CN100488057C

CN100488057C - 数字信号的优化交织

Info

Publication number: CN100488057C
Application number: CNB2004101013113A
Authority: CN
Inventors: S·加斯塔尔代洛; G·马凯达; O·A·萨比
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel CIT SA; Alcatel Lucent SAS; Alcatel Lucent NV
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2024-12-16
Also published as: CN1630207A; EP1545011B1; EP1545011A1; US20050149820A1; ATE400927T1; DE60322082D1

Abstract

描述了一种根据字节的周期循环改变在帧中传输的数字信号的字节顺序以及改变帧格式的方法。所述方法可方便地用于级联编码方案，以在编码增益与线路比特率之间取得最佳的平衡。

Description

数字信号的优化交织

技术领域

本发明涉及一种用于光传输网络中数字信号编码的交织技术，特别是涉及两级级联里德-所罗门(Reed-Solomon)码与优化交织的技术。

背景技术

为了减小某一特定信噪比的比特误码率，或在较低的信噪比下有相同的比特误码率，可以使用多种编码方案以改善传输信道的性能。这可以在发射机端由编码器实现，该编码器将一些从信息比特中得到的附加比特(称为冗余比特)加入到这些信息比特中，而这会导致线路比特率的增加。在接收机端，译码器检测出这些用于纠正错误比特的附加比特。

两种主要的编码方案是：分组码和卷积码。第三种称为级联码，它通过将两个或多个分组码和/或卷积码组合得到。

里德-所罗门(RS)码是一种公知的分组码。在二元码中，每个符号携带1个比特，而在非二元码中，每个符号携带m(m>1)个比特。RS是m＝8的非二元码，所以每个符号表示一个字节。数据比特流被分成长度为K的字节分组；加入冗余字节(也称为奇偶校验字节)，这样码字长度为N(N-K是冗余字节的长度)。编码率为K/N乘以100，表示码字中信息字节所占的百分比。代码的质量由净编码增益(NCG)表示，定义为不进行数据编码时所需的信噪比(SNR)与纠错时所需SNR的差，以取得预定的比特误码率(BER)，通常为10^＊^(-13)。RS码是系统码：这表明奇偶校验字节附加在信息字节之后。在现有技术中，RS码能在一个分组中检测出最多(N-K)个错误字节，并能定位和纠正一个分组中最多(N-K)/2个错误字节是已知的。例如RS(255，239)是N＝255、K＝239的RS码，它能纠正一个长度为255的码字中的最多8个错误字节。编码率为239/255＝0.93：这表明大约7％的码字是用于奇偶校验字节，而93％的码字为信息字节。采用RS(255，239)的现代传输系统可以实现5.8dB的净编码增益。RS码的一个优点是编码器与译码器的复杂程度较低。

分组码的性能可通过称为“交织”的过程改善。该过程就是在进行编码过程前改变比特/字节的顺序。这样，在接收机端的突发错误可位于不同的分组中，因此，代码能够纠正它们。在用于海底光传输系统的ITU-TG.975(10/2000)中和在用于地面光传输系统的ITU-T G.709/Y.1331(3/2003)的附件A中提出了一种用于光通道的采用交织的RS码，其中提出了前向纠错(FEC)码采用16字节交织的RS(255，239)码。根据ITU-T G.709，光通道转换单元(OTU)帧由4行组成，每行包括4080个字节。从第1到第3824字节为信息字节，从第3825到第4080字节为奇偶校验字节。如图1所示，每一行采用16字节交织(这也称为交织深度)分成16个子行。FEC奇偶校验字节通过每一子行的第1到第239信息字节计算出，并在同一子行的第240到第255字节中传送。FEC编码器的结构如图2所示：16个编码器中的每一个编码器都对子行添加的奇偶校验字节进行处理，然后码字被多路复用成串行数据。根据这种解决方案，性能可以得到改善，但对于某些应用而言还不够，在这些应用中，在两台设备、两台光转发器或一台设备与一台光转发器之间需要很大的间隔长度。一种可能的解决方案是使用一种更好的代码，具有更多的附加奇偶校验字节来纠正更多的错误字节，但这需要更高的比特率和更复杂的译码器。实际上，当比特率增加时，发射机与接收机采用的高速率电子部件的质量会急剧降低。因此，应该考虑编码开销低于20％的FEC方案。

