專利名稱：一種差錯(cuò)控制方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種差錯(cuò)控制方法和系統(tǒng)，適用于通信、存儲等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)及視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展，組播得到了廣闊的應(yīng)用，例如IPTV。組播應(yīng)用中有大量的用戶接收共同的數(shù)據(jù)源，標(biāo)準(zhǔn)的組播協(xié)議是不帶反饋的，這就帶來新的問題如果網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)丟包，由于每個(gè)用戶丟失的數(shù)據(jù)都可能不一樣，為此需要一種有效的恢復(fù)機(jī)制，無論用戶丟失哪些數(shù)據(jù)包，都能將丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)。同樣，在存儲領(lǐng)域也存在如何將丟失的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)的問題。


發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種差錯(cuò)控制方法和實(shí)現(xiàn)該方法的系統(tǒng)，有效地將丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)，提高數(shù)據(jù)完整性。
技術(shù)方案一種差錯(cuò)控制方法，包括生成冗余包的方法和信源恢復(fù)的方法，其中生成冗余包的方法包括以下步驟 (1)構(gòu)造編碼系數(shù)矩陣A 假設(shè)有n個(gè)信源X1、X2、X3......Xn，m為需要生成的冗余包的數(shù)量，選一個(gè)數(shù)域P，保證每個(gè)信源Xj都在數(shù)域P內(nèi)，在數(shù)域P中任取(n+m)個(gè)不同的值K1、K2、K3......Kn、L1、L2......Lm，取矩陣K和L如下 由于矩陣K是范德蒙矩陣(Vandermonde Matrix)，所以矩陣K一定存在逆矩陣K-1。將矩陣L乘以矩陣K-1，得到編碼系數(shù)矩陣A如下 步驟(1)每步數(shù)學(xué)運(yùn)算都采用數(shù)域P內(nèi)的運(yùn)算。
(2)計(jì)算冗余包 取信源矩陣X如下 將編碼系數(shù)矩陣A乘以信源矩陣X，得到冗余包矩陣Y如下 Y1、Y2、Y3......Ym即為m個(gè)冗余包。步驟(2)每步數(shù)學(xué)運(yùn)算都采用與步驟(1)相同的數(shù)域P內(nèi)的運(yùn)算。
將矩陣K的所有行及矩陣L的所有行，組成矩陣F如下 則如下等式成立，等式右邊由n個(gè)信源及m個(gè)冗余包構(gòu)成。
等式右邊取任意n行，等式左邊矩陣F也取相應(yīng)的n行，上述等式仍然成立。等式右邊的任意n行，實(shí)質(zhì)上是信源個(gè)數(shù)加冗余包個(gè)數(shù)等于n的任意n個(gè)信息，將它記為矩陣G，等式左邊矩陣F取相應(yīng)的n行后得到矩陣H，則得到如下等式 H*K-1*X＝G 由于H也是范德蒙矩陣，所以矩陣H一定存在逆矩陣H-1，將上等式兩邊都左乘矩陣H-1得到如下等式 K-1*X＝H-1*G 再將上等式兩邊都左乘矩陣K得到如下等式 X＝K*H-1*G 因而理論上，從n個(gè)信源及m個(gè)冗余包中任取n個(gè)信息都可以恢復(fù)出n個(gè)信源，這是本發(fā)明的數(shù)學(xué)原理。
