CN101523822B - 语音传输装置 - Google Patents

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Abstract

一种语音传输装置，包括：抖动吸收缓冲器单元，被配备在接收单元中，并吸收分组中的传输延迟；以及发送等待控制单元，被配备在发送单元中，并在传输暂时中断时将所要发送的分组链接至队列。发送等待控制单元15包括：累积时间计算单元18，计算被链接至队列19的分组中的语音数据的累积时间。发送等待控制单元15从队列19中提取最早链接的分组，并将其丢弃，使得累积时间计算单元18所计算的累积时间变为等于或者低于阈值，以连续地将新分组连接至所述队列，从而使所述阈值等于抖动吸收缓冲器单元21的累积时间。

Description

语音传输装置
技术领域
本发明涉及一种对语音进行编码和通信的语音传输装置，并且特别地，涉及一种被改进为能缩短通信时的故障期的语音传输装置，所述通信经由可能暂时中断的通信信道，如无线LAN(局域网)或者移动电话网。
背景技术
常规地，用于通过分组数据交换网络发送编码语音的装置和方法是已知的，举例而言，所述装置和方法包括“分组交换方案”(参考专利文献1)和“分组通信方法”(参考专利文献2)。
在分组交换网络中使用的通信装置包括遵循ATM(异步传输方式)和IEEE 802.3的装置。近年来，经由有线电视、ADSL(非对称数字用户线)、光纤等的高速因特网接入的普及导致发送/接收语音数据的VoIP(IP语音)装置的实际应用，因而使得基于IP(因特网协议)的语音通信成为可能。这样的装置又被称为IP电话。
这样的语音传输装置的接收机装配有用于吸收发生在分组交换网络中的传输延迟抖动的抖动吸收缓冲器。
图13示出了常规分组交换方案的框图。如图13所示，在常规分组交换方案中，在接收机处配备了延迟差吸收缓冲器，发射机向属于同一个呼叫的分组添加序号，并且接收机将接收到的分组存储在延迟差吸收缓冲器中，同时监控接收到的分组的序号。另外，从接收到属于相关通话的第一个分组的时刻起，在经过预定时段之后，开始以恒定速率从延迟差吸收缓冲器读取接收到的分组。
当接收到的分组的序号存在丢失时，接收机将与丢失序号相同数目的额外分组存储至延迟差吸收缓冲器。另外，当发生缓冲器下溢时，插入并重放额外分组，并且在插入之后的下溢期间接收到具有本应重放过的序号的分组时，丢弃该分组。此外，当延迟差吸收缓冲器上溢时，丢弃上溢的分组。
因此，目前能在不改变重放(playback)时刻的情况下在特定时刻从缓冲器中读取并重放分组。额外分组也被称作伪分组，并且或者是无声的，包含背景噪音，或者是先前接收到的分组的重复。尽管如此，当由于分组提前到达造成延迟差吸收缓冲器上溢时，丢弃上溢的分组且改变重放时刻。当由于丢弃分组等原因造成序号丢失时，将额外分组存储于缓冲器中。
在图13中，当接收到来自接收线路1的分组时，序号检查电路2对接收到的分组的序号进行检查。当序号中出现跳跃时，序号检查电路2就将序号差通知伪分组发生电路3，并且在语音的情况下，将诸如无声分组、背景噪音分组等伪分组写入延迟差吸收缓冲存储器4中。
另外，当延迟差吸收缓冲存储器4装满，并且不能存储接收到的分组时，序号检查电路2丢弃该分组。此外，序号检查电路2检测执行呼叫建立后第一个到达的分组，并将其通知给计时器5，并且在随机的足够长的时间D后，开始连续重放来自延迟差吸收缓冲存储器4的分组。
另一方面，当延迟差吸收缓冲存储器4变空并且发生下溢时，重放来自伪分组发生电路3的伪分组，并通知序号检查电路2下溢的发生。当随后收到相关分组时，序号检查电路立即丢弃该分组。时间D的值、呼叫建立信息等将从控制电路6被通知到相应的电路。
目前，在无线LAN和移动电话网的普及过程中，对在这样的无线通信信道上实现VoIP提出了要求。使用无线通信信道，通信质量可能会暂时下降并且作为结果通信可能会中断相对长的时段。虽然此时的行为依赖于无线通信信道的无线通信协议，但在例如本发明者的“DataCommunication Apparatus”(参见日本专利未审公开No.2006-101339)中和“Data Communication Apparaus”(参见日本专利未审公开No.2006-101340)中给出了对所述行为的描述。
即，当在相对长的通信故障后发送了大量等待传输的分组时，在某些情况下，该传输引起下行阻塞或者用尽接收机的处理能力。这种现象被称作延迟冲击(delay spike)。
另外，常规地，作为对针对语音分组传输的需求增加的回应，出现了具有QoS(服务质量)控制的无线通信装置，在QoS中执行与服务等级相对应的控制。使用这样的装置，由于延迟得到减少同时允许语音分组的差错和丢弃，因此可以避免延迟冲击的发生。
专利文献1：日本专利未审公开No.01-029141
专利文献2：日本专利未审公开No.04-100454
发明内容
技术问题
当通过其中发生了这样的延迟冲击的无线通信信道发送语音分组时，在接收终端装置的抖动吸收缓冲器发生下溢后大量分组到达接收终端装置。在这些分组中，丢弃那些在重放时刻之后到达的分组，同时重放那些在重放时间之前已经到达的分组。
图14是示出了通过常规技术中的相应部件或者装置发送语音帧或者分组的行为的示意图。图中，横坐标代表时间并且箭头指示从上至下发送的语音帧和存储语音帧的分组的行为。一个箭头代表一个语音帧或者分组并且，为了使附图清楚，对每四个箭头使用阴影。尽管如此，应该注意到阴影仅仅是为了方便而不代表数据类型或功能的差异。
如图14所示，与传输有关的部件和装置包括：麦克风、编码器、无线发送单元、第一基站、服务器、第二基站、无线接收单元+抖动吸收缓冲器单元、解码器和扬声器。在接收到语音帧或者分组之后，在经过给定的延迟时间之后，上述部件和装置输出语音帧或者分组。尽管延迟时间依赖于相应部件和装置的操作，但在编码器、无线发送单元、第一基站、第二基站和解码器中生成等价于一帧或者一个分组的延迟。此外，在服务器处生成等价于2.5个分组的延迟。抖动吸收缓冲器单元在初始化时累积J个分组，其中J＝7。由于一个语音帧存储在一个分组中，因此预定累积时间Tj是J乘以语音帧的周期。
