Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Алгоритмы работы когерентных транспондеров транспортных систем связи. Монография
.pdf
61
Σ
Σ
*
* *
*
*
*
x
n
Re
Im
Re
Im
Рисунок 2.19 – Нейронная сеть для ЦОС
На вход нейронной сети поступаю сигналы, полученные когерентных
оптическим приемником. Далее данные символы проходят через несколько
синтезированных слоев нейронной сети. В зависимости от настройки, на
каждом из слоев находится определенное количество нейронов (рисунок
2.20). Принцип работы нейрона основан на связности каждого из нейронов с
весами нейронов, которые располагаются на предыдущем слое. То есть
каждый следующий нейрон суммирует значения весов предыдущего слоя,
после чего производит обработку внутри нейрона функцией активации. К
наиболее простым функциям относятся пороговая, линейная, сигмоидная
логистическая функции и др. Для когерентных систем связи применяются
более сложные функции активации [63, 64]
H3
H
1
H2
w
1
w
2
f
акт
(w1)
w
0
Рисунок 2.20 – Принцип работы нейрона
Для обучения нейронной сети применяются тренировочные
последовательности, позволяющие произвести настройку весов в каждом из
62
слоев нейронной сети. Подбор осуществляется по принципу минимизации
среднеквадратичной ошибки между предсказанным значением и истинным
значением из тренировочного набора (рисунок 2.21).
выход
Σ
Нейронная
сеть
вход
коэффициент
подстройк и
ошибка
вход
Тренировочная
последовательность
Рисунок 2.21 – Схема с подстройкой весовой функции
В случае применения статических нейронных сетей наблюдается низкая
эффективность при компенсации нелинейных эффектов в когерентном
приемнике. В случае использования динамических нейронных схем качество
компенсации значительно повышается [65, 66, 67]. Такая мера предполагает
увеличение эффективности обработки информации, так как алгоритмы
цифровой обработки сигналов имеют сходство с алгоритмом работы
нейронных сетей – в обоих случаях одной из базовых операций является
перемножение чисел с накоплением [68].
63
3 Помехоустойчивое кодирование
Совершенствование технологических процессов по улучшению
передаточных характеристик лазеров, снижению шумов оптических
усилителей, волокна с низким уровнем потерь является хорошим драйвером
роста для развития техники передачи данных. Однако по мере
совершенствования технологий связи все большее внимание уделяется
технике помехоустойчивого кодирования [69] [70, 71], позволяющей
увеличить пропускную способность каналов связи и тем самым снизить
расходы операторов на эксплуатацию сетей связи.
Анализ отечественной научной литературы по направлению
помехоустойчивого кодирования для волоконно-оптических систем связи
показывает, что данный вопрос освещен достаточно слабо [72].
Существенная часть работ сконцентрирована вокруг помехоустойчивости
сигнала в беспроводных каналах связи для спутниковой и сотовой систем
связи.
Главной причиной сложившейся ситуации, как упоминалось в первой
главе, является отсутствие компонентной базы для построенная аппаратной
версии DSP-процессоров, а высокая рыночная стоимость чипов является
непреодолимым барьером для отечественных разработчиков [39].
Для понимания процесса следует указать, что при передаче данных по
оптическим сетям связи могут успешно применятся схемы с «жестким» и
«мягким» принятием решения [73]. В общемировой практике производители
и разработчики разделяют алгоритмы кодирования на HD-FEC и SD-FEC,
соответственно. Основным различием между данными алгоритмами является
размерность выходного алфавита. При использовании жесткой схемы
декодирования входной и выходной алфавиты совпадают, в то время как в
мягкой схеме принятия решения выходной алфавит расширяется за счет
введения символа неопределенности, позволяющего фиксировать место
ошибки.
На рисунке 3.1 представлена наглядная разница в схемах декодирования.
Если представить двоичный единицу в виде сигнала
1
()st
, а двоичный ноль
сигналом
2
()st
, то с учетом шума
()nt
, принятый сигнал будет иметь вид
r( ) ( ) ( )t s t n t=+
. После принятия сигнала следует принятие решения
приемником, какой сигнал был передан. Данное решение исходит из
сравнения принятого сигнала с порогом.
64
000 001
010 011 100 101
110 111
8-уровневая
система мягких
решений
2-уровневая
система мягких
решений
0
1
z(T)
p(z| S1)
p(z| S2)
Рисунок 3.1 – Мягкое и жесткое декодирование
В случае с жесткой схемой кодирования может использоваться
двухуровневая схема, жестко разделяющая между собой принятую единицу и
принятый ноль. Мягкая схема, как видно из рисунка, несет гораздо большее
количество информации о принятом сигнале, реализуя гибкую систему
восстановления последовательности сообщений.
