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补偿报文分组时延变化的系统和方法

摘要

一种系统改进了分组网络中实时数据的重构。该系统包括下列组件。用于接收来自网络的报文分组的播放缓冲器(106)。重放部件(102),其与所述播放缓冲器(106)相连,用于从所述播放缓冲器(106)重新获得报文分组并输出数据以实现实时数据的重构。时间调整器(502),其根据报文分组的有效性来改变数据输出的速率。

著录项

  • 公开/公告号CN1613256A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2005-05-04

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 卡提纳网络公司;

    申请/专利号CN02826643.9

  • 发明设计人 埃里克·韦罗特;

    申请日2002-11-27

  • 分类号H04N7/173;

  • 代理机构北京英赛嘉华知识产权代理有限责任公司;

  • 代理人葛强

  • 地址 美国加利福尼亚州

  • 入库时间 2023-12-17 16:08:21

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2011-02-16

    未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H04N7/173 授权公告日:20090708 终止日期:20091228 申请日:20021127

    专利权的终止

  • 2009-07-08

    授权

    授权

  • 2005-07-06

    实质审查的生效

    实质审查的生效

  • 2005-05-04

    公开

    公开

说明书

相关申请的交叉引用

不适用

关于联邦政府资助的研究或开发对发明权利的声明

不适用

对以光盘提交的“序列表”、表格或计算机程序列表附件的参考

不适用

                        发明背景

本发明涉及分组网络中的数据流传输,尤其涉及对在这种网络中传输的连续时间信号的时延(delay)变化进行补偿的系统和方法。

报文分组(packet)是在诸如互联网的分组交换网络中的起源地与目的地之间发送的数据的单位。在使用报文分组的系统中,将被传输的数据被分成具有预定大小的多个报文分组。这些报文分组被分配以标识号和目的地地址并通过网络传输。一旦报文分组抵达目的地,则它们的数据部分被进行重编以重新构建出原始发送的数据。但是,由于各种端对端(end-to-end)的时延(例如,像交替的数据路径之类),报文分组不一定会按照发送时的次序抵达目的地。因此,不能简单地按照这些报文分组的接收次序而对它们进行重编。解决这个问题的一个方法是,在接收这些报文分组时对它们加以缓冲。缓冲器越大,则报文分组准时抵达其目的地的可允许误差(leeway)也越大。一旦完成了对这些报文分组的接收,则可根据它们的标识号按照适当顺序对它们加以重编。

在对连续时间信号进行分组的应用中,典型地在接收地点对报文分组加以缓冲,并且它们的播放(play-out)被延迟以便对网络的端对端的时延变化进行补偿。如上所述,缓冲器引入了附加时延,该时延使系统能够及时地保持计划待在后面播放的报文分组。因此,它提供了一个时间窗口,网络端对端时延可在这一时间窗口范围内变化。在非实时应用的场合下,如音频或视频流传输,通常将缓冲器所引入的选定时延设定为很长的时间长度。这种很长的时间长度减小了接收滞后的报文分组的概率。

但是,在诸如视频会议或音频会谈之类的实时应用场合下,长的时延有损于系统的可用性。实时应用场合中长的时延悖违了“实时”的概念,因为“实时”指得是使信息得以有效即时地传输。因此优选地是使缓冲器引入的时延最小化。但是,使用较小缓冲器带来的风险是,若报文分组抵达的时延大于缓冲器所提供的时延,则会丢失报文分组。因此,如何恰当地选择时延以使滞后报文分组抵达的概率小到足以达到可接受的水平已经成为一项工作。

在目前关于这个问题的解决方法中,缓冲器的大小是根据报文分组的抵达率(arrival rate)来进行调整的。例如,如若发觉所选择的时延过小,则增大缓冲器的大小以减小滞后报文分组的数目。相反,如若发觉所选择的时延过大,则减小缓冲器的大小以使该系统表现得更加透明(transparent)。但是,时延的减少会产生过量的报文分组。类似地,时延的增大会在播放过程中产生间隙。

通常有两种方案用于设定上述时延。一种是对整个通话设定一次时延,另一种是在话音突峰(talkspurts)之间加以动态调整。话音突峰通常定义为其数据包含了声音信号连续部分的报文分组集。在这两种情况中,所做的一切都是为了避免在非静音期间调整时延。已经发现,基于每个报文分组(即在话音突峰中)调整时延会导致破坏音频品质的间隙和滑移(slips)。

