KR20040071765A - Ｒｓ 코드들을 기초로 하여 포워드 에러 정정을 이용하는 비동등 에러 보호 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리드 솔로몬 코드들을 기초로 하여 포워드 에러 정정을 이용하는 비동등 에러 보호에 대한 새로운 방법을 제공한다. 본 발명은 다양한 중요도 레벨을 갖는 데이터 심볼들을 포함하는 데이터 패킷들에 적용된다. 그것은 그들의 중요도 레벨에 관계없이 모든 데이터 심볼들에 단일 RS 코드를 적용하지만, 과잉의 감소가 필수적인 경우, 에러 정정 패킷들을 형성할 때 더 낮은 중요도의 데이터 심볼들로부터 발생된 하나 또는 그 이상의 에러 정정 심볼들을 스킵하는데 있다.

Description

리드 솔로몬 코드들을 기초로 하여 포워드 에러 정정을 이용하는 비동등 에러 보호{Unequal error protection using forward error correction based on Reed-Solomon codes}

2002년 5월에 만료되며 참증 "draft=ietf-avt-uxp-01.txt"하에 IETF에 의해 공개된 인터넷 표준안 "An RTF Payload Format for Erasure-Resilient Transmission of progressive Multimedia Streams"는 점진적으로 엔코딩된 소스 스트림에 대한 비동등 에러 보호 방법(unequal error protection strategy)을 기술한다. 제안된 방법의 목적은 과잉으로 인한 부하(overhead)를 줄이는 것이다. 기술된 방법은 데이터를 다른 분류들로 분할하고, 각 분류에 대한 에러 정정 심볼들의 다른 수를 발생시키기 위해 각 분류에 대한 다른 리드 솔로몬 코드(Reed-Salomon code)를 적용하는 것을 포함한다.

그러한 방법은 특히 수신기 측에서 실행하기에는 복잡하다. 본 발명의 목적 중 하나는 실행하기에 덜 복잡한 엔코딩된 소스 스트림들에 대한 비동등 에러 보호 방법을 제안하는 것이다.

본 발명은 송신 에러들에 대비하여 데이터 패킷들을 보호하는 방법에 관한 것이며, 상기 데이터 패킷들은 다양한 중요도 레벨들을 갖는 데이터 심볼들을 포함한다.

또한, 본 발명은 그러한 방법을 실행하기 위한 명령들을 포함하는 프로그램에 관한 것이다.

본 발명은 또한 송신기 및 수신기를 포함하는 송신 시스템에 관한 것이며, 상기 송신기는 데이터 패킷들을 송신하도록 의도되며, 상기 데이터 패킷들은 다양한 중요도 레벨들을 갖는 데이터 심볼들을 포함한다.

또한, 본 발명은 다양한 중요도 레벨들을 갖는 데이터 심볼들을 포함하는 데이터 패킷들을 송신하도록 의도된 장치에 관한 것이다.

본 발명은 또한 데이터 패킷들 및 에러 정정 패킷들을 운반하는 신호에 관한 것이다.

본 발명은 인터넷과 같은 혼잡(congestion)이 일쑤인 네트워크를 경유하는, 및/또는 모빌 무선 네트워크들(mobile radio networks)과 같은 송신 에러가 일쑤인네트워크들을 경유하는, 비디오 송신 영역에서 특히 유용하다.

도 1은 본 발명에 따른 송신 시스템을 도시하는 개략도.

도 2는 RS 에러 정정 코드를 이용할 때, 에러 정정 패킷들 및 에러 정정 심볼들이 본 발명에 따라 발생되는 방법을 설명하는 다이어그램.

도 3은 본 발명에 따른 포워드 에러 정정 수단의 블록도.

도 4는 MPEG-4 표준의 데이터 분할 모드를 이용함으로써 엔코딩된 비디오 패킷들에 대한 본 발명의 실행을 설명하는 다이어그램.

청구항 제 1 항에서 청구된 바와 같은 송신 에러들에 대하여 데이터 패킷들을 보호하는 방법, 청구항 제 5 항에서 청구된 바와 같은 송신 시스템, 청구항 제 7 항에서 청구된 바와 같은 데이터 패킷들을 송신하도록 의도된 장치, 청구항 제9항에서 청구된 바와 같은 프로그램, 및 청구항 제 10 항에서 청구된 바와 같은 에러 정정 패킷들 및 신호 운송 패킷들에 대한 방법이 달성된다.

