CN102546096A

CN102546096A - 一种基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法

Info

Publication number: CN102546096A
Application number: CN2011104119980A
Authority: CN
Inventors: 谭国平; 马赛赛; 李岳衡
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-12
Also published as: CN102546096B

Abstract

本发明公开了一种基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法，本发明通过一种严格时延限制下的纠错结构以及基于该纠错结构提出的贪婪算法和最优搜索方法实现的，本发明所设计的基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法能够根据上层对信息的保护要求和当前链路状况，自适应的选择最优的编码参数，并且最大限度的提高编码率，以期利用有限的带宽资源，有效的改善严格时延限制下的实时业务的可靠性要求。

Description

一种基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法

技术领域

本发明涉及一种基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法，该方法适用于任何实时单播或多播通信，尤其适用于无率码(Rateless Code)的编码环境。

背景技术

随着通信网络的高速发展，人们对于实时多媒体的需求也在不断提升，实时业务已成为研究应用的热点。实时多媒体数据流通常采用传统的实时传输协议(RTP)进行传输。RTP被定义为在一对一或一对多的传输情况下工作，其目的是提供时间信息和实现流同步。RTP协议本身不提供任何机制保证实时多播业务的服务质量(QoS)。而由于现有网络环境的多样性和复杂性以及实时多媒体业务格外严格的延时带宽要求，导致传统的网络协议无法满足实时业务的QoS需求。

为了满足实时业务的QoS要求，引入了差错控制的纠错方法，常用的纠错方法有自动请求重发(ARQ)，前向纠错(FEC)，混合纠错(HARQ)等。研究表明，在多播组中用户数较少时，由于实现简单效率高，基于ARQ的方法成为常用的方法；当用户较多时，基于ARQ的方法已经无法满足要求，应由具有高吞吐量性能的基于HARQ的方法替代；而当用户数目达到一定程度后，为满足目标延时需求以及防止反馈风暴，基于ARQ的方法将被放弃，而基于FEC的方法成为最优的方法。在本发明中，数据传输过程将仅使用基于FEC的编码方法，链路信息的反馈将采用基于ARQ的方法，由于该反馈过程已超出本发明的范围，将不做详细介绍。在原始的FEC编码实现方案中，所有数据都是被同等错误保护(EEP)的。但事实上，很多情况下有些数据对噪声会特别敏感，或者有很多重要信息的误比特率的要求更为严格，而其他的数据没那么重要或者对噪声不太敏感。

基于以上介绍可知，为了达到最有效的利用通信网资源满足实时多播业务的QoS要求的同时，必须采用一种具备自适应功能的不等错误保护算法，提高编码效率，增加传输可靠性，节省功率。

目前在通信网中的实时多播领域，尚没有一种能够自适应链路环境的高效不等错误保护解决方案，用以满足实时多播业务的严格时延下的可靠性要求，同时最大化网络的吞吐量性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够根据上层对信息的保护要求和当前链路状况，自适应的选择最优的编码参数，并且最大限度的提高编码率，以期利用有限的带宽资源，有效的改善严格时延限制下实时业务的可靠性要求。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法，该方法基于一种严格时延限制下的纠错结构以及基于该纠错结构得到最优编码参数实现，所述纠错结构包括发送端和接收端，其中所述发送端包括分组打包模块、标注保护等级模块、收集相关信息模块和按需前向纠错编码模块，所述接收端包括前向纠错解码模块、分析编码块构成和解析信息数据包模块，该方法包括以下步骤：

步骤(1)：发送端按时间先后顺序将实时业务数据流存入FIFO队列中；

步骤(2)：采用分组打包模块按照数据流进入的时间先后顺序，将数据流打包成一定大小的信息数据包并对信息数据包进行分组，每组包含K_i个信息数据包，然后将打包分组后的信息数据包传输给标注等级模块，其中K_i表示第i组信息数据包的数量，i的具体取值根据应用层的需求而定；

步骤(3)：采用标注等级模块根据应用层对信息保护的要求，为每组信息数据包标注保护等级l_i，然后将其传输至收集相关信息模块，其中l_i表示第i组信息数据包的保护等级；

