為什么我們需要用FEC？

開始正題之前，先來看看以下場景您是否設(shè)想過，甚至感同身受過：

購物 --

雙十一熬夜至凌晨，由于網(wǎng)絡(luò)延遲，下單失敗。

交通 -- 

自動(dòng)駕駛，由于網(wǎng)絡(luò)信息丟失，引發(fā)交通事故。

通信 --

通信衛(wèi)星，信息無法重新解碼，造成數(shù)小時(shí)的延遲。

以上這些場景，你是否想到這些丟失的數(shù)據(jù)，傳遞錯(cuò)誤的信息，失聯(lián)的信號(hào)背后其實(shí)是傳輸層面上由于高帶寬大數(shù)據(jù)量帶來的處于臨界的鏈路容限，數(shù)據(jù)中心和承載網(wǎng)超低時(shí)延要求可能會(huì)引發(fā)丟失數(shù)據(jù)無法再次重新傳遞，為了節(jié)省成本采用多電平傳輸而導(dǎo)致的糟糕的信噪比，超限的誤碼率。

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)被要求要以更快的速度提供更多數(shù)據(jù)，這些需求帶來了許多通信挑戰(zhàn)，比如噪聲干擾，超高數(shù)據(jù)速率、小幅度信號(hào)和有衰減的傳輸通道都會(huì)造成傳輸錯(cuò)誤。為了克服這些錯(cuò)誤，誕生了新的編碼理論，前向糾錯(cuò)(FEC)就是一種用來顯著減少這些數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤的技術(shù)。

FEC (Forward Error Correction)

顧名思義被稱作“前向糾錯(cuò)” ，它被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)中的編碼技術(shù)以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，它的基本思路是在發(fā)送端，把要發(fā)送的信息重新編碼，加入一定的冗余校驗(yàn)信息，組成長度較長的codeword，待到達(dá)接收端之后，如果錯(cuò)誤在可糾范圍之內(nèi)，通過解碼檢查后糾正錯(cuò)誤，從而降低誤碼率，提高通信系統(tǒng)的可靠性。在光通信系統(tǒng)中，通過FEC的處理，可以以很小的冗余開銷，有效降低系統(tǒng)的誤碼率，延長傳輸距離，實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)成本的目的。

前向糾錯(cuò)在數(shù)字通信領(lǐng)域應(yīng)用很廣，在無線、接入和傳輸?shù)榷加袕V泛應(yīng)用，今天小K和大家分享的就是400G通信中和FEC相關(guān)的內(nèi)容，在光通信領(lǐng)域，最早應(yīng)用于長距傳輸?shù)暮５坠饫|，事實(shí)證明它可有效延長光信號(hào)傳輸距離。

那么降低誤碼率，具體可以降低到什么程度呢？我們以400G中 (50 Gb/s每通道)為例：電信號(hào)的 BER limit為1E^-5，/1E^-6 ，而光信號(hào)為 2.4 E^-4，通過使用FEC之后可將修正過的誤碼率變?yōu)楹糜?/span>1E^-15，由此可見雖然FEC增加了傳輸冗余卻顯著提高了數(shù)據(jù)的有效性。

Reed Solomon FEC 是如何實(shí)現(xiàn)的？

FEC的編碼形式有很多種，比如說Hamming code, Golay編碼，BCH 編碼，但光通信領(lǐng)域使用較多的，從規(guī)范定義中就可以發(fā)現(xiàn)都以Reed Solomon為主，它是一種交織編碼，使用一組糾錯(cuò)碼，與低密度校驗(yàn)碼和turbo碼相比，具有更小的編碼增益。但是它有很高的編碼速率并且復(fù)雜度低，所以它適用于許多應(yīng)用場景。

我們經(jīng)常會(huì)聽到 KR4 和 KP4 這兩種FEC的方式。100G KR4 使用 528, 514 代碼，KP4 使用 544, 514 代碼。這里KP4中的514 表示編碼器采用 514 個(gè)符號(hào)，增加 30 個(gè)校驗(yàn)符號(hào)，就會(huì)構(gòu)成一個(gè) 544 個(gè)符號(hào)的碼字。在談到 KR4 FEC 時(shí)，我們說的其實(shí)是 528, 514 Reed Solomon碼，KP4 表示 544, 514 Reed Solomon碼。

接下來針對(duì)FEC的幾個(gè)重要參數(shù)，比如說冗余碼位數(shù)，究竟增加多少才適合呢？可以通過下面的例子了解一下。

舉例說明  

如果說我們想傳遞的信息是燈打開或者關(guān)閉的狀態(tài)，用簡單的數(shù)字信號(hào)傳遞，用0代表打開，用1代表關(guān)閉。那么當(dāng)信息傳輸產(chǎn)生錯(cuò)誤的時(shí)候，0變成1，1變成0，但是由于這些都是發(fā)送端可能會(huì)發(fā)送的信息，所以接收端根本無法分辨?zhèn)鬏斿e(cuò)誤。

