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一种自适应调整抖动缓冲区大小的算法

第 19 卷 第 2 期 2009 年 2 月

计算机技术与发展
COM PU T ER TECHN OLO GY A N D DEV ELO PM EN T

V ol. 19 No. 2 F eb. 2009

一种自适应调整抖动缓冲区大小的算法
胡 斌, 黎忠文
( 厦门大学 信息科学与技术学院, 福建 厦门 361005)
摘 要: 在利用 IP 电话进行语音通话时, 话音的Q oS( Quality of service) 是衡量 IP 电话好坏的重要指标。为了提高 IP 电话 的 QoS, 当前已经提出了很多提高语音 Q oS 方面的策略, 其中比较著名的方案有: IntServ/ RSVP( 集成服务/ 资源预留) , DiffServ( 区分服务) 、 PL S( 多协议标签交换协议) 等。中文主要是基于语音的接收端, 设计一种自适应调整抖动缓冲区的 M 大小的一种算法, 从而消除语音时延抖动, 提高语音通话质量。 关键词: 语音服务质量; 集成服务/ 资源预留; 区分服务; 多协议标签交换协议; 时延抖动 中图分类号: T P393 文献标识码: A 文章编号: 1673- 629X( 2009) 02- 0035- 04

One Kind of Auto- Adapted Adjustment Jitterbuffer Size Algorithm
H U Bin, L I Zhong w en
( School of Information Science and T echnology , Xiamen U niversit y, Xiamen 361005, China)
Abstract: When carries on conversat ion making use of t he IP t elephone, to judge t he IP t elephone, t he Q oS ( quality of service) not hing but is th e import ant index. In order t o improve t he IP t elephone s Q oS, it has already appeared a lot of st rat egies f or enhancing voice. A mong t hem , quit e famous plan has: Int Serv/ RS VP, Dif fS erv, M PLS. T his paper is mainly based on t he receiving t erminal, des ign one kin d of au t o- adapted adjust ment buf fer s algorit hm which eliminates t he delay jit t er and improves t he pronunciat ion connect ion quality. Key words:Q oS; Int Serv/ RSV P; Diff Serv; M PLS; delay jitt er

0




将人 的话音进

? 抖动: 从语 音发送 端分 别发送 语音 包 A 、 C, B、 在接收 端 收 到 语音 包 A、 C 的 时 间 分别 为: t sa 、sb、 B、 t tsc , 由于语音包到达终端的路径可能不一致, 导致语音 包 到达终端的时延就不一致, 即( t sb- tsa ) 不等于( tsc tsb) , 于是就产生了抖动; % 丢包率: 从语音发送端所发送的语音包, 到达接 收端后, 所丢失包的数量与所发送语音包数量的比值; &带宽: 是指一个 链路 所能够 容纳最 大信 息流量 的标志, 是这个链路每秒可通过字节数的限制。 在语音网络传送数据包时, 有短包和长包, 其中短 包占多数, 在文献[ 1] 对 PF 算 法对短 包传送不 利的情 况下进行了改 进, 在 不降 低长 包传 送的前 提下 提出 3 种对短包时间调 度的算 法。在通 信过程 中, 影 响语音 Q oS 的因素有 很多, 包括语 音编码、 当前 网络情 况、 语 音解码以及语音接收终端甚至包括语音流包的长度等 等。 在语音传送过程中, 要进行语音的压缩和编码, 同 时接收端则要进行 解码恢 复语音 工作, 这 不可 避免地 会产生一定的时延, 同 样, 语音 包在 Int ernet 进 行传送 时, 网络的 具体 情况 往 往很 难预 测, 比 如 一旦 拥 塞产 生, 那么语音的丢包和时延就必然会产生, 对于语音质

VoIP( voice over IP) 即 IP 电话

行压缩编码转换成数据包, 然后在因特网上进行传 输, 从而实现语音通 话的技 术。众所 周知, 在利用 因特网 发送语音包时, 由于通话对延时的敏感性, 基本上是采 取 UDP 的传送方式, 即! 尽 力服 务? , 所 以就很 难对语 音包传送有很好 的控制。 在时变 的信 道中, 这 种服务 将会导致分组丢失和不可 预测的 延迟 等, 从而 语音的 服务质量就得不到保证, 由 于语音 通信 的实时 性的特 点, 所以, 语音通信对语音质量的要求比较严格。目前 衡量语音质量的参数主要包括: 语音包传送的时延、 时 延抖动、 语音包的丢包率和带宽等等。 # 时延: 从 语音 发 送 端 发 送 A 语 音 包 的 时 间为 ts , 在接收端收到语音包 A 的时间 tc , 则 语音包传送的 时延 t = tc - ts ;
收稿日期: 2008- 06- 03 基金项目: 福建省自然科 学基金项 目( A 0410004) ; 厦 门大学 院士基 金( 0630- E23011) ; 厦门大学新世纪优秀人才基金( 0000- X 07116) 作者简介: 胡 斌( 1983- ) , 男, 江西南昌人, 硕士研究生, 主要研究 领域为计算机网络与通信; 黎忠文, 博士后, 教授, 硕士生 导师, 主要 研究领域为主动网络、 实时系统高可靠高安全技术等。

