带内FEC与带外FEC性能分析及综合比较.docx

1、带内FEC与带外FEC性能分析及综合比较关键词：FEC 编码增益 带内FEC 带外FEC 摘 要：本文介绍了FEC的常用编码码型，如BCH3码和RS码是常用、简单、高效和纠错性能强的编码技术，同时还介绍了相关理论，最后对各种编码的性能进行全面分析，有助于编码选型，为下一步深入研究奠定了良好基础。缩略语清单：无。参考资料清单：无。带内和带外FEC性能分析及其比较目前国内外提出用于SDH/DWDM的FEC技术主要包括以下三种：带内（in-band）FEC； 海底光缆系统FEC（带外FEC）；平行FEC（Product-coded WDM）。其中，前两种技术最为常用，为了分析方便，下面首先简单介绍有

2、关编码增益的基本理论，然后分别详细阐述前两种FEC方案，并对其进行综合比较。1编码增益有关理论编码增益是指在满足一定误码率（如BER=1012）的条件下，不采用FEC编码技术和采用FEC编码技术，对接收机灵敏度的要求的差值。为了研究纠错码的性能，首先讨论误码率与Q值之间的关系，如果认为在接收机的判决点处噪声的统计规律是高斯分布，接收机的判决点是在最佳判决点处，定义、和、分别对应数字信号1和0的脉冲幅度的平均值和标准方差，则 （式1）误码率和信噪比之间的关系可以表示为： （式2）电信号信噪比与Q值之间的关系为： （式3）经推导，光接收机输入处的光信噪比关系为： （式4）因此，光信噪比与Q值成正比

3、，对（式4）两边取对数得： （式5）上述分析结果表明，OSNR的编码增益与20logQ的编码增益等价，故一般采用20logQ编码表示增益。1、带内FEC及其性能分析ITU-T在2000年4月的日内瓦会议上通过了对STM-N（N16）的SDH系统采用带内FEC的提案。在这个提案中，将FEC作为STM-N（N16）系统的一个可供选择使用的方案。所谓带内FEC，是指利用SDH帧中的一部分开销字节装载FEC监督码元，在不增加码速率的前提下，改善系统误码率。由于带内FEC需要利用开销中的字节，因此受限于帧开销中的可利用字节数和帧本身的长度，误码率性能改善有限。带内FEC的分层模型如图1所示，FEC层位于

4、复用层的下面，其计算将所有复用层开销字节计算在内，但不包括RSOH。带内FEC监督码元和状态字节FSI在帧内的分配如图2所示，图中每一个“FEC”表示一组FEC监督字节发，其下标表示它所监督的净荷所在的行，FSI为FEC状态指示字节，用来指明该SDH帧是否采用了FEC编码技术，决定该节点是否需要解码。下面以STM-64为例，说明FEC监督位在SDH的SOH中的具体分配情况，如表1所示。图1.带内FEC的参考模型A1A1A1A1A1A1A2A2A2A2A2A2J0Z0XXXXPayload1B1FEC1E1FEC1FEC1F1XXXXXPayload2D1FEC2D2FEC2FEC2D3FEC3

5、FEC3FEC3+ FSIPayload3H14H14H14H14H14H14H24H24H24H24H24H24H34H34H34H34H34H34Payload4B25B25B25B25B25B25K15FEC4FEC4FEC4K25FEC5FEC5FEC5Payload5D4D5D6FEC6FEC6FEC6Payload6D7D8D9FEC7FEC7FEC7Payload7D10D11D12FEC8FEC8FEC8Payload8S19FEC9FEC9FEC9M19X9X9X9X9X9Payload9图2.SDH帧中FEC字节的位置示意图表1 STM-64帧中FEC和FSI的具体分配表F

6、EC parity bits for Row #FEC parity bit set #1FEC parity bit set #2FEC parity bit set #3 and FEC status byte1S（2，1，16） through S（2，1，64）S（2，4，16） through S（2，4，64）S（2，6，16） through S（2，6，64）2S（3，1，16） through S（3，1，64）S（3，4，16） through S（3，4，64）S（3，6，16） through S（3，6，616）3S（3，7，16） through S（3，7，64）

