用于在以太网电缆上发送边信道比特的装置和方法

摘要

一种用于在以太网电缆上发送边信道比特的方法和装置。以太网设备包括编码器、控制器和信号处理器。编码器可以对净荷比特进行编码，以生成包括净荷比特、零比特和奇偶比特的编码帧。在编码之前，将零比特添加到净荷比特。控制器可以向编码器发送边信道数据，使得用边信道比特替换零比特。信号处理器用边信道比特来调制编码帧，并且在以太网电缆上传输。净荷比特可以通过使用低密度奇偶检验（LDPC）（1723，2048）码来编码。

说明书

技术领域

示例涉及用于在局域网上通信的设备，更特别地，涉及用于在以太网电缆上发送边信道（side-channel）比特的方法和装置。

背景技术

以太网是使用最广泛的网络技术之一。以太网由于其高带宽、成本有效（costeffectiveness）等已经被认为是工业网络的候选者。然而，常规以太网无法支持工业或汽车应用等的实时流量（traffic）。为了支持那些应用，已经在以太网协议之上开发了实时协议。

时间敏感网络（TSN）是IEEE 802.1工作组的标准的集合。TSN标准定义了用于在以太网网络上传输时间敏感数据的机制。当前的TSN标准提供了用于在现有的建立的媒体访问控制（MAC）层链路内的普通分组内插入“快速分组（express packets）”的机制。IEEE802.1Qbu提供了用于帧抢占的机制，并且IEEE 802.3br提供了用于散布快速流量（interspersing express traffic）（IET）的机制。然而，在802.1Qbu和802.3br中定义的帧抢占方案具有使现有MAC层数据链路的吞吐量降级的缺点。

附图说明

装置和/或方法的一些示例将在下文中仅作为示例并参考附图来描述，其中：

图1A是根据一个示例的用于传输的示例装置的框图；

图1B是根据一个示例的用于接收的示例装置的框图；

图2示出了根据一个示例的使用零比特字段的边信道比特连同数据净荷的传输；

图3示出了根据一个示例的用于传输边信道比特连同净荷比特的协议栈；

图4是根据一个示例的配置成传输和/或接收边信道数据的设备的框图；

图5是根据一个示例的发送低延迟边带信道数据的过程的流程图；以及

图6是根据一个示例的接收低延迟边带信道数据的过程的流程图。

具体实施方式

现在将参考其中图示了一些示例的附图来更全面地描述各种示例。在附图中，为了清楚起见，线的粗度、层和/或区域可能被夸大。

因此，虽然另外的示例能够具有各种修改和替代形式，但是在图中示出并且随后将详细描述其一些特定示例。然而，该详细描述不将另外的示例限制于所描述的特定形式。另外的示例可以覆盖落在本公开的范围内的所有修改、等同物和替代方案。贯穿附图的描述，相似的数字指代相似或类似的元件，所述元件当彼此相比较时可以同样地或者以修改的形式来实现，同时提供相同或类似的功能。

将理解的是，当元件被称为被“连接”或“耦合”到另一个元件时，该元件可以被直接连接或耦合或者经由一个或多个中间元件来连接或耦合。如果两个元件A和B使用“或”来组合，则这要被理解为公开了所有可能的组合，即只有A、只有B以及A和B。针对相同组合的替代措词是“A和B中的至少一个”。这适用于多于2个元件的组合。

为了描述特定示例的目的而在本文中使用的术语不旨在对于另外的示例是限制性的。无论何时使用诸如“一”、“一个”和“该”之类的单数形式，并且既没有明确地又没有隐含地将仅使用单个元件定义为是强制的，另外的示例还可以使用复数个元件来实现相同的功能。同样地，当随后将功能描述为使用多个元件来实现时，另外的示例可以使用单个元件或处理实体来实现相同的功能。将进一步理解的是，术语“包括”、“包括有”、“包含”和/或“包含有”，当使用时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、过程、动作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、过程、动作、元件、组件和/或其任何组的存在或添加。

