对比研究有线和无线数字语音通信的信道利用增强技术外文翻译资料

 2022-04-11 09:04

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电气，电子和优化技术国际会议（ICEEOT） - 2016

对比研究有线和无线数字语音通信的信道利用增强技术

Hemant Purohit

电子与通信工程系副教授

JIET（焦特布尔工程与技术研究所）印度拉贾斯坦邦焦特布尔hemantpurohit2006@hotmail.com

Kanika Joshi

教学暨研究助理BIT Mesra，延伸中心斋浦尔斋浦尔，拉贾斯坦邦，印度kanika.karesh@gmail.com

摘要 - 电话语音通信的信道利用被认为是最关键的因素（在移动通信的情况下成本昂贵和受限），因为它被认为只用了36％，剩下的64％被浪费了在一个双工通道。 已经提出并尝试了无数增强有线通信中的通信信道利用率的方法。 由于无线通信（特别是移动通信）带宽有限，其最佳利用率成为新兴研究领域。 DITMC（移动通信中的数据交错技术）似乎是最佳使用昂贵和有限带宽的有前途的解决方案，这可能进一步导致移动手机产生的辐射减少并增加移动手机的通话时间。 这篇论文展示了移动通信中的DITMC与提出用于有线数字语音通信的各种信道利用增强技术的比较。 DITMC单独使用数据解释显示出83.32％的重要渠道利用率，并且在语音和数据合起来的情况下可能超过100％。

关键字 - 频道利用率，数据交织，宿醉时间，冻结，语音插值。

  1. 介绍

在移动和无线通信中，对诸如短消息，互联网接入，游戏，会议，视频流和语音消息等多媒体服务的需求日益增加，导致对高带宽的需求。 由于无线/移动通信带宽昂贵且资源有限，因此当互联网在移动手机中处于活动状态时，它无法以相当大的互联网速度满足这些服务。 因此，有限带宽的有效和最佳管理已成为新兴研究领域。 由于在信道上没有通信或在信道上的传输期间（在有线和无线传输中）在字节级上有任何重复时会浪费相当多的带宽，因此它产生了适用的数据交错技术的发展到遵循任何PCM标准的任何数字语音网络[4]。

  1. 移动通信数据交织技术的原理（DITMC）

发送的语音/语音字节中的冗余以及无声段字节导致数据交错技术在任何数字语音通信和移动通信中的应用。 在移动通信中的数据交错技术（DITMC）中，每当字节的重复超过三时，发送电池关闭代码以指示接收机关于重复。 所以DITMC技术只有在至少有四个重复字节时才能实现。 每当没有重复时发送电池开启代码以指示交错过程的结束并且正常字节的传输继续。 一个字节可以交错4个重复字节，2个字节5个字节重复，等等。 这种数据交织方法[3]具有两个字节的语音延迟，即仅250mu;s时间（2times;125mu;s），更好的信道利用率增强，无切换，抑制冗余（重复）消息代码传输的特性，使得信道空间可用于额外的数据传输，检测通常更频繁的更小持续时间语音暂停，可忽略该系统中的内置延迟，并且对于实时应用而言是微不足道的。

图1.数据交织符号哲学：S1，S2 =重复语音字节* =语音字节（S）D =数据字节（S）[1,2,3]

但是，传输中的两个字节延迟不会被听众注意到，也不会以任何不利的方式影响系统的操作。 此外，语音质量

978-1-4673-9939-5/16/$31.00 copy;2016 IEEE

由交错系统保持的远远优于使用语音插值的系统[3]。

  1. 通道利用增强技术

已经提出了几种信道利用增强技术，包括传统语音通信（CSC），语音传统数据内插（CDIV），低比特率编码技术（LBRC），集成语音数据通信（IVD），数字语音内插（DSI）带有语音存储（DSIS）的DSI，可变字长的DSI（DSIVWL），语音（FDI）数据插值的填充机制，带数据解释的DSI（DSIDI），语音网络中的数据交错技术（DITV）移动通信中的交织技术（DITMC）的解释如下：

  1. 常规语音通讯（CSC）：

这种技术是采用标准64Kbps PCM电话的数字通信中最简单的主干，没有任何数据集成。 这种技术的最小复杂性以及最大信道利用率限制在36％，但在实际情况下，信道利用率远低于36％，这是因为话音固有的开/关模式导致双工信道上不频繁的电话随机呼叫到达，前提是频道一直很忙[3,8,10]。

