CN113890683A - 一种基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，在建立阶段采用偏移编码的机制，减少连通分支个数，减少前期发送度为1的输出符号数量，加速建立阶段最大连通图的构建，进而加速恢复重要符号。在建立阶段，采用新的不等差错保护机制，将选择符号的过程分为三种情况，对不同情况赋予不同概率，实现不等差错保护的同时，也能完成部分非重要符号的译码工作，减少扩展窗技术造成的冗余，提升后期对非重要符号的恢复速率。在完成阶段采用选取参与编码次数最少的输入符号进行编码的方案，减少因随机选择符号造成的重复编码，同时使连通分支数量以较快的速度减小，结合建立阶段的部分已译码的非重要输入符号，提高整体译码成功概率。

Description

一种基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法

技术领域

本发明涉及无线网络多媒体数据的可靠性传输技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法。

背景技术

随着近年来无线多媒体通信的普及，移动视频平台短视频创作者数量出现了爆炸性的增长。预计到2022年，视频将占移动通信流量79％，超高清(或4K)视频将占全球IP视频流量的22％。随着第五代移动通信网络的商业化，及其低时延高可靠特点使远程医疗、远程驾驶、自动驾驶和工业互联网等实时应用成为可能。然而即使是在5G通信里，无线视频传输仍然富有挑战。

传统基于删除信道的网络通信通常都遵循TCP/IP协议。但为确保传输的可靠性，该协议要求接收端每收取一次数据，都要通知发送端是否正确接收信息，当接收出错时发送端还需重新发送数据，这样的传输方案效率较为低下。针对这些问题，John Byers提出了喷泉码。作为前向纠错码(FEC码)，喷泉码没有固定码率，由于其更容易获得高效传输的特性，因而被广泛的称作无码率码。相比于传统的FEC码，喷泉码具有编译码复杂度低、无需反馈及重传、码率自适应、支持异质用户等特点，能够较好地解决传统FEC码在时变信道、广播通信系统中表现不佳等问题。2002年，Luby提出了第一个可以运用于实际传输的数字喷泉码——LT码，该编码方案在编码时通过随机选取数据，生成长度可变的数据流，以满足不同的信道及不同的业务需求。但其译码时进行的总计算量不受数据编码长度影响，且译码时度分布函数的好坏对译码结果有着极大的影响，译码失败的风险很高。针对这种情况，Shakrollahi为改善LT码的缺点，提出了利用传统编码与LT编码级联的Raptor码，其复杂度更低，同时拥有较为不错的性能。Raptor码利用传统信道编码级联LT码，首先对数据进行预编码，生成中间符号，然后再将中间符号利用LT编码进行第二次编码。通过这种方法，译码时无需恢复所有编码信息，而是通过预编码所携带的信息来解出剩余信息，利用这样的方法达到降低译码开销的目的。

LT和Raptor码等编码设计的目的是尽可能减少成功地解码整个数据块所需的编码符号的数量。然而这些编码方案在完成解码之前，由于缺少反馈机制，不能根据即时译码状态信息更新编码策略，译码性能有待提高。因此，近年来，研究人员提出了一些针对喷泉码的自适应方案。这些方案是通过将解码状态信息从接收端反馈给发送端，以便选择后续要传输的输入符号。然而这些方法通常会出现增加编码复杂度、实现过程过于复杂等问题。针对这些问题，Cassuto等人于2015年提出了基于单分图信息反馈机制的喷泉码，称为在线喷泉码。该编码朝着优化自适应方案的方向进行了进一步发展，寻找在给定任意解码状态下可以找到可证明最优编码策略的编码方案，以实现更快的解码，译码端需要反馈的信息只有最优编码度，反馈机制复杂度低。在实际应用中，可以有效地找到给定当前状态的最优编码策略，可以保证在任何时间点的快速解码，而不需要对编码器和信道状态进行任何的假设，无论之前的编码和传输有多差，在线喷泉码都可以保证当前状态下的最佳性能。

为了对不同优先级的数据进行传输，某些重要数据对延迟要求较高，重要级高的数据要求更快的恢复时间。针对这个问题，Jingxuan Huang等人在《On-Line FountainCodes with Unequal Error Protection》(Jingxuan H,Zesong F,Congzhe C等.On-LineFountain Codes with Unequal Error Protection[J].IEEE Communications Letters,2017,21(6):1225-1228.)中提出了一种具有UEP特性的在线喷泉码(下文称UEP喷泉码)，利用扩展窗保护技术保证重要部分数据的译码速率。Peixiang Cai等人在《Online FountainCodes With Unequal Recovery Time》(Cai P X,Zhang Y,Pan C Y,et al.OnlineFountain Codes with Unequal Recovery Time[J].IEEE Communications Letters,2019,23(7):1136-1140.)中提出了两种具有UEP特性及不等恢复时间(URT)性质的在线喷泉码(下文称URT喷泉码)。第一种方法在build-up阶段采用了扩展窗技术，来进行重要符号最大连通分量的建立，加速build-up阶段的完成，使得其提前完成重要符号的译码。同时该算法在completion阶段采用按照窗口顺序来进行解码，因此只有在一个重要等级的输入符号解码完成后，才会开始利用下一个窗口进行编码，提升了重要节点的解码速度。第二种方法在build-up阶段生成度为2的输出符号的过程中，从所有输入符号中选取两个符号进行异或，这样会保证最大连通图中包含足够多的各优先级的输入符号，加速整体数据的恢复速度。

