CN101938334A - 随机网络编码和自动重传请求联合的自适应差错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络编码和自动重传请求联合的自适应差错控制方法，该方法在源发送端和目标接收端间建立数据传输链路，视频传输源节点对获取的视频数据分成若干块，每块视频数据中含有h个数据包，将每个数据块中的数据包进行随机网络编码生成编码数据包发送出去。目标接收节点对接收的编码数据包进行网络编码解码，再判断接收的编码数据包是否被恢复成原始数据块，发送反馈信息包给视频源节点，要求源节点根据反馈信息，调节发送编码数据包个数，实现传输链路自适应性差错控制。该方法能根据当前网络链路的条件，发送节点通过调节发送的编码包个数，现实网络的无差错传输；减少数据传输的冗余，节约网络资源，提高整个网络的传输可靠性。

Description

随机网络编码和自动重传请求联合的自适应差错控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种随机网络编码和自动重传请求(ARQ)联合的自适应差错控制方法，主要是通过多媒体视频网络中自动重传请求(ARQ)估计网络链路状态，利用网络编码技术来实现传输链路的可靠传输。

技术背景

与传统数据网络相比，多媒体视频网络中可以采集、处理大量的视频数据，能够获取信息量丰富的视频、图像等多媒体信息，使得整个网络系统可以提供更加丰富的服务种类。这些应用对现有宽带多媒体网络的承载能力提出了挑战。如何保证视频传输质量和提高网络传输的可靠性是视频传输网络重要的研究热点。

受信道时变和突发错误的影响，网络传输可靠性一直制约着多媒体视频网络的发展。主要的通信网络传输错误是由传输丢包所造成的，传统的传输差错控制主要有以下两种方式：自动重传请求(ARQ)和前向纠错(FEC)。ARQ是采用反馈重传机制，源端的发送节点在收到反馈信息后来决定是否重发数据，这样的重传机制不能适应视频这类时间敏感性强的数据传输。FEC则是加入冗余数据包来解决网络丢包问题。显然，在源节点加入的冗余信息包越多，目的节点越能成功恢复原始数据包。但是当网络中链路丢包率很低时，加入过多的冗余信息包势必会造成网络资源的浪费。FEC大多数被运用在每条链路上，为了实现整个过程的无错传输，中继节点都需要完成视频数据的解码和编码，这种功率消耗很大，不能被应用到大规模的多媒体视频网络中，尤其是在无线传感器网络中。另外FEC的纠错机制一旦选定了某种或几种编码码字就不能随意改变，不能自适应性调节FEC码字进行网络纠错。

发明内容

本发明的目的在于针对如何提高目前多媒体视频网络传输可靠性问题，提供了一种随机网络编码和自动重传请求联合的自适应差错控制方法，该方法能提高整个多媒体视频网络传输的可靠性。

为达到上述目的，本发明的构思是：在源发送端和目标接收端间建立数据传输链路，视频传输源节点对所获取的视频数据分成块，每块视频数据中含有h个数据包，将每个数据块中的数据包进行随机网络编码生成编码数据包发送出去。目标接收节点对所接收的编码数据包进行网络编码解码，再判断所接收的编码数据包是否被恢复原始数据块，并发送反馈信息包给视频源节点，上述的反馈信息包为ACK确认信号或NACK请求信号，要求源节点根据反馈信息包，实现传输链路状态的自适应性差错控制。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种随机网络编码和自动重传请求联合的自适应差错控制方法，该方法具体步骤如下：

步骤1：初始化，源节点采集视频数据，并将视频数据分块，每块数据包含h个数据包，依次发送每个数据块；

步骤2：源节点对数据块中的数据包进行随机网络编码，将h个数据包编码生成n个编码数据包；

步骤3：源节点通过传输链路发送编码数据包；

步骤4：目的节点接收到源节点发送来的h′个编码数据包，进行解码恢复原始数据，判断接收到的数据包h′个数是否大于解码所需数据包h个数，即，是否满足h′≥h？若达到，即，h′≥h，则转至步骤5，若未达到，即，h′＜h，转至步骤9；