發(fā)信端將n個(gè)信源及m個(gè)冗余包發(fā)送往收信端，當(dāng)收信端收到的信源個(gè)數(shù)r小于n時(shí)，信源恢復(fù)的方法包括以下步驟 (3)構(gòu)造解碼系數(shù)矩陣B 假設(shè)收到Xf、Xg......Xh共r個(gè)信源，其中f＜g＜……＜h，收到t個(gè)冗余包，當(dāng)t大于(n-r)時(shí)任取(n-r)個(gè)冗余包，當(dāng)t小于或等于(n-r)時(shí)取所有的冗余包，這些冗余包記為Yu、Yv......Yw，其中u＜v＜……＜w，取矩陣B第1行的第f列為1、其他(n-1)列為0；矩陣B第2行的第g列為1、其他(n-1)列為0......矩陣B第r行的第h列為1、其他(n-1)列為0；矩陣B第(r+1)行為步驟(1)系數(shù)矩陣A的第u行；矩陣B第(r+2)行為步驟(1)系數(shù)矩陣A的第v行......矩陣B最后1行為步驟(1)系數(shù)矩陣A的第w行，構(gòu)成解碼系數(shù)矩陣B如下 (4)恢復(fù)出信源X 當(dāng)t大于(n-r)時(shí)任取(n-r)個(gè)冗余包，當(dāng)t小于或等于(n-r)時(shí)取所有的冗余包，得到如下等式 當(dāng)t大于或等于(n-r)時(shí)，前面已經(jīng)證明解碼系數(shù)矩陣B是一個(gè)范德蒙矩陣H與另一個(gè)范德蒙矩陣K的逆的乘積并且上述等式必定有解，可采用解(n-r)元1次方程組的解法解出(n-r)個(gè)未收到的信源Xj。當(dāng)t小于(n-r)時(shí)，由于等式個(gè)數(shù)小于變元數(shù)，因而只能部分解出(n-r)個(gè)信源。步驟(4)每步數(shù)學(xué)運(yùn)算都采用與步驟(1)相同的數(shù)域P內(nèi)的運(yùn)算。
上面描述了生成冗余包Y及將信源X恢復(fù)的差錯(cuò)控制方法，下面描述如何實(shí)現(xiàn)該差錯(cuò)控制方法的系統(tǒng)，包括以下內(nèi)容 (a)上述步驟(1)、(2)、(4)中的數(shù)域P采用擴(kuò)展伽羅瓦2q域(Extended Galois Field 2q)。
(b)事先按上述步驟(1)算好編碼系數(shù)矩陣A，并將它存儲在發(fā)信端和收信端的存儲器上。
(c)發(fā)信端將信源Xj按固定的規(guī)則切成s個(gè)片段Xj1、Xj2、Xj3......Xjs，保證每個(gè)片段的值都在上述擴(kuò)展伽羅瓦2q域內(nèi)，信源Xj切片后得到如下信源矩陣X 發(fā)信端利用CPU或ASIC按如下等式生成冗余包，冗余包Yi由Yi1、Yi2、Yi3......Yis構(gòu)成。將n個(gè)信源Xj及m個(gè)冗余包Yi發(fā)送往收信端。
(d)當(dāng)收信端收到的信源數(shù)r小于n時(shí)，取r個(gè)的信源及(n-r)個(gè)冗余包，并將信源Xj及冗余包Yi按與(c)同樣的規(guī)則切成s個(gè)片段。利用CPU或ASIC按上述步驟(3)和(4)的方法恢復(fù)出信源。信源Xj及冗余Yi包切片后，步驟(4)恢復(fù)信源的等式如下 有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是從n個(gè)信源及m個(gè)冗余包中任取n個(gè)數(shù)據(jù)包，都一定能恢復(fù)出n個(gè)信源，保證了冗余包信息量的最大化。采用擴(kuò)展伽羅瓦2q域內(nèi)的運(yùn)算，在減少運(yùn)算量的同時(shí)還能保證信道容量得到最有效的利用。本發(fā)明的方法是信息論香農(nóng)定律在實(shí)踐應(yīng)用中的最優(yōu)化方法之一，具有很高的可用性。
在組播應(yīng)用如IPTV中使用本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，能有效地將丟失的組播數(shù)據(jù)恢復(fù)，完美地解決組播應(yīng)用中當(dāng)數(shù)據(jù)被丟失一部分之后出現(xiàn)的故障例如IPTV的噪音及圖像停頓或馬賽克。



圖1是冗余包生成單元的簡要邏輯圖。
圖2是信源恢復(fù)單元的簡要邏輯圖。