那么我們增加一位冗余碼試試，用00代表打開，用11代表關(guān)閉。那么當(dāng)信息傳遞產(chǎn)生錯(cuò)誤的時(shí)候，接收端有可能會(huì)收到10和01兩種情況，因?yàn)檫@兩種情況都是發(fā)送端不會(huì)發(fā)送的編碼，所以接收端會(huì)識(shí)別出錯(cuò)誤，但是它還是無法分辨是哪一個(gè)bit位發(fā)生了錯(cuò)誤，所以無法自動(dòng)糾錯(cuò)。

最后我們再增加一位冗余碼試試，用000表示打開燈，用111表示關(guān)閉燈，那么當(dāng)信息傳遞到接收端產(chǎn)生錯(cuò)誤時(shí)，可能會(huì)有以下幾種情況，對(duì)于接收到的1位或者2位錯(cuò)誤接收端都可以檢測到，并且可以確定1位碼錯(cuò)誤時(shí)這一位的位置并糾正它。

我們用下表來表示可能會(huì)發(fā)生的情況：

由此可見，對(duì)于FEC來說，增加多個(gè)冗余位之后，編碼的抗干擾能力增強(qiáng)，編碼糾錯(cuò)，檢錯(cuò)的能力都變強(qiáng)。當(dāng)然冗余位的多少需要和有效位開銷之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，并不是越多越好。否則也會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/span>

FEC中還會(huì)用到interleaving，也可以稱為 “交織處理”，它可以將可能出現(xiàn)的長串誤碼分散到多個(gè)RS編碼序列中，使得分散后的誤碼長度落到編碼糾錯(cuò)能力范圍之內(nèi)，從而使得交織處理之前超出糾錯(cuò)能力的長誤碼串也能得到正確的恢復(fù)。

注意：這里要說的是在光通信的FEC中，糾正的是Symbol error而不是bit error,Symbol, bit和codeword的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下，其中codeword由我們要傳遞的信息加冗余信息組成，如下圖所示：

圖中橙色部分即為增加的冗余校驗(yàn)碼，綠色即為一個(gè)一個(gè)的symbol.

每10 bits = 1 symbol

544 symbols = 1 codeword （針對(duì)400G, KP4）

我們通常會(huì)看到 FEC 的編碼以這種形式出現(xiàn)：

RS(n, k, t, m)，

在這里不同字母的含義分別是:

n: frame size [symbol]

k: message size [symbol]

t : correctable symbol error per frame

m: symbol size [bit]

常見的IEEE 802.3bs中的兩種 FEC 編碼格式為：

● RS ( 544, 514, 15, 10 ) → KP4 (400G)

就意味著544個(gè)symbol組成一幀，實(shí)際傳遞信息為514個(gè)symbol，每一幀中最大可修正symbol個(gè)數(shù)為15個(gè)，每一個(gè)symbol包含10bits。

● RS ( 528, 514, 7, 10 ) → KR4 (100G)

就意味著528個(gè)symbol組成一幀，實(shí)際傳遞信息為514個(gè)symbol，每一幀中最大可修正symbol個(gè)數(shù)為7個(gè)，每一個(gè)symbol包含10bits。

了解了這些基本概念之后，一起來看看小K準(zhǔn)備的400GE FEC編解碼過程圖加深一下理解，在IEEE 802.3bs中，F(xiàn)EC是必須使用的，我們先從400GBASE-R RS-544 (KP4 FEC) 編解碼過程看起，這一過程發(fā)生在PCS(Physical Coding Sublayer)物理編碼子層，它的原始輸入是 64B/66B的codeword。

Step 1:  轉(zhuǎn)碼器對(duì)每四個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，(262比特到257比特) 從而減少編碼開銷。

Step 2:  對(duì)轉(zhuǎn)碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行加擾，以防止長時(shí)間運(yùn)行0或1。

Step 3:  將對(duì)齊游標(biāo)插入到16條PCS通道。每條通道都有其各自唯一的游標(biāo)。

Step 4:  經(jīng)過一個(gè)變速器（gearbox）給每514個(gè)比特增加30比特，為傳輸FEC“校驗(yàn)和”預(yù)留好位置。

Step 5:  補(bǔ)充的冗余位數(shù)會(huì)在兩個(gè)FEC編碼引擎之間進(jìn)行分配。

Step 6:  分配結(jié)束后，任何突發(fā)誤差都會(huì)由兩個(gè)FEC引擎負(fù)責(zé)，從而提供了更好的糾錯(cuò)能力。

Step 7:  FEC的codeword交織處理后，數(shù)據(jù)會(huì)被分配給16個(gè)PCS通道。在PAM4系統(tǒng)中，每兩個(gè)通道相互連接，形成8個(gè)50G通道。在接收方向上，情況恰好與此相反。

