[논문]블루투스 네트워크 환경에서의 효율적인 음성전송 시스템 구현

김명종; 박지훈; 김홍국

블루투스 네트워크 환경에서의 효율적인 음성전송 시스템 구현
Implementation of an Efficient Voice Transmission System in Bluetooth Network Rnvironments 원문보기

한국방송공학회 2008년도 동계학술대회, 2008 Feb. 02, 2008년, pp.125 - 128

김명종 (한국산업기술대학교 전자공학과) , 박지훈 (광주과학기술원 정보통신공학과) , 김홍국 (광주과학기술원 정보통신공학과)

초록
AI-Helper

IPTV의 상용화에 맞추어 사용자와 TV간의 정보 교환에 의한 대화형 서비스들이 제공되고 있으며, 특히 음성인식 기술은 이러한 서비스를 실현하기 위한 중요한 기술 중의 하나로 대두되고 있다. TV에서의 음성인식 수행을 위해서는 가정환경과 같은 제한된 공간에서 효율적으로 사용자의 음성을 TV에 전송할 수 있는 근거리 무선통신 수단이 필요하게 된다. 특히, 리모트 컨트롤러와 같은 저전력 시스템 환경에서 구현이 가능해야 한다. 따라서 이러한 제한된 조건에서 최적의 성능을 갖는 음성 전송 시스템 개발이 요구되고 있다. 본 논문에서는 블루투스 환경 하에서 음성인식을 위해 필요한 음성전송 시스템을 실시간 구현한다. 효율적인 음성전송을 위해 G.711을 기본 코덱으로 사용하며, 음성전송 시 발생하는 패킷손실에 따른 음성 품질 저하를 줄이기 위해 G.711 패킷손실 은닉 알고리즘을 음성전송 시스템에 적용한다. 특히 G.711 패킷 손실 은닉 알고리즘 수행을 위해 블루투스 프로토콜 스택application layer에 RTP 프로토콜을 적용하여 패킷 손실 여부를 확인하고, 패킷 손실 발생 시 패킷손실 은닉 알고리즘을 통해 음성의 품질 저하를 줄인다. 구현된 시스템의 성능을 평가한 결과, G.711 패킷 손실 알고리즘을 적용하여 2~10%의 패킷손실 환경에서 14.7%의 음질개선을 얻을 수 있었다.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 하드웨어에 의한 음성처리가 민감하여 음질에 영향을 미치며, 소프트웨어적 음성처리 구현이 어려운 단점이 있다 [7][8]. 따라서 본 논문에서는 소프트웨어 환경에서 음성전송 시스템을 구현하기 위해 ACL 채널을 이용하여 패킷 단위로 음성신호를 전송한다.
본 논문에서는 블루투스 환경 하에서의 음성인식을 위해 필요한 음성전송 시스템을 실시간 구현한다. 효율적인 음성전송을 위해 G.
본 논문에서는 블루투스 환경 하에서의 음성인식을 위해 필요한 음성전송 시스템을 실시간으로 구현하였다. 효율적인 음성전송을 위해 G.

