CN113810062B - 一种面向下一代以太网的gel编码方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种面向下一代以太网的GEL编码方法及装置，方法包括获取第一目标阈值；确定第一码字矩阵行编码和列编码所在的伽罗华域GF（2^m）和第一码字矩阵的层数；确定第一码字矩阵中每层RS码的纠错能力；将信息比特置于第一码字矩阵每层的信息位部分，进行行方向子码RS编码；确定列方向BCH子码的校验矩阵；对校验矩阵进行初等变换；将初等变换后的校验矩阵进行缩减后取逆；将取逆后的逆矩阵与行编码相乘，得到行编码和列编码后的第二码字矩阵；根据第二码字矩阵，对每一列的列编码进行奇偶校验，得到的校验比特放在第二码字矩阵的第一行。采用上述方案，可在硬判决译码下满足下一代以太网的时延和性能要求。

Description

一种面向下一代以太网的GEL编码方法及装置

技术领域

本申请涉及通信编码技术领域，尤其涉及一种面向下一代以太网的GEL编码方法及装置。

背景技术

以太网是一项被广泛应用的技术，绝大多数的局域网均采用以太网标准。并且近些年来，随着以太网传输速率和传输距离的提升，越来越多的广域网也开始采用以太网标准。高速率、长距离的信息传输对物理信道提出了较高的要求，但是由于噪声、色散和衰减等原因会造成以太网传输误码率的提升。

为了降低以太网传输误码率，拟采用乘积码作为下一代以太网（800Gbase）的FEC 编码方案。如图1所示的乘积码的结构图，其码字矩阵为二维形式。在编码时将码字矩阵的 每一行和每一列都编成一个子码。乘积码编码方案在行方向上采用RS码，列方向采用BCH或 者Hamming码。将行列方向子码的码长，信息比特数和码率分别表示为（N ₁，K ₁，R ₁），（N ₂，K ₂，R ₂），则乘积码的编码开销（校验比特数/信息比特数）为

，码长为

。其中n为列子码的数目，m为行子码的数目，N ₁,K ₁分别代表行子码的码字长度和 信息比特数，N ₂,K ₂分别代表列子码的码字长度和信息比特数，OH ₁和OH ₂分别为行子码和列 子码的编码开销，R ₁和R ₂代表行子码和列子码的码率。

可以看出，乘积码的码长为行列子码之积。在选取乘积码为编码方案时，若列方向采用BCH码，在满足译码性能要求时会使得整体码字的码长很长，从而导致接收端处理时延过长，不能满足以太网系统的低时延要求。接收端处理时延包含接收码字的时间和译码时间。在以太网系统中，每个周期能接收到的比特数目是固定的，码长越长则需要接收码字的周期数就越多，接收时延就越长。在译码器中，同等并行度下，码字越长则模块执行的周期数就越多，也会增加译码时延。若列方向采用Hamming码，在接收端采用硬判决译码时，由于Hamming码纠错能力t=1，在有限编码开销下，该级联方案纠错能力受限，译码性能达不到高速光通信中的性能要求；在接收端采用软判决译码时，均衡器产生软消息所需的功耗又过大，不能满足高速光通信中的功耗要求。因此，上述方案应用于下一代以太网时都存在一定的技术弊端。