除非另外定义，否则所有术语（包括技术和科学术语）在本文中以示例所属于的领域的它们的普通含义来使用。

本文中公开的示例提供了用于例如使用IEEE802.3bz标准通过以太网电缆传输和接收低延迟边信道消息（例如控制信号）而不影响现有数据流的机制。在示例中，在去往双绞线以太网电缆的物理层低密度奇偶校验（LDPC）帧中，可以将边信道消息（例如，低延迟控制信号）作为边带来发送。MAC层数据链路不受边信道消息的传输的影响。

延迟是在网络中两点之间发送数据的单元所花费的时间。低延迟信令允许以花费有限的时间在通过以太网电缆来连接的消息的发送方（例如，发送设备中的控制器）和消息的接收方（例如，接收设备中的控制器）之间发送控制消息（例如，信息或致动命令等）。低延迟信令最近在比如工业控制或汽车联网的应用中吸引了兴趣，并且是TSN的特征之一。满足低延迟信令和高数据吞吐量两者通常是具有挑战性的。

在本文中公开的示例中，插入到物理层中的编码帧中的零比特字段可以被用于建立用于低延迟控制信号或消息的通信的边带信道。控制信号可以在以太网电缆上发送并由物理层（PHY）处理。信令可以是双向的，使得连接在以太网电缆上的任何设备都可以将边信道消息发送到连接在以太网电缆上的（一个或多个）其他设备。不存在对专用电缆用于将低延迟信令与数据流（例如2.5 Gbps数据流）一起传输的需要。控制平面和数据平面是分离的。在示例中，MAC层数据净荷可以不被改变，并且MAC层可以继续高数据吞吐量链路而不中断。

根据本文中公开的示例发送的控制信号不容易经由流量嗅探来分析，因为它与来自较高开放系统互连（OSI）层的流量不相关。通过窥探（snoop）来解码根据本文中公开的示例传输的控制信息是困难的。

图1A是根据一个示例的用于传输边信道比特的示例设备110的框图。设备110包括编码器112、信号处理器114和控制器116。编码器112被配置成根据以太网协议（例如，IEEE802.3bz协议）对要被传输到接收设备的净荷比特进行编码并且生成编码帧。编码器112可以被配置成使用LDPC码来对净荷比特进行编码。LDPC码是线性纠错码。替代地，可以使用任何其他信道编码方案。编码器112可以在如由IEEE 802.3bz定义的编码之前将一定数量的零比特添加到净荷比特。在编码之后，添加奇偶比特用于纠错，使得编码帧可以包括净荷比特、零比特和奇偶比特。在一个示例中，编码器可以使用LDPC码（例如，将在下面详细解释的LDPC（1723，2048）码）对净荷比特和零比特进行编码。

控制器116可以被配置成用边信道比特来替换零比特。例如，边信道比特可以是用于在汽车中或在工业机器人中的装备控制激活的控制信号，或者是任何其他控制信令（例如紧急控制信令）或边带数据或者诸如此类。然后，编码帧由信号处理器114（例如，数字信号处理器和模拟信号处理器）处理。编码帧可以由信号处理器114通过脉冲幅度调制（PAM）进行调制，并且然后在以太网电缆上传输。

在一些示例中，编码器112可以被配置成对边信道比特进行编码以用于纠错和/或加密。可以采用任何常规的检错/纠错编码和加密编码。可以在物理层处将边信道比特插入到编码帧中。

图1B是根据一个示例的用于接收边信道数据的示例设备120的框图。设备120包括信号处理器122、解码器124和控制器126。信号处理器122被配置成在以太网电缆上接收信号并解调接收到的信号以生成接收到的数据帧。接收的数据帧包括净荷比特、边信道比特和奇偶比特。控制器126被配置成从接收到的数据帧提取边信道比特。控制器126可以被配置成在物理层处提取边信道比特。