7、S（3，8，16） through S（3，8，64）S（3，9，16） through S（3，9，64）S（3，9，12） through S（3，9，15） for FSI bytes4S（5，4，16） through S（5，4，64）S（5，5，16） through S（5，5，64）S（5，6，16 through S（5，6，64）5S（5，7，16） through S（5，7，64）S（5，8，16） through S（5，8，64）S（5，9，16 through S（5，9，64）6S（6，7，16） through S（6，7，64）S（6，8，16） throu

8、gh S（6，8， 64）S（6，9，16 through S（6，9，64）7S（7，7，16） through S（7，7，64）S（7，8，16） through S（7，8，64）S（7，9，16 through S（7，9，64）8S（8，7，16） through S（8，7，64）S（8，8，16） through S（8，8，64）S（8，9，16 through S（8，9，64）9S（9，1，16） through S（9，1，64）S（9，2，16） through S（9，2，64）S（9，3，16 through S（9，3，64）* 基本原理带内FEC采用的码型为缩

9、短的二进制BCH码，来自于码BCH（8191，8152），如STM16信号的FEC信息码元的长度正好是STM-16帧的一行长度，即k=270*16=4320，监督码元的长度为39bit，FEC码的长度为n=4320+39=4359，为缩短的BCH（4359，4320）码，该码的最小距离d7，纠错误比特数t=（d-1）/23。该BCH码生成多项式为 ：G（x） = G1（x）G3（x）G5（x） （式6）其中G1（x） = x13 + x4 + x3 + x + 1（式7）G3（x） = x13+ x10 + x9 + x7 + x5 + x4 + 1 （式8）G5（x）=x13+x11+x8+

10、x7+x4+x+1 （式9）由上面多项式得到系统码，所有C（x）= I（x）+ R（x），其中C（x）为编码后的码多项式，I（x）为信息多项式，监督多项式R（x）I（x） mod G（x）。在SDH帧中，不包含在FEC纠错范围内的开销字节有：全部再生段开销字节（包括未定义，但FEC状态字节FSI包含在FEC纠错范围内）和被其FEC码组使用的开销字节。编解码器工作时，首先将这些字节置零，完成编解码后，再恢复原值。SDH帧的第三行定义了FEC状态字节FSI，用于告知下游是否误用FEC解码器。FSI01表示上游进行了FEC编码，下游必须对其解码；FSI00表示上游没有进行FEC编码，下游不需解码；F

11、SI10或11不是编码器状态的正常值。* 基本要求和性能指标延迟要求：ITU-T G.707规范要求编码和解码延迟不超过15，总延迟不超过30。SDH帧的一行（row）时间为13.9，即每片FEC的持续时间为13.9，也就是说理论上译码延迟最小为13.9。FEC编码速率：每个SDH帧（STM-N）分为片，即每个FEC模块的等效速率为。纠错性能：每个Slice能纠正三位随机错误，因此个Slice交织后能纠正位突发错误。对于STM-16来说，能纠正24位突发错误；对于STM-64来说，能纠正96位突发错误；对于STM-256来说，能纠正384位突发错误。对于误码相互独立的信号，BCH3不能纠错的概

12、率即输出误码率为： （式10）其中N4359。误码率改善曲线如图3所示，若输入BER为，则经BCH3编解码输出BER可达到，误码率提高8个数量级。若输入BER为，则经BCH3编解码输出BER可达到，误码率改善效果非常明显。图3.码率输入输出改善曲线图2、带外FEC及其性能分析ITU-T G.975为带外FEC标准，它利用RS（255，239）码交织编解码，将校验字放在帧尾。由于插入了一些开销，其线路速率必然增加，编码冗余度为7%，相应速率增加7%。对于STM-16来说，速率由2.48832Gb/s升高至2.666Gb/s。由于编码冗余度大，纠错能力强，不受SDH帧格式限制，因此具有较强的灵活性

