FEC là gì và tôi sử dụng nó như thế nào?
Trong hệ thống truyền thông, lý thuyết thông tin và lý thuyết mã hóa, sửa lỗi chuyển tiếp (FEC) là một kỹ thuật được sử dụng để kiểm soát lỗi trong quá trình truyền dữ liệu qua các kênh truyền thông không đáng tin cậy hoặc nhiễu. FEC có được sự khởi đầu từ công trình tiên phong của Claude Shannon vào năm 1948 về giao tiếp đáng tin cậy qua các kênh truyền nhiễu. Chủ đề trung tâm của Shannon là nếu tốc độ truyền tín hiệu của hệ thống nhỏ hơn dung lượng kênh, thì có thể đạt được giao tiếp đáng tin cậy nếu người ta chọn kỹ thuật mã hóa và giải mã thích hợp.
Hình 1 cho thấy một mô hình đơn giản của một hệ thống được mã hóa. Dữ liệu truyền thô được biểu diễn dưới dạng một chuỗi thông báou. Bộ mã hóa FEC chuyển đổi thông báouthành một từ mãv bằng cách thêm dữ liệu dư thừa, trước khi nhập kênh không đáng tin cậy hoặc nhiễu. Khả năng dự phòng được bổ sung cho phép bộ giải mã máy thu phát hiện một số lỗi giới hạn có thể xảy ra trong thông báo và thường để sửa những lỗi này mà không cần truyền lại, với mục tiêu là chuỗi thông báo ban đầu.uđược khôi phục thành công ở đầu ra của bộ giải mã.
Các loại mã FEC
Hai loại mã khác nhau về cấu trúc đang được sử dụng phổ biến ngày nay: mã khối và mã chập. Bộ mã hóa cho một mã khối phân chia chuỗi thông tinuthành các khối tin nhắn củaktừng bit thông tin (ký hiệu) và biến đổi từng thông điệpuđộc lập thành một từ mã,n-bit (ký hiệu)v. Tỉ lệR = k/nđược gọi là tỷ lệ mã. Các bit (ký hiệu) dư thừa,n-k, cung cấp mã với khả năng chống nhiễu kênh.
Một tham số quan trọng của mã khối là khoảng cách tối thiểu,dmin, đây là khoảng cách giữa hai từ mã gần nhất, đại diện cho số lượng thay đổi dữ liệu tối thiểu cần thiết để thay đổi một từ mã hợp lệ thành một từ mã khác. Tham số này xác định khả năng phát hiện và sửa lỗi của mã. Thông thường mã FEC có thể phát hiệndmin-1 lỗi cho mỗi từ mã và sửa tối đa (dmin-1) / 2 lỗi cho mỗi từ mã. Ví dụ, mã Reed Solomon, RS (544, 514,t=15, m=10), là một mã khối có 514 ký hiệu thông tin và 30 ký hiệu thừa. Mỗi ký hiệu có 10 bit. Khoảng cách tối thiểu của nó làdmin=31 sao cho nó có thể sửa đến (dmin-1) / {1}} lỗi ký hiệu trên mỗi từ mã.
Bộ mã hóa cho một mã phức hợp cũng chấp nhận k-bit khối của chuỗi thông tinuvà tạo ra một chuỗi được mã hóavcủan-các khối biểu tượng. Tuy nhiên, mỗi khối được mã hóa không chỉ phụ thuộc vàok-bit khối tin nhắn tại cùng một đơn vị thời gian nhưng cũng trênmkhối tin nhắn trước đó. Bên cạnh các bit dư thừa,n-k, dự phòng nhiều hơn được thêm vào bằng cách tăng thứ tự bộ nhớmcủa mã để đạt được truyền đáng tin cậy qua một kênh nhiễu.
Dựa trên lý thuyết Shannon [1], từ mã càng dài thì khả năng sửa lỗi càng mạnh mà nó cung cấp. Tuy nhiên, độ phức tạp của mã hóa cũng tăng theo độ dài từ mã. Để đạt được sự cân bằng tốt hơn giữa độ phức tạp và hiệu suất mã hóa, có một số kỹ thuật để xây dựng mã dài mạnh mẽ từ mã thành phần ngắn, chẳng hạn như mã sản phẩm, mã nối và mã xen kẽ.
