CN110247737A - 应用于高速工业通信系统的纠错的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于高速工业通信系统的纠错编码方法。本发明所述高速工业通信系统主要用来解决工业现场传统总线低带宽、无法同时承载实时和非实时以及网络结构复杂的问题，高速工业通信系统可以支持IPV6地址通信，可以支持时间触发的工业控制通信，可以支持TSN，可以支持白名单、深度检测和数据加密等安全机制。本发明采用纠错编码的方案，纠正信道中的随机错误，在信道纠错编码的基础上，结合交织技术，还能够应对突发错误，对同时出现的随机错误和突发错误，本发明能够有效应对。从而，将本发明提供的方案，可以有效应用在高速工业通信系统，其中，能够有效应对信道中的随机错误和突发错误，满足高速工业通信系统的实时性要求。

Description

应用于高速工业通信系统的纠错的方法和装置
技术领域
本发明涉及工业控制与通信领域，特别是涉及将通信技术应用于高速工业通信系统的技术，具体地说，涉及应用于高速工业通信系统的纠错的方法和装置。
背景技术
目前，以控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)总线为代表的现场工业控制总线，为了保证帧传输的可靠性和较高的检错效率，其采用了以下几种检错方式：位错误、填充错误、循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)错误、格式错误及应答错误检测。但这类总线无法自动纠正传输误码，在高速工业通信系统重传开销巨大，或者不可能重传的情况下，在实时性要求高的情况下，显然无法采用重传来满足应用需求。
另一种现场总线为工业以太网，1000Base-T的5电平4D-PAM编码，有一个表示前向纠错，但只是糅合在多电平调制中的一项附属性能，纠错能力有限，不是真正意义上的纠、检错编码技术。
上述两种总线显然不能满足高速工业通信系统的实时性要求，需要业界人士探索、提出全新的高速工业通信系统。
发明内容
针对上述现有技术中存在的纠错能力有限和不能满足实时性要求的问题，本发明提出一种应用于高速工业通信系统的纠错编码的方法及装置。
根据本发明的一个方面，提供一种应用于高速工业通信系统的纠错编码方法，包括：
对所接收的数据进行纠错编码，并输出经纠错编码后的数据。
其中，所述对所接收的数据进行纠错编码包括对所接收的数据进行分组编码，以及/或者对所接收的数据进行卷积编码。
其中，所述对所接收的数据进行纠错编码包括对所接收的数据进行分组编码，然后对分组编码后的数据进行卷积编码。
其中，还包括将所述经纠错编码后的数据进行交织处理。
根据本发明的另一个方面，提供一种应用于高速工业通信系统的纠错编码装置，包括：
纠错编码单元，其用于对所接收的数据进行纠错编码，并输出经纠错编码后的数据。
其中，所述纠错编码单元包括一个以上的分组编码模块和/或一个以上的卷积编码模块。
其中，所述纠错编码单元包括一个以上的分组编码模块以及接收所述一个以上的分组编码模块输出的一个以上的卷积编码模块。
其中，所述分组编码模块包括RS码编码模块、LDPC码编码模块、汉明码编码模块。
其中，还包括：交织单元，其用于将所述经纠错编码后的数据进行交织处理。
其中，所述交织单元包括卷积交织单元、矩阵交织单元和随机交织单元。
本发明的有益效果在于：本发明采用纠错编码的方案，纠正信道中的随机错误，在信道纠错编码的基础上，结合交织技术，还能够应对突发错误，对同时出现的随机错误和突发错误，本发明能够有效应对。从而，将本发明提供的方案，可以有效应用在高速工业通信系统，其中，能够有效应对信道中的随机错误和突发错误，满足高速工业通信系统的实时性要求。
附图说明
为进一步清楚解释本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
在下面的附图中：
图1根据本发明一个实施例的是高速工业通信系统发射物理层过程示意图；
图2是高速工业通信系统纠错编码示意图；
图3是高速工业通信系统级联码示意图；
图4是高速工业通信系统交织示意图；
图5是码率为1/2的归零卷积编码器的结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例来说明本发明所公开实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。需要说明的是，本申请所述的“编码”指的是“纠错编码”。
本发明所述高速工业通信系统主要用来解决工业现场传统总线低带宽、无法同时承载实时和非实时以及网络结构复杂的问题，高速工业通信系统可以支持IPV6地址通信，可以支持时间触发的工业控制通信，可以支持TSN，可以支持白名单、深度检测和数据加密等安全机制。
