼器的復(fù)雜性和計算量也相應(yīng)增加以致難以實現(xiàn)，特別是在光通信中采用復(fù)雜的編、譯碼方案不現(xiàn)實。為了解決性能與設(shè)備復(fù)雜度及實現(xiàn)可能性的矛盾，考慮要引入新的碼型到光通信中來。級聯(lián)碼就是一種很好的方案7。2.3 超級FEC(SFEQ超級FEC則是在wDM系統(tǒng)中使用,一個波長用于傳送信息碼元,另一個波長傳校驗碼，該方式具有較高的糾錯性能,且與SDH有較好的兼容性,解碼延時也比帶內(nèi)FEC小。然而，在多波長系統(tǒng)中,若采用單模光纖（SMF）,由于群速度色散（GVD）造成的時延差異難以消除，限制了傳輸距離；若采用零色散

12、位移光纖（ZDF）,雖然可以消除延時差異，但四波混頻效應(yīng)（FWM）引起的申擾使得FEC技術(shù)難以克服系統(tǒng)性能的惡化；若采用非零色散位移光纖（NZD）F和服用波長的匹配也能進(jìn)行長距離的FEC傳輸，但無疑增加了系統(tǒng)的成本。在DWDM系統(tǒng)中增加了光通道密度，在DWDM系統(tǒng)中，光信號的頻譜展寬會使鄰近信道的性能惡化。隨著光通道密度的增加，這種惡化會更加嚴(yán)重。FEC的編碼增益減輕了這種申擾的影響，從而增加了DWDM系統(tǒng)中的光通道密度。因此隨著WDM技術(shù)的日趨成熟，光纖通信系統(tǒng)對FEC碼的糾錯能力的要求越來越高，出現(xiàn)了級聯(lián)碼與迭代譯碼等技術(shù)結(jié)合的編譯碼方案稱之為超級FEC方案。涉及的碼型包括RS級聯(lián)碼、分組

13、Turbo碼、Gopp刎等。在該方案中采用迭代硬判決譯碼技術(shù)的級聯(lián)碼又稱為第二代光纖通信FEOS,如級聯(lián)R駟等。而采用迭代軟判決譯碼技術(shù)的FEC碼則稱為第三代光纖通信FEC碼，如分組Turbo碼等。由于SFE的編譯碼中采用了交織及迭代譯碼技術(shù)，因而具有較長的延時。該方案主要應(yīng)用于時延要求不嚴(yán)、編碼增益要求特別高的光纖通信系統(tǒng)。若對編碼增益要求不太高、不想對現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行大的調(diào)整，帶內(nèi)FEC則是一種最佳的方案，可方便實現(xiàn)平滑升級。帶外FEC具有靈活的開銷，可用于需更高的編碼增益的通信系統(tǒng)，但由于會改變調(diào)制速率，須根據(jù)碼率對整個發(fā)送/接收設(shè)備作一定的更換。帶內(nèi)FEC適用于線路速率為10Gb/s的4

14、品&OC-48/STM-16,或單路OC-192/STM-64信號，帶外FEC則適合DWDM光傳輸網(wǎng)（OTN）2.5、10、40Gb/s速率以及海底光纖傳輸系統(tǒng)使用。4光纖通信FECfe術(shù)研究進(jìn)展FEC在電通信系統(tǒng)中的應(yīng)用已有很長的歷史，但FEC在光纖通信中的應(yīng)用研究一直被忽視。直至1988年，Grover最早將FEC用于光纖通信系統(tǒng)，他將（224,216）縮短漢明碼應(yīng)用于只有565Mb/s的低速數(shù)據(jù)流中，在輸出誤比特率（BERout）為1M0-13時可獲得5.8dB的編碼增益。到了上世紀(jì)九十年代初，F(xiàn)EC在光纖通信系統(tǒng)特別是海底電纜中得很好的應(yīng)用。這時，著名的BCH碼、R駟被用于海底

15、電纜，而RS（255,239）則成為ITU-TG.975標(biāo)準(zhǔn)被用于大范圍長距離通信系統(tǒng)中。隨著波分復(fù)用（WDM）技術(shù)的成熟，具有更強糾錯能力的級聯(lián)碼出現(xiàn)了。采用交織和迭代硬判決譯碼技術(shù)的級聯(lián)碼使其糾錯能力大大增強。近年來，采用軟判決譯碼技術(shù)的Turbo碼網(wǎng)與LDPC碼9以其逼近仙農(nóng)限的糾錯能力成為信道編碼領(lǐng)域的熱點，凈編碼增益可達(dá)十余dB,從而使光纖通信能以數(shù)十Gb/s的速率傳輸。從技術(shù)的角度光纖通信中的FEC可分為三代。3.1 第一代FEC以RS(255,239)碼(簡稱RS-8)為代表的最初被用于通信系統(tǒng)的糾錯碼被稱為第一代FEC碼，RS(255,239)碼是在k=239數(shù)據(jù)字節(jié)(每個字節(jié)

