Поскольку требования к полосе пропускания увеличиваются, а допуск на ошибки и задержку уменьшаются, разработчики систем передачи данных искали новые способы расширения доступной полосы пропускания и повышения качества передачи. Одно из решений на самом деле не ново, но оказалось весьма полезным. Это называется прямым исправлением ошибок (FEC), в течение многих лет этот метод использовался для обеспечения эффективной высококачественной передачи данных по шумным каналам. Сегодня с увеличением пропускной способности передачи данных и увеличением расстояния, давайте узнаем больше о методике FEC в оптических сетях.
Что такое FEC?
Прямая коррекция ошибок (FEC) — это метод цифровой обработки сигналов, используемый для повышения надежности данных. Это делается путем введения избыточных данных, называемых кодом с исправлением ошибок, перед передачей или хранением данных. FEC предоставляет приемнику возможность исправления ошибок без обратного канала для запроса повторной передачи данных. Как мы знаем, иногда оптические сигналы могут ухудшаться из-за некоторых факторов во время передачи, что может привести к неправильной оценке на стороне приемника, возможно, принятию сигнала «1» за сигнал «0» или сигнала «0» за сигнал «1». Если количество ошибок при передаче находится в пределах корректирующей способности (прерывистые ошибки), канальный декодер обнаружит и исправит ложные “0” или “1” для улучшения качества сигнала.
Рисунок 1. Принцип работы FEC
Развитие прямого исправления ошибок в оптической связи можно разделить на три поколения. FEC первого поколения представляет собой первое, которое будет успешно использоваться в подводных системах и наземных системах. По мере развития систем WDM в коммерческих системах был установлен более мощный FEC второго поколения. Появление FEC третьего поколения открыло новые перспективы для следующего поколения систем оптической связи.
Каковы типы и особенности FEC?
Типы
В настоящее время практические технологии FEC для SDH (синхронная цифровая иерархия) и DWDM (плотное мультиплексирование с разделением по длине волны) в основном следующие:
In-band FEC. In-band FEC поддерживается стандартом ITU-T G.707. Контролируемые символы кода FEC загружаются с использованием части служебных байтов в кадре SDH. Усиление кодирования невелико (3-4 дБ).Внеполосный FEC. Внеполосный FEC поддерживается стандартом ITU-T G.975/709.
Out-of-band FEC обладает большой избыточностью кодирования, возможностью исправления ошибок, высокой гибкостью и высоким коэффициентом усиления кодирования (5-6 дБ).
Enhanced FEC (EFEC). Enhanced FEC в основном используется в системах оптической связи, где требования к задержке не являются строгими, а требования по усилению кодирования особенно высоки. Хотя процесс кодирования и декодирования EFEC является более сложным и менее применимым в настоящее время, благодаря его преимуществам в производительности, он превратится в практическую технологию и станет основным направлением следующего поколения out-of-band FEC.
Характеристики
FEC уменьшает количество ошибок передачи, расширяет рабочий диапазон и снижает требования к питанию для систем связи. FEC также увеличивает эффективную пропускную способность системы, даже с дополнительными контрольными битами, добавленными к битам данных, устраняя необходимость повторной передачи данных, искаженных случайным шумом.
FEC самостоятельно повышает достоверность данных на приемнике. В рамках системного контекста FEC становится технологией, которую разработчик системы может использовать несколькими способами. Наиболее очевидным преимуществом использования FEC является использование систем с ограниченной мощностью. Однако посредством использования сигнализации более высокого порядка ограничения полосы пропускания также могут быть устранены. Во многих беспроводных системах допустимая мощность передатчика ограничена. Эти ограничения могут быть вызваны соблюдением стандарта или практическими соображениями. FEC позволяет передавать с гораздо более высокими скоростями передачи данных, если доступна дополнительная полоса пропускания.
Применение FEC в 100G сетях
В контексте оптоволоконных сетей FEC используется для определения оптического SNR (OSNR) — одного из ключевых параметров, определяющих, как далеко может пройти длина волны, прежде чем она нуждается в регенерации. FEC особенно важен при скоростях высокоскоростной передачи данных, где требуются усовершенствованные схемы модуляции, чтобы минимизировать дисперсию и соответствие сигнала с частотной сеткой. Без включения FEC транспорт 100G был бы ограничен чрезвычайно короткими расстояниями. Для реализации передачи на большие расстояния (> 2500 км) усиление системы должно быть дополнительно улучшено примерно на 2 дБ. Переход FEC с жесткого решения на мягкое решение восполняет этот пробел в производительности.
Поскольку стремление к все более высоким скоростям передачи продолжается, схемы прямого исправления ошибок (SD-FEC) становятся все более популярными. Хотя для этого может потребоваться около 20% байтов — почти в три раза больше, чем в исходной схеме кодирования RS — выгоды, которые они получают в контексте высокоскоростных сетей, значительны. Например, FEC, который приводит к усилению от 1 до 2 дБ в сети 100G, означает увеличение охвата на 20-40%.
Замечания для FEC в сетях 100G
Что следует учитывать при настройке FEC в 100G сетях? Предлагается обратить внимание на следующие советы.
Метод реализации
Некоторые специальные модули имеют свои собственные функции FEC, такие как FS 100G CFP конвертеры интерфейсов. В то время как 100G QSFP28 оптический модуль в основном полагается на конфигурацию функции FEC на устройстве для реализации исправления ошибок, таких как 100G коммутаторы.
Поддерживает ли коммутатор FEC
Конфигурирование FEC на 100G коммутаторах может быть достигнуто только в том случае, если коммутатор поддерживает его, и не все коммутаторы поддерживают это. В то время как все 100G коммутаторы поддерживают FEC, предоставляемые FS.
| Тип коммутатора | Тип порта | Поддержка FEC или нет |
| S5850-48S2Q4C | 48*10Gb, 2*40Gb, 4*100Gb | Да (для оба 40Gb и 100Gb порты) |
| S8050-20Q4C | 20*40Gb, 4*100Gb | Да (для оба 40Gb и 100Gb порты) |
| N8500-48B6C | 40*25Gb, 6*100Gb | Да (для оба 25Gb и 100Gb порты) |
| N8500-32C | 32*100Gb | Да |
Таблица 1. Технические характеристики FS 100G коммутаторов
Внимание: для FS 100G коммутаторов функция FEC включена по умолчанию. Если требуется включить его после выключения, можно настроить команду FEC.
Включить ли FEC на QSFP28 100G модулях
Функция FEC — это не просто преимущество, процесс исправления кода ошибки неизбежно приведет к некоторой задержке пакета данных. Поэтому не все QSFP28 100G модули нуждаются в этом. Согласно стандартному протоколу IEEE не рекомендуется включать FEC при использовании QSFP28-LR4-100G модулей, за исключением того, что рекомендуется включать его. Поскольку технология QSFP28 100G модулей варьируется от компании к компании, поэтому ситуация не совсем одинакова. В следующей таблице объясняется, рекомендуется ли включать FEC при использовании FS 100G QSFP28 модулей.
| Тип модуля | Описание | с FEC |
| QSFP28-SR4-100G | 850nm 100m MTP/MPO Модуль для SMF | Нет |
| QSFP28-LR4-100G | 1310nm 10km Модуль для SMF | Нет |
| QSFP28-PIR4-100G | 1310nm 500m Модуль для SMF | Нет |
| QSFP28-IR4-100G | 1310nm 2km Модуль для SMF | Да |
| QSFP28-EIR4-100G | 1310nm 10km Модуль для SMF | Да |
| QSFP28-ER4-100G | 1310nm 40km Модуль для SMF | Да |
Таблица 2. Технические характеристики FS 100G QSFP28 модулей
Согласованность функций FEC на обоих концах канала
Функция FEC порта является частью автосогласования. Когда автоматическое согласование порта включено, функция FEC определяется согласованием на обоих концах канала. Если функция FEC включена на одном конце, другой конец должен также включить ее, в противном случае порт не работает.
Стекирование & FEC
Настройка команды FEC не поддерживается, если порт уже настроен как физически стековый порт.Наоборот, порты, которые были настроены с помощью команд FEC, не поддерживают настройку в качестве физического стекового члена.
Заключение
FEC стал критически важной в волоконно-оптической связи, так как магистральные сети увеличиваются в скорости до 40 и 100G, особенно в условиях плохой связи оптического сигнала с шумом. Такие среды становятся более распространенными в высокоскоростных средах, поскольку в сетях используется больше оптических усилителей. Со всеми этими событиями, FEC будет продолжать играть роль в будущих сетях. Для обеспечения нормальной работы сети рекомендуется обратить особое внимание на функцию FEC на оптических модулях, которая поможет вам повысить производительность при передаче данных.
Прямая коррекция ошибок (FEC) это метод, который использовался в течении нескольких лет в подводных оптоволоконных системах, проложенных по морскому дну. Этот метод позволяет с почти идеальной точностью передать данные, даже если передача осуществляется по каналу с большим количеством шумов. В настоящее время используется несколько алгоритмов FEC, таких как код Хэмминга, кода Рида-Соломона и код БЧХ.
