专利名称：一种语音传输带宽自适应的通信系统及通信方法
技术领域：
本发明涉及一种语音通信系统，尤其涉及一种通过自动切换语音编码方案，实现语音传输带宽自适应的通信系统，同时也涉及该语音通信系统实现语音传输带宽自适应的通信方法，属于互联网语音通信技术领域。
背景技术：
当前，互联网语音通信技术在世界范围内得到了广泛的应用。由于互联网属于包交换网络，在实时性、稳定性等方面与传统帧交换电信网相比，仍存在不足之处。其中，网络传输带宽对语音实时传输最为关键。当带宽不能满足语音实时传输需要时，根据互联网语音通信设备的架构不同会导致不同的影响。但无论是采用何种设备架构，互联网语音通信的最终用户都处于互联网的接入层，从接入层到互联网骨干网之间的带宽是不确定的。因此，在实际应用中互联网语音通信常常遇到因带宽不足引起语音质量降低的问题。为了解决上述的问题，人们进行了多方面的技术探索。例如在专利号为ZL200610099482.6的中国发明专利中，公开了一种基于非连续发射预测自适应多速率业务的流控算法，包括如下步骤首先，统计语音业务在预测窗口内的非连续发射状态；根据统计纪录，计算预测窗口内的非连续发射状态的平均状态；在预测窗口内计算非连续发射状态的平均速率；将所有的语音业务的带宽预测值相加，得到语音业务在下一个调度周期内的语音业务分配总带宽；如果所述语音业务分配总带宽小于传输带宽总量，那么下一个调度周期语音业务能够使用的带宽为语音业务分配总带宽，然后将剩余的传输带宽分配给其它类型的业务。另外，在申请号为201010199535. 8的中国发明专利申请中，提出了一种VoIP系统高音质服务网络自适应实现方法，包括如下步骤将采集的音频数据依次分区缓存；获取存满一个区域后的音频数据，根据音频数据的音频增益均值以及音频阈值确定头部控制信息；根据头部控制信息确应音频种类进而确定压缩比，根据压缩比对音频数据进行编码；依据RTP协议将编码后的音频数据封装成RTP流，并将RTP流发送到网络中，依据RTCP协议发送RTCP控制流到网络中，在网络中进行RTCP检测并获取数据包丢包率和数据包丢弃率，进而确定网络性能参数；根据网络性能参数以及音频增益均值更新音频阈值，以调整下一区域音频数据的压缩比。总体而言，现有语音通信技术中的语音传输带宽自适应方案大多需要依赖于特定的多速率编码，适用范围有限。另外，由于其依靠多速率编码器切换来调节带宽，在带宽使用率上仍有提高的空间。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种语音传输带宽自适应的通信系统。该通信系统基于语音活动预测实现一种带宽自适应、不依赖于特定编码的语音传输。本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述语音通信系统实现语音传输带宽自适应的通信方法。为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案一种语音传输带宽自适应的通信系统，其特征在于所述通信系统包括多个终端模块、带宽管理模块和中转模块，所述终端模块与所述带宽管理模块相连，所述带宽管理模块与所述中转模块相连，多个所述中转模块之间两两相连；所述终端模块中具有语音检测模块，用于实时地对双向语音活动进行检测，将语音状态变化信息通知所述带宽管理模块；所述带宽管理模块中具有带宽预测模块，用于接收所述语音检测模块发来的语音
