СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАГОЛОВКА КАДРА МНОГОКАНАЛЬНОГО СИГНАЛА
METHOD AND DEVICE FOR DETECTION OF THE FRAME HEADER OF A MULTICHANNEL SIGNAL

Область техники
Настоящее изобретение относится к синхронизации при приеме сигнала в области цифровой оптической связи, а именно к способу и устройству для обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала.
Предпосылки создания изобретения
Из-за быстрого роста требований к пропускной способности базовой сети, предъявляемых рынком, для магистральных маршрутизаторов возникает необходимость применения портов 100-гигабитного Ethernet (100GbE). Устройства по стандарту 100-гигабитного Ethernet (100G) являются самостоятельным направлением развития, при этом для поддержки передачи данных на дальние расстояния с помощью стандарта 100G необходимо устройство, действующее по принципу плотного мультиплексирования с разделением по длине волны (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM).
В оптической связи особо важную роль играет синхронизация кадров. Расположение модуля синхронизации кадров на приемном конце системы оптической связи проиллюстрировано на фиг. 1. Сигнал поступает в модуль синхронизации кадров после точного выравнивания, оценки сдвига частоты и оценки сдвига фазы. Процедура синхронизации кадров выполняет, главным образом, функцию маркировки заголовка кадра, чтобы предоставить информацию индикации заголовка кадра для последующих операций компенсации неопределенности фазы и удаления обучающей последовательности заголовка кадра, а также указывает на состояние синхронизации системы и отражает качество канала.
В методах синхронизации кадров поиск и маркировку заголовка кадра реализуют при помощи кода групповой сигнализации, внедренного в сигнал. Внедрение кода групповой сигнализации может быть выполнено двумя различными методами - централизованным внедрением и распределенным внедрением, при этом соответствующие внедряемые сигналы называют, соответственно, кодовым блоком и кодовым элементом. В системах оптической связи могут применяться оба метода, в зависимости от конкретных требований. Любой из этих методов может применяться независимо, или они могут применяться в некоторой комбинации. В способе синхронизации кадров, определенном стандартом 100G, в некоторых случаях обнаружение заголовка кадра выполняют на основе характеристики автокорреляции периода кодового блока, а в других случаях обнаружение заголовка кадра выполняют на основе характеристики периода появления кодового элемента. Процедура обнаружения, как правило, включает два шага, поиск и захват, которые соответствуют рассинхронизированному и синхронизированному состоянию, соответственно. После обнаружения заголовка кадра позицию заголовка кадра маркируют для использования в последующих модулях, где это необходимо. Показатели качества, которые позволяют оценить способ синхронизации кадров, включают время установления синхронизации и стабильность системы после синхронизации. Эффективный способ синхронизации кадров позволяет выполнять быструю синхронизацию системы и гарантировать, что система будет функционировать стабильно, не переходя слишком часто в состояние рассинхронизации, если после синхронизации состояние линии связи будет оставаться стабильным, и не будет возникать непредвиденных факторов, ухудшающих качество линии связи.
Традиционное решение, используемое для синхронизации кадров при оптической связи на существующем уровне техники, показано на фиг. 2. Устройство для синхронизации при многоканальной передаче данных сконфигурировано для синхронизации многоканальных данных из источника многоканальных данных в схеме приемника при передаче данных по физическому каналу связи. Многоканальный источник данных включает данные заголовка кадра, содержащие сигнал синхронизации кадра. Устройство имеет в своем составе схему синхронизации многоканальных данных, которая сконфигурирована для обеспечения синхронизации при многоканальной передаче данных, при этом схема синхронизации многоканальных данных содержит схему извлечения заголовка принятого кадра и схему синхронизации многоканальных данных, причем схема излечения заголовка кадра принимает поток данных по физическому каналу передачи данных, извлекает из него данные заголовка кадра и передает их в схему синхронизации многоканальных данных. Схема синхронизации многоканальных данных преобразует упомянутый выше поток данных в синхронизированный поток данных на основе сигнала синхронизации кадров в данных заголовка кадра, согласно данным заголовка кадра, переданным схемой извлечения заголовка принятого кадра.
Однако в настоящий момент перед специалистами в данной области техники постоянно встает техническая задача дальнейшей оптимизации решения для синхронизации кадров в оптической связи, чтобы обеспечить быструю синхронизацию, а также дополнительно повысить стабильность системы после процедуры синхронизации кадров (т.е. снизить вероятность рассинхронизации системы после синхронизации, при условии, что условия работы линии связи остаются относительно неизменными).
Сущность изобретения
Для решения описанной выше технической задачи, в вариантах осуществления настоящего изобретения предложены способ и устройство для обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложен способ обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала, включающий следующее:
выполняют процедуру жесткого решения над входными данными, в результате чего получают принятую последовательность;
выполняют операцию скользящей корреляции между принятой последовательностью и заранее локально сохраненными последовательностями заголовка кадра, соответствующими каждому из каналов, в результате чего получают соответствующие результаты операции;
результаты операции сравнивают с заранее заданными пороговыми значениями, в результате чего получают результаты решения по порогам; и
выполняют определение заголовка кадра и определение канала согласно результатам решения по порогам.
