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« Renforcer et améliorer la qualité de la transmission de la voix sur le réseau LTE : Défis et Solutions »

« Renforcer et améliorer la qualité de la transmission de la voix sur le réseau LTE : Défis et Solutions »

L’Ecole doctorale EDITE - Ecole doctorale informatique, télécommunications et électronique et Télécom SudParis avec le Laboratoire de recherche SAMOVAR

présentent

l’AVIS DE SOUTENANCE de Monsieur Duy Huy NGUYEN
Autorisé à présenter ses travaux en vue de l’obtention du Doctorat de Télécom SudParis avec l’Université Paris 6 en :
Informatique et Réseaux
« Renforcer et améliorer la qualité de la transmission de la voix sur le réseau LTE : Défis et Solutions »
" Enhancing and improving voice transmission quality over LTE network : Challenges and Solutions "

le 24 février 2017 à 13:30 - Salle A003

Télécom SudParis - 9 Rue Charles Fourier, 91000 Évry

Directeur de thèse : Eric RENAULT - Maître de conférences

Rapporteurs :

Jalel BEN OTHMAN Professeur - Université Paris 13 - France
Fabrice VALOIS Professeur - INSA Lyon - France

Examinateurs :

Marcelo DIAS DE AMORIM Professeur - Directeur de recherche - Université Paris 6 - France
Véronique VEQUE Professeure - CNRS-CedntraleSupélec-Université Paris-Sud
Pierre DUHAMEL Professeur - Directeur de recherches CNRS - CNRS-CentraleSupélec-Université Paris-Sud
Hang NGUYEN Directrice d’études - Télécom SudParis

Résumé :
LTE est une norme sans fil à bande large provenant de la UMTS réseau. Egalement connu comme l’une des technologies au-delà de la 3G de réseau sans fil, LTE est conçu pour avoir un service de livraison pour les applications multimédia, de voix et de vidéo destinées aux utilisateurs finaux. Transmettre ces services dans une bonne qualité sur les réseaux sans fil est un grand défi pour les fournisseurs de services, spécialement pour les services en temps réel tels que les appels vocaux et vidéo. A l’origine, le LTE était considéré comme un système cellulaire complètement IP permettant uniquement de transporter des données. Les opérateurs seraient ainsi en mesure de transporter la voix soit en revenant au système 2G/3G ou en utilisant VoIP sous une forme ou une autre. VoLTE est une technologie améliorée pour la voix et la transmission vidéo sur le réseau LTE. C’est une spécification basée sur IMS, et permet ainsi au système d’être intégré à la suite d’applications qui seront disponibles sur le LTE. Avec le VoLTE, le trafic vocal va sur le réseau de données à haute vitesse à la place de son réseau de voix. De ce fait, VoLTE devrait fournir une meilleure qualité sonore, un temps de latence plus court et une perte de paquets inférieure.

Cette thèse vise à présenter de nouvelles approches pour améliorer et prédire la qualité de transmission de la parole sur les réseaux LTE. Etant donné que LTE est un réseau entièrement IP, le déploiement de VoLTE est assez complexe, et comment faire pour assurer la qualité de VoLTE est un grand défi. Pour cette raison, de nombreuses solutions différentes doivent être déployées dans les systèmes LTE. Les solutions proposées dans cette thèse portent principalement sur les points suivants :

Tout d’abord, nous avons proposé de nouvelles solutions pour améliorer la cahaine de codage LTE. Plus précisément, du côté de l’émission, nous avons proposé des solutions pour améliorer le canal de codage LTE. Ainsi quand une donnée sur la voix est transmise à travers l’interface d’air, il est codé par codage en chaine pour le protéger contre les effets de l’environnement tels que le bruit, l’altération, etc., Le codage en chaine est indispensable dans le réseau LTE et différents codes sont utilisés. Afin de choisir automatiquement le taux de code de canal approprié correspondant à chaque mode de codec source et offrir le meilleur choix pour tous les modes, nous proposons un algorithme d’adaptation de débit dynamique pour débit de la chaine de code source conjoint fondé sur plusieurs paramètres de qualité de service donné. Cet algorithme utilise WB E-model pour obtenir le facteur R. Ce facteur R est ensuite mappé au score MOS. Le MOS montre la satisfaction de l’utilisateur pour la qualité de la parole. Les résultats de simulation ont montré que le pourcentage de bits redondants générés par codage en chaine réduit de manière significative avec une réduction MOS acceptable. L’algorithme proposé présente de simples opérations de calcul, de sorte qu’il peut être appliqué à des applications en temps réel telles que des appels vocaux pour surveiller la qualité de la parole. Par ailleurs, du côté de la réception, nous avons proposé une solution pour améliorer la chaîne de décodage LTE. Plus précisément, nous avons proposé une nouvelle fonction de correction d’erreur qui est utilisée dans l’algorithme Log-MAP. Cette fonction a un rôle très important pour le décodage. Elle est basée sur la compréhension de la fonction de régression polynomiale. La fonction proposée a la performance approximative qui est normalement réalisée en BER, et la complexité de calcul est plus simple par rapport à celui de la fonction originale de l’algorithme Log-MAP. Cela permet de réduire le temps pour la tâche de décodage par chaine et contribuera à diminuer le délai de mise en bout pour tout le trafic de données, particulièrement les flux vivants tels que les appels vocaux ou vidéo, etc.

