摘 要：本研究的目的是為了引入一種基于壓縮采樣技術(shù)的新方案，用于重構(gòu)多媒體流中丟失的數(shù)據(jù)。通過(guò)使用交織技術(shù)將語(yǔ)音流媒體信號(hào)封裝在發(fā)送方的不同分組中。壓縮采樣技術(shù)用于在接收端丟失數(shù)據(jù)包的情況下恢復(fù)音頻信息。本文為語(yǔ)音音頻信號(hào)提供實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明提出的方法具有可行性。

關(guān)鍵詞：壓縮感知；丟包恢復(fù)；交織技術(shù)；VoIP

中圖分類號(hào)：TN912.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）06-0067-03

Abstract：The aim of this study is to introduce a new scheme，based on a compressive sampling technique，for the reconstruction of lost data in multimedia streaming. The audio streaming data are encapsulated indifferent packets，at the sender，by using an interleaving technique. The compressive sampling technique is used to recover audio information in case of lost packets，at the receiver. Experimental results are presented for speech and musical audio signals which illustrate the performances and the capabilities of the proposed methodology.

Keywords：compressed sensing；packet loss recovery；interleaving technology；VoIP

0 引 言

流媒體技術(shù)和接入網(wǎng)絡(luò)帶寬的增加促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)上多媒體內(nèi)容的傳輸。這項(xiàng)新服務(wù)為互聯(lián)網(wǎng)電視或音頻/視頻服務(wù)提供了可能，例如互聯(lián)網(wǎng)電視或音頻/視頻服務(wù)。用戶越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向這種類型的服務(wù)，提供商試圖提供更好的質(zhì)量來(lái)滿足這種需求。這項(xiàng)技術(shù)的主要局限是需要穩(wěn)定的傳輸條件來(lái)保證一定程度的服務(wù)質(zhì)量。在過(guò)去幾年中，已經(jīng)引入了新的可擴(kuò)展音頻和視頻流應(yīng)用類別，但在大多數(shù)情況下，多媒體內(nèi)容的質(zhì)量受到數(shù)據(jù)包丟失、延遲和網(wǎng)絡(luò)擁塞的影響。最近，已經(jīng)研究并提出了幾種用于從丟包中恢復(fù)多媒體內(nèi)容的方法，例如，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語(yǔ)音（VoIP）系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)電話的基本工具，然而，很高的數(shù)據(jù)包丟失率往往使語(yǔ)音無(wú)法完全讓用戶理解。出于這個(gè)原因，VoIP應(yīng)用通常包含丟包恢復(fù)或隱藏機(jī)制（數(shù)據(jù)包丟失隱藏（PLC））。本文提出了一種用于音頻流中的數(shù)據(jù)丟失重建的新方案（稱為基于壓縮傳感的包丟失恢復(fù)（PLRCS））。在流式傳輸模型中，音頻數(shù)據(jù)在發(fā)送端使用交織技術(shù)封裝在不同的數(shù)據(jù)包中，在接收端，丟失分組的信息通過(guò)壓縮采樣技術(shù)進(jìn)行重建。

1 實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議和交織技術(shù)

多媒體應(yīng)用所需的服務(wù)與標(biāo)準(zhǔn)大不相同，這些應(yīng)用對(duì)端到端的延遲特別敏感，它們只能偶爾丟失數(shù)據(jù)。通常，實(shí)時(shí)應(yīng)用（例如VoIP）使用實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議，該協(xié)議能夠支持IP組播和數(shù)據(jù)分發(fā)到一組接收器。RTP本身并沒(méi)有提供按時(shí)發(fā)送機(jī)制或其它服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證，它依賴于低層服務(wù)去實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。

交織技術(shù)可以顯著提高我們感知音頻流的質(zhì)量。例如，在過(guò)去幾年中，它廣泛用于降低突發(fā)性丟包，特別是在VoIP流式傳輸中。在交錯(cuò)階段，音頻信號(hào)的幀在傳輸之前按照分組進(jìn)行排序，特別是原來(lái)相鄰的幀在發(fā)送的流中被分開，并在接收端恢復(fù)到它們?cè)瓉?lái)的順序，這種機(jī)制重新分配了數(shù)據(jù)包丟失的影響。例如，如果幀長(zhǎng)度為5ms，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為20ms（即4幀/數(shù)據(jù)包），則第一個(gè)數(shù)據(jù)包將包含單位1，5，9，13；第二單元2，6，10，14。我們注意到，從交織流中丟失單個(gè)分組不會(huì)像在非交織流中那樣產(chǎn)生單個(gè)大間隙，而是在重構(gòu)流中產(chǎn)生多個(gè)小間隙，這對(duì)音頻信號(hào)尤其有用，其中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的長(zhǎng)度通常與人類語(yǔ)音中的音素類似。然而交織技術(shù)增加了延遲，其主要優(yōu)勢(shì)在于它不會(huì)增加流信號(hào)的帶寬需求。

