滕 達(dá)，馮浩楠

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081）

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

基于AMR-WB基音周期的帶寬節(jié)省方法

滕 達(dá)1，2，馮浩楠1

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081）

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)擁塞會(huì)影響數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量和穩(wěn)定性，為節(jié)省網(wǎng)絡(luò)高峰時(shí)段的網(wǎng)絡(luò)帶寬，本文在不改變硬件和協(xié)議的條件下，將信息隱藏的思想應(yīng)用于語(yǔ)音編碼，在編碼階段對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，經(jīng)計(jì)算可以節(jié)省約12%的帶寬，從而起到緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的作用。

基音周期；AMR-WB；帶寬

隨著手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)類(lèi)電子設(shè)備的不斷推陳出新，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)也相應(yīng)地得到迅速地發(fā)展，用戶(hù)數(shù)量隨之不斷升高[1]。無(wú)線通信為廣大消費(fèi)者帶來(lái)的便利是顯而易見(jiàn)的，然而過(guò)多的用戶(hù)為 2G/3G 網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)龐大的數(shù)據(jù)量，從而造成了網(wǎng)絡(luò)通信高峰時(shí)段的通信堵塞。另一方面，移動(dòng)通信技術(shù)也存在著一些缺點(diǎn)，例如 :3G 技術(shù)缺點(diǎn)如下 :（1）多徑衰弱的問(wèn)題。移動(dòng)通信系統(tǒng)會(huì)由于地貌、海況、天空等因素影響下，導(dǎo)致接收方收到多條電磁波，產(chǎn)生嚴(yán)重的衰弱現(xiàn)象。（2）時(shí)延擴(kuò)展的問(wèn)題。無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程因?yàn)椴煌穆窂綄?dǎo)致信號(hào)的傳播時(shí)延各不相同，引起碼間干擾。（3）多址干擾的問(wèn)題[2]。在 3G 通信系統(tǒng)中，在時(shí)域和頻域上，多個(gè)用戶(hù)的信號(hào)是有重疊的，因此一定的同域和領(lǐng)域干擾會(huì)產(chǎn)生在頻域上，這種干擾就是多址干擾[3]。

上述問(wèn)題因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸帶來(lái)誤碼率高、網(wǎng)絡(luò)擁塞等問(wèn)題，從而影響數(shù)據(jù)通信的質(zhì)量和穩(wěn)定性，在不解決硬件和協(xié)議本身限制的情況下，需要從信息本身入手。從信息隱藏的思路入手，在編碼階段將信息嵌入到語(yǔ)音信號(hào)中進(jìn)行傳輸，在解碼階段將信息取出，減少了語(yǔ)音信號(hào)的長(zhǎng)度，起到節(jié)省通信網(wǎng)絡(luò)帶寬的作用。

1 AMR-WB編碼簡(jiǎn)介

在 3GPP TS 26.190 規(guī)范中，AMR-WB（Adaptive Multi-Rate-Wideband, 自適應(yīng)多速率寬帶編碼）是一種同時(shí)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ITU-T 和 3GPP 采用的寬帶語(yǔ)音編碼標(biāo)準(zhǔn)，也稱(chēng)為 G722.2 標(biāo)準(zhǔn)[4]。AMR-WB提供語(yǔ)音帶寬范圍達(dá)到 50 Hz ～ 7 000 Hz，用戶(hù)可主觀感受到話(huà)音比以前更加自然、舒適和易于分辨，處理的音頻是采樣率為 16 kHz 的語(yǔ)音信號(hào)，具有 6.60 kbps、8.85 kbps、12.65 kbps、14.25 kbps、15.85 kbps、18.25 kbps、19.85 kbps 和 23.05 kbps 和 23.85 kbps總共 9 種不同的速率，對(duì)于這 9 種不同速率的語(yǔ)音，經(jīng)過(guò) AMR-WB 編碼后，每一幀的長(zhǎng)度分別為132 bit、177 bit、253 bit、285 bit、317 bit、365 bit、397 bit、461 bit和 477 bit[5]。在網(wǎng)絡(luò)比較擁堵的情況下，AMR-WB 編碼會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)碼率，減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的數(shù)量。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)非常差的情況下，如果碼率調(diào)到最低的 6.60 kbps 速度時(shí)，網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況無(wú)法緩解，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失嚴(yán)重，無(wú)法正常通話(huà)[6]?；谇度胄畔⒌乃枷?，利用基音周期參數(shù)改變較少影響通話(huà)質(zhì)量的特性，提出了一種節(jié)省3G網(wǎng)絡(luò)帶寬的方法。本算法的思想是利用基音周期參數(shù)的方法進(jìn)行信息隱藏，將每一秒語(yǔ)音的前 6幀嵌入到后 44幀中，從而節(jié)省了帶寬。

