JP2005323029A - 非同期音声通信用ゲートウエイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＶｏＩＰゲートウエイ装置において、システムクロックが非同期であることに起因する遅延時間の拡大を一定範囲内に抑える。
【解決手段】パケット受信部１２１は、ＩＰ網１００からパケットを受信して圧縮音声データを抽出する。揺らぎ吸収バッファ１２２は、ＩＰ網１００内で発生する転送揺らぎを吸収する。音声伸長部１２３は、圧縮音声データを伸長する。データ廃棄部１２４は、伸長後の音声データの一部を所定の割合で廃棄する。ＦＩＦＯメモリ１２５は、廃棄部１２４が廃棄しなかった音声データを順次格納し、格納順に出力する。ＰＣＭ復号化部１２６は、ＦＩＦＯメモリ１２５に音声データが格納されているときはその音声データを順次音声信号に変換して出力し且つＦＩＦＯメモリ１２５に音声データが格納されていないときはダミー音声信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、互いに非同期で動作するゲートウエイ装置間で、パケット通信網を介して音声通信を行う技術に関する。本発明は、例えば、ＶｏＩＰ(Voice over Internet Protocol)に準拠した音声通信に用いられるゲートウエイ装置や、ＶＴＯＡ(Voice and Telephony Over ATM)に準拠した音声通信に用いられるゲートウエイ装置等に適用できる。

従来より、パケット通信網を利用して音声通信を行うシステムが知られている。このような音声通信システムでは、複数の音声通信用ゲートウエイ装置が、かかるパケット通信網に接続される。各ゲートウエイ装置には、電話機等の端末が、直接に或いはＰＢＸ(private branch exchage)等を介して、収容される。ゲートウエイ装置は、音声を送信する場合、収容する端末から受信した音声信号を所定の時間周期（送信サンプリング周期）で分割・符号化して音声パケット化し、パケット通信網に送出する。一方、パケット通信網から音声を受信したゲートウエイ装置は、かかる音声パケットから音声信号を所定の時間周期（受信サンプリング周期）で復号化してつなぎ合わせ、収容端末に送る。

このような音声通信システムで良好な通信品質を確保するためには、遅延時間（送信側電話機が音声信号を送信してから受信側電話機が音声信号を受信するまでの時間）が短いことが望ましい。遅延時間を増大させる原因としては、パケット通信網の輻輳の他、送信サンプリング周期と受信サンプリング周期との不一致がある。

送信サンプリング周期および受信サンプリング周期は、各ゲートウエイ装置内のシステムクロックを用いて生成される。したがって、送信側のゲートウエイ装置と受信側のゲートウエイ装置とが同期している場合（すなわち、これらのゲートウエイ装置のシステムクロック周期が完全に一致している場合）には、送信サンプリング周期と受信サンプリング周期とは一致する。しかしながら、これらのゲートウエイ装置が同期していない場合、送信サンプリング周期と受信サンプリング周期とは一致しない。図５は、送信音声信号および受信音声信号の流れを示す概念図であり、（Ａ）は送信サンプリング周期と受信サンプリング周期とが一致する場合、（Ｂ）は送信サンプリング周期よりも受信サンプリング周期が長い場合である。図５から解るように、送信サンプリング周期よりも受信サンプリング周期が長い場合は、送信音声信号に対する受信音精神号の遅延が、時間とともに拡大する。

このような遅延時間の拡大は、各ゲートウエイ装置を同期させることによって解決される。しかしながら、パケット通信網に接続されたすべてのゲートウエイ装置を同期させようとすると、システムが非常に高価になる。

また、遅延時間を抑制する技術としては、例えば下記特許文献１に開示されたものが知られている。この技術では、一部のパケットを廃棄することにより、遅延時間の拡大を抑制している（例えば同文献の段落００３５および図５等参照）。しかしながら、特許文献１の技術では、パケット通信網の輻輳に起因する揺らぎを抑制することはできるものの、上述のようなシステムクロックの不一致に起因する遅延時間の拡大を抑制することはできない。受信パケットバッファのオーバーフローに基づいてパケットの維持／廃棄を決定しているからである。
特開平７−５０７０３号公報

