CN1350682A - 抖动缓冲器及其用于控制它的方法 - Google Patents

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N·卡斯特
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Abstract

一种音频接收机(111)具有一个经解压缩器(116)和放大器(118)连接到扬声器(114)的抖动缓冲器(112),该抖动缓冲器也经有线或无线链路(119a,119b)连接到用于控制(调整)该抖动缓冲器大小的控制器(120)上。

Description

抖动缓冲器及其用于控制它的方法
发明领域：
本发明涉及一种用于与通信网络配合使用的音频接收机，尤其涉及用于将抖动缓冲器调整到最佳大小以播放经不稳定网络传送的音频的方法和装置。
发明背景：
通信网络例如广域网(WAN)是众所周知的，其中，发展最快的大概就是因特网。一种作为多媒体收发机的而公知因特网应用使用户能经过因特网发送和接收音频、视频和数据。这种应用的一个作为因特网电话委托的而公知例子允许经因特网的电话呼叫。
音频经因特网在分组流中被传送。因特网及其它通信网络具有规则抖动，这在1996年1月网络工作组-IETF的“请求意见(RFC)：1889”中由Schulzrinne等人提出的“RTP：A Transport Protocol ForReal-time Applications”一文中有详细说明，该文章可在网址http：//www.ietf.org/rfc/rfc1889.txt中得到，下文被称为“RFC1989”。例如因特网的抖动可能是100毫秒。为了补偿该网络抖动，接收机通常包括用于控制包传输速率的抖动缓冲器。一个典型的抖动缓冲器在被分配专利号为US5825771的美国专利中被公开，该公开并结合参照此处的内容被完整在此作为参考。
图1为一个网络例如因特网中的典型抖动示范。在该图中，抖动情况被用线条20图示。因此，抖动缓冲器的大小可被设置到30毫秒以适应该抖动。
抖动缓冲器大小通常根据被传输的音频分组的比特率来被设置。抖动缓冲器大小的变化影响声音质量。尤其，减少抖动缓冲器大小会减小播放声音分组的延迟，但当传输的声音分组的数量超出抖动缓冲器大小时导致声音传输的中断。相反，增加抖动缓冲器大小会有助于抑制声音的中断，但增大播放声音分组的延迟。在稳定网络中，声音中断和延迟之间的平衡容易地被建立。对于不稳定网络例如因特网就不是这样了，如图2中所详细描述，它们可能出现被称为突发期的猝发现象，当时在极短时间内大量的分组被传送。这些突发在网络特性图中形成尖峰信号，例如在图3中详细描述的，这些尖峰信号发生在时间间隔3和8。
图2以分组数对应时间(毫秒)的关系详细描述了不稳定网络例如因特网。这里，在“正常”传输情况下一个时间长度为10的单个分组从传输时间20、40和60以相等间隔被传输。在时间70和170间，这里有一个沉默期。该沉默期可能由于多种因素，一个通常因素是沿分组传输路径的路由器中的一个路由器繁忙。结果，开始在时间170有7个分组被传输，紧接着在时间180有5个分组被传输，再紧接着在时间190和200单个分组被传输。该大量分组的快速传输是突发或突发期(在时间170和210间)的范例。分组传输在时间220恢复“正常”。
图3将两个突发(突发时期)图示为沿曲线30(由钻石形的点构成)在时间间隔2和4与7和9出现的尖峰信号。在该不稳定网络，不稳定网络的典型例子中，抖动缓冲器大小曲线31(由方形的点构成)在不断地增加和降低大小以保持低延迟，或交替地增加延迟，以克服分组突发。
现代用于调整抖动缓冲器大小的系统和方法的主要缺点是这些系统和方法不能区分抖动和尖峰信号，因而对它们进行相似处理。当结合普通调整抖动缓冲器的方法和系统时，一些分组从不到达或不完全到达接收机。这导致了声音质量不足。
发明概述：