上述UEP喷泉码方法虽然实现了不等差错保护，但是重要数据恢复开销仍然较大，因此可能会导致视频播放卡顿的情况出现；上述URT喷泉码中方法一牺牲了整体恢复速率，存在实时译码性能不好、整体数据恢复开销较大的问题。若将该方法运用于视频传输中，在用户追求画质的情况下，该方法很容易导致出现视频清晰度达不到用户要求等情况发生；而方法二存在重要数据恢复开销大的问题，运用于视频传输中，在用户要求视频播放的流畅时，容易出现视频卡顿等情况发生。

发明内容

根据上述提出的技术问题，提供一种基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法。本发明的目的是改进已有基于反馈信息的具有不等差错保护特性的在线喷泉码，提升译码成功概率及重要符号恢复速率，进而提高对SVC格式分级视频重要部分的保护，同时保证整体数据的恢复速率，提高传输的速率和可靠性。面对不同用户的需求，都可以提供质量保证的，时延较低的可分级视频传输服务。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，包括编码端操作和译码端操作，以及二者的信息交互，其中：

所述编码端操作包括如下步骤：

S1、统计待传输编码视频各层文件的大小，对待传输的n个文件进行分组；

S2、编码端持续发送度为1的编码符号，直到收到译码端的反馈信息“2”为止；

S3、编码端持续产生度为2的编码符号，直到接收到译码端发出的新的反馈信息为止，新的反馈信息指出译码端期望接收的编码符号的度；

S4、编码端产生度为d(d≥2)的编码符号，其中d的值由译码端反馈得到，直到收到译码端反馈回“MIB完全译码”信息，更新编码过程；如果收到“完全译码”的反馈信息，停止编码。

所述译码端操作包括如下步骤：

A1、初始化阶段：初始化译码图G＝(V,E)，其中，V为K个输入符号所在的节点集合，E为空集；

A2、预建立阶段：译码端在预建立阶段仅接收度为1的编码符号，译码端恢复产生编码符号的输入符号并且将译码图中对应被恢复输入符号的节点转变成黑色，仅当被恢复的输入符号数不少于X时，译码器发送消息“2”给编码端，指出译码端需要度为2的编码符号；

A3、建立阶段：译码端持续接收度为2的编码符号；更新译码图；

A4、后建立阶段：译码端只接度为1的编码符号，译码器将译码图中与该编码符号对应的输入符号转换为黑色节点，当译码图的最大连通分量均为黑色节点时，译码端计算最优度，并将该最优度

反馈给编码端，指出译码端需要度为

的编码符号；

A5、完成阶段：译码端接收度为

的编码符号；执行译码过程，并更新译码图，若最优度发生改变，则向发送端反馈更新后的

A6、重复步骤A5，当所有MIB数据均被恢复时，译码端发送“MIB译码成功”消息给编码端，直到所有的输入符号均被恢复，则译码端停止译码并向发送“译码成功”消息给编码端。

进一步地，所述步骤S1中，对待传输的n个文件进行分组包括：

S11、将第i层的待传输文件分成多组，每组包含K_i个l比特信息，其中，K_i和l均为正整数，且

S12、将基础层的第j组数据作为重要数据(MIB)放置在前，将其余n-1层增强层的第j组数据作为不重要数据(LIB)放置在后；

S13、若第i层文件的最后一组少于K_i×l比特，则将分组内的剩余比特位补零；K个l比特信息构成了K个输入符号。

进一步地，所述步骤S2中，度为1的编码符号的产生过程包括：

随机从来源于MIB的输入符号中选择1个输入符号，编码符号的值即为被选输入符号的值。

进一步地，所述步骤S3中，度为2的编码符号的产生过程包括：

编码器从待编码原始数据中选择两个输入符号，并将选择的两个原始输入符号或产生一个输出符号；其中，两个输入符号的选择存在如下三种情况：

情况1，两个输入符号均来自MIB；

情况2，两个输入符号均来自LIB；

情况3，一个输入符号来自MIB，另一个输入符号来自LIB；

情况1、情况2和情况3出现的概率分别是q₁,q₂,q₃，且满足q₁+q₂+q₃＝1；

在情况1出现的情况下，编码器随机从如下两种异或方式中选择一种产生编码符号：

方式一，两个输入符号直接异或；

方式二，第一个输入符号左移1位与第二个输入符号进行异或。

进一步地，所述步骤S4中，编码端产生度为d的编码符号存在如下三种情况：

情况1，MIB没有完全译码，利用扩展窗技术选取编码窗口，在该窗口中随机选取d个编码符号；

情况2，MIB完全译码，且当前度d为2，则选取两个参加编码次数最少的LIB输入符号进行异或；

情况3，MIB完全译码，且当前度d大于2，则随机从LIB中无重复地选取d个输入符号进行异或。

进一步地，所述步骤A3中，建立阶段具体包括：

A31、如果接收到的编码符号带有偏移，且是由一个黑色节点和一个白色节点异或得到，译码器恢复白色节点对应的输入符号的值并将它的颜色更新为黑色，在这两个节点间增加一条连边；

