為了進一步提升弱網場景下的遠程控制體驗,提高解碼成功率,貝銳旗下“國民遠控”向日葵使用了一種自研的混合FEC算法:Oray-Raptor,這一算法可以大幅優化遠程控制技術在傳輸層的效能。本文將為大家詳細介紹Oray-Raptor算法及其優勢。
深空通信與遠程控制,Oray-Raptor的誕生
眾所周知,TCP協議是如今最為常用的網絡協議之一,如果接收者發現報文錯誤或者丟包會要求發送者重傳,它會通過一種“傳輸-確認”的反饋機制來實現。這是一種糾錯機制,被稱為自動重傳(Automatic Repeat-reQuest,ARQ),它對通信損傷具有很強的修復能力,是一種可靠傳輸。
但它有一個缺點,在高丟包率和大延時的弱網環境中,大量的重傳包會占用有限的資源,使本已糟糕的網絡進一步惡化。ARQ本質是以時間換取可靠性,它會顯著增加時延。
在地球上,構建于TCP/IP的互聯網通信,兩端計算延時使用的是毫秒(ms)。如果增加傳輸距離,放在深空通信場景,地球與火星探測器之間,延時將以分鐘計,地火距離隨著各自的公轉有遠有近,一次交互大約需要8～20分鐘。與此同時,遙遠的距離導致接收者的SNR(信噪比)極低,宇宙中復雜的電磁輻射使通信環境更加惡化。
遙遠的距離對通信的編碼增益提出了極高的要求,此時傳統的TCP/IP基于反饋重傳的機制就顯得非常低效。設想一下,接收者發現報文有誤或者丟失(考慮到宇宙空間環境的不可預測,這會經常發生),要求火星探測器再發一份,這一次交互大約需要多花16～40分鐘,這還只是一個報文的重傳。
因此,出于效率的考慮,深空通信一般會使用高增益的信道編碼。目前,噴泉碼是一種被廣泛使用的編碼方案,它是前向糾錯編碼(FEC,Forward Error Correction)中的一種。
事實上,深空通信和遠程控制場景中的一些需求非常類似,如它們對延時非常敏感。遠控時,如果有較大的延遲,用戶很容易感知到操作存在的滯后性。例如:用戶點擊鼠標畫面卻沒有立刻反饋,而是需要等待1～2秒,不僅嚴重影響了體感,而且無法及時反饋,也容易引起用戶重復操作,導致誤操作的問題。顯然,弱網環境下的遠控,延時非常重要。
為了進一步提升遠程控制體驗,貝銳參考了深空通信的一些技術,綜合使用了Raptor噴泉碼技術和ARQ優化了弱網環境下的通信效率問題,并研發了Oray-Raptor混合編碼。
Oray-Raptor傳輸算法
在網絡環境允許時,Oray-Raptor采用Raptor噴泉碼技術,優先獲得更小的數據傳輸延時。如果遇到丟包率>10%的弱網環境,超過Raptor噴泉碼的糾錯能力后,將使用ARQ進行少量數據重傳,提高傳輸可靠性,從而滿足基本解碼需求,使得接收方可以重建所有數據。
Oray-Raptor算法詳解,融合ARQ與FEC技術的優勢
Oray-Raptor混合編碼使用的Raptor噴泉碼,是和里所碼(RS碼, Reed–Solomon Code)一樣的FEC編碼方式,也是經常被討論的兩種編碼。
FEC與ARQ完全不同,它徹底拋棄了TCP的ACK反饋模型,通過冗余編碼技術對待發送的數據進行編碼,即使在傳輸時出現丟包,接收者也可以通過冗余的編碼對缺失的數據進行恢復,做到與ARQ的可靠傳輸。它是單向的不需要雙向連接,也沒有反饋機制,在弱網環境中,在大規模丟包和超時的情況下,FEC相對于傳統的通信模型可以大大提高傳輸效率。由于它的單向傳輸特性,它一般與UDP協議配合使用。
FEC編碼中的里所碼(RS碼, Reed–Solomon Code)是1960年由麻省理工的Irving S. Reed和 Gustave Solomon提出的編碼方法。但在后來的很長一段時間,由于沒有實用的解碼方法一直沒有商用,直到1975年才出現使用歐幾里德算法解碼的關鍵方法。1982年RS碼首度商用,被廣泛用于CD、DVD、藍光光盤、RAID6磁盤陣列和某些加密技術中。
RS碼由于出現時間較早,已被大量應用于視頻通信業務中。以DVB-T標準的RS(204,188)為例,該示例設定了一個恒定的丟包率,然后計算該丟包率下解碼成功率,RS(204,188)是指每一組信源信號為188 Bytes,編碼后為204 Bytes,增加了16Bytes的冗余 。
在UDP傳輸中最大糾錯能力為16個信號。只要在連續發送的204個UDP數據包中丟包的數量小于16,即可正確的恢復數據。根據下圖所示的實驗結果,我們很容易發現在丟包率低于3%時,RS(204,188)碼能夠保持較高的解碼成功率(>90%),當丟包率5%-10%的區間中,RS碼解碼成功率急劇降低。6%左右的丟包率下,RS碼已不能有效的重構丟包數據(60%),需要更大譯碼開銷的RS碼。
此時,RS碼最大的缺點便顯現出來:它不具備自適應信道變化的能力,而這在遠程控制場景跨地域,尤其是跨國的端到端的連接中,是非常常見的。
噴泉碼(Digital Fountain)可以完美的解決RS碼的缺點,它包含LT碼(Luby Transform)和Raptor碼兩種,后者是前者的擴展。
噴泉碼的定義中,K個原始數據分組可以任意數量的編碼分組,接收者只要收到其中的M個分組就可以以較高的概率恢復全部原始數據分組,一般情況下,M略大于K。這個過程猶如噴泉(編碼器)源源不斷的產生水滴(編碼分組),只要用杯子(解碼器)接收足夠數量的水滴就可以使用(成功解碼)。它因此被形象的稱為噴泉碼。
噴泉碼的最大特性是無碼率,能完美的自適應信道變化,充分利用信道容量。同時它還具有幾乎完美的線性復雜度,有利于編碼器和解碼器的簡化。相比而言,RS碼的復雜度較高,必須將數據先分成較小的單元才能降低編碼復雜度,這一方面會降低算法對突發網絡抖動的適應能力,另一方面也會產生較大的包頭比例,降低信道利用率。
下圖是在相同的DVB-T標準的RS(204,188)仿真試驗中,RS碼和Raptor碼的解碼成功率表現。數據顯示,即使在10%的丟包率下,20%冗余的Raptor碼仍然可以保證可靠的傳輸。
RS碼和Raptor碼在UDP傳輸中的解碼性能
總體來說,Oray-Raptor混合編碼在充分利用于噴泉碼無碼率的特征之余,引入的少量的重傳機制,以較低的延時代價,將解碼成功率控制在可接受的范圍內,進一步提高傳輸性能,達到更高的數據凈荷率和帶寬利用率,成功解決了“魚和熊掌不可兼得”的難題。