步骤(4)：采用收集相关信息模块收集每组信息数据包的保护等级l_i、每组信息数据包的数量K_i，然后将其传输至按需前向纠错编码模块；

步骤(5)：采用按需前向纠错编码模块按接收的时间先后顺序依次对每组信息数据包进行编码操作，产生p_i个冗余数据包，p_i表示发送端发送第i组信息数据包时，将编码出p_i个冗余数据包；

步骤(6)：将每组的K_i个信息数据包和对应的p_i个冗余数据包整合成一个编码块，按照时间顺序，发送到接收端；

步骤(7)：接收端接收到编码块，根据编码块所带序号将其缓存到对应的分组缓冲区中；

步骤(8)：接收端判断该分组缓冲区中编码块中的信息数据包的数目是否已经足够可以执行解码操作，并进行如下处理：

步骤(81)：当该分组缓冲区中编码块中的信息数据包的数目已经足够执行解码操作，采用前向纠错解码模块对该分组缓冲区中的信息数据包执行解码操作，得到原始信息数据包；

步骤(82)：当该分组缓冲区中编码块中的信息数据包数目不足够执行解码操作，则采用分析编码块构成和解析信息数据包模块分析该编码块的构成情况，区分该编码块中的系统信息数据包和非系统信息数据包，并进行如下处理：

步骤(821)：将非系统信息数据包直接丢弃；

步骤(822)：将系统信息数据包传递到应用层，判断是否满足应用层要求，得到链路状态信息；

步骤(9)：接收端将链路状态信息反馈回所述收集相关信息模块；

步骤(10)：根据接收端反馈的链路状态信息以及每组信息数据包的保护等级l_i和信息数据包的个数K_i，使用贪婪算法和最优搜索方法计算出最优的编码参数p_i，并将其传输至按需前向纠错编码模块；

步骤(11)：采用按需前向纠错编码模块按时间先后顺序依次对每组信息数据包根据最优编码参数进行编码操作，产生p_i个冗余数据包；

步骤(12)，返回执行步骤(6)-(11)。

进一步的，本发明的基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法，所述步骤(10)具体包括如下处理步骤：

步骤(101)：初始化每组信息数据包的数量K_i、冗余数据包的数量p_i、信息数据包的保护等级l_i和接收端所反馈的链路状态信息；

步骤(102)：设置优化目标为在同时满足目标延时要求和可靠性要求的情况下，采用吞吐量性能函数F_T(K，p，l，S)求得系统的吞吐量最大化；采用可靠性性能函数F_R(K，p，l，S)来验证满足目标可靠性要求，采用端到端延时性能函数F_D(K，p，l，S)来验证满足严格的目标时延要求，然后获得最优的D_E2E和n值，其中D_E2E表示端到端最大可能延时，n表示原始信息包个数K_i和冗余包个数p_i的总和；

步骤(103)：将当前组的信息数据包的数量K_i、冗余数据包的数量p_i、信息数据包的保护等级l_i代入F_P(K，p，l，S)，判断是否满足当前目标丢包率

F_P(K，p，l，S)表示目标丢包率性能的函数，

定义为当前的目标丢包率的基值，并进行如下处理：

步骤(1031)：当不满足当前目标丢包率

减少K_i值，使K_i＝K_i-1，转步骤(103)继续判断；

步骤(1032)：当满足当前目标丢包率

K_i值取最大值，p_i取得最小值；

步骤(104)：判断当前组的信息数据包的数量K_i、冗余数据包的数量p_i值是否满足数据包的保护等级l_i：

当不满足数据包的保护等级l_i，返回执行步骤(103)及其之后的操作；

当满足数据包的保护等级l_i，则表明当前参数已设置成功。

进一步的，本发明的基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法，所述步骤(11)中，还包括当存在2组信息数据包的链路状况一致时，执行以下步骤：

步骤(111)：当第1组原始信息数据包大小K₁等于第2组原始信息数据包大小K₂，而保护等级l₁与l₂相同时，编码得p₁＝P(K₁，l)，p₂＝P(K₂，l)，根据编码规则，保护等级相同时编码率一致，存在如下关系：K₁/p₁＝K₂/p₂；

步骤(112)：当第1组原始信息数据包大小K₁等于第2组原始信息数据包大小K₂，而保护等级l₁，与l₂不同时，编码得p₁＝P(K，l₁)，p₂＝P(K，l₂)，根据编码规则，保护等级不同时编码率不一致，存在如下关系：K₁/p₁≠K₂/p₂。

