基于組合設(shè)計的語音冗余交織方法

陳擁權(quán) 張 羽 胡翀豪 楚 瑾

（合肥寰景信息技術(shù)有限公司 安徽 230088）

0 引言

在實時語音傳輸中，由于語音要求較強的實時性，對少量的數(shù)據(jù)丟失不是很敏感，因此需要和一般網(wǎng)絡(luò)傳輸不同的方法。

實時性使得語音傳輸不適用帶確認和重傳的TCP協(xié)議，通常使用不可靠的 UDP協(xié)議，但UDP不可避免的帶有相對較高的丟包率，如何抵抗丟包，以及當發(fā)生丟包現(xiàn)象時如何處理的相關(guān)問題成為實時語音通信中研究的熱點。

本文結(jié)合了現(xiàn)有交織技術(shù)與前向糾錯技術(shù)的特點，以增加傳輸帶寬為代價，將數(shù)據(jù)流以分組冗余交織打包的形式傳輸，在與現(xiàn)有交織技術(shù)相比沒有引入額外時延的前提下，提高了語音傳輸?shù)目煽啃耘c質(zhì)量，具有一定的參考借鑒價值。

1 丟包處理技術(shù)研究現(xiàn)狀

數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上是以數(shù)據(jù)包為單位傳輸?shù)?。因此，不論網(wǎng)速多少，數(shù)據(jù)都不會是以線性（就像打電話一樣）傳輸?shù)模虚g總是有空洞的。數(shù)據(jù)包的傳輸，不可能百分之百的能夠完成，因為種種原因，總會有一定的損失。碰到這種情況，互聯(lián)網(wǎng)會自動的讓雙方的電腦根據(jù)協(xié)議來補包。如果網(wǎng)絡(luò)線路好，速度快，包的損失會非常小，補包的工作也相對較易完成，因此可以近似的把數(shù)據(jù)看做是無損傳輸。但是，如果網(wǎng)絡(luò)線路較差，數(shù)據(jù)的損失量就會非常大，補包工作也不可能百分之百完成。在這種情況下，數(shù)據(jù)的傳輸就會出現(xiàn)空洞，造成丟包。

目前，國內(nèi)外主流丟包處理技術(shù)主要包括：前向糾錯（FEC）、交織和丟包隱藏技術(shù)等。

1.1 前向糾錯技術(shù)

前向糾錯技術(shù)是一類信道冗余編碼的統(tǒng)稱，目的在于提高語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，當發(fā)生個別隨機丟包時能恢復(fù)丟失的包。前向糾錯編碼（FEC）技術(shù)通過在傳輸碼列中加入冗余糾錯碼，在一定條件下，通過解碼可以自動糾正傳輸誤碼，降低接收信號的誤碼率（BER）。在WDM系統(tǒng)中，衡量FEC糾錯能力的指標稱為“FEC編碼增益”，該增益越強表示糾錯性能越強。

這類編碼有簡單有復(fù)雜，簡單編碼占用額外帶寬小，恢復(fù)能力差，如奇偶校驗等；較復(fù)雜的編碼恢復(fù)能力好，占用額外帶寬較大，如RS碼等。LDPC碼同時具有較好的編碼性能，并有較靈活的參數(shù)調(diào)整、方便的譯碼方式，目前在一些領(lǐng)域得以推廣應(yīng)用。但FEC技術(shù)都有一個特點，在一定丟包限度內(nèi)，數(shù)據(jù)可以完全恢復(fù)，但超過該限度，則完全無法恢復(fù)。

1.2 交織技術(shù)

在陸地移動通信這種變參信道上，持續(xù)較長的深衰落谷點會影響到相繼一串的比特，使比特差錯常常成串發(fā)生。然而，信道編碼僅能檢測和校正單個差錯和不太長的差錯串。因此，交織技術(shù)就是把一條消息中的相繼比特分散開的方法，即一條信息中的相繼比特以非相繼方式發(fā)送，這樣即使在傳輸過程中發(fā)生了成串差錯，恢復(fù)成一條相繼比特串的消息時，差錯也就變成單個（或者長度很短）的錯誤比特，這時再用信道糾正隨機差錯的編碼技術(shù)（FEC）消除隨機差錯。