一种解决方案是使用能取得与单一纠错能力强的代码的性能相同但译码复杂性较低、线路比特率增加较小的级联编码方案。参照图3，基于上述原因，一种解决方案是采用交织器级联两个代码，外码和内码。例如，在接收机端，内码用于以较高的BER操作，而外码以低的BER操作，这样外译码器仅纠正未被内译码器纠正的剩余错误。根据ITU-T G.709，已经提出了多种级联编码解决方案，以改善在帧中传送的数字信号的性能，特别是提高光缆系统抗突发错误的能力。内码可以是一种在较高BER下操作较好的卷积码，而外码可以是一种在低的BER条件下操作较好的分组码。可选地，它们也可以都是分组码，其中内码的编码率高于外码的。系统的整体性能不仅受到内、外码选取的影响，而且也受到交织技术选择好坏的影响，这样错误(特别是突发错误)可位于不同的分组中。像ITU-TG.709中提出的字节交织是一种简单的解决方案，但对于重要的应用还不够，所以需要一种更好的交织技术。

级联码的性能也可以通过使用迭代译码改善：这种技术具有改善FEC效率而不增加线路比特率的优点。参照图4，第一次迭代包括图3中原有的译码阶段，也就是内译码器、去交织器和外译码器，然后被译码的数据经过再次交织，送入内译码器中，进行迭代过程。通常使用2阶迭代译码方案，因为随着阶数的增加，译码器的复杂程度会提高而编码增益更小。

根据代码和交织的类型，已提出多种具有不同净编码增益的级联编码方案，以改善ITU-T G.975中提出的解决方案的性能，在ITU-T G.975中提出了一种基于RS(255，239)的单一编码和在兼容ITU-T G.709的帧中传送数字信号的字节交织。这种编码取得具有7％冗余的5.8dB的净编码增益。

总的来说，实现上述编码方案会出现如下问题：

-单一编码方案无法胜任某些应用；

-级联编码方案要求选用能够定位和纠正错误字节、最小化线路比特率的外码和内码；

-级联编码方案要求选用好的交织技术，以将错误划分在不同的分组中；

-级联编码方案中的迭代译码器能取得更高增益代码。

发明内容

考虑到上述已知和标准解决方案的缺点与不足，本发明的主要目的在于提供一种用于编码方案的优化交织，以改善光传输网的性能。该目的可通过下述技术方案实现：

一种用于改变在帧中传输的数字信号的字节顺序的方法，其中每一帧包括分组，每个分组包括字，每个字包括字节，所述方法的特征在于：根据某一规则改变至少一部分所述字中的所述字节的位置，其中所述规则确定从分组到分组的所述字节的循环。

该方法可以独立于特定编码方案使用，例如也可以在一般的需要改变在帧中传送的数字信号的字节顺序时使用，即也可以用于无线应用。该方法可以用于交织，即+1字节的循环，以及去交织，即-1字节的循环。

本发明的另一个目的在于在一种级联编码方案中提供一种将不同长度的两个分组码从第一格式变换到第二格式的方法。该目的可以通过下述技术方案实现：

在前面所述的技术方案的基础上，将第一帧格式的所述字重新排列到第二帧格式中，两种帧格式都包括分组，所述分组都包括字，所述字按行和列排列，对于所述第一和第二帧格式，所述行和列的数目不同，所述排列包括以下步骤：

