CN113242155A

CN113242155A - 一种数据包丢包的恢复方法、***及计算机可读存储介质

Info

Publication number: CN113242155A
Application number: CN202110342138.XA
Authority: CN
Inventors: 郭军勇; 孟庆晓; 吴闽华
Original assignee: Shenzhen Genew Technologies Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Genew Technologies Co Ltd
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2021-08-10

Abstract

本发明公开了一种数据包丢包的恢复方法、***及计算机可读存储介质，所述方法包括：发送方发送多个原始数据包、多个冗余数据包和前向纠错编码给接收方；在发送过程中，所述接收方监测是否出现网络丢包导致原始数据包和冗余数据包丢失；若出现原始数据包和冗余数据包丢失，所述接收方利用前向纠错根据成功接收到的原始数据包、冗余数据包和前向纠错编码恢复已丢失的原始数据包。本发明通过前向纠错可以恢复已丢包的原始数据包，还可以通过前向纠错的方法来发送有限的冗余信息来对包进行纠错，不需要增加带宽。

Description

一种数据包丢包的恢复方法、***及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及智能推送技术领域，尤其涉及一种数据包丢包的恢复方法、***及计算机可读存储介质。

背景技术

丢包(Packet loss)是指一个或多个数据数据包(packet)的数据无法透过网上到达目的地。丢包可能原因是多方面，包括在网上中由于多路径衰落(multi-path fading)所造成的信号衰减(signal degradation)，或是因为通道阻塞造成的丢包(packet drop)，再者损坏的数据包(corrupted packets)被拒绝通过，或有缺陷的网上硬件，网上驱动程序故障都可能造成丢包。此外，丢包也受信号的信噪比(SNR)的影响。丢包可能造成流媒体技术、VoIP、在线游戏和视频会议的抖动(jittering)，并会一定程度上影响到其他的网上应用。

目前为了解决丢包引起的语音问题大多数是通过发送冗余包的操作，比如在当前的语音包中把前面两个包的内容再发一次，这样就大大增加了带宽。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种数据包丢包的恢复方法、***及计算机可读存储介质，旨在解决现有技术中为克服丢包引起的语音采取的方式增加了带宽的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种数据包丢包的恢复方法，所述数据包丢包的恢复方法包括如下步骤：

发送方发送多个原始数据包、多个冗余数据包和前向纠错编码给接收方；

在发送过程中，所述接收方监测是否出现网络丢包导致原始数据包和冗余数据包丢失；

若出现原始数据包和冗余数据包丢失，所述接收方利用前向纠错根据成功接收到的原始数据包、冗余数据包和前向纠错编码恢复已丢失的原始数据包。

可选地，所述的数据包丢包的恢复方法，其中，多个所述冗余数据包通过前向纠错编码器根据多个原始数据包产生。

可选地，所述的数据包丢包的恢复方法，其中，所述冗余数据包使用异或操作从所述原始数据包派生出来。

可选地，所述的数据包丢包的恢复方法，其中，所述数据包丢包的恢复方法还包括：

所述发送方发送第一原始数据包、第二原始数据包、第三原始数据包、第一冗余数据包、第二冗余数据包和前向纠错编码给所述接收方；

若出现第三原始数据包和第一冗余数据包丢失，所述接收方利用前向纠错根据成功接收到的第一原始数据包、第二原始数据包、第二冗余数据包和前向纠错编码恢复已丢失的第三原始数据包。

可选地，所述的数据包丢包的恢复方法，其中，所述第一冗余数据包和第二冗余数据包通过前向纠错编码器根据所述第一原始数据包、第二原始数据包和第三原始数据包产生。

可选地，所述的数据包丢包的恢复方法，其中，所述第一冗余数据包和第二冗余数据包使用异或操作从所述第一原始数据包、第二原始数据包和第三原始数据包派生出来。

可选地，所述的数据包丢包的恢复方法，其中，所述前向纠错编码器根据所述发送方定义的编码规则在所述接收方恢复丢失的数据。

可选地，所述的数据包丢包的恢复方法，其中，所述前向纠错编码器通过发送有限的冗余信息来对原始数据包进行纠错。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种数据包丢包的恢复***，其中，所述数据包丢包的恢复***包括：发送方和接收方；

