帶內(nèi)FEC與帶外FEC性能分析及綜合比較

目錄TOC\o"1-5"\h\z編碼增益有關(guān)理論3發(fā)展前景11總結(jié)12關(guān)鍵詞:摘要：關(guān)鍵詞:摘要：縮略語清單：參考資料清單:FEC編碼增益帶內(nèi)FEC帶外FEC本文介紹了FEC的常用編碼碼型，如BCH3碼和RS碼是常用、簡(jiǎn)單、高效和糾錯(cuò)性能強(qiáng)的編碼技術(shù)，同時(shí)還介紹了相關(guān)理論，最后對(duì)各種編碼的性能進(jìn)行全面分析，有助于編碼選型，為下一步深入研究奠定了良好基礎(chǔ)。無。無。帶內(nèi)和帶外FEC帶內(nèi)和帶外FEC性能分析及其比較帶內(nèi)和帶外FEC帶內(nèi)和帶外FEC性能分析及其比較第第#頁，共12頁帶內(nèi)和帶外FEC性能分析及其比較目前國(guó)內(nèi)外提出用于SDH/DWDM的FEC技術(shù)主要包括以下三種：帶內(nèi)（in-band）FEC；海底光纜系統(tǒng)FEC（帶外FEC）:平行FEC（Product-codedWDM）。其中，前兩種技術(shù)最為常用，為了分析方便，下面首先簡(jiǎn)單介紹有關(guān)編碼增益的基本理論，然后分別詳細(xì)闡述前兩種FEC方案，并對(duì)其進(jìn)行綜合比較。1編碼增益有關(guān)理論編碼增益是指在滿足一定誤碼率（如BER=10'12）的條件下，不采用FEC編碼技術(shù)和采用FEC編碼技術(shù)，對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求的差值。為了研究糾錯(cuò)碼的性能，首先討論誤碼率與Q值之間的關(guān)系，如果認(rèn)為在接收機(jī)的判決點(diǎn)處噪聲的統(tǒng)計(jì)規(guī)律是高斯分布，接收機(jī)的判決點(diǎn)是在最佳判決點(diǎn)處，定義他、匚和b。、6分別對(duì)應(yīng)數(shù)字信號(hào)1和0的脈沖幅度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差，則巧+礙巧+礙誤碼率和信噪比之間的關(guān)系可以表示為:BER(q)=BER(q)=擊卜p("/2)d“擊（式2）電信號(hào)信噪比與Q值之間的關(guān)系為：el.SNR（clB）=201ogg=1Ologg2（式3）經(jīng)推導(dǎo)，光接收機(jī)輸入處的光信噪比關(guān)系為:OSNRf=4(Be/BJQ2（式4）因此，光信噪比與Q值成正比，對(duì)（式4）兩邊取對(duì)數(shù)得：1ObgOSNRgB）=101og4+101og（B./BJ+1Ologg2（dB）（式5）上述分析結(jié)果表明，OSNR的編碼増益與20logQ的編碼增益等價(jià)，故一般采用20logQ編碼表示增益。帶內(nèi)FEC及其性能分析ITU-T在2000年4月的口內(nèi)瓦會(huì)議上通過了對(duì)STM-N（N>16）的SDH系統(tǒng)采用帶內(nèi)FEC的提案。在這個(gè)提案中，將FEC作為STM-N（N>16）系統(tǒng)的一個(gè)可供選擇使用的方案。所謂帶內(nèi)FEC,是指利用SDH幀中的一部分開銷字節(jié)裝載FEC監(jiān)督碼元，在不増加碼速率的前提下，改善系統(tǒng)誤碼率。由于帶內(nèi)FEC需要利用開銷中的字節(jié)，因此受限于幀開銷中的可利用字節(jié)數(shù)和幀本身的長(zhǎng)度，誤碼率性能改善有限。帶內(nèi)FEC的分層模型如圖1所示，F(xiàn)EC層位于復(fù)用層的卜?面，其計(jì)算將所有復(fù)用層開銷字節(jié)計(jì)算在內(nèi)，但不包RSOHo帶內(nèi)FEC監(jiān)督碼元和狀態(tài)字節(jié)FSI在幀內(nèi)的分配如圖2所示，圖中每一個(gè)“FEC”表示一組FEC監(jiān)督字節(jié)發(fā)，其下標(biāo)表示它所監(jiān)督的凈荷所在的行，F(xiàn)SI為FEC狀態(tài)指示字節(jié)，用來指明該SDH幀是否采用了FEC編碼技術(shù)，決定該節(jié)點(diǎn)是否需要解碼。下面以STM-64為例，說明FEC監(jiān)督位在SDH的SOH中的具體分配情況，如表1所示。圖1?帶內(nèi)FEC的參考模型A1A1A1A1A1A1A2A2A2A2A2A2JOZOXXXXPayloadB1FECAAAAE1FECAAFECF1XXXXXPayload2

