JP4076981B2 - 通信端末装置およびバッファ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、パケット通信システムに係り、特に、リアルタイム通信に用いて好適な通信端末装置およびバッファ制御方法に関する。

従来、ＩＰ（Internet Protocol）網などのパケット網を利用してリアルタイム通信を行うパケット通信システムが知られている。例えば、ＩＰ電話システムやテレビ会議システムなどがある。パケット網においてはパケット伝送に掛かる遅延時間が変動するために、送信端末から受信端末にパケットが到着するまでに掛かる時間がゆらぐ。また、送信端末と受信端末間のクロック周波数の誤差によっても、同様の時間ゆらぎが生じる。リアルタイム通信においては、そのパケット到着ゆらぎ（ジッタ）は、通信品質を劣化させる一要因となる。このため、従来よりジッタ対策として、受信端末にはジッタ吸収用のバッファ（以下、ジッタバッファと称する）が設けられている。そして、受信端末は、ジッタバッファ内にある程度の量（初期蓄積量）の受信パケットが蓄積されてから、ジッタバッファから受信パケットを読み出して音声等の再生を行う。また、ジッタバッファの初期蓄積量の調節方法としては、直前のパケット到着時のジッタ量に応じて初期蓄積量を増減させるものが知られている。
特許第３０７５２４６号公報

しかし、上述した従来の技術では、ジッタバッファの初期蓄積量を直前のパケット到着時のジッタ量に応じて調節するので、パケット網の現状に対応するだけの瞬時的な調整にとどまるおそれがあり、必ずしも適切な調整が行われないという問題がある。例えば、ある瞬間にパケット到着遅延が増大すると、この遅延増大が瞬時的なものであるにもかかわらず、当該遅延ゆらぎに合わせて初期蓄積量が大きくなる。この結果、ジッタバッファ内には、冗長な量のパケットが滞留することとなり、無用な固定遅延が受信パケットに付加される。

また、ネットワークの輻輳等により到着が遅れた複数のパケットがまとまって到着した場合、ジッタバッファの蓄積量が急激に増加する。しかしながら、従来の技術では、その増加分については自然解消に任されるので、増加滞留量の解消に時間がかかり、受信パケットに付加される固定遅延が通常よりも大きい状態が長時間継続し、リアルタイム通信の品質劣化が問題となる。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ジッタバッファの初期蓄積量の調整を適切に行うことができると共に、ジッタバッファにより受信パケットに付加される固定遅延を適正に保つように制御することができる通信端末装置およびバッファ制御方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る通信端末装置は、パケット網に接続してパケット通信を行い、受信パケットを一時的に蓄積するジッタバッファを備える通信端末装置において、過去の一定期間に受信したパケットから当該期間におけるジッタ量を算出するジッタ量算出手段と、前記算出したジッタ量に基づいて前記ジッタバッファの初期蓄積量を更新する初期蓄積量設定手段と、前記ジッタバッファの蓄積量に基づいて前記ジッタバッファからのパケット出力速度を変更する速度制御手段とを備えたことを特徴としている。

本発明に係る通信端末装置においては、前記算出したジッタ量に基づいて、前記パケット出力速度の変更を判定するための閾値を設定する閾値設定手段を備えたことを特徴とする。

本発明に係る通信端末装置においては、前記受信パケットに含まれる受信データを再生する再生手段を備え、前記速度制御手段は、前記パケット出力速度の変更に合わせて、前記再生手段での再生速度を変更することを特徴とする。

本発明に係るバッファ制御方法は、パケット網に接続してパケット通信を行い、受信パケットを一時的に蓄積するジッタバッファを備えた通信端末装置におけるバッファ制御方法であって、過去の一定期間に受信したパケットから当該期間におけるジッタ量を算出する過程と、前記算出したジッタ量に基づいて前記ジッタバッファの初期蓄積量を更新する過程と、前記ジッタバッファの蓄積量に基づいて前記ジッタバッファからのパケット出力速度を変更する過程とを含むことを特徴としている。

本発明に係るバッファ制御方法においては、前記算出したジッタ量に基づいて、前記パケット出力速度の変更を判定するための閾値を設定する過程をさらに含むことを特徴とする。

本発明に係るバッファ制御方法においては、前記パケット出力速度の変更に合わせて、前記受信パケットに含まれる受信データを再生する速度を変更する過程をさらに含むことを特徴とする。

本発明によれば、過去の一定期間に受信したパケットから当該期間におけるジッタ量を算出し、このジッタ量に基づいて初期蓄積量を更新するので、ジッタバッファの初期蓄積量の調整を適切に行うことができる。