В заранее локально сохраненных заголовочных последовательностях кадра, соответствующих всем каналам, значения автокорреляции в каждой заголовочной последовательности кадра могут быть выше, чем первое пороговое значение, а перекрестная корреляция между любыми двумя последовательностями заголовка кадра может быть ниже, чем второе пороговое значение.
Шаг, на котором выполняют процедуру жесткого решения над входными данными, в результате чего получают принятую последовательность, может включать следующее:
жесткое решение выполняют согласно знаковому биту точки измерения входных данных, при этом результат жесткого решения равен 0, если знаковый бит точки измерения равен 0, и результат жесткого решения равен 1, если знаковый бит точки измерения равен 1, и из результатов жесткого решения формируют принятую последовательность.
Шаг, на котором выполняют операцию скользящей корреляции между принятой последовательностью и заранее локально сохраненными последовательностями заголовка кадра, соответствующими каждому из каналов, в результате чего получают соответствующие результаты операции, может включать следующее:
для принятой последовательности и N последовательностей заголовка кадра, соответствующих N каналам, выполняют операцию скользящего исключающего или и суммирования, при этом длина операции исключающего или и суммирования совпадает с длиной заголовочной последовательности кадра, а результат операции представляет собой результат исключающего или и суммирования; при этом, также, операция исключающего или и суммирования может быть выполнена для принятой последовательностью и N последовательностей заголовка кадра, в результате чего могут быть получены N соответствующих результатов операции, где N - целое число больше 1.
Шаг, на котором результаты операции сравнивают с заранее заданными пороговыми значениями, в результате чего получают результаты решения по порогам, может включать следующее:
результат операции скользящей корреляции между принятой последовательностью и n-й заголовочной последовательностью кадра сравнивают с первым заранее заданным пороговым значением и вторым заранее заданным пороговым значением, соответственно, и когда результат операции больше или равен первому пороговому значению, результат решения по порогам указывает на то, что принятая последовательность и n-я заголовочная последовательность кадра противоположны по фазе; а когда результат операции меньше или равен второму пороговому значению, результат решения по порогам указывает на то, что принятая последовательность и n-я заголовочная последовательность кадра не противоположны по фазе, где 0<n<N и n - целое число.
Шаг, на котором выполняют определение заголовка кадра и определение канала согласно результатам решения по порогам, может включать следующее:
когда упомянутый результат операции меньше или равен второму пороговому значению, определяют, что принятая последовательность расположена в позиции заголовка кадра, и получают номер канала, соответствующий n-й заголовочной последовательности кадра, задействованной в соответствующей операции; в противном случае определяют, что позиция, в которой находится принятая последовательность, не является позицией заголовка кадра.
В данном варианте осуществления настоящего изобретения предложено также устройство для обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала, включающее: блок жесткого решения, блок определения скользящей корреляции, блок решения по порогам, блок определения заголовка кадра и определения канала.
Блок жесткого решения может быть сконфигурирован для выполнения процедуры жесткого решения над входными данными, в результате чего получают принятую последовательность.
Блок скользящей корреляции может быть сконфигурирован для выполнения операции скользящей корреляции между принятой последовательностью и заранее локально сохраненными последовательностями заголовка кадра, соответствующими каждому из каналов, в результате чего получают соответствующие результаты операции.
Блок решения по порогам может быть сконфигурирован для сравнения упомянутых результатов операции с заранее заданными пороговыми значениями, в результате чего получают результаты решения по порогам.
Блок определения заголовка кадра и определения канала может быть сконфигурирован для определения заголовка кадра и определения канала согласно результатам решения по порогам.
В заранее локально сохраненных заголовочных последовательностях кадра, соответствующих всем каналам, значения автокорреляции в каждой заголовочной последовательности кадра могут быть выше, чем первое пороговое значение, а перекрестная корреляция между любыми двумя последовательностями заголовка кадра может быть ниже, чем второе пороговое значение.
Блок жесткого решения может быть дополнительно сконфигурирован для выполнения жесткого решения согласно знаковому биту точки измерения входных данных, при этом результат жесткого решения равен 0, если знаковый бит точки измерения равен 0, и результат жесткого решения равен 1, если знаковый бит точки измерения равен 1, при этом из результатов жесткого решения формируют приемную последовательность.
Блок скользящей корреляции может быть дополнительно сконфигурирован для выполнения операции скользящего исключающего или и суммирования, для принятой последовательности и N последовательностей заголовка кадра, соответствующих N каналам, при этом длина операции исключающего или и суммирования совпадает с длиной заголовочной последовательности кадра, а результат операции представляет собой результат исключающего или и суммирования; при этом, также, операция исключающего или и суммирования может быть выполнена для принятой последовательности и N последовательностей заголовка кадра, в результате чего могут быть получены N соответствующих результатов операции, где N - целое число больше 1.