A32、如果接收到的编码符号带有偏移，且是由两个白色节点异或得到，判断两个节点是否处于同一连通分量，若处于同一连通分量，则搜索两个节点间的通路，恢复通路上所有白色节点对应的输入符号的值并将它的颜色更新为黑色，若处于不同的连通分量中，则将其存入缓冲区，等待两个节点处于同一连通分量后再进行译码；

A33、如果译码端编码符号由一个黑色节点和一个白色节点直接异或得到，译码器恢复白色节点对应的输入符号的值并将它的颜色更新为黑色，在这两个节点间增加一条连边；

A34、如果接收的编码符号是两个来自不同连通分量的两个白色节点的异或，在两个白色节点间增加一条连边，从而使得两个独立的连通分量合并成一个较大的连通分量；

A35、如果接收的编码符号是两个来自相同连通分量的白色节点对应输入符号的异或，或者是两个黑色节点的异或，则接收的编码符号没有携带任何附加的信息，因此，丢弃该编码符号。

A36、根据步骤A31-A35更新译码图，直到MIB的最大连通分量的规模达到β₀K₀；查看该最大连通分量是否全部为黑色节点，如果全部为黑色节点，译码端计算最优度d，并将该最优度的值反馈给编码端，执行步骤A5；否则，译码器发送消息“1”给编码端，指出其现在需要接收度为1的编码符号，执行步骤A4。

进一步地，所述步骤A5中，完成阶段具体包括：

A51、如果编码符号由来自两个不同连通分量的两个白色节点和其他可选的黑色节点异或得到，则在两个白色节点间增加一条连边，使得两个连通分量合并为一个连通分量，即第2类事件发生；

A52、如果编码符号由一个白色节点和多个黑色节点异或得到，即第1类事件发生，译码器将立即恢复与该白色节点对应的输入符号；因为添加到译码图中的连边均来自于接收到的编码符号由两个在不同连通分量里面的白色节点和可选的黑色节点异或得到，所以与该白色节点在同一连通分量内的所有节点对应的输入符号均可被恢复；译码器将所有被恢复输入符号对应的节点转变为黑色，译码端进一步访问缓存，译码并更新译码图；

A53、利用扩展窗技术进行不等差错保护，将MIB作为一个扩展窗，所有数据作为另一个扩展窗，根据所选扩展窗中黑色节点在全部输入符号中所占的比例β，更新待反馈给编码端的最优度

将所选窗口和最优度

反馈给编码端；

A54、除步骤A51及步骤A52的情况以外，其余情况的编码符号并不包含可用的信息，丢弃此类编码符号。

进一步地，在所述建立阶段，译码偏移编码的过程如下：

若两个输入符号处于同一连通分量，则搜索两个节点间的通路，将通路上的编码符号进行异或，得到第一个输入符号与自己左移1位的异或结果；由于得到的符号最后一位已知，因此通过与倒数第二位异或即可得到该输入符号倒数第二位的值，以此类推，即可译码该输入符号，通过该输入符号，该连通分量中的其余输入符号便可成功译码；如果接收到的编码符号为偏移编码且处于不同的连通分量中，则将其存入缓冲区F，等待这两个输入符号处于同一连通分量后即可进行译码。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，通过在建立阶段采用偏移编码的机制，能够减少连通分支的个数，减少了前期发送度为1的输出符号数量，从而加速建立阶段最大连通图的构建，进而加速恢复重要符号。此外，该机制使得传输前期有较高的即时译码成功概率，因此若将本发明方法利用于如文本等类型数据的传输时则会带来较为流畅的传输体验。

2、本发明提供的基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，在建立阶段不采用扩展窗技术进行不等差错保护，而是将选择符号的过程分为三种情况，对不同情况赋予不同概率，以此在实现了不等差错保护的同时，也能完成部分非重要符号的译码工作，减少了扩展窗技术造成的冗余，有利于提升后期对非重要符号的恢复速率。

3、本发明提供的基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，在完成阶段采用了选取参与编码次数最少的输入符号进行编码的方案，减少了因随机选择符号造成的重复编码，同时使连通分支数量以较快的速度减小，同时结合建立阶段的部分已译码的非重要输入符号，提高了整体译码成功概率。

