基于LT碼的DRM數據廣播傳輸優化必要性與可行性研究

侯亞輝，汪杜娟

(中國傳媒大學廣播電視數學化教育部工程研究中心，北京 100024)

基于LT碼的DRM數據廣播傳輸優化必要性與可行性研究

侯亞輝，汪杜娟

(中國傳媒大學廣播電視數學化教育部工程研究中心，北京 100024)

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

LT碼;卷積碼;丟包;DRM數據廣播

1 前言

中短波調幅廣播信道是一種時變信道，其可用帶寬較窄，采用DRM技術在傳輸大容量數據對象時效率不高?，F有DRM標準采用卷積碼作為糾錯編碼技術，數據預處理部分采用 MOT 協議［1］［2］。但這些編碼方式主要是用于糾錯，事實上由于突發錯誤以及終端設備自身同步問題，通常在接收端不僅會出現誤碼，同時會出現丟包現象。由于沒有反饋信道，在傳輸較大容量的數據對象時，丟包現象的存在會使終端設備因個別數據包接收不全而反復等待發端重新發送并試圖接收之前缺失的數據包，當這種等待所造成的開銷達到一定程度時，終端會丟棄已接收的該數據對象的數據包從而導致整個數據對象的重新接收，從而嚴重降低數據傳輸效率。當信道傳輸環境較差時會存在較大的數據丟包率，終端接收一個完整的數據對象所需要的時間將令人無法忍受。直接的后果是導致在基于DRM的多媒體傳輸系統上開展數據業務時數據對象傳輸容量受限且傳輸效率低下，造成一些業務如Broadcast Website(需要進行數據簇的推送，雖然單個數據文件容量不大，但數據簇之和容量會相當可觀)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。因此通過引入數據傳輸領域最新的編碼技術對現有DRM系統進行數據傳輸優化研究，提高數據傳輸效率是很有必要的。

針對數字調幅廣播傳輸大容量數據所存在的問題，本文提出了一種數字噴泉碼(LT碼)與現有標準所定義的卷積碼所組成的聯合編碼方案。該方案將LT編碼嵌入標準中定義的MOT(Multimedia Object Transfer)預編碼模塊中，充分利用LT碼的碼率無關性特點，無需檢錯重發且可有效利用已傳輸的累積數據，實現了終端對數據對象的“斷點續傳”接收，提高了中短波數字調幅廣播的數據傳輸效率，對于基于DRM技術的多媒體廣播系統的未來發展應用具有重要的現實意義。通過廣播信道實測結果表明，該級聯編碼可有效提高發端系統對較大數據對象的傳輸效率，顯著提高終端系統對大容量數據對象的正確接收概率。

2 DRM系統數據傳輸優化的必要性

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的不同時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成隨機變化性、非均勻性、各向異性的介質，此時調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致對傳輸信號產生衰落;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，在解調時產生錯誤;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在接收端所造成的干擾。這幾種信道干擾因素都會導致接收端有較大的機率得到被干擾污染后的信號，從而誘發解調錯誤，使系統傳輸產生誤碼與數據包丟失(丟包)。在非理想信道環境下，當丟包率達到一定程度時，會造成系統在傳輸較大容量的數據對象時效率十分低下，有較大概率達不到系統進行數據服務的基本傳輸要求，直接的后果就是一些數據量較大的數據業務無法正常進行。

DRM系統主要通過數據差錯編碼與重復傳輸機制解決數據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，數據傳輸沒有反饋途徑，所以通過中短波信道這樣的窄帶信道傳輸數據必須要依靠發端系統對數據對象的重復傳輸來保證終端系統對數據的可靠接收。重復傳輸機制只是提供給終端一個在多次重復接收中正確完整接收數據對象的機會，是數據對象在終端實現被可靠、完整接收的保障，并不是一種從根本上提高數據傳輸效率的解決辦法。在DRM系統中，數據在信道中傳輸出現的誤碼可在物理層中通過卷積碼差錯編碼進行糾正，但DRM系統的數據業務傳輸是以數據包的形式進行的，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據傳輸中的誤碼而無法從根本上解決丟包的問題。當DRM系統的數據傳輸遭遇到較大的丟包率環境時會嚴重影響數據傳輸效率，表現為隨著丟包率的上升，數據傳輸效率急劇惡化。

