Коррекция ошибок ethernet

Обнаружение и коррекция ошибок

Канальный
уровень должен обнаруживать ошибки
передачи данных, связанные с искажением
бит в принятом кадре данных или с потерей
кадра, и по возможности их корректировать.

Большая
часть протоколов канального уровня
выполняет только первую задачу —
обнаружение ошибок, считая, что
корректировать ошибки, то есть повторно
передавать данные, содержавшие искаженную
информацию, должны протоколы верхних
уровней. Так работают такие популярные
протоколы локальных сетей, как Ethernet,
Token Ring, FDDI и другие. Однако существуют
протоколы канального уровня, например
LLC2 или LAP-B, которые самостоятельно решают
задачу восстановления искаженных или
потерянных кадров.

Очевидно,
что протоколы должны работать наиболее
эффективно в типичных условиях работы
сети. Поэтому для сетей, в которых
искажения и потери кадров являются
очень редкими событиями, разрабатываются
протоколы типа Ethernet, в которых не
предусматриваются процедуры устранения
ошибок. Действительно, наличие процедур
восстановления данных потребовало бы
от конечных узлов дополнительных
вычислительных затрат, которые в условиях
надежной работы сети являлись бы
избыточными.

Напротив,
если в сети искажения и потери случаются
часто, то желательно уже на канальном
уровне использовать протокол с коррекцией
ошибок, а не оставлять эту работу
протоколам верхних уровней. Протоколы
верхних уровней, например транспортного
или прикладного, работая с большими
тайм-аутами, восстановят потерянные
данные с большой задержкой. В глобальных
сетях первых поколений, например сетях
Х.25, которые работали через ненадежные
каналы связи, протоколы канального
уровня всегда выполняли процедуры
восстановления потерянных и искаженных
кадров.

Поэтому
нельзя считать, что один протокол лучше
другого потому, что он восстанавливает
ошибочные кадры, а другой протокол —
нет. Каждый протокол должен работать в
тех условиях, для которых он разработан.

Методы обнаружения ошибок

Все
методы обнаружения ошибок основаны на
передаче в составе кадра данных служебной
избыточной информации, по которой можно
судить с некоторой степенью вероятности
о достоверности принятых данных. Эту
служебную информацию принято называть
контрольной
суммой
(или последовательностью
контроля кадра — Frame Check Sequence, FCS).
Контрольная сумма вычисляется как
функция от основной информации, причем
необязательно только путем суммирования.
Принимающая сторона повторно вычисляет
контрольную сумму кадра по известному
алгоритму и в случае ее совпадения с
контрольной суммой, вычисленной
передающей стороной, делает вывод о
том, что данные были переданы через сеть
корректно. Существует несколько
распространенных алгоритмов вычисления
контрольной суммы, отличающихся
вычислительной сложностью и способностью
обнаруживать ошибки в данных.

Контроль
по паритету
представляет собой наиболее простой
метод контроля данных. В то же время это
наименее мощный алгоритм контроля, так
как с его помощью можно обнаружить
только одиночные ошибки в проверяемых
данных. Метод заключается в суммировании
по модулю 2 всех бит контролируемой
информации. Например, для данных 100101011
результатом контрольного суммирования
будет значение 1. Результат суммирования
также представляет собой один бит
данных, который пересылается вместе с
контролируемой информацией. При искажении
при пересылке любого одного бита исходных
данных (или контрольного разряда)
результат суммирования будет отличаться
от принятого контрольного разряда, что
говорит об ошибке. Однако двойная ошибка,
например 110101010, будет неверно принята
за корректные данные. Поэтому контроль
по паритету применяется к небольшим
порциям данных, как правило, к каждому
байту, что дает коэффициент избыточности
для этого метода 1/8. Метод редко применяется
в вычислительных сетях из-за его большой
избыточности и невысоких диагностических
способностей.

Вертикальный
и горизонтальный контроль по паритету
представляет собой модификацию описанного
выше метода. Его отличие состоит в том,
что исходные данные рассматриваются в
виде матрицы, строки которой составляют
байты данных. Контрольный разряд
подсчитывается отдельно для каждой
строки и для каждого столбца матрицы.
Этот метод обнаруживает большую часть
двойных ошибок, однако обладает еще
большей избыточностью. На практике
сейчас также почти не применяется.

