TWI387249B - 通訊發送器及通訊接收器及封包冗餘法及封包復原法 - Google Patents

Description

通訊發送器及通訊接收器及封包冗餘法及封包復原法

本發明係關於通訊，更係關於封包傳輸中封包冗餘及復原方法。

即時多媒體通訊常以典型UDP協議為基礎，用以避免TCP協議中不可預期之時間暫停。傳統上，封包遺失被視為一種通道的特性，故不對遺失的封包嘗試進行復原。若以一控制通道來回饋該遺失之封包資料，則傳送者必需縮減傳輸速度以便更有效的配合端對端之頻寬。部分系統甚至會將資料的多個複本以多重路徑來傳送，以達到較高之傳輸品質。然而，就一路徑之應用層而言，其封包遺失的現象並未減少。

在網路即時影音傳輸中，一封包遺失僅造成30到60毫秒時間之空白，而這樣的時間長度並不會為人所察覺。然而，為了重新傳輸資料而將時間暫停，可能使檔案中斷久至上述時間之10到20倍，此現象則相等惱人。現今，減少封包遺失之方法乃藉由控制傳輸速度，並使傳輸速度與可取得頻寬相匹配而達成。在高封包遺失率之網路中，有效頻寬將變得相等低，此將使得即時通訊無法成功。

欲在不可靠之封包傳輸通道中達成可靠之資料傳輸，傳統之作法是採用：「確認」、「暫停」及「再傳輸」三步驟。在「再傳輸」執行前，通訊之兩端皆必需等待「暫停」之時間，而該「暫停」通常較實際傳輸更耗時。在廣域網路中又需要更足夠之暫停時間，為了可靠地傳輸資 料，此暫停時間將使原本已然不佳之網路連線效能雪上加霜。

本發明提供一種通訊發送器，包括：一接收界面，用以接收具有(X*Y)個資料封包之資料；一發送界面，用以傳送具有該等資料封包之資料至一接收器；一同位封包產生器，用以依照從該接收界面而來之該等(X*Y)個資料封包而產生X個同位封包，其中該等X個同位封包之一第i個同位封包乃藉由一方程式在該等對應資料封包間執行互斥或運算而得，該方程式為Pi(N)=P(N+i)XOR P(N+X+i)XOR P(N+2*X+i)XOR...XOR P(N+(Y-1)*X+i)；其中N為該等資料封包之一數目，且為(X*Y)之整數重數，而i=0，…，X-1；以及透過該發送界面傳送該等同位封包和該等對應資料封包至一通訊接收器。

本發明提供一種通訊接收器，包括一接收界面，用以接收(X*Y)個資料封包及X個同位封包，其中該等X個同位封包之一第i個同位封包乃藉由一方程式在該等(X*Y)資料封包間執行互斥或(XOR)運算而得，該方程式為Pi(N)=P(N+i)XOR P(N+X+i)XOR P(N+2*X+i)XOR...XOR P(N+(Y-1)*X+i)；其中N為該等資料封包之一數目，且為(X*Y)之整數重數，而i=0，…，X-1；以及一復原模組，耦接至該接收界面，用以分析從該接收界面來之該等資料封包及其序號，以找出遺失之資料封包、在該等對應資料封包及該等對應同位封包間執行互斥或運算以取得複數個還原資料封包、以及傳送該等還原資料封包及該等資 料封包。

本發明提供一種封包冗餘法，包括：接收(X*Y)個資料封包、依照該等(X*Y)資料封包產生X個同位封包，其中該等X個同位封包之一第i個同位封包乃藉由一方程式在該等對應資料封包間執行互斥或運算所產生，該方程式為Pi(N)=P(N+i)XOR P(N+X+i)XOR P(N+2*X+i)XOR...XOR P(N+(Y-1)*X+i)；其中N為該等資料封包之一數目，且為(X*Y)之整數重數，而i=0，…，X-1、將該等同位封包以及該等對應資料封包傳送至一通訊接收器。

