網際網路多媒體實時通信中的前向糾錯方法
2023-09-22 20:25:35
專利名稱：網際網路多媒體實時通信中的前向糾錯方法
技術領域：
本發明涉及一種網際網路多媒體實時通信中的差錯控制方法。
在網絡多媒體實時通信中，由於實時性的要求，多媒體數據一般是通過不可靠傳輸協議UDP來傳輸的。而當網絡帶寬不足或者網絡環境不穩定時，由於UDP協議的不可靠性，就會出現數據包丟失的現象，或稱丟包。這會大大降低通信質量。
為了抑制因為網絡丟包而造成的通信質量下降，本發明提出了一種前向糾錯算法。即根據網絡環境的不同，在數據發送端給數據包加入不同的冗餘信息，當接受端發現有數據包丟失時，可以根據冗餘信息將丟失數據恢復出來。
在Internet上傳輸數據時，由於底層通信協議已經對傳輸中產生的誤碼做了校驗，所以可以保證收到的數據包的準確性。但是對於UDP這樣的不可靠傳輸協議，丟包仍然會發生。傳統的解決丟包的方法是自動重複請求(ARQ)，這種方法的最大代價就是引入了大量的延時，而增大的延時會直接導致實時通信系統的可用性大大降低。
為解決現有技術中存在的問題，本發明提出一種延時小並且能較好的對丟包進行恢復的算法。
下面對本發明的方法作出說明(1)在系統的發送端，將連續的幾個實時數據包看作一個數據包組；(2)根據網絡的丟包率大小，通過前向糾錯(FEC)算法為數據包組生成冗餘校驗包，隨數據包一起發送；(3)接收方收到數據包後，如果發現有丟包現象，則通過同組的數據包已經相應的冗餘校驗包對丟包進行恢復。
在附
圖1中，發送端的數據包為D1、D2、D3，此三個數據包形成了一個數據包組。通過前向糾錯(FEC)編碼器生成兩個冗餘數據包F1、F2。在網絡傳輸中，假設D3、F1數據包被丟失，則在接收端，可以通過FEC解碼器，利用D1、D2、F2中的信息將原始的D3數據包恢復出來，從而保證通信的質量。前向就錯(FEC)算法的選擇以及恢復方法在通信領域中，FEC有許多的實現方法，針對突發性的差錯，一般採用交織碼、BCH碼、Reed-Solomon碼等方法。
在我們的要解決的問題中可以看出UDP的數據包丟失具有這樣一些特點1.收到的數據都是正確的2.丟失的數據都知道其相應的位置另外，考慮到延時的控制，前向糾錯的分組長度也應該保證在2或3以內。根據以上這些特點，我們可以採用更簡單、針對性更強的糾錯算法來實現FEC。在本發明中，我們使用的是異或方法。
為了表示方便，我們用XOR(m，n)來表示通過異或實現的FEC。其中，m是經過抑或後，整個組的數據包個數；n是組中原始的多媒體數據包個數；m-n就是經過抑或生成的冗餘數據包個數。XOR(4，3)假設前向糾錯為3個數據包(D1，D2，D3)一組，生成一個冗餘數據包(F1)，通過異或，其生成方法為D1D2D3＝F1這樣，這四個包中任意丟失一個包，都可以無誤的恢復出原始的三個語音數據包。方法如下D2＝D1D3F1XOR(5，3)如果針對一組數據包要生成多個冗餘數據包，也可以通過異或的方法來實現。其實現方法是多種多樣的，比如要從3個數據包中生成2個冗餘數據包，就可以這樣實現D1D2＝F1D1D3＝F2通過這樣的FEC機制，當5個數據包任意丟掉一個時，可以完全恢復出來；而如果5個數據包中任意丟掉了兩個，就只有80％的概率可以將丟包完全恢復出來。
表格1
如果5個數據包中丟掉了3個，那麼恢復情況如下表格2
XOR(6，3)通過3個數據包生成3個冗餘數據包，可以用如下方法實現D1D2＝F1
D1D3＝F2D2D3＝F3這樣，6個數據包中只要能保證有任意4個被對方接收到，就可以完全無誤的恢復出所有原始數據包。
如果只收到3個數據包，有以下4種情況只能恢復出部分數據表格3
如果只收到2個數據包，數據恢復情況如下表格4
幾種FEC機制的丟包恢復效果的理論分析前面介紹了通過異或算法得出的幾種FEC機制，不同的FEC機制會產生不同的丟包恢復率同時也引入不同的代價。下面我們首先從理論上分析三種FEC機制的各個參數。
網絡的丟包現象可以看作是二階的Gilbert模型。從狀態0(不丟包)到狀態1(丟包)的轉移概率為p，從狀態1到狀態0的轉移概率為q。在不做任何差錯控制的情況下，網絡的丟包率應該為loss rate＝p/(p+q)為了下面的討論清楚起見，我們假設p+q＝1。這樣，原來的Gilbert模型就簡化成為一個Bemoulli模型。而網絡丟包率也就變成了p。顯然，這個簡化對我們的問題的性質和結論不會產生影響。XOR(4，3)每3個數據包為一組，生成1個冗餘包，那麼有效數據的傳輸效率為3/4＝75％下面我們以這4個包為一組，具體討論其丟包恢復效果
