抗語音分組丟失的自適應(yīng)傳輸調(diào)整算法的實(shí)現(xiàn)

王亞光，劉一偉，張文杰，李云龍

（1.南開大學(xué)信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息安全系，天津300071；2.北京大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院數(shù)學(xué)系，北京100871）

0 引 言

實(shí)時(shí)語音在傳輸過程中，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制、分組原因、網(wǎng)絡(luò)狀況惡化或者路徑選擇等問題都會(huì)造成語音分組［1］的丟失，即丟包現(xiàn)象［2］。丟包率一旦過大，通話質(zhì)量就會(huì)受到嚴(yán)重的影響。盡管現(xiàn)在有很多優(yōu)秀的算法能夠?qū)G包后的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和恢復(fù)［3］，其恢復(fù)結(jié)果在低丟包率的情況下也表現(xiàn)得很理想，但是在高丟包率的情況下，這些算法的效果并不是很好，其根本原因是采用丟包恢復(fù)算法對(duì)提高語音質(zhì)量是一種治標(biāo)不治本的策略。對(duì)此，本文提出了一種在實(shí)時(shí)語音傳輸過程中抗分組丟失的自適應(yīng)傳輸調(diào)整算法，在實(shí)際語音通信系統(tǒng)中加載該算法的運(yùn)行，結(jié)果表明該算法通過調(diào)整語音傳輸速率減少了抗語音分組的丟失。

1 算法設(shè)計(jì)

抗語音分組丟失自適應(yīng)傳輸調(diào)整算法分為圖1所示的3個(gè)部分：反饋信息量化模塊、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)判定模塊和傳輸速率調(diào)整模塊，其中虛線部分表示自適應(yīng)功能部分。

圖1 抗分組丟失的自適應(yīng)傳輸調(diào)整過程

其中，反饋信息量化模塊的功能是對(duì)反饋的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的計(jì)算，是根據(jù)RTCP［4］承載的反饋信息來計(jì)算反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況的一些特征值。網(wǎng)絡(luò)狀況判斷模塊是根據(jù)上一步的量化結(jié)果來分析當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)所處的狀態(tài)或變化趨勢(shì)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)做出判定，接著將判定結(jié)果交給傳輸速率調(diào)整模塊。傳輸速率調(diào)整模塊根據(jù)判定的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)結(jié)果重新計(jì)算語音傳輸速率，然后再將新的傳輸速率通知語音編碼壓縮模塊，語音編碼壓縮模塊根據(jù)新的傳輸速率調(diào)整壓縮后的語音發(fā)送速率以適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況。下面分別介紹這3個(gè)方面的實(shí)現(xiàn)方案。

1.1 反饋信息的量化

對(duì)反饋的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息進(jìn)行量化是利用RTCP報(bào)文的RR分組中的丟包率字段值來進(jìn)行計(jì)算的。本文解析工作是從接收端反饋回來的RTCP的控制報(bào)文RR中的丟包率字段值獲取語音數(shù)據(jù)包的丟失率，如果RR報(bào)文中有多個(gè)同源標(biāo)識(shí)符SSRC且同一時(shí)間的報(bào)告塊，那么以丟失率最大的那個(gè)SSRC報(bào)告塊作為對(duì)象來獲取量化所需要的丟失率參數(shù)。對(duì)獲取的丟失率再通過一個(gè)平滑器（也稱低通濾波器）［5］進(jìn)行平滑處理。平滑后的結(jié)果就是量化結(jié)果，是判定網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的依據(jù)。其平滑計(jì)算公式為

式中：Pn——待求的預(yù)測(cè)值，即丟包率量化值。Pn－1——Tn時(shí)刻的丟包率量化值。Pback——Tn時(shí)刻RTCP報(bào)文中的丟包率。B——常量，稱b為平滑算子，且0＜b＜1。

由公式得出：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，數(shù)據(jù)包丟失率Pback的值會(huì)長時(shí)間較大，Pn會(huì)逐漸增大而接近Pback。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)由擁塞變?yōu)檩p載狀態(tài)時(shí)，Pback的值會(huì)轉(zhuǎn)變成一個(gè)很小的值，如持續(xù)時(shí)間較長，則Pn會(huì)逐漸變小而接近Pback。

