CN101820331A - 光纤数据传输方法及装置 - Google Patents

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王喜光
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Abstract

本发明公开了一种光纤数据传输方法和装置，该方法包括：发送端在原始并行码流中加入帧头定位码；发送端进行并串转换，并对转换后的串行码流进行加扰；发送端将加扰后的串行码流向接收端发送；接收端解扰接收到的串行码流，并搜索解扰后的串行码流中的帧头定位码，定位解扰后串行码流的帧头位置；接收端根据解扰后串行码流的帧头位置，将解扰后的串行码流进行并串转换，得到原始并行码流。该方法和装置实现了自恢复式帧同步，且提高了数据传输的安全性，增加了光纤带宽的利用率。

Description

光纤数据传输方法及装置
技术领域
本发明涉及光传输技术领域，特别涉及光纤数据传输方法及装置。
背景技术
在光纤传输中，为实现高速传输，一般采用串行的方式发送数据流，即发送端将原始的多路并行数据进行并串转换，转换为高速的串行码流并发送，接收端再通过串并转换，恢复为原始的多路并行数据。在这种高速的串行数据流的传输和识别中，涉及两个重要的技术问题，即直流平衡和帧头定位。
当高速串行码流中的逻辑1或逻辑0有多个位没有产生变化时，信号的转换就会因为电压位阶的关系而造成信号错误，为解决该问题，在高速光纤数据传输过程中，通常都需要对传输的数据信号进行调整，避免出现多个连续的逻辑1或逻辑0，这就是“直流平衡”(DC Balance)。
常用的直流平衡方法是8b/10b的编码，即发送端采用8b/10b的编码方式，将8位原始数据经过映射机制转化为10位的编码数据，如在连续的“0”中插入“1”，从而平衡数据流中“0”与“1”的排列，使得编码后的数据流不会出现大量连续相同的码字。而在接收端，按照10b/8b解码即可得到实际的数据。
另外，在串行的数据传输中，所有的数据帧按顺序排列成长串，此时，接收端需要从长串的码流中确定出每一个数据帧的帧头位置，以区分识别不同的数据帧，即帧头定位。
现有的帧头定位，一般是采用K码实现。K码是来自于PCI EXPRESS协议中的一种串行数据流帧头定位方法，PCI EXPRESS协议里面有使用K码的详细阐述，这里不再赘述。
现有的光传输通过上述的K码+8b/10b编码，实现了串行数据传输，即在发送端先发K码与接收端建立链接和定位之后，再发送经过并串转换及8B/10B编码后的数据帧；在接收端，先是从码流中找到K码确认链接和定位之后，再对后续的码流进行10B/8B解码和串并转换，得到实际的数据帧。
由于8B/10B编码是一种冗余编码，编码后的数据量要比实际数据的数据量要大，因此会增加业务数据传输的带宽占用，减少了带宽的利用率。以1.25Gbps的高速带宽为例，在采用了8b/10b编码之后，实际上能够用于传输业务数据的带宽只有1Gbps，这就极大地浪费了传输带宽。
另外，对于帧头定位来说，使用K码需要较多的信令交互，在硬件实现上较为复杂，如目前流行的现场可编程逻辑阵列(FPGA)的实现方式，实现K码定位的难度很大，且需要消耗非常多的逻辑资源，成本较高。
最后，由于K码在传输中采用明码传输，即K码不经过8b/10b编码，而且K码是一些固定的码字，有规律可循，很容易被截获和破解，数据传输的安全性不高。
发明内容
本发明实施例提供一种光纤数据传输方法，能够增加带宽利用率，提高数据安全性。
本发明实施例提供一种光纤数据传输装置，能够增加带宽利用率，提高数据安全性。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种光纤数据传输方法，该方法包括：
发送端在原始并行码流中加入帧头定位码；
发送端进行并串转换，并对转换后的串行码流进行加扰；
发送端将加扰后的串行码流向接收端发送；
接收端解扰接收到的串行码流，并搜索解扰后的串行码流中的帧头定位码，定位解扰后串行码流的帧头位置；