Блок сравнения с пороговыми значениями может быть дополнительно сконфигурирован для сравнения результата операции скользящей корреляции между принятой последовательностью и n-й заголовочной последовательностью кадра с первым заранее заданным пороговым значением и вторым заранее заданным пороговым значением соответственно, и когда результат операции больше или равен первому пороговому значению, результат решения по порогам указывает на то, что принятая последовательность и n-я заголовочная последовательность кадра противоположны по фазе; а когда результат операции меньше или равен второму пороговому значению, результат решения по порогам указывает на то, что принятая последовательность и n-я заголовочная последовательность кадра не противоположны по фазе, где 0<n<N и n - целое число.
Блок определения заголовка кадра и блок определения канала могут быть также сконфигурированы, когда упомянутый результат операции меньше или равен второму пороговому значению, для определения того, что позиция, в которой расположена принятая последовательность, является позицией заголовка кадра, и для получения номера канала, соответствующего n-й заголовочной последовательности кадра, задействованной в соответствующей операции.
В данном варианте осуществления настоящего изобретения предложен машиночитаемый носитель, который включает набор машиноисполняемых инструкции, при этом инструкции сконфигурированы для исполнения упомянутого выше способа обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала.
В соответствии со способом и устройством для обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала, предложенными в вариантах осуществления настоящего изобретения, два узла, участвующих в оптической связи, могут быстро устанавливать линию связи. Обеспечивается высокая помехоустойчивость системы (т.е. низка вероятность рассинхронизации системы после синхронизации, при условии, что условия работы линии связи поддерживаются относительно стабильными). Обеспечивается широкий диапазон допустимых сдвигов частоты канала. Могут быть получены преимущества, заключающиеся в простоте реализации синхронизации кадров, простоте аппаратной реализации, высокой стабильности синхронизации и т.п.
Поскольку N принятых коррелируемых последовательностей кодовых блоков имеют высокую автокорреляцию, но очень низкую перекрестную корреляцию, могут быть исключены случаи ложного обнаружения и ложного срабатывания, благодаря чему могут быть повышены скорость и надежность синхронизации. Последовательности кодовых блоков обрабатывают различным образом, чтобы определить заголовок кадра и номер канала, однако в то же время заранее предполагают большое значение сдвига частоты, благодаря чему может быть ускорена компенсация значительного сдвига частоты и сокращено время установления линии связи в системе. При этом четыре коррелируемые последовательности, соответствующие каждому из четырех каналов в отдельности, заранее сохранены локально, благодаря чему может быть практически устранено влияние перекрестных помех между каналами на определение корреляции.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой блок-схему алгоритма обработки данных на приемном конце системы оптической связи в соответствии с существующим уровнем техники.
Фиг. 2 представляет собой эскизную блок-схему синхронизации при многоканальной передаче данных в соответствии с существующим уровнем техники.
Фиг. 3 представляет собой блок-схему алгоритма для способа обнаружения заголовка многоканального кадра в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 представляет блок-схему устройства для обнаружения заголовка многоканального кадра в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 представляет собой структурную блок-схему передающей стороны в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 представляет собой эскизную иллюстрацию типового формата информационного кадра в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7 представляет собой эскизную иллюстрацию типового формата информационного кадра в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8 представляет собой эскизную иллюстрацию принципа синхронизации кадров на приемном конце в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9а представляет собой эскизную иллюстрацию автокорреляции заголовочной последовательности кадра, соответствующего исходным данным XI, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9b представляет собой эскизную иллюстрацию автокорреляции заголовочной последовательности кадра, соответствующего исходным данным XQ, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9с представляет собой эскизную иллюстрацию автокорреляции заголовочной последовательности кадра, соответствующего исходным данным YI, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9d представляет собой эскизную иллюстрацию автокорреляции заголовочной последовательности кадра, соответствующего исходным данным YQ, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9e представляет собой эскизную иллюстрацию перекрестной корреляции между заголовочными последовательностями исходных данных XI и XQ, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9f представляет собой эскизную иллюстрацию перекрестной корреляции между заголовочными последовательностями исходных данных XI и YI, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9g представляет собой эскизную иллюстрацию перекрестной корреляции между заголовочными последовательностями исходных данных XI и YQ, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9h представляет собой эскизную иллюстрацию перекрестной корреляции между заголовочными последовательностями исходных данных XQ и YI, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9i представляет собой эскизную иллюстрацию перекрестной корреляции между заголовочными последовательностями исходных данных XQ и YQ, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 9j представляет собой эскизную иллюстрацию перекрестной корреляции между заголовочными последовательностями исходных данных YI и YQ, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Технические решения, предложенные в настоящем изобретении, будут более подробно рассмотрены далее на примерах чертежей и конкретных вариантов его осуществления.
В целях обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложен способ обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала, проиллюстрированный на фиг. 3. Способ включает, главным образом, шаги, описанные ниже.
Шаг 101: выполняют процедуру жесткого решения над входными данными, в результате чего получают принятую последовательность.
В соответствии с иллюстрацией фиг. 1, входные данные для процедуры синхронизации кадров представляют собой "мягкую" информацию, для которой выполнена компенсация сдвига частоты и фазы, так что во входных данных не присутствует влияния сдвига частоты или сдвига фазы.