通過平滑器來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)量化的這種自適應(yīng)過程跟平滑算子b有很大的關(guān)系。這是因?yàn)閎能過濾掉很大的隨機(jī)波動(dòng)，如果b的取值太小，則它對(duì)丟包率的反映就會(huì)較慢。如果b取值太大，則它對(duì)丟包率的反映就會(huì)過度敏感，有可能造成語音傳輸速率的震蕩調(diào)節(jié)。因此，合理取得b值尤為重要。通過不斷改變b的值，可以獲得多組Pn值，且每組Pn與一個(gè)b值相對(duì)應(yīng)，通過對(duì)每組Pn接近Pback的平滑效果分析，b取0.3時(shí)平滑效果表現(xiàn)最佳。

1.2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的判定

本文將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分為3個(gè)區(qū)間：網(wǎng)絡(luò)輕載（UNLOAD－ED）、網(wǎng)絡(luò)滿載（LOADED）和網(wǎng)絡(luò)擁塞（CONGEST）。對(duì)于語音品質(zhì)，低于200ms的時(shí)延和4%的丟包率，是可接受的范圍；時(shí)延在200～400ms，丟包率在4%～8%之間時(shí)，是一個(gè)邊緣范圍，可滿足部分用戶的要求；當(dāng)時(shí)延超過400ms，丟包率超過8%時(shí)，則不能滿足語音會(huì)話的需求。引入兩個(gè)閥值Lu和Lc來劃分3個(gè)區(qū)間，以分別表示網(wǎng)絡(luò)所處的網(wǎng)絡(luò)輕載、網(wǎng)絡(luò)滿載和網(wǎng)絡(luò)擁塞3種狀態(tài)，從而當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)所處的狀態(tài)。本文取Lu＝4%、Lc＝8%將網(wǎng)絡(luò)劃分為3個(gè)狀態(tài)區(qū)間，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)劃分

由式（1）求得的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)量化值Pn跟閥值進(jìn)行比較，則可以判斷出當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，例如：Pn＜Lu：網(wǎng)絡(luò)輕載；Lu＜Pn＜Lc：網(wǎng)絡(luò)滿載；Pn＞Lc：網(wǎng)絡(luò)擁塞。

1.3 傳輸速率的調(diào)整

調(diào)整傳輸速率的作用是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)調(diào)整語音的傳輸速率，不能通過急劇增加或急劇減小的方式調(diào)整語音傳輸速率，快速的速率調(diào)整會(huì)造成語音劇烈的震蕩，從而影響接收端的語音效果。通常在調(diào)節(jié)過程中應(yīng)采用慢增慢減的調(diào)節(jié)方式［6］，以一種平滑的方式調(diào)整速率，這樣接收端的語音就具有良好的穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)［7］來調(diào)節(jié)語音的發(fā)送速率，本文引入模型TCP擁塞控制算法［8－9］AIMD（additive increase and multiplicative decrease），以控制網(wǎng)絡(luò)流量。該算法的主要思想是：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)分組丟失時(shí)，發(fā)送窗口中數(shù)據(jù)量將以乘積方式減少，否則就簡單地增加一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送量。本文對(duì)AIMD算法中加性因子a與乘性因子b進(jìn)行改進(jìn)，從而使其能以一種慢增慢減的方式來調(diào)整語音的傳輸速率。AIMD算法中流量控制的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

其中，Z（t＋1）——t＋1時(shí)刻的發(fā)送速度；Z（t）——t時(shí)刻的發(fā)送速度；a——加性因子，a≥1；b——乘性因子，0≤b≤1；r——t時(shí)刻報(bào)文丟失率；TH——報(bào)文丟失門限值。

式（2）表明AIMD算法是根據(jù)報(bào)文丟失率作為調(diào)節(jié)傳輸速率的依據(jù)，當(dāng)報(bào)文丟失r小于門限值TH時(shí)，發(fā)送速度或帶寬就在原有的基礎(chǔ)上線性增加a（a≥1），一旦r超過門限值TH時(shí)，發(fā)送速度或帶寬將乘積減少b（0≤b≤1）。

