无线WiFi多媒体广播系统的自适应组交织方法和装置与流程

本发明涉及媒体信息传播技术领域，具体涉及一种无线WiFi多媒体广播系统的自适应组交织方法和装置。

背景技术：

近年来，无线WiFi技术的发展日新月异，深刻的改变了我们的生活方式。同时也给我们的世界带来了巨大的方便，使得我们能够轻松快速地沟通交流和获取大量的信息。随着无线WiFi通信技术发展的同时，人们对无线WiFi通信的功能和用户数量将迅速增长，这必定会对无线WiFi通信传输质量提出了越来越高的要求。

由于在无线WiFi通信系统中，经常会发生突发性错误，如果错误的时间过长，就形成连续的错误，这往往会超过了纠错码的纠错能力。因此在无线WiFi通信信号处理技术中，一般会引入交织技术来解决这个问题。这种方法主要是把连续帧数据的顺序有规则的分散错开，防止数据整帧的出现错误或者丢失，以提高无线WiFi通信系统的抗干扰能力。在交织技术中，交织的深度越大，纠错能力越强，但是延迟越大。因此，需要在交织长度和延迟之间做出折中。再者，不同的交织方法，也会影响到纠错能力。特别地，在互联网视频数据的传送过程中，一般是使用TCP的形式发送，进行流量控制和差错控制，使得数据包的数量发生变化，反馈后，重传的是丢失的数据包。如果采用传统的交织方法，数据块的长度和内容通常是相同和固定不变，在出现突发错误的时候，错误和丢失的数据包会更多，没能够有效的进行流量控制和差错控制。因此，在无线WiFi多媒体广播覆盖系统的视频数据通信中，我们有必要寻找一种更有效的交织方法。

技术实现要素：

本发明提供一种无线WiFi多媒体广播系统的自适应组交织方法和装置，以克服视频数据传输过程中随机错误和突发错误，防止节目流数据帧整体丢失和传输错误。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

无线WiFi多媒体广播系统的自适应组交织方法，包括如下步骤：

步骤1、把接收到的多路节目流按照系统需求复用为多节目IP包的形式；

步骤2、检测多节目IP包中每路节目流的速率；

步骤3、根据传播条件确定数据组的长度，并根据每路节目流的速率确定每个数据组中的IP包数量，从而将多节目IP包分为数据组的形式，实现自适应分组；

步骤4、完成多节目IP包的分组划分后，对每一组数据进行标号；

步骤5、将标号后的数据组进行间隔错乱排列，从而完成多路节目流的交织处理。

上述步骤5中，对数据组采用的间隔错乱排列为环形排列。

实现上述方法的无线WiFi多媒体广播系统的自适应组交织装置，包括复用模块、码流速率检测模块、自适应分组模块、标号模块和乱序排列模块；

复用模块，把接收到的多路节目流按照系统需求复用为多节目IP包的形式；

码流速率检测模块，检测复用模块输出的多节目IP包中每路节目流的速率；

自适应分组模块，根据传播条件确定数据组的长度，并根据码流速率检测模块所输出的每路节目流的速率确定每个数据组中的IP包数量，从而将多节目IP包分为数据组的形式，实现自适应分组；

标号模块，对自适应分组模块输出的每一组数据进行标号；

乱序排列模块，将标号模块输出的标号后的数据组进行间隔错乱排列，从而完成多路节目流的交织处理。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

第一，块(组)交织实现简单，计算复杂度较低，而且解交织也比较容易实现，延迟时间比较合理；

第二，每个组的长度是根据码流速率大小实时变化，根据实际的通信环境自动调节每个数据组的长度和内容，可以克服随机错误和突发错误，防止视频节目流整体的丢失和错误；

第三，纠错能力比较强，可以提高无线WiFi通信系统中的抗干扰能力，保证了系统的传输质量；

第四，这种交织方法可以应用于视频数据的无线WiFi通信和其他数据的通信系统中。

附图说明

图1是本发明的自适应的组交织技术在无线通信中应用的示意图。

图2是无线WiFi多媒体广播系统的自适应组交织的原理示意图。

图3是本发明的组交织和结构图。

具体实施方式

本发明的技术方案是：首先在有限范围无线WiFi多媒体广播覆盖系统中采集到多路视频节目流，然后对视频节目数据流分组处理，其中数据组的长度是根据码流速率大小自适应变化，然后在数据组之间进行交织处理，主要是数据组之间是环形排列，这样防止了节目流数据帧整体的丢失和传输错误。本发明可以提高无线WiFi多媒体广播覆盖系统中视频数据传送的质量，保证视频播放的流畅和清晰。