图14所示的操作始于语音传输处于稳定状态的情形。在稳定状态下，对应于预定累积时间Tj的J个分组被存储至抖动吸收缓冲器单元。该图示出了4个分组在经过在稳定状态下设置的标准延迟的延迟后到达抖动吸收缓冲器单元的情形。在4个语音帧在抖动吸收缓冲器单元处受到Tj的延迟后，重放4个语音帧。
随后，无线发送单元和第一基站之间的无线通信信道恶化，因而传输在时间d内中断，其中，d是语音分组周期的10倍。即使在中断期间，也连续生成语音分组，并且将生成的语音分组保持在无线发送单元之前。
尽管经过时段d之后，无线通信信道恢复时，无线发送单元重新开始分组传输，但必须延迟时段t1(本例中，假定延迟时段t1是一个语音帧周期)。这样一来，在经过t1或者更久的时段后重新开始传输。
当传输重新开始时，以冲击模式发送大量保持的分组。由于分组将冲击负荷强加于下行通信装置和服务器，因此分组很有可能会进一步产生延迟或者引起阻塞。由于时间d比抖动吸收缓冲器单元的预定累积时间Tj多3帧，因此，在由时间tuf表示的时段内，换言之，在3帧期间，分组未能针对重放时刻及时到达从而发生下溢。在下溢发生期间，执行分组插值(interpolation)。为了在下溢期间执行插值，采用外插(extrapolation)前一帧且逐渐减少增益的方法。另外，丢弃在重放时刻之后到达的分组。由于在时间tuf之后到达的分组对于重放时刻来说是及时的，因此从该分组开始重放。此外，由于大量到达的分组的缘故，在通信信道带宽足够宽的理想情况下，迅速存储与抖动吸收缓冲器单元21的预定累积时间Tj相对应的分组。
尽管如此，还是存在通信信道带宽不足，使得大量分组不能被同时传输的情况。因此，分组进一步被延迟，并且未能在重放时间之前到达的分组在到达接收终端装置的分组中所占的比例增加。作为结果，出现以下问题：以带宽耗尽为代价所发送的分组依然没能在重放时间前到达且最终遭到丢弃。
另外，存在的问题在于：通信信道上的中间服务器以及必须保证根据说明书中的、使所述服务器遭受冲击负荷的封装线(housed line)数目的事实带来了风险。
接下来，将给出对于具有QoS控制且迅速丢弃延迟语音分组的无线通信信道的描述。
图15是类似于图14的示意图，示出了具有QoS控制且迅速丢弃延迟语音分组的常规技术的无线通信信道的行为。如图15所示，在这种情况下，无线发送单元在无线通信信道发生故障的时间d内立即丢弃不可发送的分组。众所周知，采用目标在于建立呼叫的语音传输，延迟会引起质量评估值显著降低。就此而言，丢弃延迟分组是十分重要的措施。
虽然无线发送单元在经过时段d后，无线通信信道恢复时，重新开始发送，但必须延迟时段t1(本例中，假定延迟时段t1是一个语音帧周期)。这样一来，在t1或者更长的间段后重新开始传输。
当分组开始到达时，抖动吸收缓冲器产生下溢并且变空。由于抖动吸收缓冲器管理到达分组的重放时刻，因此重放并不是在分组到达时立即执行的。取而代之的是，重放起始于考虑预定累积时间Tj的延迟在内的时刻。当作为结果恢复抖动吸收缓冲器处的累积量时，存在下溢延长了应重放的分组未能按时到达的时段的问题。在该时段中，尽管初始时执行了插值，但语音信号的增益逐渐降低，并且仅输出令人舒适的噪音。
本发明的目标是提供一种语音传输装置，消除对所发送的分组浪费性丢弃，防止服务器遭受冲击负荷，并且避免所要重放的分组未能按时到达的时段被延长。
技术方案
为了实现上述目标，根据本发明的一种语音传输装置包括：发送单元，向分组交换网络发送存储语音数据的分组；接收单元，接收来自分组交换网络的分组；抖动吸收缓冲器单元，被配备在所述接收单元中，并且吸收分组中的传输延迟；以及发送等待控制单元，被配备在所述发送单元中，并且将在传输暂时中断时所要发送的分组链接到队列，其中所述发送等待控制单元被配备了累积时间计算单元，所述累积时间计算单元计算被链接至队列的分组中的语音数据的累积时间，所述发送等待控制单元从队列中提取最早链接的分组，并将其丢弃，使得所述累积时间计算单元所计算的累积时间变为等于或者低于阈值，以连续地将新分组链接至所述队列，从而使所述阈值等于所述抖动吸收缓冲器单元的累积时间。
另外，根据本发明的实施例的语音传输装置优选地被配置为，接收单元将抖动吸收缓冲器单元的累积时间通知给发送等待控制单元，并且发送等待控制单元使用被通知的累积时间更新阈值。
此外，根据本发明的另一实施例的语音传输装置优选地被配置为：所述发送等待控制单元被配备了丢弃判决单元，并根据所述丢弃判决单元的判决执行丢弃，所述丢弃判决单元判断是否要将被链接至队列的分组丢弃；并且所述丢弃判决单元执行判决，使得分组数目k在1≤k≤L的范围中变动，其中，假定参考字符L表示队列的最大长度，并且假定以每发送k个分组丢弃1个分组的速率丢弃分组；并且所述累积时间计算单元计算得到的累积时间越长，分组数目k就越小，而累积时间越短，分组数目k就越大。
有益效果
根据本发明，消除了对所发送的分组的浪费性丢弃，服务器不再遭受冲击负荷，并且避免了由于下溢造成的所要重放的分组未能按时到达的时段被延长。
附图说明
图1示出了根据本发明第一实施例的语音传输装置的发送单元和接收单元，其中(a)示出了发送单元且(b)示出了接收单元；
图2是示出了基于使用了图1所示的语音传输装置的分组交换网络的通信系统的框图；
图3是示出了发送单元的处理过程的流程图(第1部分)；
图4是示出了发送单元的处理过程的流程图(第2部分)；
图5是示出了当无线发送单元从不可发送状态变化到可发送状态时执行的处理过程的流程图；
图6是示出了通过根据本实施例的相应部件或者装置发送的语音帧或者分组的行为的示意图；
图7是示出了根据本发明的第二实施例的语音传输装置的发送单元的框图；
图8是一幅示意图，利用表格示出了针对计数器i的数组参考值r[i]和同分组数目k之间的关系；
