（信号与信息处理专业论文）喷泉编码及其在无线流媒体中的应用.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：王堂鱼墨曼筐! 量处理 研究方向：图堡处堡皇多堪笠通篮 作 者：盟级研究生李凯 指导教师：越 i i i i iiii i ii1 1 1 111 1 111 i 17 5 4 8 9 8 题 目： 喷泉编码及其在无线流媒体中的应用 英文题目：f o u n t a i nc o d e sa n d a p p l i c a t i o n st ow i r e l e s ss t r e a m i n g m e d i a 主题词： 无线流媒体喷泉码异步接收数据调度 k e y w o r d s ： w i r e l e s ss t r e a m i n gm e d i a ，f o u n t a i nc o d e s ，a s y n c h r o n o u s r e c e p t i o n ， d a t as h e d u l i n g 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 无线技术的发展，使得无线环境乃至移动环境下开展流媒体业务逐渐成为现实。但是 无线信道高的丢包率和时变特性、终端用户的异构性使得无线网络中流媒体传输能力受到 限制。克服无线环境下的丢包、数据冗余、提高流媒体传输服务质量是一个亟需解决的关 键问题。 喷泉编码作为一种前向纠错编码，改变了传统的用户必须按照严格的顺序接收分组流 的标准，其无码率特征适应无线信道的时变性。本文首先实现基于h 2 6 4 视频编码的喷泉 编码技术，研究目前的实用喷泉编码技术l t 编码，并针对长码长喷泉码应用于无线流 媒体中所引起的延迟问题提出解决方案，增强短码长情况下b p 译码成功概率。 其次，研究基于喷泉编码的异步分流技术和基于喷泉编码的数据调度策略。在无线广 播环境中，现有的异步分流技术延迟长，带宽消耗大，以及并未考虑到网络的丢包特性， 而丢包重传的方案在广播信道中会导致广播风暴等若干问题。本文通过对视频流进行喷泉 编码，利用喷泉编码的无码率特性适应不同丢包率，克服无线网络丢包现象，解决在无线 广播环境中进行视频点播服务用户的异步接收问题，使不同接入点的用户可以获得相同的 媒体流；在无线p 2 p 网络中，当p e e r 节点从多个上行节点获得相同的数据包时，必须在接 收端进行内容重建，去除重复的数据包，这样则导致过多的网络带宽消耗，本文根据喷泉 编码度分布函数的随机性，彻底消除p 2 p 网络中的相同分组，利用喷泉编码技术简化p 2 p 流媒体的数据调度策略，提高接收端的数据流速率。 最后，本文对基于喷泉编码的异步分流技术进行仿真分析。结果表明喷泉编码技术可 以适应无线信道时变特性，解决无线广播信道中的丢包重传以及异步接收问题。并系统实 现基于喷泉编码的数据调度策略，结果表明喷泉再编码技术可以提高无线流媒体系统中节 点的数据接收速率，从而改善节点的播放质量。 关键词：无线流媒体喷泉编码异步接收数据调度 q o so fs t r e a m i n gm e d i aa r ek e yi s s u ei nw i r e l e s se n v i r o n m e n t f o u n t a i nc o d e s ，k n o w na so n eo ft h et h e o r yo f f e c ，h a sc h a n g e dt h et r a d i t i o n a lo r d e ro ft h e u s e rm u s tf o l l o was t r i c tc r i t e r i af o rr e c e i v i n gp a c k e ts t r e a m s ，i t sr a t e l e s sc h a r a c t e r i s t i c sa d a p tt o t h et i m e v a r y i n gw i r e l e s sc h a n n e l ，t h i s p a p e rf i r s ti m p l e m e n th 2 6 4 b a s e dv i d e oc o d i n gt o a c h i e v et h ef o u n t a i nc o d i n g ，r e s e a r c h i n gc u r r e n t l yp r a c t i c a lf o u n t a i nc o d e l tc o d e s a 1 1 dt h e d e l a yq u e s t i o nu s e di nw i r e l e s ss t r e a m i n gm e d i ai s s u e sa r i s i n gf r o ml