发明内容

本申请提供一种面向下一代以太网的GEL编码方法及装置，用于解决乘积码应用于下一代以太网存在的处理时延长、性能不达标以及功耗过高的问题。

第一方面，本申请提供一种面向下一代以太网的GEL编码方法，包括：

获取第一目标阈值；

根据所述第一目标阈值，确定第一码字矩阵行编码和列编码所在的伽罗华域GF（2^m），其中m为正整数；

根据所述第一目标阈值，确定所述第一码字矩阵的层数；

根据所述伽罗华域GF（2^m）确定所述第一码字矩阵中每层RS码的纠错能力，以使所述第一码字矩阵中每层在信道比特出错概率小于第二目标阈值；

将信息比特置于所述第一码字矩阵每层的信息位部分，进行行方向子码RS编码，得到行编码；

根据所述第一码字矩阵所在的伽罗华域GF（2^m）和第一码字矩阵的层数，确定列方向BCH子码的校验矩阵；

对所述校验矩阵进行初等变换；

将初等变换后的校验矩阵进行缩减，得到目标校验矩阵；

将所述目标校验矩阵取逆，得到所述目标校验矩阵的逆矩阵；

将所述目标校验矩阵的逆矩阵与所述行编码相乘，得到行编码和列编码后的第二码字矩阵；

根据所述第二码字矩阵，对每一列的所述列编码进行奇偶校验，得到的校验比特放在所述第二码字矩阵的第一行。

可选的，所述第二目标阈值为在输入误码率为2e-3下达到输出误码率为1e-15/L，其中L为所述第一码字矩阵的层数。

可选的，所述第一码字矩阵的行编码和列编码均的定义在有限域GF（2⁸）上；所述第一码字矩阵的层数4层，每层RS码长度为253，校验位数目分别为56，14，6，4，信息位数目为7472，总码长为8349，编码开销为11.74%。

可选的，所述第一码字矩阵的行编码和列编码均的定义在有限域GF（2⁸）上；所述第一码字矩阵的层数5层，每层RS码长度为245，校验位数目分别为66，18，8，4，4，信息位数目为9010，总码长为10045，编码开销为11.49%。

可选的，所述第一码字矩阵的行编码和列编码均的定义在有限域GF（2⁹）上；所述第一码字矩阵的层数6层，每层RS码长度为466，校验位数目分别为176，44，16，8，6，4，信息位数目为22879，总码长为25630，编码开销为12.02%。

第二方面，本申请提供一种面向下一代以太网的GEL编码装置，包括：

获取模块，用于获取第一目标阈值；

第一确定模块，用于根据所述第一目标阈值，确定第一码字矩阵行编码和列编码所在的伽罗华域GF（2^m），其中m为正整数；

第二确定模块，用于根据所述第一目标阈值，确定所述第一码字矩阵的层数；

第三确定模块，用于根据所述伽罗华域GF（2^m）确定所述第一码字矩阵中每层RS码的纠错能力，以使所述第一码字矩阵中每层在信道比特出错概率小于第二目标阈值；其中，所述第二目标阈值为在输入误码率为2e-3下达到输出误码率为1e-15/L，其中L为所述第一码字矩阵的层数；

第一编码模块，用于将信息比特置于所述第一码字矩阵每层的信息位部分，进行行方向子码RS编码，得到行编码；

第四确定模块，用于根据所述第一码字矩阵所在的伽罗华域GF（2^m）和第一码字矩阵的层数，确定列方向BCH子码的校验矩阵；

矩阵初等变换模块，用于对所述校验矩阵进行初等变换；

矩阵缩减模块，用于将初等变换后的校验矩阵进行缩减，得到目标校验矩阵；

矩阵取逆模块，用于将所述目标校验矩阵取逆，得到所述目标校验矩阵的逆矩阵；

第二编码模块，用于将所述目标校验矩阵的逆矩阵与所述行编码相乘，得到行编码和列编码后的第二码字矩阵；

校验模块，用于根据所述第二码字矩阵，对每一列的所述列编码进行奇偶校验，得到的校验比特放在所述第二码字矩阵的第一行。

本申请提供一种面向下一代以太网的GEL编码方法及装置，其中方法包括获取第一目标阈值；根据所述第一目标阈值，确定所述第一码字矩阵行编码和列编码所在的伽罗华域GF（2^m），其中m为正整数；根据所述第一目标阈值，确定所述第一码字矩阵的层数；根据所述伽罗华域确定所述第一码字矩阵中每层RS码的纠错能力，以使所述第一码字矩阵中每层在信道比特出错概率小于第二目标阈值；将信息比特置于所述第一码字矩阵每层的信息位部分，进行行方向子码RS编码，得到行编码；根据所述第一码字矩阵所在的伽罗华域和第一码字矩阵的层数，确定列方向BCH子码的校验矩阵；对所述校验矩阵进行初等变换；将初等变换后的校验矩阵进行缩减，得到目标校验矩阵；将所述目标校验矩阵取逆，得到所述目标校验矩阵的逆矩阵；将所述目标校验矩阵的逆矩阵与所述行编码相乘，得到行编码和列编码后的第二码字矩阵；根据所述第二码字矩阵，对每一列的所述列编码进行奇偶校验，得到的校验比特放在所述第二码字矩阵的第一行。采用上述方案，解决了乘积码应用于下一代以太网存在的处理时延长、性能不达标以及功耗过高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统乘积码的结构示意图；

