一种基于不等差错保护的前向纠错方法

文档序号:10626533阅读:323来源:国知局
一种基于不等差错保护的前向纠错方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于不等差错保护的前向纠错方法,该方法将待编码的媒体内容进行分级,赋予不同的重要性,再结合信道状况和用户体验,采用复制扩展窗喷泉码对不同重要性的数据进行保护,在实现最大限度保证媒体内容可靠传输的同时,减少了FEC机制的引入造成的数据冗余,可显著降低现有FEC系统过度编码造成的数据拥塞。
【专利说明】
一种基于不等差错保护的前向纠错方法
技术领域
[0001] 本发明涉及多媒体传输技术领域,更具体地,涉及一种基于不等差错保护(UEP) 的前向纠错机制。
【背景技术】
[0002] 在异构网络媒体服务系统中,内容通过因特网协议或广播协议分发到终端,因特 网中使用TCP/IP或UDP报文来传输媒体数据,广播通过MPEG 2-TS来传输内容。相对于普 通的语言或数据,图像与视频传输,特别是高清视频传输或立体视频传输需要更多的传输 带宽;同时,由于在信源编码过程中对图像和视频信息进行了大量的压缩,其信息的冗余量 大大减小,使得视频信息或立体视频信息在传输过程中对信道噪声非常敏感。如何提高图 像和视频的传输质量,降低误码率,是多媒体通信领域的关键问题。
[0003] FEC(Forward Error Correction,前向纠错)技术是一种广泛应用于通信系统中 的编码技术。通过服务器端对媒体数据进行纠错编码,加入冗余信息一并发送,终端进行反 向FEC解码,对丟失的报文进行恢复。FEC处理是以冗余开销代价来降低系统的误码率的, 过度FEC编码对系统实时性和网络状态也会造成压力。
[0004] 在IS0-23008-1/10/13标准中,传统的FEC结构对于所有信息统一进行编码,对于 用户信息没有区分,对于混合内容或者混合网络下分发不适合。为此,人们提出了两层编码 结构,如附图1所示。第一层将source packet block分为较多的小块分别做FEC保护,第 二层是一个整块做FEC保护。第一层划分较细致可以提供较小的时延,第二层保证了恢复 性能和较小的冗余。这在一定程度上解决了问题:对于信道性能较差的用户(GroupB),两 层结构确实提高了恢复性能,但时延较大。对于信道性能较好的用户(GroupA),不一定是做 FEC1,越小的分包带来越小的时延。但媒体内容重要不同未被考虑。
[0005] 不等差错保护(Unequal Error Protection, UEP)是联合信源信道编码的一种。 其核心思想是,依据码流的各部分数据的重要性不同,对各部分数据采用不同的信道保护 机制,即对重要码流进行重点保护。尽管UEP降低了非重要码流的抗噪声性能,但有利于系 统抗误码总体性能的提升。
[0006] 作为一种前向纠错编码技术,数字喷泉码(Digtial Fountain Code)在传输过程 中,不需要反馈及自动重发机制,避免了信号往返的延时以及广播应用中的反馈爆炸问题。 数字喷泉的基本思想是:发端将原始数据分割成k个数据符号,对这些数据符号进行编码, 输出一个任意长度的编码符号码流,接收端只需正确地接收η (η稍大于k)个编码符号就可 以很大的概率恢复出所有的k个数据符号。
[0007] 数字喷泉码本身就具有UEP性能,可以实现对不同重要性的数据的保护。相比与 传统的固定码率的信道编码方法,数字喷泉码具有以下明显的优势:
[0008] 1、理想的可扩展性。由于单向广播没有反馈,发送方不受用户数量增长的任何影 响。使得发送方能够为任意数量的用户提供服务。
[0009] 2、适应时变信道,高效利用信道容量。用户的译码性能与信道的删除概率和带宽 无关。当信道丢包率较高、状况不好时,不会对接收端的译码造成影响,即接收端接收足够 数量的编码数据就可以正常译码,具有更强的适应性。
[0010] 3、编译码复杂度低。在理想情况下,喷泉码生成每个编码符号具有线性编译码复 杂度,有利于简化收发端编译码器的设计和软件化实现。
