基于LT码的DRM数据广播传输优化必要性与可行性研究

侯亚辉，汪杜娟

(中国传媒大学广播电视数学化教育部工程研究中心，北京 100024)

基于LT码的DRM数据广播传输优化必要性与可行性研究

侯亚辉，汪杜娟

(中国传媒大学广播电视数学化教育部工程研究中心，北京 100024)

深入分析了数字调幅广播(DRM)系统传输数据对象时由于丢包所造成的传输效率低下等问题，论证了进行系统传输优化的必要性;提出了一种基于数字喷泉码(LT码)的传输优化方案，并通过测试和仿真对该方案的可行性进行了分析论证。

LT码;卷积码;丢包;DRM数据广播

1 前言

中短波调幅广播信道是一种时变信道，其可用带宽较窄，采用DRM技术在传输大容量数据对象时效率不高。现有DRM标准采用卷积码作为纠错编码技术，数据预处理部分采用 MOT 协议［1］［2］。但这些编码方式主要是用于纠错，事实上由于突发错误以及终端设备自身同步问题，通常在接收端不仅会出现误码，同时会出现丢包现象。由于没有反馈信道，在传输较大容量的数据对象时，丢包现象的存在会使终端设备因个别数据包接收不全而反复等待发端重新发送并试图接收之前缺失的数据包，当这种等待所造成的开销达到一定程度时，终端会丢弃已接收的该数据对象的数据包从而导致整个数据对象的重新接收，从而严重降低数据传输效率。当信道传输环境较差时会存在较大的数据丢包率，终端接收一个完整的数据对象所需要的时间将令人无法忍受。直接的后果是导致在基于DRM的多媒体传输系统上开展数据业务时数据对象传输容量受限且传输效率低下，造成一些业务如Broadcast Website(需要进行数据簇的推送，虽然单个数据文件容量不大，但数据簇之和容量会相当可观)和Slide Show(单个图片对象的依次推送)在终端的接收和显示效果不理想。因此通过引入数据传输领域最新的编码技术对现有DRM系统进行数据传输优化研究，提高数据传输效率是很有必要的。

针对数字调幅广播传输大容量数据所存在的问题，本文提出了一种数字喷泉码(LT码)与现有标准所定义的卷积码所组成的联合编码方案。该方案将LT编码嵌入标准中定义的MOT(Multimedia Object Transfer)预编码模块中，充分利用LT码的码率无关性特点，无需检错重发且可有效利用已传输的累积数据，实现了终端对数据对象的“断点续传”接收，提高了中短波数字调幅广播的数据传输效率，对于基于DRM技术的多媒体广播系统的未来发展应用具有重要的现实意义。通过广播信道实测结果表明，该级联编码可有效提高发端系统对较大数据对象的传输效率，显著提高终端系统对大容量数据对象的正确接收概率。

2 DRM系统数据传输优化的必要性

DRM广播信号的传输分为天波和地波两种方式。短波信号采用天波方式传输，中波信号则在信号传输的不同时段采用天波和地波两种方式。天波传输方式利用电离层的反射传送信息，由于电离层是一种具有构成随机变化性、非均匀性、各向异性的介质，此时调幅广播信道是一种时变色散信道，存在衰落、多径时延、多普勒频移、近似高斯分布的白噪声、同频与邻频电台等诸多干扰因素。这些干扰因素会直接影响已调制信号在该信道的传输状况，信道的影响主要可以分成以下三个方面:第一是信道本身频响特性不理想造成对信号的破坏而导致对传输信号产生衰落;第二是信道中的各种噪声，如背景噪声、脉冲噪声等叠加在信号之上，改变了信号的幅度、相位和频率特性，在解调时产生错误;第三是信号在传输过程中由于反射、折射等多径传播所带来的叠加效应在接收端所造成的干扰。这几种信道干扰因素都会导致接收端有较大的机率得到被干扰污染后的信号，从而诱发解调错误，使系统传输产生误码与数据包丢失(丢包)。在非理想信道环境下，当丢包率达到一定程度时，会造成系统在传输较大容量的数据对象时效率十分低下，有较大概率达不到系统进行数据服务的基本传输要求，直接的后果就是一些数据量较大的数据业务无法正常进行。

