CN1871803B - 用于丢失分组重建的方法和承载设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于保护数据分组流的方法，所述方法包括以下步骤：将用于传送的分组排列在D行和L列的矩阵中；向每行和列施加错误校正函数，其结果是校正分组；以及，除了数据分组以外，还传送所得到的校正分组。所述发明还涉及一种用于重建数据分组流中的丢失分组的方法，所述方法包括以下步骤：根据所接收的分组的序列号，将它们排列在D行和L列的矩阵中；以及向包含至少一个丢失分组的矩阵的每行和列施加缺失分组重建函数，所述函数使用所接收的分组和与所述行或列相对应的校正分组。本发明还涉及用于执行所述方法的设备。

Description

用于丢失分组重建的方法和承载设备
技术领域
本发明涉及当以分组的形式发送数字数据时的错误校正。
背景技术
当以数据分组的形式经由网络发送数字数据时，分组可能受到传送错误的影响。允许以分组的形式传递数字数据的网络具有随不同类型的网络而变化的特定特性，例如带宽、延迟时间或可靠性。根据网络的类型，对于在经由此网络利用分组进行的数据传送期间有可能出现的不同类型的错误，可以观察到不同的灵敏度等级。有可能发生的这些类型的错误包括具有错误比特的分组传输、分组的随机丢失、相邻分组序列的丢失、分组或分组序列的重复。
传统上，存在两种类型的用于处理这些错误的方法。首先，存在用于检测所传送的分组出错并且将其忽略的错误检测方法。通常，当传输协议具有请求重新发送丢失分组的功能时使用这些方法。这种方法的示例包括CRC(循环冗余校验)方法和IP网络上的TCP(传输控制协议)协议。其次，存在不仅允许检测错误分组还允许其重建的方法。在缩写词FEC(前向纠错)的名义下，这些方法是公知的，并且非常适合于其中不可能请求重新发送错误数据分组的协议。使用这种方法的示例出现在用于实时传送多媒体内容的协议的情况中，在该情况中，满足实时的要求与重新发送错误分组相矛盾。RTP(实时协议)协议是这种情况的示例。
FEC方法的操作的一般原理是将诸如XOR的函数施加到一组数据分组上。此函数的结果产生被称为校正分组的分组，除了用来产生该校正分组的数据分组以外，该校正分组也被传送。当分组被检测为出错时，与正确传送的分组相关联的校正分组使得能够重建错误分组。然而，此方法具有其局限性，因为存在一些不能被校正的错误。具体地说，如果在用来通过XOR函数产生校正分组的这组分组中存在两个错误分组，则该校正分组可能不足以重建这两个错误分组。因此，在选择用于产生校正分组的分组时采用的策略对于该校正方法的有效性至关重要。具体地说，这一策略将取决于在所使用的类型的网络上最频繁地出现的错误类型。例如，对N个邻接分组计算校正函数将导致校正在数量上很少的随机错误，而对一连串的丢失分组将是无效的。为了处理一连串的丢失分组，例如在Pro-MPEG论坛的“Code ofPractice”中有文件证明的一种已知方法是对每隔L个分组就周期性地截取一次的D个分组的组计算校正函数。该校正函数被施加到分组i、i+L、i+2L、…、i+(D-1)L。以这一方式，可以利用该方法校正最多L个邻接分组的一连串错误分组。
此方法的问题是：尽管非常好地适合于一连串错误分组，但它结果是具有随着随机错误的比率增大而非常迅速地减小的统计成功率。因此，显然需要一种在对于一连串的数据分组保持良好的校正性能的同时更好地耐受随机错误比率的增大的方法。
发明内容
因此，本发明的目的是提出这样的方法。它在于：将校正函数如上所述施加到D个分组上，而且将其施加到编号为i、i+1、i+2、…、i+L-1的L个分组上。以这一方式，使用每个数据分组来计算两个校正分组，并且在对于一连串数据分组保持良好的校正性能的同时，存在随机错误时的校正率显著增大。
本发明涉及一种用于保护数据分组流的方法，包括以下步骤：将要发送的多个分组排列在D行和L列的分组矩阵中；向该分组矩阵的每行和每列施加错误校正函数，其结果是校正分组，所述校正分组使得能够重建被施加了错误校正函数的行、相应的列中的至少一个丢失分组，所述校正分组包括扩展的报头，所述扩展的报头至少包括表示对所述分组矩阵施加所述错误校正函数的信息；然后，除了数据分组之外，还发送所得到的校正分组。
根据本发明的另一方面，还将校正函数施加到由校正分组形成的行上，从而产生附加校正分组，所述校正分组是通过将校正函数施加到分组矩阵的每一列上产生的。
根据本发明的另一方面，还将校正函数施加到由校正分组形成的列上，从而产生附加校正分组，所述校正分组是通过将校正函数施加到分组矩阵的每一行上产生的。