В качестве примера, рассмотрим работу вашего мобильного телефона в условиях слабого сигнала сотовой сети. Допустим, вы хотели сказать человеку на другом конце линии некую последовательность чисел. Есть несколько методов, которые можно использовать для повышения точности. Предположим, что список чисел, которые вы хотите передать, это 7, 3, 8, 10, 12 и 21. Одним из способов может быть повтор списка чисел два раза. Запишите каждый список и сравните их, если они совпадают, передача данных, вероятно, корректна. Основным недостатком такого метода является то, что, поскольку данные передаются дважды, пропускная способность системы делится пополам и, если списки не совпадают, у вас не будет ни малейшего представления, который из них верный. Используя этот метод, для того, чтобы убедиться в хорошем качестве передачи и исправить некоторые ошибки, вам придется отправить данные три раза и проверить, что два из трех списков полностью совпадают. Второй способ будет выглядеть примерно так: в первую очередь, вы будете отправлять количество чисел, которые необходимо принять, затем саму последовательно, и в конце последует передача числа, являющегося суммой последовательности. Передаваемое сообщение при этом примет следующий вид: 6, 7, 3, 8, 10, 12, 21, и 67. Человек, принимающий сообщение, будет смотреть на первое число, чтобы затем убедится, что будет получено правильное количество чисел в сообщении, а затем проверит, что число в конце последовательности, действительно является суммой переданных чисел. Этот метод требует отправки значительно меньшего количества дополнительных данных. Если любое полученное число неверно или пропущено, то число контрольной суммы в конце передачи не будет соответствовать сумме, передаваемых чисел. Показанные выше методы представляют собой примеры кода обнаружения ошибок. Они позволяют определить, была ли передача точной, но не позволяют исправлять ошибки.
Примечание: Термин «Forward» в аббревиатуре FEC означает, что исправление ошибок осуществляется путем передачи некоторой информации вместе с передачей данных.
Код исправления ошибок считаются более сложными, в сравнении с кодом обнаружения ошибок и используются почти в каждом современном коммуникационном приложении. Также, коды исправления ошибок нашли широкое применение в CD и DVD проигрывателях. Для того, чтобы привести пример кода исправления ошибок, нужно ввести и объяснить два термина: двоичность и чётность. В предыдущих примерах кода обнаружения ошибок, мы использовали такие числа, как 7, 3, 8, и т.д. Это базовые числа системы исчисления, знакомой нам в повседневной жизни. Двоичные числа в основе имеют два числа, которые могут иметь только два возможных значения – 0 или 1. Бинарная система используется почти во всех коммуникационных и компьютерных системах. Второе определение, которое необходимо разобрать, называется четность. Чётность — термин, который используется в двоичных системах связи, чтобы указать, является ли число единиц в передаче четным или же нет. Если число единиц является четным, то чётность совпадает и наоборот.
Код Хэмминга
Рассмотрим сообщение, имеющее четыре бита данных (D), которое должно быть передано в 7-битной кодировке с добавлением трёх битов данных для поиска и устранения ошибок. Этот код будет называться (7, 4). Это означает, что общая длина кода составляет семь битов, но только четыре из них на самом деле данные. Три добавленных бита — это три бита проверки на четность (Р), где чётность каждого вычисляется в разных группах битов сообщения, как показано на рисунке 1.
Например, сообщение 1011 будут направлено, как 1010101, как показано на рисунке 2.
Можно заметить, что в случае возникновения ошибки в любом из семи битов, эта ошибка оказывает влияние на различные комбинации трех битов четности в зависимости от битовой позиции.
Например, предположим, что вышеупомянутое сообщение 1010101 передаётся и возникает один бит ошибки, так что получено кодовое слово 1110101:
Передача Приём
Сообщение Сообщение
1 0 1 0 1 0 1 ————> 1 1 1 0 1 0 1
Эта ошибка может быть исправлена путем определения, какой из трех битов четности пострадал, как показано на рисунке ниже:
Характер ошибок четности битов указывает, какой бит в кодовом слове с ошибкой, таким образом, он может быть исправлен.
Основные функции кода Хэмминга можно резюмировать:
- Обнаружение 2-битовых ошибок (при условии отсутствия ошибок корректировка не выполняется)
- Коррекция единичных ошибочных битов
- 3 проверочных бита добавляется к 4-битовому сообщению
Способность корректировать одиночные ошибочные биты приводит к снижению себестоимости передачи, которая получается меньше, чем в случае отправки сообщения дважды целиком. (Напомним, что, просто отправив сообщение дважды коррекция ошибок не выполняется.) К тому же, при увеличении размера кодового слова, дополнительная нагрузка исправления ошибочных битов уменьшается. Например, одним из возможных вариантов кода Хэмминга для передачи по морским подводным оптоволоконным системам является код (18880, 18865). Это означает, что кодовое слово 18880 в действительности содержит 18,865 бит данных и 15 бит коррекции ошибок. Более надежные методы прямой коррекции ошибок (FEC) могут содержать гораздо больше битов коррекции ошибок, так что несколько ошибочных битов могут быть обнаружены и исправлены в каждом кодовом слове.
Существует метод прямой коррекции ошибок (FEC), аналогичный коду Хемминга. Как правило, в системах с оптической несущей ОС-192, накладывается около 7% дополнительной нагрузки на систему за счёт процесса коррекции ошибок (FEC). Допустим, базовая скорость передачи данных 10 Гбит/с, с учётом дополнительной нагрузки будет увеличена до 10,7 Гбит/с. Таким образом, с каждой 1000 бит передаваемых данных, отправляется ещё 70 бит коррекции ошибок, чтобы позволить провести проверку целостности полученных данных и исправить ошибки, которые могут возникнуть при передаче по оптическому каналу связи. На рисунке 4 показано влияние прямой коррекции (FEC) на системный коэффициент ошибочных битов (BER). Этот коэффициент является показателем числа ошибок в битах, деленное на общее число переданных битов в исследуемом временном интервале. BER 10-3 означает, что один из каждых 1000 бит будет передан некорректно. Синий график наглядно отображает количество передаваемых данных, если система не имеет FEC. Входной коэффициент BER (input BER) – это показатель ошибок, возникающих в канале передачи. Пока в системе отсутствует FEC, любые ошибки, которые происходят во время передачи появляются на выходе системы. Фиолетовый график показывает, что может произойти, если в системе используется FEC. В отсутствии FEC в системе входной коэффициент BER 10-6 даст аналогичное значение выходного BER 10-6, а в случае использования данной технологии происходит значительное улучшение выходной величины BER 10-14 (output BER).
Таким образом, интеграция прямой коррекции ошибок в систему позволяет разработчику увеличивать расстояние и скорости передачи данных значительнее, чем при использовании любой другой технологии, а также увеличит срок службы системы.
Forward Error Correction (FEC) is a technique used to minimize errors in data transmission over communication channels. In real-time multimedia transmission, re-transmission of corrupted and lost packets is not useful because it creates an unacceptable delay in reproducing : one needs to wait until the lost or corrupted packet is resent. Thus, there must be some technique which could correct the error or reproduce the packet immediately and give the receiver the ability to correct errors without needing a reverse channel to request re-transmission of data. There are various FEC techniques designed for this purpose.
These are as follows :
1. Using Hamming Distance :
For error correction, the minimum hamming distance required to correct t errors is:
For example, if 20 errors are to be corrected then the minimum hamming distance has to be 2*20+1= 41 bits. This means, lots of redundant bits need to be sent with the data. This technique is very rarely used as we have large amount of data to be sent over the networks, and such a high redundancy cannot be afforded most of the time.
2. Using XOR :
The exclusive OR technique is quite useful as the data items can be recreated by this technique. The XOR property is used as follows –
If the XOR property is applied on N data items, we can recreate any of the data items P1 to PN by exclusive-Oring all of the items, replacing the one to be created by the result of the previous operation(R). In this technique, a packet is divided into N chunks, and then the exclusive OR of all the chunks is created and then, N+1 chunks are sent. If any chunk is lost or corrupted, it can be recreated at the receiver side.
Practically, if N=4, it means that 25 percent extra data has to be sent and the data can be corrected if only one out of the four chunks is lost.
3. Chunk Interleaving :
In this technique, each data packet is divided into chunks. The data is then created chunk by chunk(horizontally) but the chunks are combined into packets vertically. This is done because by doing so, each packet sent carries a chunk from several original packets. If the packet is lost, we miss only one chunk in each packet, which is normally acceptable in multimedia communication. Some small chunks are allowed to be missing at the receiver. One chunk can be afforded to be missing in each packet as all the chunks from the same packet cannot be allowed to miss.