具體實(shí)施例方式 上述技術(shù)方案中的數(shù)域P，可采用任何無限數(shù)域或有限數(shù)域，無限數(shù)域如實(shí)數(shù)域、有理數(shù)域，有限數(shù)域如基本伽羅瓦域，在這些數(shù)域中的運(yùn)算如在實(shí)數(shù)域內(nèi)的運(yùn)算，5050是個(gè)巨大的數(shù)，需要增大存儲空間，也不利于有效地利用信道容量。采用有限域中的擴(kuò)展伽羅瓦pq域，對于p取2，則任何運(yùn)算的結(jié)果都不會要求更多的存儲空間。具體實(shí)施本發(fā)明描述的方法時(shí)，一般選用擴(kuò)展伽羅瓦2q域。由于2q域內(nèi)運(yùn)算略難理解，雖然它在一些數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)書籍中有詳細(xì)描述，但這里還是舉例說明28域內(nèi)的運(yùn)算以便于理解。域2內(nèi)有兩個(gè)值0、1，域2內(nèi)的加法運(yùn)算0+0＝0，0+1＝1，1+0＝1，1+1＝0，乘法運(yùn)算0*0＝0，0*1＝0，1*0＝0，1*1＝1。28域內(nèi)有256個(gè)值0、1、2、3......255。x8域內(nèi)的任一值都可用包含x0、x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7的多項(xiàng)式構(gòu)成，例如x＝2時(shí)在x8域內(nèi)，249＝x0+x3+x4+x5+x6+x7，30＝x1+x2+x3+x4，對249和30進(jìn)行加法運(yùn)算過程如下
即在28域內(nèi)249+30＝231，從運(yùn)算過程可知，28域內(nèi)的加法運(yùn)算，實(shí)質(zhì)就是將兩個(gè)數(shù)進(jìn)行2進(jìn)制的異或運(yùn)算。當(dāng)x＝2時(shí)在x8域內(nèi)選取一個(gè)包含x8的質(zhì)多項(xiàng)式，例如取質(zhì)多項(xiàng)式Z(x)＝1+x+x3+x4+x8，它無法被拆成任何其他兩個(gè)多項(xiàng)式的乘積。28域內(nèi)兩個(gè)數(shù)相乘的結(jié)果是將其對應(yīng)的兩個(gè)多項(xiàng)式相乘后除以質(zhì)多項(xiàng)式而得到的余數(shù)多項(xiàng)式所代表的值，例如28域內(nèi)249*30的計(jì)算方法是先將249對應(yīng)的多項(xiàng)式[x0+x3+x4+x5+x6+x7]與30對應(yīng)的多項(xiàng)[x1+x2+x3+x4]相乘，得到積多項(xiàng)式[x1+x2+x3+x6+x9+x11]，乘法運(yùn)算如下
將積多項(xiàng)式除以Z(x)得到商多項(xiàng)式[x3+x]及余數(shù)多項(xiàng)式[x7+x5]，余數(shù)多項(xiàng)式[x7+x5]對應(yīng)的值為160，計(jì)算過程如下
因而在28域取上述質(zhì)多項(xiàng)Z(x)時(shí)，249*30＝160，乘法運(yùn)算有256*256種可能。由于28域的乘法運(yùn)算量較大，在實(shí)際使用時(shí)可將28域內(nèi)的所有可能的乘法運(yùn)算事先計(jì)算好并存成一張256*256的乘法表，從而將乘運(yùn)算過程轉(zhuǎn)化為查表過程?？紤]到乘法交換律，28域內(nèi)的乘法共有257*128種可能，為了減少存儲量也可僅存一張257*128的乘法表。28域內(nèi)的值都可用1個(gè)Byte來表示，因而28域內(nèi)運(yùn)算在常用CPU系統(tǒng)中的開銷較小。
技術(shù)方案的實(shí)施例中，取擴(kuò)展伽羅瓦28域，n＝64，m＝7，K1＝0、K2＝1、K3＝2......K64＝63，對應(yīng)地信源為X1、X2、X3......X64；L1＝64、L2＝65......L7＝70，對應(yīng)地冗余包為Y1、Y2、Y3......Y7。
