深度解析：PON系统中的FEC技术是怎样的？

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PON网络中，FEC技术也算是其较为重要的关键技术之一。

  • 那何为FEC技术？
  • 为何PON网络中需要引入FEC？
  • FEC技术本身有哪些优势和劣势呢？
  • 在应用FEC时，我们应该注意些什么呢？

带着这些问题，让我们一起来深入解析下PON系统的FEC技术吧。

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何为FEC技术？

我们都知道，世界充满了噪声，通信系统也不例外（实际工程中，理想的通信系统根本不存在）。在光通信系统中，从技术上讲，当波通过光纤传输时，噪声会对光强度产生影响，而在长距离传输时，光色散也会导致信号失真。

每当有噪声或光色散失真的影响时，光脉冲就会退化并失去其作为0或1的意义，进而在接收器将接收到的光脉冲转换为电压时，由于噪声或干扰太大，会错误地解释数据，比如将0读为1或将1读为0。也就是数据从发送端到达接收端时，数据引入了误码，出现了差错。

为解决这一问题，我们就需要在通信系统中引入纠错技术，而FEC（Forward Error Correction,前向纠错）就是属于纠错技术中的一种。

FEC的核心思想就是在发送端对数据进行特定的编码，使得在接收端即使存在一定程度的错误，也可以通过解码过程纠正这些错误，从而恢复原始数据。这种编码方式允许在数据传输过程中检测和纠正潜在的错误，而不需要进行重复传输或请求重传。

FEC目前已是通信系统中广泛采用的差错控制技术。

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PON为何需要FEC？

在PON系统中，使用FEC技术的主要原因是为了提高线路的传输质量和可靠性。具体来说，FEC技术可以降低接收端的误码率，增加通信的稳定性，避免数据重传，提高带宽利用率和降低重传率。此外，FEC技术还可以降低对高性能光器件的需求，从而降低设备成本。

应用广泛的GPON系统中，采用的FEC算法是RS（255，239）算法，完全遵从ITU-T G.884.3的要求。

在RS（255，239）算法中，输入的数据被视为一个长度为239的向量，经过编码后生成一个长度为255的向量。这个编码向量的每个元素都是一个纠错码元，它们由输入数据中的239个信息字节和16个校验字节组成。这255个码元中的每一个都可以纠正最多8个字节的错误。

具体实现想，GPON系统FEC功能可以针对每个ONU的上行和下行分别打开、关闭；ONU设备可以支持带FEC编码和无FEC编码的下行业务流自适应接收。

  • 下行方向

OLT：对下行数据要么采用FEC编码，要么不采用FEC编码；具体编码状态会使用帧内字段进行标识并发送给ONU。ONU：每个ONU能够对接收到的数据进行FEC解码，也可以不解码（即使数据是编码过的）。通过使用基于块的RS编码，可以提前知道校验比特的位置。这样，不支持FEC的ONU可以跳过校验比特，即不处理，并且不需要进行FEC解码就可以得到原始下行数据。

  • 上行方向：

ONU：每个ONU既可以使用FEC编码它的上行数据，也可以不采用；具体编码状态会使用帧内字段进行标识。OLT：必须能够（针对每次ONU的传输）进行FEC解码或者不解码接收上行数据（即使是经过FEC编码过的）。

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GPON中FEC具体怎么实现的？

以上说了这么多，可能大家还是不太清楚。那么接下来，我们以GPON系统中下行帧的FEC编码为例进行讲解。

当下行帧使用FEC编码时，FEC校验字节插入到每个码字末尾。那么使用RS（255，239）时，每个239数据字节后面就有16个校验字节。帧的PCBd部分包括在第一个码字中，也就是码字从帧的第一个字节开始。下一个码字在第255字节后开始，每255个字节重复。

注意由于下行的比特率没有增加，FEC校验字节取代了数据字节插入流中。因此，当使用FEC时，用户数据的有效带宽减少。（FEC编码过程是在扰码之前进行的）

其中，我们发现最后有一个短码字，我们有时也称之为较短的尾码字。由于下行帧分成了255字节的码字，当使用125us帧时，最后一个码字的数据会小于255字节，进而针对这尾码字有相应的处理机制，即：

（1）为使尾码字字节数等于255，在编码前采用补“0”的方法将其补充为255字节；（2）计算校验字节；（3）将补充得“0”字节删除，以本身较短的码字传输；（4）接收端接收时，同样采用补“0”的方法将尾码字补为255字节；（5）解码后，补“0”的字节再次被删除。

对于2.488Gbps的下行数据速率，帧长度为38880字节。由于仅有120字节留给尾码字，其中104字节用作数据字节，16字节用作校验字节，135字节用“0”进行填充。

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FEC技术本身有哪些优势和劣势？

就像事物不止有美好的一面一样，任何技术都有优势和劣势，FEC也不例外。

  • 优势方面：

（1）提升传输性能：通过FEC技术，PON系统可以在一定程度上纠正传输过程中的误码，从而提高系统的整体传输性能。（2）增强稳定性：由于FEC技术可以在一定程度上纠正错误，因此它可以增强PON系统的稳定性，使其在各种网络条件下都能保持较好的性能。（3）降低网络维护成本：由于FEC技术可以在一定程度上纠正传输错误，因此它可以减少对网络维护的需求，从而降低网络维护成本。

  • 劣势方面：

（1）增加延迟：FEC编码和解码过程会增加一定的处理时间，从而导致数据传输延迟。这对于实时性要求较高的应用可能会产生影响。（2）增加带宽开销：使用FEC技术需要在发送端对数据进行额外的编码处理，这会增加一定的带宽开销。（3）对硬件要求较高：实现FEC技术需要相应的硬件支持，包括高性能的编码器和解码器。这可能会增加PON系统的硬件成本。

总的来说，FEC技术可以提高系统的传输性能和稳定性，降低网络维护成本。然而，它也存在一些局限性，如增加延迟、增加带宽开销以及对硬件要求较高。在实际应用中，需要根据具体需求和场景来权衡使用FEC技术的利弊。

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FEC技术的应用场景有哪些？

除了应用在我们上面讲的GPON系统中，FEC技术的应用场景非常广泛，包括但不限于以下几个方面：

（1）数据通信：在数据通信中，由于信号传输过程中可能发生噪声、衰减等问题，导致数据错误。FEC技术可以用于在数据通信中纠正传输过程中可能出现的错误，提高数据传输的可靠性。（2）视频传输：在视频传输中，由于带宽受限，数据丢失或错误会导致视频质量下降。通过使用FEC技术，可以在视频传输过程中对数据进行纠错，提高视频传输的质量。（3）多媒体传输：在音频、视频等多媒体传输中，数据的实时性要求较高，无法进行ARQ重传。因此，使用FEC方案可以提高传输的可靠性，并保证实时性要求。（4）无线通信：在无线通信中，信道质量不稳定，容易出现数据传输错误。通过使用FEC方案，可以提高数据传输的可靠性，减少因信道差导致的数据传输错误。（5）数据存储：在数据存储和备份中，数据完整性非常重要。通过在备份数据中添加冗余信息，可以提供数据的完整性保护，避免数据损坏。

总的来说，FEC技术广泛应用于各种需要提高数据传输可靠性和容错性的场景。

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