Керування пропускною здатністю для голосового зв’язку за інтернет-протоколом (voip)

Реферат: Комп'ютеризований спосіб оптимізації якості аудіосигналу в голосовому потоці між додатками для голосового зв'язку за інтернет-протоколом (VoIP) передавального пристрою та приймального пристрою, причому вказаний спосіб включає: задання, за допомогою приймального пристрою, інтервалів часу; визначення, за допомогою приймального пристрою, у кінці кожного інтервалу часу наявності або відсутності перевантаження шляхом обчислення (і) односторонньої затримки та (іі) спрямованості з використанням подвійного експоненціального згладжування; оцінку, за допомогою приймального пристрою, пропускної здатності, доступної передавальному пристрою, на підставі вказаного обчислення; передачу, за допомогою приймального пристрою, оціненої пропускної здатності на передавальний пристрій; і використання передавальним пристроєм вказаної оцінки пропускної здатності як максимально допустимої швидкості передачі даних. UA 113028 C2 (12) UA 113028 C2 UA 113028 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ОБЛАСТЬ ТЕХНІКИ [0001] Даний винахід відноситься до систем голосового зв'язку за інтернет-протоколом (VoIP), і більше конкретно до оптимізації якості аудіосигналу з використанням результатів регулювання пропускної здатності. РІВЕНЬ ТЕХНІКИ [0002] На відміну від голосового зв'язку з "комутацією каналів", технологія голосового зв'язку за інтернет-протоколом (VoIP) повинна добре працювати в умовах мінливого стану мережі внаслідок конкуруючого трафіку (наприклад, перегляду кліпів на YouTube), інтерференції бездротового зв'язку тощо. [0003] Деякі аудіокодеки, наприклад кодек Opus, підтримують передачу даних на різних швидкостях передачі даних. Крім використання багатошвидкісних кодеків, можна також змінювати швидкість передачі даних шляхом зміни розміру кадру та шляхом перемикання між кодеками. [0004] Навіть за наявності кодека, який підтримує множину швидкостей передачі даних (що може включати зміни розміру кадру, як вказано вище), все ще залишається проблема використання "найкращої" швидкості передачі даних із урахуванням станів мережі, що потребує вимірювання станів мережі. СУТНІСТЬ ВИНАХОДУ [0005] Даний винахід пропонує комп'ютеризований спосіб оптимізації якості аудіосигналу в голосовому потоці між додатками для голосового зв'язку за інтернет-протоколом (VoIP) передавального пристрою та приймального пристрою, причому вказаний спосіб включає: задання, за допомогою, приймального пристрою інтервалів часу; визначення, за допомогою приймального пристрою, у кінці кожного інтервалу часу наявності або відсутності перевантаження шляхом обчислення (i) односторонньої затримки та (ii) спрямованості з використанням подвійного експоненціального згладжування; оцінку, за допомогою приймального пристрою, пропускної здатності, доступної передавальному пристрою, на підставі вказаного обчислення; передачу, за допомогою приймального пристрою, оціненої пропускної здатності на передавальний пристрій; і використання передавальним пристроєм вказаної оцінки пропускної здатності в якості максимально допустимої швидкості передачі даних. [0006] Визначення наявності або відсутності перевантаження може включати визначення наявності перевантаження, якщо обчислена одностороння затримка більше попередньо заданої позитивної постійної або якщо обчислена спрямованість більше попередньо заданої позитивної постійної. [0007] Даний спосіб може додатково включати визначення рівня перевантаження на підставі обчисленого значення спрямованості. [0008] Даний спосіб може додатково включати визначення необхідності виконання оцінки пропускної здатності; а етапи оцінки, передачі та використання можуть бути виконані тільки в тому