СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАЩИТЫ В СЕТЯХ СВЯЗИ С КОММУТАЦИЕЙ ПАКЕТОВ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИХ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHODS OF PROVIDING SECURITY IN PACKET SWITCHED COMMUNICATION NETWORKS AND DEVICE FOR REALISING SAID METHODS

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройствам телекоммуникации и способам управления ими, и, в частности, касается устройств и методов для эффективного управления кодированной связью с коммутацией пакетов.
Уровень техники
В кодированной пакетной связи, такой как система с протоколом VoIP, данные одного или нескольких речевых кадров, полученные кодированием речевого сигнала, собираются для формирования пакета. После добавления к пакету некоторой дополнительной информации, такой как время создания, порядковый номер и т.п., пакет передается по каналу передачи, например по Интернету. Пакеты последовательно передаются по каналу передачи и прибывают в точку обработки, например в приемник. Как правило, точка обработки снабжена буфером (очередью) для переупорядочивания принятых пакетов в соответствии с их временем передачи, для того чтобы справиться с различными задержками прибытия, возникающими вследствие различных сетевых проблем, таких как заторы в различных звеньях, и затем принятые пакеты декодируются.
Однако предположим, что пакет не прибывает вовремя в приемный буфер. Обычно информация, включенная в этот пропавший пакет, извлекается путем интерполяции с использованием ранее принятых кадров процессом, который называется процессом маскировки ошибок.
Были сделаны некоторые попытки преодолеть эти проблемы и обеспечить принятие сигнала хорошего качества. Среди предпринятых попыток - патент США 20020169859 А1, описывающий устройство декодирования голоса с устойчивостью к пакетным ошибкам, которое, в случае если пакет не принят в соответствующее время, когда он должен быть декодирован, вычисляет декодированный сигнал и хранимое значение фильтра в этот момент, используя обработку маскировочных данных. Однако в случае если пакет принимается позже (задержанный пакет), пакет используется в повторном вычислении хранимого значения фильтра для кадров, которые были сформированы позже отметки времени на потерянном пакете. Таким образом, может оказаться возможным уменьшение/удаление эффекта долгосрочного ухудшения, вызванного обработкой маскировочных данных в хранимом значении фильтра. Однако в этой публикации не дается никакого решения для многих случаев, в которых повторное вычисление хранимого значения фильтра не может быть осуществлено.
Заявка WO 0230098 описывает способ, посредством которого голос разлагается на образцы и кодируется до передачи. Адаптивные многоступенчатые речевые кодеки представляют поколение алгоритмов кодирования, созданных для работы с неточными транспортными каналами, такими как беспроводные каналы передачи. Адаптивный многоступенчатый речевой кодек имеет встроенные механизмы, которые делают его терпимым к определенному уровню ошибок в битах, внесенных транспортным каналом. Поэтому возможно восстановление оригинальной речи с некоторым ухудшением, даже хотя кодированная речь принимается с некоторым количеством ошибок в битах.
В публикации Хеннинга Саннека, GMD Research Series №8/2000 из GMD Forschungszentrum Informationtechnik GmBH, озаглавленной «Потеря пакета и контроль над передачей голоса по Интернету», был сделан дальнейший шаг. Полагаясь на факт, что некоторые кодированные речевые кадры, а именно кадры, в которых имеется переходное состояние из неречевого сигнала в речевой сигнал, содержат более важную информацию, чем другие кадры, было предложено обеспечить эти кадры дополнительной защитой. В этой статье было предложено два решения. Первое, присоединить копии каждого из так называемых важных кадров, которые переносятся пакетами N, к пакетам N+2, так что, если пакет N потерян, важный пакет может быть восстановлен из копии, перенесенной в пакете N+2. Другое предложенное решение состоит в том, что над пакетами N и N+1 выполняется операция XOR, независимо от хранящейся в них информации, и полученный результат операции присоединяется к пакету N+2. Однако оба эти решения имеют недостатки, так как они вводят задержку в восстановленный пакет, и, что более важно, они ведут к излишней трате полосы пропускания из-за переноса копий всех важных кадров в соответствии с первым решением или удвоению полосы полоскания для переноса результатов всех XOR операций.
Краткое описание изобретения
Цель настоящего изобретения - предложить способ улучшения восстановления закодированных сигналов, передаваемых в сетях с коммутацией пакетов.
Еще одна цель настоящего изобретения - предложить устройство, способное улучшать качество сигналов, передаваемых в закодированной форме в сетях с коммутацией пакетов.
Другие цели изобретения станут понятными в процессе описания изобретения.