如何求范德蒙矩陣K的逆矩陣K-1，在許多數(shù)學(xué)書籍中都有描述，這里不再敘述，28域內(nèi)的加法運(yùn)算采用2進(jìn)制異或運(yùn)算，28域內(nèi)的乘法運(yùn)算前面也已經(jīng)描述過，利用28域內(nèi)的加法和乘法，最后求得7行64列的編碼系數(shù)矩陣A＝L*K-1如下 矩陣A第1行的64列分別為118，48，2，204，197，55，235，181，54，91，92，15，232，137，25，200，63，164，162，165，60，13，29，226，212，202，56，73，74，187，249，41，173，183，122，245，158，178，134，193，111，231，176，159，36，163，175，104，45，174，133，14，152，189，64，217，42，229，98，53，3，22，40，191。
矩陣A第2行的64列分別為48，118，204，2，55，197，181，235，91，54，15，92，137，232，200，25，164，63，165，162，13，60，226，29，202，212，73，56，187，74，41，249，183，173，245，122，178，158，193，134，231，111，159，176，163，36，104，175，174，45，14，133，189，152，217，64，229，42，53，98，22，3，191，40。
矩陣A第3行的64列分別為2，204，118，48，235，181，197，55，92，15，54，91，25，200，232，137，162，165，63，164，29，226，60，13，56，73，212，202，249，41，74，187，122，245，173，183，134，193，158，178，176，159，111，231，175，104，36，163，133，14，45，174，64，217，152，189，98，53，42，229，40，191，3，22。
矩陣A第4行的64列分別為204，2，48，118，181，235，55，197，15，92，91，54，200，25，137，232，165，162，164，63，226，29，13，60，73，56，202，212，41，249，187，74，245，122，183，173，193，134，178，158，159，176，231，111，104，175，163，36，14，133，174，45，217，64，189，152，53，98，229，42，191，40，22，3。
矩陣A第5行的64列分別為197，55，235，181，118，48，2，204，232，137，25，200，54，91，92，15，60，13，29，226，63，164，162，165，74，187，249，41，212，202，56，73，158，178，134，193，173，183，122，245，36，163，175，104，111，231，176，159，152，189，64，217，45，174，133，14，3，22，40，191，42，229，98，53。
矩陣A第6行的64列分別為55，197，181，235，48，118，204，2，137，232，200，25，91，54，15，92，13，60，226，29，164，63，165，162，187，74，41，249，202，212，73，56，178，158，193，134，183，173，245，122，163，36，104，175，231，111，159，176，189，152，217，64，174，45，14，133，22，3，191，40，229，42，53，98。
矩陣A第7行的64列分別為235，181，197，55，2，204，118，48，25，200，232，137，92，15，54，91，29，226，60，13，162，165，63，164，249，41，74，187，56，73，212，202，134，193，158，178，122，245，173，183，175，104，36，163，176，159，111，231，64，217，152，189，133，14，45，174，40，191，3，22，98，53，42，229。