本發明提供一種封包復原法，包括：接收(X*Y)個資料封包及X個同位封包，其中該等X個同位封包之一第i個同位封包乃藉由一方程式在該等對應資料封包間執行互斥(XOR)或運算而得，該方程式為Pi(N)=P(N+i)XOR P(N+X+i)XOR P(N+2*X+i)XOR...XOR P(N+(Y-1)*X+i)；其中N為該等資料封包之一數目，且為(X*Y)之整數重數，而i=0，…，X-1、分析該等資料封包及其序號以找出遺失之資料封包、以及於該等對應資料封包及該等同位封包間執行互斥或運算以復原該等遺失之資料封包並產生複數個還原資料封包。

第1圖-通訊發送器範例

第1圖為依照本發明一實施例之範例通訊發送器。通訊發送器100可為各種傳輸資料之發送器。此處之通訊發送器100可能對傳輸媒體(例如即時多媒體通訊)特別有用。

如圖所示，通訊發送器100可包括一接收界面110、一 媒體擷取器120、一媒體編碼器130、一封包產生模組140、一同位封包產生器150及一發送界面160。該接收界面110用以接收媒體資料。該媒體擷取器120耦接至該接收界面110，可用以自該接收界面110擷取媒體資訊，而該媒體編碼器130耦接至該媒體擷取器120，可用以將該媒體擷取器120所擷取之媒體予以編碼。該封包產生模組140耦接至該媒體編碼器130，可用以接收自該媒體編碼器130而來之編碼資料，並以該媒體資料產生複數個資料封包。舉例而言，該等資料封包可連同標頭一起產生，其中該標頭具有符合即時傳輸協議(Real-Time Transport Protocol，RTP)規格之序號。之後，該封包產生模組140可將該等資料封包傳送至該同位封包產生器150。

如圖所示，該同位封包產生器150包括複數個緩衝器151以儲存資料封包。首先，該同位封包產生器150可在由該封包產生模組140而來之該等資料封包中選取出一最大資料封包，並將該等資料封包中選剩之資料封包中補入一數值(例如：0)以使其長度與該最大資料封包相等。之後，該同位封包產生器150可藉由在該等對應資料封包間執行互斥或運算(XOR)來產生複數個同位封包，其中該等對應資料封包以一交錯之次序被選取，而選取之方法將搭配第4圖作更詳細之描述。而後，該同位封包產生器150透過該發送界面160，將該等同位封包以及該等對應資料封包傳送至網路上一遠端系統之一通訊接收器。

由該同位封包產生器150產生之該等同位封包可包括標頭擴充，而該標頭擴充用以指出該等同位封包產生過程 中所使用之該等資料封包。舉例而言，在該即時傳輸協議(Real-Time Transport Protocol，RTP)封包標頭(依據RFC1889)之第X位元被設定為1，以表示標頭擴充的存在。在該標頭擴充的前16位元(由資料屬性所定義之區段)中，特別的「型數」(type number)將會為該等同位封包而保留，因此該等同位封包可與具有標頭擴充的其他型態之封包共存。在該等同位封包產生過程中，將封包序號列入封包之標頭擴充內，則可使該等同位封包能夠不按順序地被接收。

第2圖-通訊發送器之其他範例

第2圖為依照本發明之另一實施例之範例通訊發送器200。如圖所示，該通訊發送器200包括一接收界面210、一媒體擷取器220、一媒體編碼器230、一封包產生模組240、一同位封包產生器250及一發送界面260。該通訊發送器200與該通訊發送器100十分相似，兩者間唯一的差異在於該通訊發送器200中之該同位封包產生器250可被整合於該封包產生模組240中，因而該等同位封包產生時有效之RTP序號可一起產生。相反的，在該通訊發送器100中，獨立之同位封包產生器150連接於該封包產生模組140，因而該封包產生模組140並不清楚同位封包的產生過程。依照RFC1889 RTP協議之規格，該等同位封包不具有效之序號。

通訊發送器200之其他部分則如同該通訊發送器100，故於此不再贅述。

第3圖-通訊接收器範例

第3圖為依照本發明之一實施例之範例通訊發送器300。通訊發送器300可為各種傳輸資料之接收器。此處之通訊發送器300可能對傳輸媒體(例如即時多媒體通訊)特別有用。

