Foward Error Correction (FEC) é uma técnica desenvolvida para identificar e corrigir uma determinada quantidade de erros em dados transmitidos por meio óptico, sem que as informações precisem ser retransmitidas. Tais erros podem ser interpretados como “ruído” no cotidiano.

O processo de correção interno dessa técnica se dá pelo envio de dados redundantes, juntamente com os dados originais. Esses dados redundantes são chamados de “Error Correction Codes (ECC)” que, por sua vez, são blocos de código desenvolvidos por um determinado algoritmo FEC Foward Error Correction .

É importante ressaltar que a correção das informações só se torna possível por conta da maneira que é feita o “Encoding” dos bits redundantes no momento da transmissão e o “Decoding” dos mesmos no momento da recepção. Vale lembrar que existem vários tipos de FEC e existem também diversos tipos de Encoding e Decoding de informações, cada um com vantagens e desvantagens para suas determinadas aplicações.

O IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers – é o órgão que faz o controle quando se trata de FEC Foward Error Correction por meio do documento IEEE 802.3. A cláusula 91 foi adotada como um conceito básico para todos os padrões Ethernet subsequentes do 802.3, que exigem alta velocidade e poderosa capacidade de correção de erros. As primeiras versões do 802.3bj foram para dados usando 64B/66B, codificados em blocos permitidos para serem enviados sem FEC, mas os desenvolvedores decidiram tornar o uso do FEC obrigatório no transmissor, mesmo que os receptores nem sempre corrigissem todos os erros.

O núcleo IP de Foward Error Correction (FEC) foi criado para cumprir com a Cláusula 74 (subcamada FEC para 10GBASE-R, 40GBASE-R e 100GBASE-R) das especificações IEEE 802.3-2008 IEEE 802.3ba-2010. O bloco FEC de código cíclico (2112, 2080) fica entre as subcamadas PCS e PMA e fornece ganho de codificação para aumentar o link budget e o desempenho do BER (Bit Error Rate ou Taxa de Erro de Bit).

Os principais tipos de FEC Foward Error Correction utilizados em transmissões ópticas são o Reed Solomon (RS-FEC) e o Fire Code(FC-FEC), sendo importante na ativação dessa funcionalidade que estejam com o mesmo protocolo em ambos os lados do link. Como cada um possui diferentes formas de codificação, não serão compatíveis entre si.


Resumindo:

  • RS-FEC é o FEC 91 – usado para configuração portas 100G (2×50 ou 4×25);
  • FC-FEC é o FEC 74 – usado para configuração de porta de 25Gbps, quando as portas são canalizadas em 4x25GbE ou 2x50GbE.

Tipos de ECC:

Com a constante evolução das redes ópticas, muitos tipos de ECC foram desenvolvidos, porém hoje os mais usados podem ser classificados em dois tipos: convolutional codes e block codes.

Block codes inserem blocos de informações redundantes com um tamanho pré-determinado ao final de cada informação transmitida, que geralmente são decodificadas por algoritmos classificados como “Hard-Decision”. Esses algoritmos recebem os respectivos blocos e interpretam cada bit como “0” ou “1”, coletando amostras do fluxo de dados e comparando a voltagem com seus limiares. Se a voltagem chegar a ser maior que o suportado, o bit é decodificado com “1”, caso contrário como “0”. Por outro lado, os chamados Convolutinal codes inserem de forma contínua informações redundantes e não tem um tamanho pré-determinado para os blocos. Geralmente são decodificados por algoritmos conhecidos como “Soft-Decision”, responsáveis por utilizar bits adicionais que fornecem um “fator de confiança”, levando em consideração o estado atual com o limite do sinal.
Isso permite uma melhoria considerável na correção de erros, porém aumenta proporcionalmente a complexidade do algoritmo, o que acarreta em uma maior latência da rede devido ao tempo de processamento das informações.

