4.1 4.1 封包漏失回復機制封包漏失回復機制封包漏失回復機制封包漏失回復機制

網路傳輸協定主要有兩種，TCP (Transport Control

Protocol)和 UDP(User Datagram Protocol) 。TCP 會先建立兩端點的連線，並使用重傳機制來保證資料不會漏失且不會脫序的可靠性機制。而 UDP 則是屬於無連接模式，每個封包透過路由器(Router)傳送到目的地，無論接收端收到封包與否，UDP 皆無須重傳。因此 UDP 較適用於要求即時服務的互動式影音通訊，缺點則是不能保證資料傳遞的可靠度。

網路傳輸過程中不可避免會有封包漏失的情形發生，尤其當頻寬不足以傳送有傳輸速度限制的資料，例如聲音或者是影像訊號等。一般而言，封包漏失概分為兩種狀況，第一是傳輸層沒有收到封包，第二是收到封包的內容有錯誤，同樣會被丟棄，因此適當的漏失封包控制或是回復機制有其必要性。最常見的兩種方式，一種是自動重傳要求(Automatic Repeat reQuest , ARQ )，主要是架構在 TCP 上，透過 ARQ 來傳輸可靠性要求較高的資料，如檔案傳輸或是電子信件等。

問題是這個機制並不適合應用於即時性的網路語音傳輸以及多重播送骨幹(Multicast backbone)，因為 ARQ 本身並不做任何錯誤更正，

僅偵測錯誤並回覆內含漏失封包序號的 NACK 訊號給傳送端，要求重傳漏失的封包。而這樣一連串交互的控制訊息，將造成傳輸上的延遲，增加網路資源的耗損，也大幅降低傳輸效率。

相較於資料傳輸，語音封包的傳輸對網路延遲是較敏感的。但是人耳的聽覺卻可以允許傳輸時些許的封包漏失(< 10 %)，因為這樣的漏失所造成的音質損害是人類感觀所能容忍的上限。為了降低封包漏失率，前人發展出封包層級的前向錯誤控制碼(Packet-level FEC) 的機制，主要是傳送端在傳遞一個語音封包前加上冗餘資訊，接收端則利用此資訊來做封包漏失的回復工作。必須注意的是，使用 FEC 的系統須同時傳送原始資料以冗餘資料，接收端必須收到兩者再經過額

外計算，才能回復可能漏失的原始資料。基於傳輸延遲以及計算複雜度之考量，冗餘資料量的增加額度有其限制。

表(4.1)整理了兩種方式的優缺點:

優點缺點

FEC

1. 不需重傳所以回復速度較快，增加傳輸效能

2. 主從架構的網路協定較簡單

需使用更多的頻寬傳送冗餘資訊

ARQ 無須傳輸額外資訊，因而不會佔去額外頻寬

延遲時間過長，造成網路擁塞

表 4.1 ARQ vs.FEC

4.2 4.2 4.2

4.2 前向錯誤控制前向錯誤控制前向錯誤控制前向錯誤控制

FEC 原理在於傳輸原始資料的同時附加額外保護資訊，接收端可以利用這些額外資訊來回復漏失的封包。傳輸媒介的不同，資料在傳輸的過程中發生錯誤的屬性就有所不同。如在無線網路或是窄頻通道的環境下，經常發生封包內部的位元錯誤，較強調針對錯誤的位元做更正；而在有線或是寬頻通道的環境下，位元錯誤就不是那麼的顯著，主要是網路壅塞所衍生的封包漏失。依照不同層級的錯誤回復需求而劃分為三大類，依序為位元層級、位元組層級、封包層級。

‧位元層級(Bit level)

在電路交換網路(Circuit switch network)中，較常發生位元錯誤，可以藉由數位訊號處理(DSP)晶片或是特殊應用的積體電路等一些典型的硬體設備在，實體層(Physical layer) 實現其錯誤控制。

針對頻寬受限制的通道而言，通常使用格子碼(trellis code)加上 Viterbi 解碼器。而在寬頻通道的環境下，則使用區塊碼(Block code ) 或是迴旋碼(Convolutional code) ，配合 Viterbi 解碼演算法。

‧位元組層級(Byte level)

