Efficient audio communication over heterogeneous packet networks with wireless access

Mertz, Frank; Vary, Peter

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-35908

Efficient audio communication over heterogeneous packet networks with wireless access = Effiziente Audiokommunikation über heterogene Paketnetzwerke mit drahtlosem Zugang

Mertz, Frank (Author)

2010 & 2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Frank Mertz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXIV, 238 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Prüfungsjahr: 2010. - Publikationsjahr: 2011

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Vary, Peter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-12-22

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-35908
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64341/files/3590.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Nachrichtengeräte und Datenverarbeitung (613310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Internettelefonie (Genormte SW) ; Streaming <Kommunikationstechnik> (Genormte SW) ; Vorwärtsfehlerkorrektur (Genormte SW) ; Fehlerverdeckung (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Voice over IP (frei) ; VoIP (frei) ; audio streaming (frei) ; channel model (frei) ; forward error correction (frei) ; packet loss concealment (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Kommunikationsnetze entwickeln sich zunehmend zu all-IP Netzwerken mit verschiedenen drahtgebundenen und drahtlosen Zugangstechnologien (z.B. DSL, UMTS,~WLAN). Die größte Herausforderung bei der Realisierung von Echtzeitdiensten wie Telephonie (Voice over IP), Musik und Video Streaming in solchen heterogenen Paketnetzwerken stellen eine variable Übertragungsverzögerung und mögliche Paketverluste dar. Bestehende Systeme nutzen unterschiedliche Techniken, um diesen Übertragungsstörungen entgegen zu wirken, z.B. Forward Error Correction (FEC) zur Wiedergewinnung von Signalrahmen bei Paketverlusten und Packet Loss Concealment (PLC) zur Schätzung unwiederbringlich verlorener Signalrahmen. Ein noch nicht zufriedenstellend gelöstes Problem besteht in der Wahl der am besten geeigneten Methoden und ihrer Parametrierung. Gegenstand dieser Arbeit ist zum einen die Entwicklung einer neuen Methodik zur analytischen Bestimmung der am besten geeigneten FEC Methode für ein gegebenes Übertragungsszenario. Ziel ist die bestmögliche Qualität unter Berücksichtigung der Signalqualität und der Signalverzögerung. Weiterhin werden neue PLC Verfahren für CELP basierte Sprachcodecs entwickelt, welche sich besonders für drahtlose Übertragungskanäle eignen. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit sind: Ableitung eines neuen, auf dem Gilbert-Elliott Modell basierenden Kanalmodells für Paketverluste, das für verschiedene Paketgrößen und Übertragungsintervalle adaptiert werden kann; analytische Berechnungen der Restverlustwahrscheinlichkeiten für verschiedene FEC Methoden in Abhängigkeit der Kanalmodellparameter; das adaptierbare Kanalmodell ermöglicht hierbei einen Vergleich von verschiedenen Verfahren mit unterschiedlichen Paketgrößen und Übertragungsintervallen; Analyse von realistischen Szenarien der Sprach- und Musikübertragung in UMTS, WLAN und heterogenen Netzwerken mit der entwickelten Methodik; Ableitung der optimalen Übertragungsparameter. Des Weiteren werden neue PLC Verfahren für CELP basierte Sprachcodecs entwickelt: Verbesserte Schätzung der verlorenen Codec-Parameter durch Übertragung von Zusatzinformation im nachfolgenden Paket (zu verwendendes Schätzverfahren, Korrektur des Schätzfehlers); Übertragung der Zusatzinformation mit steganographischen Methoden als versteckter Datenstrom in den codierten Bits des folgenden Rahmens.

Communication networks are transforming towards all-IP networks with different fixed-line and wireless access technologies (e.g., DSL, UMTS, WLAN). One of the biggest challenges in such heterogeneous packet networks for the realization of real-time services (e.g., Voice over IP, music, and video streaming) is dealing with transmission impairments which include variable packet transmission delays and packet losses. Current systems utilize different techniques to combat these impairments, such as a Jitter Buffer to compensate the variance in transmission delay and reduce jitter based losses, Forward Error Correction (FEC) to recover lost frames, and Packet Loss Concealment (PLC) to estimate unrecoverable frame losses. An issue which has not yet been sufficiently addressed is how to choose the best suitable methods and parameterize them optimally for a given scenario of application and transmission channel. This dissertation develops a new methodology to analyze and determine the most suitable FEC method for a given transmission scenario. This approach aims at the best possible transmission quality by considering both signal quality and end-to-end delay. The main results include: a new channel model for packet losses which is based on the Gilbert-Elliott model and can be adapted for different packet sizes and transmission intervals; analytical determination of residual frame loss probabilities after erasure correction for different FEC methods based upon the new channel model; fair comparison of methods with different packet sizes and transmission intervals given the adaptability of the new channel model; derivation of optimal system parameters by applying the newly developed methodologies to real-life scenarios of speech and music transmission in UMTS, WLAN, and heterogeneous packet networks. Furthermore, new PLC techniques for state-of-art speech codecs are developed, which are particularly suitable for wireless transmission channels. In particular, the estimation of lost codec parameters is improved by transmission of low-rate side information in following packets. By utilizing steganographic methods, this side information can be transmitted as hidden bit stream in the encoded bits of the following frame, thereby requiring no additional data rate.

Fulltext:
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