论文部分内容阅读
【摘要】电脑显示器分享服务由于互动操作应用的需求，因而应整个显示器画面获取、编码、串流、解码等技术，串流服务已成为该项服务成功与否的关键技术。在这种背景下，本文针对串流抹除码原理加以详细介绍，并提出一个可以达到极低延迟的动态串流抹码技术。
【关键词】串流技术;互动式;电脑显示器;应用
一、引言
近端显示器分享平台，或是利用移动装置连接到云端执行实时运算的交互式显示器分享平台，这些应用都有一个实时互动的特性。因为是实时交互式的服务平台，所以对于画面呈现所可以忍受的延迟要求与一般串流服务，例如：随选信息服务、网络相对严格，其可以忍受的延迟时间是150ms，而对于高动态电脑画面可以忍受的延迟时间更降到必须低于100ms，因此我们必要发展出极低延迟传输保护技术进而达到显示器分享与交互式显示器分享平台运作顺畅。专门为实时信息串流所设计的错误更正码其特性应该是：
（1）经错误更正码编码器编码后的串流信息应该与原始串流信息一样有顺序地排列;
（2）错误更正码译码器可以有顺序地译码出原始串流信息。然而传统错误更正码（如里德-所罗门码）并无上述特性，尤其在解码端必须要等到所有经编码后的串流信息完全接受到后，才可以将错误的原始串流信息全部回复，所以并未对回复的时间做最佳化设计。
虽然串流抹除码有回复时间最佳化设计但是在一般建构上串流抹除码（Streaming Erasure Code）其码率（code rate）是固定，也就是其错误更正的能力是固定。但在真实应用情境里，应对数据重要性及网络状况的变化其码率应该动态变化才可以让系统效能达到最佳化的效果，因此我们提出可动态调整保护强度及延迟保证的串流抹除码，其特性是先针对重要数据进行低码率编码来增加冗余保护封包，当侦测到网络状况良好时就可以减少大部分的冗余保护封包以提升频宽使用效率，反之则增加冗余保护封包应对网络状况不佳所产生封包大量遗失的状况。
二、串流抹除码的原理及网络状况调整
（一）串流抹除码（Streaming Erasure Code）的基本原理
传统错误更正码（如里德-所罗门码）也称为最大距离分离区块码（Maximum distance separate block code），虽然它是现今许多传输系统都是利用它来保护信息，但是最大距离分离区块码（Maximum distance separate block code）并未将信息回复时间做最佳化的设计，也就是说假定其码率 R=m/n，其中m为信息封包个数，n-m为冗余保护封包，可以解决连续遗失封包个数为k时，所有遗失的封包必须等到n个封包全接收完全才有办法回复遗失的封包，因此串流抹除码就是用来改善此缺点，而串流抹除码的建构程序应该是先建立一个具有保证回复时间的低延迟区块码，之后再经过处理后就可以转化成可以保护信息串流的串流抹除码。
（二）根据数据重要性及网络状况调整
串流抹除码强化保护机制的方法虽然串流抹除码有延迟保证的特性，但还是固定码率，并无法针对网络状况恶化或是资料重要性作动态调整，因此本文先探讨如何利用串流抹除码的特性建构出适用于解决网络恶化及数据重要性的强化保护机制，之后再根据所建构出的强化保护机制发展出可动态调整保护强度及延迟保证的串流抹除码。传统信息串流服务解决封包遗失的方法不外乎结合错误更正码或是自动重传机制，错误更正码应用时顶多对所有的信息做均等保护，并未针对重要信息做强化的保护机制，虽然错误更正码的研究领域里有探讨不均等的错误保护机制，其观点是在固定码率下根据资料重要性设计及建构错误更正码的编码代数结构以达到保护重要资料的目的，但并无法实时动态调整其结构，另一方面自动重传机制虽然可以根据网络状况来决定是否应该重新传送被遗失的封包，但是在网络延迟时间太长时并无法达到实时性的需求，先前提到串流抹除码中冗余保护封包只需要重新进行线性组合即可改变其保护能力，因此可利用改变冗余保护信息内线性组合内容以达到强化保护机制的目的。