-顺序读取所述第一帧格式的每个分组的第一列的字，并将它们写入所述第二帧格式的第一行；

-顺序读取所述第一帧格式的每个分组的第二列的字，并将它们写入所述第二帧格式的第二行；

-顺序读取所述第一帧格式的每个分组的后续列的字，直到最后一列，并将它们写入所述第二帧格式的后续行中，直到最后一行。

在一个优选实施例中，将附加用户信息的开销插入所述第二帧格式中。

总之，通过实现这种创新的交织，可以：

-在编码增益与线路比特率之间取得最佳平衡；

-增加传输距离或容量，或者减小系统成本；

-为用户提供更一般的信道。

附图说明

本发明通过下述描述并参照附图可以得以充分说明，但下述描述仅作为说明的目的而不是对本发明进行限制。

图1、2、3和4是关于现有技术的；

图1示出了用于FEC处理的被分为16个子行的OTU行；

图2示出了FEC编码器的结构；

图3示出了一种级联编码方案；

图4示出了一种迭代译码器；

图5示出了采用本发明交织技术的一种级联编码方案的示例；

图6是所述交织的第一步的示例说明；

图7是所述交织的第二步的示例说明。

具体实施方式

参照图5，在级联编码方案的一个优选实施例中使用的方法包括：交织和两种不同类型的分组码，第一种是RS(255，239)，第二种是RS(221，205)。外码对第一帧的每个子行进行操作，而内码对第二帧的每个子行进行操作。操作方式如下：第一帧符合ITU-T G.709，由4行组成，每一行被分为16个255个字节的子行(如图1所示)：从第1到第239列是信息字节，从第240到第255列是外码的奇偶校验字节。第二帧是通过对第一帧进行交织，并将第一帧映射到第二帧的第2到第205列得到的，而第二帧的第1列为附加开销，第206到第221列为内码的奇偶校验字节，因此第二帧包括5行，每一行被分成16个221字节的子行。第一帧的字节数与第二帧的第2到第205列的字节数相同(16320)，但格式不同：第一帧有4行×16子行×255列＝16320字节；第二帧从第2到第205列有5行×16子行×204列＝16320字节。交织的任务是将第一帧重新排列到第二帧的第2到第205列，以改变字节的位置和格式。内码需要205个信息字节：其中204个取自第一帧，1个来自附加开销。

所述交织的第一步如图6所示。第一帧被分成51个分组，每个分组由排列成4行5列的字组成，每个字由排成一列的16个字节组成，每个字节由排成一行的8个比特组成。图6中分组的4行与图5的第一帧的4行一一对应，图6的字A0与图5的行1的第一列对应。在第一步中，帧的结构不变(每一分组仍由4行5列组成)，而每个分组的字中的字节的位置根据从分组到分组的循环而变化：在第一分组中，每个字的字节不变；在第二个分组中，每个字的字节循环1个字节，如字A5所示；在第三个分组中，每个字的字节循环2个字节，如字A10所示；重复这样的循环，直到分组16，其中字A75(图6中未示出)循环15个字节。现在，从分组17开始以同样的方式重复该过程，其中字A80(图6中未示出)具有与字A0相同的值，一直到最后一个分组51。每个分组的每个字(如字B0)都遵遁这一规则。

所述交织的第二步如图7所示。现在，每个分组由5行和4列组成。图7中分组的5行与图5的第二帧的5行(从第2到第205列)一一对应，图7的字A0与图5的行1的第二列对应。在这一步骤中，字中的字节位置不变，而帧的结构根据下述规则变化：第一帧格式的第一个分组的第一列的字(图6)被读出，并写入第二帧格式的第一个分组的第一行(图7)；第一帧格式的第二个分组的第一列的字(图6)被读出，并写入第二帧格式的第二个分组的第一行(图7)；重复这个读-写过程，以读取第一帧格式的每个分组的第一列，并写入第二帧格式的每个分组的第一行。重复这个过程，读取第一帧格式的每个分组的第二列，并写入第二帧格式的每个分组的第二行。采用同样的方式，写入第二帧格式的第3、4和5行。

根据交织和两级级联分组码的该优选实现方式，可以通过2步迭代译码取得约8.2dB的编码增益。该级联码的总冗余是16.5％。

本发明的方法可用于不同的配置。例如，字节顺序的变化可以是两个连续分组的两个字节的循环，或两个不连续分组的一个字节的循环。格式的变化可以依照与上述过程不同的过程，例如读取第一帧格式的不连续分组的第一列：唯一的约束是需要读取的第一帧格式的分组中的字数与第二帧格式的每行中的字数相同。