[0011] 4、对异质用户的适用性能良好。喷泉码的无码率特性使得具有不同丢包率或带宽 的用户之间互不影响,优质用户不受劣质用户牵制。除此之外,数字喷泉码可以支持中断续 传、异步接入等多种服务模式。

【发明内容】

[0012] 针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种基于不等差错保护的前向纠错 方法,从而解决目前FEC系统中实时性好,而准确性差,准确性好而实时性差,以及过度FEC 编码造成的数据拥塞问题。
[0013] 为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
[0014] 一种基于不等差错保护的前向纠错方法,该方法将媒体内容进行分级,并赋予不 同的重要性,再结合信道状况和用户体验,采用本身就具有不等差错保护性能的数字喷泉 码对不同重要性的数据进行保护。
[0015] 进一步的,所述方法在与媒体处理单元(MPU) -同传输的信令信息中加入不等差 错保护标志位。
[0016] 进一步的,所述方法加入专门的指示字段,可以提供更多个性化的保护方案。更进 一步的,所述专门的指示字段加在MFU包头前。
[0017] 进一步的,所述方法将媒体内容进行分级,并赋予不同的重要性,然后利用信令和 指示字段控制,采用具有UEP性能的D-EWF码。
[0018] 进一步的,所述方法在与媒体处理单元(MPU) -同传输的信令信息中加入不等差 错保护标志位,同时加入专门的指示字段,以形成更多个性化的保护方案。
[0019] 较优地,通过引入扩展因子,虚拟扩展度分布范围,结合D-EWF码 (Duplication-Expanding Fountain Codes, D-EWFC)的窗技术,将虚拟扩展得到的数据进 行分窗,同时各个窗分别采用优化的鲁棒孤波分布进行LT码,实现对重要性数据的加强保 护。
[0020] 与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
[0021] 采用了本发明的技术方案,可以针对目前FEC系统中过度编码造成的数据拥塞, 通过对媒体内容进行分级,赋予不同的重要性,利用信令和/或指示位控制,采用具有不等 差错保护(UEP)性能的复制扩展窗喷泉(D-EWF)码,实现最大限度保证媒体内容质量的同 时,减少FEC造成的极大的数据量。
【附图说明】
[0022] 通过阅读、参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显:
[0023] 图1是MMT中针对媒体资源的FEC两层结构;
[0024] 图2是一个通用的MPU组成部分及各部分的重要性示意图;
[0025] 图3是改进的MMT AL-FEC发送端架构图;
[0026] 图4是D_EWF码编码框图;
[0027] 图5是D-EWF码编码流程图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术 人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0029] 如图1所示:MMT中针对媒体资源的FEC两层结构,第一层将source packet block 分为较多的小块分别做FEC保护,第二层是一个整块做FEC保护。第一层划分较细致可以 提供较小的时延,第二层保证了恢复性能和较小的冗余。图中P1、P2分别是FEC编码器1、 2生成的修复符号块。
[0030] 如图4所示:具体考虑传输信源数据具有两个重要等级的情况。将信源K个数据, 按重要性分为2个重要性等级,即Sp s2。设Si为最重要部分MIB (Most ImPortant Bits, 最重要信息比特),82为最不重要部分LIB (Least ImPortant Bits,最不重要数据比特)。
[0031] 实施例一:
[0032] 本实施例以MMT传输协议为例
[0033] MMT方案中,MPU包下的MFU包拥有不同的重要性,缺少不等差错的保护,这样就不 能设定个性化的传输方案。在MMT的包中,不同重要程度内容是可以区分开的(有指示标 志)如附图2。然而编码中并没有涉及到不等差错的保护,虽然图1所示的两层编码方案 和LA-FEC在一定程度上可以实现不等差错保护,但是灵活性低,复杂度高。尤其对于变化 的信道状况和具有不同特征(如缓存不同)的接收用户,现有两种方式均存在冗余大,适应 性差,只能针对单一状况,无法从用户体验考虑等问题。
