在分组信道上多媒体通信的方法

专利名称：在分组信道上多媒体通信的方法
背景为了分布和存储多媒体数据，该多媒体数据在一个通信信道上被发送。多媒体数据主要指音频和视频数据，此外还可以包括其它数据类型。如在无线信道的情况下，该信道经常易受噪声和干扰，并且如在有线网络的情况下，该信道经常易受拥塞，两者都导致在传输期间数据丢失。
两种方法可以被用于防止在传输期间数据丢失。前向纠错(FEC)是一种变换数据消息的方法，用一个来自一个有限的字母表的符号序列表示，通过补充一个奇偶校验数据，即另一个符号序列，以确保如果一个代码字的成分被改变，则在某个指定的阈值下面，原始数据通常能被完整抽取。因此，通过增加被发送的数据数量，FEC提供误差复原能力。FEC不需要一个返回信道并且一般不适合于当前的信道状态。然而，FEC不保证数据将无误差地到达接收机。为解决这个问题，需要一个执行某种形式的对于数据的重复请求的允许少量误差的更高层协议。可替代地，在多媒体通信中，延迟需要经常支配无误差传输需要，使得无误差传输的优先级较小。
基本自动重复请求(ARQ)是帮助健壮的数据通信的一个可替代的方法。ARQ通过把数据分成分组并且为了误差检测目的给每个分组附加一个特定的误差检验序列来操作。该数据分组和误差检验在一个信道上被通信并且该接收机通过计算检验序列和比较计算的检验序列和附加的误差检验序列来确定是否一个传输误差发生。如果发现一个差异，则该误差被宣布并且该接收机通过发送一个否定确认信号请求使用返回信道的发送机以便重发该分组。如果未发现差异，则该接收机发送一个肯定确认信号到发送机。为了向发送机提示误差，ARQ需要存在双向通信信道。常常，因为控制信息的重发和通信，所以该返回信道使用相同的物理媒体作为前向信道，有效地扩展数据大小。FEC和ARQ之间的不同在于，因为只有丢失的分组被重传，所以ARQ本质上是信道适应的，而FEC一般给全部分组增加额外开销。然而，由于往返传播时间和处理时间，ARQ可以引进重要的延迟。最后的条件较大地限制了ARQ应用到多媒体通信。
需要一种联合两种误差控制方法的方式以便改进它们的多媒体通信性能并且以便于多媒体流式传输业务和用户重放经历。
附图简述

图1是表示根据一个实施方案的数据分组传输的一个框图。
图2是一组分组的一个实施方案的框图。
图3是根据一个实施方案的发送数据分组的系统的框图。
详述在此描述的方法和设备可以为多媒体通信提供改进的信道带宽利用。根据一个实施方案，在此描述的方法和设备包括一个FEC和ARQ部件，(它可以被称作一个混合自动重复请求(HARQ))。FEC部件被用于保护用户数据报协议(UDP)传送的多媒体数据免于信道衰落和误差，并且ARQ部件被用于确保有效的信道利用以及在返回信道中的对于误差的健壮性。结果，与在有限的信道带宽约束下的传统方法相比，使用HARQ方法能得到一个改进的多媒体质量。
在此描述的方法和设备能被用于在网络上健壮的多媒体通信，这些网络包括，有线(IP)网、蜂窝分组数据网、无线局域网、电源和电话线网、以及很多专用的非标准的基于分组的网络。插入一个支持健壮的通信方法和设备的软件和硬件将便于包括多媒体流式传输、远程学习和移动视频通信的多媒体通信应用。
在一个实施方案中，HARQ系统设计被用在一个分组删除信道，特别地在一个提供在传输期间有误差的分组位置的信道上。一个分组删除信道经常在使用循环冗余检验(CRC)的物理层被实现。
在图1中存在根据一个实施方案发送分组的一个典型的图。媒体数据110被分组化到一组分组(GOP)120中。在一个实施方案中，GOP的大小和分组大小由被使用的通信网和应用需要确定。例如，一个较大的分组大小可以减少归因于传送协议的标题的额外开销。另一方面，较大的分组大小还可以导致在高误差率环境中增加的延迟和低效率。适当的FEC码适用于该GOP以便每个GOP产生想要的奇偶校验分组数130。该GOP分组和该奇偶校验分组一起构成编码的GOP(CGOP)。在一个实施方案中，奇偶校验分组数依靠可容许的延迟、可用的带宽、和/或信道统计被选择。附加的事项也可以被考虑。奇偶校验分组被产生，以便它们能用很少的或没有额外开销替代丢失的数据分组。在一个实施方案中，冗余分组可以包括原始数据。该数据和冗余分组可以包括对于全部系统控制和操作被需要的可能以标题的形式的任何附加的信息。在一个实施方案中，一个GOP数、一个分组数、FEC参数和/或分组大小可以被包括在该分组中。