每一個(gè)Codeword中可以糾正15個(gè)Symbol，如果符號(hào)誤差超過 15 個(gè)，就會(huì)導(dǎo)致Codeword無法被糾正。在 400GE 系統(tǒng)中，一個(gè)錯(cuò)誤的Codeword將會(huì)導(dǎo)致大約 15 個(gè) 64B數(shù)據(jù)包丟失。隨之而來的是一個(gè)新的衡量指標(biāo)FLR（Frame loss ratio）, 它 是 IEEE 針對(duì)采用 FEC 的高速以太網(wǎng)鏈路而定義的新指標(biāo)。這個(gè)指標(biāo)意味著丟失的數(shù)據(jù)包與總數(shù)據(jù)包的比率。

以為清楚了 FEC 之前/之后的 BER 和 FLR 就完全清楚了您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況？事實(shí)證明我們還需要了解誤碼分布。

因?yàn)樵谟行┌咐?，我們發(fā)現(xiàn)雖然在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，F(xiàn)LR 為 0，F(xiàn)EC 之前的 BER 也優(yōu)于 -4。系統(tǒng)也通過了測試，但symbol誤碼分布卻告訴我們鏈路運(yùn)行的裕量比較小，每個(gè)碼字的最大符號(hào)誤碼已經(jīng)高達(dá) 15 個(gè)極限值。這種狀態(tài)下的進(jìn)一步分析可以讓我們更好地了解鏈路的健康狀況，這才是針對(duì)FEC測試的最根本目的。

總結(jié)一下，你需要記住的幾點(diǎn)是：

·       FEC在400G級(jí)別和所有未來的數(shù)據(jù)中心通訊標(biāo)準(zhǔn)中非用不可

·       FEC編碼并不影響 Tx 的測試結(jié)果

·       FEC只在接收端糾正誤碼 

·       IEEE802.3bs 中對(duì)FEC的要求在400GAUI-16 及 400GAUI-8所有場景，永遠(yuǎn)打開FEC功能

·       除了FEC和Frame Loss Ratio，您還需清楚誤碼分布等情況了解系統(tǒng)預(yù)量

是德科技解決方案

從基于NRZ的100G接口過渡到基于PAM4的400G接口是革命性的變革：新技術(shù)的采用也不能保證整條鏈路能夠零誤碼運(yùn)行，400G鏈路通常以較高的固有誤碼率 (BER)運(yùn)行，因此需要前向糾錯(cuò) (FEC)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/span>

FEC和PAM4在產(chǎn)業(yè)界的同時(shí)使用給測試驗(yàn)證帶來了很大的挑戰(zhàn)，大大增加了表征和驗(yàn)證硅器件、特定應(yīng)用集成電路 (ASIC)、光纖和銅互連、光收發(fā)器以及交換機(jī)和路由器的電端口性能的復(fù)雜性。如果能在研發(fā)的早期階段識(shí)別出潛在的性能和互操作性問題就太令人欣慰了，因?yàn)楹笃谝鉀Q這些問題既復(fù)雜又耗時(shí)。

所以我們的目標(biāo)是？

 在設(shè)計(jì)過程中 

 盡早發(fā)現(xiàn)影響FEC性能的設(shè)計(jì)問題！ 

是德科技在2019年9月5號(hào)正式宣布推出業(yè)界首款N4891A 400GBASE FEC交互接收機(jī)測試解決方案，這將促使業(yè)界能夠加速數(shù)據(jù)中心下一代400G設(shè)備的部署。

N4891A提供更詳細(xì)的分析以了解組件和系統(tǒng)如何受前向糾錯(cuò)（FEC）的影響，并進(jìn)行測試真實(shí)操作下的系統(tǒng)裕量。它還能夠測得在電或光接口處的幀丟失率（FLR）， IEEE規(guī)范對(duì)此有要求以確保400GBASE設(shè)備之間的互操作性。

IEEE 802.3bs/cd

121.1.1 Bit error ratio

The bit error ratio(BER)when processed according to Clause 120 shall be  less than 2.4x10^-4 provided that the error statistics are sufficiently random that this results in a frame loss ratio (see 1.4.223) of less than 1.7x10^-12 for 64-octet frames with minimum interpacket gap when processed according to Clause 120 and OIF-CEI 4.0

Capable of achieving a raw Bit Error Ratio (BER) of 10^-6 or better per lane. FEC is assumed to be used to achieve a corrected BER of 10^-15 or better per lane. The baud rate includes the overhead required for FEC. The definition of FEC is outside the scope of this IA (see Appendix 16.D).