如圖所示，該通訊發送器300包括一接收界面310、一復原模組320、一緩衝器330、一封包處理器340、一媒體編碼器350及一顯示界面360。該接收界面310可用以接收複數個資料封包及複數個同位封包，其中該等資料封包可連同標頭一起產生，其中該標頭具有符合即時傳輸協議(Real-Time Transport Protocol，RTP)規格之序號，且該等同位封包可藉由在交錯選取之該等對應資料封包間執行互斥或運算而產生。該等同位封包包括標頭擴充，而該標頭擴充用以指出該等同位封包產生過程中所使用之該等資料封包，此外同位封包又包括有效之RTP序號。

該復原模組320耦接至該接收界面310，首先分析從該接收界面310而來之資料封包，藉由核對序號找出遺失之資料封包。之後，該復原模組320復原遺失之封包，可藉由在該等對應資料封包及該等對應同位封包間執行互斥或運算以得到複數個還原資料封包。該復原模組320可將該等還原資料封包及該等資料封包傳送至耦接該復原模組320之該緩衝器330中暫存。

該封包處理器340接至該緩衝器330可將該等還原資料封包及該等資料封包予以整併至一單一框架(frame)。舉例而言，某些視訊框架(尤其是I框架)可能大於一封包，故被分割成複數個封包(稱為「封包化」)以對外發送。在對 內接收的路徑上，這些封包則必需被整併成單一框架以供解壓縮。該媒體編碼器350接至該封包處理器340，用以將該等資料封包及該等還原封包解碼成媒體資料。該顯示界面360耦接至該媒體編碼器350則用以輸出該媒體資料。

第4圖-同位封包產生過程交錯選擇封包之範例

第4圖依照本發明之一實施例，為同位封包產生過程中以交錯次序選擇封包之方法範例。如圖所示，P(N)、P(N+1)、…、P(N+X-1)、P(N+X)、…、P(N+Y*X-2)、P(N+Y*X-1)可為資料封包。N表示資料封包之序號。P0(N)、P1(N)、…PX-2(N)、PX-1(N)則為對應至資料封包P(N)的同位封包。在此範例中，資料封包數目N為(X*Y)之整數重數(integral multiplicity)，而該封包資料可以交錯之次序選出X組以產生X個同位封包。換句話說，在一個批次的生產過中會有(X*Y)個資料封包及X同位封包，而各列之資料封包可成為一組所選取的資料封包，以執行互斥或運算而產生一同位封包。

以下為同位封包產生方程式：P0(N)=P(N)XOR P(N+X)XOR P(N+2*X)XOR…XOR P(N+(Y-1)*X)

P1(N)=P(N+1)XOR P(N+X+1)XOR P(N+2*X+1)XOR…XOR P(N+(Y-1)*X+1)

…

PX-2(N)=P(N+X-2)XOR P(N+2*X-2)XOR P(N+3*X-2)XOR…XOR P(N+Y*X-2)

PX-1(N)=P(N+X-1)XOR P(N+2*X-1)XOR P(N+3*X-1)XOR…XOR P(N+Y*X-1)

若通訊過程中有封包遺失，則遺失之資料封包可藉由在所屬之對應組的資料封包與同位封包中執行互斥或運算而還原。舉例而言，若資料封包P(N+X+1)遺失，可藉由執行下列方程式而復原：P(N+X+1)=P1(N)XOR P(N+1)XOR P(N+2*X+1)XOR...XOR P(N+(Y-1)*X+1)

對上述Y+1同位型式之X組交錯而言，遺失資料封包可被復原的上限為X個的資料封包皆連續地遺失。增加X之數目，可增加受保護免於遺失的資料封包之數目。此外，每Y個資料封包即可產生一同位封包。當Y增加時，額外的同位封包數目會隨之減少。舉例而言，當Y=2時，則每兩個資料封包即產生一同位封包(同位封包產生率為50%)。當Y=3時，則每三個資料封包即產生一同位封包(同位封包產生率為33%)。當Y=4時，則每四個資料封包即產生一同位封包(同位封包產生率為25%)。在此實施例中，每組配置一同位資料封包之作法可保護每組資料封包最多發生一次遺失，若每組產生一個以上之同位封包，則每組將可還原多個封包。