Согласно одному осуществлению настоящего изобретения предлагается способ восстановления сжатого сигнала, переданного по каналу связи в сети с коммутацией пакетов, способ, содержащий этапы:
доставки сигнала связи, который был закодирован во множество кадров;
определения, какой из указанного множества кадров является основным кадром, потеря которого будет вызывать относительно существенное ухудшение качества, по меньшей мере, одного следующего кадра при декодировании указанного, по меньшей мере, одного следующего кадра;
упаковки указанного множества кадров во множество пакетов и определения, какой из пакетов содержит, по меньшей мере, один основной кадр;
добавления защищающей информации, по меньшей мере, к одному пакету, который следует за пакетом, отмеченным как пакет, несущий, по меньшей мере, один основной кадр.
Термин «защищающая информация», как он здесь используется, следует понимать, как информация, которая будет обеспечивать успешное декодирование, по меньшей мере, одного кадра, следующего за основным кадром. Такой защищающей информацией могут быть, например, некоторые параметры, характеризующие основной кадр, и/или информация, которую нельзя явно вывести из закодированных параметров основного кадра. Другой пример, защищаемой информацией может быть информация, которая относится к состоянию кодировщика следующего кадра, где такая информация нормально могла бы неявно передаваться в информации, включенной в закодированный сигнал основного кадра. Основной кадр - это такой кадр, потеря которого будет вызывать существенную несовместимость между состоянием кодера и состоянием декодера, что в результате будет препятствовать успешной дешифрации и повторному синтезу закодированной информации, содержащейся в кадрах, следующих за потерянным основным кадром.
Термин «следующий кадр» или «кадр, который следует», используемый здесь и везде в спецификации, надо понимать, как относящийся к кадру (или кадрам), закодированному в соответствии с информацией, извлеченной, по меньшей мере, из одного рассматриваемого кадра (например, основного кадра), независимо от того следует ли такой следующий кадр по времени за рассматриваемым кадром или нет. Например, когда сигнал имеет речевую природу, следующий кадр обычно является кадром, следующим во времени за рассматриваемым кадром. Однако когда сигнал является, например, видеосигналом, оценка движения может быть проведена либо движением вперед, либо движением назад во времени, и следующий кадр будет кодироваться согласуясь с информацией, заключенной, соответственно, в прошлом или будущем по времени рассматриваемом кадре.
Как понятно специалистам в данной области техники, в чем-то похожее решение можно получить введением задержки в кадры, которые должны быть переданы, для того чтобы защищающая информация, которая будет использоваться, по меньшей мере, одним из следующих кадров, переносилась в пакете, предшествующем основному кадру. Такой метод следует понимать, как также попадающий в область действия настоящего изобретения.
В случае если пакет, несущий, по меньшей мере, один основной кадр, потерян, защищающая информация адаптируется, чтобы дать возможность дешифрации и синтеза, по меньшей мере, одного кадра, содержащегося в следующем кадре, с качеством лучшим, чем то качество, которое было бы достигнуто, если бы восстановление проводилась без использования защищающей информации для дешифрации и синтеза.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения этап определения, какой из множества кадров является основным файлом, содержит определение множества кадров, потеря которых будет вызывать относительно существенное ухудшение качества, по меньшей мере, одного следующего кадра при декодировании указанного, по меньшей мере, одного следующего кадра.
Использование такой защищающей информации будет позволять, в случае потери основного кадра, более быструю синхронизацию между состоянием кодировщика на передающем конце и состоянием дешифратора на принимающем конце в пределах нескольких кадров. Лучшие декодирование и синтез кодированного сигнала получаются до достижения повторной синхронизации. В случае отсутствия защищающей информации, такая синхронизация обычно не достигается в пределах текущей фонемы, и в результате эта фонема не сможет восстановиться правильно.