一种无线WiFi多媒体广播系统的自适应组交织方法，包括如下步骤：

步骤A、覆盖系统视频节目流的采集。

节目的来源形式，可以是远程多路(多频道节目)多信号源采集。比如，卫星信号，有线电视，地面数字电视，窄带的OFDM透传配合远端节目源，和IPTV(Interactive personality TV，IPTV)。特别地，能够实现本地插卡获取信号源。因此，能够实现多媒体的随时随地接入和播放，极大的方便了用户。这里的数据流接收和处理形式可以分为三种格式：1)将接收到的多个单路节目IP流经过处理为单通路多节目IP流；2)多节目TS(transition stream，TS)复用流，经过解复用数据流得到各个单节目TS流并转码为多通路多节目IP流；3)多节目TS复用流，经过转换处理为单通路多节目IP流。我们主要是基于第三种多节目TS复用流进行分发处理。

详细地，假设在WiFi覆盖系统中接收到的数据是多路节目流。这里定义变量R是在覆盖系统中接收到的数据，那么

这里N是数据流节目总路数量，s_i是第i路数据流，κ_i是比例因子。从式子(1)，我们可以看到直播系统中的视频数据是由多路或者多节目流组成。我们可以把接收到的视频数据流看作是复用多节目TS流，每一路节目流TS流可以看作是由一个个TS包组成。每一路TS流有不同的PID(packet identifier，PID)号标记TS包，如图3中的TS流结构示意图。

在现有的基于802.11协议的视频传输系统中，在分发端接收处理的是基于单路节目分时按需分发。如果响应多个节目传输请求，需要足够的带宽资源，而且增加分发处理器负荷，且需要大缓存支持。因此，为了解决这两个问题，在接收到视频流之后，我们把接收到的复用节目流按照系统需求复用为多节目IP包的形式，按序发送。从而可以提高WiFi系统的数据传输速率和带宽利用率，以及降低分发处理器的运算负荷。

详细地，根据多节目TS流形式，我们把各路数据流s_i按照节目流速率大小复用为多节目IP流的形式，可以表示成为

这里一个多节目IP包里面有7个相同或者不同节目的TS包(一个TS包长度是188字节)，如图3所示。一个IP包是一路音视频节目当中的一帧全部或者部分信息。特别地，这里的数据IP包的节目内容是根据通信状况确定，这样可以根据通信环境的好坏合理的分配带宽空间，提高系统的带宽利用率。

步骤B、节目流速率检测。

在对多节目IP流分组之前，自动检测多节目流量。根据不同的节目流，分配的数据帧IP包的数量不同，为下一步的自适应分组做铺垫。这样可以有效合理的分配信道带宽，防止高速率和高动态节目流中的数据出现突发性错误和丢包的现象，从而提高多媒体通信质量。

用变量R表示视频数据流，在接收到的视频数据包含了多路节目流，这里用变量N表示节目流总数。v_i表示第i路节目的速率，即

v_i＝f(R),i＝1,2,…,N (3)

这里f(·)表示视频节目流检测函数。

基于式子(3)检测各个节目流，从而获得视频数据流的速率和动态情况。主要是为了检测视频数据高速率和高动态的节目流，用变量H_j(t)表示。那么，H_j(t)的计算式子为

H_j(t)＝Φ(v_i|i＝1,2,…,N),j＝1,…,M (4)

我们需要定义高速率和高动态节目流。通常假设没有高速率和高动态节目流的速度是S，设定一个阈值Λ，当满足下列式子

|v_i-S|≥Λ (5)

的时候判断该节目流存在高速率和高动态现象。这种节目流通常情况下会出现数据量较大和传输突变的现象。

步骤C、以多节目IP包形式的视频数据流自适应分组。

在视频传输过程中，每个节目的码流速率是各不相同，而且同一个节目的码流在不同时刻的速率也是变化。因此，为了在发送视频数据过程中能够根据不同的节目码流速率自适应地确定发送数据的大小，从而提高信道利用率和数据传输效率，我们对视频数据流分组处理，其中数据组的长度是根据传播条件自适应变化。但是，在选择了一种长度的情况下，每个组的多节目IP包数量保持相同。而对于每一个节目流的多节目IP包数量是随着码流大小和通信状况自适应变化。就像前面陈述的一个IP包里面有7个同一节目的TS包(一个TS包长度是188字节)。一个IP包是一路音视频节目当中的一帧全部或者部分信息。

由式子(3)-(5)进行的节目流检测情况，不同的速率分配不同数量的IP包。我们规定速率比较高的节目流分配的IP包就比较少，这样可以保证传输的质量。当检测到高速率和高动态的节目流，对应的数据组被分配的IP包数量较少。正常速度节目流分配到IP包数量是N_t。那么，存在高速率和高动态节目流的数据组被分配的IP包的数量为

按照不同节目流的数据包数量封装数据流。根据不同的节目流情况分配不同数量的IP包。

我们可以把以上思路数学模型化。定义视频数据流可以分为T个组，即

V＝{G₀,G₁,…,G_T-1} (7)