第5圖-封包冗餘法範例

第5圖為依照本發明一實施例之示範封包冗餘法。第5圖所示之方法可應用於上述圖示中之通訊系統或發送器。在不同的實施例中，本方法之部分元素可同時執行，或以不同於此實施例之次序執行，甚或被刪改。額外的方法元素亦可依需求執行。配合附圖，本方法之操作請見下述。

在步驟502中，當接收資料時，媒體資料可被擷取。在步驟504中，媒體資料被編碼。在步驟506中，複數個資料封包由該編碼資料所產生，其中該等資料封包可具有標頭，而該標頭可具有符合即時傳輸協議(Real-Time Transport Protocol，RTP)規格之序號。

在步驟508中，在該等資料封包中最大之一資料封包會被選出，而選剩之資料封包會被補入一數值(例如：0)而使其與最大封包之長度相等。之後，藉由在交錯選出之該等對應資料封包間執行互斥或運算以產生複數個同位封包，其中該等同位封包可包括標頭擴充，而該標頭擴充用以指出該等同位封包產生過程中所使用之該等資料封包。此外，該等同位封包亦可包括有效之RTP序號。

在步驟510中，該等同位封包可與對應之資料封包一併傳送至一通訊接收器。

第6圖-封包復原法範例

第6圖為依照本發明一實施例之示範封包復原法。第5圖所示之方法可應用於上述圖示中之通訊系統或發送器。在不同的實施例中，本方法之部分元素可同時執行，或以不同於此實施例之次序執行，甚或被刪改。額外的方法元素亦可依需求執行。配合附圖，本方法之操作請見下述。

在步驟602中，複數個資料封包及複數個同位封包被接收，其中，該等同位封包乃藉由在交錯選出之該等對應資料封包間執行互斥或運算而產生。在一實施例中，該等資料封包連同標頭一起產生，而該標頭具有符合即時傳輸協議(Real-Time Transport Protocol，RTP)規格之序號。該 等同位封包可包括標頭擴充，而該標頭擴充用以指出該等同位封包產生過程中所使用之該等資料封包。此外，該等同位封包亦可包括有效之RTP序號。

在步驟604中，遺失的資料封包可藉由分析該等資料封包之序號而找回。在步驟606中，該等遺失之資料封包可藉由在該等對應資料封包及該等同位封包間執行互斥或運算而復原。在步驟608中，該等還原資料封包及該等資料封包將被整併至一單一框架。在步驟610中，該等資料封包及該等還原資料封包會被解碼成媒體資料。在步驟612中，該媒體資料會被輸出以供顯示。

本方法之優點

本方法使用一冗餘封包來保護整個群組之資料封包。在傳輸期間若發生封包遺失或損毀，帶有足夠之資訊之冗餘封包亦可使群組中之任一封包得以重建。以適當之方法交錯選擇多個群組以產生冗餘封包，則可保護封包免於突發且大量之遺失。該冗餘封包是由原始資料封包所衍生，並且隨著整個群組一同被傳送，因此當資料遺失或損毀時，沒有必要等待「暫停」及「再傳輸」等步驟，即可復原遺失的封包。本方法大幅度地強化在不可靠傳輸通道中傳輸資料的可靠性，而在連線品質不良的網域上傳送串流資料之時間亦可減少。

100‧‧‧通訊發送器

110‧‧‧接收界面

120‧‧‧媒體擷取器

130‧‧‧媒體編碼器

140‧‧‧封包產生模組

150‧‧‧同位封包產生器

160‧‧‧發送界面

151‧‧‧緩衝器

200‧‧‧通訊發送器

210‧‧‧接收界面

220‧‧‧媒體擷取器

230‧‧‧媒體編碼器

240‧‧‧封包產生模組

250‧‧‧同位封包產生器

260‧‧‧發送界面

251‧‧‧緩衝器

300‧‧‧通訊發送器

310‧‧‧接收界面

320‧‧‧復原模組

330‧‧‧緩衝器

340‧‧‧封包處理器

350‧‧‧媒體編碼器

360‧‧‧顯示界面

第1圖為依照本發明一實施例之範例通訊發送器；第2圖為依照本發明之另一實施例之範例通訊發送器；第3圖為依照本發明之一實施例之範例通訊發送器； 第4圖依照本發明之一實施例，為同位封包產生過程中以交錯次序選擇封包之方法範例；第5圖為依照本發明一實施例之示範封包冗餘法；第6圖為依照本發明一實施例之示範封包復原法。

