基于LT碼的DRM數(shù)據(jù)廣播傳輸優(yōu)化必要性與可行性研究

侯亞輝，汪杜娟

(中國傳媒大學(xué)廣播電視數(shù)學(xué)化教育部工程研究中心，北京 100024)

基于LT碼的DRM數(shù)據(jù)廣播傳輸優(yōu)化必要性與可行性研究

侯亞輝，汪杜娟

(中國傳媒大學(xué)廣播電視數(shù)學(xué)化教育部工程研究中心，北京 100024)

深入分析了數(shù)字調(diào)幅廣播(DRM)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)對象時由于丟包所造成的傳輸效率低下等問題，論證了進(jìn)行系統(tǒng)傳輸優(yōu)化的必要性;提出了一種基于數(shù)字噴泉碼(LT碼)的傳輸優(yōu)化方案，并通過測試和仿真對該方案的可行性進(jìn)行了分析論證。

LT碼;卷積碼;丟包;DRM數(shù)據(jù)廣播

1 前言

中短波調(diào)幅廣播信道是一種時變信道，其可用帶寬較窄，采用DRM技術(shù)在傳輸大容量數(shù)據(jù)對象時效率不高?，F(xiàn)有DRM標(biāo)準(zhǔn)采用卷積碼作為糾錯編碼技術(shù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理部分采用 MOT 協(xié)議［1］［2］。但這些編碼方式主要是用于糾錯，事實上由于突發(fā)錯誤以及終端設(shè)備自身同步問題，通常在接收端不僅會出現(xiàn)誤碼，同時會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。由于沒有反饋信道，在傳輸較大容量的數(shù)據(jù)對象時，丟包現(xiàn)象的存在會使終端設(shè)備因個別數(shù)據(jù)包接收不全而反復(fù)等待發(fā)端重新發(fā)送并試圖接收之前缺失的數(shù)據(jù)包，當(dāng)這種等待所造成的開銷達(dá)到一定程度時，終端會丟棄已接收的該數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)包從而導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)對象的重新接收，從而嚴(yán)重降低數(shù)據(jù)傳輸效率。當(dāng)信道傳輸環(huán)境較差時會存在較大的數(shù)據(jù)丟包率，終端接收一個完整的數(shù)據(jù)對象所需要的時間將令人無法忍受。直接的后果是導(dǎo)致在基于DRM的多媒體傳輸系統(tǒng)上開展數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時數(shù)據(jù)對象傳輸容量受限且傳輸效率低下，造成一些業(yè)務(wù)如Broadcast Website(需要進(jìn)行數(shù)據(jù)簇的推送，雖然單個數(shù)據(jù)文件容量不大，但數(shù)據(jù)簇之和容量會相當(dāng)可觀)和Slide Show(單個圖片對象的依次推送)在終端的接收和顯示效果不理想。因此通過引入數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域最新的編碼技術(shù)對現(xiàn)有DRM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化研究，提高數(shù)據(jù)傳輸效率是很有必要的。

針對數(shù)字調(diào)幅廣播傳輸大容量數(shù)據(jù)所存在的問題，本文提出了一種數(shù)字噴泉碼(LT碼)與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)所定義的卷積碼所組成的聯(lián)合編碼方案。該方案將LT編碼嵌入標(biāo)準(zhǔn)中定義的MOT(Multimedia Object Transfer)預(yù)編碼模塊中，充分利用LT碼的碼率無關(guān)性特點，無需檢錯重發(fā)且可有效利用已傳輸?shù)睦鄯e數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了終端對數(shù)據(jù)對象的“斷點續(xù)傳”接收，提高了中短波數(shù)字調(diào)幅廣播的數(shù)據(jù)傳輸效率，對于基于DRM技術(shù)的多媒體廣播系統(tǒng)的未來發(fā)展應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。通過廣播信道實測結(jié)果表明，該級聯(lián)編碼可有效提高發(fā)端系統(tǒng)對較大數(shù)據(jù)對象的傳輸效率，顯著提高終端系統(tǒng)對大容量數(shù)據(jù)對象的正確接收概率。