Forward Error Correction (FEC) is a technique used to minimize errors in data transmission over communication channels. In real-time multimedia transmission, re-transmission of corrupted and lost packets is not useful because it creates an unacceptable delay in reproducing : one needs to wait until the lost or corrupted packet is resent. Thus, there must be some technique which could correct the error or reproduce the packet immediately and give the receiver the ability to correct errors without needing a reverse channel to request re-transmission of data. There are various FEC techniques designed for this purpose.
These are as follows :
1. Using Hamming Distance :
For error correction, the minimum hamming distance required to correct t errors is:
For example, if 20 errors are to be corrected then the minimum hamming distance has to be 2*20+1= 41 bits. This means, lots of redundant bits need to be sent with the data. This technique is very rarely used as we have large amount of data to be sent over the networks, and such a high redundancy cannot be afforded most of the time.
2. Using XOR :
The exclusive OR technique is quite useful as the data items can be recreated by this technique. The XOR property is used as follows –
If the XOR property is applied on N data items, we can recreate any of the data items P1 to PN by exclusive-Oring all of the items, replacing the one to be created by the result of the previous operation(R). In this technique, a packet is divided into N chunks, and then the exclusive OR of all the chunks is created and then, N+1 chunks are sent. If any chunk is lost or corrupted, it can be recreated at the receiver side.
Practically, if N=4, it means that 25 percent extra data has to be sent and the data can be corrected if only one out of the four chunks is lost.
3. Chunk Interleaving :
In this technique, each data packet is divided into chunks. The data is then created chunk by chunk(horizontally) but the chunks are combined into packets vertically. This is done because by doing so, each packet sent carries a chunk from several original packets. If the packet is lost, we miss only one chunk in each packet, which is normally acceptable in multimedia communication. Some small chunks are allowed to be missing at the receiver. One chunk can be afforded to be missing in each packet as all the chunks from the same packet cannot be allowed to miss.
|
|
Прямая коррекция ошибок (англ. Forward Error Correction, FEC, помехоустойчивое кодирование) — техника кодирования/декодирования, позволяющая исправлять ошибки методом упреждения. Применяется для исправления сбоев и ошибок при передаче данных, путём передачи избыточной служебной информации, на основе которой может быть восстановлена первоначальное содержание посылки. На практике широко используется в компьютерных ЛВС, LAN и различных телекоммуникационных сетях. Коды, обеспечивающие прямую коррекцию ошибок, требуют введения большей избыточности в передаваемые данные, чем коды, которые только обнаруживают ошибки.
В спутниковом телевидении при передаче цифрового сигнала, к примеру, с FEC 7/8, будет передаваться восемь бита информации: 7 бит полезной информации и 1 контрольный бит.[1]
На практике в DVB-S используется всего 5 видов:
- 1/2
- 2/3
- 3/4 (наиболее популярен)
- 5/6
- 7/8
При прочих равных условиях, можно утверждать, что чем выше значение FEC, тем меньше пакетов допустимо потерять, и, следовательно, выше требуемое качество сигнала.
См. также
- ECC
Литература
- Clark, George C., Jr., and J. Bibb Cain. Error-Correction Coding for Digital Communications. New York: Plenum Press, 1981. ISBN 0-306-40615-2.
- Lin, Shu, and Daniel J. Costello, Jr. «Error Control Coding: Fundamentals and Applications». Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1983. ISBN 0-13-283796-X.
- Mackenzie, Dana. «Communication speed nears terminal velocity». New Scientist 187.2507 (9 июля 2005): 38-41. ISSN 0262-4079.
- Wicker, Stephen B. Error Control Systems for Digital Communication and Storage. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1995. ISBN 0-13-200809-2.
- Wilson, Stephen G. Digital Modulation and Coding, Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1996. ISBN 0-13-210071-1.
- United States Patent 6041001 «Method of increasing data reliability of a flash memory device without compromising compatibility»
- United States Patent 7187583 «Method for reducing data error when flash memory storage device using copy back command»
Примечания
- ↑ Understanding Digital Television: An Introduction to Dvb Systems With … — Lars-Ingemar Lundström — Google Книги
Ссылки
- Forward Error-Correction Coding. Статья в журнале Aerospace Corporation. The Aerospace Corporation (Volume 3, Number 1 (Winter 2001/2002)). Архивировано из первоисточника 25 февраля 2012. Проверено 24 мая 2009. (англ.)
- How Forward Error-Correcting Codes Work. Еще одна статья в журнале Aerospace Corporation. The Aerospace Corporation. Архивировано из первоисточника 25 февраля 2012. Проверено 24 мая 2009. (англ.)
- Morelos-Zaragoza, Robert The Error Correcting Codes (ECC) Page (2004). Архивировано из первоисточника 25 февраля 2012. Проверено 24 мая 2009. (англ.)
-
Методы коррекции ошибок
Техника
кодирования,
которая
позволяет
приемнику
не только
понять,
что
присланные
данные
содержат
ошибки, но
и исправить
их, называется
прямой
коррекцией
ошибок (Forward Error Correction, FEC).
Коды,
которые
обеспечивают
прямую
коррекцию
ошибок,
требуют
введения
большей
избыточности
в
передаваемые
данные,
чем
коды,
которые
только
обнаруживают
ошибки.
При
применении
любого
избыточного
кода не
все
комбинации
кодов являются разрешенными.
Например,
контроль по паритету
делает
разрешенными
только
половину кодов. Если мы
контролируем
три
информационных
бита,
то разрешенными 4-битными кодами
с дополнением
до нечетного
количества
единиц
будут:
000
1,
001
0,
010
0,
011
1,
100
0,
101
1,
110
1,
111
0,
то
есть
всего
8
кодов
из
16
возможных.
Для
того
чтобы
оценить
количество
дополнительных
битов,
требуемых
для
исправления
ошибок,
нужно
знать так
называемое
расстояние
Хемминга
между
разрешенными
комбинациями
кода.
Расстоянием
Хемминга
называется
минимальное
число
битовых
разрядов,
в
которых
отличается
любая
пара
разрешенных
кодов.
Для схем
контроля
по паритету
расстояние
Хемминга
равно
2.
Можно
доказать,
что
если мы
сконструировали
избыточный
код
с
расстоянием
Хемминга,
равным
n,
то
такой
код
будет
в
состоянии
распознавать
(n-
1)-кратные
ошибки и
исправлять (n-1)/2-кратные
ошибки.
Так
как коды
с
контролем
по паритету
имеют
расстояние
Хемминга,
равное
2,
то
они
могут
только
обнаруживать
однократные
ошибки и
не могут
исправлять
ошибки.
Коды
Хемминга
эффективно
обнаруживают
и
исправляют
изолированные
ошибки,
то есть отдельные
искаженные
биты,
которые
разделены
большим
количеством
корректных битов. Однако при появлении
длинной последовательности искаженных
битов (пульсации
ошибок)
коды Хемминга
не
работают.
Наиболее
часто
в современных
системах
связи применяется тип кодирования,
реализуемый
сверточным
кодирующим
устройством
(Сonvolutional
coder),
потому
что такое
кодирование
может быть
довольно
просто
реализовано
аппаратно
с
использованием
линий задержки
(delay)
и сумматоров.
В
отличие
от
рассмотренного
выше
кода,
который относится
к
блочным
кодам
без памяти,
сверточпый
код
относится
к
кодам
с
конечной
памятью (Finite memory
code);
это
означает,
что выходная
последовательность кодера является
функцией
не только
текущего
входного
сигнала,
но также
нескольких
из числа
последних предшествующих
битов.
Длина
кодового
ограничения
(Constraint
length of a code) показывает,
как
много
выходных
элементов
выходит
из системы
в пересчете
на
один
входной.
Коды
часто
характеризуются
их
эффективной
степенью
(или
коэффициентом)
кодирования (Code rate).
Вам
может встретиться
сверточный
код с коэффициентом кодирования
1/2.
Этот
коэффициент
указывает,
что
на
каждый
входной
бит
приходятся
два
выходных.
При
сравнении
кодов
обращайте
внимание
на
то,
что,
хотя
коды
с
более
высокой
эффективной
степенью
кодирования
позволяют
передавать
данные
с более высокой
скоростью,
они
соответственно
более
чувствительны
к
шуму.
В беспроводных
системах
с блочными
кодами
широко
используется
метод
чередования
блоков.
Преимущество
чередования
состоит
в том,
что приемник
распределяет
пакет ошибок, исказивший некоторую
последовательность
битов, по большому
числу
блоков,
благодаря
чему
становится
возможным
исправление
ошибок.
Чередование
выполняется
с
помощью
чтения
и
записи
данных
в
различном
порядке.
Если
во
время
передачи
пакет
помех
воздействует
на
некоторую
последовательность
битов,
то все
эти
биты
оказываются
разнесенными
по
различным
блокам.
Следовательно,
от
любой
контрольной
последовательности
требуется
возможность
исправления
лишь
небольшой
части
от
общего
количества
инвертированных
битов.