( 36 (

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量的评测, NLR [ 2] 作为一种测试工具, 是集中于网络丢 失包对网络所产 生的影 响。对于 语音 质量的 改善, 目 前已经有很多的文献和相关资料都提出了许多新思想 和算法, 对语音质 量方面 已经 有了实 质性 的突破。比 如在语音 编码 方面, 已 经出 现了 很 多的 编码 算 法, 像 G. 711、 726、 729、 723. 1 等, 它 们 的时 延 分别 G. G. G. 是: 0. 125ms、 125ms、 0. 15ms、 5ms。而 比特 率( kb/ 37. s) 分别为: 64、 8 和 6. 3。在 网络 方面, 由于 语音传 32、 送是采用 U DP 的传送方式, 所以不同的语音包到达终 端的路径往往不会一样, 这 种现象 必然 会对通 话产生 很大的影响, 像丢包、 时延、 抖动等等。 为了解决上面的 这些 问题, 目 前已 经有了 很多很 好的思路, 文献[ 3] 通过比较 Int serv 和 DiffServ 两种模 型, 提出了一种两者相结 合新的 VoIP QoS 服 务模 型, 文献[ 4] 是基于 抖动缓 冲区, 通过计 算 1000 个 语音包 的网络时 延, 找出 第 四大 及 最小 时 延, 分别 记 为 max 和 min, 然后 根 据 max 和 min 来 调 整 jitterbuffer 的大 小。文献[ 5] 介绍 了语音 丢包的 隐藏 技术, 主 要包 括: 插入技术、 插值技术、 再生 技术等, 通过 它们来 提高语 音的 QoS。文献[ 6] 在调节 V OIP 网络系统 中, 如何估 计语音包的最佳长度。文献 [ 7] 介 绍了 一种将 基于播 放时间的同步去抖算法和基于接收缓存数据量控制的 再同步算法结合起来的提高语音 QoS 算法。文 献[ 8 ] 通过接收端所反馈回来的丢包率来自适应增大或减少 语音包的冗余数据, 但是是 在排除 了因 丢包风 暴中而 额外丢失包的数量情况下 的。文献 [ 9] 是研究 音频系 统的 QoS, 提出一种二次评估后采取的流量调节措 施。 文中的算法, 就是 在利用文 献[ 8 ] 所提 出的思 想, 在文 献[ 4] 和文献[ 8 ] 所提出 概念模 型的基 础上, 产 生的一 种新的思路和方法。