三、可动态调整保护强度及延迟保证的动态串流抹除码技术
下文我们根据原本串流抹除码（B，T）、根据资料重要性及网络状况所产生强化保护信息、网络回报状况建构出可动态调整保护强度及延迟保证的串流抹除码。根据这一流程，可先就普通信息及重要数据进行串流抹除码编码产生相对应的冗余保护信息，之后再针对网络回报的状况记录接收或没接受到封包的序号，然后根据纪录序号的结果来决定是否启动强化及节省传输两机制。以启动节省传输机制来说，当网络回报已经接受的封包信息，如接收封包的信息Si已经收到并将其序号i记录下来，然后我们可以检查即将要传送的封包S1其冗余保护封包的内容是否包含Si的信息，如果有就将其信息删除，可以借助这一机制达到节省传输量的目的。当封包信息一直没有收到或是遗失，接收端会知道遗失封包的序号并且记录下来，当封包遗失的数量小于串流抹除码可回复B个连续遗失封包量与数据重要性的强化保护机制可对抗BI连续错误封包时，强化保护机制是不会启动，但当遗失封包的量大于BN时就会回到网络状况差的强化保护机制。
根据可动态调整保护强度与延迟保证的串流抹除码的特性，我们将H.264/AVC信息串流信息传送在抹除通道中，观察其对抗的能力及冗余保护封包是否有无增加或减少。我们使用CITY 4CIF sequence，辨率704x576 经H.264编码器编码，其编码的frame rate 等于10ps，GOP结构IPPPP，GOP大小为10，信息串流数据会经过串流抹除码编码后整理成一传输封包传送出去，传送的封包包含信息串流信息与冗余保护信息，其中冗余保护信息随数据重要性与网络状况动态调整，我们根据串流抹除码（2，4）为基底来执行可动态调整保护强度与延迟保证之串流抹除码的模拟实验，其模拟实验中我们设定抹除时间长度分别为0～70ms，由此观察串流抹除码（2，4）与可动态调整保护强度与延迟保证之串流抹除码的差别。
具有延迟最佳化的抹除码其特性应有：
（1）在固定延迟时间下，随着冗余信息增加其可对抗之抹除时间应该增加;
（2）当固定可对抗抹除时间长度时其增加的冗余信息比例应该最少。我们在固定延迟时间50ms下根据各种不同抹除码的编译码原理，仿真与计算在不同冗余信息比例下可对抗的最长抹除时间，在此我们比较三种不同的抹除码，分别是里德-所罗门码、串流抹除码、重要信息占全部信息量15%的动态串流抹除码，其中表现最好的是串流抹除码，其原因是串流抹除码是针对恢复时间做最佳化设计，次之是动态串流抹除码，虽然动态串流抹除码有对延迟时间做最佳化设计，但是因为为了保护15%的重要信息量而增加了15%的冗余信息，也因此其性能与串流抹除码比差15%，而最差的是里德-所罗门码，其原因是里德-所罗门码并未对复原时间做最佳化设计，所以效能会是最差，由此可知串流抹除抹码及动态串流抹除码与传统的里德所罗门码比具备恢复时间最短的特性。
四、结论
本文介绍延迟保证的串流抹除码的基本学理，由基本学理可知我们可以根据抹除时间长短设计出延迟最佳化的串流抹除码，但是一般抹除码的码率是固定，实际应用上网络状况及数据重要大小是会动态变化，因此我们利用串流抹除码的特性发展出可以针对数据重要性及网络状况的强化保护机制，在不受固定码率的限制下产生出强化保护信息，之后我们根据其产生的强化保护信息与网络回报状况动态增减保护信息，发展出可动态调整保护强度及延迟保证的串流抹除码，仿真结果显示的确会随网路状况变化动态调整其冗余信息并有效降低封包遗失率。
参考文献
[1]李志峰.为所有应用程序“伴音”[J].微电脑世界， 1998 （25）.
