CN102664891B - 联合数据可区分编码和分组前向纠错编码的多媒体数据流传输方法 - Google Patents

Abstract

联合数据可区分编码和分组前向纠错编码的多媒体数据流传输方法，涉及一种多媒体数据流传输方法，它是为了提高多媒体数据流传输的有效性和可靠性。其方法：多媒体服务端的多媒体数据流传输过程为：对M个数字音频/视频流媒体发出的信息帧进行Packet编码和可区分编码后发送至基于Packet的选择传递网络；每个用户端的多媒体数据流传输过程为：用户端对同时接收到的M路可区分编码后的数据进行可区分译码、Packet前向纠错译码后合并，完成用户端的多媒体数据流接收。本发明适用于多媒体数据流传输。

Description

联合数据可区分编码和分组前向纠错编码的多媒体数据流传输方法

技术领域

本发明涉及一种多媒体数据流传输方法。

背景技术

目前流行的对等网络(P2P)技术的显著特点是：充分利用客户的上行带宽，在下行占用的同时也占用上行带宽，为其他用户提供资源，实现网络的加速和扩展。利用P2P的方式可以实现下载加速和扩大用户群的目的。而相比较于P2P的下载技术，P2P的流媒体技术难度更大一些，由于前者的下载是无顺序的下载，最终可以组成文件就可以，而后者却需要顺序，因为视频和音频资料是不能颠倒顺序的。

P2P流媒体技术有传输控制协议(TCP)和用户数据包协议(UDP)的差别。TCP只针对小区域内、时延很短的情况下适用。但实时视频流的传输是对时延要求很苛刻的。而且TCP的重传方式不适于包含大用户群的多播应用。很多IP电视服务提供商更倾向于用管理IP网络的方式来说明丢包的问题，这样能减少流媒体传输的丢包率，但是不能保证端对端的视频流质量能够满足日益增长的传输需求。另外，国内的网络不稳定，内网多，UDP的特点虽然可以让它穿透内网，这样可以利用的终端用户更多，效果也更好，但是UDP协议存在严重的丢包问题。因此如何同时满足有效性和可靠性的本质问题，仍然是困扰着目前技术发展的瓶颈。

发明内容

本发明是为了提高多媒体数据流传输的有效性和可靠性，从而提供一种联合数据可区分编码和分组前向纠错编码的多媒体数据流传输方法。

联合数据可区分编码和分组前向纠错编码的多媒体数据流传输方法，

多媒体服务端的多媒体数据流传输过程为：

步骤一、采用M个Packet前向纠错编码器分别对M个数字音频/视频流媒体发出的信息帧进行Packet编码，获得M路编码后的数据；

步骤二、采用M个可区分编码器分别对步骤一中获得的M路编码后的数据进行可区分编码，获得M路可区分编码后的数据；

步骤三、将步骤二获得的M路可区分编码后的数据发送至基于Packet的选择传递网络，所述M路可区分编码后的数据在基于Packet的选择传递网络中混合形成混合信号；M为正整数；

N个用户端的多媒体数据流传输过程相同，每个用户端的多媒体数据流传输过程为：

步骤四、用户端从基于Packet的选择传递网络中接收步骤三发送的混合信号，并采用可区分译码器对接收到的混合信号进行可区分译码，获得M路可区分译码后数据；

步骤五、将步骤四获得的M路可区分译码后数据分别采用M个Packet前向纠错译码器进行Packet前向纠错译码，获得M路Packet前向纠错译码后的数据；

步骤六、将M路Packet前向纠错译码后的数据进行合并，实现用户端的多媒体数据流接收，完成多媒体数据流传输。

步骤一中的对每个数字音频/视频流媒体发出的信息帧进行Packet编码的具体方法是：

步骤A、Packet前向纠错编码器FEC中的寄存器将每个数字音频/视频流媒体发出的信息帧按行顺序读入，并将K个信息帧作为一个packet组；所述K为正整数；

步骤B、Packet前向纠错编码器FEC中的寄存器将每个数字音频/视频流媒体发出的信息帧按列顺序进行FEC编码，并添加校验信息；

步骤C、将经步骤B编码后的信息帧和添加的校验信息合并，作为一个新的packet组，并按照帧的顺序输出，完成对该数字音频/视频流媒体发出的信息帧的Packet FEC编码。

