Analyse, Entwicklung und Bewertung von Algorithmen der Sicherungsschicht, um die Qualität und Effizienz interaktiver Sprachübertragung in drahtlosen, packet-basierten Zugangsnetzen zu steigern, unter gleichzeitiger Einhaltung der Internet- und WLAN-Standards.
Final Report Abstract
Von primärem Interesse ist die Unterscheidung der Wichtigkeit von Sprachrahmen. Die Wichtigkeit eines Rahmens definieren wir als Verschlechterung der Sprachgüte, die der Verlust dieses Rahmens verursacht. Der Verlust eines Rahmens wird beim Empfänger verschleiert, so dass er von Menschen als weniger störend empfunden wird. Trotzdem besteht immer noch ein Unterschied zwischen dem Fall, dass das Paket korrekt und vollständig empfangen wird und dem Fall, dass der Paketverlust verschleiert wird. Es stellt sich die Frage, inwiefern die Wichtigkeit während der Laufzeit bestimmt werden kann. Im Rahmen dieses Projekts wurde ein Verfahren entwickelt, das die Wichtigkeit eines Pakets mit instrumenteller, psychoakustische Messmethoden ermitteln kann. Das zur Bestimmung der Wichtigkeit eines Sprachrahmens passende Messverfahren basiert auf dem objektiven Sprachgüte-Vorhersage-Algorithmus PESQ (ITU P.862). Mittels PESQ wurden der Sprachkodierungen (G.711, G.729, AMR) und Paketverlustverschleierungsalgorithmen untersucht. Der Einfluß von mehr als 2 Millionen einzelnen Paketverlusten wurde berechnet und in Datenbanken abgelegt. Dieses Verfahren zur Ermittlung von Paketverlusten ermöglicht die Entwicklung und Evaluieren von „Quality Predictor“ Algorithmen. Darüber hinaus wurde PESQ mit formellen Hörtests überprüft, um sicherzustellen, das es für diesen Einsatzzweck verifiert ist. Es zeigte sich hierbei ein Korrelationskoeffizient von R=0.94 beim Vergleichen der menschlichen Bewertungen mit den instrumentellen Vorhersagen. Das oben dargestellte Verfahren zur Bestimmung der Wichtigkeit eines Paketes arbeitet mit hoher algorithmischer Verzögerung und Komplexität. Deshalb ist es wichtig, geeignete Algorithmen zu untersuchen und zu entwickeln, die in Echtzeit benutzt werden können. Die bekannten, publizierten Verfahren zur Vorhersage der Wichtigkeit eines Pakets wurden nachimplementiert und evaluiert. Die Stärken und Schwächen der Verfahren konnten identifiziert werden. Es zeigte sich, dass keines der bekannten Verfahren genau vorhersagen kann, wie wichtig ein Paket ist. Einen ersten, verbesserten Algorithmus stellen wir vor. Im Laufe des Projektes zeigte sich, dass die bisher bekannten Verfahren, die die Qualität einer Telefonverbindung bewerten, für den Einsatz in diesem Forschungsvorhaben nicht ausreichend sind. Deshalb mußte dieses Problem zusätzlich zu den anderen, vorher bekannten Aufgaben, gelöst werden. Um die Übertragungsqualität eines VoIP über WLAN Systeme zu bewerten, wurden Verfahren entwickelt, die einerseits das menschliche Bewertungsverhalten simulieren andersseits aber VoIP Paketübertragungsverläufe evaluieren. Somit ist es möglich, experimentelle oder simulierte VoIP Übertragungen mit einem einzigen Qualitätsmaß zu bewerten. Die vorgestellten Ergebnisse wurden prämiert und fanden Eingang in die internationalen Standardisierungsbemühungen der ITU. Eine anwendungsunterscheidende, adaptive Sicherungsschicht wurde implementiert, die mit ITU G.729 kodierte Sprachpakete erkennt, und in Abhängigkeit von den aktuellen Spracheigenschaften die Fehlerkorrektur ändert. Wir erweiterten dazu den Device Driver einer kommerziellen IEEE 802.11b WLAN-Karte um den Funktionalität einer adaptiven Sicherungsschicht. In aufwendigen Messkampagnen wurde dieses Sicherungsschichtprotokoll evaluiert. Es hat sich gezeigt, dass schon mit einer einfachen Heuristik zur Vorhersage der Paketwichtigkeit und einem einfachen Sicherungsschichtprotokoll in Situationen mit schlechter Verbindungsqualität die Spracheigenschaften verbessert werden können. Eine Simulationsumgebung wurde implementiert, um die experimentellen Ergebnisse simulativ zu validieren. Dazu wurde die Simulationsumgebung „network simulator“ (ns-s2) um QoS Funktionen des Vorschlages IEEE 802.11e erweitert. Unsere ns-2 Erweiterung ist inklusive Dokumentation und Quelltext veröffentlicht und wird auch von anderen internationalen Forschergruppen eingesetzt. Mit Hilfe Verfahrens zur Bestimmung der Wichtigkeit eines Paketes zeigte sich, dass nur ein Bruchteil der Sprachpakete relevant sind: Um eine gute Sprachverständlichkeit zu gewährleisten, muss nur die wichtigere Hälfte der aktiven Sprachpakete übertragen werden. (Darüber hinaus kann natürlich auch während Stille auf die Paketübertragung verzichtet werden.) Dieses Forschungsergebnis erlaubt die signifikante Einsparung der Übertragungsressourcen. Zum Beispiel kann die mittlere Sendeleistung verringert werden, um eine längere Laufzeit mobiler Geräte zu ermöglichen.
Publications
- "Channel-aware Schedulers for VoIP and MPEG4 based on Channel Prediction", In Proc. 8th Intl. Workshop on Mobile Multimedia Communications (MoMuC'03), October 2003
A.Aguiar, C. Hoene, J. Klaue, H. Karl, H. Miesmer, and A. Wolisz
- "Measuring the Impact of Slow User Motion on Packet Loss and Delay over IEEE 802.11b Wireless Links", In Proc. of Workshop on Wireless Local Networks (WLN) 2003, Bonn, Germany, October 2003
C. Hoene, A. Günther, and A. Wolisz
- "On the Importance of a VoIP Packet", In Proc. of ISCA Tutorial and Research Workshop on the Auditory Quality of Systems, Herne, Germany, April 2003
C. Hoene, B. Rathke, and A. Wolisz
- "A Perceptual Quality Model for Adaptive VoIP Applications", In Proceedings of International Symposium on Performance Evaluation of Computer and Telecommunication Systems (SPECTS'04), San Jose, California, USA, July 2004
C. Hoene, H. Karl, and A. Wolisz
- "Predicting Performance of PESQ in Case of Single Frame Losses", In Proc. MESAQIN 2004, Prague, CZ, June 2004 MESAQIN 2004 - Measurement of Speech and Audio Quality in Networks
C. Hoene and E. Dulamsuren-Lalla
- "Predicting the Perceptual Service Quality Using a Trace of VoIP Packets", In Proceedings of Fifth International Workshop on Quality of future Internet Services (QofIS'04), Barcelona, Spain, September 2004
C. Hoene, S. Wiethölter, and A. Wolisz