Соседние файлы в папке Методические материалы
- #
- #
- #
- #
16.03.2016785.94 Кб14305 — Презентации лекций(Беспроводные технологии)_часть 2.1.1_СОС.ppsx
- #
16.03.2016842.38 Кб11305 — Презентации лекций(Беспроводные технологии)_часть 2.1.2_СОС.ppsx
- #
16.03.2016244.08 Кб9805 — Презентации лекций(Беспроводные технологии)_часть 2.1.3_СОС.ppsx
- #
16.03.2016237.31 Кб8905 — Презентации лекций(Беспроводные технологии)_часть 2.2.1_СОС.ppsx
- #
16.03.2016297.49 Кб8905 — Презентации лекций(Беспроводные технологии)_часть 2.2.2_СОС.ppsx
Контроль ошибок — комплекс методов обнаружения и исправления ошибок в данных (b) при их записи и воспроизведении или передаче по линиям связи.
Контроль целостности данных и исправление ошибок — важные задачи на многих уровнях работы с информацией (в частности, физическом (b) , канальном (b) , транспортном (b) уровнях сетевой модели OSI (b) ) в связи с тем, что в процессе хранения данных и передачи информации по сетям связи неизбежно возникают ошибки. Различные области применения контроля ошибок диктуют различные требования к используемым стратегиям и кодам.
В системах связи возможны несколько стратегий борьбы с ошибками:
- обнаружение ошибок в блоках данных и автоматический запрос повторной передачи[⇨] повреждённых блоков — этот подход применяется, в основном, на канальном и транспортном уровнях;
- обнаружение ошибок в блоках данных и отбрасывание повреждённых блоков — такой подход иногда применяется в системах потокового мультимедиа, где важна задержка передачи и нет времени на повторную передачу;
- упреждающая коррекция ошибок добавляет к передаваемой информации такие дополнительные данные, которые позволяют исправить ошибки без дополнительного запроса.
В контроле ошибок, как правило, используется помехоустойчивое кодирование (b) — кодирование данных при записи или передаче и декодирование (b) при считывании или получении при помощи корректирующих кодов (b) , которые и позволяют обнаружить и, возможно, исправить ошибки в данных. Алгоритмы помехоустойчивого кодирования в различных приложениях могут быть реализованы как программно, так и аппаратно.
Современное развитие корректирующих кодов (b) приписывают Ричарду Хэммингу (b) с 1947 года (b) [1]. Описание кода Хэмминга (b) появилось в статье Клода Шеннона (b) «Математическая теория связи (b) »[2] и было обобщено Марселем Голеем (b) [3].
Стратегии исправления ошибок
Упреждающая коррекция ошибок
Упреждающая коррекция ошибок (также прямая коррекция ошибок, англ. (b) Forward Error Correction, FEC) — техника помехоустойчивого кодирования и декодирования (b) , позволяющая исправлять ошибки методом упреждения. Применяется для исправления сбоев и ошибок при передаче данных путём передачи избыточной служебной информации, на основе которой может быть восстановлено первоначальное содержание. На практике широко используется в сетях передачи данных (b) , телекоммуникационных технологиях. Коды, обеспечивающие прямую коррекцию ошибок, требуют введения большей избыточности в передаваемые данные, чем коды, которые только обнаруживают ошибки.
Например, в спутниковом телевидении (b) при передаче цифрового сигнала с FEC 7/8 передаётся восемь бит информации: 7 бит полезной информации и 1 контрольный бит[4]; в DVB-S (b) используется всего 5 видов: 1/2, 2/3, 3/4 (наиболее популярен), 5/6 и 7/8. При прочих равных условиях, можно утверждать, что чем ниже значение FEC, тем меньше пакетов допустимо потерять, и, следовательно, выше требуемое качество сигнала.
Техника прямой коррекции ошибок широко применяется в различных устройствах хранения данных — жёстких дисках, флеш-памяти, оперативной памяти. В частности, в серверных приложениях применяется ECC-память (b) — оперативная память, способная распознавать и исправлять спонтанно возникшие ошибки.
Автоматический запрос повторной передачи
Системы с автоматическим запросом повторной передачи (b) (англ. (b) Automatic Repeat Request, ARQ) основаны на технологии обнаружения ошибок. Распространены следующие методы автоматического запроса:
Идея запроса ARQ с остановками (англ. (b) stop-and-wait ARQ) заключается в том, что передатчик ожидает от приемника подтверждения успешного приема предыдущего блока данных перед тем, как начать передачу следующего. В случае, если блок данных был принят с ошибкой, приемник передает отрицательное подтверждение (negative acknowledgement, NAK), и передатчик повторяет передачу блока. Данный метод подходит для полудуплексного (b) канала связи. Его недостатком является низкая скорость из-за высоких накладных расходов на ожидание.
Для метода непрерывного запроса ARQ с возвратом (continuous ARQ with pullback) необходим полнодуплексный (b) канал. Передача данных от передатчика к приемнику производится одновременно. В случае ошибки передача возобновляется, начиная с ошибочного блока (то есть передается ошибочный блок и все последующие).
При использовании метода непрерывного запроса ARQ с выборочным повторении (continuous ARQ with selective repeat) осуществляется передача только ошибочно принятых блоков данных.
Сетевое кодирование
Раздел теории информации (b) , изучающий вопрос оптимизации передачи данных по сети с использованием техник изменения пакетов данных на промежуточных узлах называют сетевым кодированием (b) . Для объяснения принципов сетевого кодирования используют пример сети «бабочка», предложенной в первой работе по сетевому кодированию «Network information flow»[5]. В отличие от статического сетевого кодирования, когда получателю известны все манипуляции, производимые с пакетом, также рассматривается вопрос о случайном сетевом кодировании, когда данная информация неизвестна. Авторство первых работ по данной тематике принадлежит Кёттеру, Кшишангу и Силве[6]. Также данный подход называют сетевым кодированием со случайными коэффициентами — когда коэффициенты, под которыми начальные пакеты, передаваемые источником, войдут в результирующие пакеты, принимаемые получателем, с неизвестными коэффициентами, которые могут зависеть от текущей структуры сети и даже от случайных решений, принимаемых на промежуточных узлах. Для неслучайного сетевого кодирования можно использовать стандартные способы защиты от помех и искажений, используемых для простой передачи информации по сети.
Энергетический выигрыш
При передаче информации по каналу связи вероятность ошибки зависит от отношения сигнал/шум (b) на входе демодулятора, таким образом, при постоянном уровне шума решающее значение имеет мощность передатчика. В системах спутниковой и мобильной, а также других типов связи остро стоит вопрос экономии энергии. Кроме того, в определённых системах связи (например, телефонной) неограниченно повышать мощность сигнала не дают технические ограничения.
Поскольку помехоустойчивое кодирование позволяет исправлять ошибки, при его применении мощность передатчика можно снизить, оставляя скорость передачи информации неизменной. Энергетический выигрыш определяется как разница отношений с/ш при наличии и отсутствии кодирования.
Примечания
- ↑ Thompson, Thomas M. (1983), From Error-Correcting Codes through Sphere Packings to Simple Groups, The Carus Mathematical Monographs (#21), The Mathematical Association of America, с. vii, ISBN 0-88385-023-0
- ↑ Shannon, C.E. (1948), A Mathematical Theory of Communication, Bell System Technical Journal (p. 418) Т. 27 (3): 379–423, PMID 9230594, DOI 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01338.x
- ↑ Golay, Marcel J. E. (1949), Notes on Digital Coding, Proc.I.R.E. (I.E.E.E.) (p. 657) Т. 37
- ↑ Understanding Digital Television: An Introduction to Dvb Systems With … — Lars-Ingemar Lundström — Google Книги. Дата обращения: 19 мая 2020. Архивировано 11 ноября 2021 года.
- ↑ Ahlswede, R.; Ning Cai; Li, S.-Y.R.; Yeung, R.W., «Network information flow», Information Theory, IEEE Transactions on, vol.46, no.4, pp.1204-1216, Jul 2000
- ↑ Статьи:
- Koetter R., Kschischang F.R. Coding for errors and erasures in random network coding// IEEE International Symposium on Information Theory. Proc.ISIT-07.-2007.- P. 791—795.
- Silva D., Kschischang F.R. Using rank-metric codes for error correction in random network coding // IEEE International Symposium on Information Theory. Proc. ISIT-07. — 2007.
- Koetter R., Kschischang F.R. Coding for errors and erasures in random network coding // IEEE Transactions on Information Theory. — 2008- V. IT-54, N.8. — P. 3579-3591.
- Silva D., Kschischang F.R., Koetter R. A Rank-Metric Approach to Error Control in Random Network Coding // IEEE Transactions on Information Theory.- 2008- V. IT-54, N. 9.- P.3951-3967.
Литература
 |
Имеется викиучебник (b) по теме «Помехоустойчивое кодирование» |
|---|
- Блейхут Р. (b) Теория и практика кодов, контролирующих ошибки = Theory and Practice of Error Control Codes. — М.: Мир (b) , 1986. — 576 с.