본 발명에 따르면, 동일한 에러 정정 코드는 발생된 데이터 심볼들의 중요도레벨에 관계없이 모든 에러 정정 심볼들을 발생시키는데 이용된다. 그러나, 발생된 데이터 심볼들은 하나 또는 그 이상의 중요도 레벨이 있다. 그러나, 낮은 레벨의 중요도를 갖는 데이터 심볼들로부터 발생된 하나 또는 그 이상의 에러 정정 심볼들은 과잉으로 인한 부하가 제한될 때 송신되지 않는다.

즉, 과잉으로 인한 부하가 제한될 때, 본 발명은 송신 이전의 초기 심볼 손실들을 도입한다. 이것은 본 발명은 낮은 레벨의 중요도를 갖는 데이터 심볼들에 대한 에러 정정 코드의 전체 용량을 이용하지 않음을 의미한다.

일반적으로 말하면, 단일 에러 정정 코드를 이용하는 것은 유리한데, 그 이유는 단일 에러 정정 코드가 송신기 측 및 수신기 측에서 실행을 단순화시키기 때문이다.

본 발명은 리드 솔로몬(RS) 에러 정정 코드가 이용될 때 특히 유리한데, 그 이유는 RS 코드들은 계산 능력의 관점에서 매우 값비싸기 때문이다. 본 발명은 수신기의 복잡성을 증가시키지 않고 비동등 에러 보호 및 RS 코드들의 이용을 결합시키는 것을 가능하게 한다. RS 코드들의 그러한 결합된 이용 및 비동등 에러 보호는 높은 품질의 송신이 인터넷 및/또는 모빌 라디오 네트워크들을 통해 기대될 때 특히 관심을 끈다.

본 발명은 요구되는 계산 능력의 제한이 에너지 절감을 유발하기 때문에, 모빌 수신기들에서 특히 관심을 끈다.

유리하게는, 선택 단계는 예를 들면, 송신 네트워크의 현재 패킷 에러율에서, 상기 네트워크의 현재 상태에 의존한다.

패킷들이 교환되는 네트워크들을 통한 데이터의 전송은 에러가 발생되기 쉽다. 인터넷과 같은 유선 네트워크들에서, 트래픽 폭주는 패킷 손실을 유발한다. UMTS 또는 GPRS 네트워크들과 같은 무선 네트워크들에서, 패이딩, 노이즈 및 간섭들은 수신기에서 비트 에러들을 발생시키며, 패킷 내의 하나의 잘못된 비트는 CRC 메카니즘들(Cyclic Redundancy Check)이 이용될 때 전체 패킷의 손실을 야기한다.

손실된 패킷들의 재송신은 특히, 오디오/비디오 대화식 응용들(conversational applications)과 같은 실시간 응용들에 대해서는, 항상 적절하거나 가능하지는 않다.

포워드 에러 정정(FEC)은 에러들에 대하여 데이터를 보호하기 위한 해결책으로 공지되었다. FEC는 송신에 앞서 오리지널 데이터에 과잉을 추가하는 것에 있다. 추가된 과잉은 손실된 패킷들을 회복하기 위해 수신기에서 이용된다.

FEC를 이용하는 송신 시스템의 일 예가 도1에 도시된다. 도 1을 참조하면,송신기 TX는 데이터 패킷들 DP_i을 전송하기 위한 데이터 소스 SS, 및 데이터 패킷들 DP_i로부터 에러 정정 패킷들 EP_j을 발생시키기 위한 포워드 에러 정정 수단 FEC를 포함한다. 예를 들면, 데이터 소스 SS는 MPEG-4 엔코더이다. 그들과 관련된 에러 정정 패킷들 EP_j과 함께 데이터 패킷들 DP_i는 송신 블록 TB을 형성한다. 송신 블록들은 송신 네트워크 NET를 통해 수신기 RX에 송신된다. 수신기 RX는 송신 중에 손실된 데이터 패킷들을 회복시키기 위한 데이터 패킷 회복 수단 RR을 포함한다(도 1의 제2 및 제3 데이터 패킷들). 상기 데이터 패킷 회복 수단 RR은 수신된 데이터 패킷들 및 회복된 데이터 패킷들을 데이터 목적지 DD(예를 들면, MPEG-4 디코더)에 전송한다.

