CN105991226B - 一种基于不等差错保护的前向纠错方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于不等差错保护的前向纠错方法，该方法将待编码的媒体内容进行分级，赋予不同的重要性，再结合信道状况和用户体验，采用复制扩展窗喷泉码对不同重要性的数据进行保护，在实现最大限度保证媒体内容可靠传输的同时，减少了FEC机制的引入造成的数据冗余，可显著降低现有FEC***过度编码造成的数据拥塞。

Description

一种基于不等差错保护的前向纠错方法

技术领域

本发明涉及多媒体传输技术领域，更具体地，涉及一种基于不等差错保护(UEP)的前向纠错机制。

背景技术

在异构网络媒体服务***中，内容通过因特网协议或广播协议分发到终端，因特网中使用TCP/IP或UDP报文来传输媒体数据，广播通过MPEG 2-TS来传输内容。相对于普通的语言或数据，图像与视频传输，特别是高清视频传输或立体视频传输需要更多的传输带宽；同时，由于在信源编码过程中对图像和视频信息进行了大量的压缩，其信息的冗余量大大减小，使得视频信息或立体视频信息在传输过程中对信道噪声非常敏感。如何提高图像和视频的传输质量，降低误码率，是多媒体通信领域的关键问题。

FEC(Forward Error Correction，前向纠错)技术是一种广泛应用于通信***中的编码技术。通过服务器端对媒体数据进行纠错编码，加入冗余信息一并发送，终端进行反向FEC解码，对丟失的报文进行恢复。FEC处理是以冗余开销代价来降低***的误码率的，过度FEC编码对***实时性和网络状态也会造成压力。

在ISO-23008-1/10/13标准中，传统的FEC结构对于所有信息统一进行编码，对于用户信息没有区分，对于混合内容或者混合网络下分发不适合。为此，人们提出了两层编码结构，如附图1所示。第一层将source packet block分为较多的小块分别做FEC保护，第二层是一个整块做FEC保护。第一层划分较细致可以提供较小的时延，第二层保证了恢复性能和较小的冗余。这在一定程度上解决了问题：对于信道性能较差的用户(GroupB)，两层结构确实提高了恢复性能，但时延较大。对于信道性能较好的用户(GroupA)，不一定是做FEC1，越小的分包带来越小的时延。但媒体内容重要不同未被考虑。

不等差错保护(Unequal Error Protection，UEP)是联合信源信道编码的一种。其核心思想是，依据码流的各部分数据的重要性不同，对各部分数据采用不同的信道保护机制，即对重要码流进行重点保护。尽管UEP降低了非重要码流的抗噪声性能，但有利于***抗误码总体性能的提升。

作为一种前向纠错编码技术，数字喷泉码(Digtial Fountain Code)在传输过程中，不需要反馈及自动重发机制，避免了信号往返的延时以及广播应用中的反馈***问题。数字喷泉的基本思想是：发端将原始数据分割成k个数据符号，对这些数据符号进行编码，输出一个任意长度的编码符号码流，接收端只需正确地接收n(n稍大于k)个编码符号就可以很大的概率恢复出所有的k个数据符号。

数字喷泉码本身就具有UEP性能，可以实现对不同重要性的数据的保护。相比与传统的固定码率的信道编码方法，数字喷泉码具有以下明显的优势：

1、理想的可扩展性。由于单向广播没有反馈，发送方不受用户数量增长的任何影响。使得发送方能够为任意数量的用户提供服务。

2、适应时变信道，高效利用信道容量。用户的译码性能与信道的删除概率和带宽无关。当信道丢包率较高、状况不好时，不会对接收端的译码造成影响，即接收端接收足够数量的编码数据就可以正常译码，具有更强的适应性。

3、编译码复杂度低。在理想情况下，喷泉码生成每个编码符号具有线性编译码复杂度，有利于简化收发端编译码器的设计和软件化实现。

4、对异质用户的适用性能良好。喷泉码的***率特性使得具有不同丢包率或带宽的用户之间互不影响，优质用户不受劣质用户牵制。除此之外，数字喷泉码可以支持中断续传、异步接入等多种服务模式。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于不等差错保护的前向纠错方法，从而解决目前FEC***中实时性好，而准确性差，准确性好而实时性差，以及过度FEC编码造成的数据拥塞问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于不等差错保护的前向纠错方法，该方法将媒体内容进行分级，并赋予不同的重要性，再结合信道状况和用户体验，采用本身就具有不等差错保护性能的数字喷泉码对不同重要性的数据进行保护。