图9是一幅流程图，示出了当接收到根据第二实施例的编码器的语音帧周期的定时时，由发送等待控制单元重复执行的处理过程；
图10是示出了通过根据第二实施例的相应部件或者装置发送的语音帧或者分组的行为的示意图；
图11是一幅示意图，示出了在由于根据第二实施例的下行延迟抖动造成下溢恢复进一步延迟的情况下，通过相应部件或者装置发送的语音帧或者分组的行为；
图12是一幅示意图，作为与图11的对比，示出了当丢弃速率被固定为在每3个分组中丢弃一个分组时，通过相应的部件或者装置发送的语音帧或者分组的行为；
图13是示出了常规分组交换方案框图；
图14是示出了通过常规技术中相应部件或者装置发送的语音帧或者分组的行为的示意图；
图15是类似于图14的示意图，示出了具有QoS控制且迅速丢弃延迟语音分组的常规技术无线通信信道的行为。
参考标记列表
10，35  发送单元
11 接收单元
12 麦克风
13 编码器
14  打包单元(packetizing unit)
15，36 发送等待控制单元
16 存储器
17 无线发送单元
18 累积时间计算单元
19 队列
20 无线接收单元
21 抖动吸收缓冲器单元
22 逆打包单元
23 解码器
24 扬声器
25 第一终端装置
26 第二终端装置
27 第一基站
28 第二基站
29 IP网络
30 服务器
37 丢弃判决单元
38 计数器
39 数组
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的最佳实施方式。
(第一实施例)
图1示出了根据本发明第一实施例的语音传输装置的发送单元和接收单元，其中(a)是发送单元的框图且(b)是接收单元的框图。如图1所示，发送单元10和接收单元11构成了语音传输装置，所述语音传输装置被并入于集成终端装置并与实现无线数据通信的基站通信。发送单元10包括：麦克风12；编码器13；打包单元14；发送等待控制单元15；存储器16；以及无线发送单元17。发送等待控制单元15具有累积时间计算单元18和队列19。接收单元11包括：无线接收单元20；抖动吸收缓冲器单元21；逆打包单元22；解码器23；以及扬声器24。
图2是示出了基于使用图1所示的语音传输装置的分组交换网络的通信系统的框图。在图2中，将由图1所示的发送单元10和接收单元11构成的语音传输装置描述为第一终端装置25和第二终端装置26。第一终端装置25与第一基站27进行无线通信，第二终端装置26与第二基站28进行无线通信。第一基站27和第二基站28通过有线通信信道连接至服务供应商的专用IP网络29。
通过执行无线层协议，实现第一终端装置25和第一基站27之间的通信。在建立了与第一基站27间的无线通信信道之后，第一终端装置25通过IP网络29执行分组通信。在第二终端装置26和第二基站28之间适用同样的过程。
服务器30也被连接至IP网络29，从而首先在服务器30处收集所要通信的IP分组，并且在执行了供应商特有的处理和服务之后，将IP分组发送给另一终端装置。
现在将描述图1中所示的、并且构成了语音传输装置的发送单元10和接收单元11。此处假定在第一终端装置25和第一基站27之间以及第二终端装置26和第二基站28之间已经建立了无线通信信道。还假定发送单元10被置于第一终端装置25中，接收单元11被置于第二终端装置26中，并且发送单元10和接收单元11发送语音。
首先，在开始语音传输的初始化阶段，将存储于累积时间计算单元18中的累积时间Tt初始化为0，清空队列19，并且将发送等待控制单元15的预定阈值Tw和抖动吸收缓冲器单元21的预定累积时间Tj初始化为预定初始值。在本实施例中，初始值被设置为与7个语音帧相对应的140ms，其中单个语音帧是20ms。
在发送单元10处，语音通过麦克风12被转化为电信号并被输入至编码器13。编码器13对电信号执行A/D转换，并使用已知的编码方案GSM(全球移动通信系统)-AMR(自适应多速率)对语音进行编码。在这种情况下，以8kHz对语音采样并且以20ms的帧对其进行编码。编码速率是12.2kpbs。
打包单元14将一个或者几个对应于20ms的语音帧存储至目的地址为第二终端装置26的分组中。打包过程中使用的协议是RTP(实时传输协议)/UDP(用户数据报协议)/IP。单个分组中存储的语音帧数目越少，延迟就越小，质量估计也就越好。尽管如此，其缺陷在于：协议所使用的包头在全部数据中所占的比例的增加必然带来较高的吞吐量。在本实施例中，由于网络带宽足够宽，一个分组中存储一个语音帧。
打包单元14将所创建的分组存储至存储器16，并且还向发送等待控制单元15通知存储器16上的地址。发送等待控制单元15判断队列19是否是空的，并且如果是空的，判断无线发送单元17是否处于可发送状态。
已经与第一基站27开始进行无线数据通信的无线发送单元17通常处于可发送状态。尽管如此，由于无线通信信道质量的暂时下降，不可发送状态时有存在。无线发送单元17具有标明该状态的寄存器，发送等待控制单元15读取该寄存器以判断无线发送单元17是否处于可发送状态。如果处于可发送状态，发送等待控制单元15就向无线发送单元17通知被通知的地址。无线发送单元17通过无线通信信道向第一基站27发送存储器16中可以由被通知的地址标识的分组。一旦传输完成，无线发送单元17就释放存储器上的所述分组。
在其它情况下，即，当队列19非空或者当无线发送单元17未处于可发送状态时，发送等待控制单元15向累积时间计算单元18通知被通知的地址。累积时间计算单元18计算可以由被通知的地址标识的分组中所含的语音数据的重放时间Tp。当一个分组中存储的永远是一个语音帧时，播放时间Tp是20ms。尽管如此，也可以采用一个分组中存储的语音帧数目有变化的配置。在这样的情况下，累积时间计算单元18通过考察可以由被通知的地址标识的分组来计算播放时间Tp。