本发明有效提高多媒体数据流传输的有效性和可靠性。

附图说明

图1是本发明方法的数据传输流程示图；图2是具体实施方式一中音乐数据片段在服务器中的数据结构示意图；图3是具体实施方式一中对source1和信源4进行packet前向纠错编码的数据传输过程示意图；图4是具体实施方式一中数据区分编码后的数据进入多址接入信道的数据传输过程示意图；图5是具体实施方式一中将接收机收到的信号矢量通过数据区分译码器分离成原始发送数据的数据传输过程示意图；图6是具体实施方式一中信息源1和信息源2分别采用数据流区分编码的数据传输过程示意图；图7是图6中的数据进入多址信道的数据传输过程示意图；图8是图7中的数据分离译码过程示意图；图9是本发明中packet FEC编码前的数据结构示意图；图10是本发明中packet FEC编码后的数据结构示意图；图11具体实施方式一的系统丢包率仿真结果示意图，其中曲线11为无编码的丢包率仿真曲线；标记12为采用本发明方法的4种RS参数下的丢包率仿真曲线；图12是具体实施方式一的吞吐量性能仿真结果示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，联合数据可区分编码和分组前向纠错编码的多媒体数据流传输方法，

多媒体服务端的多媒体数据流传输过程为：

步骤一、采用M个Packet前向纠错编码器分别对M个数字音频/视频流媒体发出的信息帧进行Packet编码，获得M路编码后的数据；

步骤二、采用M个可区分编码器分别对步骤一中获得的M路编码后的数据进行可区分编码，获得M路可区分编码后的数据；

步骤三、将步骤二获得的M路可区分编码后的数据发送至基于Packet的选择传递网络，所述M路可区分编码后的数据在基于Packet的选择传递网络中混合形成混合信号；M为正整数；

N个用户端的多媒体数据流传输过程相同，每个用户端的多媒体数据流传输过程为：

步骤四、用户端从基于Packet的选择传递网络中接收步骤三发送的混合信号，并采用可区分译码器对接收到的混合信号进行可区分译码，获得M路可区分译码后数据；

步骤五、将步骤四获得的M路可区分译码后数据分别采用M个Packet前向纠错译码器进行Packet前向纠错译码，获得M路Packet前向纠错译码后的数据；

步骤六、将M路Packet前向纠错译码后的数据进行合并，实现用户端的多媒体数据流接收，完成多媒体数据流传输。

步骤一中的对每个数字音频/视频流媒体发出的信息帧进行Packet FEC编码的具体方法是：

步骤A、Packet前向纠错编码器FEC中的寄存器将每个数字音频/视频流媒体发出的信息帧按照行顺序读入，并将K个信息帧作为一个packet组；所述K为正整数；

步骤B、Packet前向纠错编码器FEC中的寄存器将每个数字音频/视频流媒体发出的信息帧按列顺序进行FEC编码，并添加校验信息；这里假设校验信息位为(N-K)个，故实际上添加的校验信息帧数目为(N-K)个；

步骤C、将经步骤B编码后的信息帧和添加的校验信息合并，作为一个新的packet组，并按照帧的顺序输出，完成对该数字音频/视频流媒体发出的信息帧的Packet FEC编码。

本发明在分组交换网络上，为实时多媒体数据流传输设计一种丢包恢复系统，能够恢复端到端网络的丢包。其主要目的是，为了在丢包出现于传输层的IP网络上，实现多媒体流的端到端可靠传输。本发明利用了分组前向纠错码和传输前分组交织过程的结合。此处的分组前向纠错码是一种区分于比特级的分组级纠错编码。在源到端的P2P网络中，分组前向纠错码方案是将多媒体数据流编码成传输包，在数据流中加入冗余包，并在分组交换网络的用户端解码恢复丢包。对于许多不同的分组编码和传输方式，分组交织过程是为了满足不同的处理需要。

分组前向纠错码(Packet FEC)是用来恢复丢包的，但是也存在一定的问题：冗余包将会减少系统的吞吐量。为了解决这个问题，本发明用数据区分编码来改进丢包恢复系统的结构。

以分组前向纠错编码结合传输前分组交织过程的新型丢包恢复系统，有效地改善了丢包率。但这种改善却因为冗余包的加入使其降低吞吐量为代价。而P2P网络中的用户端通常都是同时接收多个信源的数据，故考虑通过同时传输多信源的数据来增加吞吐量。本发明针对P2P网络多媒体数据流在IP网络上传输，实现了既能恢复丢包又不会减少吞吐量的丢包恢复的联合数据可区分编码和分组前向纠错编码的多媒体数据流传输方法。

本发明中的packet FEC编码方式是指对一个packet通过交织和前向纠错编码，达到可以将丢掉的数据帧恢复的编码和译码过程。如图9和图10所示为其中一种可能的packetFEC编码方式，编码前packet结构如图9所示，编码后的packet结构如图10所示。

以下，以下载数据Music A为例说明本发明的工作过程。

1、用户终端欲从服务器或其他能提高数据的云端下载音乐数据Music A(Frag1-Frag8)。假设Source 1中包含Music A的6个片段，Source 4中包含Music A的4个片段，而加起来可以提供完整Music A的下载服务，将两者选出，其数据结构如图2所示。