在一个实施方案中，使用系统的里德-所罗门(RS)码产生奇偶校验分组，其中奇偶校验分组数量替代(任何)数据分组的相同的数量，以便该数据能被完整的解码。任何其它适当的FEC信道码可以被用于产生奇偶校验分组，如托那多(Tornado)码。
数据被分组化、FEC编码并且从发送机140发送到接收机150。该接收机确定是否发送的数据能被解码。如果该数据能被解码，则接收机发送一个确认到发送机，它终止当前的CGOP170的任何另外的冗余传输。该传输随后被解码180并且被发送到用户190。
在图2中表示根据一个实施方案的数据和奇偶校验分组传输次序。首先，当前的CGOP的数据分组被发送到接收机210。该数据分组可以和来自其它CGOP220的数据、奇偶校验分组、或两者一起被交织。对应于当前CGOP的奇偶校验分组随后被发送230，直到来自接收机的确认到达240，或者直到达到或超过奇偶校验分组的最大预定数量250。在一个实施方案中，当前CGOP的数据分组在相同的CGOP奇偶校验分组之前被发送。结果，当没有来自当前CGOP的分组已经被丢失时，数据传输和处理额外开销可以被减少。在一个实施方案中，来自不同的CGOP的分组能被交织以便给接收机足够的时间来处理和发送确认到发送机。
在一个实施方案中，该接收机执行GOP确认协议，当该接收机能够解码该GOP数据时，它发送一个确认到发送机。该接收机通过不发送一个确认到该接收机隐含地请求更多的奇偶校验。该接收机可以为相同的GOP发送多个确认。当接收机怀疑第一个确认在返回信道上被(或可能被)丢失时，多个确认可以被使用。
在一个使用RS编码的实施方案中，当正确接收的分组数恰好等于原始数据分组数时，该确认能被发送。在实际的解码发生之前，该确认可以被发送以便减少全部等待时间。如果全部数据分组无误差地到达，则不需要解码并且该数据能被直接发送到用户应用。
在一个使用托那多码的实施方案中，当正确接收的分组数等于原始数据分组数乘某一预定的大于一的常数时，该确认能被发送。后面的常数由一个计算机模拟确定以便提供某一想要的正确解码的概率并且被确定用于每个托那多码。如果全部的数据分组无误差地到达，则不需要解码并且该数据能被直接发送到用户应用。
其它几个确认机制与这个系统兼容。确认分组包括CGOP数，此外还可以包括附加的信息。附加的信息的形式可以是到服务器的控制消息、信道统计和/或其它信息。在返回信道上误差的情况下，如分组删除，该发送机只发送算法允许的最大数量的分组并且继续下一个GOP。如果在全部奇偶校验被发送之后该数据仍然不可译码，则发送机继续下一个GOP。在一个使用延迟敏感多媒体信息的实施方案中，传递时间被设置上限以便推荐的解法能够作为是没有增加一个附加的误差分辨机制被使用。一个实施方案可以定义一个较高水平的误差分辨协议。该应用还可以被允许处理不可恢复的信道误差情况。
在一个实施方案中，在此描述的推荐的方法和设备适用于在IEEE802.11无线LAN上视频流式传输。在UDP等级，如果为UDP业务被均匀发送的物理层确认被抑制，则IEEE802.11网络充当一个分组删除信道。在一个实施方案中，在物理层，来自移动接收机的重发和确认被一个在视频流式传输应用中的多点传播IP地址抑制。为了数据业务而从发送机到接收机维护UDP连接并且为了确认而从接收机到发送机维护UDP连接。
在一个实施方案中，通信的信道的概况被考虑到FEC参数(在一个CGOP中的数据分组和奇偶校验分组数)以及在此描述的方法和设备的其它特征。在一个实施方案中，一个CGOP大小和奇偶校验分组数可以被选择，以便有一个高概率超过CGOP长度的分组删除的整数少于奇偶校验分组数(对于RS编码)或者少于奇偶校验分组数乘某一预定的大于一的常数(对于托那多码)。
在一个实施方案中，在此描述的方法和设备能被用于在无线IP网络上，从一个流式传输服务器到一个接收设备的多媒体数据的流式传输。例如，一个实施方案能给IP网络提供误差复原能力，同时减少瞬时等待时间以便在流式传输装置中改进数据的正确重放。
一个实施方案还能被用于与媒体重放机制接口。例如，一个实施方案可以使用英特尔媒体处理库框架，这样以致健壮的流式传输被无缝地与重放机制集成。