D1FEC2△AA△D2FEC2△△FEC2D3FEC3FEC3FEC3+FSIPayload3H14H14H1H14H1H14H24H24H2H24H2H24H34H34H3H34H3H34PayloadB25B25B2B2sB2B2sK1sFECFECFECK2sFECFECFECPayloadD4D5D6FECFECFECPayloadD7D8D9FECFECFECPayloadD1D1D1FECFECFECPayloadS19FECFECFECM19X9X9XgX9X9Payload圖2.SDH幀中FEC字節(jié)的位苣示意圖表1STM-64幀中FEC和FSI的具體分配表FECparitybitsforRow#FECparitybitset#1FECparitybitset#2FECparitybitset#3andFECstatusbyte1S(2,1,16)throughS(2,1,64)S(24.16)throughS(2,4,64)S(2,6,16)throughS(2,6,64)2S(3,1,16)throughS(3,1,64)S(3,4,16)throughS(3,4,64)S(3,6,16)throughS(3,6,616)3S(3,7,16)throughS(3,7,64)(3,8,16)throughS(3,64)S(3,9,16)throughS(3,9,64)S(3,9,12)throughS(3,9,15)forFSIbytes4S(5,4,16)throughS(5,4,64)S(5,5,16)throughS(5,5,64)S(5,6,16throughS(5,6,64)5S(5,7,16)throughS(5,7,64)(5,8,16)throughS(5.64)S(5,9,16throughS(5,9,64)6S(6,7,16)throughS(6,7,64)(6,8,16)throughS(6,64)S(6,9,16throughS(6,9,64)7S(7,7,16)throughS(7,7,64)(7,8,16)throughS(7,64)S(7,9,16throughS(7,9,64)8S(8,7,16)throughS(8,7,64)(8.8?16)throughS(8.64)S(8,9,16throughS(8,9,64)9S(9,1,16)throughS(9,1,64)S(9,2,16)throughS(9,2,64)S(9,3,16throughS(9,3,64)*基本原理帶內(nèi)FEC采用的碼型為縮短的二進(jìn)制BCH碼，來自于碼BCH(8191,8152),如STMT6信號(hào)的FEC信息碼元的長(zhǎng)度正好是STM-16幀的一行長(zhǎng)度，即k=270*16=4320,監(jiān)督碼元的長(zhǎng)度為39bit,FEC碼的長(zhǎng)度為n=4320+39=4359,為縮短的BCH(4359,4320)碼，該碼的最小距離d=7,糾錯(cuò)誤比特?cái)?shù)t二(d-1)/2=3?該BCH碼生成多項(xiàng)式為：G(x)=Gi(x)?G3(x)*G5(x)(式6)其中Gi(x)=x13+x4+x3+x+1(式7)G3(X)=X13+X10+X9+X7+X5+X4+1(式8)G5(x)=X13+x11+x8+x7+x4+x+1(式9)由上面多項(xiàng)式得到系統(tǒng)碼，所有C(x)=I(x)+R(x),其中C(x)為編碼后的碼多項(xiàng)式，I(x)為信息多項(xiàng)式，監(jiān)督多項(xiàng)式R(x)=l(x)modG(x)o在SDH幀中，不包含在FEC糾錯(cuò)范圍內(nèi)的開銷字節(jié)有:全部再生段開銷字節(jié)(包扌舌未定義，但FEC狀態(tài)字節(jié)FSI包含在FEC糾錯(cuò)范I制內(nèi))和被其FEC碼組使用的開銷字節(jié)。編解碼器工作時(shí)，首先將這些字節(jié)置零，完成編解碼后，再恢復(fù)原值。SDH幀的第三行定義了FEC狀態(tài)字節(jié)FSI,用于告知下游是否誤用FEC解碼器。