2 編碼算法

編碼算法的主要思想是發(fā)送端將每一秒語(yǔ)音編碼的前 6幀語(yǔ)音信息嵌入到后面的 44幀中，這樣可以減少每一秒語(yǔ)音的信息量，從而減少總的信息量。

協(xié)調(diào)信息:雙方通話(huà)開(kāi)始時(shí)，發(fā)送端將一些調(diào)節(jié)信息編碼到第 i幀語(yǔ)音上，接收方收到調(diào)節(jié)信息后，開(kāi)始接收隱藏信息。

編碼的開(kāi)始 :當(dāng)發(fā)送端向接收端發(fā)送第 j s 的信號(hào)時(shí)，先使用 AMR-WB 編碼器將第 j s語(yǔ)音信號(hào)編碼，得到二進(jìn)制序列 Info1，…，Infok，1 s 的信號(hào)總共有50 幀的語(yǔ)音，編碼算法的目的就是將該 50 幀的前 6位嵌入到后 44位當(dāng)中。

信息嵌入過(guò)程 :每一秒語(yǔ)音的最后 44幀語(yǔ)音，從第7幀語(yǔ)音開(kāi)始編號(hào)，第7幀的第1個(gè)子幀編號(hào)為1，第 2 個(gè)子幀編號(hào)為 2，往后以此類(lèi)推，第 i幀語(yǔ)音的第 j子幀編號(hào)為 (i-7)*4+j。從二進(jìn)制序列 Info 中取出Infok，Infok+1，Infok+2，Infok+3和 Infok+4總共 5 bit的信息（k 整除 5），將這 5 bit二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)，這個(gè)數(shù)設(shè)為“s”。在編號(hào)為 k 的子幀編碼過(guò)程中，在閉環(huán)基音周期的搜索中，在候選的基音周期參數(shù)集合中，循環(huán)測(cè)試每一個(gè)基音周期參數(shù) ti，若 timod32=s，則選擇 ti作為這個(gè)子幀的基音周期參數(shù)進(jìn)行編碼 ；若候選的基音周期參數(shù)均不滿(mǎn)足 timod32=s 的條件，則選擇一個(gè)正整數(shù) tj作為該子幀的基音周期參數(shù)進(jìn)行編碼，其中，tj滿(mǎn)足 |tj-ti|mod32=s 的條件。

3 解碼算法

解碼算法的目的是在接收端還原被隱藏的信息。接收端在接收到協(xié)調(diào)幀后，立即啟動(dòng)隱藏信息的解碼，即從第 i秒語(yǔ)音開(kāi)始，通過(guò)解碼每秒語(yǔ)音的 44幀的來(lái)還原語(yǔ)音編碼。接收端在接收到第j秒語(yǔ)音后，將這 44幀語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行解碼，將每一個(gè)子幀語(yǔ)音的基音周期參數(shù)摸除 32，得到十進(jìn)制數(shù) s，再將 s轉(zhuǎn)化為 5 bit的二進(jìn)制信息 Infok，…,Infok+4。按照順序，將 44幀語(yǔ)音中，每一個(gè)子幀基音周期參數(shù)模除結(jié)果的信息緩存在一起，最后將緩存結(jié)果使用編碼器解碼進(jìn)行聲音的重建，得到前6幀的語(yǔ)音信號(hào)，將這6幀語(yǔ)音信號(hào)和接收到的 44幀語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行組合，最后可以得到完整的 1s的語(yǔ)音。

4 算法分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 網(wǎng)絡(luò)帶寬節(jié)省分析

本算法使用基音周期參數(shù)的方法進(jìn)行信息隱藏。每一幀語(yǔ)音的編碼比特?cái)?shù)取決于嵌入過(guò)程中所選擇的模數(shù)，本算法使用 32作為模除計(jì)算的模數(shù)，因此每一子幀語(yǔ)音的基音周期參數(shù)可以嵌入 5 bit的信息，一幀語(yǔ)音就可以用來(lái)嵌入 20 bit的信息。在 6.60kbps 速率模式下，每一幀語(yǔ)音編 碼大小為 132 bit，因此 44 幀語(yǔ)音的基音周期參數(shù)總共可以嵌入 880 bit的信息，而剩余 6 幀語(yǔ)音總共是 792 bit，因此每一秒語(yǔ)音的 50 幀中的 44 幀的語(yǔ)音正好可以承載剩余6幀語(yǔ)音的編碼流，那么每一秒的語(yǔ)音可以減少6幀的編碼比特?cái)?shù)。因此在網(wǎng)絡(luò)狀況不好的情況下，使用本算法進(jìn)行信息壓縮平均可以節(jié)省 6/50=12% 的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)使用了 30 個(gè)錄制音頻的片段和 30 個(gè)網(wǎng)絡(luò)音頻文件進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