进一步的，本发明的基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法，所述步骤(5)和步骤(11)中按需前向纠错编码模块所选用的编码算法为系统无率码。

本发明所设计的一种基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法，该方法通过自适应上层对原始信息保护要求以及当前链路状况，设置的一组纠错结构的优化编码参数，不仅可以满足实时多媒体业务在严格时延限制条件下的目标可靠性要求，而且能够针对信息的重要程度不同采取不同等级的保护，同时还可以达到效率最优化的目的，从而有效的节省系统中的带宽资源。

贪婪算法能根据原始信息的保护等级要求，重要程度以及特殊需求，自适应的提供有差别的保护，并且最大程度的提高编码率，确保重要信息尽可能准确无误的被接收。

本发明所设计的基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法的特色主要表现在：

(1)该方法可根据上层对数据信息包的要求，对不同的信息包标注不同的保护等级，产生相应的编码参数进行编码，使重要的数据包得到特殊的保护；

(2)通过自适应的贪婪算法，可以最优的更改该纠错结构中所需的所有编码参数，最终达到最大化编码率，提高编码有效率，优化系统性能的目的；

(3)在自适应的过程中，使用了最优的搜索方法，有效的降低了搜索复杂度，减少搜索时间，更加有效的满足严格时延限制的要求；

(4)在最优搜索的过程中，首先满足丢包率的前提下，保证编码率达最大，然后再判断该编码参数是否能够满足保护等级的要求，如果不满足保护等级要求，则适当降低编码率，然后继续判断。其优点在于，保证最佳编码率，减少所需的冗余数据包数目，同时保证高传输可靠性。

(5)发送端与接收端的实际处理过程均是围绕纠错结构设定的参数运行的。根据当前链路状况，编码参数实时更新，处理过程也随之发生相应的变化，以此达到实际运行效果与目标期望性能一致的目的。

附图说明

图1是严格时延限制下的纠错结构示意图；

图2是自适应优化编码参数流程图；

图3是发送端发送信息数据包处理流程图；

图4是按需前向纠错编码示意图；

图5是接收端接收数据包处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

在此之前，首先介绍一下严格时延限制下的纠错结构，该结构的具体功能实现将依赖于其参数的设定。为了便于描述本发明的所有处理流程，下面定义纠错结构中使用的几组参数的符号：

表1：纠错结构的参数定义

1.n值的确定：定义D_E2E为端到端最大可能延时，定义d_max为发送一次包所需的最大延时；显然，n值的确定只与最大延时D_E2E和d_max有关，所以一旦D_E2E和d_max确定，n值就为定值，同时n＝K_i+p_i，那么K_i+p_i的和也确定了。

2.K_i与p_i值将由本发明中提到的搜索算法确定，下面将详细介绍。

其次，为了实现参数的自适应优化设置，该方法必须估算在当前多播场景中使用该方法时的吞吐量性能、目标丢包率性能、可靠性性能及延时性能。结合上面定义的参数，可通过适当的函数估算出在当前多播场景中使用指定参数时的吞吐量性能、目标丢包率性能、可靠性性能及延时性能。下面给出这四个函数的定义：

表2：本发明使用的函数定义

函数	定义
		F_D(K，p，l，S)	表示估算使用本方法时端到端延时性能的函数；
F_P(K，p，l，S)	表示估算使用本方法时目标丢包率性能的函数；
		F_R(K，p，l，S)	表示估算使用本方法时可靠性性能的函数；
F_T(K，p，l，S)	表示估算使用本方法时吞吐量性能的函数。

如图1、图3、图5所示，本发明所设计的一种基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法，其特征在于该方法是通过一种严格时延限制下的纠错结构以及基于该纠错结构提出的贪婪算法和最优搜索方法实现的，所述严格时延限制下的纠错结构包括发送端和接收端，所述发送端包括分组打包模块、标注保护等级模块、收集相关信息模块和按需向前纠错模块，所述接收端包括前向纠错解码模块、分析编码块构成和解析信息数据包模块，该方法包括以下步骤：

步骤(1)：实时业务数据流按时间先后顺序进入发送端，发送端将数据流存入FIFO队列中；

步骤(2)：所述分组打包模块按照数据流进入的时间先后顺序，对数据流打包成一定大小的信息数据包并对信息数据包分组，每组包含K_i个信息数据包，然后将打包分组后的信息数据包传输给标注等级模块，其中K_i表示第i组信息数据包的数量，具体取值根据应用层的需求而定，本发明中将不做详细介绍；