Согласно другому варианту осуществления изобретения защищающая информация содержит вектор возбуждения процесса синтеза. Предпочтительно, не весь вектор возбуждения добавляется в качестве защищающей информации, а только параметры, обеспечивающие данные, достаточные для защищающей информации. Например, положения, по меньшей мере, нескольких пиков вектора возбуждения, прирост от этих пиков и тому подобное. Предпочтительно, соответствующий вектор возбуждения процесса синтеза представляется в виде индекса, указывающего на вектор из множества векторов, связанных с возможными векторами возбуждения.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предлагается способ, дополнительно содержащий этап присоединения указателя, по меньшей мере, на один из пакетов, включающих защищающую информацию, чтобы отметить, что защищающая информация была добавлена к этому пакету. Предпочтительно, эта индикация добавляется к первому (по времени) пакету из пакетов, содержащих защищающую информацию, относящуюся к одному основному кадру.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения защищающая информация добавляется более чем к одному пакету. Предпочтительно, защищающая информация, добавленная к первому пакету (пакетам), содержит информацию, которая делает возможным грубое восстановление сигнала, в то время как следующие пакеты делают возможным более точное восстановление. Таким образом, если нагрузка от защищающей информации требует относительно значительной полосы пропускания, она может быть разделена, как объяснено выше, так что нагрузка делится между рядом пакетов, не оказывая существенного отрицательного воздействия на сигнал, подлежащий восстановлению.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предлагается способ, дополнительно содержащий этап инициации процесса восстановления на принимающем конце сети с коммутацией пакетов, если пакет, несущий, по меньшей мере, один основной кадр, не прибывает, делая возможной успешную дешифрацию следующих пакетов, то защищающая информация извлекается из следующего пакета, делая возможным восстановление, по меньшей мере, одного кадра, содержащегося в одном из следующих пакетов, с качеством, подобным качеству, которое было бы достигнуто, если бы пакет, несущий, по меньшей мере, один основной кадр, не был потерян.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения сигнал связи может относиться к одному из следующих типов: речевой, аудио и видео. Предпочтительно, если коммуникационный сигнал является речевым сигналом, чтобы, по меньшей мере, один основной кадр содержал информацию, относящуюся к переходу от неречевого сигнала (например, фрикативной фонемы) или молчания к речевому сигналу.
Используемый здесь термин «кадр», следует также понимать и как полный кадр и как часть кадра. Например, защищающая информация, на которую ссылались до этого, может относиться к сжатому сигналу полного кадра или части кадра (подкадру), или к им обоим, так что восстановление, которое должно происходить с использованием защищающей информации, предоставленной в следующем пакете, будет относиться к информации, содержащейся в соответствующей части кадра.
Термин «коммуникационная сеть с коммутацией пакетов», используемый далее, следует понимать, как охватывающий различные типы сетей, используемые в данной области техники, такие как синхронные и асинхронные передающие сети, например, сети ATM, Ethernet, IP, Frame Relay, Metropolitan Area Network (MAN), Wide Area Network (WAN), Local Area Network (LAN), пакеты над сетями SONET/SDH, беспроводные сети и т.д.
Согласно другому варианту осуществления изобретения кодированные кадры получаются с использованием алгоритма сжатия, который а) основан на модели, параметры которой оценены и начальные значения переменных модели предоставлены, и/или б) его функционирование зависит от синхронизации кодировщика и дешифратора, например, алгоритм сжатия волновой формы, такой как АДИКМ (адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция).
Термин «алгоритм», как он будет использоваться далее, относится к различным способам обработки сигналов связи. Такие алгоритмы, обычно работающие как кодировщики и декодеры, охватывают ретрансляцию сигнала, такую как релейную связь с модуляцией/демодуляцией, различные типы сжатия с потерей информации и без потери информации, сжатие с плавающим коэффициентом, перекодировка и т.п.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения защищающая информация связана с изменениями характеристик указанного кодированного сигнала.
Согласно другому варианту осуществления изобретения предлагается устройство кодирования, содержащее:
средства для приема сигнала связи;
средства для кодирования указанного сигнала связи во множество кадров;
средства для определения, какой из указанного множества кадров является основным кадром, потеря которого будет вызывать относительно существенное ухудшение качества, по меньшей мере, одного следующего кадра при декодировании указанного, по меньшей мере, одного следующего кадра;
средства для упаковки указанного множества кадров во множество пакетов и определения, какой из пакетов содержит, по меньшей мере, один основной кадр;
средства для добавления защищающей информации, по меньшей мере, к одному пакету, следующему за пакетом, определенным как пакет, несущий, по меньшей мере, один основной кадр; и
средства передачи, приспособленные для пересылки множества пакетов к месту их соответствующего назначения.
В еще одном варианте осуществления изобретения предлагается устройство, содержащее:
входной интерфейс, приспособленный для приема сигнала связи;
устройство шифрования, производящее кодирование указанного сигнала связи во множество кодированных кадров;
детектор, приспособленный для определения, какой из указанного множества кадров является основным кадром, потеря которого будет вызывать относительно существенное ухудшение качества, по меньшей мере, одного следующего кадра, когда указанный, по меньшей мере, один следующий кадр декодируется,
процессор, приспособленный для добавления защищающей информации, по меньшей мере, к одному пакету, следующему за пакетом, отмеченным как пакет, несущий, по меньшей мере, один основной кадр;
формирователь пакетов, осуществляющий сборку указанного множества кадров во множество пакетов, и определение, какой из пакетов содержит, по меньшей мере, один основной кадр;
передатчик, приспособленный для пересылки указанного множества пакетов в соответствующее место назначения.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения процессор дополнительно приспосабливается для добавления указателя, по меньшей мере, на один пакет, содержащий защищающую информацию, чтобы обозначить, что защищающая информация была добавлена к указанному пакету. Предпочтительно, этот указатель добавляется к первому (по времени) пакету из числа пакетов, содержащих защищающую информацию.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения устройство, сверх того, содержит, по меньшей мере, один декодер сигнала и синтезатор, приспособленные для восстановления кодированных кадров и определения основных кадров среди множества кодированных кадров.