FSI=01表示上游進(jìn)行了FEC編碼，下游必須對(duì)其解碼；FSI=00表示上游沒有進(jìn)行FEC編碼，下游不需解碼；FSI=10或笛不是編碼器狀態(tài)的正常值。*基本要求和性能指標(biāo)延遲要求：ITU-TG.707規(guī)范要求編碼和解碼延遲不超過15"$，總延遲不超過30〃$oSDH幀的一行(row)時(shí)間為13.9//5,即每片F(xiàn)EC的持續(xù)時(shí)間為13.9//J,也就是說理論上譯碼延遲最小為13.9Z/soFEC編碼速率：每個(gè)SDH幀(STM-N)分為9x8xN/16片，即每個(gè)FEC模塊的等效速率為2.48832/8Gb/s=311.04Mb/s。糾錯(cuò)性能：每個(gè)Slice能糾正三位隨機(jī)錯(cuò)誤，因此Sx/V/16個(gè)Slice交織后能糾正3x8xN/16位突發(fā)錯(cuò)誤。對(duì)于STM-16來說，能糾正24位突

發(fā)錯(cuò)誤；對(duì)于STM-64來說，能糾正96位突發(fā)錯(cuò)誤；對(duì)于STM-256來說，能糾正384位突發(fā)錯(cuò)誤。對(duì)于誤碼相互獨(dú)立的信號(hào)，BCH3不能糾錯(cuò)的概率即輸出誤碼率為：?p'?p'?Q_P）g（式10）其中N=4359（式10）其中N=4359。誤碼率改善曲線如圖3所示，若輸入BER為10=則經(jīng)BCH3編解碼輸出BERof達(dá)到10一?誤碼率提高8個(gè)數(shù)量級(jí)。若輸入BER為1O'10,則經(jīng)BCH3編解碼輸岀BER町達(dá)到1(T'°，誤碼率改善效果非常明顯。M山8M山8(pooaMOO二nd301.E-031.E-041.E-051.E-061.E-071.E-081.E-091.E-101.E-U1.E-121.E-131.E-141.E-151.E-161.E-171.E-181.E-191.E-201.E-211.E-221.E-231.E-241.E-251.E-261.E-271.E-281.E-291.E-30tFECWilhou—f-1_Dr'U-Q:-/rZI7—-—-/——//7Cr//7?rrZ/￡fr7-"l.E-12l.E-11l.E-12l.E-11l.E-10l.E-09LE?08l.E-07l.E-06l.E-05l.E-041.E-03InputBER圖3.碼率輸入輸岀改善曲線圖2、帶外FEC及其性能分析ITU-TG.975為帶外FEC標(biāo)準(zhǔn)，它利用RS(255,239)碼交織編解碼，將校驗(yàn)字放在幀尾。由于插入了一些開銷，其線路速率必然增加，編碼冗余度為7%,相應(yīng)速率增加7%。對(duì)于STM-16來說,速率由2.48832Gb/s升高至2.666Gb/sa由于編碼冗余度人，糾錯(cuò)能力強(qiáng)，不受SDH幀格式限制，因此具有較強(qiáng)的靈活性。由于線速率不同，收發(fā)設(shè)備必須更換，同時(shí)靈活性犧牲了標(biāo)準(zhǔn)性能和通用性能，使不同廠家的設(shè)備難以互通。為了便于并行實(shí)現(xiàn)，有人提出將其擴(kuò)展，變換為擴(kuò)展RS(256,240)碼，具體描述的如下：FEC算法利用RS(255,239)碼編解碼完成線路差錯(cuò)檢測(cè)和修復(fù)，RS(255,239)碼是一種256(28)進(jìn)制的BCH碼，也是一種線性系統(tǒng)循環(huán)碼,其生成多項(xiàng)式為：15G⑵=口(2-宀)i=0(式笛)其中a是二進(jìn)制本原多項(xiàng)式2+午+0+送+1的一個(gè)根，一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)(d?,d6,…，ch，d0)即可用GF(256)的元素表示為d7a7+d6-a6+...+di-a1+do。