CN1115812C - 用于处理多信源数据的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明包括准备数据以便传输的方法，该方法包括：多路复用来自多个信源(S1，...Si，...Sn)的数据，多路复用包括，对至少一个信源(Si)，根据该数据的优先级，将来自信源(Si)的数据划分为两类或更多类(C1，...Cj，...Cm)，并且根据该数据的类别(Cj)以及指派给发起该数据的信源(Si)的优先级，将来自该信源的数据映射到某个数据结构(D)中的位置；以及将数据结构(D)中的数据细分为帧，而保留该数据的相对优先级排序。以上信源可以是各种多媒体信源。本发明公开了在保留数据相对优先级排序的同时对多路复用数据进行正向纠错法(FEC)编码以便传输的方法，以及对数据进行分解和多路分解的方法。此外还公开了实现以上方法的装置。

Description

用于处理多信源数据的方法和装置
本发明一般涉及数据的多路复用、编码和传输。更确切地说，本发明涉及传输从多个信源发起的数据。这些信源可以是多媒体信源。
语音和数据为单媒体业务的例子。对单媒体业务而言，采用正向纠错法(以下称为FEC)模式，并且针对每种情况开发正向纠错模式。FEC利用冗余使讹误数字信号的接收方确定实际发送的信号。因此，FEC能够减轻易出错误的传输路径引起的数据讹误。
就语音而言，考虑到传输期间位误差对不同位流参数的不同影响，开发FEC模式通常包括为每个系统创建不同的FEC模式。这意味着为了将新的语音编码解码器插入到系统中，通常必须重新设计FEC。
在设计特定类型媒体传输(如语音或视频)的FEC模式时，最好采用某种类型的联合信源/信道或不对称保护编码技术，以便对数据流中比较重要的数据段提供比较多的保护，而某些位可能不会受到任何FEC保护。
对特定参数或位的FEC保护的不同要求，是单信源低位率信源编码器的公知特征，即对特定类型媒体传输起作用。例如，在视频编码语境中，与DCT(离散余弦变换)系数中的误差相比，运动向量中的误差会引起更大的看得见的降级。该要求意味着应用FEC要详细了解信源编码算法。
用于单业务(如语音)的现有移动系统FEC模式，通常固定不变地利用速率兼容收缩(punctured)卷积(以下称为RCPC)编码，以便向编码器位流的不同位提供差分误差保护。例如，参见Hagenauer的现有技术刊物，“速率兼容收缩卷积编码(RCPC编码)及其应用”，IEEE TransComms，Vol.COM-36，No.4，1988年4月。然而，在以上单业务应用中，正如不同参数的FEC帧中的位置一样，受保护的位数通常是固定的。换句话说，对于可变位率的信源，从几种有限的可能中选择编码准则。
另外，考虑到移动系统，为该系统设计FEC模式的现有方法是为单业务(即语音)开发的。尽管以上FEC模式的性能对于以上单业务几乎是最优的，但是对多媒体采用类似方法可能会与不同业务的误差性能失配，并且可能浪费信道资源。
在多媒体环境中，通常必须将来自诸如视频、音频和数据之类的多信源的位流多路复用为单一位流。有许多标准定义了实现以上处理的方法，如ITU-T建议H.223“非电话信号的电话线传输-用于低位率多媒体通信的多路复用协议”。
多媒体业务的常规设计利用各种业务的不同FEC模式，随后多路复用所有模式。为了保护多路复用信息，需要额外的误差保护。这种结构是复杂的、不灵活的。利用以上设计原则，很难保证各种业务对信道位误差率(BER)协议子集具有类似的质量，特别是增加新的业务成分时，如增加新的语音编码解码器时。因此，众多业务成分的相对鲁棒性很可能不同，从而导致在不同位率以及覆盖区内不同位置出现的成分的质量降级。用实际术语来说，例如位于覆盖区边缘或位于地势凹陷处的移动用户，可能会经受接收其他业务之前的某些多媒体业务的严重降级。这显然是不合乎需要的，特别是特定应用中诸如文本或图象之类的相对重要的业务成分比诸如声音之类的不太重要的业务成分降级更快时。
