CN103929265A - 一种通信前向纠错方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数据通信技术领域中的一种通信前向纠错方法及装置。本发明首先对数据帧进行识别；其次按识别后的所述数据帧的重要性对所述数据帧进行前向纠错编码；最后对进行所述前向纠错编码后的数据帧进行解码，得到纠错后的数据帧。本发明针对通信数据帧的重要性对数据帧进行不同编码解码，得到纠错后的通信数据，由于只对重要数据帧进行纠错，故整个过程计算量小，并且大大提高的通信业务的传输质量。

Description

一种通信前向纠错方法及装置

技术领域

本发明涉及数据通信技术领域，特别涉及一种通信前向纠错方法及装置。

背景技术

10G PON（Passive Optical Network：无源光纤网络，10GEPON，XGPON）的前向纠错FEC（Forward Error Correction）强制要求线路上进行协调子层RS（255,223）编码以改善信噪比，这种FEC机制采用固定的编码速率，FEC编译码器不区分业务，对所有比特提供同等的保护。但是随着IPTV、HDTV等对丢包敏感的业务的增加，高速PON网络需要为此类业务提供更高的传输质量，将此类业务的误码率降低到一个更低的水平，从而降低相应的丢包率。

10G PON现有的FEC机制为：MAC层（媒质接入控制层）数据帧比特不区分业务的进入物理编码子层进行相应的线路编码，线路编码后得到的数据比特进入FEC模块，此模块采用统一的RS（255,223）编码。这个过程中，物理编码子层不会得到上层业务类型的相关信息。在接收端，进入FEC解码模块的是带有一定错误的串行比特流，对比特流进行统一的RS（255,223）译码。可见，现有FEC机制采用固定编码码字，为PCS（物理编码子层）服务接口提供统一的误码率1E-12，向上层业务比特提供均等的保护能力，保障上层所有业务在相同质量下传输。

但部分重点业务（如视频业务）由于业务特点，对丢包极其敏感，对误码率要求较高。为了能够为此类业务提供更优质的传输质量，期望把此类业务对应的底层误码率降低到更低的水平。根据固定FEC机制的特点，采用单一编码速率的码字，便于实现，但固定编码方式的缺点是不能根据业务类型调整编码速率，差异化的提供纠错能力。固定FEC机制在支持重要业务的传输上不够灵活，如果简单的通过增加编码速率、更换更高纠错能力的码字来降低误码率，会引入较大的和不必要的冗余。现有PCS功能结构如图3所示（以10GEPON为例），图中MAC层和物理编码子层之间没有信息交互，并且采用固定的编码码字RS（255,223）。现有的FEC机制不能满足10G PON传输高质量业务的要求，无法对业务中的重要数据进行重点保护。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种根据通信业务的重要性而进行区别性纠错的方法及装置。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种通信前向纠错方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

S1：对数据帧进行识别；

S2：按识别后的所述数据帧的重要性对所述数据帧进行前向纠错编码；

S3：对进行所述前向纠错编码后的数据帧进行解码，得到纠错后的数据帧。

所述对数据帧进行识别是通过字节解析方式对数据帧进行识别的。

对所述数据帧进行前向纠错编码具体为：通过非二进制线性码对所述数据帧进行前向纠错编码。

一种通信前向纠错装置，包括：

MAC层业务识别单元，用于对数据帧进行识别；

和MAC层业务识别模块连接的前向纠错编码器，根据MAC层数据帧识别的结果进行不同速率的编码；

和前向纠错编码模块连接的前向纠错解码器，用于对不同速率的编码进行解码。

所述前向纠错解码器包括：

校正子计算单元，用于计算校正子，构成校正子多项式；

和校正子计算单元连接的关键方程求解单元，用于根据得出的校正子多项式求解错误位置多项式和错误值多项式；

和关键方程求解单元连接的钱搜索与错误值计算单元，根据错误位置多项式确定错误发生的位置；将错误值多项式联合错误位置多项式对错误位置上的数据帧进行纠错；

和延时缓存单元，根据解码时延对纠错后的数据帧进行延时。

（三）有益效果

本发明首先对通信的数据帧进行识别，对影响通信质量的重要数据帧进行标注，由于通信业务的不同，通信中的重要数据帧也不同，具体需根据实际通信业务确定，针对性强；然后对数据中的重要数据帧进行前向纠错编码，根据数据帧重要性的不同进行不同类型的编码；最后对编码后的数据帧进行解码，得到纠错后的数据帧。本发明针对通信数据帧的重要性对数据帧进行不同编码解码，得到纠错后的通信数据，由于只对重要数据帧进行纠错，故整个过程计算量小，并且大大提高的通信业务的传输质量。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明系统的示意图；