本发明通过提供用来调整用于不稳定网络的音频收发机的抖动缓冲器大小的方法和装置，来对现有技术抖动缓冲器的控制机制作了改进。这些方法包括通过分析接收到的网络分组来基于一个突发期的可能性来估算抖动缓冲器大小，同时包含软件和硬件的这些装置用于执行同样的操作。本发明通过从抖动中区分出突发期进行操作，和与抖动进行的调整相比，不同地调整抖动缓冲器以适应这些突发。
本发明涉及一种控制用于与网络进行通信的通信设备的抖动缓冲器的抖动缓冲器大小的方法。该方法包括监视网络至少一个大量的数据分组或分组被快速传输的突发期，接着确定从这一突发时期后随后发生的至少一个突发时期的可能性的步骤。然后该抖动缓冲器的大小基于这个随后的突发期的可能性被调整。
本方法还包括测量播放每一个在一个预定位置所收到的分组的时间，并通过根据在至少两个预定时间间隔收到的每一分组创建的至少两个统计来建立播放统计的时间。从至少两个统计的每一个中宽度和偏移值也被计算，并且至少一个随后突发的可能性能从这些计算出的值中被确定。
本发明还涉及用于例如因特网的网络的音频接收机，该接收机具有抖动缓冲器和用于控制抖动缓冲器大小的控制器。该控制器优选包括一个微处理器或其它类似计算装置，该装置被编程以监视该网络至少一个突发期，并基于对网络进行的至少一个突发期监视来调整抖动缓冲器大小(通过给抖动缓冲器发信号)，以适应突发期内的分组传输。
附图详细描述：
本发明参照伴随附图被详细描述，其中，同样的引用号码和/或符号标识对应的或同样的组件。在附图中：
图1是通信网络中抖动对时间的函数的图表；
图2是来说明突发或突发期的分组数对时间的函数的图表；
图3是详细说明已有技术抖动缓冲器控制机制和方法的操作图表；
图4a是本发明示范网络环境的图示；
图4b是本发明终端的图示；
图5是详细说明本发明方法的流程图；
图6是有助于理解本发明和确定每一分组的播放时间(TTP)的图表；
图7是根据本发明的TTP统计表；
图8和图9是详细说明和那些已有技术相比较的抖动缓冲器操作和本发明控制机制；
图10是本发明的实例基于TTP统计的图表；和
图11是将本发明与传统技术相比较说明本发明的实施例的抖动缓冲器大小(毫秒)对时间(TTP统计被分析的时间间隔)函数的图表。
这里还包括有一个计算程序附图A。
附图的详细描述：
参照附图4a，它图示了本发明的环境，即，一个网络100，因特网就是这样网络的一个例子。在网络100中有在互联配置中联接的各种路由器(R)102和网关(GW)104。各种通信设备例如因特网协议(IP)终端110通过网关104被连接到网络100。包括声音分组的数据分组通过网络100传输，下文称之为“分组”。
图4b表明了根据本发明的IP终端110的接收机部分111(或接收机)。该接收机111优选为音频接收机，包括一个经解压缩器116和一个放大器118连接到扬声器114或类似装置的抖动缓冲器112。该抖动缓冲器还(通过有线或无线链路119a，119b)被连接到一个控制(调整)它的大小的控制器120。
该抖动缓冲器112可为任意普通的用于容纳这些分组的抖动缓冲器，例如可以为专利号为US5825771的美国专利中的抖动缓冲器。解压缩器116和放大器118也可为普通装置。该扬声器114可为普通扬声器并且可以是一种与为解决电话应用而设计的PC机相连接的扬声器。
控制器120，如上所述，优选为计算机或微处理器控制的。该控制器120优选包括或者作为选择连接一个用以播放软件和执行其它计算功能的微处理器(未示出)或其它类似计算或处理器装置，以便于给控制器120传信号要不然控制它，来适当地调整(增加或减少)或保持抖动缓冲器112的大小。这里还可以有一个数据存储单元和与这些微处理器或其它类似计算或处理装置有关的硬件。
本发明的方法被如下执行并且可包括软件和除上述硬件之外的附加硬件。该方法以流程图的形式在图5中被详细描述。
