CN105897738B - 一种用于多信道环境的实时流编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于多信道环境的实时流编码方法，以提高多信道环境下实时流业务的传输效率为目标，针对包含不同优先级信息帧的实时流，发现这类实时流在使用多个信道联合传输时的理论传输能力上限，并根据实时流属于对称或者非对称实时流的情况，设计对应的编码机制，实现多个信道并行传输一条实时流，并且能够合理使用信道资源，避免冗余浪费。

Description

一种用于多信道环境的实时流编码方法

技术领域

本发明涉及信息论编码领域，具体涉及到建立突发擦除多信道下业务传输的系统模型，并针对该多信道模型提出了可渐进达到理论传输容量上限的编码机制。

背景技术

随着互联网应用的迅猛发展，各种业务对网络传输能力的要求持续提高。尤其是以实时视频为代表的实时流业务，其业务体量大，占用传输资源多，对各类网络、尤其是各种无线网络带来了沉重的流量压力。为了更加有效的利用零散资源，提高传输实时流的能力，可以考虑将多个信道的剩余可用资源整合起来，进行实时流的多信道编码、传输，提高传输效率。

但是，目前的实时流编码技术，多是针对单信道环境设计的。要使用多个信道并行传输一条实时流，往往需要借助于上层协议(如P2P)，无法实现对多信道资源的充分利用。不仅如此，当前的实时流编码机制在信道利用上存在着大量的浪费，以应用非常广泛的实时会话工具Skype为例，其用于前向纠错的信息冗余率是真实出错的4.5倍。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出一种用于多信道环境的实时流编码方法，首先，建立多信道下的实时流传输系统模型，然后针对实时流传输系统模型提出了可以渐进达到理论传输容量上限的编码方法，对实时流的应用与发展具有重要的意义。

本发明采用的技术方案是：一种用于多信道环境的实时流编码方法，首先建立多信道下实时流传输系统模型，得到实时流在多信道中的理论传输能力上限，针对该理论传输能力上限采用相应的编码机制；

所述实时流传输系统模型为：包含源节点，宿节点，以及π个突发擦除信道，各个突发擦除信道对应的信道容量c_π；设定解码允许的最大时延为d；设定擦除容忍度z_i；源节点向宿节点发送的消息记作M_i；M_i的编码窗口记作W_i；定义消息优先级为擦除容忍度的函数设定A_t是时隙t上的一组活跃消息，表示消息M_i的有效编码窗口包含了时隙t；

所述实时流包括：对称实时流以及非对称实时流；

所述对称实时流中的消息分布为：

其中，M_i表示时隙i上创建的消息，且i＝1,2,3,…,k，k为时隙个数，ρ_i表示消息优先级，t′表示第二任意时隙，t≠t′,t∈{d,...,k},t′∈{d,...,k}，H(·)表示消息去掉冗余后所携带的纯信息量；

所述非对称实时流中的消息分布为：

所述编码机制包括以下步骤：

a、采用第一编码算法，将实时产生的消息M_i编码成一个码字；

所述第一编码算法为：Reed-Solomon或Random Linear Code；

b、若实时流为对称实时流，则采用第二编码算法将编码块分配到每个信道中M_i所对应的编码窗口中的各个报文中，即，求出消息M_i在时隙t中，在信道j所发出的报文中所占的编码块大小若实时流为非对称实时流，则采用第三编码算法将编码块分配到每个信道中M_i所对应的编码窗口中的各个报文中；

c、将各个报文沿相应的信道，发送到接收方；

d、若接收方在时隙i+d-1之前接收，并且接收到与消息M_i相关的编码块大小之和大于或等于H(M_i)，则表示正确解码该消息；否则解码该消息失败。

进一步地，所述第二编码算法具体为：若M_i是高优先级消息，

则

否则，

其中，i′表示时隙，i≠i′,i′＝1,2,3,…,k；M_i′表示时隙i′创建的消息；s_i′表示消息M_i′的大小；s_h表示当消息M_i为高优先级时，H(M_i)值的大小；s_l表示当消息M_i为低优先级时，H(M_i)值的大小。

进一步地，所述第三编码算法具体为：若M_i是高优先级消息，

则

若M_i是低优先级消息，

当t是偶数，则

当t是奇数，则

其中，j′表示信道序号，且j≠j′,j′＝1,2,3,…,π；c_j′表示对应信道j′的容量，且c_j′∈(c₁,c₂,c₃,…,c_π)；，s_h表示当消息M_i为高优先级时，消息M_i的大小；s_l表示当消息M_i为低优先级时，消息M_i大小。