接收端根据解扰后串行码流的帧头位置，将解扰后的串行码流进行并串转换，得到原始并行码流。
一种光纤数据传输装置，该装置包括：发送端和接收端；
所述发送端，用于在原始并行码流中加入帧头定位码；将加入帧头定位码的并行码流进行并串转换，并对转换后的串行码流进行加扰；将加扰后的串行码流向接收端发送；
所述接收端，用于解扰接收到的串行码流，并搜索解扰后的串行码流中的帧头定位码，定位解扰后串行码流的帧头位置；根据解扰后串行码流的帧头位置，将解扰后的串行码流进行并串转换，得到原始并行码流。
由上述的技术方案可见，本发明的这种光纤数据传输方法和装置，将帧头定位码和数据在发送端一起加扰，而没有采用冗余编码，因此，接收端只要按照加扰原理进行相应的解扰就可以自动恢复出帧头定位码和数据，实现自恢复式的帧同步，而且，不知道加扰方法的非法用户无法对数据流进行解扰，也就不能确定帧头位置，无法截获到数据流，从而进一步提高了数据传输的安全性。另外，由于没有采用冗余编码，还提高了光纤带宽的利用率。
附图说明
图1为本发明实施例的光纤数据传输方法流程图；
图2为本发明实施例的光纤数据传输装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
本发明主要是在发送端将帧头定位码插入多个并行数据流中，进行并串转换并加扰后发送，接收端解扰接收到的串行数据流，并搜索到帧头定位码后，进行串并转换，将串行数据流转换为原始的多个并行数据流。
图1为本发明实施例的光纤数据传输方法流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤101，发送端在并行码流中加入帧头定位码；
帧头定位码添加在并行码流中，帧头定位码是预先与接收端约定的一个特征码，帧头定位码的位数为8位，码字可以任意定义，我们这里定义为11101000(通过实验验证此码比较可靠)，具体添加方法：每64位数据中加入一位帧头定位码，每512位数据中加入整个8位的帧头定位码。
步骤102，发送端进行并串转换；
将添加帧头定位码后的并行码流转换为串行码流，并串转换是本领域的常用技术，这里不再详述。
步骤103，发送端对转换后的串行码流进行加扰；
加扰技术，就是在不增加多余码字的条件下而扰乱信号，改变数字信号的统计特性。本步骤中，加扰可以采用反馈移位寄存器移位寄存器来实现，反馈移位寄存器的级数任意，经实验，7级反馈移位寄存器效果较好。采用7级反馈移位寄存器加扰的具体方法是将7级反馈移位寄存器的第3级抽头和第7级抽头做同或运算的结果与输入码流做异或运算，将异或运算的结果送给7级反馈移位寄存器的输入，将7级反馈移位寄存器的第一级作为串行码流的加扰输出；从而保证码流中逻辑1或逻辑0的均衡，达到与冗余编码相似的直流平衡效果。
步骤104，接收端对接收到的串行码流进行解扰；
这里的解扰是步骤103中加扰过程的逆过程，具体解扰方法是将7级反馈移位寄存器的第3级抽头和第7级抽头做同或运算的结果与输入码流做异或运算，将异或运算的结果作为串行码流的解扰输出。
步骤105，接收端搜寻帧头定位码，定位数据帧；
通过搜索预先插入码流的帧头定位码，定位串行数据码流的帧头位置；
步骤106，接收端进行串并转换；
根据解扰后串行码流的帧头位置，将解扰后的串行码流进行并串转换，得到原始并行码流。本步骤是步骤102的逆过程。
以上加解扰设计、帧头定位码设计均可采用VHDL语言设计，采用FPGA实现，具体实现方法还有很多，这里不再一一详述。
本方法中，由于帧头定位码和数据在发送端是一起加扰的，在接收端只要按照我们的加扰原理进行相应的解扰就可以自动恢复出帧头定位码和数据，并且能够自动检测帧码实现定位，无需进行额外的帧同步动作，实现了自恢复式的帧同步。