13、。由于线速率不同，收发设备必须更换，同时灵活性牺牲了标准性能和通用性能，使不同厂家的设备难以互通。为了便于并行实现，有人提出将其扩展，变换为扩展RS（256，240）码，具体描述的如下：* FEC算法利用RS（255，239）码编解码完成线路差错检测和修复，RS（255，239）码是一种256（）进制的BCH码，也是一种线性系统循环码，其生成多项式为： （式11）其中 是二进制本原多项式x8 + x4 + x3 + x2 + 1的一个根，一个数据字节 （d7， d6， .， d1， d0）即可用GF（256）的元素表示为 d77 + d66 + + d11 + d0。* RS（255，239）

14、码特性纠错能力强，每个码字（255字节）能纠正8个符号（字节）错误；FEC编解码复杂度低，不需处理复杂的帧开销；码结构兼容二进制传输，只需串并转换；纠正突发错能力强，对于STM-16，交织深度16时能纠正1024比特突发错误；码开销小，码率比较高，额外开销为7%。* 性能理论计算如下： （式12）其中PUE =不能纠的概率 PSE =符号错误概率N =码长（255）RS（255，239）码的理论纠错性能如表2所示。表2 纠错前后的理论BER对照表BERInputBEROutput10 38.6 10 82 10 42.0 10 1210 45.0 10 1510 56.3 10 2410 66

15、.4 10 33从理论上讲，在保持BER在不变的条件下，RS（255，239）FEC能提供6.1dB的Q增益（不考虑码速率变化影响），实际工程码增益5dB左右。3、平行FEC（Product-coded WDM）平行FEC码字为SEC（纠单位错）码，利用WDM技术外加一个波长，专门用于传输监督字。该方法的编解码简单，可扩展于WDM系统，用一个或多个波长传输监督字，其它波长信号不变，可平滑升级，只需增加几个波长，具体算法目前还没有统一标准。几年前有人曾提出用两个奇偶校验码组合乘积，编码简单，但纠错能力有限，能纠1比特随机错误和部分多比特错误，只能提供1dB左右的码增益，相当于纠单比特错BCH码即

16、汉明码。由于纠错能力较差，很少应用，这里不再详述。4、与数字包封技术融合朗讯公司提出采用数字包封帧结构方案，支持ITU-T G.872光传送网分层模型，该方案基于G.975标准，在光域定义光开销，并为在光传送网采用FEC分配了空间。光层上的帧开销除具有基本定帧信息外，还包括必要的OAM功能：通过重复发送踪迹字节，使段接收机确认是否与预定的发送段处于连接状态；确认客房层信号是否与和其相连的设备适配；如果在光通路层采用了保护环，需要倒换预留一些字节；能够提供远端错误定位指示。其帧结构如图4所示，尽管很多专家认为纠错是光通路开销的一部分，但为了讨论方便，我们将纠错编码和开销分开考虑，便于帧结构的设计

17、和实现。从图4可以看出，客户层的数字电信号封装为光通路帧的净荷，加上纠错编码信息和必要的光通路开销，组成一个定长光通路帧。光通路帧净荷对客户层信号没有特殊要求，可以封装各种客户信号，只要这户层信号满足一定速率要求。这种光通路结构和SDH帧结构很相似，但没有SDH帧指针信息。图4.带前向纠错的光通路结构5、FEC方案的综合比较带内FEC采用BCH3码进行编解码，符合现行标准ITU-T G.707，纠错能力较强，兼容性好，可平滑升级过渡，不需对设备进行改动；由于可用于FEC的开销有限，且受SDH帧格式限制，FEC的纠错力有限。利用SDH帧本身的空闲开销，从理论上说，可以用BCH4和BCH5技术，但