状态变化信息，据此预测下一时刻的带宽需求；所述带宽管理模块当预测到带宽不足时，降低使用高带宽的语音流带宽，当预测到带宽有盈余时，提升使用低带宽的语音流带宽。其中较优地，所述带宽预测模块对每种语音编码的语音流的活动情况进行预测，得出在下一时间段内各种语音编码的语音流在活动和不活动状态之间转换的概率，进一步得出在下一时间段内的带宽需求。其中较优地，所述带宽管理模块中具有带宽检测模块；当所述带宽预测模块预测的带宽总量超过所述带宽检测模块检测到的可用带宽与检测时已用带宽之和时，所述带宽管理模块通知使用最高带宽的所述终端模块切换到占用带宽较低的编码，并计算能够释放出的带宽量，如果仍然不够则通知使用次高带宽的所述终端模块；依此类推，直至预测的带宽总量不超过可用带宽与检测时已用带宽之和为止。其中较优地，所述带宽检测模块定期计算所述中转模块与所述终端模块之间的下一时刻剩余带宽，同时统计当前使用的带宽。其中较优地，所述终端模块包括第一通信模块、编解码模块和语音检测模块；所述编解码模块与所述第一通信模块相连，用于收发语音包；所述语音检测模块在编码前检测语音信号的状态，得出所述语音状态变化信息，并将所述语音状态变化信息通过所述第一通信模块发给所述带宽管理模块。其中较优地，所述带宽管理模块中还具有第二通信模块，所述第二通信模块分别与所述带宽预测模块和所述带宽检测模块相连。其中较优地，所述中转模块包括第三通信模块、节点管理模块和转码模块；其中，所述节点管理模块用来管理所述带宽管理模块，并维护所述带宽管理模块的地址表；在所述第三通信模块收到语音包时，所述节点管理模块为所述语音包提供路由；所述转码模块用来适配使用不同编码类型的多个所述终端模块。一种语音传输带宽自适应的通信方法，基于上述通信系统实现，其特征在于包括如下步骤A.位于源端的终端模块向同一局域网内的带宽管理模块发送语音包；B.所述带宽管理模块收到所述语音包后，将所述语音包转发到中转模块，并统计当前发送的和收到的字节数；所述中转模块进一步将所述语音包转发到目的地的带宽管理模块和终端模块；其中当语音流从活动状态变为不活动、或者从不活动变为活动时，终端模块将该变化信息通知带宽管理模块；
C.所述带宽管理模块根据传输中的语音流在活动与不活动之间变化的频率，预测下一时刻需要的最低上下行带宽；当预测到带宽不足时，降低使用高带宽的语音流带宽；当预测到带宽有盈余时，提升使用低带宽的语音流带宽。在步骤A中，进一步包括如下步骤Al.预先向终端模块设置可选的编码方案列表，其中包括编码类型、帧大小、占用带宽和估计MOS值；A2.位于源端的终端模块按照估计MOS值对编码表排序，将所述编码表发 给所述带宽管理模块以协商传输编码类型，所述带宽管理模块根据当前可用带宽，选择所述编码表中满足占用带宽的第一条记录；A3.位于源端的终端模块和位于目的地的终端模块协商完成后,开始发送语音包。在步骤C中，进一步包括如下步骤CO.预先设定最大带宽BWmax、语音活动样本数N和预测周期T ；Cl.假设通信系统中有P种编码，每隔预测周期T，统计每种编码有多少路通话处
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于活动状态，记为cp，待所述通信系统稳定运行后，得到PXN的矩阵i ' i ，
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其中行序号为编码序号，列序号为样本序号；C3.每隔预测周期T，统计向所述中转模块发送的语音包总字节数B，从而算出该周期T内平均占用带宽BWnmt，进一步计算当前时刻可用带宽BWf_ = Bffmax - Bffnow ； Bfffree的预定速率向所述中转模块发送测试包，所述中转模块收到该测试包后，统计从所述带宽管理模块发来的流量带宽和BWttrtal,回复给所述带宽管理模块，所述带宽管理模块将BWtrtal赋给BWmax;C4.所述通信系统稳定运行后，每隔预测周期T对Cpn进行计算；首先，假设使用同一种编码的终端模块数最大值为M，计算矩阵中每一行中从O到M出现的次数，得到PXM的
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矩阵 X= i ;