[2]水下虫虫.应用程序只有我能用[J].电脑应用文萃， 2005 （11）.
【关键词】串流技术;互动式;电脑显示器;应用
一、引言
近端显示器分享平台，或是利用移动装置连接到云端执行实时运算的交互式显示器分享平台，这些应用都有一个实时互动的特性。因为是实时交互式的服务平台，所以对于画面呈现所可以忍受的延迟要求与一般串流服务，例如：随选信息服务、网络相对严格，其可以忍受的延迟时间是150ms，而对于高动态电脑画面可以忍受的延迟时间更降到必须低于100ms，因此我们必要发展出极低延迟传输保护技术进而达到显示器分享与交互式显示器分享平台运作顺畅。专门为实时信息串流所设计的错误更正码其特性应该是：
（1）经错误更正码编码器编码后的串流信息应该与原始串流信息一样有顺序地排列;
（2）错误更正码译码器可以有顺序地译码出原始串流信息。然而传统错误更正码（如里德-所罗门码）并无上述特性，尤其在解码端必须要等到所有经编码后的串流信息完全接受到后，才可以将错误的原始串流信息全部回复，所以并未对回复的时间做最佳化设计。
虽然串流抹除码有回复时间最佳化设计但是在一般建构上串流抹除码（Streaming Erasure Code）其码率（code rate）是固定，也就是其错误更正的能力是固定。但在真实应用情境里，应对数据重要性及网络状况的变化其码率应该动态变化才可以让系统效能达到最佳化的效果，因此我们提出可动态调整保护强度及延迟保证的串流抹除码，其特性是先针对重要数据进行低码率编码来增加冗余保护封包，当侦测到网络状况良好时就可以减少大部分的冗余保护封包以提升频宽使用效率，反之则增加冗余保护封包应对网络状况不佳所产生封包大量遗失的状况。
二、串流抹除码的原理及网络状况调整
（一）串流抹除码（Streaming Erasure Code）的基本原理
传统错误更正码（如里德-所罗门码）也称为最大距离分离区块码（Maximum distance separate block code），虽然它是现今许多传输系统都是利用它来保护信息，但是最大距离分离区块码（Maximum distance separate block code）并未将信息回复时间做最佳化的设计，也就是说假定其码率 R=m/n，其中m为信息封包个数，n-m为冗余保护封包，可以解决连续遗失封包个数为k时，所有遗失的封包必须等到n个封包全接收完全才有办法回复遗失的封包，因此串流抹除码就是用来改善此缺点，而串流抹除码的建构程序应该是先建立一个具有保证回复时间的低延迟区块码，之后再经过处理后就可以转化成可以保护信息串流的串流抹除码。
（二）根据数据重要性及网络状况调整
串流抹除码强化保护机制的方法虽然串流抹除码有延迟保证的特性，但还是固定码率，并无法针对网络状况恶化或是资料重要性作动态调整，因此本文先探讨如何利用串流抹除码的特性建构出适用于解决网络恶化及数据重要性的强化保护机制，之后再根据所建构出的强化保护机制发展出可动态调整保护强度及延迟保证的串流抹除码。传统信息串流服务解决封包遗失的方法不外乎结合错误更正码或是自动重传机制，错误更正码应用时顶多对所有的信息做均等保护，并未针对重要信息做强化的保护机制，虽然错误更正码的研究领域里有探讨不均等的错误保护机制，其观点是在固定码率下根据资料重要性设计及建构错误更正码的编码代数结构以达到保护重要资料的目的，但并无法实时动态调整其结构，另一方面自动重传机制虽然可以根据网络状况来决定是否应该重新传送被遗失的封包，但是在网络延迟时间太长时并无法达到实时性的需求，先前提到串流抹除码中冗余保护封包只需要重新进行线性组合即可改变其保护能力，因此可利用改变冗余保护信息内线性组合内容以达到强化保护机制的目的。