图3是不区分业务固定码字FEC机制功能框图；

图4是区分业务的非等重保护FEC机制功能框图；

图5是MPEG一个GOV中视频帧的依赖关系；

图6是MPEG编码协议的帧头格式；

图7是可变纠错能力编码器结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为了提高通信业务的通信质量，对通信业务的重要性而进行区别性纠错，一种通信前向纠错方法及装置。

本发明的流程图如图1所示，具体步骤为：

S1：对数据帧进行识别；识别的方法包括字节解析方式等。

S2：按识别后的所述数据帧的重要性对所述数据帧进行前向纠错编码；编码方法为通过非二进制线性码等。

S3：对进行所述前向纠错编码后的数据帧进行解码，得到纠错后的数据帧。

实现本发明的一种装置如图2所示，包括：

MAC层业务识别单元，用于对数据帧进行识别；

和MAC层业务识别模块连接的前向纠错编码器，根据MAC层数据帧识别的结果进行不同速率的编码；

和前向纠错编码模块连接的前向纠错解码器，用于对不同速率的编码进行解码。前向纠错解码器包括：校正子计算单元，用于计算校正子，构成校正子多项式；和校正子计算单元连接的关键方程求解单元，用于根据得出的校正子多项式求解错误位置多项式和错误值多项式；和关键方程求解单元连接的钱搜索与错误值计算单元，根据错误位置多项式确定错误发生的位置；将错误值多项式联合错误位置多项式对错误位置上的数据帧进行纠错；和延时缓存单元，根据解码时延对纠错后的数据帧进行延时。

以下对本发明进行过详细说明：

本发明能够应用于10G PON的前向纠错。区分业务的非等重保护FEC机制的总体框图如图4所示，方案首先根据业务特点区分的视频帧的重要程度，并在MAC层将承载重要业务的数据帧识别（业务识别模块，这个是现在的网络设备经常具有的功能模块，采用“特征信息”匹配的方式进行识别）出来，然后在物理编码子层的FEC编码模块对具有不同重要性的比特进行不同编码速率的FEC编码，对传统业务使用RS（255,223）进行编码，对重要比特（视频业务中I帧对应的数据帧比特）使用更高编码速率的RS码（如RS（255,215）或者RS（255,207）等）进行编码，码型可根据要达到的保护程度确定。在接收端（发送端是业务识别（识别出重要的业务）和非等重的FEC编码（可变纠错能力编码器）；接收端是非等重的FEC译码（可变纠错能力译码器）），可变纠错能力译码器根据FEC码字自身携带的信息区分到来码字的编码速率即编码码字，从而进行正确的FEC译码获得纠错以后的比特流。这样就达到了对重要业务进行非等重保护的目的，相比于不区分业务固定码字的FEC机制，以较小代价有效提升高速PON网络中视频等重要业务的传输质量。

总体方案通过这几个方面来进行阐述，数据帧重要性的区分和识别、MAC层和物理层间识别信息的交互、可变纠错能力的FEC编译码器。

数据帧重要性的区分和识别：

本部分主要完成视频业务的重要性的区分和识别，充分挖掘视频业务本身的特点加以利用，以此来最大程度的降低由于重点保护所引入的多余校验部分，从而以较小代价获得最大的业务传输质量提升。视频业务在传输时会按照一定的压缩标准进行压缩，通过增加信息之间的依赖关系、降低信息的独立性来降低信源的信息冗余。以MPEG为例，其一个视频组GOV的格式和I帧、P帧、B帧之间的依赖关系如图5所示。