N4891A由M8040A高性能PAM4誤碼儀和A400GE-QDD分析儀組成，測試時(shí)在400G以太網(wǎng)鏈路中通過M8040A提供一個(gè)加壓的通道，同時(shí)利用A400GE-QDD在其他鏈路通道中依然保持傳輸FEC strip測試碼型數(shù)據(jù)。該方案提供了獨(dú)特的視角，深入洞察組件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)如何受到前向糾錯(cuò) (FEC) 需求的影響，并能夠預(yù)測真實(shí)條件下的系統(tǒng)裕量。

滿足規(guī)范要求：

l  IEEE 400GAUI-8 specifications

l  200GAUI-4 & 100GAUI-2 

l  IEEE 400GBASE-FR8/-LR8/(-SR8) specifications 

l  400GBASE-DR4/-(FR4)  

l  200GBASE-FR4/-LR4 

l  100GBASE-DR

l  future SW upgrade

IEEE 400GBASE 標(biāo)準(zhǔn)要求使用 Reed-Solomon 編碼 RS (544,514)，也就是 KP4，確保 error-free ，當(dāng)誤碼位數(shù)隨機(jī)分布時(shí)，F(xiàn)EC后的誤碼及隨之而來的Frame Loss Ratio (FLR)能夠很容易的從FEC之前的誤碼情況推導(dǎo)得出，然而，抖動(dòng)，碼間干擾、ISI或前向反饋均衡FFE、決策反饋均衡 DFE等可能會(huì)產(chǎn)生誤碼突發(fā)，使FEC解碼器過載，導(dǎo)致整個(gè)FEC 的codeword丟失數(shù)千位數(shù)據(jù)。

由于這些影響對(duì)互操作性有直接影響，因此，對(duì)電接收機(jī)和光接收機(jī)的400G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一致性測試需要同時(shí)滿足傳統(tǒng)的BER限制和FLR限制。FEC strip機(jī)制將FEC編碼的幀分布在不同的電通道上，有效地降低了操作中誤碼突發(fā)的易發(fā)性，但限制了基于單通道PRBS的FLR和FEC裕量測量的有效性。

N4891A非常靈活，可提供以下三種使用場景：

01

可以直接用內(nèi)部的FEC解碼器環(huán)回到誤碼分析模塊中去用于測試400G主機(jī)ASIC和收發(fā)模塊。下表提供了N4891A解決方案功能與傳統(tǒng)BERT系統(tǒng)和協(xié)議分析儀的對(duì)比概況。

N4891A 整合了M8040A 64G波特率高性能誤碼儀去產(chǎn)生一路FEC加壓信號(hào)，與A400GE-QDD 400GE 一起提供八路完全對(duì)齊的FEC striped信號(hào)，使被測件可以測得其在壓力條件下的FLR值。這種測試方法完全遵循IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的121，122，124和136，137以及138條款（802.3bs和802.3cd）。

對(duì)于一致性測試，被測件的加壓通道先使用采樣示波器經(jīng)過一致性校準(zhǔn)軟件比如IEEE802.3bs M8091BSPA接收端一致性測試軟件或者M(jìn)809256PA OIF-CEI CEI-56G接收端測試軟件進(jìn)行校準(zhǔn)。然后使用端接電纜將被測件以環(huán)回模式連接到QSFP-DD端口之一進(jìn)行FEC解碼。

下圖是FEC交互性一致性測試的示例連接圖：

02

我們也可以選擇不在復(fù)雜的FEC Strip編碼的情況下進(jìn)行測試，僅使用PRBS和PRBSQ等測試模式，選擇單個(gè)通道通過M8046A誤碼分析儀進(jìn)行環(huán)回，以詳細(xì)表征誤碼機(jī)制(突發(fā)誤碼可視、誤碼分布圖)。

03

N4891A的獨(dú)特之處還在于它還能夠提供在光接收機(jī)壓力極限測試環(huán)境下量測光收發(fā)模塊的FLR和FEC裕量參數(shù)。在這種情況下，加壓的光信號(hào)通路可以使用基于M8040A誤碼儀的N4917BSCB 400G光壓力眼測試軟件來校準(zhǔn)，同時(shí)還可以很方便的表征不同光發(fā)射機(jī)損傷如ISI碼間干擾，光噪聲，抖動(dòng)或者串?dāng)_對(duì)FEC性能的影響：