對無線通訊而言，訊號由於受到反射、繞射或是都普勒效應的影響會產生多路徑衰落的現象，導致位元發生錯誤的情況相當顯著。倘若沒在鏈結層(data link layer，DLL)做更正的動作，在傳輸層 (transport layer) 將會是叢發性的封包漏失 (bursty packet loss) 。在鏈結層，每一個封包都會加上循環冗餘檢查 (Cyclic Redundancy Checksums，CRCs)，用以檢查發生錯誤的真實資料位元。

由於 FEC 解碼的計算相當複雜，因此在過去這些 CRCs 位元只當作檢測之用，然而近年來由於計算能力提昇，可以利用這些資訊來修復錯誤的位元，常用的方式如 Reed-Solomon (RS) 編碼器。

‧封包層級(Packet level)

在網路傳送過程中錯誤發生可以區分為兩種，一是通道雜訊導致隨機的位元錯誤，另一種則是壅塞的連結導致封包漏失。在有線的網路環境裡，特別是光纖網路，位元發生錯誤的情況相當少，而當錯誤位元經由 CRCs 檢測到，這個封包在傳輸層就會被丟掉。因此不管是因隨機位元錯誤或是由於擁塞而丟棄封包，都會導致整個封包漏失的現象。換句話說，所要處理的問題不再針對位元錯誤，而是封包漏失，

因而需在傳輸層針對封包漏失的問題做錯誤更正。

在一連串的資料流裡，依回復用額外資訊的差異亦分為兩類模式，一個是完全與資料流的內容無關(Media independent)，另外一個則是與資料流的格式有關(Media specific)。

[1] 與資料流格式有關的前向錯誤更正-media specific FEC

通常應用在多人對講模式，主要是利用每一封包內攜帶其他封包的輔助資訊，萬一封包掉了，還可以利用成功接收封包的輔助資訊來做回復的動作，圖(4.1)說明其基本原理。原始封包會以較高位元率的方式編碼，而冗餘的封包則是採用低位元率的模式編碼，冗餘的部分被後來的封包所背負著(piggy backed) ，可以減少封包的數量。

另外冗餘資訊可以多個封包產生，這樣的方式用來解決連續封包漏失的現象，如圖(4.2)所示。依此方式雖可以解決連續封包漏失的問題，

若網路傳輸品質良好，錯誤發生機率很低的時候，發生叢發性的封包

圖 4.1 media specific FEC

封包漏失 [2] 與內容無關的前向錯誤更正-Media-Independent FEC

使用(N，K)區塊碼的編碼處理方式，是以 K 個訊息封包來產生(N-K) 個檢查封包，共同組合成 N 個封包的區塊再傳遞出去，如圖(4.3)所示。訊息完整回覆的原則是 N 個封包中至少有 K 個被成功接收，則其

他的漏失封包皆可被回復。針對任何一個特定封包而言，皆須等待所有 N 個封包被接收到才能進一步確認訊息的完整性，無形中衍生額外的延遲。圖(4.4)以(5,3)RS 碼為例子來說明封包經 FEC 機制後的傳送過程，其中 T^p表示封包間隔的時間，則 FEC 區塊中第 i 個封包的額外延遲可表示為

^D^{FEC i}^, ⁼

(

^N^{− ⋅}^{i T}

)

^p (4.1) 在區塊碼的選擇方面，同位碼(Parity code)與 RS 碼是最常使用的錯誤更正方式。同位碼是每 N 個封包裡頭有 1 個是檢查封包，因此它僅只能回復單一封包漏失，圖(4.5)說明整個過程。在此研究中，

我們將鎖定在封包層級的前向錯誤控制，特別是採用 Reed-Solomon (RS)編碼器。

k 個訊息封包

第i個Byte

n-k 個檢查封包

產生同位檢查

d1 d₂ d₃ d_k c₁ c_{n k}₋

圖 4.3 RS 編碼過程

time

time buffer delay

D_FEC_,1=(N−1)T_p

圖 4.4 (*: redundant) FEC 機制下的封包傳送與接收

1 2 n-1

1 2 3 n-1 FE C

1 2 n -1 FE C

1 2 3 n -1

圖 4.5 同位碼回復錯誤的過程

1 2 3 4 5 6 7 8 9 * * * *

在文檔中整合前向錯誤控制於多重敘述語音播放排程設計之研究 (頁 57-65)

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