포워드 에러 정정 수단은 에러 정정 코드를 이용한다. 리드 솔로몬 RS 코드들은 강력하며 유연한 코드들로 잘 알려져 있다. RS 정정 코드는 2개의 파라미터들(n, k)로 규정된다. 기본적으로, RS(n, k) 정정 코드는 k 심볼들의 데이터 워드들로부터 n 심볼들의 코드 워드들을 구성(즉, n-k 과잉 심볼들은 k 심볼들의 각 데이터 워드에 추가됨을 의미한다)하는 것에 있다. 그 다음, 추가된 과잉 심볼들은 에러 정정 심볼들이라 불린다. RS(n, k) 코드는 2t+p=n-k와 같이 t 에러들 및 p 삭제들(삭제는 공지된 위치의 에러이다)까지 정정할 수 있다.

RS(n, k)정정 코드를 이용하는 FEC 송신 구조에서, 송신 블록은 k 데이터 패킷들에 RS(n, k) 정정 코드를 적용함으로써 얻어진 (n-k) 에러 정정 패킷들 및 k 데이터 패킷들에 있다.

본 발명은 적어도 2개의 중요도 레벨들을 갖는 (또는 적어도 2개의 중요도 레벨들이 설립될 수 있는) 데이터 심볼들을 포함하는 데이터 패킷들에 적용하여, 그들의 중요도 레벨에 따라 데이터 심볼들에 다른 보호 레벨들을 관련시키는 것을 가능하게 한다. 단순함을 추구하기 위해, 아래에 기술된 예는 높은 중요도 또는 낮은 중요도의 2개의 레벨들을 갖는 데이터 심볼들에 관련된다. 이것은 한정되지는 않는다.

도 2는 에러 정정 심볼들과 에러 정정 패킷들이 본 발명에 따라 어떻게 발생되는지를 보여준다. 송신 블럭 TB은 k 데이터 패킷들 DP_i(i=1,...,k) 및 (n-k) 에러 정정 패킷들 EP_j(j=n-k,...,n)을 포함한다. 점선 L은 데이터 심볼들의 제 1 구획(P1)과 제 2 구획(P2)사이의 분리를 표현한다. 제 1 구획(P1)은 높은 중요도를 갖는 데이터 심볼들을 포함한다. 제 2 구획(P2)은 낮은 중요도를 갖는 데이터 심볼들을 포함한다. 제 2 구획(P2)은 더 낮은 보호를 받을 것이다. 점선 L의 위치는 요구되는 보호 레벨에 의존한다. 주어진 RS(n, k)코드에 대해, 큰 비율 P1/P2가 가장 크면 보호가 가장 높다.

단일 RS(n, k)코드는 데이터 심볼들이 속하는 구획에 관계없이 상기 k 데이터 패킷들 내의 동일한 랭크(rank) q(q=1,...,m이며, 여기서, m은 정수이다)의 k 데이터 심볼들(s_q,l,...s_q,k)의 각각의 세트에 대해 에러 정정 심볼들(s_q,(n-k),...s_q,n)의 세트(n-k)를 생성하는데 이용된다. k 데이터 심볼들(s_q,l,...s_q,k)의 세트 및 대응하는 에러 정정 심볼들(s_q,(n-k),...s_q,n)의 세트(n-k)는 n 심볼들의 코드 워드CW_q로구성된다.

그 뒤, (n-k) 에러 정정 패킷들이 생성되며, 각각의 에러 정정 패킷들은 m 에러 정정 심볼들(s_l,j,...s_m,j)로부터 발생되고, 여기서, j=n-k,...,n이다.

본 발명에 따르면, 구획 P2의 데이터 심볼들로부터 생성된 하나 또는 그 이상의 에러 정정 심볼들은, 적어도 과잉으로 인한 부하가 제한적일 때, 하나 또는 그 이상의 에러 정정 패킷들 내에 삽입되지 않는다. 도 2에 개시된 예에서, 구획 P2의 데이터 심볼들로부터 생성된 에러 정정 심볼들은 에러 정정 패킷들 EP_n및 EP_n-1내에 삽입되지 않으며, 이는 그 패킷들 EP_n및 EP_n-1이 더 짧다는 것을 의미한다.