1. 1

抖动缓冲区大小与丢包率及时延的关系 抖动缓冲区的大小与语音包的丢包率和时延存在

着密切的关系, 缓 冲区 B 增 大, 能一定 程度 上减 小丢 包率, 但是同时会增加语音包传送的时延, 如果缓冲区 B 减小, 传 送的 时延 虽能 减小, 但 其丢 包率 又将 会增 大。 先从理论上来计 算每个 语音包 在缓冲 区中 缓存的 最佳时 间, 即 只要 缓存这 个时间, 就 能把丢 包降 为 0, 前提是时延要在合理 范围 之内。 来看一 组数 据包 i ? ( 1 ~ n ) 、 ? ( 1 ~ n ) 且 j = i + 1, 即 j 是 i 的后续一 j 个语音包, 则 jns = max{ | ( R j - S j ) - ( R i - S i ) | } , 只要接 收端 的 缓 冲区 大 小 超 过 jns 则 不 存 在 丢包 情 况, 数据包在接收端的缓存时间为 jns, 反 之, 则会产生 丢包, 这种情况时, 到达接收端 的语音包, 按照 B 的大 小进行最 大缓存。 比如有 4 个语 音包: A、 C、 发送 B、 D, 的时间 分别为 20、 60、 单位是 ms) , 到达 接收端 40、 80( 的时间分别为: 30、 70、 即 jns = 10ms, 假设抖动 60、 90, 缓 冲区的大小 B 为 20ms, 此时 B > jns, 所以此时的丢 包率为 0, 播放时间为: 40、 80、 60、 100; 当 B 为 5ms 时, jns > B, 语音包按照 B 的大小进行缓存, 此时这 4 个语 音包的播放 时间 为: 35、 75、 现在 来看 看语 音包 55、 95, B, B 包到达接收端的实际时间是 60ms, 而经过抖动缓 冲区的调整后, 语音包 B 在理论上 播放的时间 应该是 55ms, 所以结论是语音包 B 丢失了。为了 验证上面的 数据, 笔者将在下节 对抖动 区的设 置和丢 包个 数做一 个大致的模拟。 1. 2 抖动缓冲区与丢包率的关系 实验模拟 环境 采 用 M icrosoft Visual C+ + , 对发 送 1000 个语音包做了 10 次采 样, 模拟见 图 3 ( 位于上 面带 . 的连接图) , 从图中的 实验数 据可以得 出, 随着 抖动缓冲区的不断减小, 语音包丢包率呈上升的趋势。 1. 3 算法的思路 通过上面一节的 分析和 实验 模拟, 已 经很 清楚地 知道时延、 丢包率与 抖动缓 冲区大 小它们 之间 的密切 关系, 但本来又存在 着一种 矛盾, 即! 二 者不可 兼得?, 所以要找出抖动缓 冲区大 小的一 个平衡 点, 在 保证消 除抖动的情况下, 尽 可能减 少时延 的长度 和丢 包的个 数, 本节介绍的算法就是基于这点产生的, 不过该算法 是在保证时延在合理范围内最大程度上减少语音丢包 的个数, 在介绍之 前, 先来 看一 组数据[ 5] , 根据 美国的 一项统计 测 试结 果 表 明, 对于 语 音 品质, 低 于 200ms 的时延和 5% 的丢包率是可接受的范围, 时延在 200ms ~ 400ms, 而丢包 率在 5% ~ 10% 之 间时, 是一个 边缘 范围, 可满足部 分用 户的 要求, 当时 延超 过 400ms, 丢 包率超过 10% 时, 则不能满足语 音会话的 要求。先来 设置两个值: H = 10% , ty ? ( 0, 400) , H 表示能接受

1

自适应调整抖动缓冲区的算法设计
由于网络上的一些不确定因素( 比如: 网络拥塞等

等) , 造成语音包到达接收端的时间间隔与发送时间间 隔不一致, 从而导致语音播放时抖动产生, 由于数据包 传送时间不一致, 必然也会产生一个问题, 即包失序情 况, 接收端要进行 包的重 排工 作。为了 最大程 度解决 上述问题, 在接收端设置抖 动缓冲 区的 想法便 应运而 生, 目前, 有很多的文献和资料都介绍了如何设置抖动 缓冲区, 抖动缓冲区总结起来共有两种情况: 其一是静 态的, 即接 收端 的 缓冲 区大 小的 一 旦设 置, 便 不 再改 变, 最佳缓冲区的大小为 20 个语音包大小
[ 10]

; 其二是

动态的, 即在语音包的传送过程中, 依据网络情况而进 行自适应调 整抖 动缓 冲 区。文中 就 是基 于第 二 种情 况, 提出的一种新的设计思想。

第2期



斌等: 一种自适应调整抖动缓冲区大小的算法

( 37 (

的最大丢包率, ty 表示能接受的语音延时的范围, 算法 的流程图如图 1 所示, 从图 中, 可 以很明 显地看 出, 整 个算法的 前提 就是 一 定要 保证 时延 处 于合 理范 围之 内, 在这里为 400ms。 也就 是说, 在 丢包 率 P 能满 足 P > H 而时延小于 400ms 时, 采取的措施是增大缓冲区 B 的大小, 使得 P < H 同时 时延仍 在合理范 围内。 但 当满足 P < H , 时延超过 400ms 时, 则这时 P 可以适当 地超过 H 的值, 而把时延调整到上限 400ms。 当时延超 过 400ms 时, 则可以不断减小 B , 直到时延调整到合理 范围之内, 整个发送语音包的过程是一个循环, 从流程 图中, 可以知道是设置每发送 20 个语音包而进行一次 调整, 直到整个通话的结束。

调整为 1. 5 + B, 记住, 不能在为保证 丢包率降 到合理 范围内, 而 无休 止地 增大 缓冲区 的大 小, 当 时延 超过 400ms 时, 就以 400ms 为上限, 不再调整 B 的大小。 % 如何减小抖动缓冲区。 当抖动缓冲区增大到一个值时, 丢包率会降低, 要 是此时的时延在合理范围之内, 可以不用调整 B, 而继 续发送语音包。 但要是此时的时延得不到满足, 则就减 小 B 的大小, 减少的法则是: 比如 B? = B = ty - 400ms, 则 , 注意, 当 B? > 0 时, 此时的时延可以调整 推出 B?= B + 400ms- ty ( 备注: ty 表