步骤5：目的节点发送反馈信息包给源节点，反馈信息包为ACK确认信号，并告之目的节点接收到的编码数据包个数；

步骤6：源节点收到反馈信息包，反馈信息包为ACK确认信号，判断数据块是否发送完毕？若数据块没有发送完毕，则继续发送下一个数据块，若数据块发送完毕，否则结束发送；

步骤7：源节点计算连续收到反馈信息包个数，反馈信息包为ACK确认信号，判断收到ACK确认信号个数是否超过预设门限个数m？若ACK确认信号个数未超过预设门限个数m，则保持发送上一次发送的编码数据包个数，转至步骤2，请求继续发送数据，若ACK确认信号个数超过预设门限个数m，则转步骤8，请求减少发送编码数据包个数；

步骤8：源节点根据ACK信号反馈的链路状态，要求减少发送的编码数据包个数n＝n·h/h′，清零ACK确认信号计数，转至步骤2，请求继续发送数据；

步骤9：目的节点发送反馈信息包给源节点，反馈信息包为NACK请求信号，并告之目的节点接收到的数据包h′个数，要求增加发送编码数据包个数；

步骤10：源节点收到反馈信息包，反馈信息包为NACK请求信号，判断是否有待发送的数据块，若没有待发送的数据块，则结束发送，若有待发送的数据块，则继续发送下一个数据块，并清零ACK确认信号计数；

步骤11：源节点根据反馈信息包增加发送编码数据包个数n＝n·h/h′，则返回转至步骤2，如此循环上述步骤直到待发送的数据块发送完毕。

所述的反馈信息包为ACK确认信号或NACK请求信号，其信息标识结构为：由6位(byte)信息标识组成，第1、2位是传输的数据块的标识，第3位是确定该反馈信息包是ACK确认信号还是NACK信号的标识，第4、5位是反馈目的节点所接收到的编码包个数标识，用于源节点估计链路状态，第6位是校验位的标识，用于反馈信息包自身纠错。

反馈信息包的传输：源节点将数据分块，一个传输单元为一个数据块，每个数据块一个编码，目的节点将当前接收的数据块编码反馈给源节点，从而判断整个传输过程是否完成。源节点根据第3位标识可以判断该反馈信息包的性质，并由此自适应地调节下一个数据块发送的编码包个数。

本发明中的随机网络编码和自动重传请求联合的自适应差错控制方法与现有技术相比较，具有的优点：

1，该方法根据当前网络链路的条件，发送节点通过调节发送的编码包个数，现实网络的无差错传输；

2，该方法不同于以往数据包简单复制后传输，可以避免数据传输的冗余，减少网络资源的浪费，提高整个网络的传输可靠性。

附图说明

图1本发明的实施例中传输数据块的状态的示意图。

图2本发明的随机网络编码和自动重传请求联合的自适应差错控制方法的流程图。

图3反馈信息包的信息标识结构的示意图。

图4在不同传输链路丢包率条件下要求发送的编码数据包个数与丢包率的关系的示意图。

图5本发明的网络传输效率与其它方法的传输效率的性能比较的示意图。

图6本发明的传输过程中发送的编码数据包个数的自适应性的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的实施例作进一步详细的描述。

本实施例以视频分辨率CIF352×288的标准测试视频序列“Coastguard”为例说明，视频源节点将所采集的视频数据分成i个数据块(i＝1，2，3，...)，其中每一个数据块均由h个数据包M¹，...M^h组成。

源节点对于每个数据块中的h个数据包进行随机网络编码，生成n个编码数据包其中k＝1，2，...，n，为编码向量。一般情况下，n大于h，有n-h个冗余数据包用来应对链路的不可靠传输产生的丢包情况。编码后，源节点将编码向量和编码数据包(X_k，g_k)经传输路径同时转发出去，用于目的接收节点进行解码，恢复原始信源。目的接收节点对所接收的编码数据包进行网络编码解码，判断所接收的编码数据包是否能恢复原始数据块。如果接收到编码数据包能被解码恢复原始数据块，则目标接收节点发送反馈信息包给视频源节点，反馈信息包为ACK确认信号；如果不能被解码恢复原始数据块，则发送反馈信息包给到视频源节点，反馈信息包为NACK请求信号。源节点根据目标接收节点反馈信息包中的NACK请求信号，在发送下一个数据块时，增加发送网络编码数据包的个数以应对链路传输错误。当源节点连续收到多个反馈信息包后，其反馈信息包为ACK确认信号，源节点将根据反馈信息包，估计链路状态，适当减少编码数据包个数，以h＝50为例，随机网络编码域选择为有限域GF(2⁸)，设定连续收到10ACK信号时，源节点确认当前链路传输状态良好。

