语音与数据综合传输的带宽利用率

语音与数据综合传输的带宽利用率 2916 第卷 第期计 算 机 工 程20039 年月 September 2003 Computer Engineering Vol.29 16 ? A 10003428(2003)16 文献标识码:TP393.07 004102 文章编号:———中图分类号: ? 基金项目论文? 语音与数据综合传输的带宽利用率 1211 力孙学军，孙 岩，何丕廉，宫天津大学计算机科学与技术系，天津 ;美国伊利诺伊州立大学应用计算机科学系，美国 (1.3000722.61761) 摘 要:该文提出的语音与数据综合传输新方法能有效地提高网络带宽利用率。理论研究明，带宽利用率提高到接近语音中无声所占比率 理论值，该结论具有广泛的指导意义。实验表明，该方法理论与实际相符，数据传输可靠，语音质量良好。 关键词:语音;综合传输;带宽利用率;无声判别 Utilization Ratio of Bandwidth in Integrated Transmission of Voice and Data 1211 SUN Xuejun，SUN Yan，HE Pilian，GONG Li ; (1.Department of Computer Science and Technology,Tianjin University,Tianjin 300072 2.Applied Computer Science Department,Illinois State University, USA 61761) 【 Abstract 】This paper proposes a new method in integrated transmission of voice and data. This method increases the utilization ratio of the bandwidth. Theoretical research shows that the utilization ratio of the bandwidth approaches the theoretical figure of silence rate in the voice. This conclusion has directive function in a broad sense. Experiments proves that the theoretics tallies with reality, the data transmission is reliable and the voice transmission quality is better. 【 Key words】 ;;; VoiceIntegrated transmissionUtilization ratio of bandwidthSilence distinguish 语音与数据综合传输是计算机网络多媒体通信中的重要1 网络带宽资源节约 [1~3] [1] 内容，近年来在这方面已取得了一些研究成果。文献 [1~3]文献都未对语音进行无声判别和压缩处理，只是 简单地让语言与数据分别占用幀中的固定位置进行传输;文 将语音与数据综合后进行传输，这是常规的传输方法。为了 [2] 献将幀分成语音周期和数据周期，语音周期传输语音， 说明本文方法的网络带宽资源的节约，可与它们对比，现以 [3]数据周期传输数据;文献则从语音的实时性出发，讨论 [1]具有代表性的文献为例进行分析。 了语音队列的优先级问。 VL, 假设欲传输的语音信息为比特，数据信息为比特语 语音信号本身有一定的突发性，在一个语音信号序列 中，有声期和无声期交替出现。若利用语音中的无声期传输 SKCRC音中无声所占比例为，语音编码压缩比为，校验码 , [1~3] 数据，能提高网络带宽资源的利用率。对此问题文献CF( 长度为比特。不进行无声判别的幀头长度为其中至少 HN都没有提出解决。针对此问题，本文提出了一种新方 包括一个控制字段，一个文件标号字段，一个文件顺序号字 法，该方法对语音信号的无声期进行判别，剔除无声期，然 )F(段;进行无声判别的幀头长度为其中至少包括一个控制 HS后对语音进行压缩处理，连续存放压缩后的语音信息，集中 字段，一个文件标号字段，一个无声块表字段，一个文件顺 无声期用于传输数据，以期提高网络带宽资源的利用率。 )/2序号字段。有无无声判别的幀结构如图所示。 对于一个语音录制块，利用本文方法进行无声期判别后 1(a)有声期与无声期的分布状况及幀结构如图所示，为进行 HS (b) 无声判别后有声期与无声期分布情况;为压缩后的语音 (c)连续存放情况;为压缩语音与数据综合传输的幀结构。 HN 图2 有/无无声判别幀结构 2(a)2(b)图为有无声判别幀结构;图为无无声判别幀结 M构。同时还假定二者发送相同的语音段，且幀个数均为， 这样，无无声判别所发送的信息总量为 T VK L M ( F C ) HN HN (1) 基金项目:国家自然科学基金资助项目;天津市自然科 (69783004) 学基金资助项目 (993800111) 作者简介:孙学军,，男，副教授，主要研究方向:计算机 (1946) 网络与通信;孙 岩，硕士生;何丕廉，教授;宫 力，工程师 图1 有声期/无声期分布及幀结构 收稿日期: 2002-09-1141 —— 有无声判别所发送的信息总量为2 实验结果 T V (1 S ) K L M ( F C ) 2.1 无声判别阈值选取HS HS (2) [1]L本文方法相对于文献的网络带宽资源节约比率为 设待判别语音块的能量为，无声判别能量阈值为?。 L >L <若?，判此语音块为有声期;若?，判此语音块为无 C ) V (1 S )K L M (FHS E [1 ] 声期。