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

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 perdidas se producen en rafagas. El objetivo de estos disenos ha sido maximizar la eficiencia de los codigos FEC considerados. Por un lado, el primer modelo busca alcanzar un menor coste computacional para los codigos de Reed- Solomon, ya que su conocida capacidad de recuperacion para todo tipo de canales necesita un coste computacional elevado. Por otro lado, en el caso de los codigos LDPC, se ha perseguido aumentar la capacidad de recuperacion de estos codigos operando en canales con errores en rafagas, teniendo en cuenta que los codigos LDPC no estan directamente disenados para este tipo de entorno. El modelo aplicado a los codigos de Reed-Solomon se denomina inter-packet symbol approach. Este esquema consiste en una estructura alternativa que asocia los bits de los simbolos del codigo en distintos paquetes. Esta caracteristica permite aprovechar de forma mejor la capacidad de recuperacion de los codigos de Reed-Solomon frente a perdidas de paquetes en rafagas. Las prestaciones de este esquema han sido estudiadas en terminos de tiempo de codificacion/decodificacion versus capacidad de recuperacion y han sido comparados con otros esquemas propuestos en literatura. El analisis teorico ha demostrado que el enfoque propuesto permite la utilizacion de Campos de Galois de menor dimension con respecto a otras soluciones. Esto se traduce en una disminucion del tiempo de codificacion/decodificacion requerido, mientras que mantiene una capacidad de recuperacion comparable. Aunque la utilizacion de los codigos LDPC esta tipicamente orientada hacia canales con errores uniformemente distribuidos (canales sin memoria) y para bloques de informacion largos, esta tesis surgiere el uso de este tipo de codigos FEC a nivel de aplicacion, para canales con perdidas en rafagas y para entornos de comunicacion de tiempo real, es decir, con una latencia de transmision muy baja. Para satisfacer estas limitaciones, la configuracion apropiada de los parametros de un codigo LDPC ha sido determinada usando bloques de informacion pequenos y adaptando el codigo FEC de modo que sea capaz de recuperar paquetes perdidos en canales con errores en rafagas. Para ello, primeramente se ha disenado un algoritmo que realiza una estimacion de las capacidades de recuperacion del codigo LDPC para un canal con perdidas en rafagas. Una vez caracterizado el codigo, se ha disenado un segundo algoritmo que optimiza la estructura del codigo en terminos de capacidad de recuperacion para las caracteristicas especificas del canal con memoria, generado una version modificada del codigo LDPC, adaptada al canal con perdidas en rafagas. Finalmente, los dos esquemas FEC propuestos, han sido evaluado experimentalmente en entornos de simulacion usando canales con errores en rafagas 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.