Optimization of protection techniques based on FEC codes for the transmission of multimedia packetized streams

Resumen

Esta tesis presenta dos modelos novedosos de arquitecturas basadas en esquemas FEC con el fin de proteger flujos de paquetes con contenido multimedial, para comunicaciones en tiempo real y en canales donde las pérdidas se producen en ráfagas. El objetivo de estos diseños ha sido maximizar la eficiencia de los códigos FEC considerados. Por un lado, el primer modelo busca alcanzar un menor coste computacional para los códigos de Reed- Solomon, ya que su conocida capacidad de recuperación para todo tipo de canales necesita un coste computacional elevado. Por otro lado, en el caso de los códigos LDPC, se ha perseguido aumentar la capacidad de recuperación de estos códigos operando en canales con errores en ráfagas, teniendo en cuenta que los códigos LDPC no están directamente diseñados para este tipo de entorno. El modelo aplicado a los códigos de Reed-Solomon se denomina inter-packet symbol approach. Este esquema consiste en una estructura alternativa que asocia los bits de los símbolos del código en distintos paquetes. Esta característica permite aprovechar de forma mejor la capacidad de recuperación de los códigos de Reed-Solomon frente a pérdidas de paquetes en ráfagas. Las prestaciones de este esquema han sido estudiadas en términos de tiempo de codificación/decodificación versus capacidad de recuperación y han sido comparados con otros esquemas propuestos en literatura. El análisis teórico ha demostrado que el enfoque propuesto permite la utilización de Campos de Galois de menor dimensión con respecto a otras soluciones. Esto se traduce en una disminución del tiempo de codificación/decodificación requerido, mientras que mantiene una capacidad de recuperación comparable. Aunque la utilización de los códigos LDPC está típicamente orientada hacía canales con errores uniformemente distribuidos (canales sin memoria) y para bloques de información largos, esta tesis surgiere el uso de este tipo de códigos FEC a nivel de aplicación, para canales con pérdidas en ráfagas y para entornos de comunicación de tiempo real, es decir, con una latencia de transmisión muy baja. Para satisfacer estas limitaciones, la configuración apropiada de los parámetros de un código LDPC ha sido determinada usando bloques de información pequeños y adaptando el código FEC de modo que sea capaz de recuperar paquetes perdidos en canales con errores en ráfagas. Para ello, primeramente se ha diseñado un algoritmo que realiza una estimación de las capacidades de recuperación del código LDPC para un canal con pérdidas en ráfagas. Una vez caracterizado el código, se ha diseñado un segundo algoritmo que optimiza la estructura del código en términos de capacidad de recuperación para las características especificas del canal con memoria, generado una versión modificada del código LDPC, adaptada al canal con perdidas en ráfagas. Finalmente, los dos esquemas FEC propuestos, han sido evaluado experimentalmente en entornos de simulación usando canales con errores en ráfagas y se han comparado con otras soluciones y esquemas ya existentes. ABSTRACT This thesis presents two enhanced FEC-based schemes to protect real-time packetized multimedia streams in bursty channels. The objective of these novel architectures has been the optimization of existing FEC codes, that is, Reed-Solomon codes and LDPC codes. On the one hand, the optimization is focused on the achievement of a lower computational cost for Reed-Solomon codes, since their well known robust recovery capability against any type of losses needs a high complexity. On the other hand, in the case of LDPC codes, the optimization is addressed to increase the recovery capabilities for a bursty channel, since they are not specifically designed for the scenario considered in this thesis. The scheme based on Reed-Solomon codes is called inter-packet symbol approach, and it consists in an alternative bit structure that allocates each symbol of a Reed- Solomon code in several media packets. This characteristic permits to exploit better the recovery capability of Reed-Solomon codes against bursty packet losses. The performance of this scheme has been studied in terms of encoding/decoding time versus recovery capability, and compared with other proposed schemes in the literature. The theoretical analysis has shown that the proposed approach allows the use of a lower size of the Galois Fields compared to other solutions. This lower size results in a decrease of the required encoding/decoding time while keeping a comparable recovery capability. Although the use of LDPC codes is typically addressed for channels where losses are uniformly distributed (memoryless channels) and for large information blocks, this thesis suggests the use of this type of FEC codes at the application layer, in bursty channels and for real-time scenario, where low transmission latency is requested. To fulfill these constraints, the appropriate configuration parameters of an LDPC scheme have been determined using small blocks of information and adapting the FEC code to be capable of recovering packet losses in bursty environments. This purpose is achieved in two steps. The first step is performed by an algorithm that estimates the recovery capability if a given LDPC code in a burst packet loss network. The second step is the optimization of the code: an algorithm optimizes the code structure in terms of recovery capability against the specific behavior of the channel with memory, generating a burst oriented version of the considered LDPC code. Finally, for both proposed FEC schemes, experimental results have been carried out in a simulated transmission channel to assess the performances of the schemes and compared to several other schemes.