また、ジッタバッファの蓄積量に基づいてジッタバッファからのパケット出力速度を変更するので、ジッタバッファにより受信パケットに付加される固定遅延を適正に保つように制御することができる。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態を説明する。本実施形態においては、パケット通信システムの具体的な一例として、音声パケットによるＩＰ電話システムを挙げて説明する。なお、本発明は、音声パケットに限らず、画像パケットなどの各種パケットに適用可能であり、特に、リアルタイム通信に用いて好適なものである。例えば、テレビ会議システムなどにも適用することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るＩＰ電話システムの概略構成を示すブロック図である。図１において、ＩＰ電話端末であるパケット電話機１ａ，１ｂ（通信端末装置）はそれぞれパケット網１００に接続されている。パケット電話機１ａ，１ｂは、パケット網１００を介して相互に音声パケットを送受する。音声パケットには、通話音声データが格納されている。この音声パケットを用いた音声パケット通信により、パケット電話機１ａ，１ｂ間において音声通話が可能となる。

図２は、図１に示すパケット電話機１ａ，１ｂ（以下、特に区別しないときは「パケット電話機１」と称する）の構成を示すブロック図である。図２において、パケット電話機１は、網接続インタフェース部１１、音声パケット送信部１２、音声パケット受信部１３、ジッタバッファ１４、音声符号化部１５、音声復号部１６、マイク１７、スピーカ１８、バッファ閾値設定部２０及びバッファ制御部２１を備える。以下、図２を参照して、パケット電話機１の構成及び動作を詳細に説明する。

先ず、網接続インタフェース部１１は、パケット網１００との接続インタフェース機能を有するものであり、パケット網１００に接続してパケットの送受信を行う。

次に、音声パケット送信に係る構成及び動作を説明する。
マイク１７により入力された音声信号は音声符号化部１５に入力される。音声符号化部１５は、この入力音声をデジタル化及び符号化して音声パケット送信部１２へ出力する。音声パケット送信部１２は、この音声符号化データをパケット化して網接続インタフェース部１１へ出力する。網接続インタフェース部１１は、この音声パケットをパケット網１００へ送信する。

次に、音声パケット受信に係る構成及び動作を説明する。
網接続インタフェース部１１は、パケット網１００から音声パケットを受信すると、音声パケット受信部１３へ出力する。音声パケット受信部１３は、この受信パケットをジッタバッファ１４へ格納する。

ジッタバッファ１４は、受信パケットを一時的に蓄積するものである。ジッタバッファ１４の初期蓄積量は可変である。ジッタバッファ１４において、受信パケットの蓄積開始後、受信パケットの蓄積量が初期蓄積量に到達するまでは蓄積した受信パケットは出力されない。そして、初期蓄積量分の受信パケットが蓄積されてから、蓄積した受信パケットの出力が開始される。このパケット出力順序は蓄積した順番に従う。また、ジッタバッファ１４からのパケット出力速度は可変である。また、パケット出力の一時停止および再開も可能である。

音声復号部１６は、ジッタバッファ１４から出力された受信パケット内の音声符号化データを復号及びアナログ化してスピーカ１８へ出力する。そして、スピーカ１８が入力される音声信号を再生する。音声復号部１６では、音声の再生速度は可変である。

次に、上記したジッタバッファ１４の蓄積量の調整に係る構成及び動作を説明する。
バッファ閾値設定部２０は、ジッタバッファ１４の蓄積量の調整に係る各種のバッファ閾値の設定を行う。この設定する閾値は、過去の一定期間に受信したパケットから当該期間におけるジッタ量を算出し、このジッタ量に応じた値とする。

図３は、バッファ閾値設定部２０の構成を示すブロック図である。図４は、本実施形態に係るジッタ量算出方法を説明するための説明図である。
図３において、ゆらぎ算出部２０２は、一定の切替間隔ごとに、切替時点直前の一定の参照期間に受信したパケットのジッタ量を算出する。タイミング発生部２０１は、その切替タイミングを発生してゆらぎ算出部２０２に出力する。図４には、切替間隔ごとの時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、・・・、ｔ４、ｔ５、ｔ６が示されている。そして、ゆらぎ算出部２０２は、例えば時刻ｔ６では、過去の時刻ｔ３からｔ６までの参照期間に受信したパケットのジッタ量を算出する。参照期間は、直前の到着パケットのみならず、過去の複数の到着パケットが含まれるように設定する。