L ·■■, “·‘··■[」C5.根据泊松分布的最大似然估计λρ =Ifcsl Xptj λ ρ即为采用该编码的通话在下一时刻最可能有几路处于活动状态的估计；C6.设每种编码的码率为RP，则下一时刻对占用带宽的估计为13W t=E^iiRpAp)^^ Bffnext大于BWmax,则通知终端模块压缩使用高带宽的语音流带宽，否则提示终端模块提高使用低带宽的语音流带宽。本发明的实现不依赖于特定语音编码，当前常用的语音编码都可以与本通信系统集成。本发明利用对语音活动的预测，实现了带宽自适应，在语音质量、系统容量之间达到了较好的平衡，为互联网语音通信系统提供了一种低成本、高质量的语音通信解决方案。
图I为语音传输带宽自适应通信系统的概略结构示意图2是为实施语音传输带宽自适应通信方法所搭建的网络系统示例图。
具体实施例方式为使本发明的设计目的、技术方案更加清楚明白，下面结合附图及具体实施例，对本发明做进一步的详细说明。图I为本发明所提供的语音传输带宽自适应通信系统的概略结构示意图。如图I所示，该通信系统包括若干个终端模块101、带宽管理模块102和中转模块103。这三个模块中都具有相同的通信模块(104、107和110)，彼此之间使用套接字接口进行通信。这样，终端模块101与带宽管理模块102相连，带宽管理模块102与中转模块103相连，多个中转模块103之间两两相连。该终端模块101存在于局域网中，带宽管理模块102存在于上述终端模块101所在的局域网中。这样，每个局域网中有至少一个终端模块101和一个带宽管理模块102。中转模块103设置在互联网中运行边界网关协议的机房中。终端模块101与带宽管理模块102通过实时传输协议交换语音包，以便实现语音信号与语音包的转换。它通过其所运行的平台提供的API捕获、回放语音信号；并通过该平台提供的套接字API与其他模块通信。终端模块101包括第一通信模块104、编解码模块105和语音检测模块106。其中，第一通信模块104用于将语音流通过实时传输协议进行传输。编解码模块105用于实现语音信号的编解码。具体地说，编解码模块105维护终端模块101的编码表，同时操作终端模块101所在PC的声卡，从声卡处捕获语音信号并加以编码，然后将已编码的语音解码送至声卡回放。编解码模块105与第一通信模块104相连，用于收发语音包。语音检测模块106用于实时地对双向语音活动进行检测，将语音状态变化信息通知给带宽管理模块102。语音检测模块106在编码前检测语音信号的状态(活动或不活动)，进一步得出语音状态变化信息。语音检测模块106与编解码模块105相连，用于取得未编码的语音采样，并将语音状态变化信息通过第一通信模块104发给带宽管理模块102。带宽管理模块102用于在语音包离开局域网到达公网之前对其进行统一管理、保证可用带宽，并在空闲带宽范围内进行带宽测试。该带宽管理模块102包括第二通信模块107、带宽预测模块108和带宽检测模块109。其中，带宽预测模块108与第二通信模块107相连，用于接收语音检测模块106发来的语音状态变化信息，据此预测下一时刻的活动语音流数，进一步可以计算出下一时刻的带宽需求。该带宽预测模块108对每种语音编码的语音流的活动情况进行预测，得出在下一时间段内各种语音编码的语音流在活动和不活动状态之间转换的概率，进一步得出在下一时间段内带宽的预测。当带宽预测模块108得出的预测带宽总量超过带宽检测模块109检测到的可用带宽与检测时已用带宽之和时，带宽管理模块102将通知使用最高带宽的终端模块切换到占用带宽较低的编码，并计算能够释放出的带宽量，如果仍然不够，则通知使用次高带宽的终端模块。依此类推，直至预测带宽总量不超过可用带宽与检测时已用带宽之和为止。带宽检测模块109定期检测带宽管理模块102计算出的可用带宽是否真的可用，从而动态调整最大可用带宽。该带宽检测模块109与第二通信模块107相连，定期计算中转模块I03与终端模块101之间的下一时刻剩余带宽(根据最大带宽与下一时刻带宽估计可以得出下一时刻剩余带宽)，同时统计当前使用的带宽。带宽检测模块109与中转模块103进行带宽测试，检测当前剩余带宽是否满足下一时刻剩余带宽的要求。中转模块103包括第三通信模块110、节点管理模块111和转码模块112，用于解决在互联网通信时可能遇到的穿透问题。