o n gc o d el e n g t h ，t oe n h a n c e t h es h o r tc o d el e n g t hs u c c e s s p r o b a b i l i t yu n d e rb pd e c o d i n g l a t e r , r e s e a c h i n go nt h ea s y n c h r o n o u sr e c e p t i o na n dd a t a s c h e d u l i n gw h i c hb a s e do n f o u n t a i nc o d e s ，t h e e x i s t i n gs y n c h r o n o u ss t r e a m i n gt e c h n o l o g y , al o n g d e l a y , b a n d w i d t h c o n s u m p t i o n ，a n dd o e sn o tt a k ei n t oa c c o u n tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h en e t w o r kp a c k e tl o s s w h i l e t h ep a c k e tl o s sr e t r a n s m i s s i o no fp r o g r a m sb r o a d c a s tc h a n n e lw i l ll e a dt o an u m b e ro fi s s u e s s u c ha sb r o a d c a s ts t o r m s ，t h i sp a p e rf o u n t a i nc o d i n gt e c h n i q u e st oo v e r c o m et h ep h e n o m e n o no f p a c k e tl o s sw i r e l e s sn e t w o r k st or e s o l v ei nt h ew i r e l e s sb r o a d c a s te n v i r o n m e n t ，v i d e o o n d e m a n d s e r v i c eu s e r sa s y n c h r o n o u sr e c e p t i o np r o b l e m s ，s ot h a tu s e r sg e td i f f e r e n ta c c e s sp o i n t s ，o b t a i n t h es a m em e d i as t r e a m ；i nt h et r a d i t i o n a lp 2 p n e t w o r k ，w h e np e e rn o d er e c e i v et h es 锄ed a c k e t f r o mm u l t i p l eu p s t r e a mn o d e s ，t h e ni tm u s tr e m o v a lt h ed u p l i c a t ep a c k e t s ，r e s u l t i n gi ne x c e s s i v e b a n d w i d t hc o n s u m p t i o n ，w h i l er e d u c i n gt h ep e e rn o d er e c e i v e sr a t e ，t h i s p a p e ra d d r e s st h e f o u n t a i nc o d i n gt e c h n i q u e s ，t h e nc o m p l e t ee l i m i n a t i o nt h es a m ep a c k e t s i m p l i f ys c h e d u l i n g s t r a t e g yi np 2 ps t r e a m i n gm e d i ai n c r e a s et h ep e e r s d a t ar e c e i v i n gr a t e f i n a l l y , e x p e r i m e n t sb a s e do nd i f f e r e n tp r o g r a m sa r ec a r r i e do u t ，s i r e u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tu t i l i z i n gf o u n t a i nr e c o d i n gc a ni n c r e a s et h ep e e r s d a