本文无声判别阈值由下式确定:VK L M ( F C ) HN = *(1 + x) (13) ? 背景噪声能量平均值 F) VKS M (FHN HS xx 式中是根据语音质量确定的。如果值选取过大，VK L M ( F C ) HN (3) 会使部分能量较小的语音被滤除掉，使恢复后的语音有一种 0 ~ 上式是在有限时间内对二者的比较，为了得到?时 x突然出现与截止的感觉;如果值选取过小，会使部分噪声 (3) 间域上对二者的比较，需改变式的表达形式，建立起与 随语音一起传输，不但使收听不悦，而且也降低了网络带宽 t时间的关系，为此，令 x = 0.2资源的利用率。实验表明，取，语音质量良好，网络 V Pt (4) 带宽资源利用率也较高。 Pb/s,其中为语音录制率，单位为于是，发送语音幀数 2.2 传输效果 M Pt / R (5) 利用麦克风和声卡将语音信号送入计算机，使用 R (4) (5) 其中为语音分组，单位为比特。将式和式代入式Microsoft DirectSound 的 对语音做相应的处理，再通过 (3)，得Windows ACM 进行压缩处理，然后与欲传输的数据合并， F) PtKS (Pt / R )( FHN HS 5之后，进行发送。通过个网段的传输实验，语音清晰度、 E PtK L ( Pt / R )( F C ) HN (6) 可懂度和不同说话者的区别度等方面，主观评测均不低于公 tE当??时， 的极限: 用电话质量水平，无断续感觉;数据发送完成后，收方机器 PtKS (Pt / R )( F F) HN HS 显示数据与发方完全一致，数据传输正确。lim E lim t t PtK L (Pt / R )( F C ) HN (7) 2.3 网络信道资源节约比率 (7) 利用罗比塔法则，式变为 10在实验中对分钟的语音交谈进行统计，得数据如下: ;V = 105840000 bits PKS ( P / R)( F F ) HN HS lim E ; t S = 0.56 PK ( P / R)( F C ) HN ; L = 819200 bits F F RKS HN HS ; F=48 bits HN RK F C HN ; F= 56 bits HS RKS F F; HN HS C = 16 bits RK F C RK F C (8) 。HN HN R = 176400 bits [1] (8)K=1:4上式是在无限时间上得到的本文方法对文献方法的将上述数据代入式，取可得极限信道节约比率 F网络带宽资源节约极限比率值，该式第二项分子中的一 HN RKS F F HN HS lim E 100 % Ft 般小于，所以有 HSRK F C HN F F 0 HN HS (9) 176400 0.25 0.56 48 56 55 .9% 这表明，采用无声判别后会对网络带宽资源利用率产生176400 0.25 48 16 FF 影响，使其降低。因此，应尽量减小，使其与接近， 由此可见，采取无声判别措施后，网络带宽资源节约是HSHNS非常明显的，接近语音中无声所占比率之值。进一步的实 以保持较高的带宽资源利用率。 R验统计表明，语音分组的大小对带宽资源节约有影响，其 (3) M对于式，在其它参数不变的情况下，如果以为变1结果如表所示。 量对其求导，可得 表 1 语音分组大小与信道资源节约的关系 F) VKS (F C ) (VK L )( FHN HS HN E 2[VK L M ( F C )] M E% Rbit()HN (10) 35280 3000 53.85 (10)(9) 在式中，显然分母是一正值，而由式知，分子第17640 6000 53.39 0一项是小于的，即11760 9000 52.94 (VK L)( F F) 0 H HS (11) 8816 12000 52.49 (10)所以，式分子为负，则 7056 15000 52.05 E 0 (12) 5880 18000 51.65 (3) M 这表明式为一单调函数，也就是说，随着值的增1R 由表可看出，愈大，带宽资源节约愈明显。传输大EM大，是减小的。在相同的时间内，越大，则相应的语音 的语音分组，有利于提高网络带宽资源的利用率，这与前面 分组就越小 ，此时语音采用无声判别传输的带宽节约率就 的分析一致。 MR越低。由此可见，应减小，加大语音分组的尺寸。但 R3 结论是，大的会造成长的语音传输时延，因此，考虑传输时 R延，又不能太大，所以应根据带宽资源利用率和传输时延 由上面的理论分析和实验可得如下结论:R要求确定语音分组的大小。 (1)实验表明，本文所提方法可行，语音效果良好，数 据传输正确。 (164)下转第页42 —— 一个错误处理程序如果能提供指明错误原因的诊断信息adostu.Recordset("NAME") = Name 无疑是很有帮助的。一些情况下，系统指明错误类型，但并 adostu.Recordset("RESULT") = Result 没有明确指出错误潜在的原因。在这种情况下，错误处理程 adostu.Recordset.Update 序不仅要有效地处理错误，而且也应提供正确的错误或警告 ” “成绩” “考生姓名& Name & : & Result InsertRecord =: 信息。 “ 记录成功插入” & 下面就是实现客户端连接子程序中错误处理部分的相关 InsertRecord_Exit: 代码。如果一个客户端程序试图连接一个已经被连接的服务 Exit Function Server器端程序，会显示“端已连接”，当试图连接到一个 'error handler Server尚未运行的服务器端程序时，客户端将显示“尚未运 HandleErrors: 插入操作失败则取消该项事务行，稍后再试”。 ' adostu.Recordset.CancelUpdate Private Sub cmdConnect_Click() “考生” “ 记录已存在” InsertRecord = :& Name & On Error GoTo HandleErrors On Error GoTo 0 If (isConnected) Then End Function “端已连接” MsgBox Server, vbOKOnlyPrivate Function UpdateRecord(ByVal Name As String, ByVal Else Result As String) As String 设定服务器地址是'IP127.0.0.1 若未找到修改记录，则提示要先插入记录才能修改 'sckClient.RemoteHost = "127.0.0.1" If (Not FindName(Name)) Then sckClient.RemotePort = 1001 “考生”“未找到，请先录入考 UpdateRecord =: & Name & sckClient.Connect 生信息”End If Else cmdConnect_Click_Exit: adostu.Recordset("NAME") = Name Exit Sub adostu.Recordset("RESULT") = Result 'error handler adostu.Recordset.Update HandleErrors: 向客户端发送记录已修改的反馈信息' sckClient.Close “考生姓名” “成绩” UpdateRecord =:& Name & :& Result“稍后再试”“尚未运行”MsgBox , vbOKOnly, Server “修改成功” & On Error GoTo 0 End If End Sub End Function 2.2.2 / 处理数据修改插入错误3 结 语 在数据库系统时保持数据完整性的一个重要方面就 本文讨论了在实现分布式计算模式的算法中如何有效地 是避免出现重复记录。这主要依赖数据库系统在数据表一 处理资源共享、计算速度、可靠性和数据通信性能等基本的 ( Primary Key 级，通过定义一列或多列的约束条件如、 VB影响因素。并对一些算法做了示例。应该说，这些因素 Unique)Unique 等来实现。例如在约束列内插入重复数值时 在不同类型的分布式计算模式中起到的影响是不同的，但在 就会出现实时错误。错误处理程序必须对此类错误进行处 设计分布式系统时综合考虑上述因素对系统性能的影响，不 理，并显示错误信息。 仅能提高系统的稳定性，而且对系统的执行效率和可扩展性 在一个分布式系统中，除了插入新数据，客户端程序还 也是至关重要的。经常会修改已有数据。如果要修改的数据在数据库中并不存 参考文献在，错误例程应提示用户应先插入数据才能修改。 1 Harmon P.Distributed Computing at Telecoms.Component 下面的代码显示如何处理在服务器端出现的数据修改和 Development Strategies,1998,8(10):1-16 插入错误，同时也指明发生此类错误时，客户端程序如何显 2Vinoski S.CORBA:Integrating Diverse Applications Within 示恰当的界面信息。Distributed Heterogeneous Environments.IEEE Communication Private Function InsertRecord (ByVal Name As String, ByVal Magazine,1997,35 (2) : 45-55 Result As String) As String 3SilberSchatz A,Galvin P B.Operating System Concepts(Fourth On Error GoTo HandleErrors Edition). Addison-wesley Publishing Company, 1995 本系统使用对象连接网络数据库上的数据源 'ADO4 O'Toole A. Making Software Work Together. Orbix Journal,1998 adostu.Recordset.AddNew ??????????????????????????????????????????????????????????? ? (42) 参考文献上接第页 (2)1 Ziegler C,Weiss G.Mechanisms for Intergrated Voice and Data 通过无声判别进行压缩语音与数据综合传输，能明 Conferencin[J].ACM Computer Communication Review,1990,20(3): 显提高网络带宽资源利用率，带宽利用率提高接近语音中无 101-108 声所占比率理论值。 2 Lagemeat J V D,Daaemen J M A,Niemegeers I G.Voice Transmission (3), 理论分析得到了实验验证理论分析符合客观实际，in a Priority CSMA/CD LAN:An Efficient Protocol Using Hybrid (8)公式具有广泛指导意义。Switching[J].ACM Computer Communication Review,1986,16(3), 102- (4)传输分组大小与信道节约比率有一定关系，语音分 110 组愈大，信道节约愈明显，但实际中考虑到时延影响，语音 陈富贵胡修林基于网络的语音数据综合传输研究计算 3 ,.TCP/IP/[J].分组大小是有限制的，其大小应根据需要决定。 机系统应用 ,1997,(5):19-21164 ——