CN101350699B

CN101350699B - 一种基于增量喷泉的信息分发方法

Info

Publication number: CN101350699B
Application number: CN200810119663XA
Authority: CN
Inventors: 陆建华; 朱宏杰; 曾维亮; 裴玉奎
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Guangzhou Tuguiyao Information Technology Co ltd
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2028-09-05
Also published as: CN101350699A

Abstract

一种基于增量喷泉的信息分发方法属于无线数据传输技术领域，其特征在于，在发送端把已分层编码的数据序列用数据分流器把相同分层号的数据排列起来形成一条支路，支路总数即为层总数，再按分层号越低，重要度越高的原则，设计一个权重序列，用一个调度参数计算器计算每个原始数据块中每一个分层的调度参数，并送入调度器。调度器以不同的概率控制不同层的喷泉编码器工作，以对不同层进行不同的冗余量保护，以使***具有适应复杂多变的信道状况的能力。实现用于恶劣信道状况的无反馈、低冗余的有效数据分发。

Description

一种基于增量喷泉的信息分发方法

技术领域

本发明涉及一种基于增量喷泉的信息分发方法，属于无线数据传输技术领域。

背景技术

数据分发是指数据提供者将数据传送给若干需要该数据的用户的过程。数据提供者一般是具有数据发送能力的通信终端，也称信息中心或发送端，而用户则是具有数据接收能力的通信终端，也称为接收端。通常信息中心只有一个，而用户有若干个，因此数据分发通常是一种点对多点的通信。实现这种点对多点通信的方法目前大致有一下几种。

1、采用多个单播。这种方式下，信息中心通过与各个用户建立多个点对点的单播实现数据分发。由于各个单播通信之间互相独立，占用不同的信道，相同的数据在各个信道上都要传输一次，因此会浪费大量的信道带宽资源，数据分发的效率不高。

2、采用简单多播。由于这种传输方式只占用一个信道——多播信道，因此相同的数据只需传送一次，而不需要复制成多份进行传输，因此节省了带宽。其缺点是分发可靠性不高。在单播通信中，用户数据的可靠接收是通过反馈重传机制来保证的。但是在多播通信中，第一，反馈带来的延时会影响数据分发的实时性，大量的重传会降低传输的效率；第二，大量的反馈会导致难以解决的反馈***问题。因此，采用这种方式进行数据分发时，反馈重传机制很难采用，当信道质量较差时，用户很难获得有用的数据。

3、采用分层编码进行多播。所谓的分层编码是指将原始数据分成可逐级嵌入的若干层编码数据。采用分层编码后，收端收到低层数据可恢复出基本的有用信息，收到的高层数据可对信息质量进行进一步改善。采用这种方法，发端需要接收端定时反馈信道信息，以便调整其发送速度和发送数据量(层数)。这一方面仍会遇到反馈带来的诸多问题，另一方面由于数据在一个公共的多播信道中传输，因此少数信道质量较差的用户会直接影响所有用户的接收数据量，从而降低整个数据分发的效果。

4、采用多描述编码进行多播。信息中心首先对原始数据进行多描述编码，即根据原始数据生成同等重要、可独立译码的多个描述，然后以多播的方式将数据分发给用户。用户接收到任意描述时都可以恢复出具有一定可用度的基本信息，收到的描述越多，恢复出的信息就越完整。由于每一路描述都包含相同的基本信息，这样即使没有反馈重传机制，用户也可以通过多个描述之间基本信息的冗余来保证基本的数据恢复效果。因此采用这种方法可以提高分发的可靠性。但由于基本信息的冗余量较大，编码效率很低，尤其是对信道质量较好的用户，会浪费大量宝贵的信道资源。

5、采用喷泉编码进行多播。近年来，喷泉编码作为一种非固定码率(Rateless)的分组级信道编码已经成为研究热点。其编译码算法复杂度很低，编码器如同喷泉一样源源不断地将原始数据编码发送，无需反馈重传，用户只需接收到足够数量的编码数据即可恢复出发端的原始数据，而与编码包的接收顺序无关。在这个过程中，信息中心无需考虑异质用户的信道特性及接入时刻、断续传输等具体应用方式的影响。因此喷泉码特别适用于可靠多播和数据分发应用。但它的缺点是用户至少要正确接收与发端数据长度相等的数据才能恢复原数据，因此当信道较差，用户正确接收的数据量不够时，就恢复不出原始数据。

事实上，理想的数据分发效果应该是信道质量越好的用户恢复出的数据越完整，或者说收到的有用信息越多，而信道质量较差的用户也能获得基本的有用信息，同时信息中心不需要反馈，不消耗过多的额外带宽，保证较高的信道效率。而通过前面的说明可知，现有的数据分发方法都无法实现这样的效果。

