Nghiên cứu lưu lượng video trong mạng NGN

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Nguyễn Trung Hải NGHIÊN CỨU LƯU LƯỢNG VIDEO TRONG MẠNG NGN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2011 2 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Chiến Trinh Phản biện 1: TS.Nguyễn Trung Kiên Phản biện 2: TS. Dư Đình Viên Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: 13 giờ 30 ngày 11 tháng 02 năm 2012 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 3 Mở đầu Mô hình hóa lưu lượng là một trong những bài toán quan trọng nhằm hỗ trợ cho việc tối ưu mạng viễn thông.Các nghiên cứu về lưu lượng Internet đã cho thấy rằng lưu lượng mạng có tính chất tự tương quan hay tính phụ thuộc dài hạn trong cấu trúc (Có sự gần giống nhau trong các dải thời gian). Trong những năm gần đây xuất hiện nhiều ứng dụng truyền video thời gian thực qua mạng băng rộng, có thể kể đến như: video phone, video-conferencing hay video theo yêu cầu (VoD), v. v. . khi đó chất lượng video là vấn đề rất quan trọng. Trong quá trình truyền tải video từ nguồn đến đích có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng làm suy giảm chất lượng video: mã hóa/giải mã và các tham số mạng như: tỷ lệ mất gói, trễ, jitter, băng thông, …. Do đó bài toán xây dựng các mô hình thích hợp cho phép khảo sát các đặc tính lưu lượng Video nhằm đưa ra các biện pháp cải tiến chất lượng của dịch vụ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng 4 Chương 1. Tổng quan về lưu lượng Video 1.1. Giới thiệu chung về truyền tải tín hiệu video trên mạng 1.1.1. Công nghệ truyền hình Internet Dưới góc độ công nghệ, có thể coi các dịch vụ truyền hình Internet như sự phát triển ở mức độ cao của truyền thông Internet (còn gọi là Webcasting) và là bước phát triển tiếp theo, nối tiếp công nghệ Web trong hai thập kỷ trước đây, một công nghệ có khả năng đưa thông tin lên phạm vi toàn cầu trên World Wide Web đến người sử dụng Internet một cách nhanh chóng và hiệu quả kinh tế cao nhất. 1.1.2. Tóm lược về tiêu chuẩn MPEG Được thiết lập từ năm 1998, MPEG (Motion Picture Experts Group) là một nhóm nghiên cứu thuộc ISO/IEC, có nhiệm vụ phát triển các tiêu chuẩn mã hóa cho hình ảnh và âm thanh kỹ thuật số. Cho đến nay, nhóm nghiên cứu này đã phát triển được một số các tiêu chuẩn cho việc nén âm thanh và hình ảnh. Mỗi tiêu chuẩn được áp dụng cho những ứng dụng cụ thể và tương ứng có tốc độ bit khác nhau. 5 + MPEG-1: Được thiết kế tốc độ tối đa đến 1.5Mbps. Được dùng phổ biến cho các ứng dụng video CD-ROM và các ứng dụng video trên internet. + MPEG-2: Được thiết kế cho các ứng dụng có tốc độ bit từ 1. 5Mbps đến 15Mbps. Tiêu chuẩn MPEG-2 áp dụng cho Truyền hình kỹ thuật số. + MPEG-4: Được thiết kế cho các ứng dụng có tốc độ bit rất thấp cho đến các ứng dụng có tốc độ bit rất cao. Ứng dụng của MPEG-4 là các ứng dụng đa phương tiện trên internet hay trên mạng không dây. 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng video 1.1.3.1. Ảnh hưởng bởi hệ thống mã hóa/giải mã Dữ liệu Video trong các ứng dụng đa phương tiện hiện nay thường được mã hóa và nén bằng MPEG2, MPEG4 Part 10/H. 264 và một số chuẩn nén khác. Các bộ mã hóa video thường hỗ trợ một khoảng khá rộng tốc độ nén, điều này cho phép những lựa chọn khác nhau giữa chất lượng và băng thông. 1.1.3.2. Giới hạn về băng thông Sự giới hạn về băng thông thường xảy ra tại lớp truy nhập. Nếu băng thông dành sẵn không đủ để truyền một stream video thì sẽ xảy ra mất gói tại các bộ đệm của bộ định tuyến, dẫn đến việc suy giảm chất lượng video. 6 1.1.3.3. Mất gói tin Sự mất gói tin trên mạng có thể gây ra bởi nhiều nguyên nhân: sự nghẽn mạng, mất liên kết, không đủ băng thông hay lỗi trên đường truyền, v. v… Sự mất gói thường xảy ra bùng phát, mức độ tắc nghẽn mạng cao gây lên độ mất gói cao. 1.1 3.4. Nghẽn tại máy chủ Máy chủ cung cấp dịch vụ phải phục vụ tối đa số người dùng theo khả năng của nó, điều này sẽ gây ra sự tắc nghẽn tại máy chủ cung cấp dịch vụ. Sự tắc nghẽn này gây ra hiện tượng dừng hình quá lâu tại phía đầu cuối. 1.1.3.5. Jitter và Timing drift Jitter là khái niệm dung để mô tả sự khác nhau của khoảng thời gian đi từ nguồn đến đích của các gói tin. Jitter càng lớn khi xảy ra nghẽn mạng hay tắc nghẽn tại máy chủ dịch vụ. Jitter có thể gây ra tràn bộ đệm tại set- top-box, gây lên hiện tượng dừng hình tại đầu cuối. Hiện