- Мак-Вильямс Ф. Дж., Слоэн Н. Дж. А. Теория кодов, исправляющих ошибки. М.: Радио и связь, 1979.
- Морелос-Сарагоса Р. (b) Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение / пер. с англ. В. Б. Афанасьева (b) . — М.: Техносфера, 2006. — 320 с. — (Мир связи). — 2000 экз. — ISBN 5-94836-035-0.
- Clark, George C., Jr., and J. Bibb Cain. Error-Correction Coding for Digital Communications. New York: Plenum Press, 1981. ISBN 0-306-40615-2.
- Lin, Shu, and Daniel J. Costello, Jr. «Error Control Coding: Fundamentals and Applications». Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1983. ISBN 0-13-283796-X.
- Mackenzie, Dana. «Communication speed nears terminal velocity». New Scientist 187.2507 (9 июля (b) 2005 (b) ): 38-41. ISSN 0262-4079.
- Wicker, Stephen B. Error Control Systems for Digital Communication and Storage. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1995. ISBN 0-13-200809-2.
- Wilson, Stephen G. Digital Modulation and Coding, Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1996. ISBN 0-13-210071-1.
Ссылки
- Charles Wang, Dean Sklar, and Diana Johnson. Forward Error-Correction Coding. The Aerospace Corporation. — Volume 3, Number 1 (Winter 2001/2002). Дата обращения: 24 мая 2009. Архивировано из оригинала 20 февраля 2005 года. (англ.)
- Charles Wang, Dean Sklar, and Diana Johnson. How Forward Error-Correcting Codes Work (недоступная ссылка — история). The Aerospace Corporation. Дата обращения: 24 мая 2009. Архивировано 25 февраля 2012 года. (англ.)
- Morelos-Zaragoza, Robert The Error Correcting Codes (ECC) Page (недоступная ссылка — история) (2004). Дата обращения: 24 мая 2009. Архивировано 25 февраля 2012 года. (англ.)
Прямая коррекция ошибок
Пряма́я корре́кция оши́бок (англ. Forward Error Correction, FEC, помехоустойчивое кодирование) — техника кодирования/декодирования, позволяющая исправлять ошибки методом упреждения. Применяется для исправления сбоев и ошибок при передаче данных путём передачи избыточной служебной информации, на основе которой может быть восстановлена первоначальное содержание посылки. На практике широко используется в компьютерных ЛВС, LAN и различных телекоммуникационных сетях. Коды, обеспечивающие прямую коррекцию ошибок, требуют введения большей избыточности в передаваемые данные, чем коды, которые только обнаруживают ошибки.
В спутниковом телевидении при передаче цифрового сигнала, к примеру, с FEC 7/8, будет передаваться восемь бит информации: 7 бит полезной информации и 1 контрольный бит[1].
На практике в DVB-S используется всего 5 видов:
- 1/2
- 2/3
- 3/4 (наиболее популярен)
- 5/6
- 7/8
При прочих равных условиях, можно утверждать, что чем ниже значение FEC, тем меньше пакетов допустимо потерять, и, следовательно, выше требуемое качество сигнала.
См. также
- ECC
- Код Хемминга
- Код Рида-Соломона
- Циклический код
- Помехоустойчивое кодирование
- Избыточность информации
Литература
- Clark, George C., Jr., and J. Bibb Cain. Error-Correction Coding for Digital Communications. New York: Plenum Press, 1981. ISBN 0-306-40615-2.
- Lin, Shu, and Daniel J. Costello, Jr. «Error Control Coding: Fundamentals and Applications». Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1983. ISBN 0-13-283796-X.
- Mackenzie, Dana. «Communication speed nears terminal velocity». New Scientist 187.2507 (9 июля 2005): 38-41. ISSN 0262-4079.
- Wicker, Stephen B. Error Control Systems for Digital Communication and Storage. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1995. ISBN 0-13-200809-2.
- Wilson, Stephen G. Digital Modulation and Coding, Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1996. ISBN 0-13-210071-1.
- United States Patent 6041001 «Method of increasing data reliability of a flash memory device without compromising compatibility»
- United States Patent 7187583 «Method for reducing data error when flash memory storage device using copy back command»
Примечания
- ↑ Understanding Digital Television: An Introduction to Dvb Systems With … — Lars-Ingemar Lundström — Google Книги
Ссылки
- Forward Error-Correction Coding. Статья в журнале Aerospace Corporation. The Aerospace Corporation (Volume 3, Number 1 (Winter 2001/2002)). Проверено 24 мая 2009. Архивировано 25 февраля 2012 года. (англ.)
- How Forward Error-Correcting Codes Work. Еще одна статья в журнале Aerospace Corporation. The Aerospace Corporation. Проверено 24 мая 2009. Архивировано 25 февраля 2012 года. (англ.)
- Morelos-Zaragoza, Robert The Error Correcting Codes (ECC) Page (2004). Проверено 24 мая 2009. Архивировано 25 февраля 2012 года. (англ.)
Поскольку требования к полосе пропускания увеличиваются, а допуск на ошибки и задержку уменьшаются, разработчики систем передачи данных искали новые способы расширения доступной полосы пропускания и повышения качества передачи. Одно из решений на самом деле не ново, но оказалось весьма полезным. Это называется прямым исправлением ошибок (FEC), в течение многих лет этот метод использовался для обеспечения эффективной высококачественной передачи данных по шумным каналам. Сегодня с увеличением пропускной способности передачи данных и увеличением расстояния, давайте узнаем больше о методике FEC в оптических сетях.
Что такое FEC?
Прямая коррекция ошибок (FEC) — это метод цифровой обработки сигналов, используемый для повышения надежности данных. Это делается путем введения избыточных данных, называемых кодом с исправлением ошибок, перед передачей или хранением данных. FEC предоставляет приемнику возможность исправления ошибок без обратного канала для запроса повторной передачи данных. Как мы знаем, иногда оптические сигналы могут ухудшаться из-за некоторых факторов во время передачи, что может привести к неправильной оценке на стороне приемника, возможно, принятию сигнала «1» за сигнал «0» или сигнала «0» за сигнал «1». Если количество ошибок при передаче находится в пределах корректирующей способности (прерывистые ошибки), канальный декодер обнаружит и исправит ложные “0” или “1” для улучшения качества сигнала.
Рисунок 1. Принцип работы FEC
Развитие прямого исправления ошибок в оптической связи можно разделить на три поколения. FEC первого поколения представляет собой первое, которое будет успешно использоваться в подводных системах и наземных системах. По мере развития систем WDM в коммерческих системах был установлен более мощный FEC второго поколения. Появление FEC третьего поколения открыло новые перспективы для следующего поколения систем оптической связи.
Каковы типы и особенности FEC?
Типы
В настоящее время практические технологии FEC для SDH (синхронная цифровая иерархия) и DWDM (плотное мультиплексирование с разделением по длине волны) в основном следующие:
In-band FEC. In-band FEC поддерживается стандартом ITU-T G.707. Контролируемые символы кода FEC загружаются с использованием части служебных байтов в кадре SDH. Усиление кодирования невелико (3-4 дБ).Внеполосный FEC. Внеполосный FEC поддерживается стандартом ITU-T G.975/709.
Out-of-band FEC обладает большой избыточностью кодирования, возможностью исправления ошибок, высокой гибкостью и высоким коэффициентом усиления кодирования (5-6 дБ).
Enhanced FEC (EFEC). Enhanced FEC в основном используется в системах оптической связи, где требования к задержке не являются строгими, а требования по усилению кодирования особенно высоки. Хотя процесс кодирования и декодирования EFEC является более сложным и менее применимым в настоящее время, благодаря его преимуществам в производительности, он превратится в практическую технологию и станет основным направлением следующего поколения out-of-band FEC.
Характеристики
FEC уменьшает количество ошибок передачи, расширяет рабочий диапазон и снижает требования к питанию для систем связи. FEC также увеличивает эффективную пропускную способность системы, даже с дополнительными контрольными битами, добавленными к битам данных, устраняя необходимость повторной передачи данных, искаженных случайным шумом.
FEC самостоятельно повышает достоверность данных на приемнике. В рамках системного контекста FEC становится технологией, которую разработчик системы может использовать несколькими способами. Наиболее очевидным преимуществом использования FEC является использование систем с ограниченной мощностью. Однако посредством использования сигнализации более высокого порядка ограничения полосы пропускания также могут быть устранены. Во многих беспроводных системах допустимая мощность передатчика ограничена. Эти ограничения могут быть вызваны соблюдением стандарта или практическими соображениями. FEC позволяет передавать с гораздо более высокими скоростями передачи данных, если доступна дополнительная полоса пропускания.