区分于现有技术中的CAN总线和工业以太网总线，本发明提出的纠错编码的方法是基于高速工业通信系统的，其基本构思在于，利用纠错编码的冗余部分，允许接收方检测可能出现在信息任何地方的有限个差错，并且通常可以纠正这些差错而不用重传，来满足高速工业通信系统这一类重传开销巨大或者不可能重传的应用场景。
图1是本发明所述纠错编码的方法在高速工业通信系统发射物理层过程的应用示意图。如图1所示，对加扰以后的Mac层传输数据，通过编码和交织模块进行编码和交织，增加冗余和数据交叉以后，再进行QAM调制，再进行后续处理。需要注意的是，图1所示的RS码和卷积码是纠错编码的一种实现方式。
图2是高速工业通信系统的纠错编码示意图，将X1X2X3X4……Xn的N比特数据输入到图2中的纠错编码模块中，其以Y1Y2Y3Y4……YM输出m比特数据，码率为n/m。
适用于本发明的可用的纠错编码，包括但不限于RS码、格雷码、BCH码、奇偶校验码、汉明码，LDPC码，卷积码和级联码。图3给出的是本发明关于以级联码作为纠错编码的示例。级联码是n次(n≥1)编码的系统，对各级编码，看成一个整体编码。根据本发明的一个实施例，级联码包括任何可用的纠错编码，例如RS码、格雷码、BCH码、奇偶校验码、汉明码，LDPC码，卷积码等，所使用各种纠错编码的个数为大于等于0的任一整数。
图3中，将分组码和卷积码在级联码中合并使用，其中有限长度的卷积码负责大部分的工作，组长度更大的分组码抹去任何卷积译码器造成的错误。所以，本发明不需要考虑重发的问题。同时，使用这一类纠错码，在解码时可以获得很低的错误率，满足高速工业通信系统这一类高可靠性要求的应用场景。
本发明可用的级联码的形式包括但不限于：RS码+卷积码、RS码+LDPC码和/或Turbo码。需要强调的是，在本发明的语境下，单独使用一种码作为“级联码”，即只有一级(例如，只使用RS码)，也是可以的。下面分别就RS码和卷积码的确定来具体说明：
RS码：采用原始的RS(255,247)、RS(255,239)、RS(255,223)系统码的缩短码，这里，RS(255,247)生成多项式g0(x)、RS(255,239生成多项式g1(x)，)、RS(255,223)生成多项式g2(x)，分别见下面表1～3。
表1 RS(255,247)码生成多项式
i g<sub>i</sub> i g<sub>i</sub> i g<sub>i</sub> i g<sub>i</sub>
0 37 3 172 6 44
1 224 4 71 7 227
2 8 5 178 8 1
表2 RS(255,239)码生成多项式
表3 RS(255,223)码成成多项式
i g<sub>i</sub> i g<sub>i</sub> i g<sub>i</sub> i g<sub>i</sub>
0 45 9 50 18 158 27 142
1 216 10 163 19 1 28 50
2 239 11 210 20 238 29 189
3 24 12 227 21 164 30 29
4 253 13 134 22 82 31 232
5 104 14 224 23 43 32 1
6 27 15 158 24 15
7 40 16 119 25 232
8 107 17 13 26 246
原始RS码长为255字节，对应的校验字节长度分别为8、16或32(即冗余部分)，是基于有限域GF(256)的循环码，其域的生成多项式为p(x)＝x8+x4+x3+x2+1。
当RS码生成多项式为L为校验位长度，输入信息序列多项式为K为信息位长度，则系统码输出多项式其中
关于卷积码部分，本发明的卷积码模式有三种，分别是模式0、模式1和模式2。模式与卷积码码码率的关系，见下表。
卷积码模式
图5给出的关于卷积的实施例为码率为1/2的归零卷积编码器的结构图。其中，卷积编码器使用约束长度为7、码率为1/2的归零卷积编码器，生成多项式为G1＝1718和G0＝1338。
编码器的每个移位寄存器D，初始值设置为0。
若编码比特流按照A，B顺序输出。通过删除编码比特，可以得到码率为2/3和3/4的卷积编码，比特删除过程如所示。
码率3/4编码比特删除过程
码率2/3编码比特删除过程
以上，就本发明在纠错编码的处理部分进行了说明。在纠错编码确定之后，针对信道中可能出现的突发错误，本发明还可以对编码后的数据比特流进行交织。在本发明中，交织包括但不限于卷积交织、矩阵交织和随机交织。图4是高速工业通信系统交织示意图。如图4所示，数据(例如比特流)按行写入，按列读出，从而打乱数据流的顺序，使信道传输过程中所突发产生突发错误进行分散化。