計(jì)算出編碼系數(shù)矩陣A之后，可求得冗余包矩陣如下 Y＝A*X 假設(shè)收信端僅接收到信源X3、X4、X5......X62、X63，信源X1、X2及X64在傳輸過程中被丟失，同時(shí)收信端還收到冗余包Y2、Y5、Y6、Y7，冗余包Y1、Y3、Y4在傳輸過程中被丟失，則可構(gòu)造解碼系數(shù)矩陣B如下
對于信源及冗余包切片舉例如下，假設(shè)每個(gè)信源及冗余包都由5個(gè)字符構(gòu)成，則可將每個(gè)信源及冗余包都切成5片，例如信源X3為字符串a(chǎn)bcde，冗余包Y2為字符串rstuv，X3切片后得到X31＝a，X32＝b，X33＝c，X34＝d，X35＝e，Y2切片后得到Y(jié)21＝r，Y22＝s，Y23＝t，Y24＝u，Y25＝v。收信端需要恢復(fù)出的信源X1、X2及X64相當(dāng)于如下等式的未知數(shù)，由于X3、X4、X5......X63及Y2、Y5、Y6都已知，如下等式即成為5組3元1次方程組，解開這些方程組即得到信源X1、X2及X64，解方程過程中的數(shù)學(xué)運(yùn)算仍采用上述28域內(nèi)的運(yùn)算。
圖1是冗余包生成單元的簡要邏輯圖，由CPU或ASIC及存儲器等單元構(gòu)成，在不易失存儲器中存儲編碼系數(shù)矩陣A及28域內(nèi)的乘法表，由CPU或ASIC按技術(shù)方案的步驟(2)生成冗余包。
圖2是信源恢復(fù)單元的簡要邏輯圖，由CPU或ASIC及存儲器等單元構(gòu)成，在不易失存儲器中存儲編碼系數(shù)矩陣A及28域內(nèi)的乘法表，由CPU或ASIC按技術(shù)方案的步驟(3)和(4)解出所有信源。
目前有些商用的組播應(yīng)用例如IPTV僅使用1個(gè)UDP端口組播，為了與原有的系統(tǒng)兼容，使用本發(fā)明描述的新方法時(shí)可采用2個(gè)UDP端口，例如現(xiàn)有某套IPTV節(jié)目使用組播地址IP_M、端口Port_M，使用新方法時(shí)，這套IPTV節(jié)目的信源X也使用組播地址IP_M、端口Port_M，其冗余包Y使用同樣的組播地址IP_M，但使用另一個(gè)端口Port_N，原有IPTV終端僅接收端口Port_M上的數(shù)據(jù)，使用本發(fā)明描述方法的新終端同時(shí)接收端口Port_M及Port_N上的數(shù)據(jù)，從而能保證新老終端都能正常工作。此外，為進(jìn)一步增強(qiáng)組播的可靠性，組播接收端還可將信源恢復(fù)失敗的次數(shù)反饋到中央服務(wù)器以進(jìn)行通信質(zhì)量評估，中央服務(wù)器可隨信源恢復(fù)失敗率的增減動態(tài)指揮組播發(fā)信端增減冗余包的個(gè)數(shù)。
權(quán)利要求
1、一種差錯(cuò)控制方法，其特征是該方法包括生成冗余包的方法和信源恢復(fù)的方法，其中生成冗余包的方法包括以下步驟
(1)構(gòu)造編碼系數(shù)矩陣A
假設(shè)有n個(gè)信源X1、X2、X3......Xn，m為需要生成的冗余包的數(shù)量，選一個(gè)數(shù)域P，保證每個(gè)信源Xj都在數(shù)域P內(nèi)，在數(shù)域P中任取(n+m)個(gè)不同的值K1、K2、K3......Kn、L1、L2......Lm，取矩陣K和L如下
取K的逆矩陣K-1，將矩陣L乘以矩陣K-1，得到編碼系數(shù)矩陣A如下
步驟(1)每步數(shù)學(xué)運(yùn)算都采用數(shù)域P內(nèi)的運(yùn)算；
(2)計(jì)算冗余包
取信源矩陣X如下
將編碼系數(shù)矩陣A乘以信源矩陣X，得到冗余包矩陣Y如下
Y1、Y2、Y3......Ym即為m個(gè)冗余包；步驟(2)每步數(shù)學(xué)運(yùn)算都采用與步驟(1)相同的數(shù)域P內(nèi)的運(yùn)算；