圖2.1、2.2為DRM系統分別傳輸200K Bytes與1M Bytes大小數據對象時，經測試得出的丟包率與數據完整接收所用時間的關系圖。

測試基本參數:DRM模式 B，帶寬 10KHz，64QAM，數據服務(Packet Mode)，數據凈速率32000kbps，包大小(bits)640。

圖2.1 數據對象(200KB)接收時間受丟包率影響

測試表明，在極低丟包率范圍內，數據對象的成功接收時間隨丟包率的上升變化并不大，接近理想狀態下的理論接收時間。隨著丟包率的繼續上升，數據對象成功接收時間開始急劇上升，當丟包率超過臨界丟包率時，數據對象的成功接收變得幾乎不可能。

圖2.2 數據對象(1M KB)接收時間受丟包率影響

另一方面，當理想傳輸環境(丟包率為0)下成功傳輸數據對象的時間隨著數據對象容量的增長線性增長(圖2.3中藍色線)，但當丟包率大于0時，傳輸數據對象的時間隨著數據對象容量的增長而呈非線性急劇上升態勢(圖2.3中紅色線)。在存在丟包率的信道傳輸環境中，數據對象容量增長達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，數據對象容量與成功接收時間的關系示意圖如圖2.3:

圖2.3 數據對象容量與接收時間關系示意圖(存在丟包率條件下)

綜上，僅靠DRM現有技術機制無法根本解決DRM系統數據傳輸中的丟包問題。DRM廣播系統信道雖然不是一種刪除信道，但數據傳輸中的丟包問題需要在更高層協議中設置能夠起到類似“糾刪”作用的前向糾錯技術來有效解決。

3 基于LT碼的數據傳輸優化設計

噴泉碼是一類分組級前向糾錯編碼(FEC)技術，是一種碼率無關的糾刪碼，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，碼率動態可變，LT 碼通過度分布設計實現編碼矩陣的稀疏化，具有線性的編解碼復雜度，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據分組的編碼分組后，就能正確恢復出所有的原始數據分組。與傳統的分組級FEC技術(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性的應用中實現點對多點的大容量數據傳輸，如數據廣播分發等，具有更高的數據分發效率。因此，該技術已經被第3代蜂窩網絡多媒體廣播/多點傳送服務(MBMS)和DVB-H標準所采用，并被應用在衛星數據廣播分發系統中［6-9］。

該方案與采用LT碼與分組碼構成的常規內外碼編碼結構不同，采用將LT碼內嵌入MOT預編碼模塊作為外碼，可刪除卷積碼作為內碼，專門應用于數據傳輸部分，而音頻部分仍按照DRM標準所定義的編碼方式不變。采用卷積編碼后，有效地增加LT碼的符號恢復能力，并提高系統恢復碼元的實時性;同時LT碼有效地減少了接收端由于丟包而反復接收的概率。另外，將LT碼內嵌入MOT預編碼模塊可最大限度的保留原標準的編譯碼結構，僅需增加相應的編譯碼模塊即可，不涉及后續調制部分的改動。改進后信道編碼結構框圖如圖3.1:

圖3.1 改進后信道編碼模塊結構框圖

數據對象處理先按照MOT Package encoder part1［2］處理，產生 K 個輸入符號 Ai(1≤i≤k)，將輸入符號進行LT編碼產生K個編碼符號Xj(1≤j≤k)，將編碼符號映射為 MOT Package encoder part2［2］的數據段，然后進行后續的MOT常規編碼處理。MOT預編碼模塊嵌入LT編碼的示意圖見圖3.2:

圖3.2 MOT預編碼模塊嵌入LT編碼的示意圖

4 測試與數據分析

本設計通過在多媒體數據服務器MOT預編碼階段嵌入LT編碼以實現編碼優化，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據進行優化效果的評估。測試數據產生流程如圖4.1所示:

