Enhancing and improving voice transmission quality over LTE network : challenges and solutions

par Duy Huy Nguyen

Thèse de doctorat en Informatique et réseaux

Sous la direction de Éric Renault.

Soutenue le 24-02-2017

à Evry, Institut national des télécommunications , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Université Pierre et Marie Curie (Paris ; 1971-2017) (Université) , Services répartis- Architectures- MOdélisation- Validation- Administration des Réseaux / SAMOVAR (laboratoire) et de Département Réseaux et Services Multimédia Mobiles / RS2M (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Renforcer et améliorer la transmission de la qualité de la voix sur le réseau LTE : défis et solutions


  • Résumé

    LTE (Long Term Evolution) a été développé et normalisé par le 3GPP (3rd Generation Partnership Project). C’est un réseau à commutation de paquets. Cela signifie que la voix sur LTE (VoLTE) est un service de VoIP avec les exigences de qualité de service garantis au lieu de transmettre dans un réseau à commutation de circuits tels que les systèmes existants (2G/3G). VoLTE est déployé dans un réseau entièrement IP combinée avec IMS (IP Sous-système Multimédia). De ce fait, le déploiement de VoLTE est assez complexe et comment assurer la qualité de transmission de la voix sur les réseaux LTE est un très grand défi. Ainsi, il faut plusieurs solutions différentes pour renforcer et améliorer la qualité de transmission de la voix sur les réseaux LTE. Dans cette thèse, nous présentons des solutions en vue d’améliorer la qualité de transmission de la voix sur les réseaux LTE pour les services audio à bandes étroites et larges. Pour cela, il nous faudra différents facteurs complets en solutions. L’un d’eux est QoE (Qualité de l’Expérience) qui est une nouvelle tendance. Et afin de déterminer la perception des utilisateurs pour le service en temps réel tel que VoLTE, nous utilisons le E-model étendu et le WB (large bande) E-model pour des services audio à bandes étroites et larges respectivement. Les solutions proposées ici portent principalement sur des éléments clés dans les réseaux LTE, tels que le codage par chaine, MAC (Contrôle d’Accès Moyen) des systèmes de planification et la qualité de voix du moniteur décrits comme suit. Tout d’abord, des algorithmes améliorés pour renforcer le codec de la chaine LTE (codeur et décodeur) ont été proposés. Pour améliorer le codeur de chaine LTE, un algorithme d’adaptation conjointe a été déployé. Le but de cet algorithme est de minimiser la redondance générée par codage en chaine avec une légère réduction de la perception de l’utilisateur. Ensuite, afin d’améliorer le décodeur par chaine LTE, un algorithme amélioré Log-MAP a été présenté. Cet algorithme vise à obtenir la performance BER (Bit Error Rate) qui est le plus proche du Log-MAP avec une complexité de calcul réduite par rapport à l’état de l’art. Deuxièmement, la chaine et les systèmes QoS de planification améliorés de la perception de l’utilisateur et du mode de priorité VoIP ont été proposés. Ces planificateurs sont déployés à la fois pour les utilisateurs d’audio à larges et à étroites bandes. Les résultats numériques montrent qu’ils surpassent plusieurs planificateurs en vedette tels que FLS, M-LWDF et EXP/PF en termes de retard, de taux de perte de paquets, de débit cellulaire, d’indice et de l’équité et d’efficacité spectrale dans presque tous les cas. Enfin, pour assurer la qualité vocale de transmission sur le réseau LTE, la prédiction de la satisfaction des utilisateurs est essentielle. Pour cette raison, nous présentons deux modèles non intrusifs pour mesurer la qualité de la voix sur les réseaux LTE. Ces modèles sont utilisés pour les utilisateurs d’audio à bandes étroites et larges bandes. Les modèles proposés ne se réfèrent pas au signal original. Par conséquent, ils sont très appropriés pour prédire la qualité de l’appel vocal sur les réseaux LTE


  • Résumé

    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 system (2G/3G). Since VoLTE is deployed in an All-IP network combined with IMS (IP Multimedia Subsytem), 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 to enhance 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 LOP-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 to 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


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