三、可动态调整保护强度及延迟保证的动态串流抹除码技术
下文我们根据原本串流抹除码（B，T）、根据资料重要性及网络状况所产生强化保护信息、网络回报状况建构出可动态调整保护强度及延迟保证的串流抹除码。根据这一流程，可先就普通信息及重要数据进行串流抹除码编码产生相对应的冗余保护信息，之后再针对网络回报的状况记录接收或没接受到封包的序号，然后根据纪录序号的结果来决定是否启动强化及节省传输两机制。以启动节省传输机制来说，当网络回报已经接受的封包信息，如接收封包的信息Si已经收到并将其序号i记录下来，然后我们可以检查即将要传送的封包S1其冗余保护封包的内容是否包含Si的信息，如果有就将其信息删除，可以借助这一机制达到节省传输量的目的。当封包信息一直没有收到或是遗失，接收端会知道遗失封包的序号并且记录下来，当封包遗失的数量小于串流抹除码可回复B个连续遗失封包量与数据重要性的强化保护机制可对抗BI连续错误封包时，强化保护机制是不会启动，但当遗失封包的量大于BN时就会回到网络状况差的强化保护机制。
根据可动态调整保护强度与延迟保证的串流抹除码的特性，我们将H.264/AVC信息串流信息传送在抹除通道中，观察其对抗的能力及冗余保护封包是否有无增加或减少。我们使用CITY 4CIF sequence，辨率704x576 经H.264编码器编码，其编码的frame rate 等于10ps，GOP结构IPPPP，GOP大小为10，信息串流数据会经过串流抹除码编码后整理成一传输封包传送出去，传送的封包包含信息串流信息与冗余保护信息，其中冗余保护信息随数据重要性与网络状况动态调整，我们根据串流抹除码（2，4）为基底来执行可动态调整保护强度与延迟保证之串流抹除码的模拟实验，其模拟实验中我们设定抹除时间长度分别为0～70ms，由此观察串流抹除码（2，4）与可动态调整保护强度与延迟保证之串流抹除码的差别。
具有延迟最佳化的抹除码其特性应有：
（1）在固定延迟时间下，随着冗余信息增加其可对抗之抹除时间应该增加;
（2）当固定可对抗抹除时间长度时其增加的冗余信息比例应该最少。我们在固定延迟时间50ms下根据各种不同抹除码的编译码原理，仿真与计算在不同冗余信息比例下可对抗的最长抹除时间，在此我们比较三种不同的抹除码，分别是里德-所罗门码、串流抹除码、重要信息占全部信息量15%的动态串流抹除码，其中表现最好的是串流抹除码，其原因是串流抹除码是针对恢复时间做最佳化设计，次之是动态串流抹除码，虽然动态串流抹除码有对延迟时间做最佳化设计，但是因为为了保护15%的重要信息量而增加了15%的冗余信息，也因此其性能与串流抹除码比差15%，而最差的是里德-所罗门码，其原因是里德-所罗门码并未对复原时间做最佳化设计，所以效能会是最差，由此可知串流抹除抹码及动态串流抹除码与传统的里德所罗门码比具备恢复时间最短的特性。
四、结论
本文介绍延迟保证的串流抹除码的基本学理，由基本学理可知我们可以根据抹除时间长短设计出延迟最佳化的串流抹除码，但是一般抹除码的码率是固定，实际应用上网络状况及数据重要大小是会动态变化，因此我们利用串流抹除码的特性发展出可以针对数据重要性及网络状况的强化保护机制，在不受固定码率的限制下产生出强化保护信息，之后我们根据其产生的强化保护信息与网络回报状况动态增减保护信息，发展出可动态调整保护强度及延迟保证的串流抹除码，仿真结果显示的确会随网路状况变化动态调整其冗余信息并有效降低封包遗失率。
参考文献
[1]李志峰.为所有应用程序“伴音”[J].微电脑世界， 1998 （25）.
[2]水下虫虫.应用程序只有我能用[J].电脑应用文萃， 2005 （11）.