t ar e c e i v i n g r a t e ，c o n s e q u e n t l yt h e p l a y b a c kq u a l i t yo fp e e r sa r ei m p r o v e d k e yw o r d s ：w i r e l e s ss t r e a m i n gm e d i a ，f o u n t a i nc o d e s ，a s y n c h r o n o u sr e c e p t i o n ，d a t as c h e d u l i n g i i - 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 。 摘要i a b s t r a c t ：i i 目 录i i i 第一章引言l 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 研究现状和趋势3 1 3 问题分析与研究内容5 1 4 本文工作及论文组织6 第二章无线流媒体及喷泉码技术8 2 1 流媒体系统概述：8 2 2 无线网络对流媒体传输的影响9 2 2 1 无线广播p 2 p 技术1 0 2 2 2 无线网络中流媒体业务传输特点1 1 2 3 喷泉编码研究现状及应用13 2 3 1 喷泉编码的研究现状1 4 2 3 2 喷泉编码的应用1 5 2 4 本章小结17 第三章喷泉编码技术1 8 3 1 喷泉编码技术1 8 3 1 1 喷泉编码基本原理1 9 3 1 2 编码过程2 0 3 2l t 编码性能改善2 2 3 2 1l t 码编码过程2 3 3 2 2l t 码译码过程2 7 3 2 3l t 编码效率分析3 0 3 3 本章小结3 3 第四章基于喷泉编码的异步分流技术研究3 4 4 1 无线p 2 p v o d 中的异步分流3 4 丽京邮电大学坝士研究生学位论文 目录 4 1 1 现有的异步分流技术3 5 4 1 2 基于喷泉编码的异步分流技术3 6 4 2 基于喷泉编码的异步分流技术仿真4 0 4 2 1 仿真设计4 1 4 2 2 实验数据与分析4 1 4 3 本章小结一5 0 第五章基于喷泉编码的数据调度策略及实现5 1 5 1 无线p 2 p 流媒体中的数据调度5 1 5 1 1 喷泉编码冗余度的分析5 2 5 1 2 基于喷泉再编码的数据调度策略5 3 5 2 基于喷泉再编码的p 2 p 数据调度策略系统实现5 7 5 2 1 系统模型5 8 5 2 2 系统实体实现5 8 5 2 3 测试环境6 1 5 2 4 实验数据与分析6 1 5 3 本章小结6 6 第六章总结与展望6 7 6 1 论文总结6 7 6 2 下一步工作展望6 7 致谢6 9 参考文献7 0 作者攻读硕士期间参加的科研项目和发表的论文7 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 课题背景及研究意义 随着无线技术的迅速发展，无线网络及传统的移动通信网都已成为i n t e r n e t 的重要组 成部分，原有各种i n t e m e t 的应用势必都要移植到无线网络中。作为新型的网络应用，流 媒体业务将成为未来移动通信系统( 3 g 、b 3 g 、4 g ) 中的主要组成部分，无线网络中流媒 体传输服务质量是一个首先需要解决的问题。流媒体业务要求高带宽，对端到端时延敏感， 对时延抖动和丢包率也有相应的要求，而i p 是无连接类型的协议，本身并不能提供可靠传 输和带宽保证，许多研究提出了相应的解决方法，无线流媒体系统中的数据调度问题以及 终端的异步接入问题已经引起了人们的关注，面对这两种问题，已经提出了各种各样的解 决方法，如c d n ，p 2 p ，f e c ，f o u n t a i nc o d e 等。 c d n i i 的全称是c o n t e n td e l i v e r yn e t w o r k ，即内容分发网络。其目的是通过在现有的 i n t e m e t 中增加一层新的网络架构，通过智能化策略，将中心媒体源服务器的内容“推”向 最接近用户、服务能力最好的网络“边缘”节点，使用户可以就近取得所需的内容，解决 i n t e r n e t 网络搠塞状况，提高用户访问响应速度，从而提高服务质量和用户体验，同时也减 轻了媒体源服务器的压力和对骨干网络的带宽消耗。尽管c d n 将服务能力和服务内容在 网络上进行分布，从而在一定程度上加速了流媒体内容的分发，提高服务质量。但其核心 仍然是基于c s 架构，其服务的扩展能力取决于分布节点的不断部署，由此造成了c d n 服务能力扩展的成本非常高，需要不断的投资。同时，用户访问是具有随意性，突发性等 特点的，而传统c d n 系统不具备弹性动态扩展的能力，难以从根本上提升c d n 系统的效 率，在一定程度上限制了其应用和推广。 