根据本发明的另一方面，校正分组的报头包含用于辨别是否已经在所述分组矩阵的行或列上对它们进行了计算的字段。
根据本发明的另一方面，在与数据分组相同的流中传送校正分组。
根据本发明的另一方面，在与传递数据分组的流不同的流中传送校正分组。
本发明还涉及一种用于重建数据分组流中的丢失分组的方法，包括以下步骤：考虑所接收的多个分组的序列号，将它们排列在D行和L列的分组矩阵中；向包含至少一个丢失分组的分组矩阵的每行和每列施加用于使用所接收的分组和对应于所述行或列的校正分组来重建缺失的分组的函数，所述校正分组包括扩展的报头，所述扩展的报头至少包括表示对所述分组矩阵施加所述错误校正函数的信息。
根据本发明的另一方面，还可以使用附加校正分组将重建函数施加到校正分组的行或列上，所述附加校正分组正是为了这一目的而产生的。
本发明还涉及一种用于经由网络传送数据分组流的发射机设备，其包含通过将校正函数施加到一组多个数据分组上来产生包括扩展的报头的校正分组的计算装置，所述扩展的报头至少包括表示对分组矩阵施加错误校正函数的信息，并且其特征在于，该设备包含用于将此函数施加到由所述多个数据分组形成的分组矩阵的行和列上的装置。
根据本发明的另一方面，施加所述函数的装置根据在本专利中公开的方法来进行。
本发明还涉及一种用于经由网络接收数据分组流的接收机设备，其包含用于作为所接收的多个数据分组和校正分组的函数来计算丢失分组的装置，所述校正分组包括扩展的报头，所述扩展的报头至少包括表示对分组矩阵施加错误校正函数的信息，其特征在于，该设备具有用于将这些计算装置施加到所述流的多个数据分组的分组矩阵的行和列以及与这些行和列相对应的校正分组上的装置。
根据本发明的另一方面，根据在本专利中公开的方法之一产生校正分组。
当读取参考附图的以下描述时，将更好地理解本发明，并且其它特征和优点将变得清楚，在附图中：
图1是将校正函数施加到数据分组上方框图表示。
图2表示根据RTP协议被置于分组中的校正分组的结构。
图3表示根据RFC 2733的校正分组的报头。
图4表示根据所描述的本发明的示例实现的校正分组的报头。
图5表示根据本发明的示例实现的发射机或接收机设备的硬件架构。
图6表示用于发射机的方法的步骤。
图7表示用于接收机的方法的步骤。
图5表示发射机或接收机设备1的内部架构，该设备包含使其能够存储程序和数据的ROM(只读存储器)4、以及使其能够加载为处理器2的执行而准备的这些程序的RAM(随机存取存储器)3。此设备经由网络接口5连接到IP网络，这意味着它可以传送和接收所述流。这些组件经由内部总线6通信。
本发明的示例实现处于经由IP网络的实时数字数据传递的环境中。在此示例实现中，以流的形式通过RTP(实时协议)协议来传送数据。如已经提到的那样，RFC 2733描述了一种用来校正通过RTP协议传送的数据分组的标准方式。此方法是在Pro-MPEG论坛的“Code of Practice”文件中描述的扩展主题。现在将描述的本发明的示例实现是与此方法兼容的改进。
在此示例实现中，数据分组被分为L*D个分组的组。然后，将它们排列在D行和L列的矩阵中，如图1所示。L和D是根据所希望的效率选择的。这些参数影响校正方法效率的方式将在后面进行描述。然后，将校正函数施加到矩阵的每一列；还将相同的校正函数施加到矩阵的每一行。此校正函数可以是最易于实现的XOR，但是诸如里德-索洛蒙(Reed-Solomon)函数或汉明码的其它函数也是可以的。这些函数更加强大，但是在计算方面代价更大。无论选择哪个校正函数，将此函数施加到一组分组(在此情况中为矩阵的行或列)上的结果是被称为校正分组的分组。因此，该方法产生与将所述函数施加到每列上相对应的L个校正分组、以及与将所述函数施加到每行上相对应的D个校正分组。还可以增加通过向校正分组自身施加校正函数而计算出的校正分组，从而增加用于对校正分组的丢失进行校正的第二保护层。
这些分组必须被传送到数据流中。可以用若干方式进行这一传送。校正分组可以在与数据分组相同的流中被传送，但是它们因此遭受到与它们所保护的流相同的传送风险。也可以在单独的流中传送校正分组，从而增大对错误的抵抗力。
由Pro-MPEG论坛描述的方法在于计算和发送从所述矩阵的列计算出的校正分组。只要在本专利中公开的方法发送这些相同的分组，它就保持与Pro-MPEG方法兼容。这是因为根据此标准的接收机设备将忽略在矩阵的行上计算的校正分组，并且因此将能够按照与根据本发明的发射机和根据Pro-MPEG方法的发射机相同的方式操作。