进一步的，所述方法在与媒体处理单元(MPU)一同传输的信令信息中加入不等差错保护标志位。

进一步的，所述方法加入专门的指示字段，可以提供更多个性化的保护方案。更进一步的，所述专门的指示字段加在MFU包头前。

进一步的，所述方法将媒体内容进行分级，并赋予不同的重要性，然后利用信令和指示字段控制，采用具有UEP性能的D-EWF码。

进一步的，所述方法在与媒体处理单元(MPU)一同传输的信令信息中加入不等差错保护标志位，同时加入专门的指示字段，以形成更多个性化的保护方案。

较优地，通过引入扩展因子，虚拟扩展度分布范围，结合D-EWF码(Duplication-Expanding Fountain Codes，D-EWFC)的窗技术，将虚拟扩展得到的数据进行分窗，同时各个窗分别采用优化的鲁棒孤波分布进行LT码，实现对重要性数据的加强保护。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

采用了本发明的技术方案，可以针对目前FEC***中过度编码造成的数据拥塞，通过对媒体内容进行分级，赋予不同的重要性，利用信令和/或指示位控制，采用具有不等差错保护(UEP)性能的复制扩展窗喷泉(D-EWF)码，实现最大限度保证媒体内容质量的同时，减少FEC造成的极大的数据量。

附图说明

通过阅读、参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是MMT中针对媒体资源的FEC两层结构；

图2是一个通用的MPU组成部分及各部分的重要性示意图；

图3是改进的MMT AL-FEC发送端架构图；

图4是D-EWF码编码框图；

图5是D-EWF码编码流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示：MMT中针对媒体资源的FEC两层结构，第一层将source packet block分为较多的小块分别做FEC保护，第二层是一个整块做FEC保护。第一层划分较细致可以提供较小的时延，第二层保证了恢复性能和较小的冗余。图中P1、P2分别是FEC编码器1、2生成的修复符号块。

如图4所示：具体考虑传输信源数据具有两个重要等级的情况。将信源K个数据，按重要性分为2个重要性等级，即s₁、s₂。设s₁为最重要部分MIB(Most ImPortant Bits,最重要信息比特)，s₂为最不重要部分LIB(Least ImPortant Bits，最不重要数据比特)。

实施例一：

本实施例以MMT传输协议为例

MMT方案中，MPU包下的MFU包拥有不同的重要性，缺少不等差错的保护，这样就不能设定个性化的传输方案。在MMT的包中，不同重要程度内容是可以区分开的(有指示标志)如附图2。然而编码中并没有涉及到不等差错的保护，虽然图1所示的两层编码方案和LA-FEC在一定程度上可以实现不等差错保护，但是灵活性低，复杂度高。尤其对于变化的信道状况和具有不同特征(如缓存不同)的接收用户，现有两种方式均存在冗余大，适应性差，只能针对单一状况，无法从用户体验考虑等问题。

解决方式：

1如果想更个性化的方案，随着信道质量改变保护方案，根据用户特征来定制，那么则需要加入专门的指示字段。由于不同的MFU有不同的重要性，则在MFU包头前加入指示，可以做更多个性化的保护方案。

如图3所示，是改进的MMT AL-FEC发送端架构，主要修改了MMT协议中流化后的输出，把数据流传输到源缓冲区，根据标识位指示的不同内容的重要程度进行D-EWF编码。

发送端架构如附图3所示。

发送端流程：

a)服务器端根据媒体资源生成MMTP流和信令；

b)把MMT负载传递到FEC机制，根据标识位中对内容重要性的区分，采用D-EWF码进行不等差错保护；

c)D-EWF码编码完后，返回相应的修复字符以及FEC数据负载标识和源数据负载标识；

d)所有的修复字符打包成FEC修复包，发送到传输层。

通过信令识别FEC流以及采用的FEC编码结构和D-EWF码，为了支持这种机制，本实施例中对信令中的FEC_FLOW_DESCRIPTOR字段做了如下修改：

本实施例调整修改了fec_flow_descriptor字段顺序和定义，并且利用一个reserved字段来指示UEP机制的引入。修改后number_of_assets指示所有进行FEC的媒体资源，packet_id是每个相应媒体资源的标识，number_of_fec_flows指示每一个媒体资源对应多少个FEC流，即分多少级。针对一个媒体资源的不同重要性部分，采用本身就具有UEP性能的复制扩展窗喷泉码(D-EWF)进行保护。服务端可以根据用户网络状态动态地调整D-EWF的编码强度，收端收到信令后，根据相应的指示恢复媒体资源。在网络带宽和用户体验间取得一个平衡点。

2针对不同重要性程度的媒体内容，采用复制扩展窗喷泉码对重要媒体内容加强保护，其具体实施过程如下：

考虑传输信源数据具有两个重要等级的情况。如图2所示，将信源K个数据，按重要性分为2个重要性等级，即s₁、s₂。设s₁为最重要部分MIB(Most ImPortant Bits,最重要信息比特)，s₂为最不重要部分LIB(Least ImPortant Bits，最不重要数据比特)，π₁、π₂分别为s₁、s₂占总数据比重，s₁、s₂对应数据长度分别为k₁＝π₁·K，k₂＝π₂·K，其中π₁+π₂＝1。