Deuxièmement, nous avons proposé des solutions pour améliorer les systèmes de planification de liaison descendante dans les réseaux LTE. Les planificateurs proposés sont E-MQS, WE-MQS ou WE-MQS-VoIP Priority qui sont basés sur la perception de l’utilisateur (i.e., MOS). Afin de prédire la satisfaction des utilisateurs, nous avons utilisés le E-model et le WB E-model pour les utilisateurs audio à bande étroite et à bande large respectivement. Tous les deux prédisent la qualité vocale sans faire référence aux signaux d’origine. Par conséquent, ils sont bien appropriés pour les services en temps réel tels que les appels vocaux ou vidéo. En cas de présence de la perception de l’utilisateur dans le processus de planification, la performance du système augmente de manière significative. Les planificateurs proposés ont les indicateurs de performance tels que le retard, le taux de PLR, le débit de la cellule, l’indice de l’équité et de l’efficacité spectrale améliorée de façon significative en comparaison avec plusieurs planificateurs bien connu, comme le FLS, M-LWDF, et EXP/PF, etc. L’évaluation de la performance est réalisée dans un trafic hétérogène avec mobilité dans le logiciel LTE-Sim en utilisant les codecs vocaux en vedette, y compris G.729 et AMR-WB pour les services audio à bande étroite et à large bande des services audio respectivement.

Enfin, pour évaluer l’efficacité des planificateurs proposées ci-dessus, nous avons proposé de nouveaux modèles non intrusifs pour prédire la qualité de la voix sur les réseaux LTE. Ces modèles sont la combinaison du logiciel LTE-Sim avec E-model ou WB E-model correspondant à la qualité audio bandes étroite ou large. Une des limitations des E-model et WB E-model est liée à la façon de mesurer exactement leurs intrants. Afin de remédier à cet inconvénient, nous avons proposé de compléter le facteur de gigue de tampon qui est très important dans l’évaluation de la qualité de la voix dans E-model. Ainsi nous avons le E-model étendu ou amélioré. Pour prédire la qualité audio large bande, comme le logiciel LTE-Sim ne prend en charge que le codec G.729 qui est utilisé pour simuler des services audio à bande étroite, nous avons proposé d’ajouter le codec AMR-WB dans ce logiciel. Bien que les modèles proposés n’aient pas exactement pas la même perception de l’utilisateur que celle des modèles intrusifs, tels que PESQ ou PESQ-WB, ils sont cependant très appropriés pour prédire la qualité du flux en direct, tels que les appels vocaux, car ils ne se réfèrent pas aux signaux originaux.

On peut dire que, grâce à ce travail, le E-model et WB E-model sont des propositions cruciales. Pour l’application de ces deux modèles, nous avons proposé plusieurs solutions pour renforcer, améliorer et prévoir la qualité de transmission de la voix sur les réseaux LTE. La plupart des solutions proposées sont mises en œuvre dans le logiciel LTE-Sim qui permet de simuler l’ensemble du réseau LTE, qui est assez similaire à un système réel. Les résultats préliminaires démontrent l’applicabilité de nos propositions pour améliorer le codec de canal LTE et les systèmes de planification MAC ainsi que pour mesurer la satisfaction des utilisateurs dans les réseaux LTE.

Abstract :

LTE (Long Term Evolution) has been developed and standardized by 3GPP (3rd Generation Partnership Project). It is a packet-switched network. This means voice over LTE (VoLTE) is a VoIP service with the guaranteed QoS requirements instead of transmitted in a circuit-switched network such as the legacy systems (2G/3G). Since VoLTE is deployed in an All-IP network combined with IMS (IP Multimedia Subsystem), thus, the VoLTE deployment is quite complex and how to ensure voice transmission quality over LTE networks is a very big challenge. Therefore, there needs to be many different solutions to enhance and improve voice transmission quality over LTE networks. In this dissertation, we present solutions to enhance and improve voice transmission quality over LTE networks for both narrowband and wideband audio services. In order to do that, there needs to be many different factors complemented in solutions. One of them is QoE (Quality of Experience) which is a new trend. And in order to determine user perception for real-time service such as VoLTE, we use extended E-model and WB (Wideband) E-model for narrowband and wideband audio services, respectively. The proposed solutions in this thesis mainly focus on key elements in LTE networks such as channel coding, MAC (Medium Access Control) scheduling schemes and monitor voice quality described as follows.

First, enhanced/improved algorithms for enhancing LTE channel codec (coder and decoder) have been proposed. In order enhancing LTE channel coder, a joint source-channel code rate adaption algorithm has been deployed. The goal of this algorithm is to minimize redundancy generated by channel coding with a slight reduction of user perception. Next, in order to enhance LTE channel decoder, an improved Log-MAP algorithm has been presented. This algorithm aims at obtaining BER performance that is closest to the Log-MAP with the computational complexity reduced in comparison with state-of-the-art.

Second, channel- and QoS-Aware scheduling schemes with the enhancement of user perception and VoIP priority mode have been proposed. These schedulers are deployed for both narrowband and wideband audio users. The numerical results show that they outperform several featured schedulers such as FLS, M-LWDF, and EXP/PF in terms of delay, packet loss rate, cell throughput, fairness index, and spectral efficiency in almost cases.

Last, in order ensure voice transmission quality over LTE network, prediction of user satisfaction is essential. For this reason, we present two object non-intrusive models for measuring voice quality in LTE networks. These models are used for narrowband and wideband audio users. The proposed models do not refer to the original signal, thus, they are very suitable for predicting voice call quality in LTE networks.