一种面向下一代以太网的伪乘积码编码方法及装置
阅读说明：本技术 一种面向下一代以太网的伪乘积码编码方法及装置 (Pseudo product code encoding method and device facing next generation Ethernet ) 是由 崔航轩 于 2021-11-16 设计创作，主要内容包括：本申请提供一种面向下一代以太网的伪乘积码编码方法及装置,方法包括确定码字矩阵行方向的子码和列方向的子码；根据行方向使用的KP4码子码数目确定目标次数；将KP4码编码后的码字折叠目标次数后置于码字矩阵每行对应位置；确定目标码字矩阵列方向BCH码的信息比特数目以及所在的伽罗华域；确定目标码字矩阵列方向BCH码纠错能力；对目标码字矩阵列方向进行BCH编码；判断伪乘积码矩阵的性能是否满足误码率的要求；若否,重新选择目标次数,对码字矩阵行方向的KP4码子码进行折叠；若所有折叠次数都不满足,则增加行方向KP4码子码数目。可在硬判决译码下满足下一代以太网的时延和性能要求。(The application provides a pseudo product code coding method and a device facing to a next generation Ethernet, wherein the method comprises the steps of determining subcodes in the row direction and subcodes in the column direction of a code matrix; determining the target times according to the number of KP4 code subcodes used in the row direction; placing the code word after KP4 code coding at the corresponding position of each row of the code word matrix after folding the target times; determining the number of information bits of a BCH code in the direction of a target code word matrix array and the located Galois field; determining the error correction capability of a BCH code in the direction of a target code word matrix; performing BCH coding on the direction of the target code word matrix array; judging whether the performance of the pseudo product code matrix meets the requirement of the error rate or not; if not, reselecting the target times, and folding KP4 code subcodes in the row direction of the code word matrix; if all folding times are not satisfied, increasing the number of subcodes of the column direction KP 4. The delay and performance requirements of the next generation Ethernet can be met under the hard decision decoding.)
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伪乘积码编码方法及装置。
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。现有采用乘积码用于高速光通信的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分别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伪乘积码编码方法及装置，可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伪乘积码编码方法，包括：
确定码字矩阵的行方向的子码和列方向的子码；其中行方向的子码采用KP4码，列方向的子码采用缩短BCH码；
根据码长要求选择行方向使用的KP4码子码数目m；
选择能被m整除的数字p作为目标折叠次数；
将行方向KP4码编码后的码字折叠目标次数后置于所述码字矩阵每行对应位置，得到目标码字矩阵；
根据所述目标码字矩阵确定所述目标码字矩阵列方向BCH码的信息比特数目以及所在的伽罗华域；
根据下一代以太网编码开销，确定所述目标码字矩阵列方向BCH码纠错能力；
对所述目标码字矩阵列方向进行BCH编码，得到编码完成后的伪乘积码矩阵；
判断所述伪随机码矩阵的性能是否满足在输入误码率为2e-3下达到输出误码率为1e-15；
若否，重新选择折叠目标次数，对所述码字矩阵的行方向KP4码子码进行折叠；若所有折叠次数都不满足，则增加行方向KP4码子码数目。
可选的，根据码长要求选择行方向使用的KP4码子码数目m，包括：
根据以下公式选择行方向使用的KP4码子码数目：
；
其中，N 1=544，为行子码的码字长度。
可选的，根据下一代以太网编码开销，确定所述目标码字矩阵列方向BCH码纠错能力，包括：
根据以下公式，确定所述目标码字矩阵列方向BCH码纠错能力：
；