本発明の解決課題は、システムクロックが非同期であることに起因する遅延時間の拡大を一定範囲内に抑えることができる非同期音声通信用ゲートウエイ装置を安価に提供することにある。

本発明は、パケット通信網を介して他のゲートウエイ装置との間で非同期の音声通信を行うゲートウエイ装置に関する。

そして、パケット通信網から音声パケットを受信するパケット受信部と、音声パケットの格納データを伸長することによって音声データを復元する音声伸長部と、音声伸長部から出力された音声データの一部を所定の割合で廃棄するデータ廃棄部と、当該データ廃棄部によって廃棄されなかった音声データを受信順に格納・出力するメモリ部と、該メモリ部に音声データが格納されているときは当該音声データを順次音声信号に変換して出力し且つ該メモリ部に音声データが格納されていないときはダミー音声信号を出力する復号化部とを備える。

本発明では、データ廃棄部で音声データの一部を所定の割合で廃棄し、且つ、復号化部で必要に応じてダミー音声信号を挿入することとした。これにより、システムクロックが非同期であることに起因する遅延時間の拡大を、一定範囲内に抑えることができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、図中、各構成成分の大きさ、形状および配置関係は、この発明が理解できる程度に概略的に示してあるにすぎず、また、以下に説明する数値的条件は単なる例示にすぎない。

図１は、本実施形態に係る非同期音声通信システムの全体構成を概略的に示すブロック図である。

ＩＰ網１００は、例えばインターネットやＬＡＮ(Local Area Network)等の、ＩＰ(Internet protocol) を用いた通信網である。ＩＰ網１００には、多数台のＶｏＩＰゲートウエイ装置が接続される。図１では、２台のＶｏＩＰゲートウエイ装置１１０，１２０のみが示されている。各ＶｏＩＰゲートウエイ装置１１０，１２０は、同期していない。

ＶｏＩＰゲートウエイ装置１１０は、多数台の端末１３０，１３０，・・・を収容している。また、ＶｏＩＰゲートウエイ装置１１０は、端末１３０に代えて、ＰＢＸ(private branch exchage)を収容することもできる。図１には、ＶｏＩＰゲートウエイ装置１１０の内部構成のうち、送信機能に寄与する構成の要部のみが示されている。図１に示したようにＶｏＩＰゲートウエイ装置１１０の送信機能は、ＰＣＭ符号化部１１１と、ＦＩＦＯメモリ１１２と、音声圧縮部１１３と、パケット送信部１１４とを備えている。

ＰＣＭ符号化部１１１は、対応する端末１３０が出力したアナログ音声信号を受け取り、所定のサンプリング周期で、ＰＣＭ(Pulse Code Modulation) 符号化する。ＰＣＭとは、アナログの音声信号をデジタルの音声データに変換するための方式の一つである。ＰＣＭ符号化部１１１は、この符号化処理によって得られた音声データを、ＦＩＦＯメモリ１１２に書き込む。

ＦＩＦＯメモリ１１２は、通常のファーストイン・ファーストアウトメモリであり、ＰＣＭ符号化部１１１から受け取った音声データを、入力順に格納し、且つ、この順序で出力する。

音声圧縮部１１３は、ＦＩＦＯメモリ１１２から音声データを順次読み出して、圧縮する。圧縮方式は、任意である。

パケット送信部１１４は、圧縮音声データを音声圧縮部１１３から入力し、ＩＰパケット化して、ＩＰ網１００に送る。

ＶｏＩＰゲートウエイ装置１２０は、多数台の端末１４０，１４０，・・・を収容している。また、ＶｏＩＰゲートウエイ装置１２０は、端末１４０に代えて、ＰＢＸ(private branch exchage)を収容することもできる。図１には、ＶｏＩＰゲートウエイ装置１２０の内部構成のうち、受信機能に寄与する構成の要部のみが示されている。図１に示したようにＶｏＩＰゲートウエイ装置１２０の受信機能は、パケット受信部１２１と、揺らぎ吸収バッファ１２２と、音声伸長部１２３と、データ廃棄部１２４と、ＦＩＦＯメモリ１２５と、ＰＣＭ復号化部１２６とを備えている。