图2为800GBase以太网中4×200G/lane的编码框图；

图3为本申请实施例部分提供的一种面向下一代以太网的GEL编码方法的流程示意图；

图4为本申请实施例部分提供的GEL码的结构示意图；

图5为本申请实施例部分提供的下一代以太网编码技术指标设计的GEL编码方案示意图；

图6为本申请实施例部分提供的编码方案的性能图；

图7为本申请实施例部分提供的一种面向下一代以太网的GEL编码装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在设计用于800GBase高速光通信的GEL（Generalized Error Locating）编码方案时，首先分析下一代以太网中编码方案的技术指标。如图2所示，为800GBase中4×200G/lane的编码框图。为达到800Gbps的吞吐率，每个lane口吞吐率为200Gbps。四个lane口每次传输66个bits，首先经过transcoding（转码）将4×66个bits变为257个。之后，将信息比特按照IEEE802.3bs标准中定义的KP4（RS（544，514，t=15））码字进行编码。FEC encoder部分为800GBase码字编码器，用于提升性能。整体编码结束后4个lane口每次输出72个bits。目前单通道200G的FEC编码方案主要有两种，第一种选择不使用KP4，直接采用编码开销更大的新FEC代替。第二种是级联方案，将KP4码保留为外层码字，然后与新的内层码字组合。本申请采用的GEL编码属于第一种方案，需要先对KP4编出的码字进行译码再进行GEL编码。相较于第二种方案，第一种方案在净编码增益（NCG）和编码开销方面更具有优势。

将图2中编码端的码率表示为R，在单通道200G时，需满足

。由此 可计算得到整体码字的编码开销约为12.06%。此外，为了达到200G PAM接收器的灵敏度要 求，编码方案要求能够达到在输入误码率为2e-3下达到输出误码率小于1e-15，即净编码增 益约为8.35dB。考虑到800GBase光通信对低延迟要求极高，整体译码延迟最好能够控制在 50ns左右，因此码长需控制在40000bits左右。综上所述，800GBase为满足高速光通信要求， 编码方案需满足编码开销不超过12.06%，码长40000bits以内，且净编码增益不得低于 8.35dB。

根据上述分析得到的编码技术指标，本申请实施例提供一种面向下一代以太网的GEL编码方法。如图3所示，所述方法包括：

步骤S101，获取第一目标阈值；

步骤S102，根据所述第一目标阈值，确定第一码字矩阵行编码和列编码所在的伽罗华域GF（2^m），其中m为正整数；

步骤S103，根据所述第一目标阈值，确定所述第一码字矩阵的层数；

步骤S104，根据所述伽罗华域GF（2^m）确定所述第一码字矩阵中每层RS码的纠错能力，以使所述第一码字矩阵中每层在信道比特出错概率小于第二目标阈值；

步骤S105，将信息比特置于所述第一码字矩阵每层的信息位部分，进行行方向子码RS编码，得到行编码；

步骤S106，根据所述第一码字矩阵所在的伽罗华域GF（2^m）和第一码字矩阵的层数，确定列方向BCH子码的校验矩阵；

步骤S107，对所述校验矩阵进行初等变换；

步骤S108，将初等变换后的校验矩阵进行缩减，得到目标校验矩阵；

步骤S109，将所述目标校验矩阵取逆，得到所述目标校验矩阵的逆矩阵；

步骤S110，将所述目标校验矩阵的逆矩阵与所述行编码相乘，得到行编码和列编码后的第二码字矩阵；

步骤S111，根据所述第二码字矩阵，对每一列的所述列编码进行奇偶校验，得到的校验比特放在所述第二码字矩阵的第一行。

步骤S101-S111中，码字矩阵中每一层包括校验位和信息位。如图4所示，GEL码共分为L层，行方向子码和列方向子码均定义在有限域GF（2^m）上，行方向大多采用RS码，纠错能力逐层降低。列方向大多采用嵌套BCH码。编码时首先将信息比特放在每一层的信息位部分，进行行方向RS编码。之后，将定义在有限域GF（2^m）上，纠错能力为L的BCH校验矩阵进行初等行变换得到如下下三角结构（以t=5，GF（2⁷）上的BCH校验矩阵为例，矩阵大小为7行99列，这里已经将GF（2⁷）上的元素写成了列向量的形式）：

；

然后将BCH校验矩阵进行缩减，只保留后m×L列，得到如下目标校验矩阵：

；

对上述目标校验矩阵取逆，将目标校验矩阵的逆矩阵与行编码后的码字矩阵相乘即完成了列编码。编码后列方向上的码字可以分别拆分为纠错能力为1到L-1的BCH码，在译码时可结合行方向RS码逐层拆分进行纠错。为了进一步提升纠错能力，完成行列编码后对每一列进行奇偶校验，得到的校验比特放在码字矩阵第一行。