Циклический
избыточный контроль (Cyclic Redundancy Check, CRC)
является в настоящее время наиболее
популярным методом контроля в
вычислительных сетях (и не только в
сетях, например, этот метод широко
применяется при записи данных на диски
и дискеты). Метод основан на рассмотрении
исходных данных в виде одного
многоразрядного двоичного числа.
Например, кадр стандарта Ethernet, состоящий
из 1024 байт, будет рассматриваться как
одно число, состоящее из 8192 бит. В качестве
контрольной информации рассматривается
остаток от деления этого числа на
известный делитель R. Обычно в качестве
делителя выбирается семнадцати- или
тридцати трехразрядное число, чтобы
остаток от деления имел длину 16 разрядов
(2 байт) или 32 разряда (4 байт). При получении
кадра данных снова вычисляется остаток
от деления на тот же делитель R, но при
этом к данным кадра добавляется и
содержащаяся в нем контрольная сумма.
Если остаток от деления на R равен нулю,
то делается вывод об отсутствии ошибок
в полученном кадре, в противном случае
кадр считается искаженным.

Этот
метод обладает более высокой вычислительной
сложностью, но его диагностические
возможности гораздо выше, чем у методов
контроля по паритету. Метод CRC обнаруживает
все одиночные ошибки, двойные ошибки и
ошибки в нечетном числе бит. Метод
обладает также невысокой степенью
избыточности. Например, для кадра
Ethernet размером в 1024 байт контрольная
информация длиной в 4 байт составляет
только 0,4 %.

(Существует
несколько модифицированная процедура
вычисления остатка, приводящая к
получению в случае отсутствия ошибок
известного ненулевого остатка, что
является более надежным показателем
корректности.)

Соседние файлы в папке РИС гр.446зс 2015

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Время на прочтение
4 мин

Количество просмотров 21K

Одним из основных ограничений при проектировании протяженных оптических транспортных сетей является соотношение сигнал-шум (OSNR). WDM-сети должны функционировать в допустимых пределах OSNR, чтобы обеспечить корректную работу систем.

Пороговое значение OSNR является одним из ключевых параметров, определяющих как далеко могут передаваться сигналы без необходимости в 3R-регенерации.

Для формирования каналов передачи данных со скоростью выше 10 Гбит используются сложные механизмы модуляции оптических сигналов для достижения аналогичной дальности передачи каналов связи 1-10 Гбит. Данные форматы модуляции необходимы для минимизации последствий таких оптических явлений, как хроматическая и поляризационная модовая дисперсии, а также для формирования оптического сигнала, соответствующего стандартам ITU 100/50-GHz, который используется в современных DWDM-системах. Недостатком высокоскоростных каналов передачи данных является тот факт, что они требуют существенно более высокого соотношения OSNR, чем обычные системы передачи (1-10 Гбит).

В системах 100 Гбит минимальное значение OSNR должно быть на 10 дБ выше, чем для сигналов в системах 10 Гбит. Без определенной коррекции или компенсации OSNR ограничивает 100G передачу данных до очень коротких расстояний, на данный момент максимальная дальность передачи составляет 40 км по стандартному одномодовому оптоволокну. Однако благодаря современным методам коррекции ошибок ( Forward Error Correction — FEC), особенно алгоритму Soft decision FEC, возможно расширение передачи высокоскоростных сигналов на протяженные расстояния.

Forward Error Correction (FEC) является техникой кодирования/декодирования сигнала с возможностью обнаружения ошибок и коррекцией информации методом упреждения. Таким образом, приемное оборудование может выявлять и исправлять ошибки, возникающие в канале передачи. FEC резко снижает количество битовых ошибок (BER), что позволяет увеличить расстояние передачи сигнала без регенерации.