解码器124被配置成用零比特来替换边信道比特并且解码接收到的数据帧以恢复净荷比特。解码器124可以被配置成使用LDPC码（例如LDPC（1723，2048）码）对接收到的数据帧进行解码。在边信道比特被编码以用于纠错和/或加密的情况下，解码器124可以被配置成解码边信道比特以用于纠错和/或解密。

图2示出了根据一个示例的使用零比特字段的边信道比特连同数据净荷的传输。图2示出了通过以太网电缆230（4对双绞线电缆）通信的两个以太网设备210、220。以太网设备210、220之间的连接可以是双向的。替代地，以太网设备210、220之间的连接可以是单向的。

在一个示例中，LDPC（1723，2048）编码和解码可以分别在传输设备210和接收设备220中实现。LDPC（1723，2048）码是LDPC编码的一个示例，并且不同的LDPC码或不同的信道编码方案可以作为替代来实现。传输设备210中的编码器从较高层（例如，MAC层）接收数据流，并且可以实现64b/65b编码，其从64比特数据生成65比特代码组。然后将65比特代码组组装成50个65比特块的组。添加8个循环冗余校验（CRC）检查比特以生成（50×65）+8=3258比特的数据块。可以添加单个辅助信道比特以获得3259比特的块。然后可以将3259比特分成1536比特（3×512）的一个组和1723比特的另一个块。1536比特可以是未编码的，而1723比特由LDPC（1723，2048）码来编码。编码器112将325个LDPC纠错比特218（奇偶比特）添加到1723比特，以形成2048个编码比特的LDPC帧。组合起来，1536个未编码比特（3×512）和2048个编码比特（4×512）可以被布置在7×512比特（512个DSQ符号）的帧中。然后可以将7×512比特分布在四（4）个物理信道（4个双绞线230）上。信号处理器114（数字信号处理器（DSP）和模拟信号处理器（ASP））可以处理信号并将信号驱动到双绞线230上。

IEEE 802.3bz标准定义了97个零比特字段，以使用LDPC（1723，2048）码对1626比特（包括一个辅助比特）的净荷数据212进行编码。在编码之前将零比特添加到净荷比特，并对净荷比特和零比特执行LDPC（1723，2048）编码。

在示例中，在传输设备210处，控制器116可以用边信道比特216替换零比特214。例如，边信道比特可以被用于低延迟控制信令或任何其他目的。控制消息在长度上可以是可变的，并且可以大于或小于97比特。边信道比特216可以被用于除控制目的之外的目的，并且可以简单地是数据比特。边信道比特216可以在物理层中生成或者可以源自任何源。边信道比特216可以在物理层处替换LDPC帧中的零比特214。边信道比特216可以被编码以用于纠错和/或加密。由信号处理器114调制并在四个双绞线电缆230上传输包括净荷比特212、边信道比特216和奇偶比特218的编码的LDPC帧。

在接收设备220中，信号处理器122在双绞线以太网电缆230上接收信号，并将该信号解调为调制符号。然后，将调制符号解调并重新组合回到LDPC帧。可以执行LDPC解码（例如，LDPC（1723，2048）解码）以恢复净荷数据212。

即使在解码LDPC帧之前，接收设备220中的控制器也可以从LDPC帧提取边信道比特216。由于LDPC解码是耗时的，并且控制器可能不等待LDPC解码的完成以获得边信道比特216，因此这将加快控制信号处理。如果边信道比特216在传输设备210处被编码以用于纠错和/或加密，则可以用边信道比特216执行用于纠错或解密的解码。常规地，在接收设备220中，在解码之前在接收路径上将97个零比特位置丢弃并设置为零。在本文中公开的示例中，这些97个比特位置可以被用来携带诸如低延迟控制信令之类的边信道比特，而不是仅丢弃它们。