发明内容

本发明提出了一种基于增量喷泉的信息分发方法，具有无反馈、低冗余、用户有用数据获取量随信道质量增加而增加的特点。所谓的增量喷泉是指本发明提出的一种分层编码和喷泉编码的结合形式。

本发明的基于增量喷泉的信息分发方法其特征在于，所述方法是在发送端的数字集成电路芯片中依以下步骤实现的，***框图如图1所示，具体步骤可以结合图3来说明：

步骤(1)把已分层编码的数据序列输入一个数据分流器，所述已分层编码数据序列表示为：

D_{1}^{1}, D_{2}^{1}, \cdot \cdot \cdot, D_{L}^{1}, D_{1}^{2}, D_{2}^{2}, \cdot \cdot \cdot, D_{L}^{2}, \cdot \cdot \cdot, D_{1}^{d}, D_{2}^{d}, \cdot \cdot \cdot, D_{L}^{d},

其中上标表示原始数据块的序号j，下标表示所述每一个原始数据块中层的编号i，所述每一个原始数据块中的总层数为L，所述第j个原始数据块第i层的数据

中，除了包含数据外，也以头信息的方式保存了各原始数据块分块号j、层号i、

的数据长度

以及总层数L；

步骤(2)所述数据分流器把输入的已分层编码的数据根据其层号分流为L个支路，个支路的数据均为所述各原始数据块在分层编码后同一层的数据，其中，第i个支路的输出为：

步骤(3)所述数据分流器同时还为所述每一个原始数据块中已分层编码的数据设定权重a，使层号越低者权重a越大，层号越高者权重a越小，构成一个权重a的序列a₁，a₂，...，a_L，其中，a₁＞a₂＞...＞a_L；

步骤(4)调度参数计算器从所述数据分流器中输入所述的每一个原始数据块中分层编码数据的权重a的序列，所述

数据的长度与分层后数据总长度的比例后，按下式计算出不同块的L个调度参数，其中所述第j块第i层数据的调度参数

表示为：

p_{i}^{j} = \frac{a_{i} m_{i}^{j}}{Σ_{l = 1}^{L} a_{l} m_{l}^{j}}

其中i＝1，...，L，j＝1，2，...，d；

步骤(5)调度器在收到所述调度参数计算器输出的调度参数后，依次按以下步骤控制所述各支路数据的发送比例，从而控制各支路数据的不同保护程度；

步骤(5.1)按下式根据调度参数计算对应第j块数据的累积分布函数

C_{p_{j}} (l) = \{\begin{matrix} 0, & l = 0 \\ Σ_{i = 1}^{l} p_{i}^{j}, & l = 1,2, . . ., L \end{matrix}

其中，

表示第j块第i条支路数据的调度参数；

步骤(5.2)产生一个服从[0，1]均匀分布的随机数r_j，若该r_j满足则选中第l支路喷泉编码器F_l工作，而同时其它支路的喷泉编码器休眠；

步骤(6)当所述第l支路喷泉编码器F_l被所述调度器选中时，在调度器的控制下将第l支路的数据块

送入基于LT或Raptor码的喷泉码编码程序包，产生出一个编码数据包，并在包头加入包括数据块编号、层号以及编码种子、编码包序号在内的信息，发送到信道上，然后通知调度器喷泉编码器F_l工作完成，停止编码，等待下一次被选中；

步骤(7)当收到喷泉编码器F_l工作完成的通知后转至步骤(5)，对第j块数据做下一次支路选择并进行喷泉编码，直到所有第j块数据总的编码输出码率大于预设输出码率时转至步骤(8)；

步骤(8)令j＝j+1，并重复步骤(5～8)直到j＝d为止。

本发明所述权重a的序列可以为[L，L-1，L-2，...，2，1]或[L^β，(L-1)^β，...，1]，其中β为任意正数。

本发明的基于增量喷泉的信息分发方法其特征在于，所述方法是在接收端的数字集成电路芯片中依以下步骤实现的，***框图如图2所示：

步骤(1)将接收到的编码数据包送入与其层号相对应的喷泉译码器进行译码，L个译码器将输出L条支路的译码后数据，其中每个支路的数据均为分层编码后同一层的数据；

步骤(2)L条支路的输出经数据整合器重新排序，还原为分层编码的信源数据。

与传统的对数据不作处理进行分发或仅采用分层编码不带反馈进行分发相比，采用本发明提出的方法，在加入等量冗余数据并不带任何反馈的条件下，接收端可以获得更好的数据恢复效果，获得更多的有用信息，例如对于图像数据，本发明提出的方法可以获得更高的峰值信噪比(PSNR)。