I帧位于整个GOV的第一个位置，I帧的解码是独立的，不依赖于其他视频帧。P帧是预测帧，其解码依赖于它前面距离最近的I帧或者P帧。B帧是双向帧，其解码依赖于周围的参考帧（距离它最近的两个I帧或者P帧）。这样，一个P帧的正确解码取决于GOV中在它之前的所有I帧或P帧的正确接收和解码，B帧的正确解码取决于GOV中在它之前和之后所有I帧或P帧的正确接收和解码。可见，I帧的丢失会导致整个GOV的所有视频帧都无法正常解码，P帧或者B帧的丢失不会对整个视频组的解码产生同等影响，特别是B帧，因为没有其他帧的解码依赖于B帧。I帧、P帧和B帧的丢失标准可以设定为一定的峰值信噪比PSNR值，当接收到视频帧的PSNR低于规定值时，认定该帧无法被接受。对I帧进行重点保护，使I帧对应比特的误码概率低于其他视频帧和非视频业务，可以在同样的信道情况下获得更高的视频质量，同时付出最小的代价即校验冗余。这样，根据各类视频帧在视频流中的重要性程度以及保护效果，把I帧作为重点保护对象，而没有必要保护所有的视频帧。

在本发明中，采用字节解析方式进行I帧识别，在动态图像专家组MPEG视频编码方式中，MPEG头部信息使用视频帧类型字段（picture type）区分I帧、P帧和B帧，如图6中的MPEG帧头格式所示，MAC层业务识别模块可通过获得和解析该信息字段来区分视频帧和识别I帧，这种方式经常用于业务识别处理，不会带来额外的处理难度和复杂度。

MAC层和物理层间识别信息的交互：

本部分主要描述方案中MAC层重要业务的识别信息传递到FEC编码单元的方式。在传统FEC机制中，FEC编码功能位于物理编码子层，FEC编码模块不区分业务，对所有比特进行统一编码，不需要知道待编码的信息比特属于何种业务。在本方案中，FEC编码模块需要根据MAC层业务识别的结果进行不同速率的编码。MAC层业务识别单元可以对数据帧进行解析从而获得当前MAC层数据帧所承载视频业务的类型，这个识别结果被告知FEC编码模块，其根据此结果进行不同编码速率即不同保护程度的FEC编码（非重点保护业务采用RS（255,223），重点保护视频业务的I帧采用RS（255,215）或者更高编码速率的RS码）。在本发明中，采用一个和数据信号同步的伴随信号来指示下层模块需要采用的编码速率。这样就实现了具有跨层信息传递的FEC，可以对MAC层定义的重要数据帧进行更高程度的FEC编码。RS码为定义在伽罗华域GF(2^m)的非二进制线性码。

可变纠错能力的FEC编译码器：

本部分主要解决可变纠错能力的FEC编译码器的设计，保证所有业务的不同编码方式共用同一个编译码器。图7为纠错能力为t（2t=n-k）的RS（n,k）码的编码电路。输入的k个信息码字顺序输入到移位寄存器中，经过n个时钟周期之后，寄存器中存留的数据即为2t个冗余信息。为简单起见，保证不同纠错能力的RS码长n均相等。由编码电路结构可以看出不同纠错能力码长的区别在于反馈移位寄存器序列的长度和反馈系数g_i。编码不同的RS码时，根据纠错能力t的大小控制LSFR的长度和反馈系数。整个编码器的长度就由最大纠错能力的码字决定。

可变纠错能力RS译码器主要包括校正子计算、关键方程求解、钱搜索与错误值计算和延时缓存四部分。校正子计算完成的功能为，根据接收的n个码字，计算出2t个校正子，构成校正子多项式。后面的关键方程求解则根据得出的校正子多项式求解错误位置多项式（t+1个系数）和错误值多项式（t个系数）。其中，错误位置多项式的根确定了错误发生的位置，错误值多项式联合错误位置多项式即可求出该错误位置上引入的错误图样，这分别是钱搜索与错误值计算完成的功能。延时缓存根据译码时延对接收的码字进行延时，与错误值相加输出即为纠错后的码字。

校正子计算公式为 $s_i=r_{n-1}{\left({\mathrm{\α}}^i\right)}^{n-1}+r_{n-2}{\left({\mathrm{\α}}^i\right)}^{n-2}+\·\·\·+r_0,$ 进行计算，其中，i=0,1,2,…2t-1，对于不同的RS码型（方便起见，固定n值，即码长相等），校正子的计算均相同，不同的在于校正子的个数，因此，可变纠错能力译码器的校正子计算电路只要根据最大纠错能力的码型设计即可，其他的码型采用相同的电路进行计算，只是最终选取校正子的个数不同。