2 DRM系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化的必要性

DRM廣播信號的傳輸分為天波和地波兩種方式。短波信號采用天波方式傳輸，中波信號則在信號傳輸?shù)牟煌瑫r段采用天波和地波兩種方式。天波傳輸方式利用電離層的反射傳送信息，由于電離層是一種具有構(gòu)成隨機變化性、非均勻性、各向異性的介質(zhì)，此時調(diào)幅廣播信道是一種時變色散信道，存在衰落、多徑時延、多普勒頻移、近似高斯分布的白噪聲、同頻與鄰頻電臺等諸多干擾因素。這些干擾因素會直接影響已調(diào)制信號在該信道的傳輸狀況，信道的影響主要可以分成以下三個方面:第一是信道本身頻響特性不理想造成對信號的破壞而導(dǎo)致對傳輸信號產(chǎn)生衰落;第二是信道中的各種噪聲，如背景噪聲、脈沖噪聲等疊加在信號之上，改變了信號的幅度、相位和頻率特性，在解調(diào)時產(chǎn)生錯誤;第三是信號在傳輸過程中由于反射、折射等多徑傳播所帶來的疊加效應(yīng)在接收端所造成的干擾。這幾種信道干擾因素都會導(dǎo)致接收端有較大的機率得到被干擾污染后的信號，從而誘發(fā)解調(diào)錯誤，使系統(tǒng)傳輸產(chǎn)生誤碼與數(shù)據(jù)包丟失(丟包)。在非理想信道環(huán)境下，當(dāng)丟包率達(dá)到一定程度時，會造成系統(tǒng)在傳輸較大容量的數(shù)據(jù)對象時效率十分低下，有較大概率達(dá)不到系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)服務(wù)的基本傳輸要求，直接的后果就是一些數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)無法正常進(jìn)行。

DRM系統(tǒng)主要通過數(shù)據(jù)差錯編碼與重復(fù)傳輸機制解決數(shù)據(jù)傳輸時的誤碼與丟包問題。因為中短波廣播信道是單向廣播信道，數(shù)據(jù)傳輸沒有反饋途徑，所以通過中短波信道這樣的窄帶信道傳輸數(shù)據(jù)必須要依靠發(fā)端系統(tǒng)對數(shù)據(jù)對象的重復(fù)傳輸來保證終端系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的可靠接收。重復(fù)傳輸機制只是提供給終端一個在多次重復(fù)接收中正確完整接收數(shù)據(jù)對象的機會，是數(shù)據(jù)對象在終端實現(xiàn)被可靠、完整接收的保障，并不是一種從根本上提高數(shù)據(jù)傳輸效率的解決辦法。在DRM系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在信道中傳輸出現(xiàn)的誤碼可在物理層中通過卷積碼差錯編碼進(jìn)行糾正，但DRM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸是以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行的，卷積碼差錯編碼方式只能在底層編碼層面一定程度上處理數(shù)據(jù)傳輸中的誤碼而無法從根本上解決丟包的問題。當(dāng)DRM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸遭遇到較大的丟包率環(huán)境時會嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸效率，表現(xiàn)為隨著丟包率的上升，數(shù)據(jù)傳輸效率急劇惡化。

圖2.1、2.2為DRM系統(tǒng)分別傳輸200K Bytes與1M Bytes大小數(shù)據(jù)對象時，經(jīng)測試得出的丟包率與數(shù)據(jù)完整接收所用時間的關(guān)系圖。

測試基本參數(shù):DRM模式 B，帶寬 10KHz，64QAM，數(shù)據(jù)服務(wù)(Packet Mode)，數(shù)據(jù)凈速率32000kbps，包大小(bits)640。

圖2.1 數(shù)據(jù)對象(200KB)接收時間受丟包率影響

測試表明，在極低丟包率范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)對象的成功接收時間隨丟包率的上升變化并不大，接近理想狀態(tài)下的理論接收時間。隨著丟包率的繼續(xù)上升，數(shù)據(jù)對象成功接收時間開始急劇上升，當(dāng)丟包率超過臨界丟包率時，數(shù)據(jù)對象的成功接收變得幾乎不可能。

圖2.2 數(shù)據(jù)對象(1M KB)接收時間受丟包率影響

另一方面，當(dāng)理想傳輸環(huán)境(丟包率為0)下成功傳輸數(shù)據(jù)對象的時間隨著數(shù)據(jù)對象容量的增長線性增長(圖2.3中藍(lán)色線)，但當(dāng)丟包率大于0時，傳輸數(shù)據(jù)對象的時間隨著數(shù)據(jù)對象容量的增長而呈非線性急劇上升態(tài)勢(圖2.3中紅色線)。在存在丟包率的信道傳輸環(huán)境中，數(shù)據(jù)對象容量增長達(dá)到或超過一個臨界值時，其成功接收同樣變得幾乎不可能。在存在丟包率條件下，數(shù)據(jù)對象容量與成功接收時間的關(guān)系示意圖如圖2.3:

圖2.3 數(shù)據(jù)對象容量與接收時間關(guān)系示意圖(存在丟包率條件下)

綜上，僅靠DRM現(xiàn)有技術(shù)機制無法根本解決DRM系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中的丟包問題。DRM廣播系統(tǒng)信道雖然不是一種刪除信道，但數(shù)據(jù)傳輸中的丟包問題需要在更高層協(xié)議中設(shè)置能夠起到類似“糾刪”作用的前向糾錯技術(shù)來有效解決。