为 400ms 以内, 这里给出其严格的证明过程: B? = B示时延) 。 因为: ty , t c + B( 备注: tc 表示每发送 20 个语音 包时第一个语音包的传送时间) 。 所 以: B? , B + 400ms - t c - B, 推出 B? , 400ms - t c , 调整后的时延 ty , B?+ t c , 400ms, 所以 ty , 400ms。 证毕。 当 B?< 0 时, 就将 B? 设为 0, 再继续发送语音包, 通过这种方式不断调整抖动缓冲区的大小。

2
2. 1

实验仿真和比较
实验仿真 1) 对文献[ 4] 的算法模拟来统计其丢包率及时延。

实验仿真如图 2 所示, 从仿真数据可以得出, 其丢包率 很小, 但时延却比较大。
统计图 丢包率( % ) 0. 3 0. 2 0. 1 延时( ms) 773 786 555 757 495 551 749 586 881 831

图1

算法流程图

0. 3 0. 2 0. 3 0. 1 0. 2 0. 1 0. 2

这里还有 3 个问题急需解决: # 如何计算 jns 的值。 设置一个长度为 20 的队列, 用于存储一次语音通 话过程中最新的 20 个语音分组的网络延时值, 通过该 队列中存储的数 据, 用 关系式: jns = max { | S j ) - ( R i - S i ) | } ( 其中 j = i + 1) 。 ? 如何增大抖动缓冲区。 我们知道, 当 P > H 时, 则 要开始增大 抖动缓冲 区, 增大的方式如下: 比如语音包 A 理论上播放的值为 ta1 , 而 A 实际播放的时间为 ta 2, 则 样的方 式计算其它 所丢失语音 包 个数为 m , 则 B? = B + 1 m
a

) ( Rj i, j

20

图2

丢包率和延时的统计图

2) 对文中的 算法进 行仿真 模拟。如 图 3 所示, 运 用文中算法, 每次 采样, 都计算 发送 1000 个语 音包的 平均丢包 率 P1 和 平均 缓冲区 大小 B1( 带 * 的 连接 图) , 然后在相同缓冲区情况 下计算其 丢包率 P 2( 带 ( 的连接图) 。 可以得出结论: 运用文中介绍的算法, 在相同缓冲 区大小的情况下, 语音丢包率明显下降很多, 并且抖动 缓冲区大小平均维持在 150ms 左右。

= t a2 - ta 1 , 用同

的值, 假如丢包的

)

m

i,

要是此时的丢包率的

i= 1

大小在合理范围之 内, 则 调整结 束, 否 则, B 的 大小就

( 38 (

计算机技术与发展

第 19 卷

2 2

实验比较 现在来对图 2 和 图 3 中的数 据进 行分析, 它们都

免地产生了抖动; 其次是语音包到达缓冲区时, 由于网 络情况的不稳定, 到 达缓冲 区的语 音包会 出现 失序的 情况, 这必然又会产生不必要的丢包情况。综上所述, 下一步的工作主要 集中在 上面几 点, 要通 过进 一步的 研究和学习, 最大限度地解决上述问题。
参考 文献:
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是对 1000 个语音包进行采样。采用文献[ 4] 算法所得 到的丢包率都很低, 在 , 0. 3% 浮 动, 主 要原因 是此算 法在发送的 1000 个语 音包 中选择 了第 4 大延 迟作为 max, 结果会把延迟最大的至 多 3 个包 丢弃( 有可能第 2 大、 3 大的延时与 max 相等, 所以 至多有 3 个包丢 第 失) , 从丢包率看, 此算法明显比文中算法要好, 但在文 献[ 5] 中曾 指出 语音包 的时 延不 能超 过 400ms。文献 [ 4] 的最大缺点也正是在此。相比之下, 文中的算法是 维持时延在合理范围之内对丢包率进行最大程度上的 降低。通 过 10 次 采 样, 缓 冲 区 的 大 小 平 均 维 持 在 150ms 左右, 丢包率在 4% ~ 10% 左右浮动, 所以, 延时 要明显好于上述算法。其实, 运用文中算法时, 要是不 考虑 400ms 这个阈 值的 话, 在 时延 接 近 700ms 时, 丢 包率不一定会比文献[ 4] 差。

图3

比较图

3

结束语
针对语音接收端如何动态设置抖动缓冲区大小而

提出的一种思路, 在文中算法中, 是在保证时延的前提 下, 而尽可能地减小 丢包 率, 但是, 算法 还存在 一些明 显的不足: 首先, 设置发送完 20 个语音包时, 调整一次 抖动缓冲区大小, 算法只能保证在每次发送的这 20 个 语音包中最大可能消除抖动现象, 但前 20 个包中的最 后一个语音包与后 20 个包中第一个语音包, 却不可避
( 上接第 34 页)
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