パケット受信部１２１は、ＩＰ網１００より受信されたＩＰパケットから、圧縮音声データを抽出する。

揺らぎ吸収バッファ１２２は、圧縮された音声データをパケット受信部１２１から随時受け取り、一定の時間間隔で出力する。これにより、ＩＰ網１００で発生したＩＰパケット転送時間のばらつき（すなわち揺らぎ）を吸収することができる。

音声伸長部１２３は、揺らぎ吸収バッファ１２２を圧縮音声データを受け取り、かかる圧縮音声データを伸長する。これにより、ＰＣＭ符号化された音声データが復元される。この音声データは、フレーム単位で、音声伸長部１２３から出力される。

データ廃棄部１２４は、音声伸長部１２３から出力された音声データの一部を、所定の割合で廃棄する。このデータ廃棄部１２４は、データ通過量カウンタ１２４ａと書き込み制御部１２４ｂとを備えている。データ通過量カウンタ１２４ａは、音声伸長部１２３からＦＩＦＯメモリ１２５に送られる音声データのフレーム数を計数する。また、書き込み制御部１２４ｂは、データ通過量カウンタの計数値が所定フレーム数に達する前は、音声データをＦＩＦＯメモリ１２５に順次書き込み、且つ、データ通過量カウンタの計数値が所定フレーム数に達したときは、その次の１個のフレームをＦＩＦＯメモリ１２５に書き込まずに廃棄するとともにデータ通過量カウンタ１２４ａの計数値をリセットする。

ＦＩＦＯメモリ１２５は、通常のファーストイン・ファーストアウトメモリである。書き込み制御部１２４ｂによって書き込まれた音声データは、ＦＩＦＯメモリ１２５内に書き込み順に格納され、且つ、この順序で出力される。

ＰＣＭ復号化部１２６は、ＦＩＦＯメモリ１２５に音声データが格納されているときは、かかる音声データを読み出して、所定のサンプリング周期でアナログの音声信号に変換する。また、ＰＣＭ復号化部１２６は、ＦＩＦＯメモリ１２５に音声データが格納されていないときは、ダミーの音声信号を出力する。ここで、ダミーの音声信号としては、その直前にＦＩＦＯメモリ１２５より読み出された音声データから生成された音声信号を、そのまま使用する。ＰＣＭ復号化部１２６から出力された音声信号は、対応する端末１４０に送られる。

このように、本実施形態のゲートウエイ装置１２０では、ＦＩＦＯメモリ１２５のデータ蓄積量に応じてデータ廃棄部１２４がデータ廃棄を行うのではなく、音声伸長部１２３からＦＩＦＯメモリ１２５に送られるデータの総量に応じてデータを廃棄する。また、上述のように、ＦＩＦＯメモリ１２５から出力された音声データは、ＰＣＭ復号化部１２６において、所定のサンプリング周期で復号化される。したがって、データ廃棄部１２４におけるデータ廃棄量は、音声通話開始からの経過時間に比例することになる。すなわち、データ廃棄部１２４は、一定の通話時間毎に音声データを廃棄することになる。

次に、本実施形態に係るシステムの動作例について、ＶｏＩＰゲートウエイ装置１１０からＶｏＩＰゲートウエイ装置１２０に音声データを送る場合を例に採り、図２〜図４を用いて説明する。上述のように、本実施形態のシステムでは、ＶｏＩＰゲートウエイ装置１１０，１２０が非同期なので、多くの場合、送信側サンプリング周期（ＰＣＭ符号化部１１１のサンプリング周期）と受信側サンプリング周期（ＰＣＭ復号化部１２６のサンプリング周期）とは一致しない。