这种方法可方便地在网络单元上实现，例如分插复用器(ADM)，其包括类似特定用途集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、微处理器或存储器等的硬件装置，以实现级联编码；例如，这些装置包括发射机和接收机，其中发射机是用于外编码的第一编码器、实现本发明方法的所有步骤的交织器和用于内编码的第二编码器的串行连接；而在一个优选实施例中的接收机是2级译码器，在第一级中，包括用于内译码的第一译码器、第一去交织器和用于外译码的第二译码器的串行连接；在第二级中，包括交织器、用于内译码的第三译码器、第二去交织器和用于外译码的第四译码器的串行连接。为存储第一帧格式和第二帧格式的信息，并执行用于循环的读、写操作和帧格式的变化，需要存储器，通常为随机存取存储器(RAM)。在一个优选实施例中，这种方法通过或结合类似甚高速集成电路硬件描述语言(VHDL)或C语言的软件程序，由一个或多个VHDL进程或C程序实现。因此，网络单元包括：对于编码和交织发送的数字信号，用于外编码的第一软件程序、用于交织的第二软件程序和用于内编码的第三软件程序；对于译码和去交织接收的数字信号，用于内译码的第四软件程序、用于去交织的第五软件程序和用于外译码的第六软件程序。该网络单元优选地也包括：对于编码和交织发送的数字信号，用于将一路串行数字信号解复用为至少两路并行数字信号的第七软件程序、用于将至少两路并行数字信号多路复用成一路串行数字信号的第八软件程序以及用于每路并行数字信号的根据第一、第二和第三程序的编码程序；对于译码和去交织接收的数字信号，用于将一路串行数字信号解复用为至少两路并行数字信号的第九软件程序、用于将至少两路并行数字信号多路复用为一路串行数字信号的第十软件程序以及用于每路并行数字信号的根据第四、第五和第六程序的编码程序。最后，该网络单元优选地包括：对于译码和去交织接收的数字信号，用于交织的第十一软件程序，该软件程序在第六软件程序后执行；在第十一程序后再执行一次第四、五和第六程序，并至少重复一次第十一、第四、第五和第六程序，以从最后重复的第六程序中取得译码信号。

Claims

1.一种用于改变在多个帧中传输的数字信号的字节顺序的方法，其中每一帧包括分组(#1，#2...#51)，每个分组包括字(A0，A5，A10，...)，每个字包括字节(0，1，...15)，所述字按行和列排列，将第一帧格式的所述字重新排列到第二帧格式中，对于所述第一和第二帧格式，所述行和列的数目不同，所述方法包括：

(a)根据某一规则改变至少一部分所述第一帧格式的所述字中的所述字节的位置，其中所述规则确定从分组到分组的所述字节的循环；

其特征在于，还包括：

(b)从所述第一帧格式的至少两个分组中，读取与所述第二帧格式的第一行的字数对应数量的字(A0 B0 C0 D0，A5 B5 C5 D5，...)，并将它们写入所述第二帧格式的至少两个分组的第一行；

(c)从所述第一帧格式的至少两个分组中，读取与所述第二帧格式的第二行的字数对应数量的字(A1 B1 C1 D1，A6 B6 C6 D6，...)，并将它们写入所述第二帧格式的至少两个分组的第二行；以及

(d)从所述第一帧格式的至少两个分组中，读取剩余数量的字，每次的数量对应所述第二帧格式的剩余行中的字数，并将它们顺序写入所述第二帧格式的至少两个分组的第三行至最后一行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤(b)包括顺序读取所述第一帧格式的每个分组的第一列的字(A0 B0 C0 D0，A5 B5 C5 D5，...)，并将它们写入所述第二帧格式的每个分组的第一行；

步骤(c)包括顺序读取所述第一帧格式的每个分组的第二列的字(A1B1 C1 D1，A6 B6 C6 D6，...)，并将它们写入所述第二帧格式的每个分组的第二行；

步骤(d)包括顺序读取所述第一帧格式的每个分组的后续列的字，直到最后一列，并将它们写入所述第二帧格式的每个分组的后续行中，直到最后一行。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述字(A0，A5，A10，...)按字节(0，1，...15)的列排列。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于：所述方法用于级联编码，所述级联编码包括外编码和内编码；

所述方法还包括：在所述步骤(a)之前执行所述外编码，在所述步骤(d)之后执行所述内编码。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：在所述第二帧格式中添加开销，用于承载附加用户信息。

6.一种交织器，包括用于执行根据权利要求1至4任意一项所述方法的所有步骤的硬件和/或软件装置。

7.一种网络单元，包括用于执行级联编码的硬件装置，所述硬件装置包括发射机，所述发射机包括用于外编码的第一编码器、用于执行根据权利要求1至3任意一项所述方法的所有步骤的交织器与用于内编码的第二编码器的串行连接。

8.根据权利要求7所述的网络单元，还包括接收机，所述接收机包括用于内译码的第一译码器、用于执行根据权利要求1至3任意一项所述方法的所有步骤的去交织器和用于外译码的第二译码器的串行连接。

9.根据权利要求8所述的网络单元，其中：所述发射机还包括在所述交织器和所述第二编码器之间的加法器，以加入用于附加用户信息的开销；所述接收机还包括在所述第一译码器和所述去交织器之间的减法器，以减去所述附加用户信息的开销。