如果Tt表示所存储的当前累积时间并且Tp表示被通知的分组的播放时间，累积时间计算单元18就判断两个值的和是否等于或者小于阈值Tw。
Tt+Tp≤Tw......(1)
当两个值的和等于或者小于阈值Tw时，累积时间计算单元18用和(Tt+Tp)来更新Tt的值，并且通知发送等待控制单元15满足了公式(1)所表达的不等式。接到这个通知，发送等待控制单元15将被通知的地址链接至队列19。
当两个值的和超过阈值Tw时，累积时间计算单元18通知发送等待控制单元15未满足公式(1)所表达的不等式。接到这个通知，发送等待控制单元从队列19中提取出顺序最早的分组的地址，并且通知累积时间计算单元18该分组将被从队列19中删除。
累积时间计算单元18计算可以由被通知的地址标识的分组中所含的语音数据的重放时间Tp，并且从当前累积时间Tt中减去该重放时间。即，累积时间计算单元18计算(Tt-Tp)，并且将其存储为新的Tt值。接下来，发送等待控制单元15从队列19中删除相关分组的地址，并且还释放存储器16中的相应的分组数据。随后，发送等待控制单元15返回通知累积时间计算单元18被通知的地址的处理，所述被通知的地址用于存储新分组。
由于该操作，存储于队列19中的排队等待的分组中所包含的语音的总重放时间变为等于或者小于阈值Tw，并且此时最新的分组被链接至队列19。本发明的特征在于，使预定阈值Tw等于抖动吸收缓冲器单元21的预定累积时间。
当无线发送单元17从不可发送状态变化为可发送状态时，发送等待控制单元15判断队列19中是否存在已链接的分组。当存在分组时，发送等待控制单元15从这些分组中选择顺序最早的分组，并且通知累积时间计算单元18该分组将被从队列19中删除。
累积时间计算单元18计算被通知的分组的重放时间Tp，并从累积时间Tt中减去该重放时间。随后，发送等待控制单元15从队列19中删除相关分组的地址，并且向无线发送单元17通知该地址。无线发送单元17通过无线通信信道向第一基站27发送可以由被通知的地址标识的存储器16中的分组。一旦传输完成，无线发送单元17就释放存储器16上的相关分组。
即使当这个操作正在进行，也可以生成新语音分组并且将其输入至发送等待控制单元15。该分组将依照上述操作被链接至队列19。由于提取较早分组的速度大于新分组被链接至队列19的速度，因此队列19很快减少并且最终变空。
在图2中，第一基站27从接收自发送单元10的分组中提取IP或更高层的分组数据，并且将其发送至IP网络29。当IP分组的目的地址是第二终端装置26时，由于服务和管理要求的缘故，IP分组必需经过服务器30。因此，IP分组被封装在从第一基站27发送至服务器30的分组中。服务器30通过第二基站将接收到的分组传送至第二终端装置26。
接下来，将描述接收单元11。在第二终端装置26处配备接收单元11。无线接收单元20接收来自第二基站28的分组。当接收到的分组数据存在错误时将分组丢弃，当接收到的分组数据正确时分组被转交给抖动吸收缓冲器单元21。
当开始通信时，抖动吸收缓冲器单元21累积与预定累积时间Tj相对应的语音帧。预定累积时间Tj由将要吸收的通信信道的延迟抖动的大小以及语音质量评估所允许的延迟大小决定。如果用变量J表示对应于预定累积时间Tj的分组数目，在本实施例中，假定J＝7个分组，或者换言之，Tj＝140ms。当新分组未能在与预定累积时间Tj相对应的语音帧的重放期间到达时，发生下溢。
抖动吸收缓冲器单元21确保大约两倍Tj大小的缓冲器，并且丢弃那些由于发生上溢溢出缓冲器的分组。可选地，抖动吸收缓冲器单元21可以被配置为，丢弃缓冲器中顺序最早的分组，并且将到达的分组存储在缓冲器中。
由于RTP包头可以存储序号以及时间戳，因此可以检测由于丢弃和错误造成的分组丢失。在这种情况下，需要生成指示分组丢失的分组并且将其存储于抖动吸收缓冲器单元21中，从而在重放时，将执行在解码器23处提供的PLC(分组丢失隐藏Packet Loss Concealment)。
PLC的方法包括：重复前一个帧、外插、以及重放令人舒适的噪音。另外，在例如“AMR Speech Codec；Error Concealment of LostFrames(Release 6)，3GPP TS 26.091 V6.0.0(2004-12)”中描述了对GSM-AMR中丢失帧的错误隐藏。
当在本实施例中发生下溢的情况下，当随后分组开始顺序到达时，抖动吸收缓冲器单元21以和通信开始时相同的方式累积并且延迟与预定累积时间Tj相对应的语音帧。在累积量达到预定累积时间Tj后，从以重放时刻为依据的最早的分组开始，顺序读取分组并将其转交给逆打包单元22以用于重放。
可选地，在常规技术的情况下，当下溢发生时，抖动吸收缓冲器单元21也可以以和分组丢失相同的方式基于RTP包头中的序号或者时间戳继续计算重放时刻，丢弃未能及时重放的分组，并且当延迟抖动恢复时，等待对于重放时刻而言及时的分组到达。
在通信开始时累积了与预定累积时间Tj对应的语音帧后，抖动吸收缓冲器单元21从以重放时刻为依据的最早的分组开始，顺序读取分组，并且将其转交给逆打包单元22。
逆打包单元22从被转交分组中提取语音帧，并将其转交给解码器23。解码器23进行解码以创建语音帧并输出模拟信号。所述模拟信号被扬声器24转化为人类听觉可以感知的声波。
在本实施例中，在开始语音传输的初始化阶段中，发送等待控制单元15的预定阈值Tw和抖动吸收缓冲器单元21的预定累积时间Tj都被初始化为预定初始值。尽管如此，根据通信信道的延迟抖动状态，抖动吸收缓冲器单元21的预定累积时间Tj可以动态改变。
在这种情况下，第二终端装置26的接收单元11向第一终端装置25的发送单元10的发送等待控制单元15通知新的预定累积时间Tj。第二终端装置26同样被配备了发送单元10和无线发送单元17，同时第一终端装置25也被配备了接收单元11和无线接收单元20，从而形成了反向通信信道。通知是通过这些通信信道执行的。当接收到新的预定累积时间Tj的通知时，发送等待控制单元15更新预定阈值Tw。