[0034] 解决方式:
[0035] 1如果想更个性化的方案,随着信道质量改变保护方案,根据用户特征来定制,那 么则需要加入专门的指示字段。由于不同的MFU有不同的重要性,则在MFU包头前加入指 示,可以做更多个性化的保护方案。
[0036] 如图3所示,是改进的MMT AL-FEC发送端架构,主要修改了 MMT协议中流化后的 输出,把数据流传输到源缓冲区,根据标识位指示的不同内容的重要程度进行D-EWF编码。 [0037] 发送端架构如附图3所示。
[0038] 发送端流程:
[0039] a)服务器端根据媒体资源生成MMTP流和信令;
[0040] b)把MMT负载传递到FEC机制,根据标识位中对内容重要性的区分,采用D-EWF码 进行不等差错保护;
[0041] C)D-EWF码编码完后,返回相应的修复字符以及FEC数据负载标识和源数据负载 标识;
[0042] d)所有的修复字符打包成FEC修复包,发送到传输层。
[0043] 通过信令识别FEC流以及采用的FEC编码结构和D-EWF码,为了支持这种机制,本 实施例中对信令中的FEC_FLOW_DESCRIPTOR字段做了如下修改:
[0044]
[0045] 本实施例调整修改了 fec_flow_descriptor字段顺序和定义,并且利用一个 reserved字段来指示UEP机制的引入。修改后number_of_assets指示所有进行FEC的媒 体资源,packet_id是每个相应媒体资源的标识,number_of_fec_flows指示每一个媒体资 源对应多少个FEC流,即分多少级。针对一个媒体资源的不同重要性部分,采用本身就具有 UEP性能的复制扩展窗喷泉码(D-EWF)进行保护。服务端可以根据用户网络状态动态地调 整D-EWF的编码强度,收端收到信令后,根据相应的指示恢复媒体资源。在网络带宽和用户 体验间取得一个平衡点。
[0046] 2针对不同重要性程度的媒体内容,采用复制扩展窗喷泉码对重要媒体内容加强 保护,其具体实施过程如下:
[0047] 考虑传输信源数据具有两个重要等级的情况。如图2所示,将信源K个数据,按重 要性分为2个重要性等级,即Sp s2。设Si为最重要部分MIB (Most ImPortant Bits,最重 要信息比特),82为最不重要部分LIB(Least ImPortant Bits,最不重要数据比特),π ρ :^分别为81、82占总数据比重,81、82对应数据长度分别为1^ 1=311*1(,1^=312*1(,其中 Η 1+ Η 2 - 1 0
[0048] 对得到的两层数据,按扩展因子Ψι、11/2进行扩展,得到虚拟扩展层数据:s /、s2', 其中ki'、k2'代表Sl'、S2'数据符号长度4' =ki· Vl、k2' =k2· Ψ2。虚拟扩展数据的比 重用L、Υ2来描述,虚拟扩展层数据总和:K' = k/+k2'。
[0049] 将虚拟扩展层数据s/、s2'划入2个窗中,即1= s /、W2= s / +s2',1的虚拟总 数据为V,W2K虚拟总数据为|W2| =K'。将第一个窗%的度分布从h增大到k/,第二 个窗W2的度分布从K增大到K',采用鲁棒孤波度分布Ω "(k,c,δ),其概率分布分别为:
[0050]
[0051]
[0052] 其中,c > 0, k为数据符号个数,δ是译码失败的概率。设 c = 〇. L δ =0.5,对1,1分别采用鲁棒孤波度分布函 第一个窗1的选择概率为Γ i,W2的选择概率为Γ 2= 1-γ ρ
[0053] 在划分窗口之后,进行LT编码中的索引替换过程:随机生成一个数ξ,当0 < ξ彡1\即选择第1个窗^时,由度分布Ω (1)产生度L,从%虚拟数据中随机选择屯 个数据。j代表1虚拟数据1^ · Ψι中的索引,j e {Ο,···,、· 代表原始匕的索 引m e {〇,…,k「l},通过下列转换,由j得到索引m = j mod kp 0彡j彡h · Ψ「1 ;