图3显示在一个IP网络上用UDP传送协议流式传输多媒体数据的一个实施方案的框图。该多媒体数据310包括音频和/或视频数据，并且以压缩或未压缩的形式存储在一个服务器320内。应用程序接口(API)321被用于编码或者译码该多媒体数据并且把它存储在内部编码器缓冲器322中。在一个实施方案中，该编码器可以依照一个活动图像专家组(MPEG)或者其它的视频和音频编码标准。在一个实施方案中，API把压缩的流标题的位置提供给分组化和FEC编码框323。在一个实施方案中，分组化器(packetizer)和FEC创建数据分组和奇偶校验分组。该多媒体数据可以以一个不连续的顺序被分组化。可替代地，不同的FEC可以被用于不同的多媒体数据段。相反地，一些多媒体数据可以不被包括在数据分组中。该分组化的数据和奇偶校验被存储在内部分组缓冲器324中。API提供类似于编码器缓冲器的管理功能。特别地，在一个分组基础上，输入/输出(I/O)框325能够随机地接入在该分组缓冲器中的数据。API还提供有关被I/O需要的分组内容的其它附加信息。I/O框的功能是在IP网络上执行分组传递并且在服务器和客户之间提供控制链路用于ACK传输。I/O可以发送分组若干次，从传输缓冲器丢弃分组或者任意地调度分组传输到代表IP网络330的插座API。代表服务器的全部三个主要的框被一个中央较高等级进程326控制，它使用它们的API设置这三个部件的可变参数并且还在框和数据缓冲器之间管理数据流。
在用户侧340，来自IP网络的数据被I/O框341接收并且被放到分组缓冲器342中。I/O框还负责按客户进程343的指示把ACK发送回服务器侧。I/O还可以被用于发送其它控制信息到服务器侧。拆分组和FEC解码框344处理来自分组缓冲器342的数据。该拆分组和FEC解码框负责校正数据分组删除并且以能被下面的解码框处理的形式给出多媒体编码的数据。通过解码缓冲器346，被压缩的多媒体数据被发送到API 345用于解码进程。API解压缩该多媒体数据并且把它输出到显示器350。客户控制343在描述的三个框之间管理数据流，控制到接收机的ACK和其它通信。
上述方法能够作为一组指令被存储在一个计算机系统(例如，机顶盒、录像机、等等)中以便被执行。此外，执行上述方法的指令可替代地能被存储在其它形式的机器可读取的媒体上，包括磁盘和光盘。例如，本发明的方法能被存储在机器可读取的媒体，如可以通过一个磁盘驱动器(或者计算机可读取的媒体驱动器)被存取的磁盘或者光盘上。而且，该指令能够在一个数据网上以一个编译的和链接的版本形式被下载到一个计算设备中。
可替代地，执行如上面讨论的方法的逻辑，能够在附加的计算机和/或机器可读取的媒体中被实现，所述媒体是诸如象多个大规模集成电路(LSI)、多个专用集成电路(ASIC)、如多个电可擦可编程只读存储器(EEPROM)的固件的离散硬件部件；以及电学的、光学的、声的和其它形式的传播信号(例如，载波、红外线信号、数字信号等)；及其它。
尽管参考特定的典型的实施方案已经描述了本发明，但是，显然对于这些实施方案可以产生不背离本发明更宽阔的精神和范围的各种修改和变化。因此，说明书和附图被看作是一个说明性的而不是一个限制性。
权利要求
1.一种方法，包括把一个前向纠错码应用于一组数据分组，以便通过把一组奇偶校验分组补充到所述一组数据分组而创立一组被编码的分组；发送所述数据分组，并且在所述数据分组已经被发送之后发送一组相应的奇偶校验分组；接收一个肯定确认信号；响应接收所述确认，停止发送附加的奇偶校验分组；并且响应未接收所述确认，继续发送所述奇偶校验分组。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述数据分组包括多媒体数据分组，并且所述发送包括在一个无线网络上发送。
3.如权利要求2所述的方法，其中，发送所述多媒体数据分组包括在一个互联网协议(IP)网络上多媒体流式传输。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述多媒体流式传输包括在一个无线网络上通过IEEE 802.11标准流式传输。