випадку, якщо було визначено, що необхідно виконати оцінку пропускної здатності. [0009] Визначення необхідності оцінки пропускної здатності може включати визначення того, чи минув попередньо заданий інтервал часу після останньої оцінки пропускної здатності. [0010] Цей попередньо заданий інтервал часу є часом колового обігу. [0011] Визначення необхідності оцінки пропускної здатності може включати визначення того, чи змінився стан перевантаження. [0012] Оцінка пропускної здатності може включати: a. оцінку вхідної швидкості передачі даних; b. у випадку відсутності перевантаження задання значення оцінки пропускної здатності більше попередньо оціненої пропускної здатності; і c. у випадку наявності перевантаження задання значення оцінки пропускної здатності менше оціненої вхідної швидкості передачі даних. КОРОТКИЙ ОПИС ГРАФІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ [0013] Для кращого розуміння винаходу та ілюстрації того, як він може бути реалізований, тільки в якості прикладу звернемося далі до прикладених креслень. [0014] При конкретному зверненні до креслень ми хочемо підкреслити, що деталі показані тільки в якості прикладу та тільки з метою пояснювального обговорення переважних варіантів здійснення даного винаходу, і представлені, як передбачається, з метою забезпечення найбільш корисного та легко зрозумілого опису принципів і концептуальних аспектів даного винаходу. У цьому зв'язку спроби показати структурні деталі даного винаходу більше докладно, ніж необхідно для глибокого розуміння даного винаходу, не робились, і даний опис у поєднанні з кресленнями робить очевидним для фахівців у даній області техніки, як можна реалізувати на практиці різні форми даного винаходу. На прикладених кресленнях: [0015] на Фіг. 1 показана блок-схема, що описує алгоритм визначення перевантаження відповідно до варіантів здійснення даного винаходу, а 1 UA 113028 C2 5 10 15 20 25 30 35 [0016] на Фіг. 2 показана блок-схема, що описує алгоритм оцінки пропускної здатності відповідно до варіантів здійснення даного винаходу. ДОКЛАДНИЙ ОПИС ВАРІАНТІВ ЗДІЙСНЕННЯ ВИНАХОДУ [0017] Для досягнення найкращої якості звука у додатках VoIP ми хочемо використовувати найвищу швидкість передачі даних (для заданого кодека використання більшої кількості біт/с для кодування даних повинно призвести до більш точного відтворення входу) при збереженні мінімально можливого часу очікування. [0018] Ми визначаємо час очікування як затримку, тобто, як час, який потрібен аудіосигналу для проходження від сторони 1 мікрофона до сторони 2 динаміків. Він містить два головних компоненти - алгоритмічну затримку (яка у нашому контексті завжди буде часом, який аудіосигнал буде витрачати в одному додатку VoIP), яку ми будемо вважати фіксованою, і мережеву затримку. Ми будемо називати мережеву затримку від 1 до 2 "односторонньою затримкою" (якщо додати односторонню затримку у зворотньому напрямку, отримаємо "затримку колового обігу"). У загальному випадку, при відтворенні потокового відео/аудіо (наприклад, під час перегляду кліпу на YouTube) прийнятною є затримка в декілька секунд. Однак, у діалоговому сеансі (тобто, під час розмови) така затримка сильно впливає на сприйману якість сеансу. [0019] Є декілька компонентів, що впливають на односторонню затримку. Один із них, який обробляється протоколами запобігання заторам, є затримкою в черзі. Якщо пакети прибувають у маршрутизатор швидше, ніж він передає їх у наступний транзитний шлюз, вони стають у чергу. Одностороння затримка для поставлених у чергу пакетів зростає. [0020] Наприклад, нехай у нас є "джерело", яке пересилає 2 пакети в секунду в маршрутизатор, який з'єднаний з другою лінією передачі даних з пропускною здатністю 1 пакет в секунду. За умови, що