Применение FEC в 100G сетях
В контексте оптоволоконных сетей FEC используется для определения оптического SNR (OSNR) — одного из ключевых параметров, определяющих, как далеко может пройти длина волны, прежде чем она нуждается в регенерации. FEC особенно важен при скоростях высокоскоростной передачи данных, где требуются усовершенствованные схемы модуляции, чтобы минимизировать дисперсию и соответствие сигнала с частотной сеткой. Без включения FEC транспорт 100G был бы ограничен чрезвычайно короткими расстояниями. Для реализации передачи на большие расстояния (> 2500 км) усиление системы должно быть дополнительно улучшено примерно на 2 дБ. Переход FEC с жесткого решения на мягкое решение восполняет этот пробел в производительности.
Поскольку стремление к все более высоким скоростям передачи продолжается, схемы прямого исправления ошибок (SD-FEC) становятся все более популярными. Хотя для этого может потребоваться около 20% байтов — почти в три раза больше, чем в исходной схеме кодирования RS — выгоды, которые они получают в контексте высокоскоростных сетей, значительны. Например, FEC, который приводит к усилению от 1 до 2 дБ в сети 100G, означает увеличение охвата на 20-40%.
Замечания для FEC в сетях 100G
Что следует учитывать при настройке FEC в 100G сетях? Предлагается обратить внимание на следующие советы.
Метод реализации
Некоторые специальные модули имеют свои собственные функции FEC, такие как FS 100G CFP конвертеры интерфейсов. В то время как 100G QSFP28 оптический модуль в основном полагается на конфигурацию функции FEC на устройстве для реализации исправления ошибок, таких как 100G коммутаторы.
Поддерживает ли коммутатор FEC
Конфигурирование FEC на 100G коммутаторах может быть достигнуто только в том случае, если коммутатор поддерживает его, и не все коммутаторы поддерживают это. В то время как все 100G коммутаторы поддерживают FEC, предоставляемые FS.
| Тип коммутатора | Тип порта | Поддержка FEC или нет |
| S5850-48S2Q4C | 48*10Gb, 2*40Gb, 4*100Gb | Да (для оба 40Gb и 100Gb порты) |
| S8050-20Q4C | 20*40Gb, 4*100Gb | Да (для оба 40Gb и 100Gb порты) |
| N8500-48B6C | 40*25Gb, 6*100Gb | Да (для оба 25Gb и 100Gb порты) |
| N8500-32C | 32*100Gb | Да |
Таблица 1. Технические характеристики FS 100G коммутаторов
Внимание: для FS 100G коммутаторов функция FEC включена по умолчанию. Если требуется включить его после выключения, можно настроить команду FEC.
Включить ли FEC на QSFP28 100G модулях
Функция FEC — это не просто преимущество, процесс исправления кода ошибки неизбежно приведет к некоторой задержке пакета данных. Поэтому не все QSFP28 100G модули нуждаются в этом. Согласно стандартному протоколу IEEE не рекомендуется включать FEC при использовании QSFP28-LR4-100G модулей, за исключением того, что рекомендуется включать его. Поскольку технология QSFP28 100G модулей варьируется от компании к компании, поэтому ситуация не совсем одинакова. В следующей таблице объясняется, рекомендуется ли включать FEC при использовании FS 100G QSFP28 модулей.
| Тип модуля | Описание | с FEC |
| QSFP28-SR4-100G | 850nm 100m MTP/MPO Модуль для SMF | Нет |
| QSFP28-LR4-100G | 1310nm 10km Модуль для SMF | Нет |
| QSFP28-PIR4-100G | 1310nm 500m Модуль для SMF | Нет |
| QSFP28-IR4-100G | 1310nm 2km Модуль для SMF | Да |
| QSFP28-EIR4-100G | 1310nm 10km Модуль для SMF | Да |
| QSFP28-ER4-100G | 1310nm 40km Модуль для SMF | Да |
Таблица 2. Технические характеристики FS 100G QSFP28 модулей
Согласованность функций FEC на обоих концах канала
Функция FEC порта является частью автосогласования. Когда автоматическое согласование порта включено, функция FEC определяется согласованием на обоих концах канала. Если функция FEC включена на одном конце, другой конец должен также включить ее, в противном случае порт не работает.
Стекирование & FEC
Настройка команды FEC не поддерживается, если порт уже настроен как физически стековый порт.Наоборот, порты, которые были настроены с помощью команд FEC, не поддерживают настройку в качестве физического стекового члена.
Заключение
FEC стал критически важной в волоконно-оптической связи, так как магистральные сети увеличиваются в скорости до 40 и 100G, особенно в условиях плохой связи оптического сигнала с шумом. Такие среды становятся более распространенными в высокоскоростных средах, поскольку в сетях используется больше оптических усилителей. Со всеми этими событиями, FEC будет продолжать играть роль в будущих сетях. Для обеспечения нормальной работы сети рекомендуется обратить особое внимание на функцию FEC на оптических модулях, которая поможет вам повысить производительность при передаче данных.
Прямая коррекция ошибок (FEC)
Прямая коррекция ошибок (англ. Forward Error Correction, или сокр.: FEC) – мощный метод для улучшения производительности подверженных ошибкам каналов, используемый в системах связи. Производительность FEC может быть оценена на основе их расстояния от предела Шеннона.
VersaFEC®
VersaFEC – короткоблочная система с низкой задержкой на основе Low Density Parity Check (LDPC) кода, разработанная для поддержки чувствительных к скорости отклика приложений, таких, как сотовый обратный сигнал к спутнику, и обеспечения кодирования при минимальной сквозной задержке. VersaFEC обеспечивает превосходную альтернативу существующим LDPC и DVB-S2 система.
Технология VersaFEC разработана:
- Для обеспечения широкого выбора модуляции и кодовых комбинаций (ModCods). Эти новые комбинации обеспечивают кодирование, эквивалентное уже существующим LDPC и при этом значительно уменьшают задержку. Существующие LDPC коды (также как DVB-S2 коротко-блочные коды) используют блоки в 16 кбит, тогда как VersaFEC использует блоки в пределах от 2 кбит до 8.2 кбит.
- Для поддержки систем адаптивной модуляции и кодирования (ACM). ModCods были выбраны, для обеспечения непрерывной прогрессии с точки зрения графика функций Eb/No (отношение энергии сигнала, приходящейся на 1 бит принимаемого сообщения (Eb), к энергетической спектральной плотности шума (N0)) и спектральной эффективности, и сокращения задержек почти до теоретических минимумов.
Показатели кодирования VersaFEC
VersaFEC включает 12 настроек модуляции и кодирования (ModCods):
|
Модуляция |
Уровень кода |
Спектральная эффективность,bps/Hz |
Размер блока, bits |
Стандартное Eb/No,для BER = 5 x 10-8 |
Задержка в |
Min. Data Rate, CCM |
Max. Data Rate, CCM |
|
BPSK |
0.488 |
0.49 |
2k |
2.4 dB |
26 |
18 kbps |
5.7 Mbps |
|
QPSK |
0.533 |
1.07 |
4.1k |
2.2 dB |
53 |
20 kbps |
10 Mbps |
|
QPSK |
0.631 |
1.26 |
4.1k |
2.7 dB |
59 |
23 kbps |
10 Mbps |
|
QPSK |
0.706 |
1.41 |
4.1k |
3.4 dB |
62 |
26 kbps |
10 Mbps |
|
QPSK |
0.803 |
1.61 |
4.1k |
3.8 dB |
66 |
28 kbps |
12 Mbps |
|
8-QAM |
0.642 |
1.93 |
6.1k |
4.6 dB |
89 |
35 kbps |
12 Mbps |
|
8-QAM |
0.711 |
2.13 |
6.1k |
5.2 dB |
93 |
39 kbps |
12 Mbps |
|
8-QAM |
0.780 |
2.34 |
6.1k |
5.6 dB |
97 |
43 kbps |
12 Mbps |
|
16-QAM |
0.731 |
2.93 |
8.2k |
6.3 dB |
125 |
53 kbps |
12 Mbps |
|
16-QAM |
0.780 |
3.12 |
8.2k |
7.0 dB |
129 |
57 kbps |
14 Mbps |
|
16-QAM |
0.829 |
3.32 |
8.2k |
7.5 dB |
131 |
60 kbps |
14 Mbps |
|
16-QAM |
0.853 |
3.41 |
8.2k |
8.0 dB |
132 |
62 kbps |
16 Mbps |
Производительность кодов VersaFEC по отношению к пределу Шеннона показана на графике ниже. Для всех ModCods, VersaFEC находится в интервале от 0.7 до 1.0 дБ предела Шеннона. Производительность VersaFEC соответствует производительности DVB-S2 с блоками на 16 кбит.
По сравнению с Turbo Product кодами (TPC) VersaFEC обеспечивает более 1.0 дБ сокращения Eb/No. А как следствие приводит к увеличению пропускной способности и уменьшению размеров BUC/HPA.