GEL码的性能可通过理论分析得到，与实际结果基本重合。因此，将误码率2e-3的阈值性能作为输入，首先确定码字所在的伽罗华域（m的取值）。之后，需要确定每一层RS码的纠错能力，使得每一层在信道比特出错概率为2e-3时输出的出错概率小于1e-15/L，则可保证整体码字出错概率小于1e-15。同时，码字的编码开销不超过12.06%。为了进一步降低延时和功耗，本申请对通过上述方法得到的GEL码进行行方向的缩短，使其能够在最小的码长下得到所需性能。

如图5所示，给出了按照下一代以太网设计编码技术指标设计的GEL编码方案示意图，记做Code1。Code1码字定义在有限域GF（2⁸）上，共有4层，每层RS码长度为253，校验位数目分别为56，14，6，4，信息位数目为7472，总码长为8349，编码开销为11.74%。此外，本申请还给出了两种NCG分别增加到8.5dB和9.0dB，其余参数均满足下一代以太网设计编码技术指标的编码方案，分别记为Code2和Code3，用于对性能要求更加严苛的应用场景。Code2码字定义在有限域GF（2⁸）上，共有5层，每层RS码长度为245，校验位数目分别为66，18，8，4，4，信息位数目为9010，总码长10045，编码开销为11.49%。Code3码字定义在有限域GF（2⁸）上，共有6层，每层RS码长度为466，校验位数目分别为176，44，16，8，6，4，信息位数目为22879，总码长25630，编码开销为12.02%。需要注意由于应用在通信标准中的码字需要严格满足码率要求，因此对于所提出的三种码字，应严格满足257/288的码率。基于此，对Code1码字需要接收29次数据，共7453个比特组成信息位，在信息位后加上19个冗余位进行编码，编码完成后再加上3个冗余位组成8352个比特用于29个周期的输出。对Code2码字需要接收35次数据，共8995个比特组成信息位，在信息位后加上15个冗余位进行编码，编码完成后再加上35个冗余位组成10080个比特用于35个周期的输出。对Code3码字需要接收89次数据，共22873个比特组成信息位，在信息位后加上6个冗余位进行编码，编码完成后再加上2个冗余位组成25632个比特用于89个周期的输出。冗余位的选取不受限制，可自由选取。

如图6所示，图6为本申请所提出编码方案的性能图，均采用硬判决译码。实线为码字的性能仿真图，虚线为理论分析结果。可以看到，理论计算结果与实际仿真结果几乎完全重合，证明理论设计的可靠性。此外，Code1编码方案的NCG约为8.38dB，Code2编码方案的NCG约为8.53dB，Code3编码方案的NCG约为9dB，三种编码方案在码长、吞吐率、译码性能等方面完全满足800GBase的技术要求，且后两种方案可以满足更高的性能指标。

如图7所示，本申请还提供一种面向下一代以太网的GEL编码装置，包括：

获取模块10，用于获取第一目标阈值；

第一确定模块20，用于根据所述第一目标阈值，确定第一码字矩阵行编码和列编码所在的伽罗华域GF（2^m），其中m为正整数；

第二确定模块30，用于根据所述第一目标阈值，确定所述第一码字矩阵的层数；

第三确定模块40，用于根据所述伽罗华域GF（2^m）确定所述第一码字矩阵中每层RS码的纠错能力，以使所述第一码字矩阵中每层在信道比特出错概率小于第二目标阈值；

第一编码模块50，用于将信息比特置于所述第一码字矩阵每层的信息位部分，进行行方向子码RS编码，得到行编码；

第四确定模块60，用于根据所述第一码字矩阵所在的伽罗华域GF（2^m）和第一码字矩阵的层数，确定列方向BCH子码的校验矩阵；

矩阵初等变换模块70，用于对所述校验矩阵进行初等变换；

矩阵缩减模块80，用于将初等变换后的校验矩阵进行缩减，得到目标校验矩阵；

矩阵取逆模块90，用于将所述目标校验矩阵取逆，得到所述目标校验矩阵的逆矩阵；

第二编码模块100，用于将所述目标校验矩阵的逆矩阵与所述行编码相乘，得到行编码和列编码后的第二码字矩阵；

校验模块110，用于根据所述第二码字矩阵，对每一列的所述列编码进行奇偶校验，得到的校验比特放在所述第二码字矩阵的第一行。

本申请实施例中，面向下一代以太网的GEL编码装置部分的实施例与面向下一代以太网的GEL编码方法部分的实施例可以相互参见，此处不再赘述。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种面向下一代以太网的GEL编码方法，其特征在于，包括：