接收的码字为(r_n-1,r_n-2,…,r₀)，其中r_i，i=0,1,…,n-1均为GF(2^m)上m-bit符号，α为GF(2^m)生成多项式的根。接收时，根据接收到的码字计算出2t个校正子构造校正子多项式：

$S\left(x\right)=s_0+s_{1}x+\·\·\·+s_{2t-1}{x}^{2t-1}$

可变纠错能力译码器的关键方程求解采用ME算法进行设计。ME算法利用校正子多项式S(x)作为初值，迭代完成错误值多项式ω(x)和错误位置多项式σ(x)的计算。ME算法的内容为：

（1）初始条件为：

R_i(x)、Q_i(x)、L_i(x)和U_i(x)为4个“变量多项式”，最后结果由R_i(x)和L_i(x)给出。

（2）迭代计算过程为：

$R_i\left(x\right)=[{\mathrm{\σ}}_{i-1}{b}_{i-1}{R}_{i-1}\left(x\right)+\stackrel{\‾}{{\mathrm{\σ}}_{i-1}}{a}_{i-1}{Q}_{i-1}\left(x\right)]-x^{\left|l_{i-1}\right|}\left[\stackrel{\‾}{{\mathrm{\σ}}_{i-1}}{b}_{i-1}{R}_{i-1}\left(x\right){\mathrm{\σ}}_{i-1}{a}_{i-1}{Q}_{i-1}\left(x\right)\right];$

$Q_i\left(x\right)={\mathrm{\σ}}_{i-1}{Q}_{i-1}\left(x\right)+\stackrel{\‾}{{\mathrm{\σ}}_{i-1}}{R}_{i-1}\left(x\right);$

$L_i\left(x\right)=[{\mathrm{\σ}}_{i-1}{b}_{i-1}{L}_{i-1}\left(x\right)+\stackrel{\‾}{{\mathrm{\σ}}_{i-1}}{a}_{i-1}{U}_{i-1}\left(x\right)]-x^{\left|l_{i-1}\right|}[\stackrel{\‾}{{\mathrm{\σ}}_{i-1}}{b}_{i-1}{L}_{i-1}\left(x\right)+{\mathrm{\σ}}_{i-1}{a}_{i-1}{U}_{i-1}\left(x\right)]$

$U_i\left(x\right)+{\mathrm{\σ}}_{i-1}{U}_{i-1}\left(x\right)+\stackrel{\‾}{{\mathrm{\σ}}_{i-1}}{L}_{i-1}\left(x\right);$ $\stackrel{\‾}{{\mathrm{\σ}}_{i-1}}=1-{\mathrm{\σ}}_{i-1};$

l_i-1=deg(R_i-1(x))-deg(Q_i-1(x))；

${\mathrm{\&sigma;}}_{i-1}=\left\{\begin{array}{cc}1& l_{i-1}\&GreaterEqual;0\\ 0& l_{i-1}<0\end{array}\right.$

（3）算法结束条件为：deg(R_i(x))<t

（4）算法输出结果为：ω(x)=R_i(x),σ(x)=L_i(x)。

其中，a_i、b_i分别为R_i(x)、Q_i(x)的最高项系数；deg()为多项式的度数，用来表征多项式有效数字的多少；下标i代表第i次迭代后的结果。

对于不同纠错能力的码型，关键方程的求解算法均相同，不同的在于算法结束的条件。根据最大纠错能力码型的多项式最大度数确定电路的规模，不同的码型纠错时仅改变算法的结束条件即可。

钱搜索与错误值计算模块对于不同的码型均适用。钱搜索计算错误位置多项式的函数值 $\mathrm{\&sigma;}\left(x\right){|}_{x={\mathrm{\&alpha;}}^{-i}}={\mathrm{\&sigma;}}_{2t}{\left({\mathrm{\&alpha;}}^{-i}\right)}^{2t}+{\mathrm{\&sigma;}}_{2t-1}{\left({\mathrm{\&alpha;}}^{-i}\right)}^{2t-1}+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+{\mathrm{\&sigma;}}_0,$ 如果为零，说明该位置r_i上出现错误。错误数值由福尼算法计算，即 $e_i=\frac{\mathrm{\&omega;}\left(x\right)}{{\mathrm{x\&sigma;}}^{\&prime;}\left(x\right)}{|}_{x={\mathrm{\&alpha;}}^{-i}}=\frac{\mathrm{\&omega;}\left(x\right)}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{odd}}\left(x\right)}{|}_{x={\mathrm{\&alpha;}}^{-i}}.$ 接收的码字与计算得出的错误数值相加完成纠错过程。σ_odd(x)为σ(x)的奇数次项。