对等网络【2 j ( p e e r t o p e e r ：p 2 p ) 技术是目前非常热门的应用，自1 9 9 9 年以来，p 2 p 技术无论是在学术界还是业界都得到了极大的关注，一直是国内外知名学府( 如美国麻省 理工学院、加州大学伯克利分校、北京大学等) 以及知名企业的研究机构( 如微软，诺基 亚的研究院) 关注的重点。它甚至被美国财富杂志称为改变i n t e r n e t 发展的四大新技 术之一，被认为是代表宽带互联网未来发展的关键技术。在对等网络中，各个节点进行对 等计算，每个对等实体( 称为p e e r ) 既是服务的提供者，又是服务的享用者。采用p 2 p 架 构可以有效地挖掘利用大量普通计算设备的计算资源和带宽资源，将计算任务或存储数据 分布到所有节点上，达到高性能计算、高i o 吞吐能力、高带宽和海量存储的目的。同时， 由于p 2 p 的特性，系统在大规模并发服务时凸显优势，整体系统具备动态扩展能力，整体 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 系统的部署成本低，系统效率高，同时具有系统级的服务可靠性。随着n a p s t e r 、b i t t o r r e n t 、 e m u l e 等软件得到日益广泛的应用，p 2 p 技术在文件分发、共享上已经取得了巨大成功。 将p 2 p 引入到流媒体中，突破了传统的c s 模式限制，使服务分散化，使网络上的众多用 户可以直接进行息、数据交换，从而减轻了服务器负载和网络带宽的占用率，使系统支持 大规模流媒体服务，p 2 p 技术有效使用了各个网络节点的能力，为大规模高并发性的实时 流媒体系统的设计提供了一个好的研究方向，国内外学术界和业界对基于p 2 p 技术的流媒 体系统进行了大量研究，并且取得了积极有效的成果。 前向纠错编码p j ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ) ，在可能发生丢包的通路上，f e c 技术是一种非常健壮的解决方法，它可以很好地缓解拥塞发生时带来的不利影响，并能充 分利用网络可用带宽资源。f e c 是一种无需反馈协议，发送者对源内容消息按照一定算法 进行编码，并且通过这个通路发送给接收者，接收者接收到足够的编码消息后，可以重构 出源内容消息。然而传统的纠错编码技术作为一种固定码率的编码，编码前必须知道信道 的信息，由于无线信道的时变性，使得并不适合。 喷泉编码【l8 】( f o u n t a i nc o d e ) 是前向纠错编码理论研究上的重大突破，j o h nb y e r s 及 m i c h a e ll u b y 等人于1 9 9 8 年提出了数字喷泉( d i g i t a lf o u n t a i n ) 的概念 4 1 ，【5 1 ，它是针对大 规模数据分发和可靠广播的应用特点而提出的一种理想的解决方案。喷泉码符合了不采用 反馈的情况。喷泉码的编码器可以被形象得形容成喷泉喷涌，能够不断的产生编码数据包。 喷泉码是码率无关的，由源文件经过编码产生的码元数目不受限制，可以产生无限多的码 元，不论信道中删除的码元数目为多少，都能通过发送足够多的编码码元供解码器恢复源 文件，然而，这种码的构建不是很快就建立起来，在发展之初，人们使用差错编码技术来 近似实现喷泉编码方案【6 1 ，以及使用t o r n a d o 码【6 憎最先被推荐为数字喷泉的一种编码方案， 直到2 0 0 2 年l t 码【7 1 和2 0 0 4 年r a p t o r 码【8 1 等实用喷泉编码的出现，数字喷泉方案的实现才 成为了可能。其基本思想如下：发端将原始数据分割成一定数量的数据包，对这些数据包 进行编码，输出一个编码数据包流，接收端只要正确接收到这个流中足够数量的编码包即 可由译码器恢复出所有原始数据包，所有的编码包同等重要，而不必考虑接收到的是编码 数据流中的哪几个数据包，以及这些数据包接收的先后顺序。解决了无线网络中的丢包以 及广播信道的异步接收问题，由于发端类似一个喷泉，因此其采用的编码称为喷泉编码。 之所以将数字喷泉方案称作一种理想解决方案，是因为它最初的提出完全是出于对大数据 量广播和分发应用的需求的归纳和提炼，以至于数字喷泉方案在刚提出时甚至没有符合其 发送模式的编码。喷泉编码技术与p 2 p 流媒体相结合的研究，正得到越来越多的关注。 正因如此，m i c h a e ll u b y 在发明l t 码后不久便成立了数字喷泉公司( 简称d f 公司) ， 2 南京邮电大学颀士研究生学位论文第一章引言 将数字喷泉技术推向实际应用，很快便引起了包括m i t 、u cb e r k e l e y 、纽约大学、多伦多 大学、日本住友电工等机构和单位的关注。目前，已有越来越多的学者和机构开始致力于 喷泉编码的研究，数字喷泉在数据分发与广播应用上也获得了越来越多的支持与采纳。 