3 基于LT碼的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化設(shè)計

噴泉碼是一類分組級前向糾錯編碼(FEC)技術(shù)，是一種碼率無關(guān)的糾刪碼，由Michae1.Luby提出的LT(Luby Transform)Code是一種趨于實用的噴泉碼型［4］［5］。采用隨機編碼思想，碼率動態(tài)可變，LT 碼通過度分布設(shè)計實現(xiàn)編碼矩陣的稀疏化，具有線性的編解碼復(fù)雜度，其譯碼方法與低密度奇偶校驗碼(LDPC)方法類似，接收端在收到任意一組稍多于原始數(shù)據(jù)分組的編碼分組后，就能正確恢復(fù)出所有的原始數(shù)據(jù)分組。與傳統(tǒng)的分組級FEC技術(shù)(如RS碼)相比，噴泉碼具有更短的編譯碼時延，特別適合在信道特性存在異構(gòu)性的應(yīng)用中實現(xiàn)點對多點的大容量數(shù)據(jù)傳輸，如數(shù)據(jù)廣播分發(fā)等，具有更高的數(shù)據(jù)分發(fā)效率。因此，該技術(shù)已經(jīng)被第3代蜂窩網(wǎng)絡(luò)多媒體廣播/多點傳送服務(wù)(MBMS)和DVB-H標(biāo)準(zhǔn)所采用，并被應(yīng)用在衛(wèi)星數(shù)據(jù)廣播分發(fā)系統(tǒng)中［6-9］。

該方案與采用LT碼與分組碼構(gòu)成的常規(guī)內(nèi)外碼編碼結(jié)構(gòu)不同，采用將LT碼內(nèi)嵌入MOT預(yù)編碼模塊作為外碼，可刪除卷積碼作為內(nèi)碼，專門應(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸部分，而音頻部分仍按照DRM標(biāo)準(zhǔn)所定義的編碼方式不變。采用卷積編碼后，有效地增加LT碼的符號恢復(fù)能力，并提高系統(tǒng)恢復(fù)碼元的實時性;同時LT碼有效地減少了接收端由于丟包而反復(fù)接收的概率。另外，將LT碼內(nèi)嵌入MOT預(yù)編碼模塊可最大限度的保留原標(biāo)準(zhǔn)的編譯碼結(jié)構(gòu)，僅需增加相應(yīng)的編譯碼模塊即可，不涉及后續(xù)調(diào)制部分的改動。改進(jìn)后信道編碼結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1:

圖3.1 改進(jìn)后信道編碼模塊結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)對象處理先按照MOT Package encoder part1［2］處理，產(chǎn)生 K 個輸入符號 Ai(1≤i≤k)，將輸入符號進(jìn)行LT編碼產(chǎn)生K個編碼符號Xj(1≤j≤k)，將編碼符號映射為 MOT Package encoder part2［2］的數(shù)據(jù)段，然后進(jìn)行后續(xù)的MOT常規(guī)編碼處理。MOT預(yù)編碼模塊嵌入LT編碼的示意圖見圖3.2:

圖3.2 MOT預(yù)編碼模塊嵌入LT編碼的示意圖

4 測試與數(shù)據(jù)分析

本設(shè)計通過在多媒體數(shù)據(jù)服務(wù)器MOT預(yù)編碼階段嵌入LT編碼以實現(xiàn)編碼優(yōu)化，具體嵌入位置在包模式(Packet Mode)編碼之前。通過分析和比對LT編碼組和對比組測試數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化效果的評估。測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生流程如圖4.1所示:

圖4.1 測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生流程

4.1 臨界丟包率測試

臨界丟包率定義:逐漸提高測試系統(tǒng)環(huán)境中的丟包率而保持其他參數(shù)不變，測試系統(tǒng)成功傳輸一個數(shù)據(jù)文件的實際時間達(dá)到無差錯理論傳輸時間的50倍時，此時測試環(huán)境中的丟包率為臨界丟包率。

測試目的:通過大量測試得到DRM系統(tǒng)(無LD編碼優(yōu)化)在不同丟包率測試環(huán)境中成功傳輸給定數(shù)據(jù)大小的單一數(shù)據(jù)文件所需時間樣本空間，總結(jié)出在特定試驗條件下系統(tǒng)臨界丟包率。將測試數(shù)據(jù)作為DRM系統(tǒng)(采用LD編碼優(yōu)化)進(jìn)行同樣數(shù)據(jù)傳輸測試的對比數(shù)據(jù)。

測試條件:DRM 模式 B，帶寬10KHz，64QAM，SlideShow數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(Packet Mode)，數(shù)據(jù)凈速率32000kbps。測試數(shù)據(jù)對象采用 200KBytes和1024KBytes(1MB)兩種容量的JPEG圖片。