但并不能直接用AIMD算法來調(diào)節(jié)語音傳輸速度，這是因?yàn)锳IMD在進(jìn)行流量擁塞控制過程中為了更好地體現(xiàn)競爭網(wǎng)絡(luò)帶寬的公平性，一般取a和b的值為1和1／2。也就是說，一旦出現(xiàn)分組數(shù)據(jù)丟失，AIMD將利用乘積方式將帶寬減半。但對(duì)語音傳輸速率而言，在語音分組丟失后如果語音傳輸速率直接減半，將會(huì)造成傳輸速率的震蕩調(diào)節(jié)，直接導(dǎo)致接收端語音數(shù)據(jù)產(chǎn)生強(qiáng)烈抖動(dòng)。為此，本文以RR報(bào)文中的丟失率為傳輸速率的調(diào)整依據(jù)，而參數(shù)a和b無法自適應(yīng)地與報(bào)文丟失率建立聯(lián)系，這就必須對(duì)式（2）進(jìn)行改進(jìn)：利用報(bào)文丟失率作為參考依據(jù)引進(jìn)一個(gè)預(yù)測(cè)值K，利用K消掉參數(shù)a和b。而預(yù)測(cè)值K可以通過RR報(bào)文中的丟失率平滑后的結(jié)果Pn和抖動(dòng)量J求得。

（1）抖動(dòng)量的獲取

在計(jì)算抖動(dòng)量［10］之前，先計(jì)算接收端兩個(gè)RTP語音數(shù)據(jù)包之間的相對(duì)傳輸時(shí)間D。設(shè)有兩個(gè)RTP語音數(shù)據(jù)包Rj和Ri，T1表示包Rj的RTP時(shí)間戳，T2表示包Rj的到達(dá)時(shí)間，T3表示包Ri的RTP時(shí)間戳，T4表示包Ri的到達(dá)時(shí)間。Rj包的單向延時(shí)可表示為T2－T1；Ri包的單向延時(shí)可表示為T4－T3；那么相對(duì)傳輸時(shí)間差D可表示為

每當(dāng)從一個(gè)特定的信源接收到RTP包時(shí)，通過下面遞推公式得到抖動(dòng)量J

D（i，i－1）為包i和前一個(gè)包i－1的差值。這是一個(gè)最佳一階估計(jì)量，而且增益參數(shù)1／16在實(shí)現(xiàn)了較好的降噪比的同時(shí)，又維持了合適的收斂速度。這個(gè)抖動(dòng)量J在發(fā)送RTCP的RR報(bào)文時(shí)，將填入RR報(bào)文的Inter arrival jitter字段中。當(dāng)RR分組到達(dá)發(fā)送端時(shí)，抖動(dòng)量J將被預(yù)測(cè)參數(shù)量K引用。

接收端通過RTCP協(xié)議進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算Pn的語音分組丟失率，且與抖動(dòng)量一起通過RR報(bào)文傳給發(fā)送端。

（2）預(yù)測(cè)量K的計(jì)算

預(yù)測(cè)量K通過下式求得

式中：Lmax——實(shí)時(shí)語音流傳輸時(shí)允許的最大丟包率；Jmax——實(shí)時(shí)語音流傳輸時(shí)允許的最大間隔抖動(dòng)；Pn、J——當(dāng)前丟包率平滑的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)量化值和抖動(dòng)量；λ1、λ2——Pn、J的預(yù)測(cè)權(quán)重，其中0＜λ1＜1，0＜λ2＜1，且λ1＋λ2＝1。其中λ1和λ2參數(shù)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)背景情況進(jìn)行設(shè)定，在網(wǎng)絡(luò)物理環(huán)境好、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不復(fù)雜的情況下，可以適當(dāng)?shù)卦黾覲n的預(yù)測(cè)權(quán)重，即取λ1＞λ2；在網(wǎng)絡(luò)物理環(huán)境復(fù)雜多變、網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)多的情況下，可以適當(dāng)?shù)卦黾覬的預(yù)測(cè)權(quán)重，即取λ1＜λ2。

通過反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的預(yù)測(cè)值K來預(yù)測(cè)語音的發(fā)送速度，能減少因網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)帶來的語音分組丟失。在式（3）中引入預(yù)測(cè)量K，式（4）中增加乘積可得到根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況來調(diào)整語音傳輸速率的模型式（6）