图3示出了根据一个示例的用于传输边信道比特连同净荷比特的协议栈。净荷数据可以在较高层（例如，诸如视频流等的应用层）处生成，并经由协议栈的较低层传输。MAC层处的数据链路可以提供如由IEEE802.3bz标准所允许的2.5 Gb/s或5.0 Gb/s的吞吐量（或取决于标准的不同吞吐量），并且可以被用于传输高吞吐量服务（例如，汽车中的非压缩视频等）。边信道数据（例如，每个LDPC帧97比特）可以在物理层302处被处理，以经由如上面公开的LDPC帧中的常规零比特字段来携带，而不中断MAC数据净荷。根据示例的边信道数据不改变数据吞吐量，因为它是经由零比特字段来携带的，该零比特字段在接收器处被丢弃。根据示例的控制信令机制可以支持低传输延迟（例如大约1 μs）和低接收延迟（例如大约1.65 μs）。

图4是根据一个示例的配置成传输和/或接收边信道数据的设备400的框图。该设备可以是集成电路（IC）芯片。设备400可以是物理层芯片，或者可以是包括除了物理层功能之外的附加功能的集成芯片的一部分。

设备400可以包括以太网物理层电路410和朝向实现MAC和上层的另一芯片450（例如，片上系统（SoC））的数据接口420。以太网物理层电路410可以包括用于模拟信号处理的ASP 412、用于数字信号处理的DSP 414、用于信道编码/解码（例如LDPC编码/解码）的物理编码子层（PCS）416。到实现MAC和上层的芯片450的数据接口420可以包括PCS和串行千兆比特媒体独立接口（SGMII）串行解串器（serdes）。设备400还包括控制器430、管理数据输入/输出（MDIO）接口和（一个或多个）MDIO寄存器。

图4示出了净荷数据和边信道数据（例如，控制消息等）的示例信号路径。要传输的净荷数据（即用户数据）可以从实现MAC和上层的芯片450接收，并由以太网物理层电路410处理，并且然后传输到以太网电缆460上。为了传输边信道数据，边信道数据可以由控制器430经由MDIO接口434接收，并且可以被临时存储在MDIO寄存器432中。控制器430将边信道数据发送到PCS 416，以用LDPC帧中的零比特替换，如上面解释的那样。为了接收边信道数据，控制器430可以如上面解释的那样从接收到的LDPC帧提取边信道数据，并经由MDIO接口434发送边信道数据。

设备400还可以包括用于时钟管理、通用异步接收器/收发器接口、发光二极管（LED）控制、通用输入/输出（GPIO）接口、串行并行接口（SPI）、直流到直流（DC-DC）转换等的电路。

图5是根据一个示例的发送低延迟边信道数据的过程的流程图。传输设备可以接收要传输的净荷比特，将零比特添加到净荷比特，并且然后对净荷比特和零比特进行编码，以生成包括净荷比特、零比特和奇偶比特的编码帧（502）。净荷比特可以用LDPC（1723，2048）码来编码。传输设备可以用边信道比特来替换零比特（504）。然后，传输设备可以用边信道比特来调制编码帧，并且在以太网电缆上传输调制的编码帧（506）。传输设备可以对边信道比特216进行编码以用于纠错和/或加密。

图6是根据一个示例的接收低延迟边信道数据的过程的流程图。接收设备可以在以太网电缆上接收信号，并且解调接收到的信号以生成接收到的数据帧（602）。接收到的数据帧包括净荷比特、边信道比特和奇偶比特。接收设备可以从接收到的数据帧的零比特位置提取边信道比特（604）。接收设备可以用零比特替换边信道比特，并且在用零比特替换边信道比特之后解码接收到的数据帧以恢复净荷比特（606）。LDPC解码（例如LDPC（1723，2048）码）可以被用于恢复净荷数据212。如果边信道比特216被编码以用于纠错和/或加密，则接收设备可以解码边信道比特216。

