Ⅰ. 서 론
통합네트워크 환경으로 발전되고 있는 인터넷을 중심으로 VoIP는 다양한 영역과 융합하여 기존에 제공되던 유선 VoIP를 벗어나 모마일 VoIP 형태로 급격히 진화하고 있으며, 최근에는 이를 기반으로 텔레메틱스 분야와 결합하여 자동차 내에서 고품질 의 음성 및 영상통화 서비스를 이용할 수 있는 기 술들이 개발되고 있다. 그러나 운행 중의 자동차환 경내에서는 지속적으로 네트워크 환경이 변화되며, IP 네트워크 망을 이용한 음성통화시 네트워크 저 해요소가 심하게 발생하기 때문에 정확한 네트워크 환경 예측과 버퍼링지연이 적은 효율적인 패킷 스 케줄링에 의한 고품질 음성출력이 필요하다. 이러 한 문제점을 해결하기 위해 VoIP기반의 손실은닉 및 플레이아웃 스케줄링 알고리즘들이 연구 및 개 발되어 오고 있다[1].
본 논문에서는 텔레메틱스 환경에서 안정적인 음성 통신을 제공할 수 있는 VoIP 수신단 구조를 제안한다. 수신단 구조에서는 수신단에 도착하는 패킷들로부터 추정된 지터를 이용하여 플레이아웃 을 적응적으로 스케줄링하고, 손실된 음성신호를 복원 및 병합함으로써 버퍼링지연이 적은 고품질의 통화품질을 제공한다.
Ⅱ. VoIP 수신단 구조
본 논문에서 제안하는 VoIP 수신단 구조는 <그림 1>과 같다.
수신단은 크게 지터버퍼, 디코더 그리고 음성출 력 제어 및 신호 재생성부로 구성된다. 송신단으로 부터 전송된 20ms 길이 단위의 음성패킷은 IP네트 워크망을 통해 수신단에 도착한다. 도착한 패킷의 헤더로부터 패킷의 생성시간, 도착시간 그리고 네 트워크 지연 등의 패킷정보를 획득한 후 지터버퍼 에 저장된다. 획득된 패킷정보를 이용하여 네트워 크 지터추정부에서는 네트워크 지터를 추정한다. 디코더는 수신된 패킷을 출력하기 위해 일정한 시 간 간격으로 지터버퍼에 패킷을 요청하게 되고 지 터버퍼는 저장된 패킷을 디코더로 전달한다. 디코 더는 패킷을 받아 20ms 길이의 음성 프레임 형태로 디코딩하여 음성출력 제어 및 신호 재생성부로 전 달한다. 음성출력 제어 및 신호 재생성부는 추정된 네트워크 지터를 참조하여 네트워크 지연과 음성의 끊김 현상 등을 줄이기 위한 음성 신호처리 수행을 하며, 이를 위해 디코더로 추가적인 음성 프레임을 요청한다. 음성출력 제어 및 신호재생성부는 음성 프레임의 압축 및 신장, 손실복원 그리고 병합 및 스무딩의 신호처리 과정을 거쳐 D/A변환부로 전달 하고 최종적으로 스피커를 통해 사용자에게 향상된 음성 통화품질을 제공한다.
1. 음성출력 제어 & 신호 재생성부
<그림 2>는 본 논문에서 제안된 음성출력제어 및 신호 재생성부의 구조를 나타낸다. 음성출력제 어 및 신호 재생성부에서는 디코딩된 음성 프레임 을 저장하는 음성프레임 버퍼, 출력된 음성 프레임 을 저장하는 History 버퍼 그리고 D/A변환부로 전달 되기 이전 신호처리가 수행된 음성프레임을 저장하 는 Output버퍼를 이용하여 기존에 사용되었던 구조 와 달리 입력된 음성 프레임에 대해 패킷 스케줄링 을 수행하는 타이밍복원, 손실 은닉, 음성패킷 병합 및 스무딩 등의 3가지 모드중의 한 모드를 결정하 여 신호처리를 수행한다[2]. 3가지 각각의 모드에서 사용된 손실은닉, 병합 및 스무딩, 타이밍복원은 본 논문에서 제안된 구조에 맞추어 고품질 음성획득을 위해 개선된 방식이 적용되었다.
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손실 은닉(Loss Concealment): i번째 음성 프레 임이 출력되기 위해서는 IP네트워크 망을 통해 수신되는 과정에서 손실 및 지연으로 인해 수신 단의 음성 프레임 버퍼에 i번째 프레임이 저장되 어 있지 않을 경우 손실은닉이 수행된다.
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병합 및 스무딩(Merging and Smoothing): i-1번 째 음성 프레임의 손실은닉이 수행되어 졌다면, 복원된 프레임과 정상 수신된 i번째 음성프레임 과의 불연속점을 제거하기 위해 병합 및 스무딩 을 수행한다.
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타이밍복원(Timing Recovery): i번째 프레임이 존재하고 i-1번째 프레임이 손실되지 않은 경우 에는 지터추정부를 통해 추정된 지터를 참조하 여 버퍼링지연을 줄이기 위해 신호의 신장 및 압축을 통해 출력되는 음성프레임의 길이를 조 절한다.