Существует несколько FEC-алгоритмов кодирования, которые различаются по сложности и производительности. Одним из наиболее распространенных кодов первого поколения FEC является код «Рида-Соломона» (255, 239). Данный код добавляет немного — 7% проверочных байтов и около 6 дБ дополнительного запаса OSNR, но для высокоскоростных оптических сетей увеличение на 6 дБ является улучшенным показателем производительности, увеличивая расстояние между регенераторами примерно в четыре раза.

Некоторые производители предлагают в дополнение к коду «Рида-Соломона» более сложные схемы кодирования второго поколения FEC, например, превентивный параметр для оптических интерфейсов 10G и 40G. Данные алгоритмы, называемые «ультра» FEC или «усиленный» FEC (EFEC), также используют не более 7% объема передаваемого кадра, но в них заложены более сложные алгоритмы кодирования/декодирования, которые и обеспечивают бОльший выигрыш по OSNR — от 2 до 3 дБ, нежели код «Рида-Соломона».

Наряду с разработками первого поколения — «Рида-Соломона FEC» и второго поколения — «EFEC», которые позволили существенно улучшить производительность для 10G- и 40G-сигналов, было разработано более производительное FEC-решение третьего поколения, обеспечивающее увеличенную дальность и оптимальную производительность для высокоскоростных каналов передачи данных 100G.

FEC-решение третьего поколения основано на еще более мощных алгоритмах кодирования/декодирования и итеративного кодирования. В hard decision FEC —блок декодирования определяет «твердое» решение на основе входящего сигнала и иницилизирует один бит информации как «1» или «0» путем сравнения с пороговым значением. Значения выше установленного порога определяются «1», а значения ниже определяются как «0». В декодере используются дополнительные биты для обеспечения более детальной и точной индикации входящего сигнала. Иными словами, декодер не только определяет на основе порогового значения — является ли входящий сигнал «1» или «0», но и обеспечивает фактор надежности «принятия решения». Коэффициент надежности определяется индикатором, показывающим насколько сигнал выше или ниже порогового значения.

Использование коэффициента надежности или «вероятности» битов вместе с более сложными алгоритмами FEC-кодирования третьего поколения позволяет декодеру SD-FEC обеспечить дополнительное повышение OSNR на 1-2 дБ. В то время как увеличение OSNR на 1-2 дБ не звучит внушительно, оно может интерпретироваться как возможное увеличение расстояния на 20-40%, что является существенным показателем для 100G.

Одним из недостатков soft decision FEC является тот факт, что для него требуется ~20 % объема передаваемого кадра, а это более чем в два раза больше, чем занимаемый объем FEC первого и второго поколения.

С увеличением скорости в канале передачи данных с 10G до 100G, требование к OSNR увеличилось на 10 дБ. Без определенного вида компенсации или коррекции протяженность трасс с канальной скоростью 100G будет весьма ограниченной и неэкономичной.

Алгоритмы FEC первого и второго поколения были использованы на 10G и 40G для снижения BER и увеличения расстояния. SD-FEC является алгоритмом кодирования третьего поколения, обеспечивая передачу данных для оптических сетей 100G на бо́льшие расстояния и с бо́льшим ретрансляционным участком.

Введение

В качестве примера можно привести повсеместно распространенные технологии Ethernet+TCP/IP. В случае беспроводных сетей разработчики наряду с теми или иными способами обнаружения ошибок дополнительно применяют средства их исправления.

Общая идея как обнаружения, так и исправления ошибок основывается на использовании избыточных кодов. Простейший пример — это введение так называемого «бита четности» — такой прием позволяет обнаружить единичную ошибку.

На передающей стороне значение бита четности определяется следующим правилом: при четном количестве единиц в блоке информации проверочный бит должен быть равен нулю, в противном случае — единице. Таким образом, общее количество единиц в блоке (включая избыточный бит) должно быть четным. Если на приемной стороне количество единиц оказалось нечетным, этот блок считается поврежденным. Добавление одного бита фактически увеличивает число возможных кодовых слов в два раза, но при этом только половина из них является допустимо, разрешенными, а другая половина в силу обозначенных правил невозможна, запрещена.