RS(255,239)碼特性糾錯(cuò)能力強(qiáng)，每個(gè)碼字(255字節(jié))能糾正8個(gè)符號(hào)(字節(jié))錯(cuò)誤；FEC編解碼復(fù)雜度低，不需處理復(fù)雜的幀開銷：碼結(jié)構(gòu)兼容二進(jìn)制傳輸，只需串并轉(zhuǎn)換；糾正突發(fā)錯(cuò)能力強(qiáng)，對(duì)于STM-16,交織深度16時(shí)能糾正1024比特突發(fā)錯(cuò)誤；碼開銷小，碼率比較高，額外開銷為7%0*性能理論計(jì)算如下：ni(N、Pue=Z--.Ps￡?Q—Pse)4'withN=255i=9N{l丿<BER吶冃-Q-Pse嚴(yán)BER^pR-Q-PuE嚴(yán)(式42)其中不能糾的概率PSE=符號(hào)錯(cuò)誤概率N=碼長(zhǎng)(255)RS(255,239)碼的理論糾錯(cuò)性能如表2所示。表2糾錯(cuò)前后的理論BER對(duì)照表BERlnputBERoutput10-38.610-3210-42.010-1210-45.010-1510-56.310-2410-66.4W33從理論上講，在保持BER在10」2不變的條件卞，RS(255,239)FEC能提供6.1dB的Q增益(不考慮碼速率變化影響)，實(shí)際工程碼增益5dB左右。3、平行FEC(Product-codedWDM)平行FEC碼字為SEC(糾單位錯(cuò))碼，利用WDM技術(shù)外加一個(gè)波長(zhǎng),專門用于傳輸監(jiān)督字。該方法的編解碼簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展于WDM系統(tǒng)，用一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)傳輸監(jiān)督字，其它波長(zhǎng)信號(hào)不變，可平滑升級(jí)，只需增加幾個(gè)波長(zhǎng)，具體算法目前還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。幾年前有人曾提出用兩個(gè)奇偶校驗(yàn)碼組合乘積，編碼簡(jiǎn)單，但糾錯(cuò)能力有限，能糾1比特隨機(jī)錯(cuò)誤和部分多比特錯(cuò)誤，只能提供1dB左右的碼增益，相當(dāng)于糾單比特錯(cuò)BCH碼即漢明碼。由于糾錯(cuò)能力較差，很少應(yīng)用，這里不再詳述。4、與數(shù)字包封技術(shù)融合朗訊公司提出采用數(shù)字包封幀結(jié)構(gòu)方案，支持ITU-TG.872光傳送網(wǎng)分層模型，該方案基于G.975標(biāo)準(zhǔn)，在光域定義光開銷，并為在光傳送網(wǎng)采用FEC分配了空間。光層上的幀開銷除具有基本定幀信息外，還包拾必要的OAM功能：通過重復(fù)發(fā)送蹤跡字節(jié)，使段接收機(jī)確認(rèn)是否與預(yù)定的發(fā)送段處于連接狀態(tài)；確認(rèn)客房層信號(hào)是否與和其相連的設(shè)備適配：如果在光通路層采用了保護(hù)環(huán)，需要倒換預(yù)留一些字節(jié)；能夠提供遠(yuǎn)端錯(cuò)誤定位指示。其幀結(jié)構(gòu)如圖4所示，盡管很多專家認(rèn)為糾錯(cuò)是光通路開銷的一部分，但為了討論方便，我們將糾錯(cuò)編碼和開銷分開考慮，便于幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶內(nèi)和帶外FEC帶內(nèi)和帶外FEC性能分析及其比較帶內(nèi)和帶外FEC帶內(nèi)和帶外FEC性能分析及其比較帶內(nèi)和帶外FEC帶內(nèi)和帶外FEC性能分析及其比較第伐頁，共第伐頁，共12頁第"頁，共第"頁，共12頁第第40頁,共12頁和實(shí)現(xiàn)。從圖4可以看出，客戶層的數(shù)字電信號(hào)封裝為光通路幀的凈荷，加上糾錯(cuò)編碼信息和必要的光通路開銷，組成一個(gè)定長(zhǎng)光通路幀。光通路幀凈荷對(duì)客戶層信號(hào)沒有特姝要求，可以封裝各種客戶信號(hào)，只要這戶層信號(hào)滿足一定速率要求。這種光通路結(jié)構(gòu)和SDH幀結(jié)構(gòu)很相似，但沒有SDH幀指針信息。圖4?帶前向糾錯(cuò)的光通路結(jié)構(gòu)5、FEC方案的綜合比較帶內(nèi)FEC采用BCH3碼進(jìn)行編解碼，符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)ITU-TG.707,糾錯(cuò)能力較強(qiáng)，兼容性好，可平滑升級(jí)過渡，不需對(duì)設(shè)備進(jìn)行改動(dòng)；由于可用于FEC的開銷有限，且受SDH幀格式限制，F(xiàn)EC的糾錯(cuò)力有限。