开始，在步骤200中，用于每个分组的播放时间(TTP)被计算。这里TTP被定义为任意大小的分组(不考虑其中含有的帧的数目)在抖动缓冲器112中等待被播放的时间量。分组的TTP通过监视网络(如下所述包括监视突发或突发期)来测量，该监视一般通过控制器120中的包括硬件、软件或它们的结合的监视装置(M)122来执行。例如，监视装置122可能包括单个或多个采样器，用以监视沿箭头123从网络到接收机111的输入。
典型地，当分组在任何指定位置被接收时每个分组的TTP被确定。如在RFC 1889在第5章(包括它的所有分节)中详述的，当一个分组被接收时，它一般有一个时间标记和一个序列号，公开的RFC 1889全部内容在此引用作为参考。然后TTP能作为连续序列化的分组的时间标之间的时间差和对时间标记的标记频率的一个函数被测量。
一般地，每一个终端110有一个抖动缓冲器，来补偿和克服网络里的抖动。图6是测量使用G-723多媒体数字信号编解码器来为每个分组进行声音压缩、解压缩的在音频流中传输的如P1-P7所示的分组的TTP的图表。每一个分组P1-P7也包括一个时间标(与上述内容相一致)，例如，分组P1的时间标记用圆圈标记TS表示，即分组P1的TS为0。同样，分组P2具有时间标记240(以圆圈标记TS表示)，等等。开始，在时间0ms分组到达(用曲线箭头AA图示到达)终端110，但不被立即播放。相反，为了建立抖动缓冲(在时间0ms开始建立)它们在抖动缓冲器112中被延迟(图1和图2)。
从抖动缓冲器已经被构造完的近似时间60ms开始，分组开始以恒定速度离开抖动缓冲器。因此，每隔30ms时间间隔(30ms是G.723多媒体数字信号编解码器的帧大小)，下一个分组离开抖动缓冲器。一旦一个分组离开抖动缓冲器，并在沿音频流的一个参考点被接收，该分组的大小可被估计。分组的大小基于所知的G.723多媒体数字信号编解码器具有的8000Hz采样速率被估算，因而一个分组的大小(Pn)由下列公式被估计：
Pn＝(TSPn+1-TSPn)/CSR                        (1)
其中，TSPn+1是随后分组的时间标；
TSPn是用来需要测量的分组的时间标；
CSR是多媒体数字信号编解码器的采样速率(这里8000HZ)。
采用这个公式，P1分组的大小是(240-0)/8000或30ms HZ，P2是30ms，等等。对于后面的分组进行同样的计算，由此，在该例子中，随后分组P3-P7的大小是30ms。
继续参照图6，使用所知道的分组大小，每个分组的播放时间(TTP)可被计算。如该图表所示，在时间60ms(分组离开以箭头PL表示)后，分组每隔30ms离开缓冲器。具体地，带有时间标0ms的分组P1在时间60ms离开抖动缓冲器并被播放，带有时间标240ms的分组P2在时间90ms离开抖动缓冲器并被播放，带有时间标480ms的分组P3在时间120ms离开抖动缓冲器并被播放，带有时间标720ms的分组P4在时间150ms离开抖动缓冲器并被播放，带有时间标960ms的分组P5在时间180ms离开抖动缓冲器并被播放，带有时间标1200ms的分组P6在时间210ms离开抖动缓冲器并被播放，带有时间标1440ms的分组P7在时间240ms离开抖动缓冲器并被播放。
在确定每个分组的TTP时，第一个被播放的分组的时间标被从最新到达分组的时间标中减去。该结果被G.723多媒体数字信号编解码器的采样频率(8000Hz)除。每一个分组的TTP(TTP)被用下面的公式表达：
TTP＝(TSNA-TSFP)/CSR                   (2)
其中，TSNA为最新到达分组的时间标；
TSFP是第一个播放分组的时间标；
CSR是多媒体数字信号编解码器采样速率。
例如，在时间60ms最新到达或之后不久到达的分组P4开始，TSPA是720ms(P4的时间标)，TSFTP(在设定时间，时间90ms，第一个播放的分组—分组P2的时间标)是240ms，及G.723多媒体数字信号编解码器的采样频率CSR为8000。这样，根据上述公式分组P4的TTP是(720ms-240ms)/8000即0.06秒或60ms。