Декодер, встретив какую-либо комбинацию битов, которая входит в число невозможных, делает вывод, что кодовое слово было передано с ошибкой. Более сложные схемы основаны на аналогичной идее, но подразумевают большее количество добавочных битов и более сложные правила формирования их комбинаций; при этом эти правила дают возможность на приемной стороне определить, какой именно бит (или биты) были повреждены.

Поскольку применение рассматриваемых методов обнаружения и/или коррекции ошибок связано с передачей дополнительных проверочных битов, то совершенно ясно, что применение средств такого рода оправданно именно в ситуациях, когда велика вероятность сбоя при передаче — в противном случае введение дополнительных данных приведет лишь к уменьшению полезной пропускной способности канала передачи.

Общая теория помехоустойчивых кодов (кодов с исправлением ошибок) изложена в книге [1]. В англоязычной литературе схемы кодирования с избыточностью с целью исправления ошибок называются FEC (сокращение от Forward Error Correction). С общими сведениями о способах обнаружения и коррекции ошибок можно ознакомиться, например, в RFC2354 [2].

В соответствии с описанием стандарта nanoNET [3] передаваемые данные подвергаются многоступенчатой побитовой обработке (рис. 1).

После формирования кадра (составления заголовков и записи данных в трансивер) и получения команды начать передачу вычисляются контрольные суммы заголовков кадра CRC1 и поля данных CRC2. Затем (при включении соответствующей опции) поле данных и контрольная сумма CRC2 шифруются с помощью 128-битного ключа. После этого весь кадр подвергается так называемому скремблированию (перемешиванию битов) — это делается для минимизации вероятности появления длинных цепочек нулей и повышения надежности передачи. Далее битовая последовательность проходит через описанную ниже схему помехоустойчивого кодирования FEC и только потом преобразуется в чирп-сигналы (импульсы длительностью 1 мкс с наполнением возрастающей и (или) убывающей частотой).

На приемной стороне процесс происходит в обратном порядке, то есть сначала из помехоустойчивого кода получаются информационные биты, возможно, с исправлением ошибок, затем производится процедура, обратная перемешиванию, расшифровка и проверка контрольных сумм. При этом контрольное суммирование и перемешивание являются обязательными стадиями (скремблирование рекомендовано к применению), в то время как шифрование и помехоустойчивое кодирование таковыми не являются (помечены на рис. 1 серым фоном).

Отметим, что трансиверы nanoNET можно конфигурировать на прием или передачу как с использованием корректирующих кодов, так и без их использования. При этом в передаваемом кадре не содержится никаких сведений о том, подвергался ли он такому кодированию FEC или нет. Это означает, что для того чтобы передатчик и приемник, выражаясь образно, «разговаривали на одном языке», нужно, чтобы они были одинаковым образом сконфигурированы в плане использования или неиспользования FEC.

Для кодирования FEC с возможностью исправления ошибок передачи трансиверы nanoNET используют классический код Хэмминга (7,4), то есть к каждой четверке информационных битов добавляется 3 проверочных, общая длина кодового слова равна 7. Из теории корректирующих кодов известно, что такой код имеет минимальное кодовое расстояние 3, и, следовательно, приемник способен либо исправить одиночную ошибку, либо обнаружить двойную. Особенностью реализации помехоустойчивого кодирования в передатчиках рассматриваемого стандарта является совместное кодирование двух соседних полубайтов за счет перемежения битов кодовых слов, полученных при кодировании этих двух полубайтов: сначала кодируется один полубайт, то есть из комбинации битов (b0, b1, b2, b3) получается кодовое слово:

(символами bi обозначены информационные биты, а символами Pk – проверочные биты), затем кодируется другой полубайт, получается кодовое слово:

далее эти два кодовых слова перемежаются следующим образом:

Это позволяет исправлять двойные ошибки в результирующем 14-разрядном кодовом слове даже в том случае, если эти ошибки произошли в соседних битах. Данное свойство особенно важно при использовании четверичной системы счисления, которая используется в nanoNET для кодирования одного символа данных двумя битами и позволяет передавать данные на скорости 2 Мбит/с.