Сначала над входными данными процедуры синхронизации кадров выполняют жесткое решение. А именно, жесткое решение выполняют в соответствии со знаковым битом точек измерений во входных данных. Результат жесткого решения равен 0, если битовый знак точки измерения равен 0, и результат жесткого решения равен 1, если битовый знак точки измерения равен. Из результатов жесткого решения формируют принятую последовательность.
Шаг 102: выполняют операцию скользящей корреляции между принятой последовательностью и заранее локально сохраненными заголовочными последовательностями кадра, соответствующими каждому из каналов, в результате чего получают соответствующие результаты операции.
Количество каналов при многоканальной передаче данных выбирают в соответствии с требованиями конкретного применения, к примеру, количество каналов может быть равно 4, 8, 16 и т.п.
Заголовочную последовательность кадра, соответствующую каждому из каналов, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, задают заранее, при этом заголовочные последовательности кадра должны удовлетворять следующим условиям: автокорреляция каждой из заголовочных последовательностей кадра выше, чем первое пороговое значение, а перекрестная корреляция между любыми двумя заголовочными последовательностями кадра ниже, чем второе пороговое значение. Значения первого порогового значения и второго порогового значения могут быть выбраны в соответствии с требованиями конкретного практического применения.
То есть заголовочные последовательности кадра, соответствующие каждому из каналов, отличаются друг от друга, и таким образом должны быть обеспечены высокая автокорреляция и низкие перекрестные корреляции для этих заголовочных последовательностей кадра.
Автокорреляция - это корреляция между двумя различными моментами времени в стохастическом процессе. При этом перекрестная корреляция - это корреляция между двумя различными моментами времени в двух стохастических процессах. Автокорреляция - это мера степени корреляции сигнала, то есть автокорреляцию можно рассматривать как операцию интеграла произведения, полученного умножением сигнала и этого же сигнала с задержкой, при этом автокорреляция играет важную роль в регистрации сигнала и является оптимальным критерием приема, если используют принцип минимального коэффициента битовых ошибок. Перекрестную корреляцию в статистике применяют для выражения ковариации cov(X, Y) между двумя случайными векторами X и Y. В области обработки сигналов перекрестная корреляция - это мера, которую используют для выражения сходства между двумя сигналами, при этом для определения характеристик неизвестного сигнала обычно выполняют сравнение с известным сигналом; при этом она также является временной функцией двух сигналов, которую иногда называют скользящим скалярным произведением. То есть перекрестную корреляцию может рассматривать как операцию интеграла произведения, полученного умножением сигнала и другого сигнала, имеющего задержку. Высокая автокорреляция и низкая перекрестная корреляция - необходимые условия для отбора заголовочных последовательностей кадра.
Предпочтительно, шаг, на котором выполняют операцию скользящей корреляции между принятой последовательностью и заранее локально сохраненными заголовочными последовательностями кадра, соответствующими каждому из каналов, в результате чего получают соответствующие результаты операции, включает следующее:
выполняют операцию скользящего исключающего или и суммирования над принятой последовательностью и N заголовочными последовательностями кадра, соответствующими каждому из N каналов. Длина исключающего или и суммирования совпадает с длиной заголовочной последовательности кадра, при этом результат операции - это результат скользящего исключающего или и суммирования. Операцию скользящего исключающего или и суммирования выполняют над принятой последовательностью и N заголовочными последовательностями кадра соответственно, в результате чего получают N соответствующих результатов операции, где N - целое число больше 1.
Логический смысл операции исключающего или: результат равен 0, если два операнда одинаковы, и результат равен 1, если они отличаются; то есть, если некоторый бит принятой последовательности равен некоторому биту заголовочной последовательности кадра в операции исключающего или, то результатом операции исключающего или будет 0, а если бит принятой последовательности отличается от некоторого бита заголовочной последовательности кадра в операции исключающего или, то результатом операции исключающего или будет 1. Следовательно, результат операции скользящего исключающего или и суммирования может отражать количество элементов, не являющихся тождественными в принятой последовательности и заголовочной последовательности кадра для операции исключающего или.
Шаг 103: результаты операции сравнивают с заранее заданными пороговыми значениями, в результате чего получают результаты решения по порогам.
А именно, результаты операции скользящей корреляции между принятой последовательностью и n-й заголовочной последовательностью кадра сравнивают с первым заранее заданным пороговым значением и вторым заранее заданным пороговым значением соответственно. Когда результат операции больше или равен первому пороговому значению, результат решения по порогам указывает на то, что принятая последовательность и n-я заголовочная последовательность кадра противоположны по фазе; а когда результат операции меньше или равен второму пороговому значению, результат решения по порогам указывает на то, что принятая последовательность и n-я заголовочная последовательность кадра не противоположны по фазе, где 0<n<N и n - целое число.
При этом значения первого порогового значения и второго порогового значения могут быть заданы в соответствии с требованиями конкретного практического применения.
Шаг 104: выполняют определение заголовка кадра и определение канала согласно результатам решения по порогам.