因此,需要有一种用于在调整播放时延时减少报文分组过量丢弃现象并使间隙最小化的系统和方法。本发明的一个目的是消除或减轻至少一些上述提及的缺陷。

                         发明简介

依照本发明的一个方面,本发明提供了一种用于改进分组网络中的实时数据的重构的系统。该系统包括下列组件。用于接收来自网络的报文分组的播放缓冲器。重放部件,其与所述播放缓冲器相连,用于从所述播放缓冲器重新获得报文分组并输出数据以实现实时数据的重构。时间调整器,其根据报文分组的有效性(availability)来改变数据输出的速率。

                       附图的简要说明

现在将通过举例参照附图来描述本发明实施例,在附图中:

图1是依照现有技术的重放系统的方框图;

图2是200ms声音采样的波形图;

图3是说明在图1所示系统的缓冲器中减少10ms的波形图;

图4是说明在图1所示系统的缓冲器中增大10ms的波形图;

图5是依照本发明一个实施例的重放系统的方框图;

图6是说明在图5所示系统的缓冲器中减少10ms的波形图;

图7是说明在图5所示系统的缓冲器中增大10ms的波形图;以及

图8是说明依照本发明实施例的方法的流程图。

                   本发明的详细说明

为简便起见,在说明书中同一附图标记指代附图中的同一部件。参见图1,图1显示了现有技术的重放(playback)系统,其通常由附图标记100表示。该重放系统100包括重放部件102、单帧缓冲器104以及播放缓冲器106。播放缓冲器106连接在网络(未示出)和单帧缓冲器104之间。单帧缓冲器104进一步与重放部件102相连。

对图1所示系统的操作描述如下。播放缓冲器106接收自网络引入的报文分组,且将报文分组的内容插入播放缓冲器106中。播放缓冲器106提供了为消除网络的端对端时延变化所必需的时延。语音帧依照预先设定的播放时延被周期性地从播放缓冲器106中取出,并写入单帧缓冲器104。网络所携载的语音帧可以是压缩形式的或者是直接的抽样对抽样(sample-per-sample)的数字化表达。重放部件102重新建立原始波形。

参见图2,其中显示了一个典型的原始信号,该信号通常由附图标记200表示。信号200描述了一个口语字在四分之一秒期间的振幅变化过程。若播放缓冲器106得以适当限定且没有非所希望的时延,则将重新形成如图2所示的原始信号。但是,由于时延实际上是恒定变化的,所以播放缓冲器106的改变是有规律的。

如前所述,优选地将播放缓冲器最小化以改进系统的“实时”性。但是,若改变播放缓冲器以使其出现一个10ms的时延减少而且报文分组的抵达比预期的要快,则将会有一些报文分组被丢失。参见图3,其中示出了在这些环境条件下再现的信号,该信号通常由标记300表示。如在该再现信号中所见的那样,该信号在约0.13s处出现了调整。在重构信号300中缺少了包含在丢失的报文分组中的原始信号200的数据,而且可以看出从整个包络的衰减过程中波形有一个急剧跌落。

相反,若增大播放缓冲器以减小发生丢失报文分组的机会,则有可能在再现信号中出现间隙。若改变播放缓冲器以使其有一个10ms的时延增大而且报文分组的抵达比预期的要慢,则可能会需要系统等待报文分组的到来。参见图4,其中示出了在这些环境条件下再现的信号,该信号通常由标记400表示。如在该再现信号中所见的那样,该信号在约0.13s处出现了调整。系统等待引入报文分组的到达,且因此可以看出波形中插入了一段静音间隙。

但是,通过增大或减小报文分组播放的速率来调整播放时延而不引入间隙或滑移(slip)是可能的。这是通过选择性地压缩或扩展语音信号部分的时间比例(time scale)而实现的。如若时延改变不频繁发生,则时间比例改变就会非常小而几乎检测不到音频中的变化,甚至根本察觉不到这种音频的变化。

参见图5,其中示出了一种改进的重放系统,该系统通常由附图标记500表示。该改进系统500包括重放部件102、单帧缓冲器104以及播放缓冲器106。另外,该改进系统500还包括时间调整器502和专用缓冲器504。因此可以看出,所提出的时延补偿的改进在于为分组化声音信号的重放系统中所使用的标准组件集增加了附加装置。重放部件102的输出连接到专用缓冲器504,专用缓冲器504则连接到时间调整器502。时间调整器502确定重放部件102的重放速率。 