Регистры модулей nanoPAN, связанные с FEC

FEC, CRC2 type, Symbols and Modulation (адрес 0х39 — регистр, отвечающий за включение FEC, тип контрольной суммы CRC2, систему модуляции и длину символа):

TxRxMode — выбор режима (Auto или Transparent, по умолчанию TxRxMode=0=Auto).

TxRxFwdEc — включение или выключение FEC, по умолчанию TxRxFwdEc=0, FEC отключен.

TxRxCrcType — указание типа контрольной суммы данных.

TxRxData Rate – выбор битовой скорости передачи (500 или 1000 Ksps, по умолчанию TxRxDataRate=0, 1000 Ksps).

TxRxMod System — выбор способа модуляции (двоичная или четверичная, по умолчанию TxRxModSystem=0, двоичная).

Receive FEC Single Bit Error Count (адреса 0х57 и 0х58 — регистры, в которых содержится число единичных ошибок, исправленных в предыдущем принятом кадре).

0x57:

0x57:

RxFec1BitErr — 15-разрядное число единичных ошибок, встретившихся в предыдущем принятом кадре. Этот регистр содержит корректную информацию только в случае, если бит TxRxFwdEc в регистре 0х39 выставлен в значение 1).

Регулирование амплитуды выходного сигнала

Для сбора статистики по функционированию режима FEC использовалась возможность управления силой выходного сигнала в трансиверах nanoPAN. Для этого перед стартом передачи необходимо было занести число от 0 до 63 в младшие шесть байтов регистров RfTxOutputPower с адресами 0x2A и 0x2B (первый соответствует управлению силой сигнала для кадров с данными, второй предназначен для служебных кадров). В документации на NA1TR8 [4] приводится зависимость выходной мощности сигнала от значения, записанного в указанном регистре (рис. 2).

Таким образом, трансиверы поддерживают 19 градаций мощности сигнала, которые соответствуют значениям (0, 1, 2, 3, 4, 5, 21, 22, 23, 39, 40, 41, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63) в регистре RfTxOutputPower.

Порядок проведения экспериментов

В предыдущих статьях авторов [5, 6] было описано некоторое количество экспериментов по определению условий и качества радиосвязи с использованием трансиверов nanoNET. На основе программного обеспечения, использовавшегося ранее, для изучения условий применения коррекции ошибок FEC была создана новая версия программы. Она загружалась и исполнялась в микроконтроллерах ATmega32L и управляла работой двух радиомодулей nanoNET по интерфейсу SPI. Также с ее помощью результаты измерений отсылались по com-порту в персональный компьютер.

В начале цикла измерений узел-мастер в течение 10 секунд посылал узлу-слейву кадры длиной 128 байт на максимальной выходной мощности. В журнал работы заносилось как значение общего количества отосланных кадров, так и количество кадров, на которые удаленный узел прислал подтверждение о приеме. Каждый кадр передавался не более чем c тремя ретрансмиссиями, которые автоматически осуществлялись в случае неуспешного приема.

После 10-секундного периода узел-мастер последовательно посылал узлу-слейву кадры, постепенно уменьшая амплитуду сигнала со значения 63 до 0, и фиксировал количество ретрансмиссий. Если счетчик попыток передачи пакета для текущей мощности сигнала равнялся трем, это означало, что пакет так и не был доставлен адресату (узлу-слейву). Пакеты подтверждения о приеме посылались всегда на максимальной мощности (63).

Типичная запись в журнале эксперимента выглядела следующим образом.

FEC off и FEC on — выключение и включение режима коррекции ошибок соответственно.

SENT=3973 — количество отправленных за 10 секунд кадров по 128 байтов (на максимальной мощности сигнала).

OK=3973 — количество переданных пакетов, на которые было получено подтверждение о приеме.

RTC: 000004395914 — временная метка регистрации данных (аппаратная поддержка в трансиверах Nanonet).

Строчка, обозначенная синим цветом на рис. 3, содержит набор цифр, каждая из которых обозначает уровень мощности отправленного информационного кадра. Всего 19 градаций — от 18 (написана только восьмерка, а единица для компактности в записи в журнале опущена) до 0.

