专利名称：无线网络的组播中调节前向纠错的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及无线网络，具体而言，涉及一种通过无线网络有效发送组播 数据的自适应前向纠错(FEC)方法和系统。
背景技术：
通过无线网络的组播可以将数据(例如视频直播或事先录制的娱乐节目)有效地 发送至多个接收器。所述组播的一个实例是通过IEEE802.il无线局域网(WLAN)在热 点区域(例如机场)再分配(redistribution)多个电视节目或者定位特定的视频信息。接 收器的用户在移动装置上观看喜欢的电视节目，同时还能浏览互联网。其他的应用包括 通过无线网络在电影院之外进行电影预览、重放足球比赛的最重要的场景等。此处，所 述移动装置包括终端装置、客户装置、移动终端、笔记本电脑、双模智能电话、个人数 字计算机等。无线网络的误码率通常较高。对于组播，无线链路层通常不进行分组丢失重 传。在发生误差的情况下，接收器将数据帧丢弃。因此，如果不具备良好的接收条 件，不能保证接收器所需稳定性。另外，在视频组播应用中，用于同一视频的多个接收 器可能遇到不同的信道条件，并且某个接收器的信道条件可能由于多径衰落(multipath fading)、遮蔽(shadowing)、干扰和移动而在不同时间发生变化。在会话过程中新接收器 有可能加入，而某些接收器可能离开，因而接收器的网络拓扑结构(network topology)会 改变。因此，需要额外的误差保护机制来为服务区域内的接收器提供满意和可靠的服务 质量(quality of service)，同时有效地利用可用无线带宽。为了获得可靠无线组播操作， 一个有效的途径是在应用层采用前向纠错(FEC)编码。在某些已知的系统中，选择固定FEC编码以满足服务区域(servingarea)内具有 最差信道条件(即最高分组丢失率)的接收器的目标质量。采用这种方法，在应用层的 信息源分组上都采用固定FEC编码(例如固定Reed-Solomon (RS)编码)以产生奇偶分组 (parity packet)。所述奇偶分组与信息源分组一起传输并用于恢复丢失的信息源分组。采 用上述方法，FEC编码是固定的，并且即使全部接收器都具有良好信道条件也要采用。 不必要的FEC奇偶分组引入高开销(overhead)，从而降低了带宽效率。在组播系统中采 用了自适应FEC。FEC编码根据单个接收器的信道条件进行调节(adapted)。本发明考 虑到了组播应用。相同源的多个接收器有可能在同一时间遇到不同的分组丢失率(packet loss rate),同一接收器在不同时间也可能遇到不同分组丢失率。在不同时间的不同接收 器或者同一接收器的接收质量都不同。另外，接收器可能加入或离开多播组。本发明希望解决的问题是选择和调节FEC编码参数。设计一种高效的自适应 FEC方法将是有利的。为了设计高效的自适应FEC方法，需要解决三个问题(1)如何 估计组播的多个接收器的信道条件；(2)如何提供信道条件反馈；(3)如何基于多个接收 器的信道状态调节FEC率。发 明内容本申请中所述组播是指一种数据(包括但不局限于音频和视频数据)传输。 艮口，数据可以是任何类型。为了便于举例说明，本文中使用视频数据。另外，本文中 单播(unicast)是指一对一的数据传输。即，数据从单一源传输至单一接收器。广播 (braodcast)是一对全体的数据传输。即，数据传输至能够接收数据传输的全体接收器。 组播(multicast)是一对多的数据传输。组播数据传输是能够接收数据传输的全体接收器 的子集，其中所述子集可以是能够接收数据传输的全体接收器。即，本文所乘组播包括 广播，因此更广义。本发明描述了一种自适应前向纠错方法和系统，用于高效并可靠地在无线网络 上发送组播数据。在无线组播应用中，数据通过无线信道从接入点/基站传输至多个接 收器。此处，“/”表示同一或类似元件或结构的另外名称。即，“/”可以理解为