1) 손실 은닉
손실된 음성프레임의 신호는 손실 전/후 신호와 유사하기 때문에 전/후 신호를 이용하여 복원하며, 복원 방법은 다음 <그림 3>과 같다. i-1번째 프레임 을 출력된 음성프레임이 저장되어 있는 History버퍼 에서 검색한다. 검색된 프레임의 마지막 N개의 샘 플(세그먼트S)을 획득한다. 음성프레임버퍼와 지터 버퍼의 i+1번째 프레임 존재 유무에 따라 손실 은 닉은 두 가지 방법으로 나누어진다.
첫 번째, i+1번째 프레임이 수신단에 존재하지 않는다면 History버퍼의 i-1번째 프레임을 이용하여 i번째 프레임을 복원한다. i-1번째 프레임에서 세그 먼트 S와 유사한 세그먼트를 찾는다. 찾아진 세그 먼트를 E라 정의하고, 세그먼트 E를 반복적으로 배 열함으로써 손실된 음성프레임을 은닉한다.
유사 세그먼트는 다음 식 (1)을 이용해 찾는다.
여기서 N은 프레임 S에서 획득한 샘플개수, M은 History버퍼의 샘플개수이다. s(t)와 x(t)는 각각 획득 한 N개의 신호와 History버퍼의 신호를 나타낸다. 이때, R(k)중 최소의 값을 가지는 k부터 N개까지의 세그먼트를 유사세그먼트로 정의한다.
두 번째, i+1번째 음성프레임이 수신단에 존재한 다면 i-1번째 프레임과 i+1번째 프레임을 사용하여 i 번째 프레임을 복원한다. 이는 첫 번째 방법과 달리 i-1번째 프레임과 i+1번째 프레임을 모두 사용하여 음성프레임을 복원함으로써 본래의 i번째 음성 프 레임과 유사한 신호를 생성할 수 있다.
i-1번째 프레임과 i+1번째 프레임에서 세그먼트S와 유사한 세그먼트를 찾는다. 찾아진 세그먼트를 세그 먼트 F, 세그먼트 G라 정의한다. 세그먼트 F와 세그 먼트 G를 반복적으로 배열하여 각각 음성프레임을 생성 후, PSOLA(Pitch Synchronous Overlap an Add) 방식을 이용해 최종적인 대체신호를 생성한다[3].
2). 병합 및 스무딩
<그림 4>는 병합 및 스무딩 방법을 나타내며, 다 음 순서로 수행된다.
① 손실 은닉을 통해 출력된 i-1번째 음성 프레임 이후 신호를 생성한다. ② 정상 도착한 i번째 음성 프레임을 세그먼트 C, D로(각각 10ms) 나누고 요청 한 복원신호에서 세그먼트 C와 유사구간을 식(1)을 통해 검색한다. 검색된 유사구간 이전 신호는 세그 먼트 G라 정의하고, 유사구간으로부터 10ms 길이를 세그먼트 E라 정의한다. ③ 세그먼트 E와 C에 대해 PSOLA를 수행하여 세그먼트 F를 생성한다. ④ 세 그먼트 G, 세그먼트 F, 세그먼트 D를 병합하여 정 상 도착한 i번째 프레임을 대체한다.
3) 타이밍복원
다음 <그림 5>는 타이밍복원 알고리즘을 나타낸다.
<그림 5>에서 jk는 지터추정부에서 k번째로 도 착한 패킷에 추정된 네트워크 지터를 나타내며, 는 i번째 프레임이 가지는 버퍼링 지연을 나타낸다. Lfrm은 음성프레임의 길이를 의미하고 Larυ는 현재 수신단에 남아있는 음성프레임의 길이, Tnarυ는 현 재 수신단에 패킷이 도착하지 않은 시간, Thc는 압 축 문턱값, The 는 신장 문턱값이다.
시간 복원에서는 음성패킷의 압축과 신장의 두 가지 모드 중의 하나의 모드를 결정하기 전에, 현재 수신단에 가지는 버퍼링 지연 를 다음 식 (2)와 같이 계산한다.
여기서 pi는 i번째 프레임이 스피커로 출력된 시 간, αi는 i번째 프레임이 수신단에 도착한 시간, αb 는 스무딩 파라이터이다. 버퍼링 지연을 계산한 후 i번째 프레임의 시간 복원 모드를 결정한다.
Larυ와 jk의 비율이 Thc보다 작고, Tnarυ와 jk의 비율이 Thc보다 크다면 신장을 수행한다. 추정된 네트워크 지터는 현재 네트워크에서 발생되는 지연 의 변화를 나타내며, 이러한 네트워크 지연변화만 큼 수신단에 패킷이 도착하지 않는다면 현재 네트 워크 지연이 증가하고 있다는 것을 의미하며, 이로 인한 수신단측 패킷 손실을 방지하기 위해 신장을 수행한다. Larυ와 jk의 비율이 Thc보다 크고, jk와 의 편차가 Lfrm보다 작다면 정상출력을 한다. 이 는 버퍼링 지연이 증가하지 않는 상황에서 패킷이 일시적으로 많이 들어오는 경우 압축을 방지하고 출력을 안정된 네트워크 상황에 맞추기 위해서다.