도 3은 본 발명에 따른 포워드 에러 정정 수단의 개략적인 블록도를 제공한다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 포워드 에러 정정 심볼 수단 FEC은 선택 수단 SCT에 의해 제어되는 에러 정정 생성 수단 ECS, 및 에러 정정 패킷 생성 수단 ECP을 포함한다. 에러 정정 생성 수단 ECS은 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이 에러 정정 심볼을 생성한다. 선택 수단 SCT은 송신 네트워크를 통해 상기 에러 정정 패킷들의 송신의 관점에서 보면 에러 정정 패킷들 내에 삽입될 에러 정정 심볼들을 선택하기 위해 제공된다.

유리한 실시예에서, 선택 수단 SCT은, 상기 선택이 송신 네트워크의 현재 상태에 적응되도록, (예를 들면 RTCP 프로토콜을 경유하여) 네트워크를 통해 수신기 RX로부터 수신된 정보 I에 응답한다. 예를 들면, 상기 수신기는 에러율에 관련한정보를 보내고, 상기 선택은 과잉의 양이 에러율로 증가하도록 적응된다. 예를 들면, 이것은 점선 L을 이동시킴으로써, 또는 에러 정정 심볼들이 누락된 에러 정정 패킷들의 수를 수정함으로써 달성될 수 있다.

예를 들면, 본 발명은 MPEG-4 표준의 데이터 분할 모드(DP)를 이용함에 의해 엔코딩된 비디오 패킷들에 적용된다. 도 4는 인트라(Intra) 엔코딩 모드(엔코딩을 수행하기 위해 사전에 코딩된 파라미터들에 참조를 만들지 않는 파라미터들을 코딩하기 위한 모드)와 인터(Inter) 엔코딩 모드(예측을 구성하기 위해 사전에 코딩된 파라미터들을 이용하는 파라미터들을 코딩하기 위한 모드) 모두에 대한 그러한 비디오 패킷들의 표현을 제공한다. 도 4를 참조하면, I-VP는 인트라 모드로 엔코딩된 프레임과 관련한 비디오 패킷들을 규정하는 반면, P-VP는 인터 모드로 엔코딩된 프레임과 관련한 비디오 패킷들을 규정한다.

비디오 패킷들의 양(both) 타입들은 제1 블록 B1 및 제2 블록 B2을 포함한다.

I-VP 비디오 패킷들에 대해, 제1 블록 B1은:

- 리싱크로나이제이션 마커들(resynchronisation markers) RM,

- 헤더 HD

- DCT(이산코사인변환;Discrete Cosine Transform)의 DC 계수들 DC-C,

- 및 DC 마커 DC-M을 포함한다.

P-VP 비디오 패킷들에 대해, 제1 구획 P1은:

- 리싱크로나이제이션 마커들 RM,

- 헤더 HD,

- 모션 데이터(motion data) MD,

- 및 모션 마커 MM을 포함한다.

I-VP 및 P-VP 패킷들의 제2 블록 B2은 DCT의 AC 계수들 AC-C를 포함한다.

제1 블록 B1에 포함된 데이터는 제2 블록 B2에 포함된 데이터보다 디코딩 관점에서 더 중요하다. 실제로, 디코더는, 데이터가 헤더내에서 누락하거나 모션 데이터가 누락할 때 비디오 패킷을 디코딩할 수 없다. 그러나, 데이터가 블록 B2 내에서 누락하는 경우, 비디오 패킷들을 디코딩하는 것이 여전히 가능할 것이다.

그러한 MPEG-4 비디오 패킷들로, 도 2의 점선 L은 예를 들면, 모든 B1 블록들이 구획 P1에 전적으로 속하는 방식으로 위치된다. 블록들 B1 및 B2의 길이가 한정되어 있지 않기 때문에, 점선 L의 위치는 각 송신 블록에 대해 유리하게 계산된다. 그러므로, 송신 블록 TB의 모든 데이터 패킷들은 각 패킷 내에서 블록 B1의 단부를 만회하도록 분석(parse)되어야 한다. 블록들 B1의 단부가 항상 정열된 바이트(byte)는 아니기 때문에, 전선 L은 가장 긴 블록 B1이 종료되는 바이트의 단부에 배치된다.