16、為一個碼元符號)后加上16個校驗字節(jié)構(gòu)成長為n=255?節(jié)的碼字,其編碼效率為93.7%。RS(255,239)碼生多項式為：g(x)=x8+x4+x3+x2+1。該碼可糾正接收碼組中任意8字節(jié)的隨機錯誤，糾單個突發(fā)錯誤的最大長度為64比特。當(dāng)輸入BERin為1.4E-4時輸出BER為1E-13。隨著輸出的BERout的增加，RS(255,239)W凈編碼增益也增加，在輸出BERout為1X0-13時可獲得凈編碼增益為5.8dB。RS(255,239)已被推薦為大范圍長距離通信系統(tǒng)的ITU-TG.975標(biāo)準(zhǔn)。在239字節(jié)長的有效負(fù)載中，有一個字節(jié)用于幀頭，故其數(shù)據(jù)率為編碼前比特流的R=255/

17、238倍。*g據(jù)STM16幀格式可得數(shù)據(jù)率為：2.48832Gb/s255/238=2.6660571Gb/$為了改善糾突發(fā)錯誤的能力，ITU-TG.975中使用交織深度為16的交織器。在第一代糾錯碼技術(shù)的支持下，實現(xiàn)了長距離越洋通信。1996年RS(255,239液成功用于跨太平洋、大西洋長達(dá)7000km的遠(yuǎn)洋通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)率達(dá)5Gb/s。3.2 第二代FEC采用硬判決技術(shù)的級聯(lián)碼稱為第二代FEC碼。編碼部分中，數(shù)據(jù)流通過符號交織后，進(jìn)入外編碼器，再解交織后進(jìn)入內(nèi)編碼器完成編碼，然后經(jīng)過線路傳輸后進(jìn)行譯碼。在接收端，接收到的比特數(shù)據(jù)流依次經(jīng)內(nèi)譯碼器，符號交織器，外譯碼器，解交織器輸出臨時譯

18、碼比特，再將輸出的譯碼比特輸入內(nèi)譯碼器進(jìn)行再次譯碼，經(jīng)過數(shù)次迭代后才輸出最終的譯碼結(jié)果。最先被用于第二代FEC的是RS級聯(lián)碼。隨后AitSab等人提出了RS(255,239)+RS(255,223為冗余度為22%的級聯(lián)碼，該碼譯碼采用兩次迭代時用蒙德卡特仿真可獲得8.4dB的凈編碼增益。SeKi等提出了RS(255,239)+CSOO聯(lián)方案，冗余度為25%,在輸出誤比特率為1X10-12時可獲得8dB的凈編碼增益。Takashi等人在文還提出了RS(255,223)+RS(255,239)B級聯(lián)方案。RS(239,223)+RS(255,239汲聯(lián)方案的冗余度只有14.2%。它以較小的冗余度就

19、很好地避免了在高色散傳輸線路中光纖的非線性效應(yīng)。為獲得更高的編碼增益，方案中采用了交織深度為16的交織器和若干次迭代譯碼。RS(255,223)+RS(255,239H在10Gb/s、20Gb/s的傳輸系統(tǒng)中實驗成功。近來年，AitSab為40Gb/s傳輸系統(tǒng)設(shè)計了一種具有更強糾錯能力、冗余度只有6.7%的BCH(1020,988)+BCH(1020,988)方案。在輸出誤比特率低時，BCH碼比RS碼具有更好的糾錯性能，它能糾1020比特中的任3位錯誤。運用蒙德卡特方法仿真表明，在輸出誤比特率為1X10-13時獲得8.5dB的凈編碼增益，比用RS(255,239玄？2.7dB。由于第二代FEC