Следующие три (для увеличения достоверности) строки соответствуют сериям отправки кадров с уменьшающейся силой сигнала.

Каждый символ в этих строчках обозначает количество ретрансмиссий, которое потребовалось для подтвержденной передачи. Если их не было, то есть кадр был передан с первой попытки, вставлялся пробел.

Например, в первой серии кадры с уровнем мощности 18, 17, 16 и т. д. до 9 отсылались с первой попытки. А вот при уровне сигнала в 9 условных единиц потребовалась одна дополнительная ретрансмиссия; далее на восьмом уровне мощности две ретрансмиссии, а затем вообще не было зарегистрировано безошибочных передач.

Другими словами, пока сигнал узла-мастера был достаточно сильным (соответствующие значения регистра RfTxOutputPower лежали в диапазоне от 63 до 39), узел-слейв подтверждал прием каждого пакета. Как только уровень мощности стал равным 9, начали появляться проблемы с приемом. А для уровней сигнала от 7 до 0 вообще не было зарегистрировано ни одной успешной передачи.

То есть чем хуже были условия приема-передачи, тем ближе к началу третьей строки возникали цифры 1, 2 и 3.

Пользуясь таким журналом, можно ввести некий новый параметр, характеризующий необходимую (минимальную) амплитуду выходного сигнала, достаточную для успешной передачи в конкретных условиях. Его можно назвать пороговой мощностью между безошибочным и ошибочным приемом. Для приведенного выше примера (первая серия) таким порогом было 9. Чем ниже порог, тем более стабильная была передача при неизменной мощности радиосигнала.

Таким образом, качество радиосвязи в проведенных экспериментах контролировалось двумя параметрами: процентом безошибочных передач для кадров, отосланных на максимальной мощности, и усредненной по трем значениям пороговой мощностью успешной передачи.

Результаты экспериментов

1. 1. Сравнивая последовательные серии посылок с включенной (FEC on) и выключенной (FEC off, рис. 3) коррекцией ошибок, можно сразу заметить, что включение коррекции ошибок позволяет повысить надежность передачи при неизменном уровне мощности сигнала на стороне передатчика.
   2. На рис. 4 отражена диаграмма распределений процента успешных передач (отношение OK/SENT для кадров, отправленных на максимальной мощности) от пороговой мощности между безошибочным и ошибочным приемом (пороговая мощность выступает в качестве параметра условий радиопередачи «хорошо-плохо»). Данный график не имеет прямого отношения к коррекции данных, однако очень важен в практическом плане.

      

      Рис. 4. Процент безошибочных передач кадров длиной 128 байтов в зависимости от порогового уровня выходного сигнала на передающей стороне и включения или выключения коррекции ошибок FEC

При построении сетей датчиков и других распределенных систем одним из актуальных вопросов оказывается управление энергопотреблением. Главным инструментом в этом случае является варьирование мощности выходного сигнала (чем больше его амплитуда и потребляемый ток, тем больше зона уверенного приема). Кроме этого, намеренное уменьшение мощности иногда используется для снижения вероятности возникновения коллизий и сетевых проблем типа «скрытый узел».

Для организации надежной радиосвязи по возможности без ретрансмиссий необходимо обеспечить уровень потерь не выше 5–10%. Тогда для осуществления передачи потребуется максимум одна ретрансмиссия.

Поэтому можно утверждать, что после тестирования канала радиосвязи и оценки пороговой мощности независимо от того, включена коррекция FEC или нет, если трансиверы связываются между собой в условиях с пороговыми уровнями сигнала не выше 10 в условных единицах, это почти гарантирует малоошибочную передачу. В случаях осуществления связи с уровнями сигнала 15–17 процент успешных передач резко падает, а при уровне 18 связь крайне нестабильная (рис. 4).

Использование тестирования линий таким способом может помочь при проектировании маршрутов в сложных радиосетях типа mesh (ячеистая).

1. 1. На рис. 5 представлены данные 64 измерений. Для каждой точки в обоих режимах (FEC on и FEC off) собиралась информация о количестве безошибочных передач и пороговом (минимальном) уровне мощности сигнала на передающей стороне, необходимом для успешной доставки кадра по назначению. Разница между измерениями заключалась в подборе внешних условий прохождения радиосигналов путем отключения антенн и изменения расстояния между источником и приемником кадров.

