網路封包遺失的資訊修補藝術(一)

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作者：鍾慶豐

大數法則支配人類許多研究領域，在資訊錯誤回覆的研究領域裡亦同。只不過此在以往尚可應付有線環境的原則，這幾年因為網路環境生態的微妙變化（從有線到無線，從純文字到多媒體，從桌上電腦到口袋電腦），已慢慢出現捉襟見肘的現象。封包遺失乃IP網路常態，而錯誤回覆的方法亦隨著時代演進而有所不同。未來取大數法則而代之的，將是更精緻化、更有效率、更省系統資源以及更低的運算複雜度的錯誤回覆方法。

封包遺失與其影響

「網路錯誤」的發生是IP網路的一種常態，即使現在因網路設備的更新與演算法的精進，使得封包錯誤率已降低許多，但在許多情況（尤其是網路壅塞情況）下，封包的遺失仍在所難免。既然封包遺失在所難免，那封包遺失的嚴重性自然便不可概括而論。此必須依據其應用型態種類之不同，而存有不同程度的影響力。但大致說來，越接近即時應用（real-time applications）型態，其所能容忍的封包遺失率就越低。舉例來說，這些即時應用大家耳熟能詳者莫過於IP網路電話、IP視訊會議、網路視訊/語音串流服務…等等。一旦發生網路封包的遺失，要如何對遺失的資訊進行補償是一種錯誤回覆藝術，此藝術依據分類標的之不同，而可分成因果性回覆機制與非因果性回覆機制；或因作用端使用的差異而分成來源端的錯誤回覆機制、通道的錯誤回覆機制與接收端之錯誤回覆機制…等等分類。

前者所謂因果性回覆機制，顧名思義，乃在於其遺失資訊的補償部分乃必須依據接收端所接收到之前的訊息來加以猜測決定（或資訊插補），也就是說，其補償與之前所接收的資訊之間有著因果關係存在。以一般的視訊系統（video system）而言，其普遍在接收端存有龐大的緩衝區區塊，以處理視訊跳格（jitter）問題。故此緩衝區的資料剛好可以提供我們來實作因果性（causal）錯誤修補演算法，以插補所遺失的封包資訊。另外一種乃非基於資訊因果性關係所為之修補方法，我們一般稱為非因果性的處理法（noncausal processing，NCP）。

因果性處理法與非因果性的處理各有優、缺點，大多數實作乃以因果性方法為主，但其缺點是需要耗費大量系統資源；因此在某些應用領域有學者研究以 NCP實作的可能性（例如：無線網路裝置）。其實NCP早就曾被用在音訊串流（audio streaming）的隱藏性的封包遺失問題的處理上，但當時只有很少的嘗試將此方法用在視訊串流的錯誤隱藏處理上。這裡面一個非常有名的時序錯誤隱藏策略，就是移動補償（motion-compensation）的時序置換（temporal replacement）。其中一個遺失的巨集區塊（marcoblock，MB）會被之前畫面的鄰近MBs所評估後之局部移動（local motion）MB所取代。目前這種利用之前畫面MB來作為遺失MB重建依據的方法，已有多種變異版本被提出討論（可參見. Zang或是S. Tsekeridou等人的研究）。

目前利用非因果處理（NCP）作為錯誤隱藏的處理方法的學者，主要有J. G. Apostolopoulos及Y. C. Lee等人。在 Apostolopoulos的研究裡面，受損畫面之修復乃依據先前畫面與未來所接收畫面之相關部分資訊所為（非只是依據過去畫面決定）。對於多畫面錯誤之隱藏方法，則可參考Lee等人的提議，在修復遺失的MB時，併合計算在未來視訊中的目前畫面之錯誤隱藏。不過錯誤隱藏之方法有很多種，非因果性錯誤隱藏方法（noncausal error concealment，NCEC）未必一定比基於因果性錯誤隱藏方法（causal error concealment，CEC）的等價策略要好。只不過非因果之錯誤隱藏方法，因可以更有效利用系統資源（system resources），而成為許多人在研究無線裝置或無線網路環境時的一個重要研究對象。

另一種依據機制使用的場所不同而分成來源端、通道與接收端的錯誤回覆機制。在以往許多情況下，許多討論往往僅及於來源端與接收端的討論，而將通道錯誤部分予以忽略。但事實上，此情況在有線網路環境下是還比較沒問題的，如果是在無線網路環境，那通道的錯誤部分便不能被假設性的忽略。因為我們目前使用的通道是一種有損性封包通道（lossy packet channel），任何來源端的編碼（source encoding）都應該去適應通道錯誤的情形（因為通道雜訊是很常見的一種現象）。對無線視訊而言，其錯誤回覆（error resilience）通常由重新同步校準（resynchronization making）、資料分割（data partition）與可逆轉之可變長度編碼（reversible variable-length coding，RVLC）所組成。

若是對有線模式（例如：有線Internet環境）視訊而言，錯誤的回覆通常會被轉換成每個封包最佳化編碼模式的選擇（optimal encoding mode selection），此乃因為不同預測模式（prediction modes）會導致不同的編碼效能與影響其強固性。因此如果只依靠來源端的適應性編碼策略，並無法應付大量不同封包遺失的情況，並且也會造成對頻寬瓶頸的評估有失準確。所以除了來源端的適應性編碼策略外，往往還會需要配合重傳或是前導錯誤修正（FEC）機制的使用，來做為未來封包遺失的對策才足以適用。

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