Низкая степень задержки
VersaFEC специально предназначен для приложений c низкой задержкой. Для сравнения, уровень LDPC 2/3 8-QAM и Уровень VersaFEC 0.642 8-QAM обеспечивают практически идентичную спектральную эффективность и производительность Eb/No. Однако при 64 Кбит/с, задержка была уменьшена с 350 миллисекунд до 89 миллисекунд.
По сравнению с короткоблочным DVB-S2, VersaFEC обеспечивает значительное сокращение задержки в широком диапазоне. Например, у QPSK DVB-S2 уровня 2/3 и VersaFEC QPSK 0.631 имеют близкую по значению спектральную эффективность и производительность Eb/No. Однако при 64 Кбит/с, задержка VersaFEC составляет 59 мс, по сравнению с более 500 мс для DVB-S2.
В дополнение к тому, что используются блоки меньших размеров VersaFEC использует не чередующиеся систематические коды LDPC. В сравнении с чередующимися кодами DVB-S2, достигается значительного сокращения задержки. Общая сквозная задержка для высокого уровня кодирования систематическим кодом (таким как VersaFEC) асимптотически приближается к половине задержки чередованного кода (такого как DVB-S2).
VersaFEC® зарегистрированный товарный знак Comtech EF Data
VersaFEC-2
Обзор технологии VersaFEC-2
Comtech EF Data спроектировали и выпустили первое поколение систем VersaFEC весной 2007, которая использовалась в усовершенствованном спутниковом модеме CDM-625. Начальная форма сигнала была разработана для обеспечения высокой производительности и уменьшения скорости отклика операций постоянного кодирования и модуляции (CCM) и адаптивного кодирования и модуляции (ACM) на основе LDPC кодирования/декодирования для 5 Msps субканалов. Первое поколение VersaFEC очень быстро получило признание во многих отраслях и стало интегрироваться в решения с каналами передачи данных низкого и среднего уровней, которые требовали разложения сигнала в спектр с низкой задержкой. VersaFEC используется в настоящее время в трёх продуктах Comtech EF Data: модемы CDM-625 / CDM-625A / CDMER-625A, модемы CDM-570A / CDM-570AL и усовершенствованные VSAT платформы.
В то время как уровни производительности VersaFEC устанавливают высокую планку эффективности для каналов низких и средних уровней, рынок требует еще более высокой производительности и лучших результатов с точки зрения экономики. В связи с этим Comtech EF Data разрабатывает форму сигнала VersaFEC-2 и включает эту новую технологию в свой комплект продуктов, чтобы позволить мобильным сетевым операторам и поставщикам услуг продолжать контролировать затраты и постоянно увеличивать уровень обслуживания в соответствии с требованиями конечных пользователей. Цель этой статьи, описать следующее поколение разработки — системы расширенной формы сигнала VersaFEC-2 (VWS) и сравнить её со стандартами DVB-S2 и DVB-S2x вместе с её предшественником, VersaFEC, и выделить преимущества, замеченные при использовании новой технологии.
VersaFEC-2 (LDPC)
Высокоэффективная форма сигнала VersaFEC-2 была разработана для обеспечения оптимальных показателей производительности от 100 Ksps до 12.5 Msps в приложениях. Форма сигнала VersaFEC-2 состоит из 74 новых версий ModCod с новыми вариантами настроек модуляции и кодирования. VersaFEC-2, подобно промышленным стандартам DVB-S2 и DVB-S2x, обеспечивает два операционных режима, длинный блок и короткий блок. Длинноблочный режим предоставляет 38 вариантов ModCod с различными степенями кодирования и спектральной эффективности, большим, чем у DVB-S2 и равным DVB-S2x, а также степень задержки, составляющую до 1/8 от того же показателя, при использовании стандартов DVB-S2 и DVB-S2x. Короткоблочный режим VersaFEC-2 предоставляет 36 вариантов ModCod с лучшей производительностью, чем у зарекомендовавшей себя технологии VersaFEC с подобными или лучшими показателями задержки. Все совокупности высшего порядка в VersaFEC-2 являются цикличными для оптимальной производительности соотношения максимального к среднему значению и, как следствие, делает их менее подверженными падению производительности в нелинейных спутниковых каналах. Кроме того, новая 32-разрядная модуляция была введена для поддержки спектральной эффективности до 4.4 бит/с/Гц. Оба алгоритма CCM и ACM поддерживаются в обоих режимах Long-Block и Short-Block.
VersaFEC-2 (LDPC) vs. DVB-S2
Высокоэффективная форма сигнала VersaFEC-2 обеспечивает значительное преимущество производительности перед промышленным стандартом DVB-S2, а также перед его предшественником, VersaFEC. На рисунке 1 представлено сравнение длинно-блочного режима VersaFEC-2 и длинно-блочного DVB-S2.
Как изображено на рисунке 1, спектральная эффективность VersaFEC-2 выше, чем у стандарта DVB-S2 в наиболее распространенных сценариях (5 дБ-11 дБ сигнал/шум) приложений с низкими и средними скоростями передачи данных и на одном уровне со стандартом DVB-S2 при более высоких значениях показателя сигнал/шум. Увеличенные уровни производительности VersaFEC-2 непосредственно влияют на нижний график вследствие того, что:
- Дополнительная пропускная способность (Мбит/с) может быть задействована без расширения ширины канала.
- Минимальная ширина канала требуется для выбранного уровня пропускной способности (Мбит/с), что приводит к уменьшению потерь и снижению затрат ресурсов в операционной структуре для данной ширины потока.
Для мобильных операторов или поставщиков услуг связи, использование данной технологии даёт значительные преимущества. Для уже существующих сервисов — увеличение производительности в наиболее распространенных режимах работы непосредственно коррелирует увеличение прибыли, предполагая, что прайс-лист для конечного пользователя останется прежним. С другой стороны, измененная экономическая модель, следующая из уменьшения базовой стоимости, открывает новые рынки и области работы для мобильных операторов или поставщика услуг. Комбинация этих двух важных особенностей позволит предоставлять высококлассный уровень сервиса для конечных пользователей.
VersaFEC-2 vs. VersaFEC
На Рис. 2 представлено сравнение VersaFEC-2 с его предшественником, VersaFEC. Как показано на графике, Versa-FEC2 обеспечивает преимущество на 1.7 дБ больше в сравнении с VersaFEC.
Минимизация степени задержки
Ставка компании Comtech EF Data на то, что метод кодирования, который использует постоянное число символов в блоке, превзойдёт программный алгоритм, используемый в стандарте DVB, в котором за блочную единицу взят постоянный бит, была оправдана. Впоследствии, разработанный механизм был успешно интегрирован в VersaFEC, показав превосходные результаты относительно уровня задержки при передаче. Аналогично, VersaFEC-2, используя постоянный символ за блочную единицу, обладает значительными преимуществами в сравнении со стандартами DVB-S2 и DVB-S2x в минимизации степени задержки. Чтобы отметить это различие, в Табл. 1 продемонстрировано сравнение производительности VersaFEC-2 и DVB-S2 или DVB-S2x с точки зрения степени задержки канала на скорости 512 Кбит/с.
|
Форма сигнала |
ModCod |
Скорость передачи |
Задержка |
Преимущества VersaFEC-2 |
|
DVB-S2 or DVB-S2x |
QPSK Rate 0.5 Long Block |
512 Кб/с |
275 мс |
на 85% меньшая степень задержки, чем у DVB-S2 |
|
VersaFEC-2 |
QPSK Rate 0.489 Long Block |
512 Кб/с |
41 мс |
|
|
DVB-S2 or DVB-S2x |
QPSK Rate 0.5 Short Block |
512 Кб/с |
72 мс |
на 91% меньшая степень задержки, чем у DVB-S2 |
|
VersaFEC-2 |
QPSK Rate 0.489 Short Block |
512 Кб/с |
7 мс |
Таблица 1: таблица сравнения степени задержки VersaFEC-2 и DVB-S2/DVB-S2x
Как видно из Таблицы 1, вне зависимости от используемой вариации ModCod, показатель степени задержки VersaFEC-2 меньше чем при использовании стандарта DVB. Высокая степень задержки негативно влияет на показатели системы следующим образом:
- Снижение скорости установления соединения с интерактивными приложениями;
- Сильное сокращение скорости и качества работы приложений
- Возможность неработоспособности приложения.
Кодирующие устройства с технологией VersaFEC, были разработаны с нуля, в соответствии с требованиями базовых приложений. Для мобильных операторов чрезвычайно важно гарантировать, что базовые протоколы передачи для 2G, 3G и 4G сетей будут корректно и быстро функционировать. Допустимые значения степени задержки и джиттера этих протоколов очень низкие, и важно выбрать такое устройство передачи, которое позволило бы этим системам работать должным образом. Citrix и подобные бизнес-приложения чрезвычайно чувствительны к высокой степени задержки. Соединения, обладающие высоким уровень задержки, могут вызвать ненужные повторные передачи, деформацию сигнала в сети и, время от времени, сбои соединения.