图3是示出了发送单元的处理过程的流程图(第1部分)，并且图4是示出了发送单元的处理过程的流程图(第2部分)。尽管如此，假定在图3所示的处理之前，在开始语音传输的初始化阶段中，将在累积时间计算单元18中存储的累积时间Tt初始化为0，并且将队列19初始化为空。另外，为了对连续语音信号进行编码并发送连续语音信号，需要每20ms重复执行图3所示发送单元10的处理，所述20ms是语音帧周期。
如图3和4所示，当发送单元10的处理开始后，首先，编码器13输出码(步骤S101)。编码器13对由麦克风12输出的语音电信号进行A/D转换，从而用已知的编码方案GSM-ARM对语音进行编码。在这种情况下，以8kHz对语音采样并且以20ms的帧对其进行编码。编码速率是12.2kbps。
接着，打包单元14在存储器16中创建分组(步骤S102)。换言之，打包单元14将一个20ms语音帧存储于目的地址为第二终端装置26的分组中。在打包期间使用的协议是RTP/UDP/IP。打包单元14将所创建的分组存储至存储器16中，并且还向发送等待控制单元15通知存储器16上的地址。
接着，判断队列19是否为空(步骤S103)。当对队列19是否为空的判断表明队列19为空(结果为“是”)时，发送等待控制单元15判断其是否可以发送(步骤S104)。换言之，发送等待控制单元15判断无线发送单元17是否处于可发送状态。尽管已经与第一基站27开始无线数据通信的无线发送单元17通常处于可发送状态，但是由于无线通信信道质量的暂时下降，不可发送状态时有发生。无线发送单元17具有标明该状态的寄存器，发送等待控制单元15读取该寄存器以判断无线发送单元17是否处于可发送状态。
当对其是否可以发送的判断表明可发送状态(结果为“是”)时，发送等待控制单元15令无线发送单元17立即发送分组(步骤S105)。发送等待控制单元15向无线发送单元17通知被通知的地址，并且无线发送单元17通过无线通信信道向第一基站27发送可以由被通知的地址标识的存储器16中的分组。一旦发送完成，无线发送单元17释放存储器16中的分组。随后，过程终止。
另一方面，当对队列19是否为空的判断(步骤S103)表明队列19不为空(结果为“否”)时或者当对其是否可以发送的判断(步骤S104)表明不可发送状态(结果为“否”)时，累积时间计算单元18计算分组的语音的重放时刻Tp(步骤S106)。换言之，累积时间计算单元18计算可以由发送等待控制单元15所通知的地址标识的分组中所含的语音数据的重放时间Tp。当一个分组中存储的永远是一个语音帧时，重放时间Tp是20ms。尽管如此，也可以采用一个分组中存储的语音帧数目有变化的配置。在这样的情况下，累积时间计算单元18通过考察可以由被通知的地址标识的分组来计算播放时间Tp。
接着，判断累积时间Tt和重放时间Tp的和是否等于或者小于阈值Tw(步骤S107)。换言之，如果Tt表示所存储的当前累积时间且Tp表示被通知的分组的重放时间，累积时间计算单元18判断两个值的和是否等于或者小于阈值Tw(参考公式(1))。当判断表明两个值的和(Tt+Tp)等于或者小于阈值Tw(结果为“是”)时，累积时间计算单元18用和来更新Tt的值(Tt＝Tt+Tp)(步骤S108)。在更新后，发送等待控制单元15将被通知的地址链接至队列19(步骤S109)，并且随后终止处理。
另一方面，当对两个值的和是否等于或者小于阈值Tw的判断(步骤S107)表明和不等于或者小于阈值Tw时(结果为“否”)时，选择并且通知最早的分组(步骤S110)。换言之，发送等待控制单元15从队列19中提取顺序最早的分组的地址。
接着，累积时间计算单元18计算该分组的语音的重放时间Tp(步骤S111)。换言之，发送等待控制单元15向累积时间计算单元18通知提取出的最早的分组的地址，并且同时通知该分组将要被从队列19中删除。同时，累积时间计算单元18计算可以所由被通知的地址标识的分组中所含的语音数据的重放时间Tp。
随后，累积时间计算单元18从当前累积时间Tt中减去重放时间Tp(Tt-Tp)，并且存储获得的结果，作为新的Tt值(Tt＝Tt-Tp)(步骤S112)。
接着，将最早的分组从队列19中删除，并且从存储器16中释放(步骤S113)。换言之，发送等待控制单元15从队列19中删除相关分组的地址，并且还释放存储器16中相应的分组数据。
随后，过程返回步骤S106。
如图所示，经过上述处理，存储于队列19中的排队等待的分组中所包含的语音的总重放时间变为等于或者小于阈值Tw，并且此时最新的分组被链接至队列19。本发明的特性在于，使预定阈值Tw等于抖动吸收缓冲器单元21的预定累积时间Tj。
图5时示出了当无线发送单元从不可发送状态变化到可发送状态时执行的处理过程的流程图。如图5所示，在本实施例中，当无线发送单元17从不可发送状态变化到可发送状态时，首先，发送等待控制单元15判断队列19中是否存在已链接的分组(步骤S201)。
当判断表明有已链接的分组时(结果为“是”)，选择并通知最早的分组(步骤S202)。换言之，发送等待控制单元15从队列19中选择顺序最早的分组，并且通知累积时间计算单元18该分组将要从队列19中被删除。同时，当判断表明没有已链接的分组时(结果为“否”)，处理终止。
接着，累积时间计算单元18计算被通知的分组的语音的重放时间Tp(步骤S203)。随后，累积时间计算单元18从累积时间Tt中减去重放时间Tp(Tt-Tp)(步骤S204)。
接着，发送等待控制单元15从队列19中删除最早的分组的地址(步骤S205)。随后，发送等待控制单元15向无线发送单元17通知该地址，并且无线发送单元17通过无线通信信道向第一基站27发送可以由被通知的地址标识的存储器16中的分组(步骤S206)。一旦发送完成，无线发送单元17就释放存储器16中的相关分组(步骤S207)。
随后，发送等待控制单元15判断无线发送单元17是否仍处于可发送状态(步骤S208)。当判断表明可发送状态时(结果为“是”)，过程返回步骤S201，并且当判断表明不可发送状态时(结果为“否”)，过程终止。