式中：Z（0）——初始時(shí)刻的語音數(shù)據(jù)的發(fā)送速度；和式中的2和積式中的1／2為修正值，目的是使得語音傳輸速率平穩(wěn)，避免因傳輸速率震蕩調(diào)節(jié)而產(chǎn)生較大的語音抖動(dòng)。e表示進(jìn)行速率增長和減少的閾值，依據(jù)第二階段判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)模塊的量化值Pn，通過e＝Pn／Lmax歸化到區(qū)間［0.1，0.5］之間，具體的歸化方式利用下面的公式

歸化的目的是使得閥值e與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)值Pn建立一種聯(lián)系，讓閥值e來反映網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化情況。當(dāng)公式中e＝Pn／Lmax小于0.1時(shí)，一律歸化到最低門限0.1，表明網(wǎng)絡(luò)絕對(duì)處于輕載狀態(tài)，這時(shí)預(yù)測(cè)量K是一個(gè)比0.1小的值，速率將會(huì)慢慢增加；當(dāng)e＝Pn／Lmax大于或等于0.1小于或等于0.5時(shí)，速率的調(diào)節(jié)視K而定，如果預(yù)測(cè)量K小于e表明網(wǎng)絡(luò)處在一個(gè)輕載或滿載初期狀態(tài)，可以適當(dāng)?shù)卦黾觽鬏斔俾剩绻A(yù)測(cè)量K大于e表明網(wǎng)絡(luò)處在一個(gè)滿載向擁塞的過度時(shí)期，這時(shí)速率將會(huì)慢慢減少；當(dāng)e＝Pn／Lmax大于0.5時(shí)，一律歸化到最高門限0.5，表明網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有擁塞趨勢(shì)或處于嚴(yán)重?fù)砣麪顟B(tài)，預(yù)測(cè)量K將是一個(gè)比e大的數(shù)，這時(shí)速率將會(huì)慢慢減少。

整個(gè)速率調(diào)節(jié)過程通過預(yù)測(cè)量K能自適應(yīng)地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)門限（Threshold）閥值e進(jìn)行速率調(diào)整，修正值的引進(jìn)可以使速率調(diào)整以一種慢增慢減的方式進(jìn)行。

2 算法的實(shí)驗(yàn)評(píng)估

抗語音分組丟失的自適應(yīng)傳輸調(diào)整算法在應(yīng)用到實(shí)時(shí)語音傳輸通信中之前，必須對(duì)該算法進(jìn)行抗語音分組丟失的性能測(cè)試。為此自行搭建如圖3所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｊ?/p>

在同等條件下，以網(wǎng)絡(luò)輕載、滿載、擁塞3種網(wǎng)絡(luò)狀況為背景，在相同的一段時(shí)間內(nèi)，分別統(tǒng)計(jì)在每種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)中加載該算法前后兩種情況下RR報(bào)文中的分組丟失率。通過對(duì)每種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)階段中算法加載前后丟失率的分析，來評(píng)估該算法的性能。

實(shí)驗(yàn)前，先設(shè)定算法中的參數(shù)b設(shè)為0.3，Lmax為0.12，Jmax為0.08s，權(quán)重 w1、w2分別設(shè)置為0.6和0.4，語音初始傳輸速度為8kb／s。接著對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的3個(gè)階段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)階段算法加載前后語音分組丟失率的比例，其中實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30s，RTCP的RR報(bào)文平均每2s從接收端向發(fā)送端反饋一次，因此可以獲得15組語音報(bào)文丟失數(shù)據(jù)。通過對(duì)這15組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在同等時(shí)間段內(nèi)、相同條件下該算法表現(xiàn)出來了抗分組丟失的性能優(yōu)勢(shì)。