“或”。本发明通过考虑接收器拓扑结构改变、多个接收器变化的信道条件和应用要求 自适应地改变用于系统性能优化的FEC编码的容量和开销。接收器被分类为不同类别。 通过仔细设计FEC自适应方案，为不同类别的接收器提供不同等级的服务质量(QoS)。 本发明说明了一种最优跨层(cross-layer)设计策略，其选择物理层操作模式、分组大小 和应用层FEC以保证特定目标接收器的稳定性要求，同时使总体系统处理能力最大化。 另外，在具有不同优先级的不同组播组中动态传输额外FEC开销，以增强服务区域中具 有变差的信道条件的接收器的组播鲁棒性。额外FEC开销可以基于多个接收器的反馈适 配于(adapt to)变化的接收器拓扑结构和无线网络条件。所述自适应FEC系统包括(1) 在每个接收器操作的信道估计方法，用于估计接收信道条件；(2)从多个接收器向数据/ 媒体/组播服务器发送信道信息的协议；(3)在多播服务器操作的FEC调节方法，其基于 多个接收器的信道条件动态地改变FEC码率和传输优先级。本发明希望解决的问题是选择和调节FEC编码参数。设计一种高效的自适应 FEC方法将是有利的。为了设计高效的自适应FEC方法，需要解决三个问题(1)如何 估计组播的多个接收器的信道条件；(2)如何提供信道条件反馈；(3)如何基于多个接收 器的信道状态调节FEC率。因此，本发明提供一种方法和系统，用于调节FEC码率并以 不同优先级传输信息源和奇偶分组，以最优化系统性能。本发明描述了一种方法和装置，包括通过无线信道从一设备接收信道条件反 馈；基于接收到的反馈判断是否能服务该设备；判断前向纠错码率是否足以使所述设备 恢复丢失的数据；响应于第二判断动作调节前向纠错码率并利用前向纠错码率由所述源 数据产生前向纠错分组。
结合附图考虑下面的详细说明更容易理解本发明。附图的简要说明如下，其中 相似附图标记表示相似元件图1是采用本发明的网络的示意图；图2是根据本发明的自适应前向纠错方法的框图；图3是不同等级接收器的示意图；图4A是采用根据本发明的自适应前向纠错编码方法的组播服务器的协议结构的示意图； 图4B是采用根据本发明的自适应前向纠错编码方法的接收器的协议结构的示意 图；图5是根据本发明的自适应前向纠错编码的示意图；图6是在组播服务器上实施的根据本发明的方法的示例性实施方式的流程图；图7是在接入点/基站上实施的根据本发明的示例性实施方式的流程图；图8是在接收器上实施的根据本发明的示例性实施方式的流程图；图9是根据本发明的自适应前向纠错方法的另一个实施方式的框图，其中采用 了交织。
具体实施例方式请参看图1，该图示出了本发明考虑的典型网络系统。移动装置105通过无线接 入点/基站110和高速有线接入网络115 (例如以太网)连接至组播服务器120 (例如视频 组播服务器或媒体服务器)和互联网125。视频服务器120通过高速有线接入网络115将 一个或多个视频节目组播至无线接入点/基站110。然后无线接入点/基站110将所述视 频通过无线链路以组播分配至移动设备105。移动设备的用户可以观看一个或多个视频节 目，同时访问互联网。本发明所述自适应前向纠错(FEC)方法和系统可以用于通过无线 局域网(WLAN)、3G网络或其他无线网络的视频组播应用。下面将以IEEE802.11 WLAN 网络为例对本发明的自适应FEC方法和系统进行说明。另外，本发明独立于传输的数据 类型，可以用于任何类型的数据的传输，虽然本发明以视频组播为例对自适应FEC方法 和系统进行了说明，但数据类型不局限于音频/视频节目。组播服务器包括产生数据分组(例如视频分组)流的源数据(例如视频)编码 器/打包器、对所述视频分组进行跨分组(cross-packet)FEC编码的FEC编码器以及其他 器件。所采用的FEC可以是任何体系的前向纠错编码，例如Reed-Solomon(RS)编码。 FEC编码跨分组使用以防止整个分组丢失(擦除)，因为错误分组通常被较低层丢弃。如 果在应用层的单个分组内使用FEC编码，则在应用层不能纠正错误分组。例如，将(N， K) RS编码用于K个源分组以形成H = (N-K)个奇偶分组。FEC码率定义为R = K/N。在组播/广播中，由于在相同时间的不同信道条件，相同流的多个接收器可能 遇到不同的分组丢失率，而同一接收器在不同时间也可能遇到不同分组丢失率。新接收 器可能在组播会话过程中加入，或者某些接收器可能在组播会话过程中退出，因此接收 器的拓扑结构变化。本发明说明了一种方法和系统，能够根据网络拓扑结构和多个接收 器的改变的信道条件自适应地改变FEC编码的容量和开销，以在无线网络上进行高效和 鲁棒性的视频组播。图2是本发明的自适应前向纠错方法的框图。假定视频流中有K个视频源的块 (K可以根据希望的延迟和编码复杂度来确定)，产生并在无线网络上和传输的的FEC奇 偶分组的数量H= (N-K)在Hmm and Hmax之间调节，其中N是此编码块(coding block)的 分组(源分组和奇偶分组)的总数。