下面将给出由于阈值Tw等于抖动吸收缓冲器单元21的预定累积时间Tj的特性所引起的本实施例中的操作的说明。
图6示出了根据本实施例通过相应部件或者装置发送的语音帧或者分组的行为示意图。图中，横坐标代表时间并且箭头表示从上至下发送的语音帧和存储语音帧的分组的行为。一个箭头代表一个语音帧或者分组并且，为了使附图清楚，对每四个箭头使用阴影。尽管如此，应该注意到阴影仅仅是为了方便而不代表数据类型或者功能的差异。
如图6所示，与传输有关的部件和装置包括：麦克风12、编码器13、发送等待控制单元15+无线发送单元17、第一基站27、服务器30、第二基站28、无线接收单元20+抖动吸收缓冲器单元21、解码器23、以及扬声器24。在接收到语音帧或者分组之后，上述部件和装置在经过给定的延迟时间之后输出语音帧或者分组。虽然延迟时间依赖于相应部件和装置的操作，但在编码器13、无线发送单元17、第一基站27、第二基站28和解码器23中生成等价于一帧或者一个分组的延迟。此外，在服务器30处生成等价于2.5个分组的延迟。抖动吸收缓冲器单元21在初始化时累积J个分组，其中J＝7。由于一个语音帧存储在一个分组中，因此预定累积时间Tj是J乘以语音帧的周期。
在图6中，当将传递与抖动吸收缓冲器相对应的分组时产生负荷，这样的负荷或者拥塞的风险并不会无限制的增加。在这种情况下，图6所示的操作起始于语音传输处于稳定状态的情形。在稳定状态下，对应于预定累积时间Tj的分组，或者换言之，J个分组被存储至抖动吸收缓冲器单元21。该图示出了4个分组在经过在稳定状态下设置的标准延迟的延迟后到达抖动吸收缓冲器单元21的情形。在4个语音帧在抖动吸收缓冲器单元21处受到Tj的延迟后，重放4个语音帧。
随后，无线发送单元17和第一基站27之间的无线通信信道恶化，因而传输在时间d内中断，其中，d是语音分组周期的10倍。当无线发送单元17进入不可发送状态时，发送等待控制单元15开始累积。即使在中断期间d，语音分组也是连续生成的，只将与预定累积时间Tj相对应的分组或者，换言之，J＝7个分组，存储于发送等待控制单元15的队列19中。
尽管当经过时段d之后，无线通信信道恢复时，无线发送单元17重新开始传输，但必须延迟时段t1(在这种情况下，假定延迟时段t1是一个语音帧周期)。这样一来，在经过t1或者更久的时段之后重新开始传输。
当传输重新开始时，以冲击模式发送被链接至发送等待控制单元15的队列19的分组。在这种情况下，分组的数目是J＝7。虽然就语音质量评估而言不能显著增加抖动吸收缓冲器单元21的预定累积时间Tj，但是无线通信信道的中断时间有时会变得相当长。
在本实施例中，由于无论中断时间有多长，仅累积特定数目(J个)的分组，因此可以减小服务器30上的拥塞或者负荷增加的风险。另外，同具有QoS的常规例子相比，由于即使当重放开始于较早的时刻也可以恢复抖动吸收缓冲器单元21，因此可以缩短中断时间。
通信发生中断的时间d比抖动吸收缓冲器单元21的预定累积时间Tj多3帧。因此在图6中，在由时间tuf表示的时段内，换言之，在3帧期间，分组未能针对重放时刻及时到达从而发生下溢。在下溢发生期间，执行分组插值。在下溢期间执行插值的方法是，外插前一帧且逐渐减少增益。在图6中，该插值由虚线箭头表示。
另外，丢弃在重放时刻之后到达的分组。由于在时间tuf之后到达的分组对于重放时间来说是及时的，因此从该分组开始重放。此外，与预定累积时间Tj相对应的分组迅速到达。重放分组需要时间Tj。当重放结束时，抖动吸收缓冲器单元21的累积量达到与预定累积时间Tj相对应的累积量，并且返回稳定状态。
(第二实施例)
图7是示出了根据本发明的第二实施例的语音传输装置的发送单元。如图7所示，发送单元35包括具有判断分组丢弃功能的发送等待控制单元36，而不是发送等待控制单元15。除了累积时间计算单元18和队列19之外，发送等待控制单元36还包括丢弃判决单元37。丢弃判决单元37具有计数器38和序列39。其它配置和效果类似于发送单元10(参考图1)。
语音码的一个特征在于：即使语音帧随机丢失，通过根据先前或者后继帧执行外插，其主观评估值也不会显著下降。本实施例利用了该特征，以发送等待控制单元36丢弃语音帧，并且使接收单元11外插被丢弃的分组。因此，虽然主观评估值略有下降，但增强了传输效率并且可以减轻作用在服务器30或者网络装置上的冲击负荷。
当无线发送单元17从不可发送状态变化为可发送状态时，丢弃判决单元37将保存在其中的计数器38初始化为0。当接收到编码器13的语音帧周期的定时时，发送等待控制单元36重复执行操作。发送等待控制单元36判断队列19中是否存在已链接的分组。当存在分组时，发送等待控制单元36从分组中选择顺序最早的分组，并且通知累积时间计算单元18该分组将被从队列19中删除。累积时间计算单元18计算被通知的分组的重放时间Tp，并且从累积时间Tt中减去该重放时间。
发送等待控制单元36从队列19中删除相关分组的地址，向丢弃判决单元37通知该地址，并且令丢弃判决单元37执行判决。如果变量i表示计数器38的值并且参考字符r表示数组23，那么丢弃判决单元37参考索引为i的数组值r[i]。数组23存储1或者0值，0表示将要被发送或者1表示将要被丢弃。因此，丢弃判决单元37将数组23的参考值r[i]作为判决结果通知发送等待控制单元36，并且还将计数器38加一。
发送等待控制单元36根据丢弃判决单元37的判断结果，丢弃或者发送分组。当丢弃分组时，发送等待控制单元36释放存储器16中的相关分组，并且随后再一次返回判断是否存在分组的操作。当发送分组时，将分组的地址通知无线发送单元17。无线发送单元17通过无线通信信道向第一基站27发送可以由被通知的地址标识的存储器16中的分组，并且一旦发送完成，就释放存储器16中的相关分组。