在图2中表示出了如RFC中所述的分组结构。它由RTP分组报头组成，对所述RTP分组报头的描述可以在RFC 1889中找到。在此报头之后跟随着FEC报头，然后是实际的校正分组。在图3中表示出了根据RFC 2733的FEC报头的结构。此报头包含SN基数字段，其中该字段包含用来构建校正分组的这组数据分组的最低序列号。长度恢复字段用来确定任何数据分组的长度。它是通过向由每个数据分组的长度形成的组施加校正函数来构建的。E字段用来指示对报头的扩展。PT恢复字段是通过向数据分组类型字段施加校正函数而获得的。掩码字段是用于确定使用哪些数据分组来构建校正分组的24位的字段。如果位i为1，则这意味着使用分组N+i用来构建校正分组。N是存储在SN基数字段中的基数。TS恢复字段是通过将校正函数施加到数据分组的时间戳上来计算的。它用来重建这些时间戳。
所观察到的是：通过这一机制，只能对最大24个数据分组的组计算校正分组。为了超过这一限制，在Pro-MPEG论坛的“Code of Practice”文件中定义了对此报头的扩展。在图4中表示出了此扩展，该图示出了与先前相同的报头，并且扩展字段被设置为1。添加了新的2位的扩展字段E，其确定“扩展字段”字段的使用。类型字段指示使用哪种校正函数：对于XOR为0，对于汉明码为1，对于里德-索洛蒙函数为2。索引字段用来在校正函数的结果超过分组的最大大小的情况下将FEC分组排序。这可以是复杂校正函数的情况。偏移量(offset)字段确定被选定用来选择数据分组的周期；它对应于矩阵的参数L。NA(相关联的数量)字段确定用于产生校正分组的相关联的数据分组的数量；此数量对应矩阵的参数D。“扩展字段”字段被保留以供将来使用。掩码字段已经变得没有用处，并且通过填充具有值0的字节而被初始化。
由本发明带来的修改在于将2位的E字段分为新的1位的E’字段和1位的D字段，所述D字段确定是否在所述列上计算了所讨论的校正分组，在该情况中，此D字段被设置为0。如果在行上计算了校正分组，则此D字段被设置为1。所观察到的是：通过这一机制，在列上计算的校正分组保持与根据Pro-MPEG论坛的方法计算的相同分组完全等同，同时可以通过被设置为1的D字段的存在来识别在行上计算的附加分组，如果根据指出所述分组正使用由该论坛定义的格式中的扩展的Pro-MPEG方法来解释此分组，则这相当于将2位的字段E设置为1。
当正在接收分组时，接收机将把所接收的分组存储在缓冲器中。此缓冲器的大小必须为使得它能够存储至少L*D个数据分组和L+D个对应的校正分组。数据分组和校正分组之间的区别由如在描述此协议的RFC 1889中所述的RTP报头的类型字段产生。将有可能的是：在数据分组之间通过它们的序列号来识别它们，并且在校正分组之间通过其报头的SN基数字段来识别它们。然后，对缺失的分组的了解将使得能够进行尝试以通过使用校正函数和校正分组来重建它们。例如，如果所使用的校正函数是XOR函数，则可以使用校正分组来校正用于产生此校正分组的一组数据分组中的一个数据分组的丢失。因此，在所接收的分组的矩阵中将识别仅包含一个丢失分组的行和列，以便利用对应的校正分组来重建它们。例如，可以使用以下方法来进行该校正：
-计算行i中缺失的数据分组的数量的向量NLi。
-计算列i中缺失的数据分组的数量的向量NCi。
-当在矩阵中仍然有缺失的分组时：
○寻找最小索引p使得NLp＝1；
■如果这样的p存在：
●寻找与缺失的分组相对应的列索引q
●通过将XOR函数施加到所述行的其它分组和与此行相对应的校正分组上来重建索引为p和q的缺失的分组
●NLp＝0；NCq＝NCq-1；
■当这样的索引p不存在时，寻找最小索引q使得NCq＝1
●如果这样的q存在：
○寻找与缺失的分组相对应的列索引p
○通过将XOR函数施加到所述行的其它分组和与此列相对应的校正分组上来重建索引为p和q的缺失的分组
○NLp＝NLp-1；NCq＝0；
●否则，该重建方法已经失败。
如果成功，则所有丢失的分组都被重建。
必须在考虑以下信息的情况下选择该方法的参数L和D。首先，由除了数据分组以外还必须被发送的校正分组所产生的开销是1/L+1/D；因此，为L和D选择大值将使使用该方法的所需要的带宽占用最小。此外，可以使用该方法来校正最多L+1个邻接分组的一连串丢失分组，因此L越大，该方法在校正此类型的错误时将越有效。该方法能够校正多达3个丢失分组的全部随机分组丢失和多达D+L-1个丢失分组的某些随机分组丢失。当L和D具有相同的值时，该问题的对称性导致了对于随机分组丢失的最大效率。现在，该方法在接收机和发射机设备中都需要具有L*D个分组的最小大小的缓冲器。因此，观察到：为L和D选择大值有益于使所述方法的效率最大，但是该选择受到设备的发射和接收缓冲器的大小限制。另一限制可能起因于对于大量分组将会变得较长的校正函数计算时间以及是否选择了复杂的函数。