通過上面的推導克制，經過XOR(4，3)進行差錯控制後，得到的平均網絡丟包率應該為1-1/3*[C44*(1-p)4*3+C43*p(1-p)3*3+C32*p2(1-p)2*2]]>+C31*p2(1-p)2*1+C31*p3(1-p)*1]]]>
=3p2-3p3+p4]]>舉例來說，如果原來的網絡丟包率p＝20％的話，經過XOR(4，3)差錯控制後，丟包率應該是p′≈9.8％XOR(5，3)每3個數據包為一組，生成2個冗餘包，那麼有效數據的傳輸效率為3/5＝60％下面我們以這5個包為一組，具體討論其丟包恢復效果
通過上面的推導克制，經過XOR(5，3)進行差錯控制後，得到的平均網絡丟包率應該為1-1/3*[C55*(1-p)5*3+C54*p(1-p)4*3+8*p2(1-p)3*3]]>+2*p2(1-p)3*2+7*p3(1-p)2*2+2*p3(1-p)2*1+3*p4(1-p)*1]]]>=(2p2+8p3-10p4+3p5)/3]]>舉例來說，如果原來的網絡丟包率p＝20％的話，經過XOR(5，3)差錯控制後，丟包率應該是p′≈4.3％XOR(6，3)每3個數據包為一組，生成3個冗餘包，那麼有效數據的傳輸效率為3/6＝50％下面我們以這6個包為一組，具體討論其丟包恢復效果
通過上面的推導克制，經過XOR(6，3)進行差錯控制後，得到的平均網絡丟包率應該為1-1/3*[C66*(1-p)6*3+C65*p(1-p)5*3+C64*p2(1-p)4*3]]>+16*p3(1-p)3*3+9*p3(1-p)3*2+9*p4(1-p)2*2]]>+3*p4(1-p)2*1+3*p5(1-p)*1]]]>=2p3+2p4-5p5+2p6]]>舉例來說，如果原來的網絡丟包率p＝20％的話，經過XOR(6，3)差錯控制後，丟包率應該是p′≈1.8％前面介紹了三種通過異或來實現FEC的方案，XOR(4，3)，XOR(5，3)和XOR(6，3)。在實際的實現中，考慮到糾錯信息的發送方式對丟包恢復率、延時和傳輸效率也有很大的影響。我們將把這三種糾錯方式進行更細緻的劃分，分別是方案1FEC(4，3)，糾錯包F單獨發送，記為FEC(4，3)-3。最後的3表示解碼延時(以數據包為單位)。見附圖2。
方案2FEC(5，3)，糾錯包F1、F2分別跟隨在D4、D5後發送，記為FEC(5，3)-5。見附圖3。
方案3FEC(6，3)，糾錯包F1、F2、F3分別跟隨在D4、D5、D6後發送，記為FEC(6，3)-6。見附圖4。自適應差錯控制方案通過對FEC機制的理論分析和大量的實驗結果分析，我們最後提出了一套自適應差錯控制方案。
權利要求
1.一種在網際網路多媒體實時通信系統中應用的差錯控制方法，其特徵包括(a)使用UDP協議作為底層多媒體通信協議，多媒體數據以UDP數據包的形式在網絡中傳輸。(b)系統對多媒體通信的要求為實時或準實時。(c)通過前向糾錯方法對網絡通信中多媒體數據的丟包進行恢復。
2.在權力要求1中，多媒體可以是音頻、視頻或者是二者的結合。
3.在權利要求1(b)中，多媒體實時通信的端到端延時一般在1秒以內。而準實時的多媒體通信系統端到端延時一般在30秒以內。具有這樣特徵的通信系統我們稱之為實時通信系統或準實時通信系統。
4.根據權利要求1(c)中所述的方法，其特徵是利用前向糾錯方法對UDP數據包在Internet傳輸中發生的丟包進行恢復。
全文摘要
本發明是一種網際網路多媒體實時通信中的差錯控制方法，其目標是解決Intemet上多媒體通信中的丟包問題。該方法在數據發送端將多個數據包組成一個數據包組，並生成前向糾錯的冗餘數據包；在接收端，當檢測到丟包時，則利用同組的數據包以及相應的冗餘數據包將丟失的數據包恢復出來。通過對大量的實驗測試，本發明提出了一個方案，在保證系統實時性的基礎上大大降低了系統的丟包率。
文檔編號H04L29/06GK1482779SQ02131208
公開日2004年3月17日 申請日期2002年9月13日 優先權日2002年9月13日
發明者葉濱, 葉 濱 申請人:北京威速科技有限公司