Измерительное и испытательное оборудование для лабораторий, производства, телекоммуникаций

Протокол OTN: непосредственное исправление ошибок

Непосредственное исправление ошибок (Forward Error Correction – FEC) – главная особенность протокола OTN.

Протокол синхронно-цифровой иерархии SDH уже имеет в себе исправление ошибок. Он использует неопределенное число SOH-байтов для транспортировки данных и проверки на ошибки и поэтому вызывается в канале FEC. Это обеспечивает только ограниченное число исправлений ошибок для проверки информации, которые сужают возможности FEC-техники.

Для протокола OTN уже определен 16-байтовый недвоичный циклический код Рида-Соломона исправления ошибок, который использует 4*256 байт для проверки информации на один блок/пакет передачи данных по оптическим каналам (Optical Channel Data Unit – ODU). Кроме того, для FEC-схем разрешены и доступны собственные алгоритмы исправления ошибок.

Технология FEC доказала свою целесообразность применения в дисперсионных и OSNR-системах с ограниченным коэффициентом сигнал/шум. Что касается нелинейных эффектов, уменьшение выходной мощности сигнала приводит к OSNR-ограничению, с которыми FEC-схемы справляются достаточно хорошо. И в то же время FEC менее эффективен на физическом подуровне.

Рекомендация G.709 определяет непосредственное исправление ошибок для протокола OTN, которые могут улучшить до 6.2 дБ отношение сигнал/шум (SNR). С другой стороны, передача сигнала с битовым уровнем ошибок (Bit Error Rate – BER) и усилением 6.2 дБ требует меньше энергии, нежели с применением FEC-техники исправления ошибок.

Эффективность кодирования с FEC-схемами может использоваться для следующих задач:

  • увеличение максимальной длины блока и/или числа блоков в случае увеличения досягаемости (иные нарушения, например, хроматическая или поляризационная модовая дисперсия, не становятся препятствующими факторами для распространения волны);

  • увеличение числа (Dense Wavelength Division Multiplexing – DWDM) спектрально-уплотненных каналов в DWDM-системах, которые лимитируют выходную мощность усилителей путем уменьшения мощности на канал и увеличения количества каналов (здесь необходимо уменьшение мощности канала при изменениях в нелинейных эффектах связи);

  • ослабление характеристик компонентов (например, пусковая мощность, глаз-маска, коэффициент затухания и шума, изоляционный фильтр) лини связи и для уменьшения затрат на сами компоненты;

  • но самое главное, FEC-алгоритмы применяются для транспортировки пакетов данных в оптических каналах сетей.

Прозрачные элементы оптических сетей, такие как оптические мультиплексоры ввода/вывода (Optical Add-Drop Multiplexer – OADM) и оптические кросс-коннекторы (Photonic Cross Connect – PXC), вносят значительные искажения в сигнал, например затухание. Число прозрачных компонентов оптических сетей, которые требуют 3R-обработку, является ограниченным. С FEC-технологией исправления ошибок оптическая волна может перемещаться через большее количество прозрачных элементов оптических сетей.

Это гарантированно позволяет развивать протокол OTN от сегодняшних архитектур передачи данных типа «точка-точка» к полноценным оптическим сетям с высокой функциональностью.

Теоретическое описание

Реализация FEC-схемы в рекомендации G.709 произведена через циклический код Рида-Соломона RS(255,239). Циклический код Рида-Соломона является специфической функцией RS(n,k) с s-битными символами, где n – общее число символов на кодовую группу, k – число информационных символов, s – размер символа. Кодовый блок состоит из данных и четности, которые еще называют проверочными символами, их также добавляют к данным. Проверочные символы используются для обнаружения и исправления ошибок в сигнале, в результате поврежденные исходные данные будут восстановлены.

Для G.709:

s = число символов = 8 бит

n = символов на кодовую группу (блок) = 255 байт

k = информационных символов на кодовую группу (блок) = 239 байт

Типичная работа FEC-схемы показана на рисунке:

ris 2.jpg

FEC-схема

Это означает, что кодер принимает k информационных символов с s битами на каждый и плюс проверочные символы для n-символьной кодовой группы. Существует n-k проверочных символов для s-бит на каждый. Декодер Рида-Соломона может исправить до t символов, которые содержат ошибки в кодовой группе, где 2t = n-k.

На следующем рисунке показана типичная схема кодовой группы Рида-Соломона:

ris 3.jpg

Кодовая группа Рида-Соломона

Для стандарта ITU рекомендуется кодирование RS(255,239):

2t = n – k = 255 – 239 = 16

t = 8

Следовательно, декодер способен исправить любые 8 символов в кодовом блоке.

Код Рида-Соломона исправляет ошибки на основе проверочных символов; поэтому символ, который содержит все биты с ошибками, легко обнаруживается и исправляется, как и обычный символ с 1-битной ошибкой. В такой ситуации код Рида-Соломона оптимально подходит для исправления ошибок в передаче пакетных данных, где серии битов в кодовой группе принимаются с ошибкой в декодер.

Эффективность кода Рида-Соломона увеличивается в кодовых группах с многократными ошибками, потому что эффект пакетных ошибок является общим для некоторых кодовых блоков. Влияние шума распространяется на несколько кодовых групп (эффект волны). В то время когда кодовая группа с чередованием битов имеет меньшее число ошибок, которые необходимо исправить, кодовая группа с многократными ошибками может быть также исправлена. Если встречаются многократные ошибки, тогда некоторые из них будут исправлены, а некоторые и нет.

Уплотнение битов с чередованием фактически обеспечивает коррекцию ошибок для всех кодовых групп, которые составляют пакет, то есть глубину. Это обеспечивает более высокую скорость кода и эффективность канала передачи данных, что защищает от случайных и очень длинных ошибок. Например, 64-битная кодовая группа может исправить 8 ошибок, кодовая группа с чередованием способна исправить почти любую доступную комбинацию символьных ошибок, что составляет 512. Не имеет большого значения: 512 ошибок в одном пакете или одна ошибка на 512 битов. Для эффективности исправления ошибок обе рекомендации ITU-T G.709 и ITU-T G.975 указывают уплотнение с чередованием в качестве части транспортного блока.

Эффективность кодирования

Основным преимуществом использования исправления ошибок является то, что вероятность возникновения остаточных ошибок в декодировании данных намного меньше, нежели вероятность возникновения ошибок в работе алгоритмов, например Рида-Соломона, без использования техники устранения ошибок FEC. Таким образом, получаем выигрыш в эффективности.

Эффективность кодирования – это разница между входным соотношением сигнал/шум (SNR) и получаемым выходным коэффициентом битовой ошибки (BER). SNR измеряется как коэффициент добротности, отношение бит/шум (Eb/N0) или OSNR.

«Чистая» эффективность кодирования эквивалентна +7% FEC к общему значению. Это означает, что скорость передачи данных необходимо увеличить на 7% для того, чтобы транспортировать информацию и непосредственное исправление ошибок в канале протокола.

Читайте также