另一个示例是具有程序代码的计算机程序，当所述计算机程序在计算机、处理器或可编程硬件组件上执行时，所述程序代码用于执行本文中描述的方法中的至少一种。另一个示例是包括机器可读指令的机器可读存储设备，所述机器可读指令在被执行时用于实现方法或实现装置，如本文中描述的那样。另外的示例是包括代码的机器可读介质，所述代码在被执行时用于使得机器执行本文中描述的方法中的任何方法。

如本文中描述的示例可以概括如下：

示例1是一种用于在以太网电缆上发送边信道比特的设备。所述设备包括：编码器，其被配置成对净荷比特进行编码以生成编码帧，其中，在编码以生成奇偶比特之前，将零比特添加到净荷比特；控制器，其被配置成用边信道比特来替换零比特；以及信号处理器，其被配置成用边信道比特来调制编码帧，并且在以太网电缆上传输调制的编码帧。

示例2是示例1的设备，其中，编码器被配置成使用LDPC（1723，2048）码对净荷比特和零比特进行编码。

示例3是如示例1-2中的任一示例中的设备，其中，编码器被配置成对边信道比特进行编码，以用于纠错和/或加密。

示例4是如示例1-3中的任一示例中的设备，其中，在物理层处用边信道比特替换零比特。

示例5是如示例1-4中的任一示例中的设备，其中，边信道比特被用于控制信号。

示例6是一种用于在以太网电缆上接收边信道数据的设备。所述设备包括：信号处理器，其被配置成在以太网电缆上接收信号并解调接收到的信号以生成接收到的数据帧，其中，接收到的数据帧包括净荷比特、边信道数据比特和奇偶比特；控制器，其被配置成从接收到的数据帧的零比特位置提取边信道比特；以及解码器，其被配置成用零比特替换边信道比特并解码接收到的数据帧以恢复净荷比特。

示例7是示例6的设备，其中，解码器被配置成使用LDPC（1723，2048）码来解码接收到的数据帧。

示例8是如示例6-7中的任一示例中的设备，其中，解码器被配置成解码边信道比特以用于纠错和/或解密。

示例9是如示例6-8中的任一示例中的设备，其中，控制器被配置成在物理层处提取边信道比特。

示例10是如示例6-9中的任一示例中的设备，其中，边信道比特被用于控制信号。

示例11是一种在以太网电缆上发送边信道数据的方法。所述方法包括：接收要传输的净荷比特，将零比特添加到净荷比特，对净荷比特和零比特进行编码，以生成包括净荷比特、零比特和奇偶比特的编码帧，用边信道比特替换零比特，用边信道比特调制编码帧，以及在以太网电缆上传输调制的编码帧。

示例12是示例11的方法，其中净荷比特通过使用LDPC（1723，2048）码来编码。

示例13是如示例11-12中的任一示例中的方法，进一步包括对边信道比特进行编码以用于纠错和/或加密。

示例14是如示例11-13中的任一示例中的方法，其中在物理层处用边信道比特替换零比特。

示例15是一种在以太网电缆上接收边信道数据的方法。所述方法包括：在以太网电缆上接收信号，解调接收到的信号以生成接收到的数据帧，其中接收到的数据帧包括净荷比特、边信道比特和奇偶比特，从接收到的数据帧的零比特位置提取边信道比特，用零比特替换边信道比特，以及在用零比特替换边信道比特之后解码接收到的数据帧以恢复净荷比特。