所述发送方发送多个原始数据包、多个冗余数据包和前向纠错编码给所述接收方；

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有数据包丢包的恢复程序，所述数据包丢包的恢复程序被处理器执行时实现如上所述的数据包丢包的恢复方法的步骤。

本发明中，发送方发送多个原始数据包、多个冗余数据包和前向纠错编码给接收方；在发送过程中，所述接收方监测是否出现网络丢包导致原始数据包和冗余数据包丢失；若出现原始数据包和冗余数据包丢失，所述接收方利用前向纠错根据成功接收到的原始数据包、冗余数据包和前向纠错编码恢复已丢失的原始数据包。本发明通过前向纠错可以恢复已丢包的原始数据包，还可以通过前向纠错的方法来发送有限的冗余信息来对包进行纠错，不需要增加带宽。

附图说明

图1是本发明数据包丢包的恢复方法的较佳实施例的流程图；

图2是本发明数据包丢包的恢复方法的较佳实施例中发生网络丢包后进行数据包恢复的示意图；

图3是本发明数据包丢包的恢复方法的较佳实施例中RTP包结构的示意图；

图4是本发明数据包丢包的恢复方法的较佳实施例中FEC包结构的示意图；

图5是本发明数据包丢包的恢复***的较佳实施例的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明较佳实施例所述的数据包丢包的恢复方法，如图1所示，所述数据包丢包的恢复方法包括以下步骤：

步骤S10、发送方发送多个原始数据包、多个冗余数据包和前向纠错编码给接收方；

步骤S20、在发送过程中，所述接收方监测是否出现网络丢包导致原始数据包和冗余数据包丢失；

步骤S30、若出现原始数据包和冗余数据包丢失，所述接收方利用前向纠错根据成功接收到的原始数据包、冗余数据包和前向纠错编码恢复已丢失的原始数据包。

其中，多个所述冗余数据包通过前向纠错编码器根据多个原始数据包产生。所述冗余数据包使用异或操作从所述原始数据包派生出来。

具体地，所述发送方发送第一原始数据包、第二原始数据包、第三原始数据包、第一冗余数据包、第二冗余数据包和前向纠错编码给所述接收方；在发送过程中，所述接收方监测是否出现网络丢包导致原始数据包和冗余数据包丢失；若出现第三原始数据包和第一冗余数据包丢失，所述接收方利用前向纠错根据成功接收到的第一原始数据包、第二原始数据包、第二冗余数据包和前向纠错编码恢复已丢失的第三原始数据包。

其中，所述第一冗余数据包和第二冗余数据包通过前向纠错编码器根据所述第一原始数据包、第二原始数据包和第三原始数据包产生。所述第一冗余数据包和第二冗余数据包使用异或操作从所述第一原始数据包、第二原始数据包和第三原始数据包派生出来。所述前向纠错编码器根据所述发送方定义的编码规则在所述接收方恢复丢失的数据。所述前向纠错编码器通过发送有限的冗余信息来对原始数据包进行纠错。

例如，如图2所示，前向纠错(FEC)根据发送方定义的编码规则在接收方恢复丢失的数据。原始的和冗余的数据信息都被传送到接收端。冗余数据是使用异或(XOR)操作从原始数据派生出来的：为给定的原始数据包生成一个奇偶校验包。FEC传输k个原始数据包(D)和额外的h个冗余奇偶校验包(P)。FEC编码器从三个数据包中产生两个冗余数据包(P1，P2)。如果丢失一个数据包(D3)和一个奇偶校验包(P1)，则接收方可以使用成功接收到的数据包D1、D2和P2来恢复数据包(D3)。

通用FEC的RTP有效载荷格式，本文档指定了基于XOR(奇偶校验)操作的通用前向纠错的有效载荷格式。发送方从媒体流中获取一组数据包，并跨有效负载和RTP报头应用XOR操作。结果是一个包含FEC信息的RTP包。由于FEC是作为一个单独的流发送的，没有实现FEC的接收器可以忽略FEC包。

进一步地，主要编码包括：

媒体包：媒体头和媒体有效载荷的组合；

媒体报头：媒体有效载荷的RTP报头；

媒体有效载荷：未经保护的原始用户数据。

二次编码包括：

FEC包：FEC报头和FEC有效载荷的组合；

FEC报头：FEC包中包含的报头信息；

FEC有效载荷：FEC包中的有效载荷。

奇偶校验码：将XOR操作符f(x，y，…)应用于包x，y，…以生成奇偶校验包。为了进行有效的重构，奇偶校验数据包应该由线性无关的数据包组合生成。例如:可以设计两个数据包上的一个奇偶校验包。