在正常的稳定态工作期间,专用缓冲器504保持一个或多个语音信号的报文分组。若时延改变限于每次针对一个报文分组,则专用缓冲器504只需要保持语音采样的单个报文分组。在本发明实施例中,专用缓冲器504能够保持两个报文分组。时间调整器502根据专用缓冲器504中的数据量来确定重放部件102的播放速率。例如,若专用缓冲器504中的数据超过了第一预设门限,则增大重放部件102的播放速率。相反,若专用缓冲器504中的数据降至第二预设门限以下,则减小重放部件102的播放速率。

在一个另选实施例中,不是由时间调整器502来确定何时调整播放速率,而是由重放部件102自己来检测专用缓冲器504中的数据量并指示时间调整器502是否要增大或减小播放速率。

对图5所示系统的操作描述如下。播放缓冲器106的大小是参照现有技术的实现方式来确定的。但是,在本发明实施例中,由播放缓冲器106来确定将多少报文分组传输给单部件缓冲器104。在正常工作环境下,播放缓冲器106为每个预设的播放时延发送一个报文分组。如有必要,通过重放部件102对数据进行解压缩并将其传送给专用缓冲器504。由于专用缓冲器504内只存储一个报文分组,所以重放部件102按照标准速率播放数据。

播放缓冲器106监测报文分组抵达和离开的状况并确定报文分组是否过量积聚。例如,如果播放缓冲器106引致的时延有所减少而报文分组的抵达比预期的快,则可能发生这种报文分组过量积聚的情形。一旦播放缓冲器106超过预先设定的门限,则为每个预设的播放时延发送两个或多个报文分组给重放部件102。结果,专用缓冲器504保持了播放信号的两个或更多报文分组长度。作为对插入到专用缓冲器504中的额外采样的反应,时间调整器502压缩重放时间比例。通过压缩时间比例,该模块在每个单位时间内所播放的采样数多于正常工作的情形。经过一段时间之后,过量采样已经播放完毕,而播放缓冲器106将下降至低于预设门限。结果,只有一个报文分组发送给了重放部件102。时间调整器502检测到在专用缓冲器504中只有一个报文分组因而恢复正常的时间定标(time scaling)。

参见图6,其中示出了依照本发明当前实施例再现的信号,该信号通常由附图标记600表示,其在播放缓冲器106所用的时延中减少了10ms。时延调整出现在约0.13s时间处,而时间比例在200ms的持续时间内被压缩了5%。在波形600中没有能够引起视觉觉察的非自然信号(artifact),并且听起来该采样也没有出现令人不舒服的断续情况。

如若增大播放缓冲器106的时延而报文分组的抵达比预期的慢,则重放部件102将不能接收到足够数目的报文分组以覆盖所产生的时延滑移。这样用尽了专用缓冲器504积聚的正常数量的报文分组。在本发明实施例中,专用缓冲器504将成为空的。作为对上述用尽情形的反应,时间调整器502扩展时间比例。通过扩展时间比例,重放部件102与其在正常情形下相比在每单位时间内播放的采样较少。经过一段时间之后,报文分组将开始以预期的速率抵达,而专用缓冲器504将保持正常数目的报文分组,在本发明实施例中正常数目为一。时间调整器502检测到专用缓冲器504中再次有一个报文分组并因而恢复正常的时间定标。

参见图7,其中示出了依照本发明实施例再现的信号,该信号通常由附图标记700表示,其在播放缓冲器106所用的时延中增加了10ms。时延调整出现在约0.13s时间处,而时间比例在200ms的持续时间内扩展了5%。在这个波形中没有出现在现有技术(参见图4)中存在的静音间隙,并且没有能够引起视觉觉察的非自然信号。听起来该采样也没有出现各种令人不舒服的边缘效应(side effect)。

本领域普通技术人员将会预计到,可以有很多种调整重放部件的播放速率的方法,因此不必对时间调整器502做详细描述。另外,本领域普通技术人员将会预计到,调整器502能够以各种方式实现。在全数字化系统中,通过一连串数字内插和抽取就可以实现定时调整。另选地,可通过调整控制数模转换的重放系统时钟来实现定时调整。

图8是依照本发明实施例的方法800的流程图。在步骤802中,从网络接收来自网络的报文分组并将其存储到播放缓冲器中。在步骤804中,根据播放缓冲器中报文分组的数目,以第一速率将报文分组传输给重放部件。在步骤806中,根据播放缓冲器传输报文分组的第一速率,重放部件以第二速率播放报文分组。这个方法的详细情形参见上述图5。

尽管本发明是结合特定实施例进行描述说明的,但是对于本领域普通技术人员而言,其各种变型都是明显的,并且不会背离如所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

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