另外，在现有的8B/10B编码+K码的传输方法中，实际上K码是没有经过8B/10B编码的，这就存在了一个安全隐患，因为无论选择什么样的K码信令(实际上PCI EXPRESS协议里的K码都是固定的数值)，都是有规律的，在接收端可以轻易破解出K码信令，这样就存在数据被截获的可能性，有安全隐患。而本发明中帧头定位码和数据是一起加扰之后再发送的，我们的帧头定位码虽然也是固定的数值，但经过加扰之后的帧头定位码就毫无规律可言了，而加扰的方式由发送端控制，不知道加扰方法的非法用户无法对数据流进行解扰，也就不能确定帧头位置，无法截获到数据流。从而进一步提高了数据传输的安全性。
在上述方法中，由于采用加扰而不是冗余编码实现直流平衡，所以数据传输的冗余度大大减少，如果以2.5Gbps带宽为例，一路视频信号和一路以太网的带宽均为125Mbps，若采用传统的8b/10b编码，带宽利用率只有80％，即2.5Gbps带宽的实际传输业务的带宽仅为2Gbps，最多只能传送16路视频。如果采用本发明的编码方式，则最多可以传输19路视频(或者18路视频+1路以太网)和多路数据、音频和开关量业务，还大大提高了带宽利用率和数据传输能力。
在上述的数据传输方法下，以光纤信道的带宽设定为2.5Gbps为例，我们设计了如下的帧结构以具体实现高带宽利用率的数据传输：
将2.5Gbps分成20个支路，每个支路的带宽为125Mbps。支路0用来传输数据、语音和开关量等业务。支路1-18传输视频，支路19用来传以太网数据。帧头定位码(Frame)设置为：11101000，帧结构如下：
  0   1   2   3   4   5   6   7
  支路0   Frame   1.9m时隙8-15   1.9m时隙16-13   1.9m时隙24-31   1.9m时隙32-39   1.9m时隙40-47   1.9m时隙48-55   1.9m时隙56-63
  支路1   V0   V0   V0   V0   V0   V0   V0   V0
  支路2   V1   V1   V1   V1   V1   V1   V1   V1
  支路3   V2   V2   V2   V2   V2   V2   V2   V2
  支路4   V3   V3   V3   V3   V3   V3   V3   V3
  支路5   V4   V4   V4   V4   V4   V4   V4   V4
  支路6   V5   V5   V5   V5   V5   V5   V5   V5
  支路7   V6   V6   V6   V6   V6   V6   V6   V6
  支路8   V7   V7   V7   V7   V7   V7   V7   V7
  支路9   V8   V8   V8   V8   V8   V8   V8   V8
  支路10   V9   V9   V9   V9   V9   V9   V9   V9
  支路11   V10   V10   V10   V10   V10   V10   V10   V10
  支路12   V11   V11   V11   V11   V11   V11   V11   V11
  支路13   V12   V12   V12   V12   V12   V12   V12   V12
  支路14   V13   V13   V13   V13   V13   V13   V13   V13
  支路15   V14   V14   V14   V14   V14   V14   V14   V14
  支路16   V15   V15   V15   V15   V15   V15   V15   V15
  0   1   2   3   4   5   6   7
  支路17   V16   V16   V16   V16   V16   V16   V16   V16
  支路18   V17   V17   V17   V17   V17   V17   V17   V17
  支路19   Fe   Fe   Fe   Fe   Fe   Fe   Fe   Fe
表一，数据帧结构