在多媒体数据传输中，特别是对于未来的移动系统，业务提供商或网络经营者可能期望能够方便、快捷地引入新业务。在多媒体语境中，该业务包括将不同的音频、语音以及视频编码解码器综合起来，以便满足特定市场环境。就多媒体业务的不同成分的质量而论，该环境可能需要极不相同的要求。
业已公开的欧洲专利申请EP-A-0171596提供了一种信号集线器结构。将众多用户信道集中到一公共通信信道上。为此，对各用户信道的信息进行缓冲并按优先级排序，并且根据该优先级传输到公共通信信道。根据信息的类型指派信息的优先级，例如数据包比声音包具有更高的优先级。为了保持与标准语音有关的延迟，可以对某个特定信源的声音包指派与不同信源的其他声音包不相同的优先级。
业已公开的美国专利US-A-5280479说明了一种多路复用设备，该设备将几个不同信源提供的数字包插入到同一传输信道。作为包类型的函数，各信源为每个包产生一个插入优先级次序。例如，根据正在存储的等待传输的包的数目，特定信源可以具有与其他类似信源不同的优先级。
根据本发明，准备多信源数据以便传输的方法包括：多路复用多信源数据，多路复用包括，对至少一个信源，根据数据的优先级，将来自该信源的数据划分为两类或更多类，并且根据该数据的类别以及指派给发起该数据的信源的优先级，将来自该信源的数据映射到某个数据结构中的位置；将数据结构中的数据细分为帧，而保留该数据的相对优先级。
将来自第二信源或其他信源的数据划分为多个类，这些类不必与第一所述信源中使用的类相同，即使用的特定类是有关信源特有的。
同时提供体现以上准备数据方法的对数据进行编码以便传输的方法。对数据进行编码以便传输的方法包括：根据上述给定的准备数据的方法，准备来自多个信源的数据，并且对以上数据帧执行正向纠错法(FEC)编码，而保留该数据的相对优先级。
可以分别根据数据和信源对数据接收方的重要性，将数据划分为类和/或对信源进行优先级排序。
另一方面，可以根据传输误差对数据的潜在影响，将数据划分为类和/或对信源进行优先级排序。
同时提供对数据进行解码和多路分解的方法。
对根据上述给定的编码方法编码的数据进行解码和多路分解的方法包括：首先将该数据解码为帧，随后将该数据帧重构为某种数据结构，最后将该数据多路分解回发起该数据的信源格式。
本发明还包括适宜执行上述任给方法的装置。
本发明简化了到达或来自多媒体终端的数据传输，其中多媒体终端可以是移动的。为了以上传输而对数据进行处理的过程包括：在考虑上述两种优先级的同时多路复用数据，将如此创建的数据结构划分为帧，最后对该数据进行编码，最好采用RCPC正向纠错法模式。
本发明具有许多优点。主要体现在系统允许广泛选择输入信源和编码解码器，当增加新编码解码器或删除编码解码器时，无需大量重新设计系统。因此可以将编码解码器简单看作“模块”部件。
至于在传输前对数据进行编码，由于对所有业务和所有逻辑信道使用单一FEC编码器和解码器设计，所以为了平衡性能，只需简单增加新编码解码器和新业务选择项，而无需重新设计现有编码解码器或新编码解码器FEC保护。
本发明能够灵活改变某个多媒体呼叫的各逻辑信道(即信源)的FEC速率，从而允许FEC保护在将要修改的多媒体传输的不同业务之间进行折衷。这甚至在呼叫期间也能发生。可以根据意愿选择信源的相对优先级以及来自各特定信源的不同种类数据的优先级。
图1表示本发明的一种实施方式，其中对来自多信源的数据进行多路复用、准备和编码，以便进行TDMA传输。
图2表示从某个信源选择位，其中对每类选取相同比例的位。
图3A表示根据本发明的一种映射模式，该模式将来自两个信源的位映射到一个数据结构中。
图3B表示根据本发明的第二映射模式，该模式将来自两个信源的位映射到一个数据结构中。
图4表示FEC保护模式适应数据吞吐量改变的示例。
在其最普通的形式中，本发明涉及为传输来自多信源的数据而作准备。如同可以对信源本身指派不同优先级一样，可以对某个信源内的数据指派不同的优先级。由各信源输出的数据构成一个“逻辑信道”，为了传输，必须多路复用逻辑信道的数据，并将该数据划分为帧。