圖4.1 測試數據產生流程

4.1 臨界丟包率測試

臨界丟包率定義:逐漸提高測試系統環境中的丟包率而保持其他參數不變，測試系統成功傳輸一個數據文件的實際時間達到無差錯理論傳輸時間的50倍時，此時測試環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(無LD編碼優化)在不同丟包率測試環境中成功傳輸給定數據大小的單一數據文件所需時間樣本空間，總結出在特定試驗條件下系統臨界丟包率。將測試數據作為DRM系統(采用LD編碼優化)進行同樣數據傳輸測試的對比數據。

測試條件:DRM 模式 B，帶寬10KHz，64QAM，SlideShow數據業務(Packet Mode)，數據凈速率32000kbps。測試數據對象采用 200KBytes和1024KBytes(1MB)兩種容量的JPEG圖片。

(1)200K Bytes數據對象

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

傳輸包個數: 2560;無差錯理論傳輸時間:51.2 s;

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

圖4.2 200K Bytes數據對象臨界丟包率測試

(2)1M Bytes數據對象

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

傳輸包個數: 13108;無差錯理論傳輸時間:262.144 s;

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

臨界丟包率測試結果顯示:

隨著丟包率上升直至接近臨界丟包率的過程中，無LT碼優化的系統成功傳輸數據對象的時間呈指數上升趨勢;當丟包率達到并超過臨界丟包率時，無LT碼優化的系統成功接收數據對象的可能性趨近于 0;與無LT碼優化的系統相比，采用LT碼優化的系統傳輸相同數據對象時的傳輸效率基本不受臨界丟包率影響。

圖4.3 1M Bytes數據對象臨界丟包率測試

4.2 三種信道環境下LT碼優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編碼優化后的DRM系統在不同信道環境中成功傳輸單一數據文件所需數據包數樣本空間，得出系統成功傳輸數據對象概率與所需數據包數的分布關系。

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

(1)DRM channel 1

測試信道參數表如表1:

表1

(2)DRM channel 2

測試信道參數表見表2:

表2

(3)DRM channel 3

測試信道參數表見表3:

表3

傳輸概率分布測試結果顯示:在存在較大丟包率的實際傳輸環境中，與無LT碼優化的系統無法有效傳輸大容量數據對象(＞200K Bytes)的情況相

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

比，采用LT碼優化后的系統傳輸較大容量的數據對象時，只要接收到足夠多的數據包，就可以實現數據對象的成功接收。

5 結論

本文深入研究了DRM系統現有技術機制下數據傳輸中的數據包丟失現象以及由此帶來的數據傳輸效率低下問題，論述了DRM系統傳輸編碼優化的必要性和可行性，提出了一種數字噴泉碼(LT碼)與現有標準所定義的卷積碼所組成的聯合編碼方案。測試表明，該方案借助數字噴泉碼技術有效改善了DRM系統的數據廣播能力。

［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］.

［3］Luby M.:LT Codes［C］.Proceeding of the 43rd IEEE Symp.Canada，IEEE ComputerSociety Press，2002:271—280.

［4］Michael Luby，Mark Watson，Tiago Gasiba.Raptor Codes for Reliable Download Delivery in Wireless Broadcast Systems［C］.USA IEEE CCNC 2006 proceedings，Canada，2006:192—197.

［5］Richard Karp，Michael Luby，Amin Shokrollahi.Finite Length AnalysisofLT Codes［C］.ISIT2004，Chicago，2004.

［6］MackayDJC.Fountain Codes［J］.IEEE Proceedings Communications，2005，52(6):1062—1068.

［7］Jefr Castura，Yongyi Mao.Rateless Coding over Fading Channels［J］.IEEE Communications Letters(S10897798)，2006.

［8］Pakzad P，Shokrollahi A.Design Principles for RaptorCodes.Information Theory Workshop，2006.ITW＇06 Punta del Este［J］.IEEE 13-17 March 2006:165-169.

［9］Puducheri S，Kliewer J，Fuja T E.Distributed LT Codes［C］.Information Theory，IEEE International Symposium，2006:987-991.

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，中國傳媒大學副研究員.E-mail:houyh@cuc.edu.cn

(責任編輯

:王 謙)