[0054] 当Γ\< ξ彡1即选择第2个窗¥2时,由度分布Ω (2)产生度d2,从^虚拟 数据中随机选择(12个数据。j代表^虚拟数据(k i · il^+k · Ψ2)2中的索引,j e {〇,… ,h · 11^+1? · Ψ2-1},m代表原始k2的索引m e {〇,…,K-l},通过下列转换,由j得到索引m :
[0055]
[0056] 索引m得到原始符号进行异或操作,得到编码码字,重复上述过程,直至得到足够 的编码码字。图5给出了 D-EWF码编码流程。
[0057] 上述解决方式的优势:
[0058] 1资源的节省,如果在接收端,人为的根据情况舍弃已经接收的媒体内容,则造成 了传输资源的浪费,上述方案从源端解决问题,让重要性较低的媒体内容在传输过程中受 到的保护程度较低,将更多地带宽资源分配给重要的内容,而更大程度的保护了重要的内 容。
[0059] 2个性化的传输方案。视频传输应该是基于用户体验的,通过改变重要和不重要媒 体内容的D-EWF编码强度,做更细致的不等差错保护就可以针对用户状况,如视觉体验、缓 存状况等。
[0060] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述 特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影 响本发明的实质内容。
【主权项】
1. 一种基于不等差错保护的前向纠错方法,其特征在于,该方法将媒体内容进行分级, 并赋予不同的重要性,再结合信道状况和用户体验,采用本身就具有不等差错保护性能的 数字喷泉码对不同重要性的数据进行保护。2. 根据权利要求1所述的基于不等差错保护的前向纠错方法,其特征在于,所述方法 在与媒体处理单元一同传输的信令信息中加入不等差错保护标志位。3. 根据权利要求1所述的基于不等差错保护的前向纠错方法,其特征在于,所述方法 加入专门的指示字段,形成更多个性化的保护方案。4. 根据权利要求3所述的基于不等差错保护的前向纠错方法,其特征在于,所述专门 的指示字段加在MFU包头前。5. 根据权利要求1-4任一项所述的基于不等差错保护的前向纠错方法,其特征在于, 所述方法将媒体内容进行分级,并赋予不同的重要性,然后利用信令和指示字段控制,采用 具有UEP性能的复制扩展窗喷泉码。6. 根据权利要求5所述的基于不等差错保护的前向纠错方法,其特征在于,所述方法 针对MMT AL-FEC发送端架构,发送端流程为: a) 服务器端根据媒体资源生成MMTP流和信令; b) 把MMT负载传递到FEC机制,根据标识位中对内容重要性的区分,采用D-EWF码进行 不等差错保护; c) D-EWF码编码完后,返回相应的修复字符以及FEC数据负载标识和源数据负载标识; d) 所有的修复字符打包成FEC修复包,发送到传输层。7. 根据权利要求5所述的基于不等差错保护的前向纠错方法,其特征在于,所述方法 通过信令识别FEC流以及采用FEC编码结构和D-EWF码,为支持这种机制,需修改信令中的 FEC_FLOW_DESCRIPTOR字段:原来的信令仅仅支持一个FEC流中复用多个媒体资源的修复 信息,现增加一种针对一个媒体资源的不同重要性部分,分别进行FEC的信令控制,使FEC 机制能够更加细化;服务端根据用户网络状态动态地调整媒体资源D-EWF码编码强度,在 网络可用带宽和用户体验间取得一个平衡点。8. 根据权利要求1-4任一项所述的基于不等差错保护的前向纠错方法,其特征在于, 所述方法通过引入扩展因子,虚拟扩展度分布范围,结合D-EWF码的窗技术,将虚拟扩展得 到的数据进行分窗,同时各个窗分别采用优化的鲁棒孤波分布进行LT码,实现对重要性数 据的加强保护。
【文档编号】H04L1/00GK105991226SQ201510080576
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月13日
【发明人】徐异凌, 张文军, 孙军, 管云峰, 张小云, 柳宁, 汤旭国, 黄巍
【申请人】上海交通大学
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