ゆらぎ算出部２０２は、音声パケット受信部１３からパケットの受信ごとに受信時刻を受け取ると共に、受信パケットに含まれる送信時刻を受け取る。送信時刻は、通信相手のパケット電話機１が当該パケットを送信した時刻である。そして、その受信時刻と送信時刻との差を算出し、この時刻差に基づいて参照期間におけるジッタ量を求める。例えば、参照期間において、受信時刻と送信時刻の時刻差の変動量の標準偏差を算出する。或いは、ＩＥＴＦ（Internet Engineering Task Force）のＲＦＣ３５５０で規定されているジッタ量を算出する。ゆらぎ算出部２０２は、切替間隔ごとに、今回の参照期間におけるジッタ量を各閾値算出部２０３、２０４、２０５、２０６に出力する。

各閾値算出部２０３、２０４、２０５、２０６は、ゆらぎ算出部２０２からのジッタ量に応じた各閾値を算出し、バッファ制御部２１に設定する。図５は、ジッタバッファ１４の蓄積量の調整に係る各種のバッファ閾値の設定について説明するための説明図である。図５に示されるように、閾値の大きい順に、高速再生閾値、再生開始閾値、低速再生閾値、再生停止閾値が各々設定される。

再生開始閾値算出部２０３は、ジッタ量に応じた再生開始閾値を算出する。再生開始閾値は、ジッタバッファ１４の初期蓄積量を規定する閾値である。
高速再生閾値算出部２０４は、ジッタ量に応じた高速再生閾値を算出する。高速再生閾値は、ジッタバッファ１４からのパケット出力速度および音声再生速度を通常速度よりも上げるか否かを判定するための蓄積量を規定する閾値である。
低速再生閾値算出部２０５は、ジッタ量に応じた低速再生閾値を算出する。低速再生閾値は、ジッタバッファ１４からのパケット出力速度および音声再生速度を通常速度よりも下げるか否かを判定するための蓄積量を規定する閾値である。
再生停止閾値算出部２０６は、ジッタ量に応じた再生停止閾値を算出する。再生停止閾値は、ジッタバッファ１４からのパケット出力を停止して音声再生を停止するか否かを判定するための蓄積量を規定する閾値である。

上記パケット出力速度に係る通常速度とは、送信側のパケット電話機１におけるパケット送信時の所定のパケット化速度であり、受信側のパケット電話機１では、通常、そのパケット化速度と同じ速度でジッタバッファ１４から受信パケットを出力する。
上記音声再生速度に係る通常速度とは、送信側のパケット電話機１における話者音声の入力速度であり、受信側のパケット電話機１では、通常、その入力速度と同じ速度で音声再生を行う。

バッファ制御部２１は、ジッタバッファ１４の蓄積量を監視し、この蓄積量と上記した高速再生閾値、再生開始閾値、低速再生閾値及び再生停止閾値とに基づいて、ジッタバッファ１４からのパケット出力および音声復号部１６の音声再生を制御する。図６は、バッファ制御部２１に係る制御状態の遷移図である。

図６において、先ず、ジッタバッファ１４への受信パケットの蓄積が開始されると、蓄積量が再生開始閾値に到達するまでは、ジッタバッファ１４からのパケット出力は行わずに蓄積を継続すると共に、音声復号部１６での音声再生も行わない（ステップＳ１）。

上記ステップＳ１の蓄積状態において、蓄積量が再生開始閾値に到達したら、ジッタバッファ１４から受信パケットの出力を開始し、音声復号部１６で通常速度での音声再生を行う（ステップＳ２）。この通常再生状態では、ジッタバッファ１４からのパケット出力速度は通常速度である。

上記ステップＳ２の通常再生において、蓄積量が高速再生閾値まで増加したら、ジッタバッファ１４からのパケット出力速度を上げると共に、音声復号部１６での音声再生速度を上げる（ステップＳ３）。このパケット出力速度と音声再生速度の上昇量は対応している。ステップＳ３の高速再生状態により、ジッタバッファ１４において一時的に増加した受信パケットの滞留量をいち早く解消することができる。

上記ステップＳ３の高速再生状態において、蓄積量が高速再生閾値を下回ったら、ジッタバッファ１４からのパケット出力速度を通常速度に戻すと共に、音声復号部１６での音声再生速度も通常速度に戻す。

上記ステップＳ２の通常再生において、蓄積量が低速再生閾値まで減少したら、ジッタバッファ１４からのパケット出力速度を下げると共に、音声復号部１６での音声再生速度を下げる（ステップＳ４）。このパケット出力速度と音声再生速度の下降量は対応している。ステップＳ４の低速再生状態により、ジッタバッファ１４において一時的に減少した受信パケットの滞留量をいち早く通常レベルに戻すと共に、受信パケットの不足による再生音声の途切れを防止することができる。