可以使用统计计算来比较本发明的效率与由Pro-MPEG论坛描述的方法的效率。如所期望的那样，观察到其效率显著增大。例如，通过使用XOR校正函数以及L和D具有值6的矩阵，所述方法校正了94.1％的6个数据分组的随机丢失，而RFC方法仅校正了2.4％。因此，在校正流中的数据分组的随机丢失上，所述方法证明有效得多。该方法能够校正多达D+1个连续分组的全部相邻分组的丢失，其中，Pro-MPEG仅校正多达D个连续分组。因此，观察到：在对随机错误的性能显著增大的同时，对相邻数据分组的丢失的性能略微提高。
对于本领域技术人员来说清楚的是：这里描述的示例实现不是限制性的。具体地说，可以在用于利用分组来传递数据的所有协议的环境中，而不仅在RTP的环境中使用本发明。还可以使用任何校正函数；本发明不限于在本专利中提到的校正函数。

Claims (12)

1.一种用于保护数据分组流的方法，该方法特征在于其包括以下步骤：
将要发送的多个分组排列在D行和L列的分组矩阵中；
向该分组矩阵的每行和每列施加错误校正函数，其结果是校正分组，所述校正分组使得能够重建被施加了错误校正函数的行、相应的列中的至少一个丢失分组，所述校正分组包括扩展的报头，所述扩展的报头至少包括表示对所述分组矩阵施加所述错误校正函数的信息；
除了数据分组以外，还发送所得到的校正分组。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，还将校正函数施加到由校正分组形成的行上，从而产生附加校正分组，所述校正分组是通过将校正函数施加到分组矩阵的每一列上产生的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，还将校正函数施加到由校正分组形成的列上，从而产生附加校正分组，所述校正分组是通过将校正函数施加到分组矩阵的每一行上产生的。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，校正分组的报头包含用于辨别是否已经在所述分组矩阵的行或列上对其进行了计算的字段。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在与数据分组相同的流中传送校正分组。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，在与传递数据分组的流不同的流中传送校正分组。
7.一种用于重建数据分组流中的丢失分组的方法，该方法特征在于其包括以下步骤：
考虑所接收的多个分组的序列号，将它们排列在D行和L列的分组矩阵中；
向包含至少一个丢失分组的分组矩阵的每行和每列施加用于使用所接收的分组以及与所述行或所述列相对应的校正分组来重建缺失分组的函数，所述校正分组包括扩展的报头，所述扩展的报头至少包括表示对所述分组矩阵施加错误校正函数的信息。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，还能够使用附加校正分组将重建函数施加到校正分组的行或列上，所述附加校正分组正是为此目的而产生的。
9.一种用于经由网络发送数据分组流的发射机设备，其包含通过将校正函数施加到一组多个数据分组上来产生包括扩展的报头的校正分组的计算装置，所述扩展的报头至少包括表示对分组矩阵施加错误校正函数的信息，并且其特征在于该设备包含用于将此函数施加到由所述多个数据分组形成的分组矩阵的行和列上的装置。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，施加所述函数的装置根据在权利要求1至6之一中描述的方法来操作。
11.一种用于经由网络接收数据分组流的接收机设备，其包含用于作为所接收的多个数据分组和校正分组的函数来计算丢失分组的装置，所述校正分组包括扩展的报头，所述扩展的报头至少包括表示对分组矩阵施加错误校正函数的信息，其特征在于该设备具有用于将这些计算装置施加到所述流的所述多个数据分组的分组矩阵的行和列以及与这些行和这些列相对应的校正分组上的装置。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，根据在权利要求7和8中描述的方法之一来产生校正分组。
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