附图说明

图1是本发明方法的发送端框图。

图2是本发明方法的接收端框图。

图3是本发明方法的流程图。

具体实施方式

本发明针对的是经过分层编码的信源。对于图像和视频来说分层编码的方法有很多种，比如针对图像可以通过小波变换，针对视频可以通过H.263/264的可扩展信源编码器来实现，详见文献(ITU-T H263，Video coding for low bit rate communication)。

本发明的基于增量喷泉的信息分发方法其特征在于，所述方法是在发送端的数字集成电路芯片中依以下步骤实现的：

D_{1}^{1}, D_{2}^{1}, \cdot \cdot \cdot, D_{L}^{1}, D_{1}^{2}, D_{2}^{2}, \cdot \cdot \cdot, D_{L}^{2}, \cdot \cdot \cdot, D_{1}^{d}, D_{2}^{d}, \cdot \cdot \cdot, D_{L}^{d},

其中上标表示原始数据块的序号j，下标表示所述每一个原始数据块中层的编号i，所述每一个原始数据块中的总层数为L，所述第j个原始数据块第i层的数据中，除了包含数据外，也以头信息的方式保存了各原始数据块分块号j、层号i、

的数据长度

以及总层数L；

步骤(2)所述数据分流器把输入的已分层编码的数据根据其层号分流为L个支路，每个支路的数据均为所述各原始数据块在分层编码后同一层的数据，其中，第i个支路的输出为：

数据的长度与分层后数据总长度的比例

后，按下式计算出不同块的L个调度参数，其中所述第j块第i层数据的调度参数

表示为：

p_{i}^{j} = \frac{a_{i} m_{i}^{j}}{Σ_{l = 1}^{L} a_{l} m_{l}^{j}}

其中i＝1，...，L，j＝1，2，...，d；

步骤(5)调度器在收到所述调度参数计算器输出的调度参数

后，依次按以下步骤控制所述各支路数据的发送比例，从而控制各支路数据的不同保护程度；

C_{p_{j}} (l) = \{\begin{matrix} 0, & l = 0 \\ Σ_{i = 1}^{l} p_{i}^{j}, & l = 1,2, . . ., L \end{matrix}

其中，表示第j块第i条支路数据的调度参数；步骤(5.2)产生一个服从[0，1]均匀分布的随机数r_j，若该r_j满足

则选中第l支路喷泉编码器F_l工作，而同时其它支路的喷泉编码器休眠；

步骤(8)令j＝j+1，并重复步骤(5～8)直到j＝d为止。

上述发送端结构中，重要性权重向量a的设置只要满足a₁≥a₂≥...≥a_L都是可行的，根据从数据头信息中提取出来的总层数L，可以将a设为[L，L-1，L-2，..，2，1]、[L^β，(L-1)^β，...，1]或[1，2^-β，...，L^-β]，其中β为任意正数。

喷泉编码器F_l可以采用LT码或Raptor码的编码方案。详见文献：Luby，M.：LT codes，Proc.43^rd Ann.IEEE Symp.on Foundations of Computer Science。

本发明的基于增量喷泉的信息分发方法其特征在于，所述方法是在接收端的数字集成电路芯片中依以下步骤实现的：

下面给出一个对于图像文件采用本方法进行分发的实例：

以标准测试图像“Baboon”为例进行说明。其像素为480×480，每个像素点8bit，数据不进行分块(分块数为1)，采用Daubechies小波进行小波分解，将原始图像数据分为L＝5层，各层数据长度分别为900、2700、10800、43200和172800，将分块号1、各层数据的层号、数据长度和总层数5这些分层编码参数以头信息的方式保存在输出数据流中。数据分流器根据从已分层编码的数据中提取出来的层号将其分流为5个支路，使得每个支路的数据均为分层编码后同一层的数据。数据分流器还将各层数据长度发送给调度参数计算器。调度参数计算器根据分流器提供的各层数据长度计算出数据比例向量m＝[0.0039，0.0117，0.0469，0.1875，0.75]，并设定各层数据的重要性权重分别为[L，L-1，L-2，...，2，1]，即a＝[5，4，3，2，1]，算出调度参数向量p＝[0.0146，0.0352，0.1056，0.2816，0.5631]。

预设输出码率为1，即不增加任何额外冗余度，信道删除率分别设为70％、50％和30％，则在数据不作处理进行分发(方法a)、只采用分层编码不带反馈进行分发(方法b)与本发明的方法(方法c)相比较在接收端恢复的图像的PSNR如下表所示：

表1.接收端恢复的图像的PSNR

可见通过对数据进行分层编码并依靠喷泉码对低层数据进行重点保护之后，尽管在信道恶劣的情况下会丢失很多高层数据，但携带最基本信息的低层数据被保留了下来，从而用户收到了最有价值的信息，通信的有效性得到了极大的提高。

具体的图像效果见附件。