上表中，V**表示视频数据，Fe表示以太网数据，Frame为帧头定位码。其中，支路0(125Mbps)又分为64个时隙，其中帧头定位码、网管和共享数据各占用一个时隙，环网开销占用2个时隙，数据占用18个时隙，语音占用18个时隙，其他的时隙为固定电平，当然，实际上传输固定电平的时隙也可以传输数据、语音和开关量业务，具体时隙划分见下表二。表一中各支路具体的业务划分任意，表一的划分方法仅是一个可行的例子。可以看出，通过表一的帧结构划分，在2.5Gbps高速光纤带宽中，可以实现同时传送18路视频和一路以太网数据，以及其他语音、控制等数据的传输，相比现有技术的带宽利用率有很大提高。
具体地，上表中的支路0中，各时隙划分如下表所示：
  0   1   2   3   4   5   6   7
  CH0   Frame   Ral   Cc   SD1/SD2   NM   VCC   VCC   VCC
  CH1   D_00/D_01   D_02/D_03   D_04/D_05   D_06/D_07   D_08/D_09   D_0A/D_0B   D_0C/D_0D   D_0E/D_0F
  CH2   D_10/D_11   D_12/D_13   D_14/D_15   D_16/D_17   D_18/D_19   D_1A/D_1B   D_1C/D_1D   D_1E/D_1F
  CH3   D_20/D_21   D_22/D_23   VCC   VCC   VCC   VCC   VCC   VCC
  CH4   Audio_00   Audio_01   Audio_02   Au_dio_03   Audio_04   Audio_05   Audio_06   Audio_07
  CH5   Audio_08   Audio_09   Audio_0A   Au_dio_0B   Audio_0C   Audio_0D   Audio_0E   Audio_0F
  CH6   Audio_10   Audio_11   VCC   VCC   VCC   VCC   VCC   VCC
  CH7   VCC   VCC   VCC   VCC   VCC   VCC   VCC   VCC
表二，支路0的时隙划分表
表二中，一个通道(CH)中包括8个时隙，其中，Audio_**为语音，D_**为数据，VCC为固定电平，Frame为帧头定位码，Ral和Cc是通道开销，可以用来测试和维护通道，SD1/SD2是共享数据(是数据业务的一种)，NM是网管通道(可以提供设备信息的管理功能)。
图2为本发明实施例的光纤数据传输装置结构示意图，如图2所示，该装置包括发送端201和接收端202，
发送端201，用于在原始并行码流中加入帧头定位码；将加入帧头定位码的并行码流进行并串转换，并对转换后的串行码流进行加扰；将加扰后的串行码流向接收端202发送；
接收端202，用于解扰接收到的串行码流，并搜索解扰后的串行码流中的帧头定位码，定位解扰后串行码流的帧头位置；根据解扰后串行码流的帧头位置，将解扰后的串行码流进行并串转换，得到原始并行码流。
其中，发送端201包括：
帧头定位码插入模块203，用于在原始并行码流中加入帧头定位码；
并串转换模块204，用于将加入帧头定位码的并行码流进行并串转换；
加扰模块205，用于对转换后的串行码流进行加扰，将加扰后的串行码流向接收端202发送。
其中，接收端202包括：
解扰模块206，用于解扰接收到的串行码流；
帧头定位码搜索模块207，用于搜索解扰后的串行码流中的帧头定位码，定位解扰后串行码流的帧头位置；
串并转换模块208，用于根据解扰后串行码流的帧头位置，将解扰后的串行码流进行并串转换，得到原始并行码流。
较佳地，所述加扰模块205和解扰模块206可以采用反馈移位寄存器实现，反馈移位寄存器的级数任意，经实验，7级反馈移位寄存器可达到较好效果。
较佳地，所述加扰模块采用7级反馈移位寄存器实现时，具体加扰方法为：将7级反馈移位寄存器的第3级抽头和第7级抽头做同或运算的结果与输入码流做异或运算，再将异或运算的结果送给7级反馈移位寄存器的输入，将7级反馈移位寄存器的第一级作为串行码流的加扰输出。