4、采用本发明提供的分级视频传输方法，在基于Kotlin语言的仿真平台上，进行10⁶次的测试，结果表明，相较于现有技术，本发明方法在传输重要数据时，完成译码所需符号数较少，较URT在线喷泉码有小幅性能提升，较UEP在线喷泉码有接近30％的性能提升，对重要数据的传输速率有较好的保护。在传输全部数据时，译码完成所需符号数接近于UEP在线喷泉码及等差错在线喷泉码，相较于URT在线喷泉码有接近20％的提升。

5、在块错误率以及符号错误率方面，本发明方法相较于上述几种具有UEP性质的在线喷泉码有更快的收敛速度，能够保证视频传输的高可靠性。同时，相较于现有方法有更快的即时译码速率，实时译码能力得到进一步提高，并可以始终保持较高速率译码。从试验的结果来看，采用该传输方法后，视频的基础层可以快速完成传输，可以保证视频的流畅播放，同时，增强层的传输速度也得以保证，能够根据网络环境，动态地为用户提供画质高、流畅、可靠的视频播放服务。

基于上述理由本发明可在数据传输等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施方式整体框图。

图2为本发明实施方式编码端流程图。

图3为本发明实施方式将比特数为N＝1000×8的文件平均划分成1000个分组示意图。

图4为本发明实施方式生成度为1的MIB编码符号示意图。

图5为本发明中偏移编码的编码过程示意图。

图6为本发明中建立阶段度为2符号选择的三种情况示意图。

图7为本发明中偏移编码的译码过程示意图。

图8为本发明实施例中接收的编码符号由译码图中不在同一连通分量的一个黑色节点和一个白色节点异或得到而形成的Tanner图及更新的译码图示意图。

图9为本发明实施例与传统不等差错误保护在线喷泉码的MIB仿真对比图；

图10为本发明实施例与传统不等差错误保护在线喷泉码的仿真对比图；

图11为本发明实施例与传统不等差错误保护在线喷泉码的符号错误率对比图；

图12为本发明实施例与传统不等差错误保护在线喷泉码的块错误率对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供一种视频传输系统，涉及视频读取，SVC编码分层，编码端编码，传输，译码端解码，SVC解码，视频播放等七部分。本发明中，将SVC格式视频的基础层作为MIB，其余增强层数据作为LIB。

在本实施方式中，设置参数为K＝1000，X＝0.01，K₀＝K₁＝500，β₀＝0.65，q₁＝0.8，q₂＝0.17，q₃＝0.03，q₄＝0.67，p₁＝0.2；

本发明提供了一种基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，包括编码端操作和译码端操作，以及二者的信息交互。本发明实施方式中编码、译码端操作过程的具体步骤如下：

如图2所示，所述编码端操作包括如下步骤：

S1、统计待传输H.264/SVC编码视频各层的文件大小，对待传输的文件进行分组；初始化一个与LIB规模相同的计数数组N，初始化偏移概率p₁，窗口选中概率q₁、q₂、q₃。

本实施例中，采用Kotlin语言中FileUtils类中的readFileToByteArray()函数将多级视频文件转变成字节数组，每组数据按照MIB数据在前，LIB数据在后的形式进行编码。假设每个输入符号包含1个字节＝8比特数据，按顺序取K₀＝500个MIB输入符号，K₁＝500个LIB输入符号作为一组输入到编码器中编码。

本实施例中，1KB的MIB文件与1KB的LIB文件正好可以被分成2组K＝1000个1字节输入符号。然而，对于某些文件，并不能将文件正好划分为多个分组，即，划分后的最后若干分组数据量小于1000B。此时，需要在这样的分组中填充多个全零字节，直至最后一个分组足够1000个字节进行编码。如图3所示，为划分的1000个1字节输入符号。

另外，具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1中，对待传输的n个文件进行分组包括：

S11、将第i层的待传输文件分成多组，每组包含K_i个l比特信息，其中，K_i和l均为正整数，且

S12、将基础层的第j组数据作为重要数据(MIB)放置在前，将其余n-1层增强层的第j组数据作为不重要数据(LIB)放置在后；

S13、若第i层数据量的最后一组少于K_i×l比特，则将分组内的剩余比特位补零；K个l比特信息构成了K个输入符号。

S2、编码端持续发送度为1的编码符号，直到收到译码端的反馈信息“2”为止；

在本实施例中，优选的，所述步骤S2中，度为1的编码符号的产生过程包括：

随机从来源于MIB的输入符号中选择1个输入符号，编码符号的值即为被选输入符号的值。具体实施时，将0-1.0范围划分成相等的500个小区间，产生一个[0,1]之间的随机数，查看该随机数在第几个小区间，那么对应该编码符号由第几个输入符号的值决定。如图4所示，假设产生的随机数落在第1个小区间，那么被选输入符号为S₁，则该编码符号的值为输入符号S₁的值。

S3、编码端依据设定的概率从特定区间选择编码符号，持续产生和发送度为2的编码符号，直到接收到译码端发出的新的反馈信息为止，新的反馈信息指出译码端期望接收的编码符号的度；在本实施例中，新的反馈信息为