제안 방법

711 패킷 손실 은닉 알고리즘 또한 표준안에 의거하여 정상 프레임은 히스토리 버퍼에 저장하고, 손실 프레임에 대해서는 패킷 손실 은닉을 수행하는 API를 구현하였다. 또한 IETF 표준에서 제공하는 RTP 프로토콜의 패킷 구조를 기반으로 RTP 패킷화 과정 및 패킷 분석 과정을 구현하였으며, 마지막으로 구현된 API들과 RTP 패킷화 및 패킷분석 소스를 블루투스 네트워크에 추가함으로써 최종적인 음성전송 시스템을 구현하였다.
블루투스 피코넷 기반의 음성전송 시스템을 구현하기 위해 G.711 공개 C-소스를 이용하여 부호화 및 복호화 API (application program interface)를 구현하였으며, G.711 패킷 손실 은닉 알고리즘 또한 표준안에 의거하여 정상 프레임은 히스토리 버퍼에 저장하고, 손실 프레임에 대해서는 패킷 손실 은닉을 수행하는 API를 구현하였다. 또한 IETF 표준에서 제공하는 RTP 프로토콜의 패킷 구조를 기반으로 RTP 패킷화 과정 및 패킷 분석 과정을 구현하였으며, 마지막으로 구현된 API들과 RTP 패킷화 및 패킷분석 소스를 블루투스 네트워크에 추가함으로써 최종적인 음성전송 시스템을 구현하였다.
음성전송 시스템의 수신단에서는 패킷 손실로 인한 음질 저하를 줄이기 위해 G.711 패킷 손실 은닉 알고리즘을 구현하였다. 즉, 현재 수신된 데이터의 RTP 패킷을 분석하여, 현재 패킷의 패킷 순서가 이전 패킷의 패킷 순서와 연속적일 경우 정상 프레임으로 판정하고 정상적인 G.
제공된 API는 소켓을 통해 블루투스 RFCOMM 프로토콜과 논리적으로 연결되어 있다. 즉, G.711 공개 C-소스를 이용하여 부호화된 음성 비트스트림에 RTP 패킷화 과정을 수행하여 생성된 RTP 패킷을 RFCOMM payload에 저장하고 이를 블루투스 하위 프로토콜로 전송한다. 이때 음성의 한프레임은 8 kHz 표본화율에서 10 ms 단위로 설정하였다.
711 패킷 손실 은닉 알고리즘을 구현하였다. 즉, 현재 수신된 데이터의 RTP 패킷을 분석하여, 현재 패킷의 패킷 순서가 이전 패킷의 패킷 순서와 연속적일 경우 정상 프레임으로 판정하고 정상적인 G.711 복호화를 수행한다. 반면, 비 연속적일 경우 손실 프레임으로 판정하여 G.
711 은닉 알고리즘 [4]을 음성전송 시스템에 적용한다. 특히 G.711 패킷 손실 은닉 알고리즘 (PLC: packet loss concealment) 수행을 위해 블루투스 프로토콜 스택 상위단에 RTP (real-time transport protocol) 프로토콜 [5]을 적용하여 패킷 손실 여부를 확인한다. 구현된 시스템은 실시간 동작여부 확인 및 패킷 손실 은닉 알고리즘 적용 전후에 대한 음질 평가를 통해 성능을 검증한다.
711 은닉 알고리즘을 음성전송 시스템에 적용하였다. 특히 G.711 패킷 손실 은닉 알고리즘 수행을 위해 블루투스 프로토콜 스택 상위단에 RTP 프로토콜을 적용하여 RTP 패킷의 header format을 분석하여 패킷 손실 여부를 확인하였으며, 패킷 손실 발생 시 패킷 손실 은닉을 통해 음성 품질을 개선하였다. 구현한 음성전송 시스템의 성능을 평가한 결과, G.
호스트 프로토콜은 블루투스 모듈과 연결되어 블루투스 모듈을 제어하고 어플리케이션을 수행하는 곳으로 보통 PC, PDA 등이 이에 해당한다. 특히 본 논문에서는 G.711 패킷 손실 은닉 알고리즘을 수행하기 위해 application layer에 RTP 프로토콜을 적용하며, RTP 패킷의 header format을 분석하여 패킷 손실 여부를 확인하도록 한다.

대상 데이터

191에 정의된 Gilbert-Elliot [11] 모델을 이용하여 2, 5, 7, 10%로 각각 생성하였다. 실험음원은 NTT-AT [12] 데이터베이스에 있는 각 8초 길이에 해당하는 8 kHz의 한국어 여성음성, 영어 여성음원, 한국어 남성음성, 영어 남성음원 4 샘플을 사용하였다. 즉, 송신단에서는 Gilbert-Elliot 모델을 통해 생성된 패킷 손실 패턴을 이용하여 정상패킷의 경우 수신단으로 데이터를 전송하며, 손실프레임의 경우 해당 패킷을 전송하지 않는다.
본 논문에서는 블루투스 환경 하에서의 음성인식을 위해 필요한 음성전송 시스템을 실시간으로 구현하였다. 효율적인 음성전송을 위해 G.711을 기본 코덱으로 사용하였으며. 블루투스 통신 환경에서의 음성 전송 시 발생하는 패킷손실에 따른 음성품질 저하를 줄이기 위해 G.

데이터처리

711 패킷 손실 은닉 알고리즘 (PLC: packet loss concealment) 수행을 위해 블루투스 프로토콜 스택 상위단에 RTP (real-time transport protocol) 프로토콜 [5]을 적용하여 패킷 손실 여부를 확인한다. 구현된 시스템은 실시간 동작여부 확인 및 패킷 손실 은닉 알고리즘 적용 전후에 대한 음질 평가를 통해 성능을 검증한다.
음질 평가는 ITU-T의 PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality) [13]를 사용하였고, G.711 패킷 손실 은닉 알고리즘을 적용하기 전과 후의 음질을 비교하였다. 표 1은 각 패킷 손실률에 대한 PESQ 음질 측정 평균치를 보여준다.