Уменьшение времени восстановления полезного сигнала
Подобно преимуществам, обозначенным выше, использование алгоритма, где блочная единица — постоянное число символов, обеспечивает уменьшение времени восстановления полезного сигнала. В Табл. 2 продемонстрированы средние значения времени восстановления полезного сигнала в 1Msps для стандартов DVB-S2/DVB-S2x и VersaFEC-2.
|
Форма сигнала |
ModCod |
Размер блока |
Время восстановления полезного сигнала |
|
DVB-S2 or DVB-S2x |
QPSK Rate 0.5 Long Block |
1 Msps |
> 2 seconds |
|
VersaFEC-2 |
QPSK Rate 0.489 Long Block |
1 Msps |
< 60 msec |
|
DVB-S2 or DVB-S2x |
QPSK Rate 0.5 Short Block |
1 Msps |
> 2 seconds |
|
VersaFEC-2 |
QPSK Rate 0.489 Short Block |
1 Msps |
< 60 msec |
Таблица 2: типичное время восстановления полезного сигнала VersaFEC-2 по сравнению с DVB-S2/DVB-S2x
Время восстановления сигнала очень важно, когда каналы динамично расстраиваются и повторно настраиваются, как бывает при работе с динамическим операциями SCPC (dSCPC). С dSCPC операциями, время восстановления сигнала динамично изменяется для поддержки корректного распределения трафика в сети. Использования VersaFEC в новом проекте – гарант того, что время восстановления будет минимизировано и не ухудшит стабильность работы соединений, для которых существуют строгие требования к степени задержки и джиттеру.
Алгоритм адаптивного кодирования и модуляции (ACM)
Адаптивное Кодирование и Модуляция (ACM) являются методом передачи, в котором модуляция и прямая коррекция ошибок (FEC) происходят на лету, чтобы компенсировать ухудшение передачи на линии связи со спутником. В случае ухудшения связи, выбранная модуляция и кодирование “смещаются вниз”, чтобы позволить данным быть полученными на надлежащем уровне, чтобы гарантировать связь. Демодулятор ACM измеряет мощность полученного сигнала и использует эти данные, чтобы определить, произошло ли изменение в модуляции и гарантированно скорректировать ошибки. Когда в полученном сигнале регистрируются изменения C/N или Es/No, модуляция и кодирование изменяются снова, чтобы максимально удовлетворить требованиям к линии связи. Если уровень полезного сигнала увеличивается – модуляция и кодирование “возрастают” к более агрессивной (и более спектрально эффективный) комбинации. С другой стороны, если происходит дальнейшее ухудшение связи – модуляция и кодирование продолжают “уменьшаться” (вместе со спектральными полезными действиями), пока не достигнут уровня, гарантирующего стабильную связь.
Если технология ACM не используется, как это происходит с Постоянным Кодированием и Модуляцией (CCM), передаваемый блок данных должен быть сформирован для наихудших условий, чтобы гарантировать надлежащую связь. Другими словами, должны использоваться модуляция и кодирование, которые гарантировали бы работу при наиболее неблагоприятных условиях. Это огромный минус метода CCM, приводящий к большим затратам ресурсов.
Неблагоприятные условия окружающей среды, обусловленные природными явлениями, не являются постоянными, и подавляющее количество времени линия использует избыточная пропускная способность, которая в данный момент не является необходимой.
Те линии связи, которые используют ACM, получают следующие преимущества:
- Дополнительная пропускная способность (Мбит/с). Данные могут передаваться по каналу меньшей ширины в течение значительной части времени работы системы, так как ухудшения связи происходят нечасто.
- Уменьшение требуемой ширины канала. Для обеспечения законтрактованной пропускной способности (Мбит/с) требуется более узкий канал, поскольку работа в условиях плохого прохождения сигнала, и, соответственно, использование наименее «агрессивных» алгоритмов модуляции и кодирования будет происходить лишь в небольшие отрезки времени.
По сути, VersaFEC-2 разработан так, чтобы поддерживать различные алгоритмы демодуляции на принимающей стороне, исключив тем самым любые дополнительные издержки, которые могут возникнуть при реализации поддержки алгоритма ACM, являющегося ключевым в максимизации полезного действия линии связи.
Линейка продуктов, предлагаемых Comtech EF Data позволяет произвести многомерную оптимизацию, адаптированную к условиям потребителя. VersaFEC-2 – высокоэффективный метод модуляции и кодирования с низкой степенью задержки, преимущества которого дополнительно увеличиваются благодаря использованию алгоритма ACM. Основанный на большом опыте использования и преимуществах алгоритма VersaFEC, VersaFEC-2 добавляет много новых методов модуляции и кодирования, инновационных новых совокупностей и новых операционных режимов, которые позволяют ему лучше всего поддерживать сотовый сигнал и беспроводные каналы связи для IP-систем. Подобно своему предшественнику, алгоритм VersaFEC-2 может быть использован в обоих направлениях передачи и может быть объединен со сжатием DoubleTalk Carrier-in-Carrier, как например в усовершенствованном спутниковом модеме CDM-625A, чтобы достигнуть беспрецедентного спектрального полезного действия.
|
|
Прямая коррекция ошибок (англ. Forward Error Correction, FEC, помехоустойчивое кодирование) — техника кодирования/декодирования, позволяющая исправлять ошибки методом упреждения. Применяется для исправления сбоев и ошибок при передаче данных, путём передачи избыточной служебной информации, на основе которой может быть восстановлена первоначальное содержание посылки. На практике широко используется в компьютерных ЛВС, LAN и различных телекоммуникационных сетях. Коды, обеспечивающие прямую коррекцию ошибок, требуют введения большей избыточности в передаваемые данные, чем коды, которые только обнаруживают ошибки.
В спутниковом телевидении при передаче цифрового сигнала, к примеру, с FEC 7/8, будет передаваться восемь бита информации: 7 бит полезной информации и 1 контрольный бит.[1]
На практике в DVB-S используется всего 5 видов:
- 1/2
- 2/3
- 3/4 (наиболее популярен)
- 5/6
- 7/8
При прочих равных условиях, можно утверждать, что чем выше значение FEC, тем меньше пакетов допустимо потерять, и, следовательно, выше требуемое качество сигнала.
См. также
- ECC
Литература
- Clark, George C., Jr., and J. Bibb Cain. Error-Correction Coding for Digital Communications. New York: Plenum Press, 1981. ISBN 0-306-40615-2.
- Lin, Shu, and Daniel J. Costello, Jr. «Error Control Coding: Fundamentals and Applications». Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1983. ISBN 0-13-283796-X.
- Mackenzie, Dana. «Communication speed nears terminal velocity». New Scientist 187.2507 (9 июля 2005): 38-41. ISSN 0262-4079.
- Wicker, Stephen B. Error Control Systems for Digital Communication and Storage. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1995. ISBN 0-13-200809-2.
- Wilson, Stephen G. Digital Modulation and Coding, Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1996. ISBN 0-13-210071-1.
- United States Patent 6041001 «Method of increasing data reliability of a flash memory device without compromising compatibility»
- United States Patent 7187583 «Method for reducing data error when flash memory storage device using copy back command»
Примечания
- ↑ Understanding Digital Television: An Introduction to Dvb Systems With … — Lars-Ingemar Lundström — Google Книги
Ссылки
- Forward Error-Correction Coding. Статья в журнале Aerospace Corporation. The Aerospace Corporation (Volume 3, Number 1 (Winter 2001/2002)). Архивировано из первоисточника 25 февраля 2012. Проверено 24 мая 2009. (англ.)
- How Forward Error-Correcting Codes Work. Еще одна статья в журнале Aerospace Corporation. The Aerospace Corporation. Архивировано из первоисточника 25 февраля 2012. Проверено 24 мая 2009. (англ.)
- Morelos-Zaragoza, Robert The Error Correcting Codes (ECC) Page (2004). Архивировано из первоисточника 25 февраля 2012. Проверено 24 мая 2009. (англ.)
FEC (Forward Error Correction), прямая коррекция ошибок, помехоустойчивое кодирование — это параметр, означающий избыточность для возможности контроля ошибок. FEC имеет значения: 1/2, 3/4, 5/6, 7/8. FEC=5/6 означает следующее 5 — несут информацию о ТВ-сигнале, а 6-ой является защитным. Техника кодирования/декодирования, позволяющая исправлять ошибки методом упреждения.
Применяется для исправления сбоев и ошибок при передаче данных, путём передачи избыточной служебной информации, на основе которой может быть восстановлена первоначальное содержание посылки. На практике широко используется в компьютерных ЛВС, LAN и различных телекоммуникационных сетях. Коды, обеспечивающие прямую коррекцию ошибок, требуют введения большей избыточности в передаваемые данные, чем коды, которые только обнаруживают ошибки.
Источники:
zmey.ucoz.org — FEC
ru.wikipedia.org — прямая коррекция ошибок