По еще одному варианту осуществления изобретения предлагается устройство декодирования, которое содержит:
входной интерфейс, приспособленный для приема множества пакетов от одного или более расположенных выше узлов, в котором множество пакетов ассоциируется с кодированным сигналом связи и в котором, по меньшей мере, один пакет из множества пакетов содержит защищающую информацию;
приемный буфер, приспособленный:
i) хранить предварительно определенное число принятых пакетов;
ii) определять, принадлежит ли каждый из пакетов к сжатому сообщению, прибывшему своевременно для восстановления; и
iii) определять, в случае если, по меньшей мере, один из пакетов не прибыл вовремя, содержит ли следующий за ним пакет защищающую информацию;
процессор, связанный с приемным буфером и приспособленный для извлечения защищающей информации из кадров, несущих такую защищающую информацию, и для осуществления обработки этой защищающей информации;
цепь маскировки потери пакета, осуществляющую прием обработанных пакетов и формирование информации, делающей возможным восстановление отсутствующих пакетов;
декодер, ответственный за предоставление декодированной формы полученных пакетов и за декодирование и синтез из них сигнала связи вместе с защищающей информацией, извлеченной и обработанной процессором.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - блочная диаграмма примера структуры устройства кодирования речи согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.2А и 2В - два варианта конструкции детектора для устройства кодирования речи, показанного на фиг.1;
фиг.3 - блочная диаграмма примера структуры устройства дешифрации речи согласно варианту осуществления изобретения.
Подробное описание изобретения
Более полное понимание и оценка настоящего изобретения следует из подробного описания, рассматриваемого вместе с чертежами.
На фиг.1 представлен пример схематичной блочной диаграммы устройства кодирования согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Предположим, что сигнал, приходящий в устройство 1 кодирования, является речевым сигналом, и что он кодируется кодировщиком CELP (стимулируемый кодом линейный прогноз). Кодирование в кодировщике 2 проводится путем извлечения коэффициентов линейного прогноза, представляющих характеристики огибающей спектра, полученные в анализе линейного прогноза, и сигнала возбуждения для управления фильтром синтеза линейного прогноза, построенным из этих коэффициентов линейного прогноза входного речевого сигнала, и кодирования их.
Кодирование анализа линейного прогноза и коэффициентов линейного прогноза проводится для каждого кадра предварительно заданной длины.
Сигнал, принятый устройством 1 кодирования, кодируется кодировщиком 2 и кодированный пересылается детектору 4 и формирователю 10 пакетов. Функция детектора 4 - обнаруживать основные кадры во множестве кадров. Кадры, закодированные кодировщиком 2, затем обрабатываются процессором 8, и из них извлекается определенная информация. Когда детектор 4 определяет, что кадр является основным кадром, процессор 8 обеспечивает, чтобы информация, извлеченная в связи с основным кадром, сейчас рассматриваемая как защищающая информация, была включена в следующий пакет, приготовленный формирователем 10 пакетов. Предпочтительно, процессор 8 также минимизирует защищаемую информацию, добавляемую к пакету, для того, чтобы добавлялась только существенная защищающая информация в целях экономии используемой полосы пропускания.
Как могут оценить специалисты в данной области техники, тот же самый результат можно достигнуть, если детектор 4 напрямую управляет формирователем 10 пакетов. В этом случае уместная информация извлекается из всех пакетов, но решение о ее добавлении, как защищающей информации, к определенным пакетам основывается на решении, сделанном детектором 4.