方案1：a b c d e，媒体流f(a，b)f(b，c)f(c，d)f(d，e)，FEC流可以设计一个单一的奇偶校验包超过两个和三个数据包，并发送只有FEC流。方案2：f(a，b)f(a，c)f(a，b，c)f(c，d)f(c，e)f(c，d，e)FEC流。

通过将FEC报头和FEC有效载荷放置到RTP有效载荷字段中来构造FEC包，如图3和图4所示。

FEC包中的rtp报头，P，X，CC，M：FEC运算(XOR)；FEC的PT:通过动态、带外方法确定。FEC序列号：先前包FEC序列号+1；FEC的时间戳：FEC包传输的瞬间时间；同步源(SSRC)：与它所保护的媒体流的SSRC值相同；信源(CSCR)：弃用。

FEC的头，长度恢复、PT恢复和时间戳恢复:由FEC操作(XOR)计算；sn base(N)：FEC保护的媒体包的最小序列号标题扩展；掩码：如果将24位掩码中的第i位设置为1，则序列号为N+i的媒体包与该FEC包相关联。FEC有效载荷:由FEC操作计算(XOR)。

固定前向纠错指的是RFC2733基础应用。此功能针对语音流和语音流中的传真/调制解调器组成的数据包：传真/调制解调器通过。主机将能够控制在生成FEC有效负载时使用的语音包的数量(最多连续16个包)。主机还将控制这些包中的哪些将用于生成FEC有效负载(16个连续包的8个可能组合)。FEC解码器将从输入流确定FEC设置。产生和接收FEC有效载荷的设置可能是不对称的。FEC流将与语音流一起包含，或作为单独的包流呈现。

带内：如果语音流包含FEC流，那么主语音流和FEC信息将使用RFC2198冗余音频格式组合。每个FEC有效载荷将与语音包一起包含在最后一个用于生成FEC有效载荷的语音包之后。这将为非fec链路以相同的包速率创建更大的包。

带外：如果将FEC流表示为单独的包流，则每个FEC有效载荷将在单独的RTP包中发送。FEC有效载荷包将使用不同的有效载荷类型值。每个FEC有效载荷包将在用于生成FEC有效载荷的最后一个语音包之后立即发送。这将创建一个更高的包速率相比，一个非fec链接。在RFC2733 FEC方案中，并不是所有的原始语音包都需要传输。如RFC2733中的方案2所示，仅FEC有效载荷就可用于重新生成所有原始语音包。其他方案是可能的，其中只有一定数量的原始语音数据包被发送。这个实现将提供一个位掩码来指示当前包范围内的每个原始语音包是应该传输还是丢弃。请注意，丢弃太多的原始语音包会使接收端无法恢复包流。这就是为什么丢弃的数据包/FEC有效载荷的无效组合会导致设备返回错误代码的原因。RFC2733[1]被写得尽可能的通用，因此可以使用几乎无限数量的可能的FEC方案。这个实现应该能够解码所有可能的FEC组合，它可以产生，但不能保证能够解码的FEC组合，它不能产生自己。任何不能被解码的FEC组合都会导致这种情况下的FEC信息被忽略。它不会影响原来的语音包的播放，也不会引起任何不想要的副作用(如播放失速或通道下降)。无法生成或解码的显著案例包括:

由序列号差为16或更多的数据包(有效的数据包跨度为16个连续的数据包)创建的fec有效载荷。

任何时候超过7个不同的FEC有效载荷组合(即，如果一个新到的FEC有效载荷允许恢复一个新的语音包，那么只有之前的7个FEC有效载荷会被检查，看看是否有任何其他包可以通过级联效应恢复)。这相当于在任何时间处理8个单独的FEC有效载荷。此外，以下FEC案例无法生成，但可以解码：

FEC序列，其中包跨或FEC有效载荷产生变化，在FEC生成。

FEC序列，其中FEC有效载荷在用于生成FEC有效载荷的最终语音包之前传输(例如RFC2733中的方案1)。通过RPPH命令(或JBOPT)设置抖动缓冲区的任务留给主机。强烈建议最低抖动缓冲区设置大于包跨乘以帧大小，以确保任何丢失的数据包,可以恢复到未来的FEC的有效载荷将目前没有通过播放的时间恢复。