获取第一目标阈值；

根据所述第一目标阈值，确定第一码字矩阵行编码和列编码所在的伽罗华域GF（2^m），其中m为正整数；

根据所述第一目标阈值，确定所述第一码字矩阵的层数；

根据所述伽罗华域GF（2^m）确定所述第一码字矩阵中每层RS码的纠错能力，以使所述第一码字矩阵中每层在信道比特出错概率小于第二目标阈值；

将信息比特置于所述第一码字矩阵每层的信息位部分，进行行方向子码RS编码，得到行编码；

根据所述第一码字矩阵所在的伽罗华域GF（2^m）和第一码字矩阵的层数，确定列方向BCH子码的校验矩阵；

对所述校验矩阵进行初等变换；

将初等变换后的校验矩阵进行缩减，得到目标校验矩阵；

将所述目标校验矩阵取逆，得到所述目标校验矩阵的逆矩阵；

将所述目标校验矩阵的逆矩阵与所述行编码相乘，得到行编码和列编码后的第二码字矩阵；

根据所述第二码字矩阵，对每一列的所述列编码进行奇偶校验，得到的校验比特放在所述第二码字矩阵的第一行；

其中，所述第二目标阈值为在输入误码率为2e-3下达到输出误码率为1e-15/L，其中L为所述第一码字矩阵的层数。

2.根据权利要求1所述的一种面向下一代以太网的GEL编码方法，其特征在于，所述第一码字矩阵的行编码和列编码均的定义在有限域GF（2⁸）上；所述第一码字矩阵的层数4层，每层RS码长度为253，校验位数目分别为56，14，6，4，信息位数目为7472，总码长为8349，编码开销为11.74%。

3.根据权利要求1所述的一种面向下一代以太网的GEL编码方法，其特征在于，所述第一码字矩阵的行编码和列编码均的定义在有限域GF（2⁸）上；所述第一码字矩阵的层数5层，每层RS码长度为245，校验位数目分别为66，18，8，4，4，信息位数目为9010，总码长为10045，编码开销为11.49%。

4.根据权利要求1所述的一种面向下一代以太网的GEL编码方法，其特征在于，所述第一码字矩阵的行编码和列编码均的定义在有限域GF（2⁹）上；所述第一码字矩阵的层数6层，每层RS码长度为466，校验位数目分别为176，44，16，8，6，4，信息位数目为22879，总码长为25630，编码开销为12.02%。

5.一种面向下一代以太网的GEL编码装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取第一目标阈值；

第一确定模块，用于根据所述第一目标阈值，确定第一码字矩阵行编码和列编码所在的伽罗华域GF（2^m），其中m为正整数；

第二确定模块，用于根据所述第一目标阈值，确定所述第一码字矩阵的层数；

第三确定模块，用于根据所述伽罗华域GF（2^m）确定所述第一码字矩阵中每层RS码的纠错能力，以使所述第一码字矩阵中每层在信道比特出错概率小于第二目标阈值；其中，所述第二目标阈值为在输入误码率为2e-3下达到输出误码率为1e-15/L，其中L为所述第一码字矩阵的层数；

第一编码模块，用于将信息比特置于所述第一码字矩阵每层的信息位部分，进行行方向子码RS编码，得到行编码；

第四确定模块，用于根据所述第一码字矩阵所在的伽罗华域GF（2^m）和第一码字矩阵的层数，确定列方向BCH子码的校验矩阵；

矩阵初等变换模块，用于对所述校验矩阵进行初等变换；

矩阵缩减模块，用于将初等变换后的校验矩阵进行缩减，得到目标校验矩阵；

矩阵取逆模块，用于将所述目标校验矩阵取逆，得到所述目标校验矩阵的逆矩阵；

第二编码模块，用于将所述目标校验矩阵的逆矩阵与所述行编码相乘，得到行编码和列编码后的第二码字矩阵；

校验模块，用于根据所述第二码字矩阵，对每一列的所述列编码进行奇偶校验，得到的校验比特放在所述第二码字矩阵的第一行。

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