分组P5(时间标为960ms)和P6(时间标为1200ms)在时间120ms到达或之后不久到达(这时时间标为720ms的P4是第一个播放的分组)，这样，用于P5的TTP是(960-720)/8000，即30ms，和P6的TTP是(1200ms-720ms)/8000即60ms。在分组P5和P6于同一时间到达的情形中，他们的顺序可能被交换，并且如果这样的话，它们的TTP将不被它们的到达顺序不同所影响。相似地，时间标为1440ms的分组P7在时间210ms后某一时候到达，在设置时间240ms，P7的TTP是(1440ms-1440ms)/8000是0ms。
在图5的块202中，该信息能用于构造TTP统计。特别，对应在时间60ms和240ms间的区间的TTP统计的数据如下：
    TTP     -30   0    30    60    90
   分组数     0   1    1    2    0
根据这个TTP统计，一个分组P7具有0ms的TTP，一个P5分组具有30ms的TTP，两个分组P4和P6均具有60ms的TTP，0个分组具有90ms的TTP。负数的TTP(这里为-30ms)被指定给迟到达的分组(在抖动缓冲器中)。这些分组在抖动缓冲器中不被播放，但每一个迟到达的分组提供的信息被优选用来增加抖动缓冲器的大小。
然后这些行(每个TTP统计)在一个时间周期上建立TTP统计。图7图示了根据本发明的实际实验确定的TTP统计表格。具有一定TTP的分组数目在各个时间间隔被估计，时间0，时间0后的874ms，接着(时间874ms)其后的1627ms，接着(时间874ms+1627ms)其后的3247，等等。这个TTP统计被存储在微处理器存储器或在终端110中的其它类似存储器或存储设备(或单元)中，优选在控制器120中或者其外部。
另外，在TTP统计中，每行具有称为“宽度”和“偏移”的数值。宽度为最大TTP和最小TTP间的差，偏移为分组被接收的最低的TTP。例如，行“1”(或直方图#1)，从90(5个接收的分组的TTP是90ms)减30ms(5个接收的分组的TTP是30ms)计算出宽度是60ms，并且由于TTP30ms是接收的分组(这里5个分组)的最低TTP，偏移是30ms。
利用建立的TTP统计，这个统计被分析用来确定在块204中是否有突发(突发期)。由于突发或突发期为上述偏移和宽度值的函数，该突发或突发期通过分析TTP统计被确定。
例如，在图7的TTP统计中，由于行12和13间的宽度的差是300(行13的480减行12的180)，由于宽度变化比大约200大，行“12”、“13”(直方图#12和13)表示出一个突发。而且，这个突发或突发期也可从行“13”和“14”(直方图#13和14)中显示出，这里偏移被近似以200或更大改变(向右)。具体地偏移已经从-120(行13)到240(行14)。
一旦已经有一个突发，随后的突发的可能性从块206中处TTP统计中被计算出来。随后突发的可能性也是TTP统计表的偏移和宽度值(以上所述)的函数。一般地，随后突发的可能性随每个突发增加，用来确定突发或突发期可能性的实际分析是根据下面附录A中的详述内容进行的统计分析。
利用在块206中计算出随后的突发或各突发的可能性，在块208中抖动缓冲器大小可基于该可能性被估算。根据以下附录A中的详述内容，该估算抖动缓冲器大小从统计分析中被确定。在块210中该估计的抖动缓冲器大小和当前的抖动缓冲器大小(如上面测得的)被比较(大小的变化)。
在块212中，如果改变抖动缓冲器大小，增加或减少抖动缓冲器，控制器120发信号给抖动缓冲器，该抖动缓冲器具有相应硬件根据控制器发来的信号来增加或减少它的大小。随着抖动缓冲器被调整，该系统返回块200以重新开始。该方法可在需要时被重复多个时间间隔。