智能前向纠错：由于固定FEC的实现表现出一些性能弱点，提出了一些针对固定FEC的增强，以优化FEC错误恢复。

FEC恢复功率因数：FEC掩码是定义FEC错误恢复能力的关键组件。实际上，某些掩码组合可能导致一些较差的恢复，甚至导致无法解决的***，这将极大地影响错误恢复。提出了一种在给定FEC设置下[0，100]％范围内计算恢复功率的方法。方法:-排序所有的损失纠错率对应的FEC配置。计算每宗个案的可能回收率。提供总损失除以总回收率的比率作为FEC回收率。FEC恢复功率因数接近1时恢复能力较强，而小于50％时恢复性能较差。FEC恢复功率因数将有助于确定有效的FEC掩模。由于这种计算相当耗费Mips，因此它可能不能用于实时***，而是用作外部工具。这可以外推到一个方法优化FEC掩码与跨和包速率开销。然而，第一次调查提出了一些非常复杂的计算。需要更多的调查。

FEC恢复标准：根据用户对通过网络发送的数据包的选择，以及对FEC编码/解码的数据包的选择，FEC算法可能会遇到无法解决的数学***情况。这种阻塞限制完全影响了FEC的编码/解码效率。提出了一个准则，允许从FEC配置知道，如果反演所实现的FEC***是可能的或不。

这一标准概述如下:ms:矩阵表示发送过程。mf:表示FEC过程的矩阵。m:表示发送和FEC过程的矩阵。Vp＝语音包向量：dim(Vp)＝[Np,1]；标准:Rank(M)＝Trace(Ms)+Rank(Mf)＝Np；当固定的FEC实现可能导致无法解决的问题时，新FEC标准允许知道FEC进程将发生反转，从而能够恢复丢失的数据包。

FEC高阶恢复：根据丢失的发生情况，定期固定的FEC恢复(丢失一个数据包/需要恢复一个FEC数据包)可能会受到限制。事实上，当太多的数据包丢失时，一阶恢复是达不到目的的。建议把代数***移到“秩-n”子***中，直到它成为可解的。为了在降秩***中工作，我们使用矩阵分解。因此，能够恢复一些固定fec无法恢复的包。

自适应FEC：如前所述，实现FEC的代价是增加通信带宽。为了解决这一问题，提出了一种自适应FEC[4]，它根据数据的重要性来调节其错误恢复能力(以及带宽消耗)。自适应FEC根据恢复需要实时改变FEC掩模。提出了一个自适应FEC，有三种风格，但它可以由用户定义。高错误校正:强FEC的关键阶段需要最好的恢复。介质误差校正:对于需要正常恢复的介质相位，定期FEC。低错误校正:轻FEC为次要阶段需要光恢复。

自适应FEC传真通过：高误差校正:信令:V21 Hdlc传真控制消息。传真控制阶段是推动传真交换的关键阶段。在这些阶段的失败可能导致挂起，然后显著降低传真成功率(FSR)。资料:传真页末。中误差校正：传真调制页面。内部传真机线路补偿可以弥补一些缺失的小页片。这导致传真机不挂了。低误差校正：沉默阶段。

语音自适应FEC：高误差校正:帧具有高音频能量信号。与DTMF框架。中误差校正:帧与过渡语音信号。低误差校正沉默。

调制解调器自适应FEC通过：高误差校正:信号:调制解调器控制阶段(ANSAM，…)是关键阶段，因为它们驱动调制解调器数据交换。在这些阶段的失败可能导致挂起，然后显著降低现代成功率(MSR)。中误差校正：一些数据阶段。低误差校正:沉默。

自适应FEC:一些结果一些自适应FEC测试显示，在语音或传真通过的信号严重损失情况下，具有很强的恢复性能，使用FEC后的技术效果：普通的语音通话，在不使用FEC功能，在丢包率0％、10％,20％、30％的语音质量是4.35、2.77、2.29、1.86，而打开FEC，对应丢包率的语音质量是4.35、4.34、4.32、3.63.可见打开FEC后语音质量随丢包率的增加下降缓慢；同样，对传真也是效果显著，在20ms G711，丢包率8％的丢包率的情况下，关闭FEC功能，传真成功率为0，而打开FEC成功率有99.08％。在网络拥塞的情况下，可能会丢失大量的数据包。然后，在最大可能的FEC恢复之后，一些隔离的数据包无法恢复。

