Playout buffering for conversational voice over IP

In Voice over IP, the quality of interactive conversation is important to users. Major factors affecting perceived quality are delay, delay jitter, and missing packets. For conversational VoIP, a conversational delay also plays an important role for perceived quality. Large conversational delay can result in double talk, echo or even the termination of the conversation. In practice, a playout buffer is introduced at the receiver's side to remove delay jitter, so that the voice information carried on packets can be available at regular intervals for decoding. A longer buffer reduces the possibility of late packet loss at the expense of increasing conversational delays. Since the time delay of a playout buffer is a major addition to conversational delay, to keep conversational interactivity, it is desirable to design a playout buffer to be short but capable of protecting packets against late packet loss.In this thesis, we will explore playout buffering algorithms with improved conversational quality. We propose a quality-based adaptive playout buffering algorithm with improved voice quality and reduced conversational delays. We use the E-Model R factor as the cost index to obtain playout delays which adapt for each talkspurt. Special steps are taken to reduce conversational delay : (1) immediately play out stretched speech carried on the first packet of a talkspurt when received (stretching provides additional buffer delay forfollowing packets) ; (2) compress the speech segment carried on the packets in the playout buffer at the end of a talkspurt (compression reduces the playout delay for the packets). As other quality-based algorithms, our scheme is subject to burst losses. To improve perceived quality further, we use sender-driven repair algorithms, in which a sender sends redundancy information, to mitigate the impact of the missing packets due to network (lost packets) and buffer underflow (late packets) without increasing buffer delays. In this thesis, we develop a new adaptive forward error correction (FEC) scheme to provide redundancy without additional delay and apply it to our adaptive playout buffering algorithm for improved perceived quality. As an alternative sender-based technique to send redundancy information, a path diversity scheme uses multiple paths (here we consider two paths). Redundant information is sent on a second path. We consider four different path diversity schemes (two of them are proposed based on E-model in this work), and design corresponding playout buffering algorithms based on conversational quality including both calling quality and interactivity.Dans le domaine de la voix sur IP (VOIP), la qualité de conversation interactive est importante pour les utilisateurs. Les principaux facteurs qui affectent la qualité à la réception sont le retard, la désynchronisation et les pertes de paquets. Lors d'une conversation par voix sur IP, le retard joue un rôle important pour la qualité à la réception. Les délais prolongés de conversation peuvent provoquer de la double parole, de l'écho ou encore la fin de la conversation. En pratique, un jeu de buffers (ou mémoirer tampon) est introduit du coté du récepteur pour supprimer les délais indésirables. Ainsi, l'information de la voix contenue dans les paquets peut être disponible à des intervalles de temps réguliers pour le décodage. Un buffer plus grand réduit la possibilité de perdre des paquets en retard aux dépens de voir augmenter les délais de conversation. Comme la capacité du jeu de buffers est une somme de retards de conversations, pour garder l'interactivité de la conversation, il est préférable de concevoir un jeu qui soit court mais également capable de protéger les paquets contre les pertes dues aux retards.Dans cette thèse, nous explorons les algorithmes de jeux de buffers améliorant la qualité de conversation. Nous proposons un algorithme adaptatif en termes de qualité et qui a pour but d'augmenter la qualité de la voix et de réduire les retards dans la conversation. Nous utilisons le facteur R du modèle-E comme indice de coût pour obtenir les délais du jeu qui s'adaptent à chaque "talkspurt" (segment continu de parole inséré entre les temps de silence). Des étapes spécifiques sont entreprises pour réduire le retard de conversation : (1) traiter immédiatement la parole étirée qui est contenue dans le premier paquet lors de la réception d'un "talkspurt" (l'étirement fournit des délais de buffers supplémentaires pour suivre les paquets); (2) compresser le segment de parole contenu dans les paquets au niveau du jeu de buffers à la fin du "talkspurt" (la compression réduit les délais du jeu pour les paquets).Comme les autres algorithmes portant sur la qualité, notre montage est sujet aux pertes de signaux en rafale (burst loss). Pour améliorer encore plus la qualité à la réception, nous utilisons des algorithmes de réparation par émetteur. L'émetteur envoie de l'information redondante pour atténuer l'impact des paquets manquants causés par le réseau (pertes de paquets) et par le manque de capacité des buffers (paquets retardés), tout ceci sans augmenter les délais de buffer. Dans cette thèse, nous développons un nouveau schéma adaptatif de correction d'erreurs sans voie de retour (FEC) pour fournir de la redondance sans ajouter de délais. Nous appliquons ce dispositif de correction à notre algorithme adaptatif de jeu de buffers pour améliorer la qualité perçue. En tant que technique alternative d'envoie d'information de redondance, un schéma fournissant de la diversité de trajet utilise plusieurs chemins (nous en considérons deux ici). L'information de redondance est envoyée vers le deuxième chemin. Nous considérons quatre schémas de diversité de trajet (deux d'entre eux sont proposés par rapport au modèle-E utilisé dans ce travail). Nous concevons également des algorithmes de jeu de buffers avec comme critères de qualité de conversation : la qualité d'appel et l'interactivité