如图1、2所示，本发明的随机网络编码和自动重传请求联合的自适应差错控制方法，其具体步骤如下：

步骤1：初始化，源节点采集视频数据，并将视频数据分块，每块数据包含h个数据包，依次发送每个数据块；

步骤2：源节点对数据块中的数据包进行随机网络编码，将h个数据包编码生成n个编码数据包；

步骤3：源节点通过传输链路发送编码数据包；

步骤4：目的节点接收到源节点发送来的h′个编码数据包，进行解码恢复原始数据，判断接收到的数据包h′个数是否大于解码所需数据包h个数，即，是否满足h′≥h？若达到，即，h′≥h，则转至步骤5，若未达到，即，h′＜h，转至步骤9；

步骤5：目的节点发送反馈信息包给源节点，反馈信息包为ACK确认信号，并告之目的节点接收到的编码数据包个数；

步骤6：源节点收到反馈信息包，反馈信息包为ACK确认信号，判断数据块是否发送完毕？若数据块没有发送完毕，则继续发送下一个数据块，若数据块发送完毕，否则结束发送；

步骤7：源节点计算连续收到反馈信息包个数，反馈信息包为ACK确认信号，判断收到ACK确认信号个数是否超过预设门限个数m？若ACK确认信号个数未超过预设门限个数m，则保持发送上一次发送的编码数据包个数，转至步骤2，请求继续发送数据，若ACK确认信号个数超过预设门限个数m，则转步骤8，请求减少发送编码数据包个数；

步骤8：源节点根据ACK信号反馈的链路状态，要求减少发送的编码数据包个数n＝n·h/h′，清零ACK确认信号计数，转至步骤2，请求继续发送数据；

步骤9：目的节点发送反馈信息包给源节点，反馈信息包为NACK请求信号，并告之目的节点接收到的数据包h′个数，要求增加发送编码数据包个数；

步骤10：源节点收到反馈信息包，反馈信息包为NACK请求信号，判断是否有待发送的数据块，若没有待发送的数据块，则结束发送，若有待发送的数据块，则继续发送下一个数据块，并清零ACK确认信号计数；

步骤11：源节点根据反馈信息包增加发送编码数据包个数n＝n·h/h′，则返回转至步骤2，如此循环上述步骤直到待发送的数据块发送完毕。

下面给出使用本发明的方法的数值仿真实验，如图4所示，图中给了在不同的链路丢包率条件下，源节点发送每一块数据块时需要的编码数据包个数，每块数据块由50个数据包组成，每个数据当链路丢包率低于10-3条件下，源节点对50个数据包进行网络编码后，发送的编码数据包个数近似于数据块原有的数据包个数50，图中曲线表明，传输过程中源节点发送的冗余数据包个数可以忽略，即发送的编码数据包个数减去每块数据本身含有的数据包个数。当网络中的链路衰减时，丢包率上升后，源节点将增加发送编码数据包。当链路丢包率为10-1时，源节点发送的编码数据包个数为55，增加了5个编码数据包的发送。

如图5所示，图中给出了在不同的链路丢包率条件下，使用本发明的方法和其它方法的网络传输效率比较。这里选择常用的前向纠错FEC的方法做比较。FEC在传输差错控制上一般选用RSE(n，k)码来实现。RSE(n，k)码是将n个数据包作为一个传输数据块，其中k个数据包和n-k个冗余伴随包，定义rc＝k/n为编码率。编码率r_c低，表明加入的冗余包较多，同时具有较强的错误恢复能力。RSE(255，254)码的编码率r_c＝0.996，当链路丢包率小时具有很高的网络传输效率，但是其纠错能力有限，当链路丢包率超过0.045时，网络传输效率马上降为0。对于编码率r_c＝0.9的RSE(255，229)码而言，当网络中的链路丢包率超过0.012时，超过了其纠错能力，整个网络不能提供有效的传输服务，网络传输效率为0。RSE(255，204)码和RSE(255，178)码可以保证数据包的恢复实现网络纠错，但它们的传输效率则比较低，只有0.8和0.7的传输效率。