2 VoIP技術(shù)構(gòu)架和壓縮感知

2.1 VoIP技術(shù)構(gòu)架

IP語(yǔ)音（VoIP）是指使用一組技術(shù)來(lái)傳輸語(yǔ)音，同時(shí)也傳輸視頻信號(hào)，就像數(shù)據(jù)包通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)一樣。VoIP正在替代傳統(tǒng)的PBX和PSTN技術(shù)，逐漸變成公司和公共電訊的主流。幾個(gè)VoIP架構(gòu)被各種標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體和發(fā)展商基于不同的信令協(xié)議棧發(fā)展，也就是H.323、SIP和MGCP/MEGACO/H.248。

2.2 壓縮感知（CS）原理

壓縮傳感理論主要包括信號(hào)的稀疏表示、編碼測(cè)量和重構(gòu)算法等三個(gè)方面。信號(hào)的稀疏表示是將信號(hào)投影到正交變換基時(shí)，絕大部分變換系數(shù)的絕對(duì)值很小，所得到的變換向量是稀疏或者近似稀疏的，可以將其看作原始信號(hào)的一種簡(jiǎn)潔表達(dá)，這是壓縮傳感的先驗(yàn)條件，即信號(hào)必須在某種變換下可以稀疏表示。通常變換基可以根據(jù)信號(hào)本身的特點(diǎn)靈活選取，常用的有離散余弦變換基、快速傅里葉變換基、離散小波變換基、Curvelet基、Gabor基以及冗余字典等。在編碼測(cè)量中，首先選擇穩(wěn)定的投影矩陣，為了確保信號(hào)的線性投影能夠保持信號(hào)的原始結(jié)構(gòu)，投影矩陣必須滿足約束等距性（Restricted isometry property，RIP）條件，然后通過(guò)原始信號(hào)與測(cè)量矩陣的乘積獲得原始信號(hào)的線性投影測(cè)量。最后運(yùn)用重構(gòu)算法，由測(cè)量值及投影矩陣重構(gòu)原始信號(hào)。信號(hào)重構(gòu)過(guò)程一般轉(zhuǎn)換為一個(gè)最小范數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，求解方法主要有最小l1范數(shù)法、匹配追蹤系列算法、最小全變分方法和迭代閾值算法等。

2.3 壓縮感知過(guò)程

考慮以下的觀測(cè)模型（編碼過(guò)程）：

其中T是由已知非零元位置組成的集合（例如小波域中，信號(hào)逼近系數(shù)往往是非零的，逼近系數(shù)的位置可以組成集合T），T c表示集合T的補(bǔ)，而是由向量中位置包含在T c中的元素組成的子向量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用壓縮感知的方法重構(gòu)語(yǔ)音信號(hào)，采用PCM編碼技術(shù)（8000HZ的采樣頻率和8bit量化）。原語(yǔ)音信號(hào)采用英文閱讀新聞的女性聲音，語(yǔ)音時(shí)長(zhǎng)為6.25s。每20ms收集一次流數(shù)據(jù)，從而獲得由160個(gè)字節(jié)（或160個(gè)樣本）組成的四個(gè)數(shù)據(jù)包，如圖1所示。在本實(shí)驗(yàn)中，整體記錄的持續(xù)時(shí)間是不相關(guān)的，因?yàn)橹貥?gòu)是在接收端對(duì)有效接收信息進(jìn)行的，并不考慮其他時(shí)間信息，如圖2所示。結(jié)果對(duì)重構(gòu)信息與原始信息進(jìn)行了比較，如圖3所示。

4 結(jié) 論

本文介紹了一種基于壓縮感知的語(yǔ)音流媒體丟包恢復(fù)的方案，語(yǔ)音數(shù)據(jù)在發(fā)送端通過(guò)交織技術(shù)封裝在不同的分組中，又在接收端通過(guò)壓縮采樣技術(shù)恢復(fù)分組中丟失的信息。語(yǔ)音信號(hào)用數(shù)據(jù)封包在IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸，所以要求VoIP有很高的語(yǔ)音質(zhì)量。壓縮感知理論對(duì)信號(hào)的采樣與壓縮發(fā)生在同一個(gè)步驟，利用信號(hào)的稀疏性，以遠(yuǎn)低于Nyquist采樣率的速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮采樣，并且可以幾乎無(wú)失真地恢復(fù)原信號(hào)。壓縮感知能大幅度降低信號(hào)的采樣速率以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸?shù)拇鷥r(jià)。

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作者簡(jiǎn)介：杜佳夢(mèng)，女，漢族，河北石家莊人，碩士研究生在讀。研究方向：電子與通信工程。