2 0 0 5 年，d f 公司先后与美国第二大卫星广播公司s i r i u s 公司以及全球第一大手机厂商诺 基亚公司签署合作协议，向他们的后续产品提供数字喷泉技术的支持。同年，喷泉码技术 还被3 g 合作伙伴计划( 3 g p p ) 选定为3 g 高速无线网络全球标准的强制组成部分，并成 为d v b h 的全球标准组成部分，为无线网络内容传输服务提供大力支持。如今，凭借着 强大的技术吸引力和应用潜力，数字喷泉方案已经从有线走向了无线，而且正在被推广到 越来越多的应用领域。其中无线多媒体广播和深空通信就是数字喷泉的两个重要推广应用。 喷泉编码技术与无线流媒体相结合的研究，正得到越来越多的关注。 1 2 研究现状和趋势 由于无线流媒体系统的优越性，近年来，基于f e c 技术的流媒体传输方法得到极大关 注。国外高校和企业研究机构在基于f e c 技术的流媒体系统和算法上的研究取得了很多研 究成果，d o u gk a y e 以前人的研究成果为基础，最早提出了将f e c 技术应用在无线流媒体 中。克服网络拥塞以及稀疏情况下的分组丢失情况，目前，已经提出了多种多样基于f e c 技术的p 2 p 流媒体模型，国内高校和研究机构在这一上面也取得了良好的研究进展。下面 对国外的一些基于f e c 技术的无线流媒体系统进行分类和描述。 在无线p 2 p 流媒体中，引入了应用层组播的概念，即将服务器和参与服务的节点组织 成应用层组播组，通过组播组中节点之间建立的覆盖网络( o v e r l a yn e t w o r k ) 来传送数据。 在基于p 2 p 的无线流媒体传输中，各个节点之间在提供的带宽、存储空间以及能力等方面 通常存在着很大的异构性，有些节点所提供的上行带宽不能支持完整的媒体流传送，需要 几个节点同时对一个节点进行服务。因此需要对多个节点提供的冗余数据进行内容重建， 消除重复的分组，节点之间的数据调度策略始终是一个难题，m i c h a e ll u b y 【4 1 等人研究的喷 泉编码技术，彻底消除了这一难题，使网络中不存在任何相同的分组。目前，喷泉编码已 经应用在更多的领域。 针对喷泉编码在流媒体中的具体应用，j e a n p a u l 【9 】等人采取了基于喷泉编码技术的不 等差错保护方案( u n e q u e l ，e r r o r ，p r o t e c t i o n ，u e p ) 方案，n i k o l a o st h o m o s i o l 等人研究了 喷泉编码r a p t o r 编码与网络编码结合的思想，最大化的利用网络容量，t h o m a s l l 】等人研 究喷泉编码在无线广播信道中的应用，与本文的无线p 2 p 流媒体类型相似，c o o l s t r e a m i n g 眨】 南京邮电大学硕士研究生学位论爻第一章 3 1 言 与p e e r s t r e a m i n g e l 3 研究无线m e s h 网络拓扑中视频分流问题，在c o o l s t r e a m i n g 系统中， 每一个节点周期性的与其邻居节点交换媒体可利用数据，从每一个邻居节点获得的数据块 由每一个数据块潜在的提供者的数量以及潜在邻居节点的上传能力决定，在p e e r s t r e a m i n g 系统中，媒体的下载负荷散布在一系列与它们的上传能力成比例的p e e r 节点上。在所有的 无线m e s h 网络中都存在一个问题内容重建问题。针对此问题，b y e r s 0 4 1 提供了算法最优 化的在一系列合作节点上重建符号。然而，这些算法是非常消耗资源的，比如，节点的计 算能力以及网络中的控制消息传递，b y e r s 使用了纠删码t o m a d o 编码去解决这个问题，保 障系统的可靠性以及灵活性，在一定程度上克服了内容重建问题，然而，由于一系列从不 同的上行节点获得的编码分组仍然存在重叠。归因于t o r n a d o 编码仍然是固定码率的传统 纠删码，p e e r s t r e a m i n g 乃j 也使用了一个高速率的差错编码技术。r e e d s o l o m o n 编码，在高 斯g a l o i s 域g f ( 2 1 6 ) ，保证服务节点不会发生冲突的情况下以高概率提供媒体数据， p r o m i s e e l s l 使用t o m a d o 编码忍受分组丢失以及克服p e e r 节点的动态离开性，针对一系 列下行节点执行编码数据流的速率分配问题。利用这些固定码率f e c 编码技术，内容重建 的问题减轻了。然而网络中仍然存在过多的冗余分组，通过使用本文的喷泉编码技术，彻 底消除了内容重建问题，v o d 服务是一个异步的系统，不同接入点的用户同时获得相同的 媒体流，在无线广播环境中，由于无线网络的时变特性以及严重的丢包问题，这种问题更 为突出，广播信道中的v o d 服务的异步接收和可靠性问题引起了人们的广泛关注。 