При декодировании используется алгоритм максимума апостериорной
вероятности (MAP), который направлен на минимизацию вероятности
ошибки. Сам принцип основан на обновлении данных, полученных в
процессе декодирования принятого сигнала. В этом случае решение о
принятии решения по переданному биту информации будет осуществляться
согласно следующему неравенству [70]:
1 1 2
2 1 2
1: ( 1| ) ( 0| )
0: ( 1| ) ( 0| )
s P s z P s z
s P s z P s z
= = =
= = =
, (3.1)
где
( | )P s z
– апостериорная вероятность принятого сигнала
Гибридные алгоритмы кодирования в оптических транспондерах
позволяют увеличивать производительность оптических систем связи [74]. В
процессе формирования оптического канала в структуре фрейма OTN
организуется специальное поле для передачи избыточной информации для
обнаружения ошибок с помощью FEC.
65
На приемной стороне в оптическом транспондере помехоустойчивость
реализуется в два шага: обнаружение ошибок (обычно это проверка на
четность) и последующее исправление ошибок.
В системах связи со скоростью передачи более 100 Гбит/с обычно
используются FEC с «мягкими» схемами декодирования. Это обусловлено
следующим рядом причин:
− удобство аппаратной реализации на FGPA и ASIC;
− алгоритмы кодов итеративны, позволяя уточнять метрику символов
при каждом повторе;
− использование фазомодулированных сигналов обеспечивает
реализацию «мягких» метрик символов.
При описании алгоритмов помехоустойчивого кодирования в данной
главе следует также упомянуть о двух наиболее важных определениях – это
интерливинг данных и маппинг данных. Чтобы избежать разночтения, под
интерливингом данных в когерентных системах связи следует понимать
перемежение данных, направленное на борьбу с пакетные ошибками (bursterror). Интерливинг обеспечивает разнос данных по времени таким образом,
чтобы такие ошибки находились в разных кодовых словах.
Маппинг данных подразумевает под собой алгоритм размещения и
упаковки данных для передачи их в структуре кадра OTN либо в структуре
иного кадра. Наиболее известным методом маппинга данных, применяемым
в когерентных сетях связи, является процедура AMP/BMP, GFP-T и GMP.
3.1. Классификация современных кодов для ВОСП 100 Гбит/с
На сегодняшний день существуют несколько наиболее известных
стандартизованных алгоритмов FEC, которые различаются между собой по
арифметической сложности и производительности (рисунок 3.2). Данная
зависимость демонстрирует работоспособность оптической системы связи
при применении помехоустойчивого кодирования.
66
OSNR, дБ
BER
1816141210864
10
-2
10
-4
10
-6
10
-8
10
-10
10
-12
10
-14
10
-16
0
без кодирования
I
пок оление
II
пок оление
III
пок оление
Рисунок 3.2 – Зависимость коэффициента ошибок от OSNR
для разных поколений FEC
За последние 10–15 лет помехоустойчивое кодирование для
магистральных систем связи активно развивалось. Ключевыми факторами
для данного развития послужили рост канальной скорости, использование
различных методов волнового уплотнения, увеличение дальности волоконнооптических трактов (рисунок 3.3).
67
1985 1990
1995 2000
2005 2010
2015
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
4 поколение
3 поколение
2 поколение
1 поколение
RS (255, 239)
Конкатенированные
коды
Блочные турбо коды
LPDC
12
Энергетическ ий
выигрыш, дБ
NB-LPDC
NB-LPDC
Рисунок 3.3 – Поколения кодов для магистральных сетей
Главной целью использования помехоустойчивого кодирования
является обеспечение безошибочной работы транспондера, при котором
вероятность битовых ошибок на выходе DSP-процессора не превышает
заданного уровня.
Наиболее удобным инструментом для сравнения производительности
алгоритмов FEC является энергетический выигрыш от применения
кодирования (coding gain). Графически энергетический выигрыш
представляет собой расстояние между кривыми BER
w/oFEC
и BER
FEC
для
зависимости
( ) ( )
RX
f x BER p=
. Данный подход к оценке FEC упоминался в
стандартах МСЭ G.975 в 1996 и 2000 годах, однако получаемые величины
выигрыша было довольно велики и непоказательны для сравнения. По этой
причине в стандарте G.975 от 2004 года было введено выражение,
характеризующее производительность FEC:
1
10
1
/
(2BER )
20log
(2BER )
FEC
w oFEC
erfc
CG
erfc
−
−
=
, дБ (3.2)
68
Помехоустойчивое кодирование было заимствовано из беспроводной
связи и использовалось в системах со спектральным уплотнением каналов
изначально для борьбы с шумами, вызванными спонтанной эмиссией
оптических усилителей [75]. К первому поколению FEC принято относить
блочные коды, такие, как код Хэминга, Рида-Соломона и Боуза-ЧоудхуриХоквингема [76].