具体实施时，当所选取的两个输入符号均来自MIB时，产生一个[0,1]之间的随机数，当随机数小于或等于偏移概率p₁时，将第一个输入符号的值左移一位与第二个输入符号异或以进行偏移编码。如图5所示。

具体实施时，步骤S3所涉及到的选择编码方式过程为：产生一个[0,1]之间的随机数，当该随机数小于等于q₁时，从MIB中选取输入符号进行编码；当该随机数大于q₁且小于等于q₁+q₂时，从LIB中选取输入符号进行编码；当该随机数大于q₁+q₂时，从MIB和LIB中各选取一个输入符号进行编码，三种情况如图6所示。

另外，在本实施例中，优选的，所述步骤S3中，度为2的编码符号的产生过程包括：

编码器从待编码原始数据中选择两个输入符号，并将选择的两个原始输入符号或产生一个第输出符号；其中，两个输入符号的选择存在如下三种情况：

情况1，两个输入符号均来自MIB；

情况2，两个输入符号均来自LIB；

情况3，一个输入符号来自MIB，另一个输入符号来自LIB；

情况1、情况2和情况3出现的概率分别是q₁,q₂,q₃，且满足q₁+q₂+q₃＝1；

在情况1出现的情况下，输入符号有两种异或方式存在：

方式一，两个输入符号直接异或；

方式二，第一个输入符号左移1位与第二个输入符号进行异或。

S4、编码端产生度为d(d≥2)的编码符号，其中d的值由译码端反馈得到，直到收到译码端反馈回“完全译码”信息；

在本实施例中，优选的，所述步骤S4中，编码端产生度为d的编码符号存在如下三种情况：

情况1，MIB没有完全译码，利用扩展窗技术选取编码窗口，在该窗口中随机选取d个编码符号；

情况2，MIB完全译码，且当前度d为2，则选取两个参加编码次数最少的LIB输入符号进行异或；

选取编码次数最少的输入符号过程为：每次选取LIB中数据进行编码时，从计数数组N中选取两个参与编码次数最少的位置，找到对应的输入符号进行异或，并将计数数组N中对应位置的值各加1。

情况3，MIB完全译码，且当前度d大于2，则随机从LIB中无重复地选取d个输入符号进行异或。

本实施例中，步骤S3和步骤S4所涉及到的产生度为

的编码符号过程为：将0-1.0划分为1000个小区间，产生一个[0,1]之间的随机数，查看该随机数在第几个小区间，则对应该输入符号作为生成该编码符号的候选输入节点，并加入到候选输入节点集合。重复产生[0,1]之间的随机数，查看随机数所在的区间，遍历候选输入节点集合，若候选输入节点集合中没有该区间对应的输入符号，那么将该输入符号放入候选输入节点集合，否则重复产生随机数，直到候选输入节点集合中包含了

个输入符号位置。生成该编码符号的输入符号的序号作为该编码符号的首部信息，与编码符号的值一起发送给译码端。

所述译码端操作包括如下步骤：

A1、初始化阶段：初始化译码图G＝(V,E)，其中，V为K个输入符号所在的节点集合，E为空集；|G|＝1000，初始化建立阶段结束阈值β₀，扩展窗窗口选中概率q₄。

A2、预建立阶段：译码端在预建立阶段仅接收度为1的编码符号，根据编码符号的首部信息，可知生成该编码符号的输入符号在原信息中的序号，恢复该输入符号的值为接收到的编码符号。将该输入符号在图G中对应的节点由白色标识为黑色。

该种实施方式的目标之一是提高预建立阶段和建立阶段的即时符号恢复率。假设t时刻，译码器共恢复T个输入符号，那么t时刻的即时符号恢复率为T/K。理想情况下，当建立阶段结束时在最大连通分量中的输入节点应均被恢复，即，至少有一个黑色节点位于建立阶段生成的最大连通分量中。为增大黑色节点位于最大连通分量中的概率，设定一个恢复比例X，当被恢复的输入符号数不少于X时，译码器发送消息“2”给编码端，指出译码端接下来需要度为2的编码符号。

A3、建立阶段：译码端持续接收度为2的编码符号；

在本实施例中，优选的，所述步骤A3中，建立阶段具体包括：

A31、如果接收到的编码符号为偏移编码，且由两个白色节点异或得到的，判断两个节点是否处于同一连通分量，若处于同一连通分量，则搜索两个节点间的通路，将通路上的编码符号进行异或，得到第一个输入符号与自己左移1位的异或结果。如图7所示。由于得到的符号最后一位S_1,4已知，因此通过S_1,4与倒数第二位异或即可得到S_1,3的值，以此类推，即可译码该输入符号。

A32、如果接收到的编码符号为偏移编码且处于不同的连通分量中，则将其存入缓冲区F，等待这两个输入符号处于同一连通分量后再进行译码。

A33、如果接收到的编码符号由一个黑色节点和一个白色节点异或而得，编码器将白色节点的值赋值为编码符号与黑色节点对应输入符号值的异或，生成连接这对白色节点和黑色节点的边；如图8所示，假设第一个编码符号C₁为输入符号S₁的值，那么译码端接收到C₁，节可以立即恢复S₁的值，同时在译码图中将节点S₂转变为黑色节点。编码符号C₂的值为S₂和S₄的异或，由于S₂和S₄在两个不同的连通分量内，在译码图中增加边(S₂,S₄)。