5.如权利要求4所述的方法，其中，多媒体流式传输包括通过多点传播IP地址来抑制物理层确认。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述应用一个前向纠错码包括把一个里德-所罗门码应用于所述数据分组。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述应用一个前向纠错码包括把一个托那多码应用于所述数据分组。
8.如权利要求1所述的方法，其中，发送所述一组分组包括交织和发送第二且单独的一组数据分组。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述接收机为一组分组发送多个确认信号。
10.如权利要求1所述的方法，还包括响应包括在所述确认中的数据而操作多个奇偶校验分组。
11.一个机器可读取的存储媒体，该媒体明确地具体化一个处理器可执行的指令序列，以便执行一种方法，该方法包括把一个前向纠错码应用于一组数据分组，以便通过把一组奇偶校验分组补充到所述一组数据分组而创立一组被编码的分组；发送所述数据分组，并且在所述数据分组已经被发送之后发送一组相应的奇偶校验分组；接收一个肯定确认信号；响应接收所述确认，停止发送附加的奇偶校验分组；并且响应未接收所述确认，继续发送所述奇偶校验分组。
12.如权利要求11所述的机器可读取的存储媒体，其中，所述数据分组包括多媒体数据分组，并且所述发送包括在一个无线网络上发送。
13.如权利要求12所述的机器可读取的存储媒体，其中，发送所述多媒体数据分组包括在一个互联网协议(IP)网络上多媒体流式传输。
14.如权利要求13所述的机器可读取的存储媒体，其中，所述多媒体流式传输包括在一个无线网络上通过IEEE 802.11标准流式传输。
15.如权利要求14所述的机器可读取的存储媒体，其中，所述多媒体流式传输包括通过多点传播IP地址来抑制物理层确认。
16.如权利要求11所述的机器可读取的存储媒体，其中，所述应用一个前向纠错码包括把一个里德-所罗门码应用于所述数据分组。
17.如权利要求11所述的机器可读取的存储媒体，其中，所述应用一个前向纠错码包括把一个托那多码应用于所述数据分组。
18.如权利要求11所述的机器可读取的存储器媒体，其中，发送所述一组分组包括交织并且发送第二且单独的一组数据分组。
19.如权利要求11所述的机器可读取的存储媒体，其中，所述接收机为一组分组发送多个确认信号。
20.如权利要求11所述的机器可读取的存储媒体，还包括响应被包括在所述确认中的数据来操作多个奇偶校验分组。
21.一种系统，包括把一个前向纠错码应用于一组数据分组以便通过把一组奇偶校验分组补充到所述一组数据分组来创立一组被编码的分组的一个编码器；在一个网络上发送所述数据分组到一个接收机并且发送一组相应的奇偶校验分组的一个发送机；接收一个肯定确认信号的一个接收机，其中，响应接收所述确认，所述发送机停止发送附加的奇偶校验分组，并且响应未接收所述确认，继续发送所述奇偶校验分组。
22.如权利要求21所述的系统，其中，所述发送机在一个互联网协议(IP)网络上流式传输多媒体数据分组。
23.如权利要求22所述的系统，其中，所述发送机在一个无线网络上通过一个IEEE 802.11标准流式传输多媒体数据分组。
24.如权利要求22所述的系统，其中，所述发送机通过多点传播IP地址来抑制物理层确认。
25.如权利要求21所述的系统，其中，所述编码器把一个里德-所罗门码应用于所述数据分组。
26.如权利要求21所述的系统，其中，所述编码器把一个托那多码应用于所述数据分组。
27.如权利要求21所述的系统，其中，所述发送机把第二且单独的一组数据分组与所述一组数据分组交织。
全文摘要
在一个实施方案中，一个前向纠错码被应用于一组数据分组以便通过为每组数据分组补充一组奇偶校验分组来创立一组被编码的分组。第一组分组的数据分组和对应于所述数据分组的一组奇偶校验分组被发送。如果一个确认被接收，则附加的分组发送被停止。如果一个确认未被接收，则奇偶校验比特继续被发送。
文档编号H04L12/56GK1483289SQ01821181
公开日2004年3月17日 申请日期2001年11月27日 优先权日2000年12月22日
发明者I·科钦特塞夫, M·杨, D·萨赫斯, I 科钦特塞夫, 账 申请人:英特尔公司