如图6所示，图中给出了本发明的方法在传输过程中发送的编码数据包个数自适应性示意图。这里，选择源节点连续收到反馈信息包，反馈信息包为ACK确认信号，请求改变发送编码数据包个数的门限值为10，即当源节点连续收到10个ACK确认信号后，将根据反馈信息包估计链路丢包率，减少发送编码包个数来提高网络传输的传输效率。设每个数据块含有50个数据包。当源节点收到反馈信息包，反馈信息包为NACK请求信号，立即根据反馈信号包，将根据NACK请求信号增加发送编码数据包个数，来保证网络的可靠传输。如发送第21个数据块后，源节点收到反馈信息包后，反馈信息包为NACK请求信号，立刻增加了发送编码数据包的个数。随着链路丢包率降低，源节点连续收到10个ACK确认信号后，会根据反馈信息包，请求减少发送编码数据包个数，来提高网络传输效率。如发送第32个数据块时，减少了发送编码数据包的个数。

Claims (2)

1.一种随机网络编码和自动重传请求联合的自适应差错控制方法，在源发送端和目标接收端间建立数据传输链路，视频传输源节点对所获取的视频数据分成块，每块视频数据中含有h个数据包，将每个数据块中的数据包进行随机网络编码生成编码数据包发送出去。目标接收节点对所接收的编码数据包进行网络编码解码，再判断所接收的编码数据包是否被恢复成原始数据块，并发送反馈信息包给视频源节点，上述的反馈信息包为ACK确认信号或NACK请求信号，要求源节点根据反馈信息包，实现传输链路状态的自适应性差错控制，该方法具体步骤如下：

步骤1：初始化，源节点采集视频数据，并将视频数据分块，每块数据包含h个数据包，依次发送每个数据块；

步骤2：源节点对数据块中的数据包进行随机网络编码，将h个数据包编码生成n个编码数据包；

步骤3：源节点通过传输链路发送编码数据包；

步骤4：目的节点接收到源节点发送来的h′个编码数据包，进行解码恢复原始数据，判断接收到的数据包h′个数是否大于解码所需数据包h个数，即，是否满足h′≥h？若达到，即，h′≥h，则转至步骤5，若未达到，即，h′＜h，转至步骤9；

步骤5：目的节点发送反馈信息包给源节点，反馈信息包为ACK确认信号，并告之目的节点接收到的编码数据包个数；

步骤6：源节点收到反馈信息包，反馈信息包为ACK确认信号，判断数据块是否发送完毕？若数据块没有发送完毕，则继续发送下一个数据块，若数据块发送完毕，否则结束发送；

步骤7：源节点计算连续收到反馈信息包个数，反馈信息包为ACK确认信号，判断收到ACK确认信号个数是否超过预设门限个数m？若ACK确认信号个数未超过预设门限个数m，则保持发送上一次发送的编码数据包个数，转至步骤2，请求继续发送数据，若ACK确认信号个数超过预设门限个数m，则转步骤8，请求减少发送编码数据包个数；

步骤8：源节点根据ACK信号反馈的链路状态，要求减少发送的编码数据包个数n＝n·h/h′，清零ACK确认信号计数，转至步骤2，请求继续发送数据；

步骤9：目的节点发送反馈信息包给源节点，反馈信息包为NACK请求信号，并告之目的节点接收到的数据包h′个数，要求增加发送编码数据包个数；

步骤10：源节点收到反馈信息包，反馈信息包为NACK请求信号，判断是否有待发送的数据块，若没有待发送的数据块，则结束发送，若有待发送的数据块，则继续发送下一个数据块，并清零ACK确认信号计数；

步骤11：源节点根据反馈信息包增加发送编码数据包个数n＝n·h/h′，则返回转至步骤2，如此循环上述步骤直到待发送的数据块发送完毕。

2.根据权利要求1所述的随机网络编码和自动重传请求联合的自适应差错控制方法，其特征在于，所述的反馈信息包为ACK确认信号或NACK请求信号，其信息标识结构为：由6位(byte)信息标识组成，第1、2位是传输的数据块的标识，第3位是确定该反馈信息包是ACK确认信号还是NACK信号的标识，第4、5位是反馈目的节点所接收到的编码包个数标识，，第6位是校验位的标识。

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