即使当这个操作正在进行，也可以生成新语音分组并且将其输入至发送等待控制单元36。该分组将依照上述操作被链接至队列19。由于提取较早分组的速度大于新分组被链接至队列19的速度，因此队列19很快减少并且最终变空。
预先存储在数组r中的值被设计为，计数器i越小，丢弃率越高，并且计数器i越大，丢弃率越低。尽管如此，丢弃率不超过1/2。本发明的特征在于，按如下方式设计这样的分组的数目k。
如果参考字符L表示与阈值Tw相对应的队列19的最大长度并且每发送k个分组就要丢弃一个分组，那么数目k在1≤k≤L的范围内变化。最初将数目k设置为1，并且随计数器i的增加改变k，使得k等于或者超过计数器i。图8中示出了以这种方式创建的数组r的示例。
图8是一幅示意图，利用表格示出了针对计数器i的数组参考值r[i]和同分组数目k之间的关系。图8的依据在于，如果在预定累积时间Tj内抖动吸收缓冲器单元21累积的分组数目J等于7，那么将数目k设置为2，从而在每3个分组中丢弃一个分组。由于用2个帧实现与3个语音帧相对应的重放时间，因此这相当于传输速率提高了3/2。尽管如此，实际分组是以语音帧周期的原始时间间隔发送的。在这种情况下，当W＝21个语音帧的重放完成后，抖动吸收缓冲器单元21恢复预定的累积数目J＝7并返回稳定状态。因此，图8所示数组r具有对应于21个语音帧的值，并且其中7个语音帧将被丢弃。
由于将要外插与那些被丢弃的分组相对应的分组，因此不宜将丢弃率设置为大于1/2。此外，通过优选地将丢弃率设置为小于1/2，语音质量得到增强。通常地，如果每发送k个分组丢弃一个分组并且参考字符n表示传输速度增加率，那么有下式成立。
n＝(k+1)/k......(2)
由于当重放W个分组并且还累积了预定累积数目J个分组时，以n倍速度发送了总共W个分组，因此有下式成立。
W/n+J＝W......(3)
∴W＝J/(1-(1/n))
∴W＝J×(k+1)
如上式所示，当通过降低丢弃率并增加分组k的数目以改进语音质量时，直到抖动吸收缓冲器单元21恢复并且返回稳定状态之前将要发送的分组总数W增加。
图9是一幅流程图，示出了当接收到根据第二实施例的编码器的语音帧周期的定时时，由发送等待控制单元重复执行的处理过程。如图9所示，首先，对队列19中是否存在分组进行判断(步骤S301)。换言之，发送等待控制单元36判断队列19中是否存在已链接的分组。
当判断表明存在已链接的分组(结果为“是”)时，选择并且通知最早的分组(步骤S302)。在选择并且通知了最早的分组之后，发送等待控制单元36从队列19中选择顺序最早的分组，并且通知累积时间计算单元18该分组将被从队列19中删除。
另一方面，当判断表明不存在分组时(结果为“否”)，处理终止。
接着，累积时间计算单元18计算被通知的分组的语音的重放时间Tp(步骤S303)，并且随后，累积时间计算单元18从累积时间Tt中减去重放时间Tp(Tt＝Tt-Tp)(步骤S304)。
接着，将最早的分组就从队列19中删除(步骤S305)。换言之，发送等待控制单元36从队列19中删除相关分组的地址。
随后，如果变量i表示计数器38的值，参考字符r表示数组23，那么丢弃判决单元37参考索引为i的数组值r[i]，并且将其作为判决结果使用(步骤S306)。此外，丢弃判决单元37将计数器38加1。
接着，丢弃判决单元37判断是否将该分组丢弃(步骤S307)。当判断该分组将被丢弃时(结果为“是”)，发送等待控制单元36释放存储器16中的相关分组(步骤S308)并随后返回步骤S301。
另一方面，当判断分组不被丢弃时(结果为“否”)，发送等待控制单元36向无线发送单元17通知该地址，并且无线发送单元17通过无线通信信道向第一基站27发送可以由被通知的地址标识的存储器16中的分组(步骤S309)。一旦发送完成，无线发送单元17就释放存储器16中的相关分组(步骤S310)，并且随后终止处理。
如图所示，由于在编码器13的语音帧周期处重复执行上述处理，因此同当无线发送单元从不可发送状态转变为可发送状态时所要执行的处理的情况(参考图5)相比，队列19长度的缩短更趋缓和。
图10是示出了通过根据第二实施例的相应部件或者装置发送的语音帧或者分组的行为的示意图。图中，横坐标代表时间并且箭头代表从上至下发送的语音帧和存储语音帧的分组的行为。一个箭头代表一个语音帧或者分组并且，为了使附图清楚，对每四个箭头使用阴影。尽管如此，应该注意到阴影仅仅是为了方便而不代表数据类型或者功能的差异。
与图6不同，在图10中，由于无线发送单元17以与语音帧周期相同的时间间隔发送分组，因此服务器30或者其它通信装置并不遭受冲击负荷。此外，由于按照丢弃判决单元37的判决进行丢弃，因此发送自无线发送单元17的分组的数目减少了。图中，用×表示所要丢弃的分组。
采用以1/3为基础的丢弃率，图10示出了k从1变化到4的情况。在这种情况下，图10所示的操作起始于语音传输处于稳定状态的情况。在稳定状态下，对应于预定累积时间Tj的分组，或者换言之，J个分组被存储至抖动吸收缓冲器单元21。该图示出了4个分组在经过在稳定状态下设置的标准延迟的延迟后到达抖动吸收缓冲器单元21的情形。在4个语音帧在抖动吸收缓冲器单元21处受到预定累积时间Tj的延迟后，重放4个语音帧。
随后，无线发送单元17和第一基站27之间的无线通信信道恶化，因而传输在时间d内中断，其中，d是语音分组周期的10倍。当无线发送单元17进入不可发送状态时，发送等待控制单元36开始累积。当在中断期间d，语音分组也是连续生成的，只将与预定累积时间Tj对应的分组或者，换言之，J＝7个分组，存储于发送等待控制单元36的队列19中。
尽管在经过时段d后，无线通信信道恢复时，无线发送单元17在重新开始传输，但必须延迟时段t1(在这种情况下，假定延迟时段t1是一个语音帧周期)。这样一来，在经过t1或者更久的时段之后重新开始传输。
当传输重新开始时，发送等待控制单元36根据外部提供的语音帧周期重复执行操作。提取被链接至队列19的分组，并且丢弃判决单元37判断是要将分组丢弃还是将分组发送。当将分组丢弃时，发送等待控制单元36再次提取队列19中的下一分组并且重复执行操作。