其中，OH为编码开销，即K/（N-K）需小于等于12.06%，其中K为信息比特数，N为码字总长度；行方向KP4码的OH 1，R 1已知，OH 1=30/514,R 1=514/544；q2和t2分别为列方向子码所在的伽罗华域GF(2 q2)参数和纠错能力；n,m分别为一个伪随机码中包含的列子码和行子码数目；N 1,K 1分别为行子码的码字长度和信息比特数；N 2,K 2分别为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；p为折叠次数；R 1为行子码的码率。
可选的，所述码字矩阵行方向共有7个KP4码，每个所述KP4码折叠68次，列方向共有80个BCH(503,476,t=3)码，总码长为40240，编码开销为11.84%。
可选的，所述码字矩阵行方向共有10个KP4码，每个所述KP4码折叠68次，列方向共有80个BCH(720,680,t=4)码，码字总码长为57600，编码开销为12.06%。
可选的，所述码字矩阵行方向共有13个KP4码，每个所述KP4码折叠68次，列方向共有80个BCH(934,884,t=5)码，码字总码长为74720，编码开销为11.82%。
第二方面，本申请提供一种面向以太网的伪乘积码编码装置，包括：
第一确定模块，用于确定码字矩阵的行方向的子码和列方向的子码；其中行方向的子码采用KP4码，列方向的子码采用缩短BCH码；
第一选择模块，用于根据码长要求选择行方向使用的KP4码子码数目m；
第二选择模块，用于选择能被m整除的数字p作为目标折叠次数；
折叠模块，用于将行方向KP4码编码后的码字折叠目标次数后置于所述码字矩阵每行对应位置，得到目标码字矩阵；
第二确定模块，用于根据所述目标码字矩阵确定所述目标码字矩阵列方向BCH码的信息比特数目以及所在的伽罗华域；
第三确定模块，用于根据下一代以太网编码开销，确定所述目标码字矩阵列方向BCH码纠错能力；
编码模块，用于对所述目标码字矩阵列方向进行BCH编码，得到编码完成后的伪乘积码矩阵；
判断模块，用于判断所述伪随机码矩阵的性能是否满足在输入误码率为2e-3下达到输出误码率为1e-15；
若否，重新选择折叠目标次数，对所述码字矩阵的行方向KP4码子码进行折叠；若所有折叠次数都不满足，则增加行方向KP4码子码数目。
可选的，所述第一选择模块包括：
选择单元，用于根据以下公式选择行方向使用的KP4码子码数目：
；
其中，N 1=544，为行子码的码字长度。
可选的，所述第三确定模块包括：
确定单元，用于根据以下公式，确定所述目标码字矩阵列方向BCH码纠错能力：
；
其中，OH为编码开销，即K/（N-K）需小于等于12.06%，其中K为信息比特数，N为码字总长度；行方向KP4码的OH 1，R 1已知，OH 1=30/514,R 1=514/544；q2和t2分别为列方向子码所在的伽罗华域GF(2 q2)参数和纠错能力；n,m分别为一个伪随机码中包含的列子码和行子码数目；N 1,K 1分别为行子码的码字长度和信息比特数；N 2,K 2分别为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；p为折叠次数；R 1为行子码的码率。
本申请提供一种面向下一代以太网的伪乘积码编码方法及装置，其中方法包括确定码字矩阵的行方向的子码和列方向的子码；其中行方向的子码采用KP4码，列方向的子码采用缩短BCH码；根据码长要求选择行方向使用的KP4码子码数目m；选择能被m整除的数字p作为目标折叠次数；将行方向KP4码编码后的码字折叠目标次数后置于所述码字矩阵每行对应位置，得到目标码字矩阵；根据所述目标码字矩阵确定所述目标码字矩阵列方向BCH码的信息比特数目以及所在的伽罗华域；根据下一代以太网编码开销，确定所述目标码字矩阵列方向BCH码纠错能力；对所述目标码字矩阵列方向进行BCH编码，得到编码完成后的伪乘积码矩阵；判断所述伪随机码矩阵的性能是否满足在输入误码率为2e-3下达到输出误码率为1e-15；若否，重新选择折叠目标次数，对所述码字矩阵的行方向KP4码子码进行折叠；若所有折叠次数都不满足，则增加行方向KP4码子码数目。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伪乘积码编码方法的流程示意图；
图4为本申请实施例部分提供的伪乘积码的结构示意图；
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伪乘积码编码示意图；
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伪乘积码编码装置结构示意图。
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。本申请采用的伪乘积码编码属于第二种方案，级联方案不需要对KP4进行译码来恢复信息比特，因此在延迟和功耗方案具有优势。
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2e-3的阈值性能，即净编码增益（NCG）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，因此对于第二种编码 方案，码长需控制在40000bits左右。综上所述，为满足800GBase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（NCG）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伪乘积码编码方法。如图3所示，所述方法包括：
步骤S101，确定码字矩阵的行方向的子码和列方向的子码；其中行方向的子码采用KP4码，列方向的子码采用缩短BCH码。
步骤S102，根据码长要求选择行方向使用的KP4码子码数目m。
本步骤中，根据以下公式选择行方向使用的KP4码子码数目：
；
其中，N 1=544，为行子码的码字长度。
步骤S103，选择能被m整除的数字p作为目标折叠次数。
步骤S104，将行方向KP4码编码后的码字折叠目标次数后置于所述码字矩阵每行对应位置，得到目标码字矩阵。
如图4所示，本步骤中，在所述码字矩阵的行方向的子码折叠目标次数，以将所述码字矩阵的长度分为目标次数等份，每份码字矩阵的长度为所述码字矩阵的码长与所述目标次数的比值，将每份码字矩阵的长度对应的码字矩阵在行方向上放置，得到所述目标码字矩阵。