2、首先对source1和信源4分别完成packet前向纠错编码，然后将各自的数据通过各自的数据区分编码器。这里数据区分编码器由系统性能需求所决定，其数据传输过程如图3所示。

3、然后数据区分编码后的数据将一起进入多址接入信道，其数据传输过程如图4所示。

4、将接收机收到的信号矢量通过数据区分译码器分离成原始发送数据，其数据传输过程如图5所示。

多数据区分编码译码过程如图6至8所示，假设每个信源的信息速率R_b＝1bps，数据流区分编码的编码效率是(3/4)，因此每个信源通过数据区分编码器后信息速率变为R_b＝0.75bps。虽然编码后每个信息源的信息速率会下降，但是通过多址接入信道后，信息和速率R_b＝1.5bps将优于单独传输一个信息源时的信息速率1bps。

数据区分编码对的定义如下：将数据分别通过数据区分编码对，通过数据区分编码对后的和信号，可以按照某种译码算法，将和信号完全分离开来。

以下，采用计算机仿真了采用本系统后的吞吐量性能，反正结果如图11和图12所示，其中数据区分编码对的编码效率用(R₁，R₂)表示；packet FEC采用RS编码，并采用Berlekamp-Massey译码算法。这里假设packet FEC编码后的帧长为N＝255，K为数据帧的数目。并假设每一帧的数据信息速率为1Mbps。

由图11可知，采用本系统结构后，可以有效降低系统丢包率。

表1 吞吐量

由图12和表1可知，当采用适合的数据区分编码时，可以有效提高系统吞吐量，不但可以弥补由于packet FEC编码造成的吞吐量的下降，甚至可以比不采用任何编码时候的系统吞吐量性能还要好。当N＝255，K＝231时，如果不采用数据区分编码，此时系统最大吞吐量为0.9059Mbps，小于不采用任何编码情况时的最大吞吐量1Mbps；当N＝255，K＝231时，且采用编码效率为(R₁＝1/3，R₂＝1)的数据区分编码时，此时最大吞吐量为1.2078Mbps，不但吞吐量性能没有下降，而且优于不采用任何编码情况时的最大吞吐量1Mbps。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的联合数据可区分编码和分组前向纠错编码的多媒体数据流传输方法的区别在于，M＝2。

Claims (3)

1.联合数据可区分编码和分组前向纠错编码的多媒体数据流传输方法，其特征是：

多媒体服务端的多媒体数据流传输过程为：

步骤一、采用M个Packet前向纠错编码器分别对M个数字音频/视频流媒体发出的信息帧进行Packet编码，获得M路编码后的数据；

步骤二、采用M个可区分编码器分别对步骤一中获得的M路编码后的数据进行可区分编码，获得M路可区分编码后的数据；

步骤三、将步骤二获得的M路可区分编码后的数据发送至基于Packet的选择传递网络，所述M路可区分编码后的数据在基于Packet的选择传递网络中混合形成混合信号；M为正整数；

N个用户端的多媒体数据流传输过程相同，每个用户端的多媒体数据流传输过程为：

步骤四、用户端从基于Packet的选择传递网络中接收步骤三发送的混合信号，并采用可区分译码器对接收到的混合信号进行可区分译码，获得M路可区分译码后数据；

步骤五、将步骤四获得的M路可区分译码后数据分别采用M个Packet前向纠错译码器进行Packet前向纠错译码，获得M路Packet前向纠错译码后的数据；

步骤六、将M路Packet前向纠错译码后的数据进行合并，实现用户端的多媒体数据流接收，完成多媒体数据流传输；

所述多媒体数据流的传输具体为：P2P网络多媒体数据流在IP网络上传输。

2.根据权利要求1所述的联合数据可区分编码和分组前向纠错编码的多媒体数据流传输方法，其特征在于步骤一中的对每个数字音频/视频流媒体发出的信息帧进行Packet编码的具体方法是：

步骤A、Packet前向纠错编码器FEC中的寄存器将每个数字音频/视频流媒体发出的信息帧按行顺序读入，并将K个信息帧作为一个packet组；所述K为正整数；

步骤B、Packet前向纠错编码器FEC中的寄存器将每个数字音频/视频流媒体发出的信息帧按列顺序进行FEC编码，并添加校验信息；

步骤C、将经步骤B编码后的信息帧和添加的校验信息合并，作为一个新的packet组，并按照帧的顺序输出，完成对该数字音频/视频流媒体发出的信息帧的Packet FEC编码。

3.根据权利要求1所述的联合数据可区分编码和分组前向纠错编码的多媒体数据流传输方法，其特征在于M＝2。