中兴通讯超高速FEC误码平层研究测试引领最新400G FEC国际标准制定

发布时间:2018-08-13  作者:王卫明(中兴通讯)  阅读量:

  当地时间3月15日,在美国圣地亚哥举行的第43届国际光纤通信技术研讨及展览会(OFC) 期间,中兴通讯发布了关于400G国际标准中前向纠错码(FEC)的最新研究成果,成功入选本年度OFC期限后论文(Post-Deadline Paper, PDP),并在技术研讨会现场进行论文宣讲。OFC代表光纤通信技术含量最高的研讨及展览会,而PDP论文区别于OFC常规论文,具有更强的时效性和技术先进性,是全球各大厂商展现技术能力的绝佳舞台。此次成功入选是首次由中国企业研发团队主导完成的光通信算法成果入选PDP论文。

  传输距离在90~120km,采用单载波400G和先进的数字信号处理(DSP)和FEC算法的可插拔数字相干光模块是目前国际标准规范的重点项目,吸引着全球各大厂商的积极参与。在如此激烈的角逐中脱颖而出,得益于中兴通讯有线算法团队近年来的技术的积累,合理前瞻的项目规划,以及超强的执行力。

光纤通信FEC技术难点

  FEC通过在传输的有效数据中加入一定的编码冗余,在接收端利用FEC解码算法,可以极大地提高传输距离和改善系统性能。特别是在100G/400G高速光传输系统中,光纤信道和器件所带来的信号损伤愈发严重,极大地影响传输距离和传输性能。FEC技术成为系统设备必备且最为关键的技术之一,其性能是影响光纤通信系统竞标重要指标OSNR容限的关键因素。

  作为“管道”传输的高速光传输系统,其高可靠度传输特性需要FEC技术满足极低的输出误码率需求(小于10   )。在如此高数据速率和低误码率要求下,设计和验证FEC是非常具有挑战性的。

极低误码率下的验证

  以搜集10个比特错误为可靠准则,要达到10    测试误码率,需统计10  比特数据量。为了更为直观地理解,以12核主频2G的工作站和100G验证系统(40片FPGA,每片FPGA吞吐率为2.5G)对比为例,要验证10   误码率,一台12核工作站需连续工作10年,即使是庞大的100G FPGA阵列组,也需要30小时。

数字噪声精度

  除了长时间验证难点外,如何保证验证系统噪声的可靠度和精确性,也直接影响到测试结果的可信度。由于模拟噪声难以精确控制,数字噪声成为通信系统验证的必备手段。对于高速光传输系统而言,数字噪声的产生需满足极高的拖尾精度和极低的误码率需求,实现难度大。

针对400G标准的FEC研究验证

  一种采用阶梯(staircase)码与汉明码级联的先进FEC方案吸引了业界广泛关注。阶梯码由于巧妙的结构设计,其性能优于光通信标准G.975.1中所有的FEC方案。结合实现复杂度低的汉明软解码,此级联FEC方案兼顾良好的纠错性能以及低功耗、低时延特性,非常适合于大容量短距离应用场景。

  中兴通讯算法团队预见到staircase码技术的重要性,已针对性地进行研究并掌握其核心算法。再加上已有自研软解码算法丰富经验,在采用级联阶梯与汉明码的400G国际标准FEC草案发布3个月之内,已完成其核心算法的软件实现。中兴通讯算法团队意识到该国际标准提案的硬件实现及验证对国际标准制定至关重要, 且相关研究成果具有突出的实效性。于是算法团队在1月中旬, 对是否能在2月底完成整套级联FEC基于FPGA的超高速(200Gbps)硬件实现以及相关研究测试的可行性进行了评估。由于该级联FEC算法方案硬件实现的高度复杂,以及超低误码率测试研究的高度耗时,评估结论是按正常工作节奏和强度不可能完成。

  面对挑战, 中兴通讯有线算法团队主动请缨,2月份全程集中攻关,并以小时为单位进行项目策划,最优化地利用近期开发成功的通用200G高速编码验证系统资源。 经过充分的算法与实现多次迭代沟通,在集中攻关的第4天,确定了FPGA实现框图。

  FPGA实现框图中除了阶梯码和汉明编解码模块外,还有块交织、卷积交织等复杂的功能模块,以及支持测试的数据源产生、噪声产生和误码检测模块。在确定实现方案后,通过团队成员的精诚合作以及整个2月夜以继日的攻关,最终顺利完成硬件实现方案的设计确定、FPGA代码编写,以及算法与硬件一致性验证。

攻关成果入选PDP论文

  在完成FPGA开发和验证后,留给测试的时间非常有限。此时,中兴通讯创造全球同类系统最高速率记录的超高速200Gbps FPGA验证平台发挥了重要作用。为了保证数据的准确性和获得更多的数据支持,项目组成员连续不间断工作进行数据采集和分析,最终在OIF PDP截止一小时前完成全套研究成果的技术报告并提交OFC技术委员会评审。

  经过对级联阶梯和汉明码方案在中兴通讯200Gbps FPGA验证平台上板测试,发现可能定为400G国际标准的级联阶梯-汉明码方案存在误码缓坡(error flare),造成其实际性能会低于标准中的预期性能。并且进一步研究定位了该型纠错码误码缓坡的根源,给出了消除误码缓坡达成预期性能的改进思路与方向。这一具有突出实效性的研究成果,对400G国际标准中FEC方案的最终设计起到了关键性的引领作用。 同时,针对基于数字噪声的超低误码率硬件测试系统,本项研究首创了保证高可信度超低误码率测试的收敛法则,并将该法则首次应用于超低误码率下纠错码误码平层和误码缓坡的研究。

  论文最终成功入选OFC PDP论文,并在业界获得高度关注,彰显中兴通讯在全球光通信最前沿技术创新与产品研发中的领先地位。正如中兴通讯蔡轶博士在OFC PDP论文宣讲中所说:“从90年代末先进纠错码应用于光纤通信系统至今的20多年来,超低误码率下的误码平层一直是一个困扰学术界和业界的悬而未决的技术难题。中兴通讯这次取得的相关技术成果,首次达成了真正意义上对超低误码率下纠错码性能的高效检测和研究。而率先及时发现可能成为400G国际标准的级联阶梯-汉明码具有误码缓坡问题,并相应给出了改进方向,是这一成果先进性实用性的最好例证。如果做一个具体对比,我们这次在两周内完成的超低误码率性能测试研究, 即使采用之前发布的最高速检测系统,也需要两年时间才能完成,无法达到国际标准制定的时效性要求。并且这次首创并示范的一整套超低误码率性能研究方法,对后续业界相关技术研发和应用具有长期深远的影响和意义。”

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