      

      Рис. 5. Количество безошибочных передач кадров за 10 секунд (левая ось) и соответствующий ему пороговый уровень выходного сигнала на передающей стороне (правая ось) при включенной и выключенной коррекции ошибок FEC для 64 точек измерений

После набора данных они были отсортированы по убыванию значений количества безошибочно переданных кадров для режима с выключенной коррекцией ошибок FEC (монотонно убывающая кривая из сплошных квадратов на рис. 5, левая ось). Ей соответствует почти монотонно возрастающая линия с полыми квадратами. При пороговых уровнях мощности до 10 (правая ось для полых квадратов), уровень безошибочных передач достаточно высок, а уже после 13-й точки по горизонтальной оси начинает снижаться.

Подобная картина наблюдается и для кривых с ромбами (включенный FEC). До 33-й точки количество успешных передач максимально, тогда как с увеличением пороговой мощности выше 10 процент потерь также увеличивается. Разница в максимальных значениях количества отосланных кадров за 10 секунд для включенного и выключенного режима коррекции ошибок составляет примерно 40%, что объясняется увеличением времени передачи из-за введенных в поток дополнительных битов, обеспечивающих избыточность. Другими словами, при включении опции FEC скорость передачи падает примерно в 1,4 раза, что, однако, резко повышает надежность связи и, соответственно, увеличивает зону уверенного приема. При сравнении значений двух кривых с полыми квадратами и ромбами можно отметить, что при одних и тех же условиях (для одной точки на графике) кривая с квадратами находится выше, в среднем, примерно на 4 деления по правой шкале. Это говорит о том, что благодаря коррекции ошибок можно из более слабого физического входного сигнала «добыть» информационную составляющую без использования дополнительных аппаратных усилителей и средств радиочастотной фильтрации.

Приняв во внимание график (рис. 6), полученный в ходе экспериментов [6], можно заметить, что уменьшение пороговой мощности, достаточной для установления связи, на 4 единицы примерно соответствует 60 метрам увеличения максимального расстояния между узлами, что предс тавляется очень серьезной цифрой.

Заключение

Как уже было показано, введение аппаратной коррекции ошибок практически всегда позволяет достичь более устойчивой связи. «Платой» за это является уменьшение пропускной способности радиоканала.

В заключение необходимо отметить, что включение опции FEС не избавляет от ошибок, оно лишь помогает некоторые из них исправить. Даже если FEC-декодер вследствие случайности помех не определит наличие ошибки (например, строенная, счетверенная), то это почти наверняка будет определено на приемной стороне при CRC-декодировании.

---

Авторы благодарят Д. А. Екимова (Петрозаводский государственный университет) за высказанные критические замечания.

Данное исследование проведено в рамках проекта «Научно-образовательный центр по фундаментальным проблемам приложений физики низкотемпературной плазмы» (RUX0-013-PZ-06), поддерживаемого Министерством образования и науки РФ, Американским фондом гражданских исследований и развития (CRDF) и Правительством Республики Карелия, а также частично финансировалось Техническим Научно-исследовательским Центром Финляндии (VTT) в рамках договорных работ.

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 64 kbps, в мc	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.

4.3. Метод коррекции ошибок FEC (Forward Error Correction)

Транспортировка данных подвержена влиянию шумов и наводок, которые вносят искажения. Если вероятность повреждения данных мала, достаточно зарегистрировать сам факт искажения и повторить передачу поврежденного фрагмента.

Когда вероятность искажения велика, например, в каналах коммуникаций с геостационарными спутниками, используются методы коррекции ошибок. Одним из таких методов является FEC (Forward Error Correction, иногда называемое канальным кодированием ) [4.1]. Технология FEC в последнее время достаточно широко используется в беспроводных локальных сетях (WLAN). Существуют две основные разновидности FEC: блочное кодирование и кодирование по методу свертки.