其中，节点管理模块111用来管理通信系统中的带宽管理模块102，并维护带宽管理模块102的地址表，以便寻址和路由。在第三通信模块110收到语音包时，节点管理模块111为语音包提供路由。转码模块112用来适配使用不同编码类型的多个终端模块101，进一步使带宽管理模块102能实现对各终端模块占用带宽的分别调整和控制。在本发明的一个具体实施例中，终端模块101、带宽管理模块102和中转模块103均可以用软件实现。终端模块101可以运行在局域网内安装有声卡的个人电脑或服务器上，也可以运行于智能手机、平板电脑等移动终端上。带宽管理模块102可以运行在局域网内的个人电脑或服务器上。中转模块103可以运行于公网机房内的服务器上。下面进一步介绍上述语音通信系统实现语音传输带宽自适应的方法。该方法利用语音活动检测和静音压缩技术模拟多速率自适应编码器切换编码速率的特性，并通过对语音状态变化信息进行预测来分配带宽。当预测到带宽不足时，降低使用高带宽的语音流带宽。当预测到带宽有盈余时，提升使用低带宽的语音流带宽，从而基于语音活动预测实现一种带宽自适应、不依赖于特定编码的语音传输。与现有的多速率语音编码技术相比较，本语音传输带宽自适应通信方法在语音活动检测的基础上增加了语音活动预测，作用时间在发生带宽不足之前，而现有多速率语音编码技术的自适应发生在带宽不足之后，两者的技术效果显著不同。结合图I所示的语音传输带宽自适应通信系统，本发明所提供的语音传输带宽自适应通信方法包括如下的步骤A.位于源端的终端模块向同一局域网内的带宽管理模块发送语音包。在步骤A中，进一步包括如下步骤Al.预先向终端模块设置可选的编码方案列表，其中包括编码类型、帧大小、占用带宽和估计MOS值等。A2.位于源端的终端模块按照MOS值对编码表排序，将其发给带宽管理模块以便协商传输编码类型。带宽管理模块根据当前可用带宽，选择编码表中满足占用带宽的第一条记录。A3.位于源端的终端模块和位于目的地的终端模块协商完成后，立即开始发送语音包。B.带宽管理模块收到语音包后，立即将语音包转发到中转模块，并统计当前发送的和收到的字节数。中转模块进一步将该语音包转发到目的地的带宽管理模块和位于目的地的终端模块。当语音流从活动状态变为不活动、或者从不活动变为活动时，终端模块将该变化信息通知带宽管理模块。C.带宽管理模块根据传输中的语音流在活动与不活动之间变化的频率，预测下一时刻需要的最低上下行带宽。进一步地，带宽管理模块在局域网与中转模块之间进行带宽检测，当预测到带宽不足时，降低使用高带宽的语音流带宽。当预测到带宽有盈余时，提升使用低带宽的语音流带宽。
在步骤C中，进一步包括如下步骤CO.预先设定最大带宽BWmax、语音活动样本数N和预测周期T。Cl.假设通信系统中有P种编码，每隔预测周期T，统计每种编码有多少路通话处
于活动状态，记为cP。通信系统稳定运行后，可以得到PXN的矩阵
权利要求
1.一种语音传输带宽自适应的通信系统，其特征在于 所述通信系统包括多个终端模块、带宽管理模块和中转模块，所述终端模块与所述带宽管理模块相连，所述带宽管理模块与所述中转模块相连，多个所述中转模块之间两两相连； 所述终端模块中具有语音检测模块，用于实时地对双向语音活动进行检测，将语音状态变化信息通知所述带宽管理模块； 所述带宽管理模块中具有带宽预测模块，用于接收所述语音检测模块发来的语音状态变化信息，据此预测下一时刻的带宽需求； 所述带宽管理模块当预测到带宽不足时，降低使用高带宽的语音流带宽，当预测到带宽有盈余时，提升使用低带宽的语音流带宽。
2.如权利要求I所述的语音传输带宽自适应的通信系统，其特征在于 所述带宽预测模块对每种语音编码的语音流的活动情况进行预测，得出在下一时间段内各种语音编码的语音流在活动和不活动状态之间转换的概率，进一步得出在下一时间段内的带宽需求。
