为了进一步提升弱网场景下的远程控制体验,提高解码成功率,贝锐旗下“国民远控”向日葵使用了一种自研的混合FEC算法:Oray-Raptor,这一算法可以大幅优化远程控制技术在传输层的效能。本文将为大家详细介绍Oray-Raptor算法及其优势。
深空通信与远程控制,Oray-Raptor的诞生
众所周知,TCP协议是如今最为常用的网络协议之一,如果接收者发现报文错误或者丢包会要求发送者重传,它会通过一种“传输-确认”的反馈机制来实现。这是一种纠错机制,被称为自动重传(Automatic Repeat-reQuest,ARQ),它对通信损伤具有很强的修复能力,是一种可靠传输。
但它有一个缺点,在高丢包率和大延时的弱网环境中,大量的重传包会占用有限的资源,使本已糟糕的网络进一步恶化。ARQ本质是以时间换取可靠性,它会显著增加时延。
在地球上,构建于TCP/IP的互联网通信,两端计算延时使用的是毫秒(ms)。如果增加传输距离,放在深空通信场景,地球与火星探测器之间,延时将以分钟计,地火距离随着各自的公转有远有近,一次交互大约需要8～20分钟。与此同时,遥远的距离导致接收者的SNR(信噪比)极低,宇宙中复杂的电磁辐射使通信环境更加恶化。
遥远的距离对通信的编码增益提出了极高的要求,此时传统的TCP/IP基于反馈重传的机制就显得非常低效。设想一下,接收者发现报文有误或者丢失(考虑到宇宙空间环境的不可预测,这会经常发生),要求火星探测器再发一份,这一次交互大约需要多花16～40分钟,这还只是一个报文的重传。
因此,出于效率的考虑,深空通信一般会使用高增益的信道编码。目前,喷泉码是一种被广泛使用的编码方案,它是前向纠错编码(FEC,Forward Error Correction)中的一种。
事实上,深空通信和远程控制场景中的一些需求非常类似,如它们对延时非常敏感。远控时,如果有较大的延迟,用户很容易感知到操作存在的滞后性。例如:用户点击鼠标画面却没有立刻反馈,而是需要等待1～2秒,不仅严重影响了体感,而且无法及时反馈,也容易引起用户重复操作,导致误操作的问题。显然,弱网环境下的远控,延时非常重要。
为了进一步提升远程控制体验,贝锐参考了深空通信的一些技术,综合使用了Raptor喷泉码技术和ARQ优化了弱网环境下的通信效率问题,并研发了Oray-Raptor混合编码。
Oray-Raptor传输算法
在网络环境允许时,Oray-Raptor采用Raptor喷泉码技术,优先获得更小的数据传输延时。如果遇到丢包率>10%的弱网环境,超过Raptor喷泉码的纠错能力后,将使用ARQ进行少量数据重传,提高传输可靠性,从而满足基本解码需求,使得接收方可以重建所有数据。
Oray-Raptor算法详解,融合ARQ与FEC技术的优势
Oray-Raptor混合编码使用的Raptor喷泉码,是和里所码(RS码, Reed–Solomon Code)一样的FEC编码方式,也是经常被讨论的两种编码。
FEC与ARQ完全不同,它彻底抛弃了TCP的ACK反馈模型,通过冗余编码技术对待发送的数据进行编码,即使在传输时出现丢包,接收者也可以通过冗余的编码对缺失的数据进行恢复,做到与ARQ的可靠传输。它是单向的不需要双向连接,也没有反馈机制,在弱网环境中,在大规模丢包和超时的情况下,FEC相对于传统的通信模型可以大大提高传输效率。由于它的单向传输特性,它一般与UDP协议配合使用。
FEC编码中的里所码(RS码, Reed–Solomon Code)是1960年由麻省理工的Irving S. Reed和 Gustave Solomon提出的编码方法。但在后来的很长一段时间,由于没有实用的解码方法一直没有商用,直到1975年才出现使用欧几里德算法解码的关键方法。1982年RS码首度商用,被广泛用于CD、DVD、蓝光光盘、RAID6磁盘阵列和某些加密技术中。
RS码由于出现时间较早,已被大量应用于视频通信业务中。以DVB-T标准的RS(204,188)为例,该示例设定了一个恒定的丢包率,然后计算该丢包率下解码成功率,RS(204,188)是指每一组信源信号为188 Bytes,编码后为204 Bytes,增加了16Bytes的冗余 。
在UDP传输中最大纠错能力为16个信号。只要在连续发送的204个UDP数据包中丢包的数量小于16,即可正确的恢复数据。根据下图所示的实验结果,我们很容易发现在丢包率低于3%时,RS(204,188)码能够保持较高的解码成功率(>90%),当丢包率5%-10%的区间中,RS码解码成功率急剧降低。6%左右的丢包率下,RS码已不能有效的重构丢包数据(60%),需要更大译码开销的RS码。
此时,RS码最大的缺点便显现出来:它不具备自适应信道变化的能力,而这在远程控制场景跨地域,尤其是跨国的端到端的连接中,是非常常见的。
喷泉码(Digital Fountain)可以完美的解决RS码的缺点,它包含LT码(Luby Transform)和Raptor码两种,后者是前者的扩展。
喷泉码的定义中,K个原始数据分组可以任意数量的编码分组,接收者只要收到其中的M个分组就可以以较高的概率恢复全部原始数据分组,一般情况下,M略大于K。这个过程犹如喷泉(编码器)源源不断的产生水滴(编码分组),只要用杯子(解码器)接收足够数量的水滴就可以使用(成功解码)。它因此被形象的称为喷泉码。
喷泉码的最大特性是无码率,能完美的自适应信道变化,充分利用信道容量。同时它还具有几乎完美的线性复杂度,有利于编码器和解码器的简化。相比而言,RS码的复杂度较高,必须将数据先分成较小的单元才能降低编码复杂度,这一方面会降低算法对突发网络抖动的适应能力,另一方面也会产生较大的包头比例,降低信道利用率。
下图是在相同的DVB-T标准的RS(204,188)仿真试验中,RS码和Raptor码的解码成功率表现。数据显示,即使在10%的丢包率下,20%冗余的Raptor码仍然可以保证可靠的传输。
RS码和Raptor码在UDP传输中的解码性能
总体来说,Oray-Raptor混合编码在充分利用于喷泉码无码率的特征之余,引入的少量的重传机制,以较低的延时代价,将解码成功率控制在可接受的范围内,进一步提高传输性能,达到更高的数据净荷率和带宽利用率,成功解决了“鱼和熊掌不可兼得”的难题。