100‧‧‧通訊發送器

110‧‧‧接收界面

120‧‧‧媒體擷取器

130‧‧‧媒體編碼器

140‧‧‧封包產生模組

150‧‧‧同位封包產生器

160‧‧‧發送界面

151‧‧‧緩衝器

Claims (29)

1. 一種通訊發送器，包括：一接收界面，用以接收具有(X*Y)個資料封包之資料；一發送界面，用以傳送具有該等資料封包之資料至一通訊接收器；一同位封包產生器，用以：依照從該接收界面而來之該等(X*Y)個資料封包而產生X個同位封包，其中該等X個同位封包之一第i個同位封包乃藉由一方程式在該等對應資料封包間執行互斥或運算而得，該方程式為Pi(N)=P(N+i)XOR P(N+X+i)XOR P(N+2*X+i)XOR...XOR P(N+(Y-1)*X+i)其中N為該等資料封包之一數目，且為(X*Y)之整數重數，而i=0，…，X-1；以及透過該發送界面傳送該等同位封包和該等對應資料封包至該通訊接收器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之通訊發送器，其中該同位封包產生器在產生該等同位封包前更進行下列步驟：在該等資料封包間選取一最大資料封包；將該等資料封包中選剩之資料封包中補入一數值以使其長度與該最大資料封包相等。
3. 如申請專利範圍第1項所述之通訊發送器，其中該等同位封包包括標頭擴充，而該標頭擴充用以指出該等同位封包產生過程中所使用之該等資料封包。
4. 如申請專利範圍第1項所述之通訊發送器，其中 該同位封包產生器包括複數個緩衝器以儲存該等資料封包及該等同位封包。
5. 如申請專利範圍第1項所述之通訊發送器，其中被執行該互斥或運算之該等對應資料封包以一交錯之次序被選取。
6. 如申請專利範圍第1項所述之通訊發送器，更包括：一媒體擷取器，耦接至該接收界面，用以擷取媒體資料；一媒體編碼器，耦接至該媒體擷取器，用以編碼該媒體資料；以及一封包產生模組，耦接至該媒體編碼器及該同位封包產生器，用以：自該媒體編碼器接收該編碼資料；產生該等資料封包；以及將該等資料封包傳送至該同位封包產生器。
7. 如申請專利範圍第6項所述之通訊發送器，其中該等資料封包連同標頭一起產生，而該標頭具有符合即時傳輸協議(Real-Time Transport Protocol，RTP)規格之序號。
8. 如申請專利範圍第6項所述之通訊發送器，其中該封包產生模組與該同位封包產生器相整合。
9. 如申請專利範圍第8項所述之通訊發送器，其中，若該封包產生模組與該同位封包產生器相整合，則該等同位封包包括有效之RTP序號。
10. 一種通訊接收器，包括：一接收界面，用以接收(X*Y)個資料封包及X個同位封 包，其中該等X個同位封包之一第i個同位封包乃藉由一方程式在該等(X*Y)資料封包間執行互斥或(XOR)運算而得，該方程式為Pi(N)=P(N+i)XOR P(N+X+i)XOR P(N+2*X+i)XOR...XOR P(N+(Y-1)*X+i)其中N為該等資料封包之一數目，且為(X*Y)之整數重數，而i=0，…，X-1；以及一復原模組，耦接至該接收界面，用以：分析從該接收界面來之該等資料封包及其序號，以找出遺失之資料封包；在該等對應資料封包及該等對應同位封包間執行互斥或運算以取得複數個還原資料封包；以及傳送該等還原資料封包及該等資料封包。
11. 如申請專利範圍第10項所述之通訊接收器，其中該等資料封包連同標頭一起產生，而該標頭具有符合即時傳輸協議(Real-Time Transport Protocol，RTP)規格之序號。
12. 如申請專利範圍第10項所述之通訊接收器，其中被執行該互斥或運算之該等對應資料封包以一交錯之次序被選取。
13. 如申請專利範圍第10項所述之通訊接收器，其中該等同位封包包括標頭擴充，而該標頭擴充用以指出該等同位封包產生過程中所使用之該等資料封包。