把比特流以NCBIB为交织块进行分组，所有的编码数据比特交织都在一个OFDM符号的资源块内进行。
交织分为两步置换，第一次置换确保相邻编码比特映射到不相邻的子载波，第二次置换确保相邻的编码比特被交替映射到星座的高有效位和低有效位比特。具体交织规则为：
第一次置换：
i＝(NCBIB/NCOL)(kmod NCOL)+floor(k/NCOL)k＝0，1，...NCBIB，这里NCBIB为交织块长度，k为第一次置换之前的编码比特序号，i为第一次置换之后的编码比特序号。
第二次置换：
j＝s*floor(i/s)+(i+NCBIB-floor(i*NCOL/NCRIB))mods i＝0，1，...NCBIB s＝max(NBPS/2，1)，这里，j为第二次置换之后的编码比特序号，NBPS为一个调制符号所对应的比特位数。
基于上述描述，本发明提供一种应用于高速工业通信系统的纠错编码的方法，所述包括：对所接收的数据进行纠错编码，并输出经纠错编码后的数据。其中，进行纠错编码采用的编码方式包括但不限于RS码、格雷码、BCH码、奇偶校验码(如LDPC码)、汉明码，卷积码。对所接收的数据进行纠错编码包括对所接收的数据进行分组编码，以及/或者对所接收的数据进行纠错编码包括对所接收的数据进行卷积编码。
进一步地，对所接收的数据进行纠错编码包括对所接收的数据进行分组编码，然后对分组编码后的数据进行卷积编码，其中，分组编码包括RS码编码、LDPC码编码、汉明码编码，卷积编码包括Turbo码编码。
根据上述应用于高速工业通信系统的纠错编码的方法，能够纠正信道中的错误，尤其是随机错误。
上述应用于高速工业通信系统的纠错编码的方法还包括将所述经纠错编码后的数据进行交织处理。结合交织技术，还能够应对突发错误，对同时出现的随机错误和突发错误，本发明能够有效应对。
本发明还提供一种应用于高速工业通信系统的纠错编码的装置，包括：纠错编码单元，其用于对所接收的数据进行纠错编码，并输出经纠错编码后的数据。其中，纠错编码单元包括一个以上的分组编码模块和/或一个以上的卷积编码模块。纠错编码单元包括但不限于RS码编码单元、格雷码编码单元、BCH码编码单元、奇偶校验码(如LDPC码)编码单元、汉明码编码单元，卷积码(如turbo码)编码单元。
纠错编码单元包括一个以上的分组编码模块以及接收所述一个以上的分组编码模块输出的一个以上的卷积编码模块。所述分组编码模块包括RS码编码模块、LDPC码编码模块、汉明码编码模块。
根据上述应用于高速工业通信系统的纠错编码的装置，能够纠正信道中的错误，尤其是随机错误。
上述应用于高速工业通信系统的纠错编码的装置还包括交织单元，其用于将所述经纠错编码后的数据进行交织处理。其中，所述交织单元包括卷积交织单元、矩阵交织单元和随机交织单元。结合交织技术，还能够应对突发错误，对同时出现的随机错误和突发错误，本发明能够有效应对。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于高速工业通信系统的纠错编码方法，包括：
对所接收的数据进行纠错编码，并输出经纠错编码后的数据。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述对所接收的数据进行纠错编码包括对所接收的数据进行分组编码，以及/或者对所接收的数据进行卷积编码。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述对所接收的数据进行纠错编码包括对所接收的数据进行分组编码，然后对分组编码后的数据进行卷积编码。
4.如权利要求1至3任意一者所述的方法，还包括将所述经纠错编码后的数据进行交织处理。
5.一种应用于高速工业通信系统的纠错编码装置，包括：
纠错编码单元，其用于对所接收的数据进行纠错编码，并输出经纠错编码后的数据。
6.如权利要求5所述的装置，其中，所述纠错编码单元包括一个以上的分组编码模块和/或一个以上的卷积编码模块。
7.如权利要求5所述的装置，其中，所述纠错编码单元包括一个以上的分组编码模块以及接收所述一个以上的分组编码模块输出的一个以上的卷积编码模块。
8.如权利要求6或7所述的装置，其中，所述分组编码模块包括RS码编码模块、LDPC码编码模块、汉明码编码模块。
9.如权利要求5至7任意一者所述的装置，还包括：
交织单元，其用于将所述经纠错编码后的数据进行交织处理。
10.如权利要求9所述的装置，其中，所述交织单元包括卷积交织单元、矩阵交织单元和随机交织单元。
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