Larυ와 jk의 비율이 Thc보다 크고, jk와 의 편 차가 Lfrm보다 크다면 압축을 수행한다. 추정된 jk 보다 많은 프레임이 수신단에 남아있다면 현재 네 트워크 상황이 좋아져 패킷이 빨리 도착함을 의미 하고, 이로 인해 버퍼링 지연이 증가하는 것을 막기 위해 압축을 수행한다. 음성분류결과가 무성음, 무 음으로 판별이 났다면 최종적으로 압축을 수행한 다. Larυ와 jk의 비율이 Thc보다 작고 Tnarυ와 jk의 비율이 Thc보다 작다면, 정상출력을 한다. 추정된 네트워크 지터보다 수신단에 패킷이 일찍 도착하게 된다면 네트워크 상황에 큰 변화 없이 패킷이 일정 하게 도착하고 있음을 의미함으로 정상출력을 하게 된다.
<그림 6>은 음성프레임 압축방법을 나타낸다.
연속적인 프레임을 압축하기 위해 i+1번째 음성 프레임을 세그먼트 B, C로 구분한다. i번째 프레임 에서 세그먼트 B와 유사한 세그먼트 A를 찾고 시 작점을 lc라 한다. 세그먼트 A와 세그먼트 B를 Overlap-add를 수행하여 세그먼트 F를 생성하여 세 그먼트A를 대체한다. 대체된 세그먼트 F와 세그먼 트 C를 이어주어 압축된 음성프레임을 생성한다.
<그림 7>은 음성프레임 신장방법을 나타낸다. i 번째 음성프레임을 신장하기위해 세그먼트 A, B로 구분한다. History버퍼의 i-1번째 음성프레임을 획득 하여 세그먼트A와 유사구간인 lcA 를 식(1)을 이용해 찾고 세그먼트A의 마지막 샘플까지를 세그먼트 C 라 정의한다. 세그먼트 B와 유사구간인 lcB 를 식(1) 을 이용해 찾고, 세그먼트 B의 마지막 샘플까지를 세그먼트 D라 정의한다. <그림 7>과 같이 세그먼트 A, C, B 그리고 D의 순서로 병합하여 i번째 프레임 의 대체신호인 신장신호를 생성한다.
Ⅲ. 실험 결과 및 고찰
본 논문에서 제안하는 수신단 구조의 성능을 측 정하기 위해 Session Initiation protocol(SIP) sinal, Audio Data Transport, Network Traffic Emulator로 구 성된 테스트 베드는 <그림 8>과 같다.
Client는 오디오 신호를 패킷화하여 Audio Data Transport 모듈로 보내며, Access Point에서는 패킷을 받아 Traffic Client로 전송한다. Traffic Client에서는 지연, 지터 그리고 패킷손실을 주어 반대편 Access Point로 전달하여 음성 신호를 전달한다.
위 테스트 베드를 이용하여 총 6개의 실험군을 구성하였으며, 네트워크 환경에 대한 정보는 다음 <표 1>과 같다.
<표 2>는 실험군에 대한 기존 알고리즘과 제안 된 알고리즘의 버퍼링 지연과 PESQ 측정 결과를 나타낸다.
비교를 위해 사용한 기존 알고리즘은 시간복원 및 손실 은닉의 신호처리와 K-Erlang 분포를 따르는 지터추정방법을 사용한 음성출력제어를 결합한 수 신단 구조이다[4, 5]. 기존 알고리즘과 비교하여 제 안된 알고리즘에서는 수신단 패킷정보로부터 정확 도가 높은 지터를 추정하여 신호처리결정부에 적용 함으로써 <표 2>에 나타난 바와 같이 모든 실험군 에서 제안된 알고리즘이 기존 알고리즘에 비해 버 퍼링지연이 감소하였고, PESQ 또한 상승하였다. 특 히, 실험군A와 실험군D에서는 네트워크 패킷손실 이 없기 때문에 PESQ가 4이상의 고품질 음성신호 를 획득할수 있는 반면에, 실험군C와 실험군E에서 는 네트워크 패킷손실이 다른 실험군들에 비해 높 기 때문에 PESQ가 상대적으로 낮음을 알 수 있다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 텔레메틱스 기반의 VoIP에서 통 화품질 향상을 위한 수신단 구조를 제안하였다. 제 안된 알고리즘은 총 6개의 실험군에 대해 평균 지 연 33.02ms, 평균 PESQ 3.850로 기존 수신단 구조 에 비해 지연 9.94ms감소하였고, PESQ는 0.291상승 하였다. 제안된 알고리즘은 음성 통화시 발생하는 네트워크 저해요소를 효과적으로 해결함으로써 사 용자에게 고품질의 음성 통화를 제공할 수 있다.