14. 如申請專利範圍第10項所述之通訊接收器，其中該等同位封包包括有效之RTP序號。
15. 如申請專利範圍第10項所述之通訊接收器，更包 括：一緩衝器，耦接至該復原模組，用以儲存自該還原模組而來之該等資料封包及該等還原資料封包；一媒體解碼器，用以將該等資料封包及該等還原資料封包解碼成媒體資料；以及一顯示界面，耦接至該媒體解碼器，用以輸出該媒體資料以供顯示。
16. 如申請專利範圍第10項所述之通訊接收器，更包括：一封包處理器，耦接至該緩衝器及該媒體解碼器，用以將該等資料封包及該等還原資料封包整併於一單一框架(frame)中。
17. 一種封包冗餘法，包括：接收(X*Y)個資料封包；依照該等(X*Y)資料封包產生X個同位封包，其中該等X個同位封包之一第i個同位封包乃藉由一方程式在該等對應資料封包間執行互斥或運算所產生，該方程式為Pi(N)=P(N+i)XOR P(N+X+i)XOR P(N+2*X+i)XOR...XOR P(N+(Y-1)*X+i)其中N為該等資料封包之一數目，且為(X*Y)之整數重數，而i=0，…，X-1；將該等同位封包以及該等對應資料封包傳送至一通訊接收器。
18. 如申請專利範圍第17項所述之封包冗餘法，更包括在產生該等同位封包前更進行下列步驟： 在該等資料封包間選取一最大資料封包；將該等資料封包中選剩之資料封包中補入一數值以使其長度與該最大資料封包相等。
19. 如申請專利範圍第17項所述之封包冗餘法，其中該等同位封包包括標頭擴充，而該標頭擴充用以指出該等同位封包產生過程中所使用之該等資料封包。
20. 如申請專利範圍第17項所述之封包冗餘法，其中該等同位封包包括有效之即時傳輸協議(Real-Time Transport Protocol，RTP)序號。
21. 如申請專利範圍第17項所述之封包冗餘法，其中被執行該互斥或運算之該等對應資料封包以一交錯之次序被選取。
22. 如申請專利範圍第17項所述之封包冗餘法，更包括：擷取媒體資料；編碼該媒體資料；以及以該編碼之資料產生該等資料封包。
23. 如申請專利範圍第22項所述之封包冗餘法，其中該等資料封包連同標頭一起產生，而該標頭具有符合即時傳輸協議(Real-Time Transport Protocol，RTP)規格之序號。
24. 一種封包復原法，包括：接收(X*Y)個資料封包及X個同位封包，其中該等X個同位封包之一第i個同位封包乃藉由一方程式在該等對應資料封包間執行互斥或(XOR)運算而得，該方程式為Pi(N)=P(N+i)XOR P(N+X+i)XOR P(N+2*X+i) XOR...XOR P(N+(Y-1)*X+i)其中N為該等資料封包之一數目，且為(X*Y)之整數重數，而i=0，…，X-1；分析該等資料封包及其序號以找出遺失之資料封包；以及於該等對應資料封包及該等同位封包間執行互斥或運算以復原該等遺失之資料封包並產生複數個還原資料封包。
25. 如申請專利範圍第24項所述之封包復原法，其中該等資料封包連同標頭一起產生，而該標頭具有符合即時傳輸協議(Real-Time Transport Protocol，RTP)規格之序號。
26. 如申請專利範圍第24項所述之封包復原法，其中被執行該互斥或運算之該等對應資料封包以一交錯之次序被選取。
27. 如申請專利範圍第24項所述之封包復原法，其中該等同位封包包括標頭擴充，而該標頭擴充用以指出該等同位封包產生過程中所使用之該等資料封包。
28. 如申請專利範圍第24項所述之封包復原法，其中該等同位封包包括有效之RTP序號。
29. 如申請專利範圍第24項所述之封包復原法，更包括：將該等還原資料封包及該等資料封包予以整併；將該等資料封包及該等還原資料封包解碼成媒體資料；輸出該媒體資料。