利用SDH幀本身的空閑開銷，從理論上說，可以用BCH4和BCH5技術(shù),但這樣會(huì)使FEC的開銷字節(jié)位置的規(guī)律性更差，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，卻只換來多一點(diǎn)的編碼增益，得不償失?？傮w來說，BCH3交織編解碼技術(shù)是帶內(nèi)FEC的最佳編碼技術(shù)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，各廠家很容易作到統(tǒng)一，易于實(shí)現(xiàn)互通。帶外FEC采用RS碼進(jìn)行編解碼，符合標(biāo)準(zhǔn)ITU-TG.975,糾錯(cuò)能力很強(qiáng)，在海底光纜等長(zhǎng)距離通信方面得到了快速發(fā)展。由于該方案增加了線速率，因此不能實(shí)現(xiàn)無縫升級(jí)，需要對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行改動(dòng)，投資相對(duì)較人。其優(yōu)點(diǎn)是開銷采用外加方式，不受SDH幀格式限制，可方便地插入FEC開銷，具有很人的靈活性，糾錯(cuò)能力可做到很強(qiáng)，但也因此使不同廠家可能采用不同的FEC算法，影響互通性。表3為帶內(nèi)FEC和帶外FEC的性能比較。表3帶內(nèi)/帶外FEC綜合比較表方案帶內(nèi)FEC帶外FEC標(biāo)準(zhǔn)ITU-T707ITU-T975糾錯(cuò)能力較強(qiáng)更強(qiáng)編碼增益(1013)3.9dB5.8dB速率不變?cè)黾?%編碼方式BCH3RS8復(fù)雜度簡(jiǎn)單略復(fù)雜編解碼延時(shí)<15us較大，與交織深度有關(guān)兼容性好,可以平滑過渡不能兼容，需更換設(shè)備可擴(kuò)展性受SDH幀格式限制很難擴(kuò)展不受幀格式限制可方便擴(kuò)展互通用性很好差2發(fā)展前景從編碼角度來看，BCH碼和RS碼具有簡(jiǎn)單、編碼效率高和糾錯(cuò)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是目前最適于光通信系統(tǒng)的信道編碼。隨著軟、硬件技術(shù)水平的發(fā)展，很可能引入一些糾錯(cuò)能力更強(qiáng)的碼字，如RS級(jí)聯(lián)碼、Turbo碼和Goppa碼等，應(yīng)用于時(shí)延要求不嚴(yán)，編碼增益要求特別高的光通信系統(tǒng)。若對(duì)編碼增益要求不太高，不想改變現(xiàn)有系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)，則帶內(nèi)FEC是一種最佳方案。帶外FEC具有靈活的開銷，可用于需要大編碼增益的通信系統(tǒng)，必須根據(jù)碼率改變相關(guān)設(shè)備的工作速率，整個(gè)發(fā)送/接收設(shè)備需進(jìn)行更換。交織技術(shù)是用于糾突發(fā)錯(cuò)誤的一種簡(jiǎn)潔有效的方法，現(xiàn)在人多數(shù)FEC技術(shù)都采用了這一技術(shù)。另外，級(jí)聯(lián)技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)糾錯(cuò)的一項(xiàng)技術(shù)，但由于編解碼復(fù)雜，目前還很少應(yīng)用，從發(fā)展眼光看很可能會(huì)成為一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)。這種編解碼技術(shù)基本上不可能用于帶內(nèi)FEC系統(tǒng)，但可用于帶外FEC系統(tǒng)，其開銷靈活，可根據(jù)實(shí)際情況自己定義，而不像帶內(nèi)FEC受幀格式限制，該技術(shù)也許會(huì)發(fā)展成為卞一代帶外FEC的主流。我們認(rèn)為，光通信系統(tǒng)FEC技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)