用示意图表示的本发明的最佳实施方式，表示根据上述模式准备数据、具有正向数据纠错并最终将数据传输到接收方的方法和装置。在其最完整的形式中，本发明从多个信源获取数据并且优化数据处理，以便传输。这种准备以及该准备包含的编码对使数据对接收方最为有用是关键的，利用可能将误差引入接收数据的传输路径，可以从传输用户中分离出该数据。误差的性质以及其出现频率随时间变化。
图中选作示例的本发明的实施方式从多个信源接收数据。所有信源可以具有不同数据速率和格式，并且各信源可以提供对传输接收方具有不同重要性的数据。例如，与音频编码解码器相比，诸如视频编码解码器之类的信源可能产生较大的数据帧，但是每秒产生较少的这种数据帧。
图1表示本发明的方法。数据源可以具有各种格式。图示信源为视频编码解码器(VC)，语音/音频编码解码器(S/A C)以及数据源(DS1...DSn)。与图示相比，可以具有更多或更少的视频编码解码器和/或音频编码解码器，并且可以直至n个通用类型的数据源DS。这些信源可以为部分移动多媒体终端或终端，或者向以上终端提供传输数据。该实施方式还包括用于移动多媒体系统的FEC框架。此时，图示了RCPC技术。可以作为现有简单多路复用模式(如从H.223了解)的扩展实现本发明。
详细考虑图1：
(i)该图的最上一行表示数据源VC、S/A C以及DS1...DSn。
(ii)第二行表示来自各信源的数据，已经将该数据划分为类。对于视频编码解码器而言，从类N延续到类1，其中CRC位为单独类。
在仅服务一个信源的专用低位率语音编码解码器的现有技术中，将来自一个信源的所有位按优先级排序为类是周知的。在大多数情况下，将单独信道的位流划分为与诸如语音帧或视频帧之类的信源编码算法的某些逻辑结构有关的组集。这适用于单一单独信道的现有技术结构，也适用于本发明的各个信道。
(iii)第三行表示代表将以上数据多路复用为单一数据结构的步骤的宽箭头，数据结构D包括从类P+、类P、类P-1到类1中的数据，其中该图中的第四行表示类P+、类P、类P-1到类1。在该图的本部分叠加表示各信源的相对优先级的图示，距该图右边的距离表示优先级。例如，“视频优先级”大于“数据源1的优先级”。
直接位于语音/音频编码解码器之下的箭头表示其宽度不受限制。这表示语音/音频编码解码器是速率确定信源。用实际术语来说，这表示仅从其他信源抽取部分数据并用于创建的各数据结构。仅将语音/音频编码解码器信源产生的全部数据集合并到一个数据结构中，例如整个语音帧的数据。图2表示从非速率确定源的各信源选择部分数据，将结合该图进行更详细的论述。可以有多种方式选择速率确定源。例如，选择支持这些业务的信源：由于在传输期间的定时抖动使其传送极其不利。
(iv)该图的第四行表示多路复用步骤产生的数据结构D。
(v)该图的第五行表示RCPC帧，其中已经对数据结构D中的数据进行了划分。进行该划分，以保留数据结构中数据所具有的相对优先级。
(vi)该图的第六行利用箭头表示编码并收缩RCPC帧中的数据，将产生的数据交错到各槽中以便传输，该图的第七行和最后一行表示传输槽本身。
(vii)该图的第七行表示传输槽中的数据，这里为TDMA脉冲串。
多信源的现有FEC模式被设计为：在多路复用之前对各信源进行FEC编码。在多路复用阶段，各业务或逻辑信道具有与其他业务有关的固定的重要性。与此相反，本发明的实施方式对各逻辑信道(因此包括其有关业务)分配一个相对优先级，并在FEC编码之前进行多路复用。可以在呼叫建立期间分配相对优先级。优先级信息应包括信道定义表并且可以在呼叫期间动态改变。
根据本发明，各逻辑信道具有确定数目的优先级类，各类具有已知位数，在类中排列位流的有关部分。随后多路复用层从各逻辑信道的各类中选择部分位。图2以更详细的方式表示以上选择。
详细考虑图2：
(i)在该图的上部表示来自某一信源的数据帧，其中数据已被划分为类。数字16、16、40和16表示紧邻各数字下数据类中的位数。