步骤S105，根据所述目标码字矩阵确定所述目标码字矩阵列方向BCH码的信息比特数目以及所在的伽罗华域。其中目标码字矩阵列方向BCH码的信息比特数目为。
步骤S106，根据下一代以太网编码开销，确定所述目标码字矩阵列方向BCH码纠错能力。
本步骤中，利用 ，确定所述目标码字矩阵列方向BCH码纠错能力t2。其中OH需小于等于12.06%。行方向KP4码 的OH 1，R 1已知，OH 1=30/514,R 1=514/544,。q2为列方向子码所在的伽罗华域GF (2 q2)参数。OH为编码开销，即K/（N-K），其中K为信息比特数，N为码字总长度；n,m分别为一个 伪随机码中包含的列子码和行子码数目；N 1,K 1分别为行子码的码字长度和信息比特数；N 2,K 2分别为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；p 为折叠次数；R 1为行子码的码率。
步骤S107，对所述目标码字矩阵列方向进行BCH编码，得到编码完成后的伪乘积码矩阵。
步骤S108，判断所述伪随机码矩阵的性能是否满足在输入误码率为2e-3下达到输出误码率为1e-15。
步骤S109，若否，重新选择折叠目标次数，对所述码字矩阵的行方向KP4码子码进行折叠；若所有折叠次数都不满足，则增加行方向KP4码子码数目。
步骤S101-S109中，将KP4码作为码字矩阵行方向上的子码，列方向采用缩短BCH码，通过调整BCH码的纠错能力和KP4码的折叠次数使得编码方案满足码长，编码开销的要求。
通过技术指标和译码性能对码字结构进行调整，如图5所示，图5给出了所提出的用于800GBase以太网的伪乘积码编码方案示意图，记做Code1。Code1码字矩阵行方向共有7个KP4码，每个KP4码折叠68次，列方向共有80个BCH(503,476,t=3)码。可计算出总码长为40240，编码开销为11.84%。此外，本申请还给出了两种针对延时要求宽松，性能要求严格的应用场景的编码方案。此时，由于性能要求更为严苛，因此需要增加列方向子码的纠错能力。在编码开销要求保持不变的前提下，更长的延时使得可以通过增加行方向码字数目提升列方向子码的长度，从而在同等编码开销下实现列方向子码的纠错能力的提升。将所提出的这两种编码方案分别记为Code2和Code3。Code2对应的设计性能指标为在输入误码率为3.8e-3下达到输出误码率小于1e-15。码字矩阵行方向共有10个KP4码，每个KP4码折叠68次，列方向共有80个BCH(720,680,t=4)码，可计算出码字总码长为57600，编码开销为12.06%。Code3对应的设计性能指标为在输入误码率为3e-3下达到输出误码率小于1e-15。码字矩阵行方向共有13个KP4码，每个KP4码折叠68次，列方向共有80个BCH(934,884,t=5)码，可计算出码字总码长为74720，编码开销为11.82%。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，在传输时需要在编码完成后对上述三种码字分别加上80,0,160比特的冗余位，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，迭代次数为5次。实线为码字在waterfall区域的性能仿真图，虚线为error-floor区域的理论分析结果，代表了仿真的性能下界。可以看到，Code1编码方案的NCG约为8.45dB。因此，Code1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。此外，Code2编码方案的NCG约为8.80dB，Code3编码方案的NCG约为9.05dB，这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伪乘积码编码装置，包括：
第一确定模块100，用于确定码字矩阵的行方向的子码和列方向的子码；其中行方向的子码采用KP4码，列方向的子码采用缩短BCH码；
第一选择模块200，用于根据码长要求选择行方向使用的KP4码子码数目m；
第二选择模块300，用于选择能被m整除的数字p作为目标折叠次数；
折叠模块400，用于将行方向KP4码编码后的码字折叠目标次数后置于所述码字矩阵每行对应位置，得到目标码字矩阵；
第二确定模块500，用于根据所述目标码字矩阵确定所述目标码字矩阵列方向BCH码的信息比特数目以及所在的伽罗华域；
第三确定模块600，用于根据下一代以太网编码开销，确定所述目标码字矩阵列方向BCH码纠错能力；
编码模块700，用于对所述目标码字矩阵列方向进行BCH编码，得到编码完成后的伪乘积码矩阵；
判断模块800，用于判断所述伪随机码矩阵的性能是否满足在输入误码率为2e-3下达到输出误码率为1e-15；
若否，重新选择折叠目标次数，对所述码字矩阵的行方向KP4码子码进行折叠；若所有折叠次数都不满足，则增加行方向KP4码子码数目。
可选的，所述第一选择模块包括：
选择单元，用于根据以下公式选择行方向使用的KP4码子码数目：
；
其中，N 1=544，为行子码的码字长度。
可选的，所述第三确定模块包括：
确定单元，用于根据以下公式，确定所述目标码字矩阵列方向BCH码纠错能力：
；
其中，OH为编码开销，即K/（N-K）需小于等于12.06%，其中K为信息比特数，N为码字总长度；行方向KP4码的OH 1，R 1已知，OH 1=30/514,R 1=514/544；q2和t2分别为列方向子码所在的伽罗华域GF(2 q2)参数和纠错能力；n,m分别为一个伪随机码中包含的列子码和行子码数目；N 1,K 1分别为行子码的码字长度和信息比特数；N 2,K 2分别为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；p为折叠次数；R 1为行子码的码率。
本申请实施例中，面向下一代以太网的伪乘积码编码装置部分的实施例与面向以太网的伪乘积码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。
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