図２は、送信側サンプリング周期よりも受信側サンプリング周期が長い場合のシステムの動作を示す概念図である。また、図３は、図２の動作を行った際の遅延時間の変動を示す概念図である。以下の説明では、送信側サンプリング周期と受信側サンプリング周期との比を６：７とする。

送信側ＶｏＩＰゲートウエイ装置１１０では、まず、ＰＣＭ符号化部１１１が、音声信号Ｓ０，Ｓ１，・・・をサンプリング周期毎に切り出してＰＣＭ符号化することにより音声データＰ０，Ｐ１，・・・を生成し、ＦＩＦＯメモリ１１２に送る。すなわち、ＰＣＭ符号化部１１１は、１個のサンプリング周期毎に、１フレームの音声データを生成する。音声圧縮部１１３は、音声データフレームＰ０，Ｐ１，・・・を２個ずつ圧縮して、１個の圧縮音声データを生成する。パケット送信部１１４は、圧縮音声データを１個ずつＩＰパケット化し、一定の時間間隔でＩＰ網１００に出力する。

受信側のＶｏＩＰゲートウエイ装置１２０では、まず、パケット受信部１２１が、ＩＰパケットから圧縮音声データを抽出する。音声伸長部１２３は、揺らぎ吸収バッファ１２２を介して圧縮音声データを受け取り、圧縮前の音声データフレームＰ０，Ｐ１，・・・を復元する。データ廃棄部１２４は、４フレームの音声データをＦＩＦＯメモリ１２５に書き込む度に、次の１フレームの音声データを廃棄する。すなわち、データ廃棄部１２４は、音声データフレームＰ４，Ｐ９，Ｐ１４，・・・を廃棄する。ＰＣＭ復号化部１２６は、ＦＩＦＯメモリ１２５に音声データフレームが格納されているときは、サンプリング周期毎に１フレームの音声データを読み出して復号化し、また、ＦＩＦＯメモリ１２５に音声データが格納されていないときは前回の再生音声信号を再度出力する。図２の例では、書き込み制御部１２４ｂによって、ＦＩＦＯメモリ１２５に、音声データフレームＰ０〜Ｐ３，Ｐ５〜Ｐ８が順次書き込まれ、これらがＰＣＭ復号化部１２６によって復号化される。しかし、音声データフレームＰ８の復号化が終了した直後には、ＦＩＦＯメモリ１２５に音声データフレームが格納されていない。このため、ＰＣＭ復号化部１２６は、音声データフレームＰ８を復号化することによって得られる音声信号Ｓ８を、再度出力する。この直後には、次の音声データフレームＰ１０がＦＩＦＯメモリ１２５に格納されている。したがって、ＰＣＭ復号化部１２６は、この音声データフレームＰ１０を復号化して出力する。

図３に示したように、最初の音声信号Ｓ０の遅延時間（初期遅延）をＤとすると、音声信号Ｓ５の遅延時間はＤ−ｄ１、音声信号Ｓ１１の遅延時間はＤ＋ｄ２、音声信号Ｓ１６の遅延時間はＤ＋ｄ３となる。このように、遅延時間は、音声データフレームの廃棄およびダミー音声信号の挿入に応じて遅延時間は変動するが、一定の範囲内（例えばＤ−ｄ１からＤ＋ｄ２間の範囲内）となる。

図４は、送信側サンプリング周期よりも受信側サンプリング周期が短い場合のシステム動作を示す概念図である。

本実施形態のシステムでは、受信側サンプリング周期の方が短い場合のシステム動作も、受信側サンプリング周期の方が長い場合のシステム動作（上述）と全く同じである。

送信側サンプリング周期よりも受信側サンプリング周期の方が短い場合、このことに起因して、ＦＩＦＯメモリ１２５に空状態が発生する。加えて、データ廃棄部１２４は、受信側サンプリング周期の方が長い場合（図２、図３参照）と同様、４フレームの音声データをＦＩＦＯメモリ１２５に書き込む度に次の１フレームの音声データを廃棄する。このため、ＰＣＭ復号化部１２６がダミー音声信号を出力する頻度が、上述の場合（図２、図３参照）よりも高くなる。