步骤(3)：所述标注等级模块根据上层对信息保护的要求，为每个信息数据包标注保护等级了l_i，然后将其传输至收集相关信息模块，其中l_i表示第i组信息数据包的保护等级；

步骤(4)：所述收集相关信息模块收集每个信息数据包的保护等级l_i、每组信息数据包的个数K_i，然后将其传输至按需前向纠错编码模块；

步骤(5)：所述按需前向纠错编码模块按时间先后顺序依次对每组信息数据包进行编码操作，产生p_i个冗余数据包，p_i定义为发送端发送某组的K_i个信息数据包时，将产生p_i个冗余数据包；

步骤(6)：每组的K_i个信息数据包和对应的p_i个冗余数据包被整合成一个编码块，按照时间顺序，发送到接收端；

步骤(7)：所述接收端接收到编码块，根据编码块所带序号将其缓存到对应的分组缓冲区中；

步骤(8)：所述接收端判断该分组缓冲区中编码块中的信息数据包的数目是否已经足够可以执行解码操作，并进行如下处理：

步骤(81)：当该分组缓冲区中编码块中的信息数据包的数目已经足够可以执行解码操作，所述前向纠错解码模块对该分组缓冲区中的信息数据包执行解码操作，得到原始信息数据包；

步骤(82)：当该分组缓冲区中编码块中的信息数据包数目不足够执行解码操作，则所述分析编码块构成和解析信息数据包模块分析该编码块的构成情况，区分该编码块中的系统信息数据包和非系统信息数据包，并进行如下处理：

步骤(821)：将非系统信息数据包直接丢弃；

步骤(822)：将系统信息数据包传递到上层，判断是否满足上层要求，得到链路状态信息；

步骤(10)：根据接收端反馈的链路状态信息以及每个信息数据包的保护等级l_i和信息数据包的个数K_i，使用贪婪算法和最优搜索方法计算出最优的编码参数，并将其传输至按需前向纠错编码模块；

步骤(11)：所述按需前向纠错编码模块按时间先后顺序依次对每组信息数据包根据最优编码参数进行编码操作，产生p_i个冗余数据包；

步骤(12)：返回执行步骤(6)-(11)。

如图2所示，自适应优化编码参数包括以下步骤：

步骤(101)：初始化该方法所使用的参数，即K_i，p_i和l_i，多播场景中的所有发送端和接收端将使用这些参数运行。

发送端收集系统中所有相关的信息，以便于搜索适用于当前场景的优化参数。主要包含多播场景中的用户数目、每个数据包的保护等级、每条链路不同保护等级下的丢包率、链路往返延时、分组数据包平均发送间隔时间等信息；

步骤(102)：根据优化目标，搜索端到端的最大延时D_E2E与最优的n值，其优化目标设置为在同时满足目标延时要求和可靠性要求的情况下，使得系统的吞吐量最大化。利用上述定义的函数，该优化问题可表示如下：

最大化F_T(K，p，l，S)

满足条件：

F_R(K，p，l，S)满足目标可靠性要求

F_D(K，p，l，S)满足严格的目标时延要求

通过解决上述优化问题，就可立即获得最优的参数D_E2E和n；

最优搜索方法的核心思想如下：

由参数定义可知，n＝K_i+p_i，所以确定了n值，那么K_i+p_i的值也就确定下来了。根据各个数据包所设定的保护等级l_i，对应产生一个目标丢包率

其优化目标设置为在满足目标丢包率的情况下，使得编码块的码率达到最大。利用上述定义的函数，该优化问题可表示如下：

最大化K_i

满足条件：

F_{P} (K, p, l, S) \leq P_{req}^{l}

显然，当n值确定，K_i值为满足目标丢包率的最大值，那么p_i值达到最小值，此时，码率也将达到最大。

根据搜索方法的思想，下面将详细的描述该方法的执行过程，首先初始化原始数据包数目K_i值，令K_i＝n，

步骤(103)：将当前的K_i，p_i，l_i代入F_P(K，p，l，S)，判断是否满足当前目标丢包率

步骤(1031)：由于当前K_i值过大，无法满足目标丢包率要求，所以减少K_i值，使K_i＝K_i-1，转步骤(103)继续判断；

步骤(1032)：由上述所知，当前K_i值满足目标丢包率要求，那么此时的p_i由参数定义可知，p_i＝n-K_i，由于n值确定，K_i值取最大值，那么显然p_i取得最小值，此时编码率达到最大，转步骤(111)；