А именно, когда упомянутый результат операции меньше или равен второму пороговому значению, определяют, что принятая последовательность расположена в позиции заголовка кадра, и получают номер канала, соответствующий n-й последовательности заголовка кадра, задействованной в соответствующей операции; в противном случае определяют, что позиция, в которой находится принятая последовательность, не является позицией заголовка кадра.
Важно отметить, что способ определения заголовка кадра многоканального канала в рассмотренном выше варианте осуществления настоящего изобретения может применяться в устройстве на стороне приема данных в системе оптической связи.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения предложено также устройство для обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала, которое соответствует способу обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала, предложенному в вариантах осуществления настоящего изобретения, и которое проиллюстрировано на фиг. 4. Устройство включает: блок 10 жесткого решения, блок 20 определения скользящей корреляции, блок 30 определения порогов, блок 40 определения заголовка кадра и определения канала, при этом
блок 10 жесткого решения сконфигурирован для выполнения процедуры жесткого решения над входными данными, в результате чего получают принятую последовательность;
блок 20 скользящей корреляции сконфигурирован для выполнения операции определения скользящей корреляции между принятой последовательностью и заранее локально сохраненными заголовочными последовательностями кадра, соответствующими каждому из каналов, в результате чего получают соответствующие результаты операции;
блок 30 решения по порогам может быть сконфигурирован для сравнения упомянутых результатов операции с заранее заданными пороговыми значениями, в результате чего получают результаты решения по порогам; и
блок 40 определения заголовка кадра и определения канала сконфигурирован для определения заголовка кадра и определения канала согласно результатам решения по порогам.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения заголовочную последовательность кадра, соответствующую каждому из каналов, задают заранее. Эти заголовочные последовательности кадра должны удовлетворять следующим условиям: автокорреляция каждой из заголовочных последовательностей кадра выше, чем первое пороговое значение, а перекрестная корреляция между любыми двумя заголовочными последовательностями кадра ниже, чем второе пороговое значение. Значения первого порогового значения и второго порогового значения могут быть выбраны в соответствии с требованиями конкретного практического применения. То есть заголовочные последовательности кадра, соответствующие каждому из каналов, отличаются друг от друга, и таким образом должны быть обеспечены высокая автокорреляция и низкие перекрестные корреляции для этих заголовочных последовательностей кадра.
Количество каналов при многоканальной передаче данных выбирают в соответствии с требованиями конкретного применения, к примеру, количество каналов может быть равно 4, 8, 16 и т.п.
Предпочтительно, блок 10 жесткого решения дополнительно сконфигурирован для выполнения жесткого решения согласно знаковому биту точки измерения входных данных, при этом результат жесткого решения равен 0, если знаковый бит точки измерения равен 0, и результат жесткого решения равен 1, если знаковый бит точки измерения равен 1. Из результатов жесткого решения формируют принятую последовательность.
Предпочтительно, блок 20 скользящей корреляции дополнительно сконфигурирован для выполнения операции скользящего исключающего или и суммирования над принятой последовательностью и N заголовочными последовательностями кадра, соответствующих каждому из N каналов. Длина операции исключающего или и суммирования совпадает с длиной заголовочной последовательности кадра, при этом результат операции - это результат скользящего исключающего или и суммирования. Операцию скользящего исключающего или и суммирования выполняют над принятой последовательностью и N заголовочными последовательностями кадра соответственно, в результате чего получают N соответствующих результатов операции, где N - целое число больше 1.
Логический смысл операции исключающего или: результат равен 0, если два операнда одинаковы, и результат равен 1, если они отличаются; то есть, если некоторый бит принятой последовательности равен некоторому биту заголовочной последовательности кадра в операции исключающего или, то результатом операции исключающего или будет 0, а если бит принятой последовательности отличается от некоторого бита заголовочной последовательности кадра в операции исключающего или, то результатом операции исключающего или будет 1. Следовательно, результат операции скользящего исключающего или и суммирования может отражать количество элементов, не являющихся тождественными в принятой последовательности и заголовочной последовательности кадра (для операции исключающего или).
Предпочтительно, блок 30 решения по порогам дополнительно сконфигурирован для сравнения результата операции скользящей корреляции между принятой последовательностью и n-й заголовочной последовательности кадра с первым заранее заданным пороговым значением и вторым заранее заданным пороговым значением соответственно, и когда результат операции больше или равен первому пороговому значению, результат решения по порогам указывает на то, что принятая последовательность и n-я последовательность заголовка кадра противоположны по фазе; а когда результат операции меньше или равен второму пороговому значению, результат решения по порогам указывает на то, что принятая последовательность и n-я последовательность заголовка кадра не противоположны по фазе, где 0<n<N и n - целое число.
Предпочтительно, блок 40 определения заголовка кадра и определения канала также сконфигурирован, когда упомянутый результат операции меньше или равен второму пороговому значению, для определения того, что позиция, в которой расположена принятая последовательность, является позицией заголовка кадра, и для получения номера канала, соответствующего n-й последовательности заголовка кадра, задействованной в соответствующей операции.