图8表明考虑网络的性能根据本发明调整的抖动缓冲器大小。线30(由钻石形的点构成)表示本发明，曲线31(由方形的点构成)表示了现有技术抖动缓冲器大小的调整方法，在上面的图3中两者均被详细描述过。这里，在时间间隔3中一个突发或突发期已被检测到，根据上面详细描述的方法，随后第二个突发或突发期的可能性被确定为低。然而，在时间间隔8第二个突发已经被检测到，并且现在根据本发明的方法，随后突发或突发期的可能性是高。三角形的点构成的曲线233表示在时间间隔3和8本发明抖动缓冲器被调整，以基本恒定的速度减小抖动缓冲器大小，直到下一个，这里为第二个突发或突发期。该特性与曲线31中的现有技术的特性相类似。
在时间间隔8的第二突发之后，随后突发或突发期的可能性非常大。根据本发明，这样抖动缓冲器接着被保持在突发或突发期已经被提高了的水平，以适应预期的突发或突发期，如在时间间隔8-11期间的线段233a所示。通过保持在这个水平，该抖动缓冲器能适应随后的突发或突发期。这与现有技术相反，现有技术里抖动缓冲器再一次因为突发而增加接着立刻以基本恒定速度减少(曲线段31a)。由于现有技术不能区分突发或抖动，这样将所有事件视为抖动，该立即下跌适应立即减小抖动缓冲器的大小。作为使抖动缓冲器保持在一个大的大小以适应随后的突发或突发期的失败的结果，该音频传输经历基本的中断。
如果大小没有变化，在块214该抖动缓冲器不被调整，该系统回到块200以重新开始。在图9中详细描述了网络中在时间间隔5一个用尖峰信号图示的单个突发(曲线30)已经被检测到。第二个或随后的突发的可能性是低时，如三角形的点形成的曲线233’所示的抖动缓冲器大小保持相同。虽然，作为突发的结果，一些声音丢失了，但是由于根据TTP统计(如上所述)随后突发或突发期(以尖峰标识)已经被确认为不可能，没有任何原因来提高抖动缓冲器。这与现有技术不同，如曲线31’(与上述曲线31相似)所示，其中，突发或突发期(用尖峰标识)被和抖动同样对待，这样，在时间间隔6-11期间抖动自动调整，并被强制比必要的要大，以至于声音传输被延迟。
如块204-214中所示，上述详细描述步骤可被通过下面附录A中相同或类似的算法被执行。这个算法可通过其中提供计算装置的终端110中的软件、硬件或两者结合来实现。
范例-抖动缓冲器计算和调整：
该实例参见附图10和11及列成计算机程序的附录A的算法以通过软件实现。在这个实例中，本发明根据TTP统计(由TTP统计#或图10的第1列的时间间隔号所表示)对应现有技术分析了抖动缓冲器和对其控制的方法，每个得到的TTP统计以一个增加的时间间隔(该时间间隔以毫秒计算)进行。该结果在图11中被图示，本发明的结果由钻石形的点构成，每个点对应一个TTP统计号#(附图10的第1列)及这些点构成的曲线用数码400标记。图10的图表中确定的数值通过附录A中详述的算法得到。
在TTP统计#8中，第一个突发或突发期已被检测到。这导致突发可能性增加到0.25。这与传统技术抖动缓冲器和为此的控制方法相反，传统技术中，抖动缓冲器被根据上一次(最近的)测量来设置，这导致延迟增加。本发明中，由于这里随后突发的突发可能性仍然很低，抖动缓冲器从该点轻微增加，但保持相对低，由此，延迟保持很小。
第二个突发在TTP统计#13被检测，突发可能性增加为0.4。在该TTP统计，Burst2AbsolutCoff)(来自附图A和上面提供的定义)(图10第8列)增至1。第三突发在TTP统计#22被检测到和该第三突发之后，Burst2AbsolutCoff在相当一段时间保持为1(至TTP统计#34)。当Burst2AbsolutCoff为“1”并被认为为“高”时，抖动缓冲器大小根据该突发大小来被调整。该调整使得在TTP统计#13时抖动缓冲器增至1080ms，并且抖动缓冲器保持该大小直到更大突发导致其增至1020ms，对应于TTP统计#22。
在图上时间22(图11)，相应于TTP统计#22，本发明的曲线400和传统技术曲线401之间的不同是明显的。在传统技术中，由于直到时间39(相应于TTP统计#39)都没有任何另外的尖峰，在该尖峰之后抖动缓冲被减小。根据本发明，如上及附录A所述，由于突发可能性依然很高，抖动缓冲器的大小没有被降低并被保持高直到大约时间43(对应于TTP统计#43)。而且，在TTP统计#39的突发几乎不引起声频降低，即便有的话，也很小。