그러한 MPEG-4 비디오 패킷들은 규정된 최대 크기보다 작은 변하기 쉬운 크기를 갖는다. 그러므로, RS 엔코딩 이전에, 패딩 비트들(padding bits)은 상기 규정된 최대 크기보다 작은 크기를 갖는 MPEG-4 비디오 패킷들의 단부에 추가된다. 유리하게는, 상기 패딩 비트들은 네트워크들을 통해 송신되지 않지만, 추가된 패딩 비트들의 수는 각 데이터 패킷에 대해 송신된다. 수신기 RX는 RS 디코딩을 적용하기 이전에 각 수신된 데이터 패킷에 대한 송신된 패딩 비트들이 수를 추가한다.

예를 들면, 데이터 패킷들 및 에러 정정 패킷들은 실시간 운송 프로토콜(RTP)을 이용함으로써 송신된다. 그러한 경우에, 데이터 패킷들은 IETF의 RFC 1889에 개시된 바와 같이 유리하게 만들어진다. 실예에서 보면, 에러 정정 패킷들은, 1998년 11월 3차에 제안되고 1999년 5월 2차에 만료된 J.Rosenberg 및 H.Shulzrinne에 의한 IETF 드레프트, "리드 솔로몬 코드들을 위한 RTF 패이로드 포맷(An RTP payload format for Reed Solomon codes)에 "개시된 바와 같이 만들어진다.

Claims (10)

1. 송신 에러들에 대해 데이터 패킷들을 보호하는 방법으로서, 상기 데이터 패킷들(DP_i)은 다양한 중요도 레벨들을 갖는 데이터 심볼들(s_q,jj=1,...k)을 포함하는, 데이터 패킷 보호 방법에 있어서,

   - 에러 정정 코드(RS(n,k))를 이용함으로써, 상기 데이터 심볼들의 중요도 레벨들에 관계없이, 상기 데이터 심볼들로부터 에러 정정 심볼들(s_q,jj=n-k,...,n)을 생성하기 위한 에러 정정 심볼들 생성 단계와,

   - 상기 에러 정정 심볼들로부터 에러 정정 패킷들(EP_j)을 생성하기 위한 에러 정정 패킷들 생성 단계와,

   - 상기 에러 정정 심볼들이 생성된 상기 데이터 심볼들의 중요도 레벨에 따라 상기 에러 정정 패킷들에 포함될 상기 에러 정정 심볼들을 선택하기 위한 선택 단계를 포함하는, 데이터 패킷 보호 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 에러 정정 패킷들 생성 단계는 k 데이터 패킷들로부터 (n-k) 에러 정정 패킷들을 생성하도록 의도되며, 에러 정정 패킷 내의 랭크 q의 에러 정정 심볼은 상기 k 데이터 패킷들 내의 랭크 q의 k 데이터 심볼들로부터 생성되며, 상기 선택 단계는 상기 (n-k) 에러 정정 패킷들 중 적어도 하나 내에 가장 낮은 중요도 레벨(들)을 갖는 데이터 심볼들로부터 생성된 적어도 에러 정정 심볼들을 포함하는 것을 허용하지 않는 것을 특징으로 하는, 데이터 패킷 보호 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   가변 상태를 갖는 네트워크를 통한 송신을 위해 이용되도록 의도되며, 상기 선택 단계는 상기 네트워크의 현재 상태에 의존하는 것을 특징으로 하는, 데이터 패킷 보호 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 에러 정정 코드는 체계적인 블록 코드인 것을 특징으로 하는, 데이터 패킷 보호 방법.
5. 송신기(TX) 및 수신기(RX)를 포함하는 송신 시스템에 있어서, 상기 송신기는 데이터 패킷들(DP_i)을 송신하도록 의도되며, 상기 데이터 패킷들은 다양한 중요도 레벨들을 갖는 데이터 심볼들(s_q,jj=1,...k)을 포함하며, 상기 송신기는,