在传真通过的情况下，这将对应于一个模拟信号间隔时间，对应于绝对丢失的包有效载荷。传真可能会在关键阶段出现这种缺口。这种影响也适用于调制解调器通过连接成功，以及语音Pesq测量。研究了一个“缩放”自适应FEC工作在亚粒度，而不是完整的数据包有效载荷。因此，当一个包肯定会丢失时，丢失的包将分散在恢复的包中，而不是集中在一个包中。

G.711 20毫秒在突发丢失的包导致一个肯定丢失的包。自适应FEC：线路上信号间隙为20ms。这台受影响的传真机大部分都挂了。

比例自适应FEC:比例/4。线路上的信号间隔为5ms x 4，分布在恢复的数据包中。大多数传真机可以传递超过5毫秒的无信号。这个5毫秒的小差距也可以通过内部编解码器技术或数据预处理来隐藏。

重新协商自适应FEC:发起端和远程端可以交换网络统计数据(通过协议RTCP)，允许双方根据当前的网络损伤调整各自的FEC恢复。

进一步地，如图5所示，基于上述数据包丢包的恢复方法，本发明还相应提供了一种数据包丢包的恢复***，所述数据包丢包的恢复***包括：发送方和接收方；所述发送方发送多个原始数据包、多个冗余数据包和前向纠错编码给所述接收方；在发送过程中，所述接收方监测是否出现网络丢包导致原始数据包和冗余数据包丢失；若出现原始数据包和冗余数据包丢失，所述接收方利用前向纠错根据成功接收到的原始数据包、冗余数据包和前向纠错编码恢复已丢失的原始数据包。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储有数据包丢包的恢复程序，所述数据包丢包的恢复程序被处理器执行时实现如上所述的数据包丢包的恢复方法的步骤。

综上所述，本发明提供一种数据包丢包的恢复方法、***及计算机可读存储介质，所述方法包括：发送方发送多个原始数据包、多个冗余数据包和前向纠错编码给接收方；在发送过程中，所述接收方监测是否出现网络丢包导致原始数据包和冗余数据包丢失；若出现原始数据包和冗余数据包丢失，所述接收方利用前向纠错根据成功接收到的原始数据包、冗余数据包和前向纠错编码恢复已丢失的原始数据包。本发明通过前向纠错可以恢复已丢包的原始数据包，还可以通过前向纠错的方法来发送有限的冗余信息来对包进行纠错，不需要增加带宽。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的计算机可读存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的计算机可读存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种数据包丢包的恢复方法，其特征在于，所述数据包丢包的恢复方法包括：

2.根据权利要求1所述的数据包丢包的恢复方法，其特征在于，多个所述冗余数据包通过前向纠错编码器根据多个原始数据包产生。

3.根据权利要求2所述的数据包丢包的恢复方法，其特征在于，所述冗余数据包使用异或操作从所述原始数据包派生出来。

4.根据权利要求1所述的数据包丢包的恢复方法，其特征在于，所述数据包丢包的恢复方法还包括：

5.根据权利要求4所述的数据包丢包的恢复方法，其特征在于，所述第一冗余数据包和第二冗余数据包通过前向纠错编码器根据所述第一原始数据包、第二原始数据包和第三原始数据包产生。

6.根据权利要求5所述的数据包丢包的恢复方法，其特征在于，所述第一冗余数据包和第二冗余数据包使用异或操作从所述第一原始数据包、第二原始数据包和第三原始数据包派生出来。

7.根据权利要求1所述的数据包丢包的恢复方法，其特征在于，所述前向纠错编码器根据所述发送方定义的编码规则在所述接收方恢复丢失的数据。

8.根据权利要求1所述的数据包丢包的恢复方法，其特征在于，所述前向纠错编码器通过发送有限的冗余信息来对原始数据包进行纠错。

9.一种数据包丢包的恢复***，其特征在于，所述数据包丢包的恢复***包括：发送方和接收方；

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有数据包丢包的恢复程序，所述数据包丢包的恢复程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的数据包丢包的恢复方法的步骤。