上記ステップＳ４の低速再生状態において、蓄積量が低速再生閾値を上回ったら、ジッタバッファ１４からのパケット出力速度を通常速度に戻すと共に、音声復号部１６での音声再生速度も通常速度に戻す。

上記ステップＳ４の低速再生状態において、蓄積量がさらに減少し、再生停止閾値に達したら、ジッタバッファ１４からのパケット出力を停止すると共に、音声復号部１６での音声再生も停止する。そして、上記ステップＳ１の蓄積状態に遷移する。

図７〜図９は、上記した音声再生速度の変更方法を説明するためのグラフ図である。
図７に示される音声再生速度の変更方法では、通常再生状態での再生速度に対して、高速再生状態では一定の上昇値をもって再生速度を変更し、高速再生状態では一定の下降値をもって再生速度を変更する。この変更方法は（１）式により表される。
ｈ＝ｎ＋ｋ ・・・（１）
但し、ｈは再生速度、ｎは通常の再生速度、ｋは定数（高速再生状態では正の値、低速再生状態では負の値）である。

図８に示される音声再生速度の変更方法では、通常再生状態での再生速度に対して、高速再生状態では高速再生閾値からの蓄積量増加分に比例した上昇率をもって再生速度を変更し、低速再生状態では蓄積量減少分に比例した下降率をもって再生速度を変更する。この変更方法は（２）式により表される。
ｈ＝ｎ＋ａｄ ・・・（２）
但し、ｈは再生速度、ｎは通常の再生速度、ｄは閾値からの蓄積量の差（高速再生状態では高速再生閾値からの差の絶対値、低速再生状態では低速再生閾値からの差の絶対値）、ａは速度変更係数（高速再生状態では正の値、低速再生状態では負の値）である。

図９に示される音声再生速度の変更方法では、通常再生状態での再生速度に対して、高速再生状態では高速再生閾値からの蓄積量増加分に二乗比例した上昇率をもって再生速度を変更し、低速再生状態では蓄積量減少分に二乗比例した下降率をもって再生速度を変更する。この変更方法は（３）式により表される。
ｈ＝ｎ＋ａｄ^２ ・・・（３）
但し、ｈは再生速度、ｎは通常の再生速度、ｄは閾値からの蓄積量の差（高速再生状態では高速再生閾値からの差、低速再生状態では低速再生閾値からの差）、ａは速度変更係数（高速再生状態では正の値、低速再生状態では負の値）である。

なお、上記した音声再生速度の変更は、単純に再生周波数を変更するものであってもよく、或いは、再生音声のピッチ（音程）を一定に保つようにするものであってもよい。

上述した実施形態によれば、過去の一定期間に受信したパケットから当該期間におけるジッタ量を算出し、このジッタ量に基づいて初期蓄積量を更新するので、ジッタバッファの初期蓄積量の調整を適切に行うことができる。

また、高速再生閾値を用いてジッタバッファからのパケット出力速度を上げる制御を行うので、ジッタバッファにおいて一時的に増加した受信パケットの滞留量をいち早く解消することができる。

また、低速再生閾値を用いてジッタバッファからのパケット出力速度を下げる制御を行うので、ジッタバッファにおいて一時的に減少した受信パケットの滞留量をいち早く通常レベルに戻すと共に、受信パケットの不足による再生音声の途切れを防止することができる。

上述したように本実施形態によれば、ジッタバッファにより受信パケットに付加される固定遅延を適正に保つように制御することができる。

また、上記したジッタバッファからのパケット出力速度の変更に合わせて再生速度を変更するので、再生音声の品質を良好に保つことができる。

以上説明したように、本発明に係る実施形態によれば、ネットワークの輻輳等の状態や、送信端末と受信端末間のクロック周波数の誤差などに起因した時間ゆらぎに対して、適正なバッファ量を維持するように制御することが可能となる。