Важно отметить, что блок 10 жесткого решения, блок 20 скользящей корреляции, блок 30 решения по порогам и блок 40 определения заголовка кадра и определения канала могут быть реализованы в устройстве для обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала при помощи центрального процессорного блока (Central Processing Unit, CPU), микропроцессорного блока (Micro Processing Unit, MPU), цифрового сигнального процессора (Digital Signal Processor, DSP) или электрически программируемой вентильной матрицы (Field-Programmable Gate Array, FPGA). Устройство для обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала в данном варианте осуществления настоящего изобретения может быть размещено в оконечном устройстве, выполняющем прием данных в системе оптической связи, и в этом случае в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, соответственно, предложено оконечное приемное устройство, включающее устройство для обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала.
В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, поскольку N принятых коррелируемых последовательностей кодовых блоков имеют высокую автокорреляцию, но очень низкую перекрестную корреляцию, могут быть исключены случаи ложного обнаружения и ложного срабатывания, благодаря чему могут быть повышены скорость и надежность синхронизации. Соответственно, два осуществляющих оптическую связь узла могут быстро устанавливать линию связи. Обеспечивается высокая помехоустойчивость системы (т.е. низка вероятность рассинхронизации системы после синхронизации, при условии, что условия работы линии связи поддерживаются относительно стабильными). Обеспечивается широкий диапазон допустимых сдвигов частоты канала, и могут быть получены преимущества, заключающиеся в простоте реализации синхронизации кадров, простоте аппаратной реализации, высокой стабильности синхронизации и т.п.
Способ и устройство для обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала, соответствующие вариантам осуществления настоящего изобретения, будут более подробно описаны ниже на примере процедуры синхронизации кадров 4 каналов.
Процедура синхронизации кадров в данном варианте осуществления настоящего изобретения включает реализацию двух частей: передающей стороны и приемной стороны. Структура передающей стороны, в соответствии с иллюстрацией фиг. 5, главным образом включает: модуль 50 пакетирования данных, модуль 60 кодирования и модуль 70 внедрения заголовочной последовательности кадра. Входные данные из передающей стороны распределяют по 4 каналам, которые используются в качестве исходных данных для оптической передачи после процедуры пакетирования в модуле 50 пакетирования данных. Исходные данные 4 каналов обозначены XI, XQ, YI и YQ соответственно, где XI и XQ передают в состоянии X поляризации при оптической передаче, a YI и YQ передают в состоянии Y поляризации при оптической передаче. Модуль 60 кодирования выполняет кодирование данных, прошедших процедуру пакетирования, в 4 соответствующих каналах, что позволяет повысить помехозащищенность и устойчивость данных к ошибкам. Модуль 70 внедрения заголовочной последовательности кадра внедряет заголовочные последовательности кадра в кодированные данные, что позволяет реализовать процедуру формирования кадров данных согласно некоторому формату кадров данных. Оформленные в виде кадров данные могут быть переданы из передающей стороны после предварительной обработки, необходимой для передачи.
Важно отметить, что заголовочные последовательности кадра, соответствующие каждому из каналов, отличаются друг от друга, и должны быть обеспечены высокая автокорреляция и низкие перекрестные корреляции для этих заголовочных последовательностей кадра.
На фиг. 6 показан пример формата кадра данных, где а - входная заголовочная последовательность кадра, a b - кодированное содержимое кадра данных. В зависимости от требований к скорости передачи данных, типовое значение параллелизма данных для 4 каналов равно 64, то есть типовое значение длины на фиг. 6 равно 64, при этом количество 0 в каждом из 4 заголовков кадра составляет 32, и это гарантирует, что после введения заголовков кадров они не окажут влияния на баланс 0 и 1. При этом, в соответствии с иллюстрацией фиг. 7, заголовочные последовательности кадра в каждом из каналов отличаются друг от друга, имеют очень высокую автокорреляцию и очень низкие перекрестные корреляции.
Автокорреляция - это корреляция между двумя различными моментами времени в стохастическом процессе, а перекрестная корреляция - это корреляция между двумя различными моментами времени в двух различных стохастических процессах. Автокорреляция - это мера степени корреляции сигнала, то есть автокорреляцию можно рассматривать как операцию интеграла произведения, полученного умножением сигнала и этого же сигнала с задержкой. При этом автокорреляция играет важную роль в регистрации сигнала и является оптимальным критерием приема, если используют принцип минимального коэффициента битовых ошибок. Перекрестную корреляцию в статистике применяют для выражения ковариации cov(X, Y) между двумя случайными векторами X и Y. В области обработки сигналов перекрестная корреляция - это мера, которую используют для выражения сходства между двумя сигналами, при этом для определения характеристик неизвестного сигнала обычно выполняют сравнение с известным сигналом. Перекрестная корреляция является временной функцией двух сигналов, которую иногда называют скользящим скалярным произведением. То есть перекрестную корреляцию может рассматривать как операцию интеграла произведения, полученного умножением сигнала и другого сигнала, имеющего задержку. Высокая автокорреляция и низкая перекрестная корреляция - необходимые условия для отбора заголовочных последовательностей кадра, что проиллюстрировано на фиг. 9a-9j, где оси абсцисс отражают задержку, оси ординат отражают количество совпадающих 0 и 1 в последовательностях, при этом на фиг. 9а показана автокорреляция заголовочной последовательности кадра, соответствующей исходным данным XI, на фиг. 9b показана автокорреляция заголовочной последовательности кадра, соответствующей исходным данным XQ, на фиг.9 с показана автокорреляция заголовочной последовательности кадра, соответствующей исходным данным YI, на фиг. 9d показана автокорреляция заголовочной последовательности кадра, соответствующей исходным данным YQ, на фиг. 9e показана перекрестная корреляция между заголовочными последовательностями исходных данных XI и XQ, на фиг. 9f показана перекрестная корреляция между заголовочными последовательностями исходных данных XI и YI, на фиг. 9g показана перекрестная корреляция между заголовочными последовательностями исходных данных XI и YQ, на фиг. 9h показана перекрестная корреляция между заголовочными последовательностями исходных данных XQ и YI, на фиг. 9i показана перекрестная корреляция между заголовочными последовательностями исходных данных XQ и YQ, на фиг. 9j показана перекрестная корреляция между заголовочными последовательностями исходных данных YI и YQ.