18、这样会使FEC的开销字节位置的规律性更差，实现复杂，却只换来多一点的编码增益，得不偿失。总体来说，BCH3交织编解码技术是带内FEC的最佳编码技术。根据该标准，各厂家很容易作到统一，易于实现互通。带外FEC采用RS码进行编解码，符合标准ITU-T G.975，纠错能力很强，在海底光缆等长距离通信方面得到了快速发展。由于该方案增加了线速率，因此不能实现无缝升级，需要对相应设备进行改动，投资相对较大。其优点是开销采用外加方式，不受SDH帧格式限制，可方便地插入FEC开销，具有很大的灵活性，纠错能力可做到很强，但也因此使不同厂家可能采用不同的FEC算法，影响互通性。表3为带内FEC和带外FEC的性能

19、比较。表3 带内/带外FEC综合比较表方案带内FEC带外FEC标准ITU-T707ITU-T975纠错能力较强更强编码增益（1013）3.9dB5.8dB速率不变增加7%编码方式BCH3RS8复杂度简单略复杂编解码延时15us较大，与交织深度有关兼容性好，可以平滑过渡不能兼容，需更换设备可扩展性受SDH帧格式限制很难扩展不受帧格式限制可方便扩展互通用性很好差2发展前景从编码角度来看，BCH码和RS码具有简单、编码效率高和纠错能力强等优点，是目前最适于光通信系统的信道编码。随着软、硬件技术水平的发展，很可能引入一些纠错能力更强的码字，如RS级联码、Turbo码和Goppa码等，应用于时延要求不严

20、，编码增益要求特别高的光通信系统。若对编码增益要求不太高，不想改变现有系统，实现平滑升级，则带内FEC是一种最佳方案。带外FEC具有灵活的开销，可用于需要大编码增益的通信系统，必须根据码率改变相关设备的工作速率，整个发送/接收设备需进行更换。交织技术是用于纠突发错误的一种简洁有效的方法，现在大多数FEC技术都采用了这一技术。另外，级联技术也是实现超强纠错的一项技术，但由于编解码复杂，目前还很少应用，从发展眼光看很可能会成为一项实用技术。这种编解码技术基本上不可能用于带内FEC系统，但可用于带外FEC系统，其开销灵活，可根据实际情况自己定义，而不像带内FEC受帧格式限制，该技术也许会发展成为下一

21、代带外FEC的主流。我们认为，光通信系统FEC技术发展的趋势主要在于：对于SDH或具有SDH帧格式的DWDM系统，采用带内FEC+带外FEC（广义带外FEC）技术，可充分利用SDH帧开销资源，进一步增强纠错能力；对于其它无SDH帧格式的系统，利用级联RS码或分组Turbo码技术编码，引入14%-30%左右的开销，进一步提高编码增益，可大大改善系统性能。若再进一步增大开销，使线速率增加过大，反而可能得不偿失。3总结随着光纤通信系统向着高速、大容量方向发展，出现了许多难以克服的问题，如GVD、PMD和非线性等，导致无电中继距离大大缩短，无法实用化。EDFA和DWDM技术的引入使传输距离受到两方面限

22、制：一方面来自放大器/光放大器的有限带宽、有限增益平坦度、放大器自发辐射噪声（ASE）的积累和有限的输出功率等因素，限制了WDM系统中各通道的光信噪比（OSNR），从而影响系统的误码性能。例如掺饵光纤放大器（EDFA）固有的增益谱不平坦，各波长通道被放大后获得的光功率不同，这种不均匀随着级联的增加而增大，导致各信道光信噪比（OSNR）差别加大，使光功率低的通道的光信噪比（OSNR）受到损伤，而光功率过高的通道则使光纤的非线性效应变大。限制DWDM系统性能的另一因素来自光纤色散、非线性效应和偏振效应，这些效应使信号经过光纤传输后发生畸变，当每个通道的速率升到10Gb/s甚至更高时，色散和非线性的共同作用可能对系统性能造成严重影响。引入FEC技术是解决这一问题的最佳方法，因此光通信系统中的FEC技术已经成为近期光通信领域的研究热点。本文介绍了FEC的常用编码码型，如BCH3码和RS码是常用、简单、高效和纠错性能强的编码技术，同时还介绍了相关理论，最后对各种编码的性能进行全面分析，有助于编码选型，为下一步深入研究奠定了良好基础。