目前，国内基于流媒体系统的研究及应用发展迅速，并已经出现一批具有领先水平的 应用成果，比如a n y s e e 、p p l i v e 、p p s t r e a m 、p 2 p i p t v 、g r i d m e d i a 、t v a n t s 等。a n y s e e 是 华中科技大学设计研发的视频直播系统，它采用了一对多的服务模式，支持部分n a t 和防 火墙的穿越，提高了视频直播系统的可扩展性。p p l i v e 是一款用于互联网上大规模视频直 播的共享软件，使用网状模型，有效解决了当前网络视频点播服务的负载有限问题，目前 该软件己支持部分点播功能。p p s t r e a m 是一套完整的基于p 2 p 技术的流媒体超大规模应用 解决方案，包括流媒体编码、发布、广播、播放和超大规模用户直播，能够为宽带用户提 供稳定和流畅的视频直播、点播服务。p 2 p i p t v 是c c i p t v 网络电视自主开发的p 2 p 流媒 体系统，系统采用了最新的h 2 6 4 编解码标准，并对标准进行优化和扩展。g r i d m e d i 是国 内首个基于网格技术的流媒体系统，系统采用d r m 框架，能够保证媒体内容的版权以及 用户的权益。t v a n t s 是一种全新的流媒体播放软件，其核心技术类似于现在非常流行的 b i t t o r r e n t ，使得带宽的占用达到最大化，获得最佳的播放效果。将喷泉编码应用在无线流 媒体领域，已经越来越多的引起了人们的关注。 喷泉编码也应用在无线传感网络【1 6 】，协作通信【1 7 】，深空通信【1 8 】，i p t v t l9 1 ，中继通信 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 等。目前，喷泉编码的发展仍然处于起步阶段，喷泉编码的应用领域不断扩大，具有光明 的发展前景。 1 3 问题分析与研究内容 虽然目前国内外对无线p 2 p 流媒体的研究已经取得了很大的进步，但与文件共享应用 相比，无线p 2 p 流媒体所面临的挑战也更为严峻，这是因为可提供服务的节点的服务能力 有限、不同节点的服务能力也具有差异性，此外节点还可能随时退出系统，从而造成其它 部分节点流传输的中断，而流媒体本身也具有其特殊性，如带宽资源占用高、服务持续时 间长、对数据的播放有较为严格的时限和时序要求等。归纳来说，在无线p 2 p 流媒体的开 发中所面临的挑战主要包括如下几点： 1 ) 数据调度策略 由于目前无线p 2 p 网络中节点上载带宽和下载带宽的不对称性，提供流媒体数据服务 的节点所提供的上载带宽可能小于媒体数据的回放速率。解决这个问题的方法是，是用多 个数据发送节点为接收节点的每个流媒体会话提供服务，在一个典型的无线p 2 p 流媒体会 话中，一个p e e r 节点同时从多个上行p e e r 节点获得数据包，由于p 2 p 技术的特点，在适 应网络的动态性的同时，又引入新的问题，数据冗余以及内容重建，当p e e r 节点从多个上 行节点获得相同的数据包时，则必须在接收端进行内容重建，去除重复的数据包，这样导 致过多的网络带宽消耗，同时降低了p e e r 节点的数据流接收速率，如何提高接收端的数据 流速率也是面临的一个重要问题。 2 ) 无线广播下环境的异步接收特性 视频点播是一个异步的系统，在无线广播环境中，这种现象更为突出，由于无线信道 高的丢包率和误码率，传统的克服丢包重传的方案在广播信道中会导致广播风暴等若干问 题，移动终端在移动过程中会发生切换。当用户切换到正在存在的广播信道中，由于数据 流的接入点不同，这都会造成流媒体的丢包，延时过长和抖动。对流媒体的服务质量影响 较大。与有线网络相比，移动通信网络中的广播有如下特点，接收广播数据的终端不是静 止不动的，而是随时能改变接入网络的位置。传统的有线广播机制未考虑接收终端的移动 性，因而无法避免因终端移动切换而造成的数据丢失。 。 针对以上两个突出的问题，确定本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 基于次优度的l t 编码性能研究。 本文讨论l t 编码应用在无线流媒体中，而喷泉编码最初用在有线异步下载中，应用 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 在无线流媒体环境虽然减轻无线环境中的丢包所引起的影响，然而又引起了新的问题，比 如，延迟问题，为了使l t 编码在码长比较短的情况下达到良好的译码性能，解决喷泉编 码应用在流媒体中的关键问题延时问题，本文首先分析l t 编码的度分布算法，并参考 文献【2 2 】，在编码端引进一种子优度分布的l t 编码方案，并针对现有的b p 译码缺陷，增强 短码长情况下的译码成功概率，也是本文应用研究的基础。 ( 2 ) 基于喷泉编码技术的数据接收策略。 在无线p 2 p 流媒体中引入喷泉编码技术，喷泉编码技术可以提高对网络资源的利用率， 研究如何将喷泉编码技术应用于无线p 2 p 流媒体系统中，其对现有p 2 p 流媒体的系统的改 变及相应的解决办法，研究如何利用喷泉编码简化节点间数据调度策略，提高节点数据接 收速率，改善播放质量，完全消除网络中的冗余数据。 ( 3 ) 基于喷泉编码的异步分流技术。 在丢包严重的无线广播环境下，异步的p 2 pv o d 服务要求用户同时获得同样的媒体流， 为了使不同接入点的用户获得同样的媒体流，研究基于喷泉编码的异步分流技术，克服无 线广播信道中的丢包问题，使不同时刻接入广播会话的用户通过调整初始延迟而获得同样 的媒体流。 1 4 本文工作及论文组织 本文对目前无线流媒体系统研究取得的成果进行详细分析，提出无线流媒体系统中需 要解决的两个关键问题并研究相关解决办法。首先通过对喷泉编码的详细研究，解决喷泉 编码实际应用到无线p 2 p 流媒体系统中的主要问题，将其引入到无线p 2 p 流媒体系统中。 然后，在对结合喷泉编码技术的无线流媒体系统的仿真实验与性能分析后，发现喷泉编码 可提高节点数据接收速率，但码长较长的喷泉编码方案引起流媒体中的延迟问题，引入基 于子优度的度分布算法来改善这些问题。最后对上述本文理论研究内容进行了仿真验证和 性能指标上的分析，得出本文研究成果和结论。 本文共分六章，内容组织如下： 第一章绪论介绍课题研究方向无线流媒体的背景、国内外相关研究现状，分析当前无 线流媒体系统的挑战，指出研究工作的实际意义，并确定论文研究问题和解决问题的方向， 最后给出了论文结构。 第二章介绍了课题研究方向无线流媒体系统涉及到的相关技术，包括流媒体技术和无 线网络对流媒体传输的影响以及喷泉编码技术，针对无线流媒体若干需要解决的问题，确 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 定无线流媒体面临的主要问题，即本文的研究方向。 第三章研究喷泉编码技术，包括其基本原理，指出喷泉编码应用在无线流媒体中目前 所面临的问题，详细介绍目前实用的喷泉编码技术l t 编码，对目前的编译码算法进行分 析研究，在短码长情况下提高译码成功概率，为解决无线流媒体应用具体问题奠定了基础。 第四章首先分析无线广播信道中进行视频点播所面临的异步分流问题，现有的异步分 流方案延迟长，带宽消耗大，以及并未考虑到网络的丢包特性。本文利用喷泉编码技术克 服无线网络的丢包现象，解决无线广播信道中用户的异步接入问题，使不同接入点的用户 可以获得相同的媒体流，并对进行此问题进行仿真测试，对测试结果进行详细分析，验证 本文研究内容。 第五章首先分析目前的无线p 2 p 流媒体所面临的问题数据冗余，由于网络中存在大 量相同的数据包，使得过多的消耗带宽以及降低p e e r 节点接收速率。其次分析喷泉编码方 案冗余的原因，利用喷泉编码度分布函数的随机性，不同的编码器所生成的编码包相同的 概率很小，改变现有p 2 p 数据调度方案的缺陷，研究基于喷泉编码的数据的调度策略及其 应用在无线流媒体系统的可行性，而采取喷泉再次编码方案彻底消除冗余现象，并对此问 题进行仿真测试，对测试结果进行详细分析，验证本文研究内容。 第六章对论文工作进行总结，并介绍下一步研究的方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线流媒体及喷泉码技术 第二章无线流媒体及喷泉码技术 本章介绍论文研究内容背景技术：流媒体技术存在的问题和无线环境对流媒体传输的 影响。流媒体技术涉及到媒体数据的采集、编码、流传输和回放，无线信道的时变特性以 及无线环境下高的丢包率以及数据冗余影响流媒体数据传输策略等。作为本论文后续章节 的基础，本章将简要介绍流媒体技术和无线网络抗分组丢失技术等相关基础理论。 2 1 流媒体系统概述 早期的i n t e m e t 网络因为带宽有限，只是用来传输文字、图片等静态信息，图像、声 音、视频等多媒体信息应用较少。随着人们学习、娱乐和工作的需要，人们对如何在网络 上传输海量视频、音频等多媒体信息有了进一步的要求。在网络上传输音视频等多媒体信 息时，由于音视频文件一般都比较大，所以需要的存储容量也较大，同时由于网络传输速 率的限制，常常要花数分钟甚至数小时才能将媒体文件全部接收到本地后进行播放，延迟 很大。在这种背景下，流媒体技术应运而生，而宽带通信技术的进一步发展，也推动了大 规模流媒体系统的发展。 视频源：摄像 头，视频文件 其它视频信号 入 八 编码 v v 流 音频源：麦克 q o s 控铜 媒 风，音频文件压缩处理 ，、 体 其它音频信号 八 、 服 传输协议务 a 器 数据文件存 储器 低层 、 代理服 务器 图2 一l 流媒体系统图示 流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 又叫流式媒体，是指用户通过网络或者特定数字信道边下 载边播放媒体数据的一种工作方式，如图2 1 所示，进行流媒体传输前，原始音视频文件 经过媒体压缩软件处理，编码后的文件( 如h 2 6 4 ) 存储在本地数据文件存储器中，然后 根据用户请求把媒体文件传送到用户端的媒体播放器，在媒体传送过程中可能还需要代理 服务器的存储和转发，流媒体技术出现之前，多媒体文件需要从服务器上下载后才能播放， 由于一般多媒体文件都比较大，下载整个文件需要很长的时间，限制了人们使用多媒体数 据在网上的交流。