(ii)该图的下部表示从各类获取的用于多路复用的选择位。在该例中，选择位包含单一原始数据帧中出现的所有位的50％。位于选择下的数字8、8、20和8表示从原始帧的各类中获取的位数。随后将该图上部表示的单一帧中的剩余数据多路复用为下面的数据结构或结构。
根据本发明，利用多路复用的输出数据单位的大小，确定从各类选择的位数。其大小是多路复用的特定类型和实现方式所特有的，但通常受其输出帧不能划分为多个输出数据集的逻辑信道的限制，也受物理信道数据速率的限制。
在常规多路复用模式中，通常从输入数据集中顺序选择位。然而，在本发明中，按以下方式选择类Cj的所有位，以致产生的数据集与特定信源的输入数据帧中各类的位具有相同比例。再次参见图2。解释以上选择的另一种方法是：将逻辑信道中的各类看作具有固有数据速率和保护模式的虚拟子信道。
随后按照全局优先级次序排列由所有逻辑信道形成的类，从而创建数据结构(D)。全局优先级是根据各逻辑信道的相对优先级和每个信道内所有类的优先级导出的。数据结构D由图1中的第四行表示，并且包括数据类P+、P、P-1、...1。
有多种方法使用(即组合)各信道内特定类的优先级以及该信道相对于其他信道的优先级。图3A和图3B表示将所有信道类映射为一个综合排序的两种方法。
根据图3A所示的结构，可以使用一个单一数字来定义各逻辑信道的优先级。该图的第一行表示两个信道，即一个视频信道和另一音频信道，及其数据类。随后在该图的中央部分再次表示各信道的所有类，从该图右边的偏移量取决于该信道的优先级。最后，该图的最后一行表示由于多路复用以上两个信道的所有类而产生的数据结构D。
在所示的情况中，数据结构内的排序仅仅是各类的混合。在该例中，已经将各信道的CRC位附加到该信道最高优先级类数据的左边。从而将视频信道的CRC位附加到该信道的类3位。除包含CRC位的以上组合外，在图3A的示例中，各类的左边定义不同信道中的哪个类得到较高优先级。
从图3A所示的示例之外看，取决于所包含的信源，CRC位可以比该信源的最高优先级数据类更重要或不如该信源的最高优先级数据类重要。
在图3B所示的结构中，该图表示图3A的另一种方式。在该结构中，该图的顶部表示具有相同类的两个信道。现在利用两个数字定义信道的优先级，即最大值和最小值。该技术允许各信道内的所有类在给定的最高优先级和最低优先级之间沿全局排序扩展。该图的中央部分表示两个信道以及从右边的偏移。此时，优先级随各信道内所有类的变化而变化，从而对于每一个信道所有类在“最高优先级”和“最低优先级”之间扩展。
以上结构对以下情况是有效的，即某一信道的最高优先级类比另一信道的最高优先级类更重要，而其最低优先级类较不重要。事实上，图3B的结构划分图3A所示的相同信道的相同类数据，但产生不同的数据结构D。
另一方面，该图并未示出，所有类可以具有将信道类映射为全局类的专用映射。
现在考虑由于多路复用而产生的数据结构D，该数据结构接收从不同信源映射来的不同类。该数据结构在图1中表示为类P+、P、P-1、P-2...1组成的行。该数据结构具有一个包含组帧信息的报头，其中将报头置于最高优先级类中。在图1中用P+表示。报头信息是重要的，所以必须重点保护。报头讹误意味着不能了解多路复用数据集的结构，因此不能使用数据集。所示的数据结构的数据优先级从左至右递减。
在将数据位映射到数据结构D之后，随后将全局排序的所有位置于帧中。对于FEC编码而言，最好为FEC数据帧。在创建这些帧期间，应保持多路复用步骤中赋予数据的优先级排序。FEC数据帧应支持不同类的所有位的差分保护。毫无疑问，RCPC技术是这种组帧的候选技术，尽管显然可以使用其他技术。
在将数据结构(D)中的数据细分为FEC帧期间，保留数据的相对优先级次序。利用以下简单算法将所有位映射到FEC(RCPC)帧中，即从全局排序中最重要的位(类P+)到最不重要的位(类1)开始，在图1中从左至右，首先填充帧中最受保护的部分(RCPC帧中的最外部分)。以上算法满足为了将缓冲要求和延迟降到最低而将类P+的各位置于第一帧中最受保护部分的要求。某些位可能未受到保护(图2中的类2和类1)。这些位可能是信源编码方法中的不敏感参数，或者是不受延迟要求的位，利用ARQ类型模式能够确保最终正确传输数据。