у початковий момент часу черги немає, перший пакет передається маршрутизатором майже миттєво. Однак, другий пакет прибуває через 0,5 с і повинен чекати відправлення до закінчення 1-ї секунди. Наступний пакет прибуває через 1 секунду після початку відліку часу та повинен чекати до закінчення 2-ї секунди. Одностороння затримка через постановку в чергу дорівнює 0 с для першого пакета, 0,5 с для другого пакета, 1 с для третього пакета. [0021] Ми використовуємо це збільшення односторонньої затримки в якості сигналу перевантаження. [0022] Передбачається, що кожний аудіопакет включає часову мітку (наприклад, RTPпакети), і це значення зазвичай збільшує кількість зразків у попередньому пакеті. Значить: [0023] часова міткаi= часова міткаi-1 + зразкиi-1. 40 45 50 Оскільки кількість зразків у секунду є фіксованою (наприклад, 8000 або 16000), її легко можна перетворити у секунди. Наприклад, 480 зразків при 16000 зразок/с = 30 мс. [0024] Ми вважаємо, що передавальний пристрій передає кожний пакет "вчасно", тобто, у попередньому прикладі передавальний пристрій передає пакет через кожні 30 мс. В ідеальному випадку пакети будуть прибувати до приймального пристрою через однакові інтервали часу (тобто, через кожні 30 мс). Однак, у випадку наявності перевантаження ми очікуємо, що час прийому пакетів буде більше (у наведеному вище прикладі 2 пакет/с пакети буде відправлятися через 0, 0,5, 1, …, а прийматися через 0, 1, 2,…, тобто, між двома відправленими пакетами буде інтервал 0,5 с, але між двома прийнятими пакетами буде інтервал 1 с). [0025] У реальних IP-мережах, таких як мережа Інтернет, все не настільки просто: до кожного пакету додається випадкове спотворення, і це призводить до того, що затримки будуть більшими або меншими у порівнянні з "очікуваним" часом. [0026] Позначимо час передачі пакета i як s i і час його прийому як ri. Ми визначаємо міжпакетну затримку наступним чином: di = ri - ri-1 - (si - si-1). 55 Якщо перевантаження відсутнє, ми припускаємо, що di у середньому буде дорівнювати нулю: E(di) = 0. 60 2 UA 113028 C2 5 10 15 20 Визначення перевантаження [0027] Далі буде описаний алгоритм визначення перевантаження у прив'язці до Фіг. 1 відповідно до варіантів здійснення даного винаходу. Для визначення перевантаження на приймальному пристрої його додаток VoIP вимірює кількість зразків, отриманих за попередньо заданий (етап 100) фіксований інтервал часу, наприклад, за 120 мс. Якщо в кожний інтервал часу 120 мс приймається (в середньому) кількість пакетів, відповідна інтервалу 120 мс, то у такому випадку перевантаження відсутнє. Однак, якщо за інтервал часу 120 мс приймається (в середньому) менша кількість пакетів, ніж кількість, відповідна інтервалу 120 мс, тоді перевантаження існує. [0028] При отриманні достатньої кількості зразків перевантаження визначити легко. Однак, ми хочемо визначати перевантаження швидко, виключаючи при цьому хибнопозитивні результати, викликані спотвореннями. [0029] Ми воліємо робити вибірку через інтервали часу фіксованої довжини C, оскільки це й спрощує алгоритм. Таким чином, позначимо 1 інтервал (у нашому прикладі від 0 до 120 мс) як й I1, 2 інтервал як I2 і так далі та позначимо зразки, отримані в i-му інтервалі Ri (етап 120), у тих самих одиницях, що й вказаний інтервал, наприклад, у мс. Використовуючи протокол RTP, ми можемо перетворити часові мітки RTP (що відображають кількість зразків) в одиниці часу, наприклад, у мілісекунди, так як частота вибірки зазвичай є фіксованою, наприклад, 8000 зразок/с для "вузькосмугового" голосового зв'язку та 90 000 зразок/с для відеосигналів. Отримуємо: Ii=C для всіх i (у прикладі вище C=120 мс). [0030] Для вимірювання перевантаження використовуємо подвійне експоненціальне згладжування (етап 