随着最后一个大突发发生在时间39，随后的突发变得更小。在时间39有一个最后的大突发，传统技术的方法不能调整这个突发，这样导致音频降级。这与本发明相反，本发明调整抖动缓冲器以适应随后的突发或突发期，基本上减少了声音质量的降低。在突发或突发期减少时，本发明与传统技术表现相似。
当本发明的优选实施例已经被描述以使该领域的普通技术人员可实现本发明，前面的描述仅仅是示范，不应被用来限定本发明的范围。本发明的发明应由随后的权利要求来确定。
               附录A
Figure A0080761800141
Figure A0080761800151

Claims (14)

1.一种用于控制与网络进行通信的通信设备的抖动缓冲器的抖动缓冲器大小的方法，该方法包括步骤：
监视所述网络至少一个突发期；
从所述至少一个突发期确定至少一个随后突发期的可能性；以及
基于所述至少一个随后突发期的所述可能性来调整所述抖动缓冲器的大小。
2.如权利要求1的方法，其中，所述调整所述抖动缓冲器的大小的步骤是根据对所述至少一个随后突发期的检测进行的。
3.如权利要求1的方法，其中，所述监视所述网络的步骤包括：
测量在预定地点接收的每个分组的播放时间；
利用所述的在至少两个预定的时间间隔接收到的分组的每一个创建至少两个统计来建立播放时间统计；
从所述至少两个统计中的每个统计中计算宽度和偏移值；
从所述播放时间统计的所述宽度和偏移中确定所述至少一个随后突发期的所述可能性；
4.如权利要求2的方法，其中所述调整所述抖动缓冲器大小的步骤包括，估计所述抖动缓冲器大小并根据所述估计调整所述抖动缓冲器大小。
5.如权利要求1的方法，其中所述监视所述网络的至少一个突发期的步骤包括监视所述网络一个突发期。
6.如权利要求3的方法，其中所述确定所述至少一个随后的突发期的所述可能性的步骤包括执行对所述至少一个随后突发期进行的统计分析。
7.一种用于控制与网络进行通信的通信设备的抖动缓冲器的抖动缓冲器大小的方法，该方法包括步骤：
监视所述网络中的数据分组传输，包括监视所述数据分组传输以检测至少一个突发期；
通过根据所述的至少两个预定时间间隔接收到的分组的每一个创建至少两个统计来建立播放时间统计；
从所述至少两个统计的每一个计算宽度和偏移值；
如果已经有所述至少一个突发期，则基于所述播放时间的统计的宽度和偏移值确定至少一个随后突发期的可能性；
如果已经有所述至少一个突发期，则基于所述播放时间的统计来估计所述抖动缓冲器的大小以适应所述至少一个随后突发期的数据分组的传输。
8.如权利要求7的方法，还包括：
根据所述估计建立所述抖动缓冲以适应所述至少一个随后突发期的数据分组的传输。
9.一种音频接收机包括：
一个抖动缓冲器；和
一个用于控制所述抖动缓冲器的控制器，所述控制器被编程用来：
监视所述网络至少一个突发期；和
基于所述监视所述网络所述至少一个突发期来调整所述抖动缓冲器大小。
10.如权利要求9的音频接收机，还包括与所述控制器进行操作通信的存储单元。
11.如权利要求9的音频接收机，还包括与所述抖动缓冲器相通信的解压缩器。
12.权利要求9的音频接收机，还包括与所述解压缩器相通信的放大器。
13.一种音频接收机包括：
一个抖动缓冲器；
用于监视一个网络至少一个突发期的装置；和
用于根据对所述网络所述至少一个突发期的所述监视来调整所述抖动缓冲器到一个大小的装置。
14.如权利要求13的音频接收机，其中所述网络监视和调整装置包括，一个控制器，该控制器被编程来监视所述网络至少一个突发期并根据所述监视所述网络所述至少一个突发期来调整所述抖动缓冲器大小。
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