Принцип синхронизации кадров на приемном конце показан на фиг. 8. Входные данные для модуля синхронизации кадров представляют собой вероятностную информацию, для которой уже выполнена компенсация сдвига частоты и фазы, и при этом нужно понимать, что во входных данных не присутствует влияния сдвига частоты или сдвига фазы. Сначала над входными данными процедуры синхронизации кадров выполняют процедуру жесткого решения, и затем из данных, прошедших жесткое решение, формируют принятую последовательность, над которой выполняют операцию корреляции с локально хранимыми заголовочными последовательностями кадра в 4 соответствующих каналах (которые совпадают с заголовочными последовательностями кадра, вводимыми на передающем конце), в результате чего вычисляют количество несовпадающих элементов между принятой последовательностью и каждой из 4 локально хранимых заголовочных последовательностей кадра. После операции корреляции выполняют сравнение с пороговыми значениями. Когда результат операции корреляции принятой последовательности и одной из последовательностей достигает заранее заданного порогового значения, определяют, что позиция, в которой расположена принятая последовательность, является позицией заголовка кадра, и таким образом получают номер канала, соответствующий последовательности заголовка кадра, задействованной в текущей операции корреляции; в противном случае принимают решение о том, что позиция, в которой находится принятая последовательность, не является позицией заголовка кадра. Конкретная реализация процедуры, выполняемой на приемном конце, описана ниже.
1: Система ожидает сигнала сходимости из алгоритма с постоянным модулем (Constant Modulus Algorithm, СМА), исполняемого в качестве алгоритма предварительной обработки данных в модуле точного выравнивания, после включения питания или сброса, и когда сигнал сходимости принят, начинает свою работу модуль синхронизации кадров и каналов. Исходное состояние - «вне кадра» (Out Of Frame, OOF) и «вне канала» (Out Of Lane, OOL).
2: Сначала над входными данными выполняют процедуру жесткого решения, принимают решение 0/1 согласно знаковым битам точек измерений во входных данных. В результате жесткого решения формируют принятую последовательность.
3: Над принятой последовательностью и 4 заранее сохраненными заголовочными последовательностями кадра выполняют, соответственно, операцию исключающего или и суммирования (для каждого из 4 каналов в отдельности). Длина операции исключающего или и суммирования составляет 64 бита.
4: Операция синхронизации кадров: окно исключающего или сдвигают побитно, пока не будет найдена позиция, соответствующая А≥52 (т.е. первому пороговому значению) или А≤12 (т.е. второму пороговому значению), A≥52 указывает на то, что данные противоположны по фазе, А≤12 указывает на то, что данные не противоположны по фазе, при этом А - результат операции исключающего или и суммирования.
А именно, в состоянии OOF, если результат операции корреляции в позициях, интервалы между которыми составляют несколько длин кадра, достигают заданного порогового значения (т.е. А≤12) 6 раз (количество раз может быть выбрано равным другому значению в зависимости от практических требований), система переходит в состояние «внутри кадра» (IF);
в состоянии «внутри кадра», IF, если синхронные заголовки кадра не найдены в шести кадрах подряд (это количество может быть выбрано равным другому значению в зависимости от практических требований), считают, что система находится в состоянии OOF и снова выполняют поиск заголовка кадра;
в состоянии OOF, если процедура синхронизации кадров не была успешно выполнена в течение 5 мс (длительность может быть задана равной другому значению в зависимости от конкретного применения), передают предупреждение о потере кадра (Loss Of Frame, LOF); и
в состоянии предупреждения LOF, если синхронный заголовок кадра находят непрерывно в течение 5 мс (длительность может быть задана равной другому значению в зависимости от практических требований), система переходит в состояние IF, и одновременно с этим деактивируют состояние предупреждения LOF.
5: Операцию синхронизации каналов выполняют после процедуры синхронизации кадров:
определяют и записывают порядковые номера каналов и состояния каналов, и выполняют определение состояний X и Y поляризации.
