FEC之我见二

前面简单说了一下FEC,以及它的配合使用的方法。下面我想详细说一下FEC算法:

曾经有位大神在帖子里这么写着:采用改进型的vandermonde矩阵RS算法.其优点算法运算复杂度更低且解决了利用矩阵构造RS码当矩阵奇异时,构造的纠错码不为RS码的问题。

  • FEC的方案:在RTP或私有协议头上扩展出包组头(Group head),一个Group有k个媒体包和r个冗余包组成,他们在Group内拥有不同的组号,通过组号的连续性可以判断本组内数据包的丢失情况,从而选择性的予以恢复(冗余包丢失无需恢复)、因为UDP协议保障了包内数据的正确性,所以我们无需考虑包内纠错的情况。Group是一个完整的独立的FEC处理单元,不同Group之间无相关性。由于冗余性的存在,一个Group中任意k个数据包可以用来重建k个原始媒体包,如果丢失数据包数小于等于r,接受者收到一个Group中任意的k个数据包后,即可以通过组号信息确定丢失包的相对位置并进行FEC解码,以恢复k个原始媒体包。这里我们定义冗余包数r与原始媒体包数k的比值为FEC编码冗余度r/k,冗余度越高,抗丢包能力越强,同时传输效率也越低。

下面借鉴大神的FEC编解码算法进行简述:

1)数据包分割

对数据包FEc编码运算首先进行的是包内分割,将数据包分割为多个定长单元,定长单元成为自,设字长为w bits,w的取值一般为8/16/32。FEc编码对k个原始媒体包朱子进行处理,生成m个冗余数据包与之对应的字。

例如:现有两个原始数据包D1、D2,包的长度都为b bytes(对于包长不足b bytes的使用0补齐)-- b B,字长为w  bits -- w 位,那么一个数据包的总字长为1 = 8b/w。用这两个冗余包C1、C2的过程简述如下:

FEC之我见二_第1张图片

图中F代表FEC编码运算

2)Vandermonde编解码以及改进

设k个原始媒体包D=(D1,D2,...,Dk),,r个冗余数据包C=(C1,C2,...,Cr),那么传输组Group表示为Y=(Y1,Y2,...,Yn),其中Yi=Di(0<=i<=k-1),Y

j=Cj(k<=j<=n-1)。B为 n x k 维 FEC生成矩阵,有单位矩阵I和矩阵G组成,则一个Group可表示为如下所示:

通过这种方式构造的RS码是系统码,信息组以不变的形式在码组的任意k位(通常在最前面: D1,D2,...,Dk)。如果以数据包为对象,那么传输组的前k个包就是k个被保护的数据包。在接收端,如果接收者收到了Group中的任意k个数据包,即可根据所收到的数据包在Group中的位置信息,从FEC生成矩阵B中提取对应的行,组成一个新的 kxk 维矩阵B‘,显然 


如果B’ 为非奇异矩阵,那么就可以通过如下逆变换得到原始数据报,完成恢复。


设计RS码的关键在于怎样设计生成矩阵B,也就是其系数矩阵G。本方案使用Vandermonde矩阵来构建系数矩阵G。常规定义Vandermonde矩阵V,r x k 维,如下所示:



系数矩阵G=V,该矩阵元素的运算都是在有限域GF(2^8)中进行的。Gij(i=0,1,...,r-1; j=0,1,...,k-1)为系数矩阵的元素,Ci(i=1,2,。。。,r)表示第i个冗余包,Dj(j=1,2,。。。,k)表示第j个原始媒体包,根据下式:

式运算时以包分割后的数据为运算单位的,模运算使用查表方式实现。例如发端使用k=6,r=2的荣誉模式,那么对应的系数矩阵为:


根据上面系数矩阵,可以计算得到冗余包为:

FEC之我见二_第2张图片

生成冗余包C1C2,发送端就可以一次发送原始媒体包和冗余包。如果发送的途中原始媒体包D3,D4丢失,那么接收端就可以根据收到的包恢复丢失的原始媒体包,具体过程如下:

  • 由于接收到的原始媒体包再次产生冗余包:

  • 其与接收到的冗余包作比较,就能得到丢失的原始媒体包的表达式:

  • 要求出D3、D4,可利用高斯消除法求出系数矩阵 的逆 矩阵,前提是该矩阵是非奇异的。
传统的Vandermonde矩阵构造RS码是,需要非奇异矩阵,由于Vandermonde矩阵元素取值与有限域,且元素的运算遵循有限域的运算规则,就会存在一定概率出现矩阵奇异,用该矩阵构造的纠错码就不是RS码,不能从任意k个包中恢复出原始媒体包。为此长沙这位大婶对该传统Vandermonde矩阵进行改进,解决了矩阵概率奇异的问题,具体实现见代码。

3)私有协议/RTP与FEC的结合,下文继续讲解


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