本发明的有益效果：本发明的用于多信道环境的实时流编码方法，以提高多信道环境下实时流业务的传输效率为目标，针对包含不同优先级信息帧的实时流，发现这类实时流在使用多个信道联合传输时的理论传输能力上限，并根据实时流属于对称或者非对称实时流的情况，设计对应的编码机制，实现多个信道并行传输一条实时流，并且能够合理使用信道资源，避免冗余浪费。特别的是，本发明所设计的用于多信道环境的实时流编码算法，可以渐进达到多信道传输实时流时的理论传输能力上限。

附图说明

图1为本发明提供的实时流传输系统模型示意图。

图2为本发明提供侧M²EIC编码示意图。

图3为本发明提供的每个时隙各信道中的编码块示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

本发明的技术方案为：一种用于多信道环境的实时流编码方法，首先建立锁心到下实时流传输系统模型，得到实时流在多信道中的理论传输能力上限，针对该理论传输能力上限采用相应的编码机制；

实时流传输系统模型如图1所示：包含源节点，宿节点，以及π(π理论取值范围为整数1到无穷大，但是在实际应用中，常见的取值有2、3、4等)个突发擦除信道，各个突发擦除信道对应的信道容量c_π；信道1,2,...,π的容量大小分别表示为c₁,c₂,...,c_π，也就是说，在每个时隙上，信道1,2,...,π能传输的报文大小分别为c₁,c₂,...,c_π，j表示信道序号，且j＝1,2,3,…,π；c_j表示对应信道j的容量，且c_j∈(c₁,c₂,c₃,…,c_π)。设定解码允许的最大时延为d；设定擦除容忍度z_i；源节点向宿节点发送的消息记作M_i；M_i的编码窗口记作W_i；定义消息优先级为擦除容忍度的函数设定A_t是时隙t上的一组活跃消息，表示消息M_i的有效编码窗口包含了时隙t。

为便于理解本申请内容，对以下概念做进一步阐述：

(a)源节点：i表示时隙，且i为非负整数，源节点在每个时隙i均产生一个随机消息用M_i表示。随机变量序列{M_i}是独立均匀分布的、非负的消息，且i＝0及之前都是空消息。高低优先级消息变化周期为T₀，T₀为正整数且不大于消息的最大时延d(正整数)。本发明设定每个消息周期包括一个高优先级消息加剩余的低优先级消息。若i≡1(mod T₀)，则消息M_i为高优先级消息，消息大小用H(M_i)表示，对应大小为s_h；否则M_i是低优先级消息，对应消息大小H(M_i)＝s_l。也就是说：

其中，mod表示求余运算。

(b)编码窗口W_i：M_i的“编码窗口”记作W_i，代表消息M_i从产生到接收期限之间的d个时隙(包括产生时隙和接收时隙)，信道j上与W_i对应的这组时隙记为W_i ^j，

(c)活跃消息：针对某消息M_i而言，若它的有效编码窗口包含第一任意时隙t，则称该消息在时隙t上为活跃消息，记为M_i∈A_t。即

(d)宿节点：接收消息，且必须在消息M_i生成后d个时隙内正确解码该消息，才能接收到有效的消息。

(e)数据率：信道j的容量c_j表示信道j在任意时隙可以传输一个大小为c_j的报文

(f)擦除容忍度：消息M_i的“擦除容忍度”z_i表示在M_i的编码窗口中，如果被擦除的报文数量不超过z_i，则M_i应该能够被宿节点正确解码。对于高优先级消息，设定其擦除容忍度z_i＝z_h；对于低优先级消息，设定其擦除容忍度z_i＝z_l。

(g)消息优先级：消息优先级定义为擦除容忍度的函数即ρ_i表示消息M_i的优先级，这个值越低，表示消息的优先级越高。高优先级消息的优先级低优先级消息的优先级ρ_h≤ρ_l≤1。

(i)对称实时流(SR流)与非对称实时流(AR流)：假定一个实时流＜M₁,M₂,...,M_k＞，其消息相应的优先级依次是＜ρ₁,ρ₂,...,ρ_k＞。在任意的两个时隙，比如第一任意时隙t和第二任意时隙t′(t≠t′,t,t′∈{d,...,k})，如果相应的活跃消息满足下式：

若则这个实时流称为对称实时流(SR流)。

若则这个实时流称为非对称实时流(AR流)。

其中，i表示时隙序号，且i＝1,2,3,,k，k为时隙个数，ρ_i表示消息优先级，t以及t′均表示时隙，H(·)表示消息去掉冗余后所携带的纯信息量；

(h)突发擦除模型：表示一组发生在信道j上的突发报文丢失的集合。具体说来，若说明报文丢失了，否则该报文被正确接收。在这种擦除模型下，我们需要在每个消息的时延期限之前，将其正确解码。