Если для текущего кадра определен повторяющийся порядковый номер канала (в нормальном состоянии, когда выполняют операцию корреляции принятой последовательности с каждой из заголовочных последовательностей кадра, соответствующей каждому из N каналов, достичь заданного порогового значения способен только результат корреляции для принятой последовательности и заголовочной последовательности кадра только одного из каналов), выдают предупреждение OOL, и данные текущего кадра, сохраняя порядковый номер канала и состояние канала, обнаруженные для предыдущего кадра, передают в последующий модуль (например, модуль компенсации неопределенности фазы); и
если значение рассинхронизации (т.е. разности задержек), определенное для текущего кадра, превышает [-128UI, +128UI], выдают предупреждение OOL, где UI - интервал между блоками. Значение синхронизации, превышающее [-128UI, +128UI], указывает на то, что разность задержек слишком высока и превышает вычислительные возможности системы, и, следовательно, выдают предупреждение, указывающее на то, что состояние канала является неудовлетворительным.
В данном варианте осуществления настоящего изобретения предложен машиночитаемый носитель, который включает набор исполняемых инструкций, при этом инструкции сконфигурированы для исполнения способа обнаружения заголовка кадра многоканального сигнала, предложенного в рассмотренном выше варианте осуществления настоящего изобретения.
Как следует из приведенного выше описания, за счет реализации варианта осуществления настоящего изобретения, два узла, участвующие в оптической связи, способны быстро устанавливать линию связи. Обеспечивается высокая помехоустойчивость системы (т.е. низка вероятность рассинхронизации системы после синхронизации, при условии, что условия работы линии связи поддерживаются относительно стабильными), а также обеспечивается широкий диапазон допустимых сдвигов частоты канала. Могут быть получены преимущества, заключающиеся в простоте реализации синхронизации кадров, простоте аппаратной реализации, высокой стабильности синхронизации и т.п.
Поскольку N принятых коррелируемых последовательностей кодовых блоков имеют высокую автокорреляцию, но очень низкую перекрестную корреляцию, могут быть исключены случаи ложного обнаружения и ложного срабатывания, благодаря чему могут быть повышены скорость и надежность синхронизации. Последовательности кодовых блоков обрабатывают различным образом, благодаря чему могут быть определены заголовок кадра и номер канала, однако в то же время заранее предполагают большое значение сдвига частоты, благодаря чему может быть ускорена компенсация значительного сдвига частоты и сокращено время установления линии связи в системе. При этом N коррелируемых последовательностей, соответствующие каждому из N каналов в отдельности, заранее сохранены локально, благодаря чему может быть практически устранено влияние перекрестных помех между каналами на определение корреляции.
Специалисты в данной области техники должны понимать, что данный вариант осуществления настоящего изобретения может быть реализован в форме способа, системы или компьютерного программного продукта. Соответственно, настоящее изобретение может принять форму аппаратной реализации, программной реализации и комбинированной программно-аппаратной реализации. При этом настоящее изобретение может принять форму компьютерного программного продукта, реализуемого на машиночитаемом информационном носителе (включая, без ограничения перечисленным, дисковую память и оптическую память), содержащем машиночитаемые программные коды.
Настоящее изобретение было описано на примере блок-схем и/или блок-схем алгоритмов способа, оборудования (системы) и компьютерного программного продукта в соответствии с рассмотренным выше вариантом осуществления настоящего изобретения. Нужно понимать, что любые из последовательностей операций и/или блоков на блок-схемах и/или блок-схемах алгоритмов, а также комбинации последовательностей операций и/или блоков на блок-схемах и/или блок-схемах алгоритмов могут быть реализованы при помощи компьютерных программных инструкций. Такие компьютерные программные инструкции могут предоставляться в компьютер общего назначения, компьютер специального назначения, во встроенный процессор или процессоры другой программируемой аппаратуры для обработки данных, в результате чего получают автомат, что позволяет, с использованием инструкций, исполняемых процессорами компьютеров или процессорами другой программируемой аппаратуры для обработки данных, получить устройство для реализации функций, определенных в одной или более последовательности операций на блок-схемах алгоритмов или в одном или более блоках на блок-схемах.
Компьютерные программные инструкции могут при этом храниться в машиночитаемой памяти, способной управлять компьютером или другой программируемой аппаратурой для обработки данных, так, чтобы они функционировали заданным образом, то есть с помощью инструкций, хранящихся в машиночитаемой памяти, может быть получено изделие, включающее в себя инструктирующее устройство, которое реализует функции, описанные в одной или более последовательностях операций блок-схем алгоритмов или в одном или более блоков блок-схем.
Эти компьютерные программные инструкции могут также загружаться в компьютер или в другую программируемую аппаратуру для обработки данных, так что последовательность функциональных шагов может быть выполнена на компьютере или другой программируемой аппаратуре для обработки данных, в результате чего получают реализуемую при помощи компьютера обработку данных, при этом инструкции, исполняемые на компьютере или другой программируемой аппаратуре для обработки данных, представляют собой шаги реализации функций, описанных в одной или более последовательностях инструкций на блок-схемах алгоритмов и/или одного или более блоков на блок-схемах.
Описание, приведенное выше, является описанием только предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения и не должно использоваться для ограничения объема настоящего изобретения.