На фиг.2А приведено изображение компонентов детектора 4, сконструированного в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Все кодированные кадры принимаются в детекторе 4 и обрабатываются в двух параллельных ветвях. В первой ветви, кодированный кадр n декодируется и синтезируется соответствующим декодером 22. Во второй ветви производится моделирование отбрасывания кадра (n-1), процесс маскировки потери пакета выполняется для этого отброшенного пакета устройством 20 маскировки потери пакета. Затем кадр n декодируется и синтезируется декодером 22', и результирующие сигналы обоих декодеров 22 и 22' сравниваются. Когда разница между двумя сигналами существенная, кадр n-1 определяется блоком 26 принятия решения, как основной кадр. Аналогично может быть вычислено влияние потери кадра более чем за один следующий кадр. В дополнение или в качестве альтернативы, если разница, обнаруженная между линиями задержки обоих синтезирующих фильтров или векторов возбуждения, превышает предварительно определенный порог, блок 26 принятия решения определяет, что предыдущий кадр являлся основным кадром.
На фиг.2В представлена похожая конструкция детектора 4, с тем исключением, что два результирующих восстановленных сигнала обрабатываются процессором 24, чтобы определить относительную разницу в качестве полученных восстановленных сигналов. Основываясь на вычисленном качестве, блок 26 принятия решения определяет, какие кадры являются основными кадрами, например такими кадрами, что без них следующие кадры будут иметь качество ниже предварительно установленного порога качества.
В дополнение или в качестве альтернативы может проводиться более сложная обработка, посредством которой, после принятия решения о том, какие кадры являются основными кадрами, определяется минимальная защищающая информация. По этому методу синтезатор сигнала 22' получает кадр n вместе с минимальной защищающей информацией, относящейся к предыдущему кадру n-1. Затем кадр n восстанавливается с учетом минимальной защищающей информации, и качество восстановленного сигнала затем оценивается процессором 24. Если результирующее качество все еще ниже, чем требуется, добавляется некоторая дополнительная защищающая информация, процесс восстановления повторяется и проводится до тех пор, пока не будет достигнуто достаточное качество восстановленного сигнала. Согласно этому варианту осуществления конечная применяемая защищающая информация передается формирователю 10 пакетов для добавления в пакет n.
Как могут оценить специалисты в данной области техники, два приведенных выше примера являются только незначительной частью альтернатив, которые могут использоваться для определения основных кадров, но, конечно, изобретение не ограничено этими двумя вариантами, и любое другое устройство, достигающее таких же самых результатов, может быть использовано, не выходя за рамки объема изобретения.
В соответствующем устройстве 50 декодирования, показанном на фиг.3, вычисленный сигнал возбуждения является входом в фильтр синтеза, созданный из декодированных коэффициентов линейного прогноза для синтеза декодированного речевого сигнала. Прибывающий пакет вначале передается в приемный буфер 52, где накапливается несколько пакетов. Затем собранные пакеты переупорядочиваются в порядке времени их генерации, и буфер 52 далее определяет любые отсутствующие или опоздавшие пакеты. Затем прибывающие пакеты передаются в декодер 54 кадра и цепь 56 маскировки потери пакета, которая, если были потеряны пакеты, осуществляет процесс маскировки потери пакета, известный в данной области техники под этим названием. Когда декодер 54 кадра определяет кадр, несущий защищающую информацию, и известен факт, что предшествующий кадр был потерян, декодер 54 извлекает эту защищающую информацию, которая затем посылается процессору 59, который использует защищающую информацию для установки информации, требуемой для предотвращения долгосрочного эффекта ухудшения декодированного сигнала из-за потери основного кадра (например, восстановления вектора возбуждения, используемого в фильтре синтеза). Информация, установленная процессором 59, затем пересылается в синтезатор 58 сигнала и используется в нем в процессе получения требуемого декодированного сигнала.
Следует понимать, что настоящее изобретение было описано с использованием неограничивающих подробных описаний вариантов осуществления, которые приводятся в качестве примеров и не предназначены для ограничения области изобретения. Следует понимать, что отличительные особенности и этапы, описанные в связи с одним вариантом осуществления, могут использоваться с другими вариантами осуществления, и что не все варианты осуществления изобретения обладают всеми отличительными особенностями и/или этапами, показанными на конкретном чертеже или описанными в связи с одним из вариантов осуществления. Модификации описанных вариантов осуществления будут приходить на ум специалистам в данной области техники.
Отмечено, что некоторые из описанных выше вариантов осуществления описывают предпочтительные варианты, рассматриваемые изобретателями, и, следовательно, включают структуру, действия и детали структур и действий, которые могут быть несущественными для изобретения и которые описываются как примеры. Структура и действия, описанные здесь, могут заменяться эквивалентами, выполняющими ту же функцию, даже если структура или действия различны, как известно в данной области техники.
Поэтому объем изобретения ограничен только элементами и ограничениями, как использовано в формуле изобретения. При использовании в следующей формуле изобретения термины «содержит», «включает», «имеет» и их однокоренные слова означают «включает, но не ограничивается».