A34、如果接收的编码符号由译码图中两个来自不同连通分量的白色节点异或得到，编码增加一条连接这两个白色节点的边，使得这两个连通分量融合为一个。如图4所示，假设编码符号C₂由输入符号S₃和S₄异或得到，其中，{S₃，S₃₁，S₃₂}、{S₄，S₄₁，S₄₂}为两个连通分支，那么在译码图中增加边(S₃,S₄)，将两个连通分支合并为一个{S₃，S₃₁，S₃₂，S₄，S₄₁，S₄₂}。

A35、如果译码端由两个来自同一连通分量的白色节点或由黑色节点异或得到，那么该符号没有携带任何有用的信息，则丢弃该符号。

A36、持续更新译码图，直到MIB最大连通分量的规模达到β₀K₀。查看MIB最大连通分量中的节点是否均为黑色节点，若均为黑色节点，则从步骤A5继续执行，否则从步骤A4继续执行。

A4、发送消息“1”给编码端，指出译码端目前需要度为1的编码符号。

A5、后建立阶段：译码端只接受度为1的编码符号，译码器将译码图中对应被恢复输入符号的节点变为黑色。当译码图的最大连通分量内全部节点均为黑色节点时，进入步骤A6继续执行。

A6、完成阶段：利用扩展窗技术进行不等差错保护，将MIB作为一个扩展窗，所有数据作为另一个扩展窗，根据所选扩展窗中黑色节点在全部输入符号中所占的比例β，计算待反馈给编码端的最优度

该最优度为满足下述公式的唯一的度d。

将最优度

的值以及选择的扩展窗反馈给编码端，译码端接收度为

的编码符号。

在本实施例中，优选的，所述步骤A6中，完成阶段具体包括：

A61、如果编码符号由来自两个不同连通分量的两个白色节点和其他可选的黑色节点异或得到，则在两个白色节点间增加一条连边，使得两个连通分量合并为一个连通分量，即第2类事件发生；

A62、如果编码符号由一个白色节点和多个黑色节点异或得到，即第1类事件发生，译码器将立即恢复与该白色节点对应的输入符号；因为添加到译码图中的连边均来自于接收到的编码符号由两个在不同连通分量里面的白色节点和可选的黑色节点异或得到，所以与该白色节点在同一连通分量内的所有节点对应的输入符号均可被恢复；译码器将所有被恢复输入符号对应的节点转变为黑色，译码端进一步访问缓存译码并更新译码图；由于被恢复输入符号所占的比例已经更新，译码器根据上述步骤A6中的公式重新计算最优度进行更新。如果所有的MIB输入符号均被恢复，译码端反馈给编码端消息“MIB全部译码”，如果所有的输入符号均被恢复，译码端反馈给编码端消息“全部译码”。

A63、利用扩展窗技术进行不等差错保护，将MIB作为一个扩展窗，所有数据作为另一个扩展窗，根据所选扩展窗中黑色节点在全部输入符号中所占的比例β，更新待反馈给编码端的最优度

将所选窗口和最优度

反馈给编码端；

A64、除步骤A61及步骤A62的情况以外，其余情况的编码符号并不包含可用的信息，丢弃此类编码符号。

上述步骤A6中的公式为使得第1类事件和第2类事件发生概率和最大所得到的度。已知译码图中黑色节点所占的概率β，第1类事件发生的概率为

第2类事件发生的概率为

步骤A6所涉及到的选择扩展窗过程为：产生一个[0,1]之间的随机数，当该随机数小于等于q₄时，通知编码端从MIB中选取输入符号进行编码；否则通知编码端从所有数据中选取输入符号进行编码。

A7、重复步骤A6，当所有MIB数据均被恢复时，译码端发送“MIB译码成功”消息给编码端，直到所有的输入符号均被恢复，则译码端停止译码并向发送“译码成功”消息给编码端。

图9与图10为本实施方式与文献“Online Fountain Codes With LowOverhead”中的在线喷泉码(称其为等差错在线喷泉码)，文献“Online FountainCodes With UnequalRecovery Time”中不等恢复时间在线喷泉码算法Ⅰ(称其为URT在线喷泉码)以及文献“On-Line Fountain Codes with Unequal ErrorProtection”中不等差错保护在线喷泉码(称其为UEP在线喷泉码)的仿真对比图；其中，改进的在线喷泉码是本实施方式，UEP在线喷泉码和URT在线喷泉码是现有不等差保护的在线喷泉码；图9是恢复出的重要输入符号数随接收到的输出符号的变化情况，图10是恢复出的输入符号随接收到的输出符号的变化情况。

