光纤通信中FEC技术编码方案的优劣及其发展历程

光纤通信中FEC技术编码方案的优劣及其发展历程

罗秋园，龚岩芬，张宗宝，李培炼，黄志锋

摘要：本文简述了前向纠错与差错控制的基本概念，总结了FEC技术的编码方法，结合FEC所采用的BCH-3码和RS-8码的编码技术，着重分析比较了FEC编码方法的优劣势。最后总结了近几年FEC技术的发展进程。

关键词: 光线通信；前向纠错码型；带内FEC;带外FEC

1 引言

近30年来，光纤通信传输速率正以每五年十倍的速度增长，而提高信息的传输速率和延长传输距离是光纤通信发展的两个重要方向，提高光纤传输速率的非常有效的两种途径是提高单信道的传输速率和采用密集波分复用技术。在速率大幅提高的同时，又伴随着对传输距离的新限制因素的出现，这些物理限制因素包括色度色散、非线性效应和偏振模色散等，为了降低这些不利因素，国内外研究者进行了大量的研究，并提出了前向纠错等技术[1]（Forward-Error-Correction 简称为FEC）。F E C 技术早已广泛的应用于电通信系统, 有着坚实的理论基础, 经过多年发展已相当成熟。它的主要优点是不需要反馈信道, 译码实时性较好。缺点是译码设备比较复杂, 所选用的纠错码必须与信道的干扰情况相匹配, 对信道的适应性差。目前, 在海底光缆系统中已经采用了F E C 技术。

前向纠错编码是实现长距离高速光纤通信的关键技术，能提高数字通信系统的可靠性，降低误码率以改善光传输系统通信的质量，其在深空通信，卫星通信，移动通信及计算机网络中已得到广泛应用[2]。目前，广泛应用于光传输系统中的前向纠错（FEC）就是应用纠错编码进行差错控制的一种方式[3]。由于编码后的码组长度大于编码前的信息码组长度，从而降低了信息传输速率，可见采用FEC技术来提高光传输系统的可靠性是以降低通信的有效性为代价的[4]。因而，FEC技术在光通信中的应用主要为了获得额外的增益（所谓增益是指为达到同样的误比特率，无编码和有编码情况下所需信噪比之差），也就是关键要在有效性和可靠性之间找到一个平衡点，即在不过分牺牲通信有效性的基础上尽量提高通信的可靠性。

2 纠错码与差错控制

纠错码又称为信道编码，其基本原理是发送端在带传输的信息序列后按一定的规则增加一些用以实现纠、检错的冗余监督码元，构成一个字码，再送入信道传输；在接收端则按同样的

规则检测所接收的码组看是否有错，若发生的错误数不大于码的纠、检错能力，则可能发现错误，要求对方重发或自动加以纠正。纠错码按其信息元处理方法分为分组码和卷积码, 考虑到光通信中的差错大部分均为无记忆的独立随机差错, 不必要应用编译码结构特别复杂的卷积

码[5] , 因而一般选用分组码。按照所纠、检错误的类型，纠错码可分为纠正随机错误与纠正突发错误的码。分组码的种类很多，典型的有汉明码、BCH码、RS码、RM码、Coppa码等，光纤通信中目前采用的是BCH码和RS码。一种纠错码用于只纠错，只检错，还是既纠错又检错，这取决于系统所采用的猜错控制方式。差错控制方式通常有3种：前向纠错（FEC）、自动请求重传（ARQ）及混合ARQ。纠错码的性能取决于码的纠错能力、译码算法及所用的差错控制方式。

3 FEC编码方案及其优劣

1996年，实验达到每条光纤的传输速率为1Tb/s,而到2001年是为10Tb/s,光纤通信速率的突飞猛进增长归功于先进光技术和前向纠错技术的大力支持[6]。FEC在光纤通信中的应用是近年来才提出的基本原因在于：一是光纤本身有较强的抗干扰能力；二是在光纤通信初期对速率的要求不高，一条光纤只须传输一个波长信号。由于当年在开发该技术时网络中传输的主要业务仍是话音，话音对误码不太敏感，线路传输速率也不高，因而并没有考虑采用纠错码。随着网络的普及与迅速发展，通信业务量大增，因而需要采用波分复用（WDM）,甚至密集波分复用（DWDM）技术，使线路速率提高到10Gb/s、40Gb/s甚至更高。

不同通信系统要求的性能指标不同，信道的干扰特性也不同，故须采用不同的编码方案。同步光网/同步数字体系（SONET/SDH）是高速光纤通信目前采用的骨干传输技术。根据FEC 编码和SDH之间的关系，提出了用于SDH/DWDM的实用化FEC主要有以下三种：

3.1 带内FEC

带内FEC是ITU-T在2000年10月通过的G.707建议中提出的。所谓内带是指将监督码元映射到S D H帧结构中, 即利用未使用的开销字节传送FEC的校验位，无须增加额外的带宽。该方案适用于4路OC-48/STM-16，或单路OC-192/STM-64信号，线路速率为10Gb/s，速率低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。显然, 这种方式避免了码速调整,但这种方式的解码延时比带外F E C 的稍大, 同时, 由于校验位可获得的带宽严格受限, 从而使纠错性能受到一定的影响, 编码增益较小( 3一4dB )。因带内FEC是在

不改变SONET/SDH原有帧格式的基础上引入的，线路速率保持不变，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。

2.2 带外FEC

ITU-T在2001年制定的G.709标准中便提出了适合DWDM光传输网（OTN）2.5、10、40Gb/s 速率的带外方案，带外方案指在S D H 层下另外增加一个FE C 层, 专门用于FE C 的处理。其优点是不用改变SONET/SDH的帧格式、无须提高线路速率，并可方便地插人FE C 开销而不受S D H 帧格式的限制, 具有较强的灵活性，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，且插人的开销增加了线路码率, 从而提高了系统的成本和复杂性;。而

G .795提出的带外FEC方案则主要用于2.5Gb/s以及更高的速率海底光纤传输网络。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标准，G . 709则有统一的标准。以上两种带外FEC均采用Reed-Solomon码(简称RS码)。ITU-T G .709标准规定使用RS（255，238）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编码不同引起的不同公司设备不能互通的问题。带外FEC采用数字封装技术（Digital Wrapper）。带外FEC采用RS（255，239）码，一个数字封装帧由4080个字节组成，共16行，每行就是长为255字节的一个（255，239）RS码的码字。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，以此类推最后发送第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。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OTU 1、OTU 2和OTU 3，其线路速率分别为 2.5Gb/s、10Gb/s和40Gb/s。

另外, 随着码长的增加, 译码错误概率按指数接近零, 但是随着码长的增加, 在一个码组

中要求纠错的数目相应增加, 译码器的复杂性和计算量也相应增加以致难以实现, 特别是在光通信中采用复杂的编、译码方案不现实。为了解决性能与设备复杂度及实现可能性的矛盾, 考虑要引入新的码型到光通信中来。级联码就是一种很好的方案[7]。