130): si = α*(Ri-Ii)+(1-α)*(si-1+bi-1), 25 bi = β*(si-si-1)+(1-β)*bi-1, 30 35 40 45 50 55 60 де s0 і b0 є деякими заданими початковими значеннями (наприклад, 0) (етап 110), а 0 0, або bi > поріг T для деякого порогового значення T >0 (етап 140). Далі ми можемо визначити деякі порогові значення S і/або T, які будуть відображати ступінь перевантаження, наприклад, відсутність перевантаження, легке, нормальне або велике перевантаження. [0032] Якщо на етапі 150 останні обчислені перевантаження та швидкість передачі даних вказують на відсутність необхідності повторної оцінки фактичної пропускної здатності в цей момент, процес повертається на етап 120 для вимірювання кількості зразків, отриманих у наступному інтервалі часу. Оцінка пропускної здатності [0033] Далі буде описаний алгоритм оцінки пропускної здатності у прив'язці до Фіг. 2. На підставі оцінок перевантаження, додаток VoIP приймального пристрою намагається оцінити фактичну пропускну здатність для передавального пристрою, та чи повинен додаток VoIP передавального пристрою збільшити або зменшити швидкість своїх посилань. [0034] Ми оцінюємо в момент часу t вхідну швидкість передачі даних (наприклад, шляхом вимірювання кількості бітів, прийнятих за останню секунду) - rt. Якщо мережа перевантажена, ми вважаємо, що пакети передаються з максимально можливою швидкістю, і тому r t можна використати в якості оцінки фактичної пропускної здатності. З іншого боку, у випадку відсутності перевантаження вхідна швидкість буде менше доступної швидкості передачі даних. [0035] Додаток VoIP приймального пристрою періодично оцінює фактичну пропускну здатність для передавального пристрою на підставі самої останньої оцінки перевантаження та вхідної швидкості передачі даних. Будемо вважати, що пропускна здатність оцінюється в момент часу ti, а результатом є Ati. Початкову пропускну здатність At0 можна оцінити, наприклад, із вхідної швидкості передачі даних упродовж початкового попередньо заданого інтервалу часу. Крім того, початкова швидкість передачі даних може бути встановлена стандартом або за домовленістю як частина початкового квитування, або ж може бути визначена яким-небудь іншим способом, відомим у даній області техніки. 3 UA 113028 C2 5 10 15 [0036] Позначимо оцінку вхідної швидкості передачі даних в момент часу t i як rti (етап 200). [0037] Якщо перевантаження відсутнє, ми хочемо збільшити оцінку фактичної пропускної здатності (етап 220). Наприклад: якщо rti >2*Ati-1, ми можемо задати Ati = 2/3*rti. З іншого боку, Ati можна збільшити шляхом множення на постійний коефіцієнт: Ati = C*At-1 (етап 230), де C >1, або шляхом додавання постійної: Ati = C+At-1, де C >1. [0038] Інший типовий варіант збільшення фактичної пропускної здатності полягає у запам'ятовуванні останньої оцінки фактичної пропускної здатності Ati-1 і спробі швидкого повернення до неї після періоду перевантаження (наприклад, встановити нову оцінку, яка повинна становити щонайменше половину останньої доступної оцінки). [0039] Необхідно відзначити, що у деяких випадках швидкість передачі даних не може бути збільшена. Наприклад: - максимальна швидкість передачі даних може бути задана; - вхідна швидкість передачі даних від однорангового вузла є (значно) більш низькою, ніж поточна оцінка. [0040] І навпаки, якщо існує перевантаження, і за умови, що поточна вхідна швидкість передачі даних є нашою найкращою оцінкою пропускної здатності, ми хочемо зменшити швидкість передачі даних (етап 230), щоб усунути перевантаження. [0041] Якщо перевантаження невелике, ми можемо оцінити Ati наступним чином: 20 Ati = min(Ati-1, rti) (етап 240). 25 30 35 40 45 50 55 [0042] За більш високих рівнів перевантаження ми можемо помножити вхідну швидкість передачі даних на постійну (D