从图9中可见，本实施方式在传输重要符号时，完成译码所需符号数较少，较URT在线喷泉码有小幅提升，且相较于UEP在线喷泉码有接近30％的提升，对重要数据的传输速率有较好的保护。

从图10中可见，本实施方式在完成所有符号译码工作时使用的符号数接近于UEP在线喷泉码及等差错在线喷泉码，相较于URT在线喷泉码有接近20％的提升，同时，本实施方式一直以较高的速度进行译码，而现有UEP在线喷泉码与等差错在线喷泉码在传输的前期几乎不会进行译码，现有的URT在线喷泉码虽然前期译码速度较快，后期速度则逐渐变缓，因此相较之下本实施方式的实时译码能力得到进一步提高，并可以始终保持较高速率译码。

图11和图12为本实施方式与等差错在线喷泉码，URT在线喷泉码以及UEP在线喷泉码的符号错误率(SER)以及块错误率(BER)对比图；图11是符号错误率随接收到的输出符号的变化情况，图12是块错误率随接收到的输出符号的变化情况。

根据图11所示，可以看出本实施方式在传输重要符号时，符号错误率快速收敛达到10^-4的数量级，相较于现有URT算法有少量的加速，而相较于现有UEP算法则有极为明显的加速。同时，本实施方式在传输重要符号方面，符号错误率快速收敛达到10^-4的数量级，相较于现有URT算法有少量的加速，而相较于现有UEP算法则有极为明显的加速。

综上所述，本实施方式能够快速将重要数据以及非重要数据的符号错误率降至一个比较理想的状态，在某些对数据完整度要求相对较低的传输过程(如图像传输)中，能使传输的数据快速地被使用。

根据图12所示，可以看出本实施方式在前期全部数据块的块错误率在快速下降，略优于UEP算法，明显快于现有的URT算法。同时，本实施方式重要部分的数据块的块错误率也在快速下降，相较于UEP算法有明显优势，相较于URT算法也有更好的表现。

综上，本实施方式在恢复全部符号和恢复重要符号的冗余上限方面，相较于现有的传输方案均有较好的均衡及优化。

上述研究表明，本发明所提出的基于改进在线喷泉码的视频分级传输方法，可以保证视频的基础层快速完成传输，保证视频流畅播放，同时，增强层的传输速度也得以保证，能够根据网络环境，动态地为用户提供画质高、流畅、可靠的视频播放服务。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，包括编码端操作和译码端操作，以及二者的信息交互，其特征在于：

所述编码端操作包括如下步骤：

S1、统计待传输编码视频各层文件的大小，对待传输的n个文件进行分组；

S2、编码端持续发送度为1的编码符号，直到收到译码端的反馈信息“2”为止；

S3、编码端持续产生度为2的编码符号，直到接收到译码端发出的新的反馈信息为止，新的反馈信息指出译码端期望接收的编码符号的度；

S4、编码端产生度为d(d≥2)的编码符号，其中d的值由译码端反馈得到，直到收到译码端反馈回“MIB完全译码”信息，更新编码过程；如果收到“完全译码”的反馈信息，停止编码。

所述译码端操作包括如下步骤：

A1、初始化阶段：初始化译码图G＝(V,E)，其中，V为K个输入符号所在的节点集合，E为空集；

A2、预建立阶段：译码端在预建立阶段仅接收度为1的编码符号，译码端恢复产生编码符号的输入符号并且将译码图中对应被恢复输入符号的节点转变成黑色，仅当被恢复的输入符号数不少于X时，译码器发送消息“2”给编码端，指出译码端需要度为2的编码符号；

A3、建立阶段：译码端持续接收度为2的编码符号；更新译码图；

A4、后建立阶段：译码端只接收度为1的编码符号，译码器将译码图中与该编码符号对应的输入符号转换为黑色节点，当译码图的最大连通分量均为黑色节点时，译码端计算最优度，并将该最优度

反馈给编码端，指出译码端需要度为

的编码符号；

A5、完成阶段：译码端接收度为

的编码符号；执行译码过程，并更新译码图；若最优度发生改变，则向发送端反馈更新后的

A6、重复步骤A5，当所有MIB数据均被恢复时，译码端发送“MIB译码成功”消息给编码端，直到所有的输入符号均被恢复，则译码端停止译码并向发送“译码成功”消息给编码端。

2.根据权利要求1所述的基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，其特征在于，所述步骤S1中，对待传输的n个文件进行分组包括：

S11、将第i层的待传输文件分成多组，每组包含K_i个l比特信息，其中，K_i和l均为正整数，且

S12、将基础层的第j组数据作为重要数据(MIB)放置在前，将其余n-1层增强层的第j组数据作为不重要数据(LIB)放置在后；

S13、若第i层文件的最后一组少于K_i×l比特，则将分组内的剩余比特位补零；K个l比特信息构成了K个输入符号。

3.根据权利要求1所述的基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，其特征在于，所述步骤S2中，度为1的编码符号的产生过程包括：