对得到的两层数据，按扩展因子ψ₁、ψ₂进行扩展，得到虚拟扩展层数据：s₁'、s₂'，其中k₁'、k₂'代表s₁'、s₂'数据符号长度k₁'＝k₁·ψ₁、k₂'＝k₂·ψ₂。虚拟扩展数据的比重用γ₁、γ₂来描述，虚拟扩展层数据总和：K'＝k₁'+k₂'。

将虚拟扩展层数据s₁'、s₂'划入2个窗中，即W₁＝s₁'、W₂＝s₁'+s₂'，W₁的虚拟总数据为k₁'，W₂的虚拟总数据为|W₂|＝K'。将第一个窗W₁的度分布从k₁增大到k₁'，第二个窗W₂的度分布从K增大到K'，采用鲁棒孤波度分布Ω_rs(k,c,δ)，其概率分布分别为：

其中，c＞0，k为数据符号个数，δ是译码失败的概率。设c＝0.1，δ＝0.5，对W₁，W₂分别采用鲁棒孤波度分布函数设第一个窗W₁的选择概率为Γ₁，W₂的选择概率为Γ₂＝1-Γ₁。

在划分窗口之后，进行LT编码中的索引替换过程：随机生成一个数ξ，当0＜ξ≤Γ₁即选择第1个窗W₁时，由度分布Ω⁽¹⁾产生度d₁，从W₁虚拟数据中随机选择d₁个数据。j代表W₁虚拟数据k₁·ψ₁中的索引，j∈{0,…,k₁·ψ₁-1}，m代表原始k₁的索引m∈{0,…,k₁-1}，通过下列转换，由j得到索引m＝j mod k₁，0≤j≤k₁·ψ₁-1；

当Γ₁＜ξ≤1即选择第2个窗W₂时，由度分布Ω⁽²⁾产生度d₂，从W₂虚拟数据中随机选择d₂个数据。j代表W₂虚拟数据(k₁·ψ₁+k·ψ₂)₂中的索引，j∈{0,…,k₁·ψ₁+k₂·ψ₂-1}，m代表原始k₂的索引m∈{0,…,K-1}，通过下列转换，由j得到索引m：

索引m得到原始符号进行异或操作，得到编码码字，重复上述过程，直至得到足够的编码码字。图5给出了D-EWF码编码流程。

上述解决方式的优势：

1资源的节省，如果在接收端，人为的根据情况舍弃已经接收的媒体内容，则造成了传输资源的浪费，上述方案从源端解决问题，让重要性较低的媒体内容在传输过程中受到的保护程度较低，将更多地带宽资源分配给重要的内容，而更大程度的保护了重要的内容。

2个性化的传输方案。视频传输应该是基于用户体验的，通过改变重要和不重要媒体内容的D-EWF编码强度，做更细致的不等差错保护就可以针对用户状况，如视觉体验、缓存状况等。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于不等差错保护的前向纠错方法，其特征在于，该方法将媒体内容进行分级，并赋予不同的重要性，再结合信道状况和用户体验，采用本身就具有不等差错保护性能的数字喷泉码对不同重要性的数据进行保护；

所述方法将媒体内容进行分级，并赋予不同的重要性，然后利用信令和指示字段控制，采用具有UEP性能的复制扩展窗喷泉码；

所述方法针对MMT AL-FEC发送端架构，发送端流程为：

a)服务器端根据媒体内容生成MMTP流和信令；

b)把MMT负载进行FEC处理，根据标识位中对内容重要性的区分，采用D-EWF码进行不等差错保护；

c)D-EWF码编码完后，返回相应的修复字符以及FEC数据负载标识和源数据负载标识；

所有的修复字符打包成FEC修复包，发送到传输层。

2.根据权利要求1所述的基于不等差错保护的前向纠错方法，其特征在于，所述方法在与MPU包一同传输的信令信息中加入不等差错保护标志位。

3.根据权利要求2所述的基于不等差错保护的前向纠错方法，其特征在于，所述方法加入专门的指示字段。

4.根据权利要求3所述的基于不等差错保护的前向纠错方法，其特征在于，所述专门的指示字段加在MPU包中的MFU包头前。

5.根据权利要求1所述的基于不等差错保护的前向纠错方法，其特征在于，所述方法通过信令识别FEC流以及采用FEC编码结构和D-EWF码，修改信令中的FEC_FLOW_DESCRIPTOR字段：原来的信令仅仅支持一个FEC流中复用多个媒体资源的修复信息，现增加一种针对一个媒体资源的不同重要性部分，分别进行FEC的信令控制；服务端根据用户网络状态动态地调整媒体资源D-EWF码编码强度，在网络可用带宽和用户体验间取得一个平衡点。

6.根据权利要求1-4任一项所述的基于不等差错保护的前向纠错方法，其特征在于，所述方法通过引入扩展因子，虚拟扩展度分布范围，结合D-EWF码的窗技术，将虚拟扩展得到的数据进行分窗，同时各个窗分别采用优化的鲁棒孤波分布进行LT码，实现对重要性数据的加强保护。