即，FEC码率R = K/N = K/ (K+H)在Rmax = K/ (K+Hmm)和Rmm = K/(Κ+Η_)之间调节。另外，视频源分组在具有最高优先级的组播组 GO中传输。奇偶分组在具有不同优先级的多个组播组(不同IP地址和/或UDP端口)中传输。在H个奇偶 分组中，Hl个奇偶分组总(与视频源分组相同优先级)在具有最高 优先级的组播组Gl中传输。只有当某些接收器需要额外FEC(自适应FEC编码)时， 产生另外的H2个奇偶分组并在具有较高优先级或中等优先级(低于视频源分组但高于尽 力而为型数据通信的优先级)的不同组播组G2中传输。只有当某些接收器需要更多额外 FEC时，产生剩余的H3个奇偶分组并在具有低优先级(与尽力而为型数据通信相同的优 先级或低于尽力而为型数据通信的优先级)的组播组G3中传输。奇偶分组的总数H等 于Hmm<H = H1+H2+H3<Hmax, (N = K+H1+H2+H3)另外一个方法是保持编码块的长度N固定，但变化K、H1, H2和^。本发明 还说明了一种确定参数15·、H1, H2, 153和HmaxW方法，详细说明在下文。对于向后兼容，非FEC功能的接收器不接收来自用于FEC奇偶分组的组播组的 数据，从而自适应FEC组播系统可以采用固定FEC和非FEC功能的接收器。图3是不同等级接收器的示意图。无线接入点/基站的覆盖区域(covenigearea) 基于原始分组丢失率(raw packet loss rate)的信道条件被分为四个区域。被最内圆覆盖的 区域内的接收器具有确保型服务(guaranteed service)。下一圆内的接收器具有伪确保型服 务。再下一圆内的接收器具有尽力而为型服务(best effort service)，而圆之外的接收器不 享有任何服务(它们处于服务区域之外)。原始分组丢失率被定义为FEC解码之前的分 组丢失率。因此，将接收器基于其接收信道条件分类为不同等级。确定并调节FEC参 数15_、H1, H2, H3和Hmax以提供具有根据残余分组丢失率测量的传输稳定性的不同级 别的不同等级的接收器。残余分组丢失率被定义为FEC解码之后的分组丢失率。对于确保型服务接收器，联合选择接入点/基站的物理层模式、分组大小和应 用层FEC码率以使得总处理能力最大化同时保证其传输稳定性。这可以由网络/系统管 理员来实现。对于具有伪确保型服务的接收器，本发明的自适应FEC方法基于变化的网 络拓扑结构和不同接收器遇到的信道条件动态地调节FEC开销以保证其传输稳定性。对 于具有确保型服务的接收器，本发明的自适应FEC方法在具有FEC开销额外带宽时试图 以尽力而为方式满足其传输稳定性要求。用于尽力而为服务接收器而增加的额外FEC开 销在无线网络上以低优先级传输。如果在无线网络上没有足够带宽，则接入点/基站丢 弃所述额外FEC开销。为了保证具有非常差的信道条件的接收器的某种服务质量将会消 耗过多的系统资源。相反，不对具有最差信道条件的接收器提供服务，即不基于这些接 收器调节FEC码率。网络/系统管理员首先确定无线接入点/基站的希望覆盖区域(例如，其可能是 一座建筑)，其中要确保任何接收器具有小于或等于阈值Pt的平均残余分组丢失率。阈 值6由应用的需求确定，即对于良好视频质量10_5是合理的。此区域中的接收器被称为 确保型服务(GS)接收器。假定接入点/基站具有固定发射功率S = S0,通过试验测量 或分析可以获得该区域内的最差平均信道SNR Y lt)请注意信道SNR由于衰退而随时间 变化。随时间变化的平均信道SNR用于测量接收器的信道条件。接收器的信道质量取 决于距离接入点/基站的距离、地理环境等。然后联合选择接入点/基站的物理层操作 模式M、分组大小L和应用层FEC编码参数Hmm以保证GS接收器的传输稳定性(即这 些接收器的残余分组丢失率h小于或等于Pt)并使应用层实际吞吐量最大化。请注意，分组大小应不大于网络允许的最大传输单元(MTU)。上述为约束最优化问题，可以用公 式表述如下maxg =(m,l,hmin)|s=s0,γ=γ1，pr(m,l,hmin)|s= s0, γ=γ1 ≤pt 并且 L≤MTU (1)对于某些情况，例如有可能基于MTU和接入点/基站容量确定分组大小和物理 层模式。如果这样，选择Hmm以确保残余分组丢失率不大于Pt。如果使用了(N，K)RS 编码，传输的H = N-K个奇偶分组提供了相对于N个分组中H个丢失的分组的擦除弹性 (erasure resiliency)。如果FEC解码之前的原始分组丢失率为Pe，则Hmm满足