以上、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明の一実施形態によるＩＰ電話システムの構成を示すブロック図である。 図１に示すパケット電話機１（通信端末装置）の構成を示すブロック図である。 図２に示すバッファ閾値設定部２０の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るジッタ量算出方法を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係るジッタバッファの蓄積量の調整に係る各種のバッファ閾値の設定について説明するための説明図である。 図１に示すバッファ制御部２１に係る制御状態の遷移図である。 本発明の実施形態に係る音声再生速度の変更方法を説明するためのグラフ図である。 本発明の実施形態に係る音声再生速度の変更方法を説明するためのグラフ図である。 本発明の実施形態に係る音声再生速度の変更方法を説明するためのグラフ図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ…パケット電話機（通信端末装置）、１３…音声パケット受信部、１４…ジッタバッファ、１６…音声復号部、２０…バッファ閾値設定部、２１…バッファ制御部、１００…パケット網、２０１…タイミング発生部、２０２…ゆらぎ算出部、２０３…再生開始閾値（初期蓄積量）算出部、２０４…高速再生閾値算出部、２０５…低速再生閾値算出部、２０６…再生停止閾値算出部。

Claims (6)

1. パケット網に接続してパケット通信を行い、受信パケットを一時的に蓄積するジッタバッファを備える通信端末装置において、
   過去の一定期間に受信したパケットから当該期間におけるジッタ量を算出するジッタ量算出手段と、
   前記算出したジッタ量に基づいて前記ジッタバッファの初期蓄積量を更新する初期蓄積量設定手段と、
   前記ジッタバッファの蓄積量に基づいて前記ジッタバッファからのパケット出力速度を変更する速度制御手段と、
   前記算出したジッタ量に基づいて、前記パケット出力速度の変更を判定するための閾値を設定する閾値設定手段と、を備え、
   前記閾値設定手段は、
   前記ジッタバッファからのパケット出力速度を通常速度よりも上げるか否かを判定するための高速再生閾値を算出する高速再生閾値算出手段と、
   前記ジッタバッファからのパケット出力速度を通常速度よりも下げるか否かを判定するための低速再生閾値を算出する低速再生閾値算出手段と、
   前記ジッタバッファからのパケット出力を停止するか否かを判定するための再生停止閾値を算出する再生停止閾値算出手段と、を有する、
   ことを特徴とする通信端末装置。
2. 一定間隔で切替タイミングを発生するタイミング発生手段を備え、
   前記ジッタ量算出手段は、該切替タイミングごとに、切替時点直前の一定の参照期間に受信したパケットのジッタ量を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信端末装置。
3. 前記受信パケットに含まれる受信データを再生する再生手段を備え、
   前記速度制御手段は、
   前記パケット出力速度の変更に合わせて、前記再生手段での再生速度を、通常再生状態での再生速度に対して、高速再生状態では一定の上昇値をもって再生速度を変更し、高速再生状態では一定の下降値をもって再生速度を変更する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の通信端末装置。
4. 前記受信パケットに含まれる受信データを再生する再生手段を備え、
   前記速度制御手段は、
   前記パケット出力速度の変更に合わせて、前記再生手段での再生速度を、通常再生状態での再生速度に対して、高速再生状態では高速再生閾値からの蓄積量増加分に比例した上昇率をもって再生速度を変更し、低速再生状態では蓄積量減少分に比例した下降率をもって再生速度を変更する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の通信端末装置。
5. 前記受信パケットに含まれる受信データを再生する再生手段を備え、
   前記速度制御手段は、
   前記パケット出力速度の変更に合わせて、前記再生手段での再生速度を、通常再生状態での再生速度に対して、高速再生状態では高速再生閾値からの蓄積量増加分に二乗比例した上昇率をもって再生速度を変更し、低速再生状態では蓄積量減少分に二乗比例した下降率をもって再生速度を変更する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の通信端末装置。
6. パケット網に接続してパケット通信を行い、受信パケットを一時的に蓄積するジッタバッファを備えた通信端末装置におけるバッファ制御方法であって、
   過去の一定期間に受信したパケットから当該期間におけるジッタ量を算出する過程と、
   前記算出したジッタ量に基づいて前記ジッタバッファの初期蓄積量を更新する過程と、
   前記ジッタバッファの蓄積量に基づいて前記ジッタバッファからのパケット出力速度を変更する過程と、
   前記算出したジッタ量に基づいて、前記パケット出力速度の変更を判定するための閾値を設定する閾値設定過程と、を含み、
   前記閾値設定過程は、
   前記ジッタバッファからのパケット出力速度を通常速度よりも上げるか否かを判定するための高速再生閾値を算出する高速再生閾値算出過程と、
   前記ジッタバッファからのパケット出力速度を通常速度よりも下げるか否かを判定するための低速再生閾値を算出する低速再生閾値算出過程と、
   前記ジッタバッファからのパケット出力を停止するか否かを判定するための再生停止閾値を算出する再生停止閾値算出過程と、を有する、
   ことを特徴とするバッファ制御方法。

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