對(duì) AMR-WB 編碼器源代碼進(jìn)行了修改。在發(fā)送端需要進(jìn)行編碼，方法是在每一秒的語(yǔ)音編碼中，緩存前6幀語(yǔ)音編碼流，將這6幀語(yǔ)音編碼的二進(jìn)制比特流嵌入到后面 44幀語(yǔ)音的基音周期參數(shù)中，解碼端在接收到協(xié)調(diào)幀后每解碼 44幀語(yǔ)音，就可以得到6幀的語(yǔ)音比特流，編碼器將這6幀比特流解碼后，對(duì)每一秒的語(yǔ)音重組后輸出。因?yàn)榍度氲男畔⑤^多，原始波形圖和嵌入信息的波形圖差異比較大，在此不一一列舉。

表1是使用該算法嵌入信息后MOS值的差異，從中可以看出，在該算法條件下，MOS差值的平均值 約 為 0.42， 會(huì) 比較 顯 著的 降 低話(huà) 音 通話(huà) 的 質(zhì)量，但是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通話(huà)雙方仍然可以正常的通話(huà)。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

基于基音周期隱藏算法提出了一種利用基音周期嵌入減少語(yǔ)音編碼比特?cái)?shù)的方案，以應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)情況惡劣的環(huán)境。通信雙方只需要壓縮編碼前進(jìn)行較少通信量的協(xié)商，發(fā)送端通過(guò)將一部分編碼數(shù)據(jù)嵌入基音周期參數(shù)中，從而將編碼數(shù)據(jù)壓縮發(fā)送；接收端在收到協(xié)調(diào)幀后，根據(jù)相應(yīng)的算法每 44幀語(yǔ)音數(shù)據(jù)作為一組解碼，最后將數(shù)據(jù)整合可得到最終的語(yǔ)音信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，話(huà)音的平均MOS值的降低約為 0.42，但是此時(shí)通話(huà)的雙方仍然可以繼續(xù)通話(huà)。經(jīng)過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，在保證可通話(huà)的前提下，平均可以節(jié)省的帶寬可以達(dá)到原來(lái)使用帶寬的 12%。

[1] Zhang Chun Ling, Zhao Sheng Hui, Xiao Hong Yuan, et al., An Improved Method for AMR-WB Speech Codec [J]. Advanced Materials Research, 2013, 756-759, 1259.

[2] 解廷福，楊 果， 王 晶 . 基于算術(shù)編碼的 AMR—WB 參數(shù)變速率壓縮 [J]. 電聲技術(shù)，2013（7）：48-51.

[3] 唐 駿 , 袁江南 .AMR-WB 固定碼本快速搜索新方法 [J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（36）.

[4] Zhou Ji jun, Yang Zhu, Niu Xin xin, et al., Research on the detecting algorithm of text document information hiding [J]. Journal of China Institute of Communications, 2004, 25(12).

[5]Yu Zhengshan, Huang Liusheng, Chen Zhili, et al., High Embedding Ratio Text Steganography by Ci-Poetry of Song Dynasty. Journal of Chinese Information Processing [J].2009, 23(4).

[6] Feng Dengguo. Status quo and trend of cryptography [J]. Journal of china institute of communications, 2002, 23(5): 18-26.

責(zé)任編輯 徐侃春

Bandwidth saving method based on pitch period of AMR-WB

TENG Da1,2, FENG Haonan1
( 1.Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2. Postgraduate Department, China Academy of Railway Science, Beijing 100081, China )

Congestion of mobile network in uenced data communication on quality and stability. This paper proposed an information hiding algorithm for speech encoding without any modi cation on hardware or protocol, in order to reduce bandwidth of mobile network. Simulation experiments showed that compression of speech in encoding could save 12% of bandwidth, which alleviated the congestion of mobile network.

pitch period; AMR-WB; bandwidth

U285.4 ∶ TP39

：A

1005-8451（2015）01-0033-03

2014-08-22

滕 達(dá)，在讀博士研究生；馮浩楠，助理研究員。