Использование кодов первого поколения позволяет получить выигрыш
порядка 6 дБ, но при этом происходит увеличение исходной
последовательности, добавляя примерно 7% избыточности [70]. В
рекомендациях МСЭ G.975 и G.975.1 стандартизованы производительные
коды для DWDM сетей с использованием технологии OTN. В таблице 3.1
представлены характеристики помехоустойчивых кодов.
Таблица 3.1 – Характеристики кодов для ВОСП
Рекомендация
МСЭ
Выигрыш, дБ
Тип кода
G.709
5,6
RS(255,239)
G.751.1 I.2
7,95
RS(255,239) + самоортогональные
сверточные коды
G.751.1 I.3
7,98
BCH(3860, 3824) + BCH(2040, 1930)
G.751.1 I.4
7,63
RS(1023, 1007) + BCH(2047, 1952)
G.751.1 I.5
8,6
RS(1901, 1855) + код Хемминга (512,
502) х (510, 500)
G.751.1 I.6
7,1
Низкоплотные коды (32640, 30592)
G.751.1 I.7
7,5
BCH(500, 491) + BCH(900, 840)
G.751.1 I.8
7,06
RS(2720, 2550)
G.751.1 I.9
8,5
BCH(1020, 988) + BCH(1020, 988)
Второе поколение представляет собой семейство HD-FEC с
использованием каскадных кодов. Основная схема каскадного кодирования
показана на рисунке 3.4.
Внешний
код
Внутренний
код
Канал
передачи
Внутренний
код
Внешний
код
Передатчик Приемник
Рисунок 3.4 – Коды HD-FEC
69
Каскадные схемы кодирования используют более сложные варианты
маппинга, а также турбокоды, сверточные коды и др. Начиная со второго
поколения ведущие вендоры телекоммуникационного оборудования
начинают использовать проприетарное кодирование, а также более сложные
алгоритмы маппинга данных.
Третье поколение FEC основано на сложных вычислительных
алгоритмах и представлено SD-FEC и HD-FEC. Данные алгоритмы дают
заметный прирост к выигрышу по OSNR, но требуют до 20% объема
передаваемого кадра. Т.е. при скорости клиентского сигнала в 100 Гбит/с
скорость линейного сигнала с учетом заголовков и избыточности FEC
составит от 110 до 130 Гбит/с.
Для реализации SD-FEC используются турбокоды, а также коды с малой
плотностью проверок на четность LDPC. Такие коды широко используются в
когерентных системах связи со скоростью передачи выше 100 Гбит/с и дают
выигрыш до 11,5 дБ. При этом избыточность данных кодов будет составлять
от 15 до 25%, в зависимости от вендора, который может дополнительно
использовать проприетарные алгоритмы помехоустойчивости.
На текущий момент ведутся работы по совершенствованию алгоритмов
повышения помехоустойчивости когерентных систем связи, использующие
более сложные форматы модуляции. Такие алгоритмы относят к четвертому
поколению, они имеют избыточность уже порядка 25%, принося чистый
выигрыш от их использования до 12 дБ. Таким образом, в зависимости от
используемых алгоритмов и типов FEC линейная скорость DWDM
транспондеров различных вендоров может варьироваться.
Эффективность семейства алгоритмов FEC наглядно
продемонстрирована на рисунке 3.5.
70
Выходное значение BER
10
-2
10
-4
10
-6
10
-8
10
-10
10
-12
10
-14
10
-16
Входное значение BER
10
0
10
-8
10
-6
10
-4
10
-7
10
-5
10
-3
10
-2
без FEC
FEC (G.707)
1 поколение FEC (G.709)
2 поколение E-FEC (7% OH)
2 поколение E-FEC (25% OH)
Рисунок 3.5 – Эффективность работы FEC
3.2. Реализация FEC в структуре OTN
Отдельно стоит остановиться на подходе к практической реализации
FEC в структуре фрейма OTN для когерентного оптического транспондера со
скоростью 100 Гбит/с, построенного на ASIC. Избыточность SD-FEC
находится на уровне 20% от номинальной скорости передачи транспондера.
В самом простом виде фреймер OTU4 производит преобразование сигнала
100Gb Ethernet в формат OTU4. LPDC-кодирование реализуется с помощью
фреймера (рисунок 3.6). В этом случае, SD-FEC может использоваться как в
качестве единственного кода, так и совместно со внутренним HD-FEC кодом
(обычно используется RS-FEC, G.709).
Нагрузка
20% LDPC
100GbEth/ OTU4
20% SD-FEC
ADC/ DSP
125 Гбит/ с
O/E
125 Гбит/ с
O/E
OTU4
фреймер
Когерентный
ASIC
Оптическая
часть
Рисунок 3.6 – SD-FEC внутри фрейма OTU4
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]