3.如权利要求2所述的语音传输带宽自适应的通信系统，其特征在于 所述带宽管理模块中具有带宽检测模块；当所述带宽预测模块预测的带宽总量超过所述带宽检测模块检测到的可用带宽与检测时已用带宽之和时，所述带宽管理模块通知使用最高带宽的所述终端模块切换到占用带宽较低的编码，并计算能够释放出的带宽量，如果仍然不够则通知使用次高带宽的所述终端模块；依此类推，直至预测的带宽总量不超过可用带宽与检测时已用带宽之和为止。
4.如权利要求3所述的语音传输带宽自适应的通信系统，其特征在于 所述带宽检测模块定期计算所述中转模块与所述终端模块之间的下一时刻剩余带宽，同时统计当前使用的带宽。
5.如权利要求I所述的语音传输带宽自适应的通信系统，其特征在于 所述终端模块包括第一通信模块、编解码模块和语音检测模块；所述编解码模块与所述第一通信模块相连，用于收发语音包；所述语音检测模块在编码前检测语音信号的状态，得出所述语音状态变化信息，并将所述语音状态变化信息通过所述第一通信模块发给所述带宽管理模块。
6.如权利要求I所述的语音传输带宽自适应的通信系统，其特征在于 所述带宽管理模块中还具有第二通信模块，所述第二通信模块分别与所述带宽预测模块和所述带宽检测模块相连。
7.如权利要求I所述的语音传输带宽自适应的通信系统，其特征在于 所述中转模块包括第三通信模块、节点管理模块和转码模块；其中，所述节点管理模块用来管理所述带宽管理模块，并维护所述带宽管理模块的地址表；在所述第三通信模块收到语音包时，所述节点管理模块为所述语音包提供路由；所述转码模块用来适配使用不同编码类型的多个所述终端模块。
8.一种语音传输带宽自适应的通信方法，基于权利要求I所述的通信系统实现，其特征在于包括如下步骤 A.位于源端的终端模块向同一局域网内的带宽管理模块发送语音包；B.所述带宽管理模块收到所述语音包后，将所述语音包转发到中转模块，并统计当前发送的和收到的字节数；所述中转模块进一步将所述语音包转发到目的地的带宽管理模块和终端模块；其中当语音流从活动状态变为不活动、或者从不活动变为活动时，终端模块将该变化信息通知带宽管理模块； C.所述带宽管理模块根据传输中的语音流在活动与不活动之间变化的频率，预测下一时刻需要的最低上下行带宽；当预测到带宽不足时，降低使用高带宽的语音流带宽；当预测到带宽有盈余时，提升使用低带宽的语音流带宽。
9.如权利要求8所述的通信方法，其特征在于在步骤A中，进一步包括如下步骤 Al.预先向终端模块设置可选的编码方案列表，其中包括编码类型、帧大小、占用带宽和估计MOS值； A2.位于源端的终端模块按照估计MOS值对编码表排序，将所述编码表发给所述带宽管理模块以协商传输编码类型，所述带宽管理模块根据当前可用带宽，选择所述编码表中满足占用带宽的第一条记录； A3.位于源端的终端模块和位于目的地的终端模块协商完成后,开始发送语音包。
10.如权利要求8所述的通信方法，其特征在于在步骤C中，进一步包括如下步骤 CO.预先设定最大带宽BWmax、语音活动样本数N和预测周期T ； Cl.假设通信系统中有P种编码，每隔预测周期T，统计每种编码有多少路通话处于活 动状态，记为cp，待所述通信系统稳定运行后，得到PXN的矩阵
全文摘要
本发明公开了一种语音传输带宽自适应的通信系统及通信方法。该通信系统包括多个终端模块、带宽管理模块和中转模块。终端模块中具有语音检测模块，用于实时地对双向语音活动进行检测，将语音状态变化信息通知带宽管理模块。带宽管理模块中具有带宽预测模块，用于接收语音检测模块发来的语音状态变化信息，据此预测下一时刻的带宽需求。带宽管理模块当预测到带宽不足时，降低使用高带宽的语音流带宽，当预测到带宽有盈余时，提升使用低带宽的语音流带宽。本发明利用对语音活动的预测，实现了带宽自适应，在语音质量、系统容量之间达到了较好的平衡，为互联网语音通信系统提供了一种低成本、高质量的语音通信解决方案。
文档编号H04L12/811GK102882804SQ20121032084
公开日2013年1月16日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者郝羽 申请人:北京讯鸟软件有限公司