示例16是一种具有程序代码的计算机程序，该程序代码用于执行如示例11-15中的任一示例中的方法。

示例17是包括机器可读指令的机器可读存储设备，所述机器可读指令在被执行时用于实现方法或实现装置，如示例1-16中的任一示例中那样。

示例18是包括代码的机器可读介质，所述代码在被执行时用于使得机器执行如示例11-15中的任一示例中的方法。

与先前详述的示例和附图中的一个或多个一起提到和描述的各方面和特征也可以与其他示例中的一个或多个组合，以便替换其他示例的相似特征或以便附加地将特征引入到其他示例。

示例可以进一步是或者涉及一种具有程序代码的计算机程序，当所述计算机程序在计算机或处理器上执行时，所述程序代码用于执行以上方法中的一个或多个。各种以上描述的方法的步骤、操作或过程可以由编程的计算机或处理器执行。示例也可以覆盖程序存储设备，诸如数字数据存储介质，其是机器、处理器或计算机可读的和编码机器可执行、处理器可执行或计算机可执行的指令的程序。指令执行或使得执行以上描述的方法的动作中的一些或所有。程序存储设备可以包括或者是例如数字存储器、磁存储介质（诸如磁盘和磁带、硬盘驱动器）或光学可读数字数据存储介质。另外的示例也可以覆盖被编程以执行以上描述的方法的动作的计算机、处理器或控制单元，或者被编程以执行以上描述的方法的动作的（现场）可编程逻辑阵列（（F）PLA）或（现场）可编程门阵列（（F）PGA）。

说明书和附图仅说明了本公开的原理。此外，在本文中记载的所有示例主要旨在明确地仅用于教学目的，以帮助读者理解本公开的原理和由（一个或多个）发明人为促进现有技术所贡献的概念。本文中记载本公开的原理、方面和示例的所有陈述以及其具体示例旨在包括其等同物。

被表示为执行某个功能的“用于……的装置”的功能块可以指被配置成执行某个功能的电路。因此，“用于某事物的装置”可以被实现为“被配置成或适用于某事物的装置”，诸如被配置成或适用于相应任务的设备或电路。

图中所示的各种元件的功能，包括标记为“装置”、“用于提供传感器信号的装置”、“用于生成传输信号的装置”等的任何功能块可以以专用硬件的形式来实现，所述专用硬件诸如“信号提供器”、“信号处理单元”、“处理器”、“控制器”等以及能够执行与适当软件相关联的软件的硬件。当由处理器提供时，功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个单独的处理器来提供，其中的一些或其中的全部可以被共享。然而，术语“处理器”或“控制器”到目前为止并不限于仅能够执行软件的硬件，而是可以包括数字信号处理器（DSP）硬件、网络处理器、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、用于存储软件的只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）和非易失性存储设备。也可以包括常规和/或定制的其他硬件。

框图例如可以图示实现本公开的原理的高级电路图。相似地，流程图、流程图表、状态转换图、伪代码以及诸如此类可以表示各种过程、操作或步骤，所述过程、操作或步骤可以例如基本上在计算机可读介质中表示，并且由计算机或处理器如此执行，无论是否明确示出了这样的计算机或处理器。在说明书中或在权利要求中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的相应动作中的每个的装置的设备来实现。

要理解的是，在说明书或权利要求中公开的多个动作、过程、操作、步骤或功能的公开可以不被解释为在特定次序内，除非例如由于技术原因而另外明确地或隐含地陈述。因此，多个动作或功能的公开将不把这些限制于特定次序，除非这样的动作或功能由于技术原因而是不可互换的。此外，在一些示例中，单个动作、功能、过程、操作或步骤可以分别包括或者可以被分解成多个子动作、子功能、子过程、子操作或子步骤。除非明确排除，否则这样的子动作可以被包括并且可以是该单个动作的公开的部分。

此外，以下权利要求由此被并入到详细描述中，其中每个权利要求可以独立作为单独的示例。虽然每个权利要求可以独立作为单独的示例，但是要指出的是——尽管从属权利要求在权利要求书中可以指与一个或多个其他权利要求的具体组合——但是其他示例也可以包括该从属权利要求与每个其他从属或独立权利要求的主题的组合。在本文中明确提议这样的组合，除非陈述特定的组合不是预期的。此外，旨在还将权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求，即使该权利要求不直接从属于该独立权利要求。