这里V表示视频数据，G_t是第t个数据组。这里分组的数量T是由视频数据的实际情况决定。每一个数据组的长度是按照干扰程度和出错情况(丢包情况)来自动选择。初始的组长度是人工手动设置，通常是节目数量的10倍。

这里的一组数据可以包含20到120帧的IP包。而且，每一组之间是串行排列，数据组的长度是根据码流速率大小自适应变化。同理，每一组数据中包含N_t帧IP包，即

这里20≤N_t≤120，具体可以使用式子(6)确定。而每一帧IP包中包含了6个TS包，式子(2)可以简化成如下列式子所示

IP_n＝{TS₁,TS₂,…,TS₇} (9)

这里的TS包封装成IP包的形式如图3中所示。就像式子(9)，IP包的长度是固定不变，而其中的内容可以随着节目流速率大小变化。一般情况下，一个IP包中可以包含一路节目或者多路节目的TS包。接着使用式子(8)把IP包分为数据组的形式，从而完成了视频数据流的分组。这里每个数据组中的IP包数量是随着每路节目流速率变化而变化，因此实现了自适应分组。

步骤D、视频数据组标号处理。

这里的标号处理的规则是把数据流的多节目IP包分组划分后，对每一组数据顺序编号。

详细地，根据步骤C中获得的多节目IP数据流，为了方便判断客户端丢包情况，数据重组，在媒体合成处理接收端由编码器送来的复用多节目IP包后，数据小缓存。根据数据复用多节目IP流格式，我们定义的嵌入式系统架构是2M小缓存。这可以在保证数据快速存在的同时降低硬件资源的损耗。然后，在用户数据报UDP(User Datagram Protocol，UDP)上封装成一个MPTS(Multi-program transport stream,MPTS)。而且MPTS有自己的数据段编号，所以可以用MSTP对每个数据段从0到65535循环编号。这里实际是每路节目流有自己的端口号，而每路节目流中的TS包也有独立的编号。这里对各个数据组按照顺序编号，是为了方便后面的数据组交织处理。

步骤E、数据组自适应组交织处理。

在现有的数据流交织技术中，主要有卷积交织和块交织。这两种方法的特点是把数据有规则的错乱排列，而且数据的交织单位(即，交织的单位数据长度)是固定不变。特别是块交织技术，数据块的大小都是相同。

根据步骤D中分组标号后的数据，进行组之间的交织，如图3所示。这里的交织思路是把完整节目流的数据有规则的错开排列，从而使得在无线传输过程中不出现完整数据帧的丢失，提高通信系统的抗干扰性能。对每组数据进行排列，这里是进行一个环形排列。如图3中，数据组之间进行间隔错乱排列，比如首先排列G₁和G₂，然后排到第二次G₁，接着是G₃，和第二次的G₂，后面的数据组依次相间隔一个数据组环形排列。

根据图3中的环形排列方法，把数据组排列，从而完成视频数据流的交织处理。这里的交织属于块交织，相对于现有的块交织技术我们的创新在于而每个数据块的长度是根据码流速率大小自适应变化。交织的处理主要是把数据分组后，有规则的对数据进行重新排列。从而实现在无线WiFi通信传输过程中抗干扰要求。

一种无线WiFi多媒体广播系统，如图1所示，数据流服务器、多媒体合成控制器、自适应组交织装置、WiFi发射端和客户端组成。自适应组交织装置连接在多媒体合成控制器和WiFi发射端之间。上述自适应组交织装置，如图2所示，包括复用模块、码流速率检测模块、自适应分组模块、标号模块和乱序排列模块。

复用模块，把接收到的多路节目流按照系统需求复用为多节目IP包的形式；

码流速率检测模块，检测复用模块输出的多节目IP包中每路节目流的速率；

自适应分组模块，根据传播条件确定数据组的长度，并根据码流速率检测模块所输出的每路节目流的速率确定每个数据组中的IP包数量，从而将多节目IP包分为数据组的形式，实现自适应分组；

标号模块，对自适应分组模块输出的每一组数据进行标号；

乱序排列模块，将标号模块输出的标号后的数据组进行间隔错乱排列，从而完成多路节目流的交织处理。

以上模块使用C言语在ARM平台嵌入式系统中编程实现。并且应用到无形WiFi多媒体广播覆盖系统中。

通过评估本发明所提出的自适应组交织方法在基于WiFi方式的多媒体广播系统中的性能，其丢包率可以降低至2.87e-4，这完全可以保证视频节目流畅的播放，从而证明了使用广播方式发送数字电视等多媒体信息的可行性和有效性。可见，本发明不仅可以提高系统的吞吐量和速率，而且能够保证多节目视频数据传输速度和质量的情况下大幅度提高同时接入系统通用移动用户端的数量。

上述的实施案例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例；本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。