  1. 声音中的常规数据插值[CDIV]：

在这种信道利用增强技术中，重点是语音连接期间语音的静音期[6,7,11]。 数据在检测到的静音期间传输。 CDIV确实拥有大量的信道利用率，但它需要更复杂的语音检测器并展示停滞时间。 除此之外，它还涉及语音限制，显着延迟和语音质量的一些恶化。

  1. 低比特率编码技术（LBRC）：

对于电信网络而言无处不在的应用，语音编码算法必须满足几个性能标准，包括：

    • 语音质量水平足够高以承受编码和解码的多个阶段，
    • 处理延迟低到足以在网络中存在站点时间和附加延迟分量，并且能够处理电话频带中的非语音信号。

语音数字化技术可以大致分为两类。 首先是尽可能忠实地对模拟波形进行数字编码的技术。 其次，处理波形的技术仅对语音和听力过程的感知重要方面进行编码。

64Kbps（PCM）和32 Kbps（ADPCM）算法是符合网络的国际CCITT标准

要求以及在公共和私人语音/语音通信中无处不在的要求。

32 Kbps编解码器通常用于数字电路倍增设备，其中2：1压缩（64至32 Kbps）与开发2.5：1 DSI增益的组合提供了比传统电话系统高5：1的有效电路扩展。 嵌入式ADPCM也是一个CCITT标准，速率为48,32,24和16 Kbps。 较低的传输速率，例如24和16 Kbps允许偶尔发生大量电话业务。 通过使用自适应算法进行后置滤波，24和16 Kbps系统的低语音质量可以选择性地增强。

另一种4 Kbps高质量编码技术可在军事和政府应用中实现安全电话。 它还支持为数字蜂窝无线电提供主流频带效率系统的核心能力。 第一代数字蜂窝无线电使用大于5KHz的带宽并且能够承受更高的比特率，例如8Kbps语音编码。 一般来说，对于电话而言，对任何建议的适应总是在带宽利用率和语音质量之间进行权衡。

  1. 综合语音数据通信[IVD]：

在这种技术中，数据传输在数字话音信道上被整合，使得给话音的信道分配比数据传输具有更高的优先级，并且仅当信道空闲时才将信道分配给数据传输。 假定几乎没有任何插值的机会。 语音/语音传输期间的信道利用率被限制为36％，而根据数据的可用性，数据传输期间的信道利用率可能接近100％。 平均信道利用率取决于连接到语音和数据的比率。 假设80％的语音通道连接到语音，如果数据连续可用于20％的连接，总体信道利用率将为48.8％[4,5]。 语音质量保持不变，并且由于数据的整合，不会导致语音恶化。

  1. 数字语音插值系统[DSI]：

就所有语音插值系统而言，主要关注的是有效地利用语音中的寂静期来统计基础上传输更多数量的语音信道[9]。 这种类型的系统仅将动态分配给那些在实例中被检测为活动的干线。 提高产能和渠道利用率最多的是36％以上的最简单动态的方式。

然而，在实践中，总有一个有限的可能性，即存在需要传输的中继线数量多于可用传输设施数量的时间段。 解决这个问题的一种方法是剪掉新到达的语音突发的最初部分。 只要剪辑短，例如小于50毫秒，耳朵对这种损害相对不敏感。 对于长时间发出语音突发的个体来源，特定用户的冻结分数（FOF）被定义为累积持续时间

所有语音丢失到语音连发的累积持续时间。 冻结的后果是语音质量的下降。 在中继线群中的阻塞概率与由DSI系统引入的语音退化之间总是存在折衷，这也是所提供的业务量的函数。 由于语音检测器的宿醉时间的限制是所有语音内插过程中固有的，这取决于语音活动的检测。

  1. 带存储语音延迟的DSI [DSISS]：

暂时存储等待本方案中的传输的语音突发而不是剪辑或冻结。 当一个语音突发到达时，一个激活的中断被发送到分配控制器，同时语音突发被写入缓冲存储器。 它存储在存储器中，直到找到空闲传输设备并找到信号设施中的空闲帧。 随后，在传输设备上读出语音突发而不丢失。 然而，它经历了一个延迟，其范围可能从40毫秒到几百毫秒。 DSI中的主要言语障碍可以分类为延迟，间隙调制和限幅（或冻结）。 出于自然原因，放置任何语音突发的存储上限。 具有语音存储的DSI系统可能会受到所有这三种损伤的影响。 为了最大限度地减少差距调制效应，必须使用相对较长的宿醉来弥补语音短缺，从而使语音突发包含整个短语和句子[4,9]。