Блочное кодирование работает с блоками (пакетами) бит или символов фиксированного размера. Метод свертки работает с потоками бит или символов произвольной протяженности. Коды свертки при желании могут быть преобразованы в блочные коды.

Существует большое число блочных кодов, одним из наиболее важных является алгоритм Рида-Соломона, который используется при работе с CD, DVD и жесткими дисками ЭВМ. Блочные коды и коды свертки могут использоваться и совместно.

Для FEC -кодирования иногда используется метод сверки, который впервые был применен в 1955 году. Главной особенностью этого метода является сильная зависимость кодирования от предыдущих информационных битов и высокие требования к объему памяти. FEC -код обычно просматривает при декодировании 2-8 бит десятки или даже сотни бит, полученных ранее.

В 1967 году Эндрю Витерби (Andrew Viterbi) разработал технику декодирования, которая стала стандартной для кодов свертки. Эта методика требовала меньше памяти. Метод свертки более эффективен, когда ошибки распределены случайным образом, а не группируются в кластеры. Работа же с кластерами ошибок более эффективна при использовании алгебраического кодирования.

Одной из широко применяемых разновидностей коррекции ошибок является турбо-кодирование, разработанное американской аэрокосмической корпорацией. В этой схеме комбинируется два или более относительно простых кодов свертки. В FEC, так же как и в других методах коррекции ошибок (коды Хэмминга, алгоритм Рида-Соломона и др.), блоки данных из k бит снабжаются кодами четности, которые пересылаются вместе с данными и обеспечивают не только детектирование, но и исправление ошибок. Каждый дополнительный (избыточный) бит является сложной функцией многих исходных информационных бит. Исходная информация может содержаться в выходном передаваемом коде, тогда такой код называется систематическим, а может и не содержаться.

В результате через канал передается n -битовое кодовое слово ( n>k ). Конкретная реализация алгоритма FEC характеризуется комбинацией ( n, k ). Применение FEC в Интернете регламентируется документом RFC3452. Коды FEC могут исключить необходимость обратной связи при потере или искажении доставленных данных (запросы повторной передачи). Особенно привлекательна технология FEC при работе с мультикастинг-потоками, где ретрансмиссия не предусматривается (см. RFC-3453).

В 1974 году Йозеф Оденвальдер (Joseph odenwalder) объединил возможности алгебраического кодирования и метода свертки. Хорошего результата можно добиться, введя специальную операцию псевдослучайного перемешивания бит (interleaver).

В 1993 году группой Клода Берроу (Claude Berrou) был разработан турбо-код. В кодеке, реализующем этот алгоритм, содержатся кодировщики как минимум двух компонент (реализующие алгебраический метод или свертку). Кодирование осуществляется для блоков данных. Здесь также используется псевдослучайное перемешивание бит перед передачей. Это приводит к тому, что кластеры ошибок, внесенных при транспортировке, оказываются разнесенными случайным образом в пределах блока данных.

На
рис.
4.8 проводится сравнение вариантов BER (Bit Error Rate) при обычной транспортировке данных через канал и при передаче тех же данных с использованием коррекции ошибок FEC для разных значений отношения сигнал-шум ( S/N ). Из этих данных видно, что при отношении S/N= 8 дБ применение FEC позволяет понизить BER примерно в 100 раз. При этом достигается результат, близкий (в пределах одного децибела) к теоретическому пределу Шеннона.

За последние пять лет были разработаны программы, которые позволяют оптимизировать структуры турбо-кодов. Улучшение BER для турбокодов имеет асимптотический предел, и дальнейшее увеличение S/N уже не дает никакого выигрыша. Но схемы, позволяющие смягчить влияние этого насыщения, продолжают разрабатываться.

Турбо-кодек должен иметь столько же компонентных декодеров, сколько имеется кодировщиков на стороне передатчика. Декодеры соединяются последовательно.

Техника FEC находит все большее применение в телекоммуникациях, например, при передачи мультимедиа [2].

Следует помнить, что, как в случае FEC , так и в других известных методах коррекции ошибок ( BCH , Golay, Hamming и др.) скорректированный код является верным лишь с определенной конечной вероятностью.