流媒体应用的一个最大好处是用户不需要花费很长时间将数据全部下载 塑塞堂皇奎堂堡主竺壅竺兰垡笙茎翌三童歪丝堕堡竺垒堕星丝垫查 到本地才能播放，而只需要将起始几秒的数据先下载到本地的缓冲区中就可以开始播放， 然后边下载边播放。随着网络音视频数据交流需求的急剧增加，流媒体技术的应用和研究 近年来得到了迅速发展。流媒体在i n t e r n e t 上传输需要合适的传输协议，i e t f ( i n t e r n e t 工 程任务组) 已设计出的主要几种支持流媒体传输的协议有：实时传输控制协议r t p r t c p 、 实时流协议r t s p 、资源预留协议r s v p 。在实时流式传输的实现方案中，一般采用 r t s p t c p 来传输控制信息，而用r t p u d p 来传输实时媒体数据。 2 2 无线网络对流媒体传输的影响 园醯 岛随 流媒体服 务器 曰 入点 c d n j j g 务 器 醯 图2 - 2 多媒体内容丰富的无线互联网 2 5 g 、3 g 以及超3 g 无线网络的发展也使得流媒体技术可以被用到无线终端设备上， 如图2 2 ，目前中国联通公司提供w - c d m a ，中国移动公司提供t d s c d m a 以及中国电 信公司提供的c d m a 2 0 0 0 其上( 下) 行速率分别为5 7 6 m b p s ( 1 4 4 m b p s ) ，3 8 4 k b p s ( 2 8 m b p s ) ，1 8 m b p s ( 3 1 m b p s ) 这已经足够提供q c i f 大小( 1 0 0 k b i t s ) 的流媒体服务： 另一方面，手机设备运算能力越来越强，存储空问越来越大，不用说a p p l ei p h o n e 和 n o k i ae 9 0 等高端手机，就是一般的中档手机，如l gk 5 5 0 ，也能实现基本的h 2 6 4 的软 件解码。面向无线网络的流媒体应用对当前的编码和传输技术提出了更大的挑战，首先， 相对于有线网络而言，无线网络状况更不稳定，除去网络流量所造成的传输速率的波动外， 手持设备的移动速度和所在位置也会严重地影响到传输速率，因此高效的可自适应的编码 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线流媒体及喷泉码技术 技术至关重要。其次，无线信道的环境也要比有线信道恶劣的多，数据的误码率也要高许 多，而高压缩的码流对传输错误非常敏感，还会造成错误向后面的图像扩散，因此无线流 媒体在信源和信道编码上需要很好的容错技术，信源与信道编码技术也是无线流媒体的一 个研究热点。 2 2 1 无线广播p 2 p 技术 目前的无线互联网上支持三种类型的数据传输。最常用的是点对点( u n i c a s t ) 的单播 传输，除此之外，还有广播( b r o a d c a s t ) ，组播( m u l t i c a s t ) 技术，由于本文后续应用研究 考虑到无线广播信道中流媒体视频点播( v o d ) 服务的异步接收问题，本节对广播信道的 异步接收问题进行简要描述。 广播( b r o a d c a s t ) 传输：是指在i p 子网内广播数据包，所有在子网内部的主机都将 收到这些数据包。广播意味着网络中的服务器向所有处于广播会话的主机发送广播数据包， 而不管这些数据包是否对任何接收端都有用。然而广播的使用范围非常小，只在本地子网 内有效，因为路由器会封锁广播通信，隔离广播域，广播传输会增加非接收者的开销。广 播环境下通常使用u d p 协议实现数据传输，并将接收方地址设置成广播地址，如 x x x x x x x x x 2 5 5 或者x x x x x x 2 5 5 2 5 5 ，如何使服务器广播的数据包对任何接收者有 用是面临的一个问题，传统无线广播环境下的视频点播( v o d ) 服务中，所有的用户同步 的获得同样的媒体流，由于用户的接入点不同，导致过晚的用户进入广播环境时，丢失早 期的广播数据，导致不能从节目开始进行播放，而视频点播是一个异步的系统，要求任何 时刻接入广播会话的用户可以从节目开始进行播放，丢包重传的方案在广播环境中是不现 实的，会引起广播风暴，广播环境下的丢包问题以及异步接收问题目前已经引起了广泛的 关注【2 6 j 。 p 2 p 技术：p 2 p 是当前互联网上较热门的技术，已应用到网络文件共享和n a p s t e r 的 m p 3 下载。其基本思想是通过p 2 p 技术，除了和服务器外，每个用户可以共享他的文件或 信息给其他用户。p 2 p 技术也可以应用到流媒体，每个流媒体用户也是一个p 2 p 中的一个 节点，在目前的