因此，具有较短宿醉时间的语音检测器对语音存储系统无用。 然而，该系统对相对较小的中继群体非常有用，因为负载模式的统计特别不利。

  1. 可变字长的DSI [DSIVWL]：

可变字长分配系统是一个数字语音插值系统，它倾向于避免语音碎片和冻结失真。 活动语音信号以8 KSamples / sec的采样率以3到8位的可变字长进行编码。 在过载情况下，所有活动的信号源仍然处于工作状态，但字数减少取决于可用信道的数量。 所需的字长仅使用信号历史记录进行计算，信号历史记录也可用于接收机。 因此不传送关于单个字长的辅助信息。 尽管如此，重新格式化和框架是必要的。 由于字长减小，可获得的信噪比降低并且必须在可接受的限度内进行监测。 由于减少的比特编码降低了分辨率，所以系统也容易由于传输错误而导致语音质量下降。

  1. 声音数据插值填充机制[FDI]：

这种技术与IVD非常相似，除了语音通信的整个过程延迟了一段宿醉的时间以便识别静寂期的开始并一致地开始数据传输。 因此消除了由宿醉期造成的信道利用损失。 虽然

引入语音脉冲中的可变延迟在一定程度上引起语音退化。

  1. 带数据解释的DSI（DSIDI）：

在这种方案中，所有的通信信道都固有地分配给DSI格式的语音抢先优先的数据。 该系统拥有数字语音插值的所有要素，并增加了使用空闲时间进行数据传输的功能。 唯一未使用的频道时段是由宿醉时间和频道分配过程造成的; 由此产生的信道利用率因此非常高，接近100％。 语音内插过程的其他限制继续与该系统相关联，该系统还包括延迟和语音限幅。

  1. 语音网络中的数据交错技术（DITV）：

语音网络中的数据交错技术[4]似乎是比其他信道利用增强技术更好的信道利用增强技术。 数据交错技术独立于中继信号集合的统计，因此可以同样容易地应用于单个信道或多个信道。 在DITV中，没有可察觉的延迟，并且没有宿醉时间和语音限制/冻结。 DITV是非常简单的技术，可用于任何实时或非实时网络。 此外，它可以轻松应用而没有任何复杂性。 在这项技术中，渠道利用率可以有效提高到100％以上。 它不会引入任何语音削波，任何间隙调制等，并且这个账户没有语音质量下降[4]。

  1. 移动通信中的数据交织技术（DITMC）：

移动通信中的数据交错技术实际上是基于消除语音字节和寂静周期字节中的冗余。 每当字节的重复超过三次时，发送一个电池OFF码，以便向接收方表明重复，并且当重复结束时，发送电池开启码以指示交错过程的结束和正常字节传输继续[2,3]。 这种数据交错的方法具有以下基本属性：

    • 与DITV相比，较小的语音延迟2字节
    • 渠道利用率提高（47.32％）高于DITV（43.253％）
    • 它不显示任何切换。
    • 它抑制冗余（重复）消息代码的传输。
    • 它使信道空间可用于额外的数据传输。
    • 它可以检测到持续时间更短的语音暂停，通常更频繁。
      • 这个系统内置的延迟可以忽略不计，对于实时应用来说微不足道。
      • 与语音插值过程不同，它不使用任何语音检测器。
      • 信号延迟仅在始发节点发生，并且与网络距离无关。
  1. 不同渠道利用强化技术的比较与实验结果

DITMC技术

表1展示了移动通信中的DITMC技术与针对有线通信提出的各种信道利用增强技术的比较。通过在JAVA（Eclipse）软件中设计的仿真程序来分析DITMC技术以计算可以交织的字节的百分比以及120个语音样本的开销字节的百分比。 仿真结果表明信道利用率显着提高，包括使用静音周期以及字节重复。 发现120个语音样本中的总字节数为2723319872.可以交错的总字节数为1288768358.在这120个语音样本中的数据交错计算出来并且发现为47.32％[（1288768358/2723319872） times;100]。 计算交织过程中涉及的开销为0.034394％。 DITMC技术显示，从36％（没有交织）到83.32％（交织）的信道利用率显着提高了47.32％。

结论

DITMC的信道利用率为83.32％（从原来的3

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