较佳地，所述解扰模块采用7级反馈移位寄存器实现时，具体解扰方法为：将7级反馈移位寄存器的第3级抽头和第7级抽头做同或运算的结果与输入码流做异或运算，将异或运算的结果作为串行码流的解扰输出。
上述装置可以实现本发明所述的光纤数据传输方法，其中各模块中具体的功能实现可以参考方法实施例，这里不再详述。
由上述的实施例可见，本发明的这种光纤数据传输方法和装置，将帧头定位码和数据在发送端一起加扰，而没有采用冗余编码，因此，接收端只要按照加扰原理进行相应的解扰就可以自动恢复出帧头定位码和数据，实现自恢复式的帧同步，而且，不知道加扰方法的非法用户无法对数据流进行解扰，也就不能确定帧头位置，无法截获到数据流，从而进一步提高了数据传输的安全性。另外，由于没有采用冗余编码，还提高了光纤带宽的利用率。

Claims (10)

1.一种光纤数据传输方法，其特征在于，该方法包括：
发送端在原始并行码流中加入帧头定位码；
发送端进行并串转换，并对转换后的串行码流进行加扰；
发送端将加扰后的串行码流向接收端发送；
接收端解扰接收到的串行码流，并搜索解扰后的串行码流中的帧头定位码，定位解扰后串行码流的帧头位置；
接收端根据解扰后串行码流的帧头位置，将解扰后的串行码流进行并串转换，得到原始并行码流。
2.如权利要求1所述的光纤数据传输方法，其特征在于，所述帧头定位码为11101000。
3.如权利要求1所述的光纤数据传输方法，其特征在于，所述加扰和解扰通过反馈移位寄存器实现。
4.如权利要求3所述的光纤数据传输方法，其特征在于，所述加扰包括：
将7级反馈移位寄存器的第3级抽头和第7级抽头做同或运算的结果与输入码流做异或运算，再将异或运算的结果送给7级反馈移位寄存器的输入，将7级反馈移位寄存器的第一级作为串行码流的加扰输出。
5.如权利要求3所述的光纤数据传输方法，其特征在于，所述解扰包括：
将7级反馈移位寄存器的第3级抽头和第7级抽头做同或运算的结果与输入码流做异或运算，将异或运算的结果作为串行码流的解扰输出。
6.一种光纤数据传输装置，其特征在于，该装置包括：发送端和接收端；
所述发送端，用于在原始并行码流中加入帧头定位码；将加入帧头定位码的并行码流进行并串转换，并对转换后的串行码流进行加扰；将加扰后的串行码流向接收端发送；
所述接收端，用于解扰接收到的串行码流，并搜索解扰后的串行码流中的帧头定位码，定位解扰后串行码流的帧头位置；根据解扰后串行码流的帧头位置，将解扰后的串行码流进行并串转换，得到原始并行码流。
7.如权利要求6所述的光纤数据传输装置，其特征在于，所述发送端包括：
帧头定位码插入模块，用于在原始并行码流中加入帧头定位码；
并串转换模块，用于将加入帧头定位码的并行码流进行并串转换；
加扰模块，用于对转换后的串行码流进行加扰，将加扰后的串行码流向接收端发送。
8.如权利要求6所述的光纤数据传输装置，其特征在于，所述接收端包括：
解扰模块，用于解扰接收到的串行码流；
帧头定位码搜索模块，用于搜索解扰后的串行码流中的帧头定位码，定位解扰后串行码流的帧头位置；
串并转换模块，用于根据解扰后串行码流的帧头位置，将解扰后的串行码流进行并串转换，得到原始并行码流。
9.如权利要求7所述的光纤数据传输装置，其特征在于，所述加扰模块采用7级反馈移位寄存器实现，具体加扰方法包括：
将7级反馈移位寄存器的第3级抽头和第7级抽头做同或运算的结果与输入码流做异或运算，再将异或运算的结果送给7级反馈移位寄存器的输入，将7级反馈移位寄存器的第一级作为串行码流的加扰输出。
10.如权利要求8所述的光纤数据传输装置，其特征在于，所述解扰模块采用7级反馈移位寄存器实现，具体解扰方法包括：
将7级反馈移位寄存器的第3级抽头和第7级抽头做同或运算的结果与输入码流做异或运算，将异或运算的结果作为串行码流的解扰输出。
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