本申请提出了MRST容量(Multi-channel Real-time Stream TransmissionCapacity)。MRST容量表示给定的一组信道在传输实时流时的最大传输能力。在本发明所描述的系统中，由于每个时隙都有一个消息生成，即MRST容量＝消息大小上限max(H(M_i))/1，此时消息大小上限可被看作MRST容量的一种表示。

为了达到MRST容量，本发明提出了多信道最大均衡内联码(Multi-channelMaximum Equilibrium Intra-session Code，M²EIC)编码机制，并针对对称流和非对称流分别设计了M²EIC-SR和M²EIC-AR两种编码机制。

首先，M²EIC(Multi-channel Maximum Equilibrium Intra-session Code，多信道最大均衡内联码)编码机制具体为：

可在突发擦除多信道条件下，实现实时流传输时渐进达到MRST容量上限。

M²EIC编码的基本步骤是：

步骤a：采用第一编码算法，将实时产生的消息M_i编码成一个码字；其中“第一编码算法”，是指该编码算法可以把消息M_i编码成一个码字，这个码字符合优先级ρ_i的冗余度要求。即，码字中ρ_i比例的内容被接收方收到时，接收方即可正确解码消息M_i。符合这种需求的编码方式已经比较成熟，比如Reed-Solomon编码、Random Linear Code等。

步骤b：将编码块按照“合适的大小”，分配到每个信道中M_i所对应的编码窗口中的各个报文中，或者说，求出消息M_i在时隙t中，在信道j所发出的报文中所占的编码块大小这里的“合适的大小”是指若实时流是属于对称实时流，采用第二编码算法M²EIC-SR，若实时流属于非对称实时流采用第三编码算法M²EIC-AR，来对编码快大小进行分配。

步骤c：将各个报文沿相应的信道，发送到接收方。

步骤d：只要接收方在时隙i+d-1之前，接收到与消息M_i相关的编码块大小之和大于或等于H(M_i)，即可正确解码该消息。

其中，步骤b中，编码块大小在时隙t上各个信道中的分配，是整个M²EIC算法的核心。其编码块大小分配示意图如图3所示。考虑到对称流与非对称流在流特征上的不同，本发明针对这两种流分别设计编码块大小分配算法，并分别称为M²EIC-SR编码算法和M²EIC-AR编码算法。M²EIC-SR编码算法和M²EIC-AR编码算法分别在后续的算法2和算法3中进行详细的描述；本申请的M²EIC编码的基本步骤a-d具体实现过程如算法1所示。

M²EIC-SR编码算法

如前所述，表示在时隙t时，消息M_i在信道j所对应的报文中分配到的编码块大小。分别用ρ_h和ρ_l表示高优先级消息和低优先级消息的优先级，在M²EIC-SR中，消息被分配的编码块资源大小和优先级值ρ_i成反比。而高优先级消息优先级值更小，所以相同消息大小条件下SR流中高优先级的消息将会获得比低优先级消息更多的资源。即：

当为高优先级消息时，s_i＝s_h，ρ_i＝ρ_h；反之，当为高优先级消息时，设定s_i＝s_l，ρ_i＝ρ_l。

对信道j而言，存在：

故消息M_i在时隙t上总共可以分配到的编码块大小为：

可证明，使用M²EIC-SR编码机制，SR流经突发擦除多信道传输时可渐进达到MRST容量，即：

如算法2所示，M²EIC-SR算法中编码块大小分配具体步骤如下：

A1：判断M_i是高优先级消息，还是低优先级消息。如果是高优先级消息，进入步骤A2；否则，进入步骤c。

A2：进入步骤A4；

A3：进入步骤A4。

A4：返回

其中，i′表示时隙，i≠i′,i′＝1,2,3,…,k；M_i′表示时隙i′创建的消息；s_i′表示消息M_i′的大小；s_h表示当消息M_i为高优先级时，消息M_i的大小；s_l表示当消息M_i为低优先级时，消息M_i大小。

M²EIC-AR编码算法

针对M²EIC-AR这种方式，鉴于多信道AR流的复杂性，为简化分析过程，我们只考虑高低优先级报文交替出现以及消息大小一致特征下的情况。类似的，针对M²EIC-AR我们同样需要考虑编码块大小的分配问题。

使用图3中的编码块表示方法，则可得高优先级消息获得的编码块大小序列可以表示为而低优先级消息获得的编码块大小序列可以表示为

在κ个突发擦除信道上传输AR流(d，c＝2，ρ_h，ρ_l，s，k，n＝k+d-1),其中第j个信道的数据率为c_j，限定只能使用内联码，当k→∞时，消息大小s的上限s_ub为：

