Mis on FEC ja kuidas seda kasutada?
Kommunikatsioonisüsteemides, infoteoorias ja kodeerimisteoorias on forward error correction (FEC) meetod, mida kasutatakse andmeedastuse vigade kontrollimiseks ebausaldusväärsete või mürarikaste sidekanalite kaudu. FEC võlgneb oma alguse Claude Shannoni teedrajavale tööle 1948. aastal usaldusväärse suhtluse kohta mürarikaste ülekandekanalite kaudu. Shannoni keskne teema oli see, et kui süsteemi signaalimiskiirus on väiksem kui kanali võimsus, on võimalik saavutada usaldusväärne suhtlemine, kui valida õiged kodeerimis- ja dekodeerimistehnikad.
Joonisel 1 on näidatud kodeeritud süsteemi lihtsustatud mudel. Tooredastusandmed on esitatud sõnumijärjestusenau. FEC kodeerija teisendab sõnumiukoodsõnaksvlisades üleliigseid andmeid enne ebausaldusväärsesse või mürarikkasse kanalisse sisenemist. Lisatud koondamine võimaldab vastuvõtja dekoodril tuvastada piiratud arvu vigu, mis võivad sõnumis esineda, ja sageli parandada neid vigu ilma uuesti edastamata, eesmärgiga, et algne sõnumijadautaastatakse edukalt dekoodri väljundis.
FEC-koodide tüübid
Tänapäeval on laialdaselt kasutusel kaks struktuuriliselt erinevat tüüpi koode: plokkkoodid ja konvolutsioonikoodid. Plokikoodi kodeerija jagab teabejärjestuseusõnumiplokkidessekteabebitid (sümbolid) igaüks ja teisendab iga sõnumiuiseseisvalt koodsõnaks,n-bitt (sümbolid)v. SuheR=k/nseda nimetatakse koodimääraks. Üleliigsed bitid (sümbolid),n-k, anda koodile võime võidelda kanali müraga.
Plokikoodi oluline parameeter on minimaalne kaugus,dMin, see on vahemaa kahe lähima koodsõna vahel, mis kujutab endast minimaalset andmemuudatuste arvu, mis on vajalik ühe kehtiva koodsõna muutmiseks teise. See parameeter määrab koodi vigade tuvastamise ja parandamise võimalused. Tavaliselt suudab FEC-kood tuvastadadMin-1 viga koodsõna kohta ja korrigeeri kuni (dMin-1)/2 viga koodsõna kohta. Näiteks Reed Solomoni kood, RS (544, 514,t=15,m=10) on plokkkood, millel on 514 infosümbolit ja 30 üleliigset sümbolit. Igal sümbolil on 10 bitti. Selle minimaalne kaugus ondMin= 31 nii, et see võib korrigeerida kuni (dMin-1)/2=15 sümboliviga koodsõna kohta.
Konvolutsioonikoodi kodeerija aktsepteerib kak-infojada bitiplokiduja toodab kodeeritud jadavalbaanian-sümboliplokid. Kuid iga kodeeritud plokk ei sõltu mitte ainult vastavastk-biti sõnumiplokki samal ajal, aga ka sisse lülitatudmeelmised sõnumiplokid. Lisaks üleliigsetele bittidele,n-k, rohkem koondamist lisatakse mälujärjestuse suurendamisegamkoodist, et saavutada usaldusväärne edastamine mürarikka kanali kaudu.
Shannoni teooria [1] põhjal, mida pikem on koodsõna, seda võimsam veaparandusvõime see pakub. Kodeerimise keerukus suureneb aga ka koodsõna pikkusega. Keerukamate ja kodeerimistulemuste paremaks kompromissiks on mõned tehnikad pikkade võimsate koodide loomiseks lühikeste komponentide koodidest, nagu tootekoodid, ühendatud koodid ja põimitud koodid.