20、碼的編解碼過程相對復(fù)雜，目前還較少應(yīng)用，但其優(yōu)越性能必將成為新一代光纖通信FEC的主流?？赏蔀镮TU-TG.975.1標(biāo)準(zhǔn)的第二代FEC碼有如下幾種：RS(255,239)+CSOC(n0/k0=6/7,J=8)級聯(lián)碼,BCH(3860,3824)+BCH(2040,1930)級聯(lián)碼,RS(1023,1007)+BCH(2047,1952)級聯(lián)碼,RS(1901,1855)+T展?jié)h明乘積碼(512,502)(510,500)級聯(lián)碼，兩正交級聯(lián)BCH碼，兩交織擴展BCH(1020,988)級聯(lián)碼等。3.3 第三代FECW究展望采用軟判決譯碼技術(shù)的Turbo碼或LDPC碼稱為第三代FEC碼。在前

21、些年，商業(yè)化構(gòu)建的光纖傳輸速率達(dá)到了Tb/s數(shù)量級，第二代FEC已不能滿足如此巨大的傳輸能力。滿足如此巨大的傳輸能力的FEC的凈編碼增益至少要10dB,而且這種Tb/s數(shù)量級系統(tǒng)的構(gòu)造成本很高，需要昂貴的設(shè)備支持：超寬帶光纖放大器、復(fù)雜的光纖信道均衡器、特優(yōu)質(zhì)光纖等。因此FEC不僅要具有極強的糾錯性能，而且要在構(gòu)建這些模塊上降低其成本。采用軟件判決迭代譯碼的Turbo碼成為實現(xiàn)這一目標(biāo)的首選編碼方案。之前，Puc等人最早將軟判決譯碼應(yīng)用于R駟與維特比卷積碼的級聯(lián)碼中，在2.5Gb/s的系統(tǒng)中達(dá)到了10.3dB的凈編碼增益。但是冗余開銷高達(dá)到113%,遠(yuǎn)不能滿足10Gb/s以上系統(tǒng)冗余開銷不能超

22、過25%的要求。近年來，AitSab在計算基于乘積碼的分組Turbot在光纖傳輸系統(tǒng)中的性能的基礎(chǔ)上，通過計算機仿真發(fā)現(xiàn)分Turbo碼以低于25%的冗余度便可獲得10.1dB爭編碼增益，但由于要構(gòu)建這樣的光通信系統(tǒng)的電路設(shè)備非常復(fù)雜，至今尚未能用硬件實現(xiàn)。高達(dá)10.1dB凈編碼增益可望起到如下作用。(1)實現(xiàn)超高速傳輸；(2)減少中繼數(shù)量；(3)降低光纖的功率譜密度，減輕光纖的非線性效應(yīng)從而可最大限度降低光纖的等級。(4)將分組Turbo碼與DPSK調(diào)制結(jié)合，將提高了光接收機的靈敏度。在近幾年，學(xué)者們致力于40Gb/s傳輸系統(tǒng)的FEC研究，研究重點在于如何降低編碼冗余度與建網(wǎng)成本。LDPC碼是

23、另一種極具潛力的糾錯碼10,可望成為該系統(tǒng)的編碼方案。LDPC碼是一種基于稀疏校驗矩陣的線性分組碼，其譯碼采用和-積算法的迭代軟判決譯碼，性能達(dá)到甚至超過了TurbotoVasic和Djordjevic等人已開始了LDPC碼在光纖通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。結(jié)果表明，將LDPC應(yīng)用于40Gb/s的傳輸系統(tǒng)比用分組Turbo碼在成本上將大大降低，但由于譯碼迭代次數(shù)較多，整個系統(tǒng)實現(xiàn)極其復(fù)雜，至今未能用硬件實現(xiàn)，因而仍有待于研究。4結(jié)束語前向糾錯編碼技術(shù)是實現(xiàn)長距離高速光纖通信的關(guān)鍵技術(shù)。FEC編碼所獲得的編碼增益，可改善現(xiàn)有光纖鏈路的性能提高抗干擾能力，大大降低誤碼率，實現(xiàn)長距離無中繼傳輸，或降低所需的發(fā)射功率，因而可大大降低系統(tǒng)成本，帶來巨大的經(jīng)濟效益。隨著光傳輸系統(tǒng)向更高速、更大容量與更長距離的進(jìn)一步發(fā)展，因而有必要對具有更強糾錯性能的超強FEC碼型進(jìn)行研究。參考文獻(xiàn)1夏樣.光纖通信系統(tǒng)中的前向糾錯技術(shù)J.山東通信技術(shù),Mar.2005,1(25):30-31.2梁釗長距離高速光纖通信中的前向糾錯編碼技術(shù)J.光纖傳輸，Nov.2004,11(11):52-55.3TAGAMIH,KOBAYASHIT,MIYATAY,etal.A3.bitSoft-DecisionICforpowerfulForwardErro