Hình 2 cho thấy mã sản phẩm hai chiều được tạo thành bởi hai mã C1(n1, k1) và C2(n2, k2) với khoảng cách tối thiểudmin1vàdmin2, tương ứng. Mỗi hàng của mã sản phẩm C1 x C2là một từ mã trong C1và mỗi cột là một từ mã trong C2. Mã sản phẩm có thể sửa chữa bất kỳ sự kết hợp nào của (dmin1dmin2-1) / 2 lỗi.
Hình 3 cho thấy mã nối một cấp với mã ngoài C1(n1, k1) với khoảng cách tối thiểudmin1và một mã bên trong C2(n2, k2) với khoảng cách tối thiểudmin2. Khoảng cách tối thiểu của các đoạn nối của chúng là ít nhấtdmin1dmin2.
Hình 4 cho thấy quá trình truyền mã xen kẽ. Cho một mã khối (n, k) C, có thể tạo mã khối (λn, λk) bằng cách xen kẽ, điều đó đơn giản bằng cách sắp xếp các từ mã λ trong C thành các hàng λ của một mảng hình chữ nhật và sau đó truyền cột mảng bằng cột. Mặc dù khoảng cách tối thiểu của mã xen kẽ vẫn làdminlà mã riêng lẻ C, nó có thể phá vỡ các lỗi cụm dài thành λ các từ mã khác nhau.
Các mã FEC nâng cao hơn, chẳng hạn như mã turbo và mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC), đã được các học giả phát minh ra và được ngành công nghiệp áp dụng trong vài thập kỷ qua để đạt đến giới hạn Shannon (hoặc dung lượng kênh). Tuy nhiên, mức tăng hiệu suất tuyệt vời của chúng thường được trả bằng độ phức tạp và độ trễ mã hóa / giải mã lớn.
Có bốn yếu tố quan trọng cần xem xét khi lựa chọn mã FEC và sơ đồ mã hóa phù hợp cho một hệ thống truyền thông cụ thể. Để duy trì thông lượng cao hoặc tránh tăng tỷ lệ liên kết đáng kể,tỷ lệ mãcần cao. Để bù suy hao kênh hoặc làm giãn các yêu cầu về tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) hoặc tỷ lệ lỗi bit (BER) ở bộ cắt quyết định trong máy thumã hóa đạt đượclà mong muốn. Tuy nhiên, hạn chế của FEC làđộ trễ mã hóavàmã hóa phức tạpđiều đó sẽ làm tăng thời gian truyền tải và công suất / chi phí của hệ thống.
Các ứng dụng FEC cho các hệ thống liên kết nối tiếp
Toàn cảnh của công nghệ FEC cho các hệ thống thông tin liên lạc bằng đường dây được thể hiện trong Hình 5 và bao gồm cả các liên kết điện và quang. Đối với các liên kết điện, ngành công nghiệp gần đây đã kết hợp cập nhật định dạng báo hiệu từ định dạng báo hiệu hai cấp (NRZ) sang định dạng báo hiệu bốn cấp (PAM4) trong quá trình chuyển đổi từ tốc độ dữ liệu liên kết 25 Gb / s sang 50 Gb / s.
Một trong những thách thức thiết kế chính của PAM4 SerDes là hình phạt phát hiện của PAM4 trên NRZ, khoảng 9,54 dB hoặc thậm chí lớn hơn nếu xét đến sự suy giảm lề ngang do giao cắt tín hiệu nhiều mức. Do đó, FEC trở thành một phần quan trọng của giải pháp hệ thống PAM4 để bù đắp hình phạt phát hiện này. RS (544, 514, 15) FEC, còn được gọi là KP4 FEC, đã được chấp nhận rộng rãi trong các liên kết PAM -4. Nó cung cấp hệ thống Ethernet 200 / 400G với độ lợi mã hóa lên đến 7dB, đồng thời bổ sung thêm hình phạt độ trễ hàng trăm nano giây (ns) làm chi phí. Các mã FEC có độ lợi cao như mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) và mã sản phẩm Turbo (TPC) thường được xem xét cho các hệ thống truyền dẫn quang đường dài với chi phí là độ trễ và độ phức tạp của mã hóa lớn hơn. Đối với các ứng dụng có độ trễ thấp, có thể sử dụng các mã khối đơn giản ngắn với độ phức tạp và độ lợi mã hóa vừa phải.
