Завадостійке кодування мультимедіа даних в комп'ютерних мережах

Мультимедіа дані, як і будь-які інші повідомлення, що передаються в комп’ютерних мережах, представляють собою файли кінцевого розміру. Файли пересилаються по мережі послідовністю пакетів, розмір яких визначається стандартами і існуючими архітекторами мережі. Бажано, щоб одержувач прийняв кожен з пакетів без помилок. Однак частина пакетів може бути доставлена одержувачу з помилковими битами, а частина — втрачена в мережі. Такі пакети в теорії перешкодостійкого кодування вважають стертими, а в якості базової математичної моделі для опису каналу з перешкодами в комп’ютерних мережах використовуються модель каналу з стирання (erasure channel) пакетів. Для виявлення одержувачем помилок в пакетах відправник використовує код.

Для будь-якого коду існує ймовірність того, що помилку не буде виявлена. Помилка не буде виявлена в разі, якщо передане кодове слово було перетворено в каналі в інше кодове слово. Це перетворення прийнято називати трансформацій кодових слів. У моделі каналу зі стиранням нехтують ймовірністю помилково прийнятого пакета, обумовленої трансформацією кодових слів. Для більшості мережевих приложеній (IР-мовлення, IР Multicas-сервіс, одночасна передача даних з декількох сайтів в Інтернет і т.д.) Така зневага виправдано надзвичайно малою вірогідністю трансформації. Кожне мережеве застосування має свою специфіку, і в даній статті в якості мережевого додатку розглядається IР телемовлення.

Нові способи доставки даних і архітектури систем телемовлення по мережах IР (далі коротко IРТV, Internet Protocol Television) породили принципово нові труднощі. Однією з найбільш гострих і актуальних проблем є проблема втрат пакетів даних в системах IРТV реального часу, або «живого» мовлення. Втрати даних ведуть до деградації якості сприйняття телепрограм: втрати звуку, розсипання зображення на дратівливі «квадратики», десинхронизації звуку та зображення. Сутність проблеми в тому, що для «живого» телемовлення доводиться використовувати протоколи IР з негарантованої доставкою пакетів, такі як UDP (User Datagram Protocol), RTP (Real Time Protocol), оскільки повторна передача пакетів (так звана схема ARQ, Automatic Repeat reQuest) неможлива через великі затримок на дану операцію, неприпустимих при «живому» телемовленні. Крім того, запити на пересилку, особливо в топології «один — багатьом», приведуть до додаткових навантажень на канал зв’язку і, можливо, подальшої деградації сервісу. Втрати пакетів в негарантованих протоколах відбуваються через колізії, затримок в мережах, «просідання» пропускної здатності каналів і т.п.

Відзначимо, що класичні перешкодостійкі коди не здатні вирішити названу проблему. Згорткові коди виправляють окремі бітові помилки. Блокові коди, в тому числі коди Рида Соломона, здатні виправляти пачки помилок в окремо взятому пакеті. Але в разі втрати пакета цілком вони безсилі.

В даний час можна говорити про створення нового класу перешкодостійких кодів для каналів зі стиранням — стирають кодів. Кодами з цього класу можна закодувати повідомлення кінцевого розміру потенційно необмеженим потоком незалежних пакетів. Це властивість нового класу кодів принципово відрізняє його від класичних блокових або загортальних, перешкодостійких кодів із заданою швидкістю (fixed rate). Для кодів з нового класу з’явився термін «rateless» (нефіксованим швидкості). Їх називають також фонтанними кодами (Digital Fountain Codes). Історично першим і найбільш ідейно цікавим га rateless кодом вважається LT код. Код був створений М. Лаби (Michael Luby) в 2002 р і найбільш докладно описаний в [1]. Свою назву він отримав від «Luby Transform» (Лаби Трансформ, ЛТ).

Найважливішою відмінністю стирають кодів від блокових і сверточних кодів є можливість відновлення цілого пакета в разі його втрати. В даний час стирають коди вже знайшли застосування в комерційних продуктах для комп’ютерних мереж, що поставляються, наприклад, компанією Digital Fountain.

Аналіз наявних на даний момент джерел показав, що є лише поодинокі спроби застосування стирають кодів IРТV [2]. Розмовляти про більш-менш цілісної технології IРТV із застосуванням стирають кодів поки не доводитися. Можна виділити лише стандарт мобільного телемовлення DVB-H (Digital Video Broadcasting Handheld) [3], який має на увазі використані стирають кодів Raptor [4], розроблених на основі кодів ЛТ з урахуванням специфіки мобільного телемовлення.

Дана стаття присвячена аналізу можливості застосування стирають кодів в системах IРТV. У статті пропонуються нові перешкодостійкі стираючи коди для зменшення втрат мультимедіа даних в IР телемовленні.