Quando falamos de redes ópticas, concordamos que o FEC Foward Error Correction é responsável por monitorar o “optical-signal-to-noise-ratio” (OSNR), uma unidade de medida que define o quanto o comprimento de onda pode percorrer até precisar ser regenerado. Com seu aprimoramento ao longo dos anos, o FEC é o principal responsável por fazer com que altas taxas de transmissão sejam utilizadas em grandes distâncias, como por exemplo transmissões 100Gbps em enlaces entre 40km a 80km. Seus algoritmos de correção são responsáveis por proporcionar um ganho entre 1 e 2 dB na rede aplicada, toda essa projeção sendo feita com base no cálculo de OSNR.

O IEEE 802.3by Clause 91 estabelece os parâmetros para o Reed-Solomon FEC (RS-FEC) para transmissões Ethernet 25G. Já na Clause 74 estão os parâmetros para transmissões Ethernet 100G BASE-R, também conhecido como “Fire-Code FEC” ou FC-FEC. O FC-FEC oferece menor correção de erro, porém com menor latência se comparado ao RS-FEC.

Sendo assim, a FonNet Networks sugere a ativação do FEC em ambas as pontas de todos os enlaces ópticos onde forem aplicados módulos Precision 100G para 40km (PRE-QSFP28-ER4L) e 100G para 80km (PRE-QSFP28-ZR4), para que seja atingido o maior alcance suportado por cada um destes transceivers.

Vantagens e Desvantagens:

Sintetizando em tópicos, podemos dizer que as principais vantagens de se utilizar FEC são:

  • Dispõe de um alto nível de tolerância a falhas, ou seja, diminui o Bit Error Rate – BER;
  • Por ser uma técnica de baixo custo, pode ser implementada por meio de software e posteriormente via hardware;
  • Dispõe de resultados e métricas rápidas baseados em seus algoritmos;
  • Atua em tempo real na identificação e correção de dados;
  • Proporciona ganhos de 1 a 5 dB na rede aplicada.

Em paralelo às inúmeras vantagens, existem também certas observações a serem feitas, visto que tudo que vem para melhorar no cenário tecnológico detém um custo a ser pago. Portanto ao utilizar essa ferramenta a rede fica suscetível a uma adição de redundância ao budget do link, adição de latência e um alto consumo em largura de banda devido ao processamento indireto de dados.

O que está por vir?

Com o desenvolvimento dos transceivers 400G, novos tipos de FEC foram criados para acompanhar e dar suporte à necessidade do aumento da largura de banda. Anteriormente em enlaces de 100G, 50G e 25G o FEC era opcional. Hoje, com o avanço nos tipos de modulações, o FEC se tornou indispensável quando falamos de transmissões 100G a 400G. Vejamos alguns exemplos na tabela abaixo:

General Reed-Solomon FEC Format: RS (n, k, t, m)KP PAM4 FEC: RS (544, 514, 15, 10)KR NRZ FEC: RS (528, 514, 7, 10)

nTotal size of FEC codeword (CW) in symbols544 Symbols528 Symbols
kTotal size of message in the CW, in symbols514 Symbols514 Symbols
tMax number of correctable Symbols per codeword t = (n – k)/215 Symbols (max)7 Symbols (max)
mSymbol size – Number of bits per symbol10 bits10 bits
n – kRedundant length, total size of parity bits in the CW30 Symbols14 Symbols
NCGNet Coding Gain – Link margin improvement~6.9 dB (IEEE Publication)~5.7 dB (IEEE Publication)
RCode rate, fraction of CW that is non-redundant – R = k/n514/544 = 0.945514/528 = 0.973
dminMin. Distance between two valid codewords – dmin = (2*t) + 131 Symbols (max)15 Symbols (max)

Para atender esses novos desafios, foram desenvolvidos novos modelos de FEC baseados no RS-FEC, como o KP e o KR.

KR FEC é aplicado para modulações NRZ, em portas 100G padrão, agrupando quatro lanes de 25Gbit/s em uma lane 100GBASE-KR. Já o KP FEC é aplicado sobre sinais PAM4, para agrupar lanes elétricas de 50 Gbit/s PAM4 de 1 para quatro lanes 100GBASE-KP (DR4, FR4, etc.). Enquanto KR1 FEC é aplicado somente a portas 100G, KP pode ser utilizado em portas 100G (KP1) ou 400G (KP4).

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