Joonisel 2 on kujutatud kahemõõtmeline tootekood, mille moodustavad kaks tähist C1(n1, k1) ja C2(n2, k2) minimaalse vahemaagadmin1jadmin2vastavalt. Tootekoodi C iga rida1x C2on koodsõna C-s1ja iga veerg on koodsõna C-s2. Tootekood on võimeline korrigeerima mis tahes kombinatsiooni (dmin1dmin2-1)/2 vead.
Joonisel 3 on kujutatud ühetasandiline ühendatud kood välimise koodiga C1(n1, k1) minimaalse vahemaagadmin1ja sisemine kood C2(n2, k2) minimaalse vahemaagadmin2. Nende ühinemise minimaalne kaugus on vähemaltdmin1dmin2.
Joonisel 4 on näidatud põimitud koodi edastamine. Arvestades (n,k) plokikoodi C, on võimalik paigaldada (λn, λk) plokkkood põimimise teel, st lihtsalt korraldades λ koodsõnad C-s ristkülikukujulise massiivi λ ridadesse ja edastades seejärel massiivi veeruveeru veeru kaupa. Kuigi põimitud koodi minimaalne kaugus on endiseltdMinindividuaalse koodina C võib see murda pikad purunemisvead λ erinevateks koodsõnadeks.
Akadeemikud on leiutanud arenenumad FEC-koodid, nagu turbokoodid ja madala tihedusega pariteedikontrolli (LDPC) koodid, mille tööstus on viimastel aastakümnetel vastu võtnud, et läheneda Shannoni piirile (või kanali võimsusele). Kuid nende suurepäraseid tulemuslikkuse kasvu makstakse tavaliselt suure kodeerimise / dekodeerimise keerukuse ja latentsusega.
Konkreetse sidesüsteemi jaoks sobiva FEC-koodi ja kodeerimissüsteemi valimisel tuleb arvestada nelja kriitilise teguriga. Suure läbilaskevõime säilitamiseks või lingimäära märkimisväärse suurenemise vältimisekskoodi määrPeab olema kõrge. Kanali kadude kompenseerimiseks või signaali ja müra suhte (SNR) või biti veamäära (BER) nõuete kompenseerimiseks vastuvõtja otsuste tükeldritel on suur suurkodeerimise kasumSee on soovitav. Fec puuduseks on siiski FECkodeerimise latentsusjakodeerimise keerukussee suurendab edastusaega ja süsteemi võimsust/maksumust.
FEC rakendused jadalinkide süsteemidesse
FEC-tehnoloogia maastik traatliinide sidesüsteemide jaoks on näidatud joonisel 5 ja see hõlmab nii elektrilisi kui ka optilisi linke. Elektrilinkide puhul lisas tööstus hiljuti signaalivormingu värskendused kahetasandilisest signaalimisvormingust (NRZ) neljatasandilisele signaalimisvormingule (PAM4) üleminekul 25 Gb/s-lt 50 Gb/s lingi andmeedastuskiirusele.
PAM4 SerDesi üks peamisi disainiprobleeme on PAM4 avastamiskaristus NRZ-le, umbes 9,54 dB või isegi suurem, kui arvestada horisontaalset marginaali lagunemist mitmetasandiliste signaaliületuskohtade tõttu. Seetõttu muutub FEC PAM4 süsteemilahenduse oluliseks osaks, et seda tuvastuskaristust kompenseerida. RS (544, 514, 15) FEC, tuntud ka kui KP4 FEC, on laialdaselt vastu võetud PAM-4 linkides. See pakub 200/400G Etherneti süsteemidele kuni 7dB kodeerimiskasumit, lisades samal ajal kuluna latentsuskaristuse sadu nanosekundeid (ns). Suure võimsusega FEC-koode, nagu madala tihedusega pariteedikontroll (LDPC) koodid ja Turbo tootekoodid (TPC), arvestatakse tavaliselt pikamaa optiliste ülekandesüsteemide puhul, mille maksumus on suurem kodeerimise latentsus ja keerukus. Madala latentsusega rakenduste puhul võiks kasutada lühikesi lihtsaid plokkkoode, millel on mõõduka kodeerimise võimendus ja keerukus.