語音交織技術(shù)是一種減少語音數(shù)據(jù)丟包損失的方法。將原始數(shù)據(jù)分成更小的幀，在發(fā)送前，重排幀的順序，使每個包中的數(shù)據(jù)來自交錯的語音幀。從而在發(fā)生丟包時，丟失的是非連續(xù)的幀數(shù)據(jù)，這些幀如果很少，對聽覺影響不大；并且也方便對這些較分散的丟幀數(shù)據(jù)做后續(xù)的丟包隱藏處理。但交織技術(shù)容易引起較大的傳輸時延。

1.3 丟包隱藏技術(shù)

丟包隱藏是指接收端在已經(jīng)發(fā)生丟包或丟幀時，通過一定的算法填補丟失的數(shù)據(jù)，減少丟失數(shù)據(jù)帶來的損失。主要包括插入和插值技術(shù)，插入是指用固定的信號替代丟失的數(shù)據(jù)，插值是指根據(jù)已知信號與語音的短時相關(guān)性，構(gòu)造丟失的數(shù)據(jù)。

丟包隱藏技術(shù)是指接收端在已經(jīng)發(fā)生丟包或丟幀時，通過一定的算法填補丟失的數(shù)據(jù)，減少丟失數(shù)據(jù)帶來的損失。主要包括插入和插值技術(shù)，插入是指用固定的信號替代丟失的數(shù)據(jù)，插值是指根據(jù)已知信號與語音的短時相關(guān)性，構(gòu)造丟失的數(shù)據(jù)。

2 基于組合設(shè)計的語音冗余交織方法

為了能提高語音傳輸?shù)目煽啃耘c質(zhì)量，本文提出了基于組合設(shè)計的語音冗余交織方法。

該方法將實時語音數(shù)據(jù)分解成多個較小的語音幀，然后根據(jù)語音數(shù)據(jù)傳輸要求對多個語音幀進行重新排列與組合，從而交織成數(shù)據(jù)包，最后設(shè)定符合語音數(shù)據(jù)傳輸要求的數(shù)據(jù)包傳送順序，按傳輸順序?qū)?shù)據(jù)包分配到符合語音數(shù)據(jù)傳輸要求的傳輸通道上進行傳輸。其主要技術(shù)特點如下：

2.1 對稱冗余特性

在基于組合設(shè)計的語音冗余交織方法中，多個語音幀的組合方式通過簡單的組合設(shè)計確定，具有對稱冗余特性，在網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)隨機丟包時，具有較高的恢復(fù)能力。

2.2 并行傳輸通道

由于該方法中的語音數(shù)據(jù)存在冗余，需要額外的傳輸帶寬，因此采用了多個并行的傳輸通道，提高了語音數(shù)據(jù)傳輸效率，減少干擾。

2.3 丟包隱藏處理

在丟包稍多時，可基于正常數(shù)據(jù)進行后續(xù)丟包隱藏處理，仍可正常傳輸部分數(shù)據(jù)，提高語音傳輸質(zhì)量。

3 本文小結(jié)

本文提出的一種基于組合設(shè)計的語音冗余交織方法，其核心內(nèi)容是交織方法的設(shè)計，將實時語音數(shù)據(jù)分成較小的語音幀，并對這些幀進行重新排列與組合，交織成數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

本方法結(jié)合了現(xiàn)有交織技術(shù)與前向糾錯技術(shù)的特點，以增加傳輸帶寬為代價，將數(shù)據(jù)流以分組冗余交織打包的形式傳輸，在與現(xiàn)有交織技術(shù)相比沒有引入額外時延的前提下，進一步提高了語音傳輸?shù)目煽啃耘c質(zhì)量。