DRM系统主要通过数据差错编码与重复传输机制解决数据传输时的误码与丢包问题。因为中短波广播信道是单向广播信道，数据传输没有反馈途径，所以通过中短波信道这样的窄带信道传输数据必须要依靠发端系统对数据对象的重复传输来保证终端系统对数据的可靠接收。重复传输机制只是提供给终端一个在多次重复接收中正确完整接收数据对象的机会，是数据对象在终端实现被可靠、完整接收的保障，并不是一种从根本上提高数据传输效率的解决办法。在DRM系统中，数据在信道中传输出现的误码可在物理层中通过卷积码差错编码进行纠正，但DRM系统的数据业务传输是以数据包的形式进行的，卷积码差错编码方式只能在底层编码层面一定程度上处理数据传输中的误码而无法从根本上解决丢包的问题。当DRM系统的数据传输遭遇到较大的丢包率环境时会严重影响数据传输效率，表现为随着丢包率的上升，数据传输效率急剧恶化。

图2.1、2.2为DRM系统分别传输200K Bytes与1M Bytes大小数据对象时，经测试得出的丢包率与数据完整接收所用时间的关系图。

测试基本参数:DRM模式 B，带宽 10KHz，64QAM，数据服务(Packet Mode)，数据净速率32000kbps，包大小(bits)640。

图2.1 数据对象(200KB)接收时间受丢包率影响

测试表明，在极低丢包率范围内，数据对象的成功接收时间随丢包率的上升变化并不大，接近理想状态下的理论接收时间。随着丢包率的继续上升，数据对象成功接收时间开始急剧上升，当丢包率超过临界丢包率时，数据对象的成功接收变得几乎不可能。

图2.2 数据对象(1M KB)接收时间受丢包率影响

另一方面，当理想传输环境(丢包率为0)下成功传输数据对象的时间随着数据对象容量的增长线性增长(图2.3中蓝色线)，但当丢包率大于0时，传输数据对象的时间随着数据对象容量的增长而呈非线性急剧上升态势(图2.3中红色线)。在存在丢包率的信道传输环境中，数据对象容量增长达到或超过一个临界值时，其成功接收同样变得几乎不可能。在存在丢包率条件下，数据对象容量与成功接收时间的关系示意图如图2.3:

图2.3 数据对象容量与接收时间关系示意图(存在丢包率条件下)

综上，仅靠DRM现有技术机制无法根本解决DRM系统数据传输中的丢包问题。DRM广播系统信道虽然不是一种删除信道，但数据传输中的丢包问题需要在更高层协议中设置能够起到类似“纠删”作用的前向纠错技术来有效解决。

3 基于LT码的数据传输优化设计

喷泉码是一类分组级前向纠错编码(FEC)技术，是一种码率无关的纠删码，由Michae1.Luby提出的LT(Luby Transform)Code是一种趋于实用的喷泉码型［4］［5］。采用随机编码思想，码率动态可变，LT 码通过度分布设计实现编码矩阵的稀疏化，具有线性的编解码复杂度，其译码方法与低密度奇偶校验码(LDPC)方法类似，接收端在收到任意一组稍多于原始数据分组的编码分组后，就能正确恢复出所有的原始数据分组。与传统的分组级FEC技术(如RS码)相比，喷泉码具有更短的编译码时延，特别适合在信道特性存在异构性的应用中实现点对多点的大容量数据传输，如数据广播分发等，具有更高的数据分发效率。因此，该技术已经被第3代蜂窝网络多媒体广播/多点传送服务(MBMS)和DVB-H标准所采用，并被应用在卫星数据广播分发系统中［6-9］。

该方案与采用LT码与分组码构成的常规内外码编码结构不同，采用将LT码内嵌入MOT预编码模块作为外码，可删除卷积码作为内码，专门应用于数据传输部分，而音频部分仍按照DRM标准所定义的编码方式不变。采用卷积编码后，有效地增加LT码的符号恢复能力，并提高系统恢复码元的实时性;同时LT码有效地减少了接收端由于丢包而反复接收的概率。另外，将LT码内嵌入MOT预编码模块可最大限度的保留原标准的编译码结构，仅需增加相应的编译码模块即可，不涉及后续调制部分的改动。改进后信道编码结构框图如图3.1:

图3.1 改进后信道编码模块结构框图

数据对象处理先按照MOT Package encoder part1［2］处理，产生 K 个输入符号 Ai(1≤i≤k)，将输入符号进行LT编码产生K个编码符号Xj(1≤j≤k)，将编码符号映射为 MOT Package encoder part2［2］的数据段，然后进行后续的MOT常规编码处理。MOT预编码模块嵌入LT编码的示意图见图3.2:

图3.2 MOT预编码模块嵌入LT编码的示意图

4 测试与数据分析

本设计通过在多媒体数据服务器MOT预编码阶段嵌入LT编码以实现编码优化，具体嵌入位置在包模式(Packet Mode)编码之前。通过分析和比对LT编码组和对比组测试数据进行优化效果的评估。测试数据产生流程如图4.1所示:

图4.1 测试数据产生流程

4.1 临界丢包率测试

临界丢包率定义:逐渐提高测试系统环境中的丢包率而保持其他参数不变，测试系统成功传输一个数据文件的实际时间达到无差错理论传输时间的50倍时，此时测试环境中的丢包率为临界丢包率。

测试目的:通过大量测试得到DRM系统(无LD编码优化)在不同丢包率测试环境中成功传输给定数据大小的单一数据文件所需时间样本空间，总结出在特定试验条件下系统临界丢包率。将测试数据作为DRM系统(采用LD编码优化)进行同样数据传输测试的对比数据。

测试条件:DRM 模式 B，带宽10KHz，64QAM，SlideShow数据业务(Packet Mode)，数据净速率32000kbps。测试数据对象采用 200KBytes和1024KBytes(1MB)两种容量的JPEG图片。

(1)200K Bytes数据对象

传输文件大小:1638400 bits(200K Bytes);包大小(bits): 640;

传输包个数: 2560;无差错理论传输时间:51.2 s;

临界丢包率测试图(测试数据显示临界丢包率约为3.90625E-04)如下所示:

图4.2 200K Bytes数据对象临界丢包率测试

(2)1M Bytes数据对象

传输文件大小:8388608 bits(1M Bytes);包大小(bits): 640;

传输包个数: 13108;无差错理论传输时间:262.144 s;

临界丢包率测试图(测试数据显示临界丢包率约为7.62893E-05)如下所示:

临界丢包率测试结果显示:

随着丢包率上升直至接近临界丢包率的过程中，无LT码优化的系统成功传输数据对象的时间呈指数上升趋势;当丢包率达到并超过临界丢包率时，无LT码优化的系统成功接收数据对象的可能性趋近于 0;与无LT码优化的系统相比，采用LT码优化的系统传输相同数据对象时的传输效率基本不受临界丢包率影响。

图4.3 1M Bytes数据对象临界丢包率测试

4.2 三种信道环境下LT码优化方案的传输概率分布测试与分析

测试目的:通过大量测试得到采用LD编码优化后的DRM系统在不同信道环境中成功传输单一数据文件所需数据包数样本空间，得出系统成功传输数据对象概率与所需数据包数的分布关系。

测试信道采用 Channel 1、2、3，DRM 模式 B，带宽10kHz，MOTSlideShow码率32000bps;测试数据对象采用200K Bytes JPEG图片，LT包大小为640bit。

(1)DRM channel 1

测试信道参数表如表1:

表1

(2)DRM channel 2

测试信道参数表见表2:

表2

(3)DRM channel 3

测试信道参数表见表3:

表3

传输概率分布测试结果显示:在存在较大丢包率的实际传输环境中，与无LT码优化的系统无法有效传输大容量数据对象(＞200K Bytes)的情况相

图4.6 200K Bytes数据对象传输概率分布图(Channel 3，SNR:22dB，丢包率:19.9%)

比，采用LT码优化后的系统传输较大容量的数据对象时，只要接收到足够多的数据包，就可以实现数据对象的成功接收。

5 结论

本文深入研究了DRM系统现有技术机制下数据传输中的数据包丢失现象以及由此带来的数据传输效率低下问题，论述了DRM系统传输编码优化的必要性和可行性，提出了一种数字喷泉码(LT码)与现有标准所定义的卷积码所组成的联合编码方案。测试表明，该方案借助数字喷泉码技术有效改善了DRM系统的数据广播能力。

［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

侯亚辉(1974-)，男(汉族)，河南开封人，中国传媒大学副研究员.E-mail:houyh@cuc.edu.cn

(责任编辑

:王 谦)