（1）網(wǎng)絡(luò)輕載狀態(tài)下的比較情況：在實(shí)驗(yàn)過程中使網(wǎng)絡(luò)處在網(wǎng)絡(luò)輕載狀態(tài)。則發(fā)現(xiàn)，在沒有加載該算法時(shí)，15組數(shù)據(jù)基本上全為零，這意味著在語音傳輸過程中沒有分組丟失，且語音清晰，延時(shí)非常小。同樣，在加載了該算法的條件下，15組數(shù)據(jù)也基本上全為0，語音效果與未加載時(shí)一樣。因此，在網(wǎng)絡(luò)輕載狀態(tài)下，抗語音分組丟失的自適應(yīng)傳輸調(diào)整算法無法表現(xiàn)出其優(yōu)越性，這是因?yàn)樽銐虻木W(wǎng)絡(luò)帶寬能保證語音分組的丟失率下降。

（2）網(wǎng)絡(luò)滿載狀態(tài)下的比較情況：通過向網(wǎng)絡(luò)中加入一定的數(shù)據(jù)流來消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬，使網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)處在一個(gè)滿載狀態(tài)，然后啟動(dòng)語音通信，在相同時(shí)間段內(nèi)，分別統(tǒng)計(jì)算法加載前后RR報(bào)文中語音分組的丟失率（即丟包率），各15組數(shù)據(jù)。其丟包率隨時(shí)間的分布如圖4所示。

圖4 滿載狀態(tài)丟包率比較

在圖4中，藍(lán)色的菱形代表沒有加載算法時(shí)丟包率隨時(shí)間的分布規(guī)律，紅色方塊代表加載該算法時(shí)丟包率隨時(shí)間的分布規(guī)律。從圖中可以看出，在網(wǎng)絡(luò)滿載狀態(tài)階段，兩種情況下語音的丟包率基本上都是維持在1%～4%之間，但從總體上來分析，紅色反映的丟包率要略微低于藍(lán)色反映的丟包率，出現(xiàn)這種結(jié)果是因?yàn)樵陬A(yù)測(cè)量K與門限值e的作用下，算法將自適應(yīng)地調(diào)節(jié)傳輸速率來自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化。因此，在網(wǎng)絡(luò)滿載狀態(tài)、速率調(diào)整門限比較低的情況下，該算法能在一定程度上起到抗語音分組丟失的作用。

（3）擁塞狀態(tài)下的比較情況：通過利用大量數(shù)據(jù)流消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬，并人為持續(xù)地在語音通信過程中制造網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)，分別收集應(yīng)用算法前后的丟包率隨時(shí)間分布規(guī)律如圖5所示。

圖5 擁塞狀態(tài)下丟包率比較

語音通信過程中，丟包率在4%～8%之間，是一個(gè)過渡區(qū)域，處于這個(gè)過度區(qū)域時(shí)語音有比較大的延時(shí)，但語音信號(hào)還能辨認(rèn)，交互雙方還能繼續(xù)進(jìn)行；丟包率超過8%時(shí)，語音信號(hào)將變得不清晰，且延時(shí)非常厲害，這種情況下交互雙方將無法再繼續(xù)。在圖5中，紅色代表的丟包率明顯低于藍(lán)色代表的丟包率。其中，沒有應(yīng)用算法時(shí)丟包率基本處于8%～12%，應(yīng)用后丟包率基本維持在8%以下。很明顯，在網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況下，該算法具有更強(qiáng)的抗語音分組丟失能力。

通過上述實(shí)驗(yàn)，抗語音分組丟失的自適應(yīng)傳輸調(diào)整算法能依據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況變化相應(yīng)地調(diào)整傳輸速率來減少語音分組的丟失，提高語音的傳輸質(zhì)量。尤其是在網(wǎng)絡(luò)狀況惡化、擁塞嚴(yán)重的時(shí)候其表現(xiàn)的抗分組丟失性能更加明顯和突出。

3 結(jié)束語

為提高語音的傳輸質(zhì)量，從根本上改善語音分組丟失狀況，本文提出了抗語音分組丟失的自適應(yīng)傳輸調(diào)整算法，其基本思想是發(fā)送端利用接收端反饋回來的RTCP控制報(bào)文中RR分組的丟失率值，通過量化處理，把量化結(jié)果作為判別網(wǎng)絡(luò)狀況依據(jù)，然后再根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，引進(jìn)預(yù)測(cè)值K，通過改進(jìn)AMID（和式增加乘積減少）算法來調(diào)整語音的傳輸速率，使傳輸速率自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的狀況變化。通過對(duì)該算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估，能在一定程度上起到抗語音分組丟失的效果。

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