随机从来源于MIB的输入符号中选择1个输入符号，编码符号的值即为被选输入符号的值。

4.根据权利要求1所述的基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，其特征在于，所述步骤S3中，度为2的编码符号的产生过程包括：

编码器从待编码原始数据中选择两个输入符号，并将选择的两个原始输入符号或产生一个输出符号；其中，两个输入符号的选择存在如下三种情况：

情况1，两个输入符号均来自MIB；

情况2，两个输入符号均来自LIB；

情况3，一个输入符号来自MIB，另一个输入符号来自LIB；

情况1、情况2和情况3出现的概率分别是q₁,q₂,q₃，且满足q₁+q₂+q₃＝1；

在情况1出现的情况下，编码器从如下两种异或方式中选择一种产生编码符号：

方式1，两个输入符号直接异或；

方式2，第一个输入符号左移1位与第二个输入符号进行异或。

5.根据权利要求1所述的基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，其特征在于，所述步骤S4中，编码端产生度为d的编码符号存在如下三种情况：

情况1，MIB没有完全译码，利用扩展窗技术选取编码窗口，在该窗口中随机选取d个编码符号；

情况2，MIB完全译码，且当前度d为2，则选取两个参加编码次数最少的LIB输入符号进行异或；

情况3，MIB完全译码，且当前度d大于2，则随机从LIB中无重复地选取d个输入符号进行异或。

6.根据权利要求1所述的基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，其特征在于，所述步骤A3中，建立阶段具体包括：

A31、如果接收到的编码符号带有偏移，且是由一个黑色节点和一个白色节点异或得到，译码器恢复白色节点对应的输入符号的值并将它的颜色更新为黑色，在这两个节点间增加一条连边；

A32、如果接收到的编码符号带有偏移，且是由两个白色节点异或得到，判断两个节点是否处于同一连通分量，若处于同一连通分量，则搜索两个节点间的通路，恢复通路上所有白色节点对应的输入符号的值并将它的颜色更新为黑色，若处于不同的连通分量中，则将其存入缓冲区，等待两个节点处于同一连通分量后再进行译码；

A33、如果译码端编码符号由一个黑色节点和一个白色节点直接异或得到，译码器恢复白色节点对应的输入符号的值并将它的颜色更新为黑色，在这两个节点间增加一条连边；

A34、如果接收的编码符号是两个来自不同连通分量的两个白色节点的异或，在两个白色节点间增加一条连边，从而使得两个独立的连通分量合并成一个较大的连通分量；

A35、如果接收的编码符号是两个来自相同连通分量的白色节点对应输入符号的异或，或者是两个黑色节点的异或，则接收的编码符号没有携带任何附加的信息，因此，丢弃该编码符号；

A36、根据步骤A31-A35更新译码图，直到MIB的最大连通分量的规模达到β₀K₀；查看该最大连通分量是否全部为黑色节点，如果全部为黑色节点，译码端计算最优度d，并将该最优度的值反馈给编码端，执行步骤A5；否则，译码器发送消息“1”给编码端，指出其现在需要接收度为1的编码符号，执行步骤A4。

7.根据权利要求1所述的基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，其特征在于，所述步骤A5中，完成阶段具体包括：

A51、如果编码符号由来自两个不同连通分量的两个白色节点和其他可选的黑色节点异或得到，则在两个白色节点间增加一条连边，使得两个连通分量合并为一个连通分量，即第2类事件发生；

A52、如果编码符号由一个白色节点和多个黑色节点异或得到，即第1类事件发生，译码器将立即恢复与该白色节点对应的输入符号；因为添加到译码图中的连边均来自于接收到的编码符号由两个在不同连通分量里面的白色节点和可选的黑色节点异或得到，所以与该白色节点在同一连通分量内的所有节点对应的输入符号均可被恢复；译码器将所有被恢复输入符号对应的节点转变为黑色，译码端进一步访问缓存译码并更新译码图；

A53、利用扩展窗技术进行不等差错保护，将MIB作为一个扩展窗，所有数据作为另一个扩展窗，根据所选扩展窗中黑色节点在全部输入符号中所占的比例β，更新待反馈给编码端的最优度

将所选窗口和最优度

反馈给编码端；

A54、除步骤A51及步骤A52的情况以外，其余情况的编码符号并不包含可用的信息，丢弃此类编码符号。

8.根据权利要求1所述的基于不等差错保护在线喷泉码的分级视频传输方法，其特征在于，在所述建立阶段，译码偏移编码的过程如下：

若两个输入符号处于同一连通分量，则搜索两个节点间的通路，将通路上的编码符号进行异或，得到第一个输入符号与自己左移1位的异或结果；由于得到的符号最后一位已知，因此通过与倒数第二位异或即可得到该输入符号倒数第二位的值，以此类推，即可译码该输入符号，通过该输入符号，该连通分量中的其余输入符号便可成功译码；如果接收到的编码符号为偏移编码且处于不同的连通分量中，则将其存入缓冲区F，等待这两个输入符号处于同一连通分量后即可进行译码。

Images