本发明通过非等重FEC机制重点保护视频中关键业务帧对应的比特，有效提升了视频等重要业务在高速PON网络中的传输质量，相比于不区分业务的FEC机制，以较小代价获得了传输质量的提升。

本发明提出的方法适用于高速光接入网，尤其是在高速TDM-PON下行链路。下面将以10G EPON光接入系统中的应用为例进行说明，但该方法对接入网结构及速率不构成限制。

发明的一个具体实施例用于10G EPON光接入系统10G EPON系统采用上下行对称结构。OLT下行发送视频业务，在光线路终端OLT端发送端，MAC层首先进行业务重要性的识别，如图4所示，识别出的重要性信息传递给下层的PCS功能模块进行不同编码速率的编码。整个流程与图4所示一致。重要性识别的方法如下：

（1）OLT的MAC层物理模块首先查找到IP首部；

（2）根据IP首部长度是否可变以及IP首部给出的偏移量，确定TCP首部的位置；

（3）继续寻找RTP首部，从而找到MPEG编码格式的协议头，如图6所示；

（4）根据协议头里面的字段确定当前的视频帧的类型是I帧、B帧还是P帧。

PCS层需要根据到来信息流对应的重要性指示信号如图4所示，进行非等重的FEC编码，这种处理方式可以在物理码流的层次进行帧重要性的区分。可变编译码器可以使用同样的硬件代价实现变化的编码和译码能力。

在光网络单元ONU的接收端，ONU需要识别到来码块的重要性，采用的方法是在码块中携带重要性信息，码块结构采用标准规定的格式，但是在码块的同步字中包含进一定的重要性信息。接收端识别出码块的重要性信息后，提交给上层的解码模块，解码模块具有可变的译码能力，这样就使得发送和接收可以进行正常和正确的配合。

上述是以OLT到ONU为例进行描述，所述非等重保护机制可以用在上行的其他业务的保护中，所以也属于本专利的保护范围。

本发明首先对通信的数据帧进行识别，对影响通信质量的重要数据帧进行标注，由于通信业务的不同，通信中的重要数据帧也不同，具体需根据实际通信业务确定，针对性强；然后对数据中的重要数据帧进行前向纠错编码，根据数据帧重要性的不同进行不同类型的编码；最后对编码后的数据帧进行解码，得到纠错后的数据帧。本发明针对通信数据帧的重要性对数据帧进行不同编码解码，得到纠错后的通信数据，由于只对重要数据帧进行纠错，故整个过程计算量小，并且大大提高的通信业务的传输质量。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种通信前向纠错方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

S1：对数据帧进行识别；

S2：按识别后的所述数据帧的重要性对所述数据帧进行前向纠错编码；

S3：对进行所述前向纠错编码后的数据帧进行解码，得到纠错后的数据帧。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述对数据帧进行识别是通过字节解析方式对数据帧进行识别的。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，对所述数据帧进行前向纠错编码具体为：通过非二进制线性码对所述数据帧进行前向纠错编码。

4.一种实现权利要求1所述方法的通信前向纠错装置，包括：

MAC层业务识别单元，用于对数据帧进行识别；

和MAC层业务识别模块连接的前向纠错编码器，根据MAC层数据帧识别的结果进行不同速率的编码；

和前向纠错编码模块连接的前向纠错解码器，用于对不同速率的编码进行解码。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征是，所述前向纠错解码器包括：

校正子计算单元，用于计算校正子，构成校正子多项式；

和校正子计算单元连接的关键方程求解单元，用于根据得出的校正子多项式求解错误位置多项式和错误值多项式；

和关键方程求解单元连接的钱搜索与错误值计算单元，根据错误位置多项式确定错误发生的位置；将错误值多项式联合错误位置多项式对错误位置上的数据帧进行纠错；

和延时缓存单元，根据解码时延对纠错后的数据帧进行延时。