其中a表示标识的编码块在某高优先级消息M_i的编码块序列中所占的比例，b表示标识为的编码块所占的比例。因此则b＝1-a。

可以证明，MRST容量的值等于限定使用内联码时的消息大小上限，也就是上式中的s_ub。因此，为获得该上限，不同编码块的大小定义如下：

如算法3所示，M²EIC-AR算法中编码块大小分配具体步骤如下：

B1：判断M_i是高优先级消息，还是低优先级消息。如果是高优先级消息，进入步骤B2；否则，进入步骤c。

B2：进入步骤B4。

B3：如果t是偶数，则如果t是奇数，则进入步骤B4。

B4：返回

其中，j′表示信道序号，且j≠j′,j′＝1,2,3,…,κ；c_j′表示对应信道j′的容量，且c_j′∈(c₁,c₂,c₃,…,c_κ)；，s_h表示当消息M_i为高优先级时，消息M_i的大小；s_l表示当消息M_i为低优先级时，消息M_i大小。

本发明的一种用于多信道环境的实时流编码方法，以提高多信道环境下实时流业务的传输效率为目标，针对包含不同优先级信息帧的实时流，发现这类实时流在使用多个信道联合传输时的理论传输能力上限，并根据实时流属于对称或者非对称实时流的情况，设计对应的编码机制，实现多个信道并行传输一条实时流，并且能够合理使用信道资源，避免冗余浪费。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种用于多信道环境的实时流编码方法，其特征在于，首先建立多信道下实时流传输系统模型，得到实时流在多信道中的理论传输能力上限，针对该理论传输能力上限采用相应的编码机制；

所述实时流传输系统模型为：包含源节点，宿节点，以及π个突发擦除信道，各个突发擦除信道对应的信道容量c_π；设定解码允许的最大时延为d；设定擦除容忍度z_i；源节点向宿节点发送的消息记作M_i；M_i的编码窗口记作W_i；定义消息优先级为擦除容忍度的函数设定A_t是第一任意时隙t上的一组活跃消息，表示消息M_i的有效编码窗口包含了时隙t；

所述实时流包括：对称实时流以及非对称实时流；

所述对称实时流中的消息分布为：

$\underset{M_i\∈A_t}{\Σ}\frac{H\left(M_i\right)}{{\mathrm{\ρ}}_i}=\underset{M_i\∈A_{t^{\′}}}{\Σ}\frac{H\left(M_i\right)}{{\mathrm{\ρ}}_i};$

其中，M_i表示时隙i上创建的消息，且i＝1,2,3,…,k，k为时隙个数，ρ_i表示消息优先级，t表示第一任意时隙，t′表示第二任意时隙，t≠t′,t∈{d,...,k},t′∈{d,...,k}，H(·)表示消息去掉冗余后所携带的纯信息量；

所述非对称实时流中的消息分布为：

$\underset{M_i\∈A_t}{\Σ}\frac{H\left(M_i\right)}{{\mathrm{\ρ}}_i}\≠\underset{M_i\∈A_{t^{\′}}}{\Σ}\frac{H\left(M_i\right)}{{\mathrm{\ρ}}_i};$

所述编码机制包括以下步骤：

a、采用第一编码算法，将实时产生的消息M_i编码成一个码字；

所述第一编码算法为：Reed-Solomon或Random Linear Code；

b、若实时流为对称实时流，则采用第二编码算法将编码块分配到每个信道中M_i所对应的编码窗口中的各个报文中，即，求出消息M_i在时隙t中，在信道j所发出的报文中所占的编码块大小若实时流为非对称实时流，则采用第三编码算法将编码块分配到每个信道中M_i所对应的编码窗口中的各个报文中；

其中，j表示信道序号，且j＝1,2,3,…,π；c_j表示对应信道j的容量，且c_j∈(c₁,c₂,c₃,…,cπ)；

c、将各个报文沿相应的信道，发送到接收方；

d、若接收方在时隙i+d-1之前接收，并且接收到与消息M_i相关的编码块大小之和大于或等于H(M_i)，则表示正确解码该消息；否则解码该消息失败；

所述第二编码算法具体为：若M_i是高优先级消息，

则

否则，

其中，i′表示时隙，i≠i′,i′＝1,2,3,…,k；M_i′表示时隙i′创建的消息；s_i′表示消息M_i′的大小；s_h表示当消息M_i为高优先级时，H(M_i)值的大小；s_l表示当消息M_i为低优先级时，H(M_i)值的大小；ρ_h表示高优先级消息的优先级；ρ_l表示低优先级消息的优先级；

所述第三编码算法具体为：若M_i是高优先级消息，

则

若M_i是低优先级消息，

当t是偶数，则

当t是奇数，则

其中，j′表示信道序号，且j≠j′,j′＝1,2,3,…,π；c_j′表示对应信道j′的容量，且c_j′∈(c₁,c₂,c₃,…,c_π)；s_h表示当消息M_i为高优先级时，消息M_i的大小；s_l表示当消息M_i为低优先级时，消息M_i大小；s_ub表示消息大小的上限。