步骤(111)：此时K_i，p_i值都已经确定，判断当前的K_i，p_i值是否满足数据包的保护等级，具体判断过程如图4所示，将在下面详细介绍；

步骤(1111)：当前的K_i，p_i值不满足数据包的保护等级l_i，转而执行步骤(103)及其之后的操作；

步骤(1112)：当前的K_i，p_i值满足数据包的保护等级l_i，进行下列处理：

如图4所示，当按需前向纠错编码时，存在以下步骤：

定义：P(K，l)为已知K_i，l_i的情况下，应该产生冗余数据包的最小数目，也就说，当前的冗余数据包个数p_i应该大于或者等于P(K，l)。

步骤(11111)：如图4中的411和412的保护等级相同，即l₁＝l₂相等，但是原始数据包的大小不同，分别为K₁，K₂，编码得p₁＝p(K₁，l)，p₂＝P(K₂，l)，根据编码规则，保护等级相同时编码率一致，即此时K₁/p₁＝K₂/p₂。

步骤(11112)：如图4中的421和422的原始数据包大小相同，即K₁＝K₂相等，但是保护等级不同，分别为l₁，l₂，编码得p₁＝P(K，l₁)，p₂＝P(K，l₂)。

如图4中的431-438为m个编码块的综合编码举例，其编码过程综合了数据包的保护等级，目标丢包率要求以及目标延时要求等因素。例如，图中432和437，原始数据包大小K一致，并且I₂＝l_m-2，即两者的保护等级也一致，但是由于两者所处的编码环境不同，所以编码产生的冗余数据包数目p₂，p_m-2也不等，其中p₂≥P(K₂，l₂)，p_m-2≥P(K_m-2，l_m-2)＝P(K₂，l₂)。

本发明的按需前向纠错编码模块采用的编码算法，即所述步骤(5)和步骤(11)中所选用的编码算法为系统无率码，典型的有Raptor码等，无率码的使用极大的提高了本发明的编码效率。

Claims

1.一种基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法，其特征在于，该方法基于一种严格时延限制下的纠错结构以及基于该纠错结构得到最优编码参数实现，所述纠错结构包括发送端和接收端，其中所述发送端包括分组打包模块、标注保护等级模块、收集相关信息模块和按需前向纠错编码模块，所述接收端包括前向纠错解码模块、分析编码块构成和解析信息数据包模块，该方法包括以下步骤：

步骤(821)：将非系统信息数据包直接丢弃；

步骤(12)，返回执行步骤(6)-(11)。

2.根据权利要求1所述的基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法，其特征在于，所述步骤(10)具体包括如下处理步骤：

F_P(K，p，l，S)表示目标丢包率性能的函数，

定义为当前的目标丢包率的基值，并进行如下处理：

步骤(1031)：当不满足当前目标丢包率

减少K_i值，使K_i＝K_i-1，转步骤(103)继续判断；

步骤(1032)：当满足当前目标丢包率

K_i值取最大值，p_i取得最小值；

当满足数据包的保护等级l_i，则表明当前参数已设置成功。

3.根据权利要求2所述的基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法，其特征在于，所述步骤(11)中，还包括当存在2组信息数据包的链路状况一致时，执行以下步骤：

步骤(111)：当第1组原始信息数据包大小K₁等于第2组原始信息数据包大小K₂，而保护等级l₁与l₂相同时，编码得p₁＝P(K₁，l)，p₂＝P(K₂，l)，根据编码规则，保护等级相同时编码率一致，存在如下关系：K1/p₁＝K2/p₂；

步骤(112)：当第1组原始信息数据包大小K₁等于第2组原始信息数据包大小K₂，而保护等级l₁与l₂不同时，编码得p₁＝P(K，l₁)，p₂＝P(K，l₂)，根据编码规则，保护等级不同时编码率不一致，存在如下关系：K1/p₁≠K2/p₂。

4.根据权利要求1所述的基于不等错误保护的实时多播自适应优化方法，其特征在于，所述步骤(5)和步骤(11)中按需前向纠错编码模块所选用的编码算法为系统无率码。