上述のように、本実施形態では、データ廃棄部１２４を通過するデータ量と廃棄されるデータ量との比を４：１としたが、この比は、各ＶｏＩＰゲートウエイ装置に許容されるシステムクロック誤差の最大値に応じて決定すればよい。

以上説明したように、本実施形態では、データ廃棄部１２４が定期的に音声データフレームを廃棄し、且つ、ＰＣＭ復号化部１２６が必要に応じてダミー音声信号を挿入するように、ＶｏＩＰゲートウエイ装置１２０の受信部を構成した。これにより、送信側サンプリング周期よりも受信側サンプリング周期の方が長い場合に遅延時間が拡大していくという不都合を回避することができる。

また、本実施形態のＶｏＩＰゲートウエイ装置１２０は、受信側サンプリング周期の方が短い場合にも、そのまま同じ動作で使用することができる。

なお、本実施形態では、本発明をＶｏＩＰ音声通信システムに適用した例を示したが、例えばＶＴＯＡ音声通信システムに本発明を適用することも可能である。

実施形態に係るシステム構成を概略的に示すブロック図である。 実施形態に係る非同期通信用ゲートウエイ装置の動作を説明するための概念図である。 実施形態に係る非同期通信用ゲートウエイ装置の動作を説明するための概念図である。 実施形態に係る非同期通信用ゲートウエイ装置の動作を説明するための概念図である。 従来の非同期通信用ゲートウエイ装置を説明するための概念図である。

符号の説明

１００ ＩＰ網
１１０ 送信側ＶｏＩＰゲートウエイ装置
１１１ ＰＣＭ符号化部
１１２ ＦＩＦＯメモリ
１１３ 音声圧縮部
１１４ パケット送信部
１２０ 受信側ＶｏＩＰゲートウエイ装置
１２１ パケット受信部
１２２ 揺らぎ吸収バッファ
１２３ 音声伸長部
１２４ データ廃棄部
１２５ ＦＩＦＯメモリ
１２６ ＰＣＭ復号化部
１３０，１４０ 端末またはＰＢＸ

Claims (4)

1. パケット通信網を介して他のゲートウエイ装置との間で非同期の音声通信を行うゲートウエイ装置であって、
   前記パケット通信網から音声パケットを受信するパケット受信部と、
   前記音声パケットの格納データを伸長することによって音声データを復元する音声伸長部と、
   前記音声伸長部から出力された前記音声データの一部を所定の割合で廃棄するデータ廃棄部と、
   当該データ廃棄部によって廃棄されなかった前記音声データを受信順に格納・出力するメモリ部と、
   該メモリ部に前記音声データが格納されているときは当該音声データを順次音声信号に変換して出力し、且つ、該メモリ部に前記音声データが格納されていないときはダミー音声信号を出力する復号化部と、
   を備えることを特徴とする非同期音声通信用ゲートウエイ装置。
2. 前記データ廃棄部が、
   前記音声伸長部から前記メモリ部に送信される前記音声データのデータ量を計数するデータ通過量カウンタと、
   当該データ通過量カウンタの計数値が第１所定量に達する前は、前記音声伸長部から入力した前記音声データを前記メモリ部に順次書き込み、且つ、該計数値が前記第１所定量に達したときは、その後前記音声伸長部から入力された第２所定量の前記音声データを廃棄した後で前記データ通過量カウンタの計数値をリセットする書き込み制御部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の非同期音声通信用ゲートウエイ装置。
3. 前記ダミー音声信号が、前回の前記メモリ部からの読み出しによって生成された前記音声信号と同じ音声信号であることを特徴とする請求項１または２に記載の非同期音声通信用ゲートウエイ装置。
4. 前記パケット受信部から前記格納データを入力し、前記パケット通信網で発生した遅延時間の揺らぎを吸収する処理を行って前記音声伸長部に出力する、揺らぎ吸収バッファをさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の非同期音声通信用ゲートウエイ装置。

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