   - 에러 정정 코드(RS(n,k))를 이용함으로써, 상기 데이터 심볼들의 중요도 레벨에 관계없이, 상기 데이터 심볼들로부터 에러 정정 심볼들(s_qjj=n-k,...,n)을 생성하기 위한 에러 정정 심볼들 생성 수단,

   - 상기 에러 정정 심볼들로부터 에러 정정 패킷들(EP_j)을 생성하기 위한 에러 정정 패킷들 생성 수단, 및

   - 상기 에러 정정 심볼들이 생성된 데이터 심볼들의 중요도 레벨에 따라 상기 에러 정정 패킷들 내에 포함될 상기 에러 정정 심볼들을 선택하기 위한 선택 수단을 포함하는, 송신 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 에러 정정 패킷들 생성 수단은 k 데이터 패킷들로부터 (n-k) 에러 정정 패킷들을 생성하도록 의도되며, 에러 정정 패킷 내의 랭크 q의 에러 정정 심볼은 상기 k 데이터 패킷들 내의 랭크 q의 k 데이터 심볼들로부터 생성되며, 상기 선택 단계는 상기 (n-k) 에러 정정 패킷들 중 적어도 하나 내에 가장 낮은 중요도 레벨(들)을 갖는 데이터 심볼들로부터 생성된 적어도 에러 정정 심볼들을 포함하는 것을 허용하지 않는 것을 특징으로 하는, 송신 시스템.
7. 다양한 중요도 레벨을 갖는 데이터 심볼들(s_q,jj=1,...k)을 포함하는 데이터 패킷들(DP_i)을 송신하도록 의도된 장치(TX)에 있어서,

   - 에러 정정 코드를 이용함으로써, 상기 데이터 심볼들의 중요도 레벨이 속하는 것에 관계없이, 상기 데이터 심볼들로부터 에러 정정 심볼들(s_qjj=n-k,...,n)을 생성하기 위한 에러 정정 심볼들 생성 수단,

   - 상기 에러 정정 심볼들로부터 에러 정정 패킷들(EP_j)을 생성하기 위한 에러 정정 패킷들 생성 수단, 및

   - 상기 에러 정정 심볼들이 생성된 데이터 심볼들의 중요도 레벨에 따라 상기 에러 정정 패킷들 내에 포함될 상기 에러 정정 심볼들을 선택하기 위한 선택 수단을 포함하는, 데이터 패킷 송신 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 에러 정정 패킷들 생성 수단은 k 데이터 패킷들로부터 (n-k) 에러 정정 패킷들을 생성하도록 의도되며, 에러 정정 패킷 내의 랭크 q의 에러 정정 심볼은 상기 k 데이터 패킷들 내의 랭크 q의 k 데이터 심볼들로부터 생성되며, 상기 선택 단계는 상기 (n-k) 에러 정정 패킷들 중 적어도 하나 내에 가장 낮은 중요도 레벨(들)을 갖는 데이터 심볼들로부터 생성된 적어도 에러 정정 심볼들을 포함하는 것을 허용하지 않는 것을 특징으로 하는, 데이터 패킷 송신 장치.
9. 프로세서에 의해 실행될 때, 제 1 항에서 청구된 바와 같은 방법을 실행하기 위한 명령들을 포함하는 프로그램.
10. 데이터 패킷들 및 에러 정정 패킷들을 운송하는 신호에 있어서,

    - (n-k) 에러 정정 패킷들의 세트는 k 데이터 패킷들의 세트에 대응하며,

    - 상기 데이터 패킷들은 다양한 중요도 레벨들을 갖는 데이터 심볼들을 포함하며,

    - 상기 에러 정정 패킷들은 에러 정정 심볼들을 포함하며, (n-k) 에러 정정 패킷들의 세트 내의 랭크 q의 에러 정정 심볼은 에러 정정 코드를 이용함으로써 상기 대응하는 k 데이터 패킷들 내의 랭크 q의 k 데이터 심볼을로부터 생성되며,

    - 에러 정정 심볼들 중 적어도 하나는 상기 에러 정정 패킷들 중 적어도 하나 내에서 누락하는 가장 낮은 중요도 레벨(들)을 갖는 데이터 심볼들로부터 상기 에러 정정 코드에 의해 생성되는, 데이터 패킷들 및 에러 정정 패킷들 운송 신호.