發(fā)信端將n個(gè)信源及m個(gè)冗余包發(fā)送往收信端，當(dāng)收信端收到的信源個(gè)數(shù)r小于n時(shí)，信源恢復(fù)的方法包括以下步驟
(3)構(gòu)造解碼系數(shù)矩陣B
假設(shè)收到Xf、Xg......Xh共r個(gè)信源，其中f＜g＜……＜h，收到t個(gè)冗余包，當(dāng)t大于(n-r)時(shí)任取(n-r)個(gè)冗余包，當(dāng)t小于或等于(n-r)時(shí)取所有的冗余包，這些冗余包記為Yu、Yv......Yw，其中u＜v＜……＜w，取矩陣B第1行的第f列為1、其他(n-1)列為0；矩陣B第2行的第g列為1、其他(n-1)列為0......矩陣B第r行的第h列為1、其他(n-1)列為0；矩陣B第(r+1)行為步驟(1)編碼系數(shù)矩陣A的第u行；矩陣B第(r+2)行為步驟(1)編碼系數(shù)矩陣A的第v行......矩陣B最后1行為步驟(1)編碼系數(shù)矩陣A的第w行，構(gòu)成解碼系數(shù)矩陣B如下
(4)恢復(fù)出信源X
當(dāng)t大于(n-r)時(shí)任取(n-r)個(gè)冗余包，當(dāng)t小于或等于(n-r)時(shí)取所有的冗余包，得到如下等式
當(dāng)t大于或等于(n-r)時(shí)，利用上等式解出(n-r)個(gè)未收到的信源Xj；當(dāng)t小于(n-r)時(shí)，利用上等式部分解出(n-r)個(gè)未收到的信源Xj；步驟(4)每步數(shù)學(xué)運(yùn)算都采用與步驟(1)相同的數(shù)域P內(nèi)的運(yùn)算。
2、實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述差錯(cuò)控制方法的系統(tǒng)，其特征是
(a)數(shù)域P采用擴(kuò)展伽羅瓦2q域；
(b)事先算好編碼系數(shù)矩陣A，并將它保存在發(fā)信端和收信端；
(c)發(fā)信端將信源Xj按固定的規(guī)則切成s個(gè)片段，保證每個(gè)片段的值都在上述擴(kuò)展伽羅瓦2q域內(nèi)，利用CPU或ASIC生成冗余包，然后將n個(gè)信源及m個(gè)冗余包發(fā)送往收信端；
(d)當(dāng)收信端收到的信源數(shù)r小于n時(shí)，取r個(gè)的信源及(n-r)個(gè)冗余包，并按與(c)同樣的規(guī)則將信源Xj及冗余包Yi切成s個(gè)片段，利用CPU或ASIC恢復(fù)出信源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種差錯(cuò)控制方法和系統(tǒng)，適用于通信、存儲等領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中使本發(fā)明的方法或系統(tǒng)，可有效地將丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)，提高數(shù)據(jù)的完整性。本發(fā)明的方法包括生成編碼系數(shù)和冗余包、生成解碼系數(shù)和恢復(fù)信源等步驟，發(fā)信端以n個(gè)信源生成m個(gè)冗余包，將信源及冗余包都發(fā)送往收信端，收信端收到的信源個(gè)數(shù)與冗余包個(gè)數(shù)之和只要大于n，就能恢復(fù)出所有n個(gè)信源。本發(fā)明利用范德蒙矩陣及擴(kuò)展伽羅瓦2q域內(nèi)的運(yùn)算，巧妙地實(shí)現(xiàn)了信息量最大化及運(yùn)算量最小化。在多播及廣播通信中使用本發(fā)明的差錯(cuò)控制方法或系統(tǒng)，可取得優(yōu)良的效果。
文檔編號H04L1/22GK101404563SQ20081023451
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月20日
發(fā)明者呂曉雯, 劉怡梅, 玲 杜 申請人:呂曉雯, 劉怡梅, 玲 杜