随后对数据帧进行编码以便传输。在最佳实施方式中，使用FEC编码。在RCPC编码中，还对数据进行收缩，而保留数据的相对优先级。随后就可以传输数据。为了提高突发信道的性能，可以进行交错。
数据的接收方必须能够将该数据变换回原始传输格式。随后该数据重新获得原始信源Si产生数据时所原始具有的格式和含义。因此，本发明可推广到对数据进行解码和多路分解的方法。
解码处理是编码处理的逆过程。假设同时向编码器和解码器提供多路复用组帧、信道定义和FEC模式细节的知识。对根据上述方法步骤编码的数据进行解码和多路分解的方法包括：将该数据解码为帧，随后将该数据多路分解回发起该数据的信源的格式。数据的多路分解包括：对按照上述方式多路复用的数据进行多路分解。根据上述多路分解，最好在传输和解码之后，对用户接收的数据执行上述多路复用的逆过程。多路分解将数据转换回发起该数据的信源的格式。
显然可以使用多种适宜于执行上述方法步骤的电路实现本发明的方法。尽管并不限于这种硬件，适合本发明性能的电路包括适宜编程的微型控制器或为执行特定方法步骤而专门构造的特定应用集成电路。
具有自适应FEC速率模式的实施方式
对基本发明的另一改进是修改所采用的FEC保护模式。可以响应数据吞吐量的变化、用于传输的无线信道质量的变化、抑或可用信道带宽(即TDMA槽数)的变化，进行修改。
对于RCPC，最简单的方法是修改输出多路复用数据集之间的收缩，将收缩模式的变化通知接收方。为了最大限度地降低RCPC帧中FEC编码的复杂性，最好在所有情况下均从RCPC帧的起始位置以相同的速率对多路复用的报头进行编码，随后改变RCPC帧中某点之外的所有位的收缩模式(参见图4)，通常为4-5个约束长度的父卷积编码。

Claims (8)

1.一种准备数据以便传输的方法，该方法包括：
多路复用来自多个信源S1，...Si，...Sn的数据，多路复用包括，对至少一个信源Si，根据该数据的优先级，将来自信源Si的数据划分为两类或更多类C1，...Cj，...Cm，并且根据该数据的类别Cj以及指派给发起该数据的信源Si的优先级，将来自该信源的数据映射到某个数据结构D中的位置处；以及
将数据结构D中的数据细分为帧，而保留该数据的相对优先级。
2.一种对数据进行编码以便传输的方法，该方法包括：
根据权利要求1的方法准备来自多个信源S1，...Si，...Sn的数据；以及
对数据帧进行正向纠错法FEC编码，而保留数据的相对优先级排序。
3.根据权利要求1的方法，其中分别根据数据以及信源对数据接收方的重要性，将数据划分为类C1，...Cj，...Cm和/或对信源S1，...Si，...Sn进行优先级排序。
4.根据权利要求1的方法，其中根据传输误差对数据的潜在影响，将数据划分为类C1，...Cj，...Cm和/或对信源S1，...Si，...Sn进行优先级排序。
5.根据权利要求2的方法，其中分别根据数据以及信源对数据接收方的重要性，将数据划分为类C1，...Cj，...Cm和/或对信源S1，...Si，...Sn进行优先级排序。
6.根据权利要求2的方法，其中根据传输误差对数据的潜在影响，将数据划分为类C1，...Cj，...Cm和/或对信源S1，...Si，...Sn进行优先级排序。
7.一种对根据权利要求2、5、6中任一方法编码的数据进行解码和多路分解的方法，其中首先将该数据解码为帧，随后将该数据帧重构为数据结构D，最后将该数据多路分解回发起该数据的信源S1，...Si，...Sn的格式。
8.适合执行权利要求1到权利要求7中任一方法的装置。
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