通信中断的时间d比抖动吸收缓冲器单元21的预定累积时间Tj多3帧。因此，在图10中，在由时间tuf表示的时段内，换言之，在3帧期间，分组未能针对重放时刻及时到达从而发生下溢。在下溢发生期间，执行分组插值。在下溢期间执行插值的方法是，外插前一帧且逐渐减少增益。在图10中，该插值由虚线箭头表示。
另外，丢弃在重放时刻之后到达的分组。由于在时间tuf之后到达的分组对于重放时间来说是及时的，因此从该分组开始重放。尽管如此，由于由丢弃判决单元37指示应当丢弃的分组丢失了，因此执行插值。在图10中，该插值由虚线箭头表示。虽然在下溢的情况下分组丢失连续发生，但丢弃判决单元37指示丢弃使得分组丢失不会连续发生。
在图10中，由于发送等待控制单元36根据外部提供的语音帧周期操作，分组时间间隔不会改变。因此，抖动吸收缓冲器单元21的累积量逐渐恢复。当完成W＝3×J个分组的重放时，达到与预定累积时间Tj相对应的分组。随后，恢复稳定状态。
图11是一幅示意图，示出了在由于根据第二实施例的下行延迟抖动造成下溢恢复进一步延迟的情况下，通过相应部件或者装置发送的语音帧或者分组的行为。
图11示出了以普通语音分组周期2.5倍(换言之50ms)的时间执行处理的服务器30进一步受到ds的延迟的情况，其中，延迟ds是普通语音分组周期的2倍(换言之40ms)。到达接收单元11的抖动吸收缓冲器单元21的延迟分组对于重放时刻时刻而言并非及时，因而遭到丢弃。取而代之的，对分组进行插值并且由于下溢造成的丢失时间tuf增加。虽然图6中时间tuf是3倍语音分组周期，但图11中的时间tuf是7倍语音分组周期。2倍于所应用的延迟ds的时间已被添加到丢失时间tuf上。
如图所示，具有高丢弃率的低质量片段发生下溢同时重放具有低丢弃率的高质量片段，这导致在抖动发生时较早的重放开始时间。换言之，突发丢失已经被转换为随机丢失。
本实施例能够抑制由于下溢造成的丢失时间tuf的增长。这是通过令丢失判断单元37提高较早分组的丢弃率而成为可能的。作为对比，图12示出了丢弃率被固定为在每三个分组中丢弃一个分组或者，换言之，k＝2的情况。
图12是一幅示意图，作为与图11的对比，示出了当丢弃速率被固定为在每3个分组中丢弃一个分组时通过相应的部件或者装置发送的语音帧或者分组的行为。在图12中，丢失时间tuf是9倍语音分组周期，并且3倍于所应用的延迟ds的时间已被添加到丢失时间tuf上。这是由于数目k越大，分组的到达时间越晚，并且在重放时刻和到达时间之间的差异扩大之前需要更多的时间。
因此，如图11所示，本实施例能够较早开始重放并且减少待重放部分的丢弃率，使得即使当下行通信信道中发生抖动并且延迟增加时也能改善语音质量。换言之，本实施例结合了较早的重放开始以及令人满意的语音质量。
如图所示，根据本发明，可以实现下列效果和优势。
首先，不会发送不能重放的分组，可以避免浪费性丢弃，从而消除了提供不被使用的通信基础设施的需要。
另外，由于即使在传输中断达到抖动吸收缓冲器中发生下溢的情况下，当通信重新开始时，传输也起始于与抖动吸收缓冲器的预定累积时间相对应的分组，因此同常规示例中所有延迟分组都被发送的情况，可以减轻服务器上的阻塞和负荷增加。此外，同丢弃延迟语音分组的具备QoS的常规示例相比，由于即使当重放开始于较早时刻，也可以恢复抖动吸收缓冲器，因此可以缩短中断时间。
此外，此时可以避免作用于通信信道上的通信装置或者服务器上的冲击负荷增加，或者将负荷增加控制在特定速率范围内。
此外，即使当下行通信信道波动或者延迟增加时，也可以实现改进，从而同时满足较早的重放开始和良好的语音质量的需要。
尽管参考上述特定实施例对本发明进行了描述，但是应该理解本发明并不局限于此。因此，可以在不背离本发明真正的精神和范围的情况下做出多种修改。
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求于2006年9月28日提交的日本专利申请No.2006-264847的优先权，并将其全部内容合并于此以作参考。

Claims (3)

1.一种语音传输装置，包括：
发送单元，向分组交换网络发送存储语音数据的分组；
接收单元，接收来自分组交换网络的分组；
抖动吸收缓冲器单元，被配备在所述接收单元中，并且吸收分组中的传输延迟；以及
发送等待控制单元，被配备在所述发送单元中，并且将在发送暂时中断时所要发送的分组链接到队列，其中
所述发送等待控制单元配备有累积时间计算单元，所述累积时间计算单元计算作为被链接至队列的分组中的语音数据的重放时间的合计的累积时间，
所述发送等待控制单元从队列中提取最早链接的分组，并将其丢弃，使得所述累积时间计算单元所计算的累积时间变为等于或者低于阈值，以连续地将新分组链接至所述队列，
从而使所述阈值等于作为所述抖动吸收缓冲器单元累积的所述分组的语音数据的重放时间的合计的累积时间。
2.根据权利要求1所述的语音传输装置，其特征在于，
所述接收单元将作为所述抖动吸收缓冲器单元累积的所述分组的语音数据的重放时间的合计的所述累积时间通知给所述发送等待控制单元，并且
所述发送等待控制单元使用被通知的所述累积时间更新所述阈值。
3.根据权利要求1所述的语音传输装置，其特征在于，
所述发送等待控制单元配备有丢弃判决单元，并且，所述发送等待控制单元根据所述丢弃判决单元的判决执行丢弃，所述丢弃判决单元判决是否要将被链接至队列的分组丢弃；并且
所述丢弃判决单元执行判决，使得分组数目k在1≤k≤L的范围中变动，其中，假定参考字符L表示队列的最大长度，并且假定以每发送k个分组丢弃1个分组的速率丢弃分组；并且所述累积时间计算单元计算得到的累积时间越长，分组数目k就越小，而累积时间越短，分组数目k就越大。
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