(1)200K Bytes數(shù)據(jù)對象

傳輸文件大小:1638400 bits(200K Bytes);包大小(bits): 640;

傳輸包個數(shù): 2560;無差錯理論傳輸時間:51.2 s;

臨界丟包率測試圖(測試數(shù)據(jù)顯示臨界丟包率約為3.90625E-04)如下所示:

圖4.2 200K Bytes數(shù)據(jù)對象臨界丟包率測試

(2)1M Bytes數(shù)據(jù)對象

傳輸文件大小:8388608 bits(1M Bytes);包大小(bits): 640;

傳輸包個數(shù): 13108;無差錯理論傳輸時間:262.144 s;

臨界丟包率測試圖(測試數(shù)據(jù)顯示臨界丟包率約為7.62893E-05)如下所示:

臨界丟包率測試結(jié)果顯示:

隨著丟包率上升直至接近臨界丟包率的過程中，無LT碼優(yōu)化的系統(tǒng)成功傳輸數(shù)據(jù)對象的時間呈指數(shù)上升趨勢;當(dāng)丟包率達(dá)到并超過臨界丟包率時，無LT碼優(yōu)化的系統(tǒng)成功接收數(shù)據(jù)對象的可能性趨近于 0;與無LT碼優(yōu)化的系統(tǒng)相比，采用LT碼優(yōu)化的系統(tǒng)傳輸相同數(shù)據(jù)對象時的傳輸效率基本不受臨界丟包率影響。

圖4.3 1M Bytes數(shù)據(jù)對象臨界丟包率測試

4.2 三種信道環(huán)境下LT碼優(yōu)化方案的傳輸概率分布測試與分析

測試目的:通過大量測試得到采用LD編碼優(yōu)化后的DRM系統(tǒng)在不同信道環(huán)境中成功傳輸單一數(shù)據(jù)文件所需數(shù)據(jù)包數(shù)樣本空間，得出系統(tǒng)成功傳輸數(shù)據(jù)對象概率與所需數(shù)據(jù)包數(shù)的分布關(guān)系。

測試信道采用 Channel 1、2、3，DRM 模式 B，帶寬10kHz，MOTSlideShow碼率32000bps;測試數(shù)據(jù)對象采用200K Bytes JPEG圖片，LT包大小為640bit。

(1)DRM channel 1

測試信道參數(shù)表如表1:

表1

(2)DRM channel 2

測試信道參數(shù)表見表2:

表2

(3)DRM channel 3

測試信道參數(shù)表見表3:

表3

傳輸概率分布測試結(jié)果顯示:在存在較大丟包率的實際傳輸環(huán)境中，與無LT碼優(yōu)化的系統(tǒng)無法有效傳輸大容量數(shù)據(jù)對象(＞200K Bytes)的情況相

圖4.6 200K Bytes數(shù)據(jù)對象傳輸概率分布圖(Channel 3，SNR:22dB，丟包率:19.9%)

比，采用LT碼優(yōu)化后的系統(tǒng)傳輸較大容量的數(shù)據(jù)對象時，只要接收到足夠多的數(shù)據(jù)包，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)對象的成功接收。

5 結(jié)論

本文深入研究了DRM系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)機制下數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)包丟失現(xiàn)象以及由此帶來的數(shù)據(jù)傳輸效率低下問題，論述了DRM系統(tǒng)傳輸編碼優(yōu)化的必要性和可行性，提出了一種數(shù)字噴泉碼(LT碼)與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)所定義的卷積碼所組成的聯(lián)合編碼方案。測試表明，該方案借助數(shù)字噴泉碼技術(shù)有效改善了DRM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)廣播能力。

［1］ETSI ES 201 980 V2.2.1［S］.Digital Radio Mondiale(DRM)，System Specification，2005.

［2］EN 301 234 V1.2.1(1999-02):Digital Audio Broadcasting(DAB)，Multimedia Object Transfer(MOT)protocol［S］.

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The Necessity and Feasibility Research on the Optimization of Transmission in DRM Digital Broadcasting Based on LT Code

HOU Ya-hui，WANG Du-juan
(ECDAV，Communication University of China，Beijing 100024，China)

This paper focus on the problems on low efficiency of transmitting large-capacity data due to the packet-lost in DRM system.A kind of joint coding scheme based on LT code and convolution code is presented.The necessity and feasibility of the proposed scheme are analyzed according to the testing and simulation results.

LT code;convolution code;packet loss;DRM broadcasting

TN934

A

1673-4793(2011)04-0035-07

2011-01-05

侯亞輝(1974-)，男(漢族)，河南開封人，中國傳媒大學(xué)副研究員.E-mail:houyh@cuc.edu.cn

(責(zé)任編輯

:王 謙)