数字喷泉码在流媒体传输中的分析与应用

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1、万方数据浙江工业火学硕士学位论文第1章绪论1．1课题背景及研究意义随着信息技术的飞速发展和普及，网络信息的格式越来越多样化，网络文件的大小也不断增长，特别是当图像、视频等文件的清晰度越来越高时，传统的先下载后观看的浏览模式已经日益不能满足人们的需求。该浏览模式要求用户预先将媒体文件完全下载到播放设备，如果中间因为网络原因造成下载进度缓慢甚至中断下载，则将直接导致用户无法按时观看，给用户带来不可估计的时间开销。同时这种浏览模式要求播放设备拥有比较大的存储空间以存放完整的媒体文件，而现在人们越来越习惯使用手机、平板电脑等移动设备进行音视频观看，这些设备的存储空间大小有限，

2、无法很好地支持大量高清视频文件的下载和播放。流媒体技术的出现，则较好地解决了这些问题。流媒体传输技术作为一种新型的网络技术，在近几年得到了快速发展。流媒体技术是在线媒体播放技术的一种，其主要过程是将采集到的音视频数据经过一定算法进行压缩编码后，发送到流媒体服务器上，使得用户可以边接收数据边进行播放。流媒体传输技术拥有流式传输的特点，多媒体数据可以通过网络上部署的流媒体服务器传输到用户播放设备，这样用户只需短暂的等待时间，就可以享受播放服务，省去了大量的下载时间。因此流媒体技术一经提出，就受到了众多用户群体的欢迎。目前流媒体传输方式主要分为顺序流式传输(Progress

3、iveStreaming)幂H实时流式传输(RealtimeStreaming)两大类[11。顺序流式传输即传输已经预先存储在网络服务器上的多媒体数据，如目前国内大型的在线视频点播网站土豆网、爱奇艺等等，它们提供的视频服务内容都已经存储在部署好的流媒体服务器集群中。当网络用户点击其发布的媒体内容时，流媒体服务器接收到相应的点播请求，随后将该多媒体数据以一定的速率和数据格式传输到用户播放设备上。实时流式传输则传输的是实时获取的多媒体数据，并且这种传输方式支持数据发送方和数据接收方之间进行信息的实时交互，基于此特点，实时流式传输已广泛应用于在线视频直播、网络视频监控、实时

4、视频会议等领域。流媒体数据的传输有它的特点：一是传输数据规模一般比较庞大，如现在视频内容越来越高清化，这就要求网络拥有较大的吞吐量；二是对数据传输的服务质量(QoS)要求高，因为丢包引起的音视频质量下降和网络传输时延将大大影响用户的使用体验[2]。特别是以万方数据浙江1业大学硕上学位论文实时流式传输为基础的视频会议、网络视频监控等流媒体应用，对网络丢包和时延非常敏感。根据上述流媒体数据的特点，如何保证其传输的可靠性成为当前许多科研人员的研究重点。为减轻流媒体数据在传输过程中的丢包现象，保证数据的可靠传输，传统的流媒体传输系统中常使用自动重传请求(ARQ)机制[3】和前

5、向纠删编码(FEC)t4]来实现差错控制【51。(1)ARQ机制ARQ机制，主要通过重传策略来保证数据传输的可靠性，其最初起源于TCP(TransferControlProtocol，传输控制协议)协议[6]。TCP协议中，数据发送方向接收方发送数据，接收方收到数据后需要向发送方反馈一个ACK确认信号。假如发送方在一个时间间隔内未收到此ACK信号，则发送方会判断为丢包，并且进行重发，此过程会一直进行直到该数据包被成功接收。由此看出，ARQ传输机制在单播通信中，能够较好地保证数据传输的可靠性。然而在多播领域，由于存在众多接收方，且它们丢失的数据包也不尽相同，因此当网络环

6、境较差时，大量的数据包需要被重新发送，这将大大加重网络的负载，容易造成网络拥塞，严重时甚至会造成网络瘫痪。同时，不断的反馈重传会造成不可估量的数据传输延时，这对实时流式传输来说是不能忍受的。所以当需要传输的数据规模较大、数据接收方数量较多及网络丢包率较大时，ARQ传输机制并不适用于像网络视频监控、远程医疗等对实时性要求较高的流媒体传输系统中。(2)前向纠删编码前向纠删技术的出现很好地解决了ARQ机制中比较频繁的重传问题。前向纠删技术使用纠删编码【7]进行纠错，比较常用的有Reed．Solomom码(RS码)[8】，Tornado码[9】【10】，LDPC码[11】，T

7、urbo码[12]【13]等等。RS码是一种低速率前向纠删编码，其编译码过程包含了有限域乘法、求模和加法等多种数学操作，因此运算量比较大。Tomado码的码字由多层级联组成，在设计时需要考虑每层编码的最优性，因此整个编码设计复杂度较高。同时，传统的纠删码在使用时通常要预先估计信道质量，再选择码长、码率等编码参数，最终才设计出具体的编译码方案。但在移动流媒体传输这样的应用中，信道具有时变性，如果当前的信道条件差于预先估计的信道，就非常容易造成纠错能力不足，无法保证数据传输的可靠性。反之，如果当前信道条件优于预先估计的信道，则容易导致传输效率的降低。数字