이론/모형

711을 기본 코덱으로 사용하였으며. 블루투스 통신 환경에서의 음성 전송 시 발생하는 패킷손실에 따른 음성품질 저하를 줄이기 위해 G.711 은닉 알고리즘을 음성전송 시스템에 적용하였다. 특히 G.
블루투스 피코넷은 Microsoft 사에서 제공하는 Windows XP Platform SDK 기반의 Bluetooth API [10]를 이용하여 구현되었다. 제공된 API는 소켓을 통해 블루투스 RFCOMM 프로토콜과 논리적으로 연결되어 있다.
성능 평가를 위해 G.711 코덱을 A-law로 설정하고, 패킷 손실률은 ITU-T 표준 G.191에 정의된 Gilbert-Elliot [11] 모델을 이용하여 2, 5, 7, 10%로 각각 생성하였다. 실험음원은 NTT-AT [12] 데이터베이스에 있는 각 8초 길이에 해당하는 8 kHz의 한국어 여성음성, 영어 여성음원, 한국어 남성음성, 영어 남성음원 4 샘플을 사용하였다.
패킷 손실이 발생하게 되면, 히스토리 버퍼의 내용은 피치 버퍼로 복사되어 피치 버퍼의 음성으로부터 피치를 계산하는 데 사용된다. 이때 부드럽게 음성을 재생하기 위해 계산된 피치의 1/4 지점을 삼각 윈도우를 이용하여 overlap and add (OLA) 방법을 사용하여 피치 구간을 반복 삽입한다.
실험음원은 NTT-AT [12] 데이터베이스에 있는 각 8초 길이에 해당하는 8 kHz의 한국어 여성음성, 영어 여성음원, 한국어 남성음성, 영어 남성음원 4 샘플을 사용하였다. 즉, 송신단에서는 Gilbert-Elliot 모델을 통해 생성된 패킷 손실 패턴을 이용하여 정상패킷의 경우 수신단으로 데이터를 전송하며, 손실프레임의 경우 해당 패킷을 전송하지 않는다. 수신단에서는 10 ms 단위로 수신된 패킷을 분석하여 패킷 손실이 발생하였을 경우 패킷 손실 은닉 과정을 수행하였다.
본 논문에서는 블루투스 환경 하에서의 음성인식을 위해 필요한 음성전송 시스템을 실시간 구현한다. 효율적인 음성전송을 위해 G.711 [3]을 기본 코덱으로 사용하며, 음성전송 시 발생하는 패킷 손실에 따른 음성 품질 저하를 줄이기 위해 G.711 은닉 알고리즘 [4]을 음성전송 시스템에 적용한다. 특히 G.

성능/효과

711 패킷 손실 은닉 알고리즘 수행을 위해 블루투스 프로토콜 스택 상위단에 RTP 프로토콜을 적용하여 RTP 패킷의 header format을 분석하여 패킷 손실 여부를 확인하였으며, 패킷 손실 발생 시 패킷 손실 은닉을 통해 음성 품질을 개선하였다. 구현한 음성전송 시스템의 성능을 평가한 결과, G.711 패킷 손실 은닉 알고리즘 적용함으로써 2～10%의 패킷손실률을 갖는 환경에서 14.7%에 상당한 음질개선을 이룬 것을 확인할 수 있었다.
표 1은 각 패킷 손실률에 대한 PESQ 음질 측정 평균치를 보여준다. 표에서 보는 바와 같이, G.711 패킷 손실 은닉 알고리즘은 이를 사용하지 않는 경우에 비해 평균적으로 약 14.7%로 음질을 개선함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	G.711이란 무엇인가?	G.711은 VoIP (voice over Internet protocol)에서 가장 기본적으로 사용되는 음성코덱으로 A/μ-law PCM (pulse coded modulation) 기반의 부호화를 수행하며 8 kHz의 표본화율 (sampling rate)에서 64 kbps의 비트율 (bitrate)을 가진다. 또한 G.711은 샘플단위의 코덱으로서 샘플당 8 bit PCM을 정의하고 있다. 즉, A-law 방식의 경우 sign bit와 마지막 3 bit를 제외한 나머지 13 bit 값을, μ-law의 경우 sign bit와 마지막 2 bit을 제외한 14b it 값을 8 bit 로그 샘플로 변환한다.
	프로토콜 스택이란?	그림 2는 블루투스 프로토콜 스택 [6]을 보여준다. 프로토콜 스택이란 그림 2에서 보는 바와 같이 하위 계층에서 부터 상위 계층까지 쌓아올린 프로토콜의 집합을 말한다. 블루투스 프로토콜 스택은 HCI (host controller interface) 프로토콜을 기준으로 호스트 컨트롤러와 호스트로 나뉘게 되며, UART (universal asynchronous receiver/transmitter), USB (universal serial bus), PCMCIA (personal computer memory card international association) 등의 물리적 인터페이스로 연결된다.
	SCO 채널을 통한 음성전송의 단점은?	그러나 SCO 채널을 통한 음성전송의 경우 정해진 음성코덱만을 이용해야 하며, 음성의 부호화 과정이 블루투스 모듈상에 구현되어 있다. 따라서 하드웨어에 의한 음성처리가 민감하여 음질에 영향을 미치며, 소프트웨어적 음성처리 구현이 어려운 단점이 있다 [7][8]. 따라서 본 논문에서는 소프트웨어 환경에서 음성전송 시스템을 구현하기 위해 ACL 채널을 이용하여 패킷 단위로 음성신호를 전송한다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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