权利要求
1.一种方法，包括通过无线信道从一设备接收信道条件反馈；基于接收到的反馈判断是否能服务该设备；判断前向纠错码率是否足以使所述设备恢复丢失的数据；响应于第二判断动作调节前向纠错码率；和利用前向纠错码率由所述源数据产生前向纠错分组。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括如果一时间周期届满，响应于从一等级中的多个设备接收的反馈调节所述前向纠错 码率；基于从所述等级的多个设备的接收到的所述反馈确定的物理层操作模式和用于所述 源数据的分组大小；响应于所述确定的分组大小分组化所述源数据；和 在多个组播组中传输所述源数据和所述前向纠错分组。
3.根据权利要求2所述的方法，其中响应于所述物理层操作模式执行所述传输动作。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一判断动作判断分组丢失率是小于或等于一阈值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述接收器要求的前向纠错码率执行所述第 一调节动作以纠正所述接收器的分组丢失。
6.根据权利要求1所述的方法，其中基于所述等级的所述多个接收器要求的前向纠错 码率执行所述第二调节动作以纠正所述多个接收器的分组丢失。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述组播组具有不同优先级。
8.根据权利要求1所述的方法，其中基于可用带宽传输所述组播组。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述组播组交错播送。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述源数据分组和所述前向纠错分组相交织。
11.根据权利要求1所述的方法，其中在一服务器中执行所述方法。
12.—种装置，包括通过无线信道从一设备接收信道条件反馈的装置； 基于接收到的反馈判断是否能服务该设备的装置； 判断前向纠错码率是否足以使所述设备恢复丢失的数据的装置； 响应于第二判断动作调节前向纠错码率的装置；和 利用前向纠错码率由所述源数据产生前向纠错分组的装置。
13.根据权利要求12所述的装置，还包括如果一时间周期届满，响应于从一等级中的多个设备接收的反馈调节所述前向纠错 码率的装置；基于从所述等级的多个设备的接收到的所述反馈确定的物理层操作模式和用于所述 源数据的分组大小的装置；响应于所述确定的分组大小分组化所述源数据的装置；和 在多个组播组中传输所述源数据和所述前向纠错分组的装置。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述传输装置响应于所述物理层操作模式执行。
15.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一判断装置判断分组丢失率是小于或等于一阈值。
16.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一调节装置基于所述接收器要求的前向 纠错码率以纠正所述接收器的分组丢失。
17.根据权利要求12所述的装置，其中所述第二调节装置基于所述等级的所述多个接 收器要求的前向纠错码率以纠正所述多个接收器的分组丢失。
18.根据权利要求12所述的装置，其中所述组播组具有不同优先级。
19.根据权利要求12所述的装置，其中基于可用带宽传输所述组播组。
20.根据权利要求12所述的装置，其中所述组播组交错播送。
21.根据权利要求12所述的装置，其中所述源数据分组和所述前向纠错分组相交织。
22.根据权利要求12所述的装置，其中所述装置为服务器。
全文摘要
一种方法和装置，包括通过无线信道从一设备接收信道条件反馈；基于接收到的反馈判断是否能服务该设备；判断前向纠错码率是否足以使所述设备恢复丢失的数据；响应于第二判断动作调节前向纠错码率；和利用前向纠错码率由所述源数据产生前向纠错分组。
文档编号H04L1/00GK102017491SQ200880128747
公开日2011年4月13日 申请日期2008年4月29日 优先权日2008年4月29日
发明者刘航, 绍拉伯·马瑟 申请人:汤姆逊许可公司