tượng Timing drift xảy ra khi đồng hồ tại đầu gửi và đầu nhận có sự sai khác nhau về tốc độ, gây ra sự tràn vùng đệm tại đầu nhận. 7 1.2 Các đặc tính lưu lượng 1.2.1. Tính ngẫu nhiên tự đồng dạng 1.2.1.1 Định nghĩa Xét quá trình ngẫu nhiên thời gian rời rạc hay chuỗi thời gian X(t), t  Z, trong đó X(t) được thể hiện như là tổng lưu lượng ( gói, byte hoặc bit) tính đến thời điểm t. Định nghĩa 1.1 Quá trình giá trị thực { X(t), t  R} có tính gia số dừng nếu : { X(t+∆t)-X(∆t), t  R}d { X(t)-X(0)} Với mọi ∆t  R. Định nghĩa 1.2 Quá trình giá trị thực { X(t), t  R}là tự đồng dạng (Self-similar) với tham số mũ H>0 nếu như với mọi a>0 phân bố kích thước hữu hạn của { X(at), t  R} là giống hệt như phân bố kích thước hữu hạn { H a X(t), t  R}, nghĩa là với mọi Rtttk k  , ,,,1 21 và a>0 có : ))(), ,(),(())(), ,(),(( 2121 k HHH k tXatXatXadatXatXatX hay { X(at), t  R} d { H a X(t), t  R} 8 Hệ số mũ H được gọi là tham số Hurst nó chỉ thị tính đồng dạng của quá trình ngẫu nhiên. 1.2.1.1. Các tính chất của quá trình đồng dạng Quá trình phân dạng với tham số tự đồng dạng H có thể được ký hiệu là H-ss (H-self-similar). Quá trình tự đồng dạng không suy biến không thể là quá trình dừng. Tuy nhiên, có một sự liên hệ quan trọng giữa quá trình tự đồng dạng và quá trình dừng. Định lý 1.1 Nếu {X(t), 0<t<} là một quá trình H-ss thì )()( ttH eXetY   -<t<, là quá trình dừng. Ngược lại, nếu {Y(t), -<t<} là quá trình dừng thì )(ln)( tYttX H  0<t<, là một quá trình H-ss. 1.2.1.3. Quá trình tự đồng dạng tổ hợp Cho Y= { Y i , iZ}, là một quá trình dừng với hàm hiệp phương sai R(k). Chuỗi thời gian m - tổ hợp Y (m) 9 được xác định bằng cách lấy trung bình chuỗi ban đầu trên các đoạn không chồng lấn nhau với kich thước m và thay thế giá trị trung bình cho mỗi đoạn, nghĩa là Y i (m) = m 1 (Y im-m+1 +Y im-m-2 +. . . +Y im ), m = 1, 2, … 1.2.2. Tính phụ thuộc dài hạn và ngắn hạn Định nghĩa 1. 6 Quá trình   ZiY i , được gọi là quá trình dừng với tính phụ thuộc dài hạn (LRD) nếu có một hằng số 0 ~  r c và một số thực )1;0(   , H22    thỏa mãn : 1 )( lim     kc kr r k Quá trình   ZiY i , được gọi là quá trình dừng với tính phụ thuộc ngắn hạn (SRD) nếu có một hằng số 10 0  c thỏa mãn : 1 )( 0 lim   c kr k 10 1.3. Mô hình lưu lượng Video trong các ứng dụng 1.3.1. Đặc điểm tín hiệu Video Tín hiệu Video là một chuỗi những hình ảnh được gọi là "frames".Mỗi hình cố định có thể được trình bày bởi thuật toán mã hóa dưới dạng kỹ thuật số và sau đó được nén xuống để giảm băng thông. Phương pháp thường được áp dụng giảm thiểu băng thông để truyền tải các khung hình một cách đầy đủ và sau đó để truyền tải các khung hình khác. Phương thức truyền dẫn này được gọi là mã hóa interframe. 1.3.2. Video hội nghị (Video Conferences) Để mô tả Video hội nghị phân phối nhị thức và phân phối gamma được sử dụng rộng rãi. Chúng hoàn toàn xác định bởi hai tham số, có thể dễ dàng được ước tính bằng cách sử dụng phương pháp ước tính có chọn lọc có giá trị dự toán thực tế và phương sai. Kết quả là, hai thời điểm và hệ số tương quan r được yêu cầu duy nhất để mô tả các đặc tính lưu lượng VBR . [...]... lưu lượng được áp dụng + Nghiên cứu và so sánh các mô hình áp dụng cho lưu lượng Mô phỏng lưu lượng cụ thê trên mạng Từ những kết quả nghiên cứu trên hướng tiếp theo của luận văn là thu thập lưu lượng thực tế trên mạng NGN đưa ra mô hình chung cho lưu lượng mạng giải quyết yêu cầu về chất lượng Qos và hiệu năng sử dụng của mạng đối với lưu lượng Video nói riêng và lưu lượng IP nói chung ... thì vấn đề khảo sát và nghiên cứu các đặc tính lưu lượng Video trên mạng băng rộng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Việc xây dựng được những mô hình lưu lượng phù hợp sẽ giúp đơn giản rất nhiều trong nghiên cứu phân tích đánh giá hiệu năng mạng để đưa ra các biện pháp nâng cao chất lượng và hiệu xuất sử dụng mạng Các phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng nghiên cứu lưu lượng mạng chuyển mạch kênh... dụng nghiên cứu lưu lượng mạng không còn thích hợp Chính vì vậy các phương pháp mới để khảo sát và mô hình hóa các loại lưu lượng mạng là cần thiết để đáp ứng nhu cầu thực tế Chương 2 trình bày về bài toán mô hình hóa và các mô hình cụ thể để khảo sát và nghiên cứu các đặc tính cứu lưu lượng Video trong mạng băng rộng 21 Chương 2 – Mô phỏng lưu lượng Video 3.1 Phân loại và so sánh các mô hình lưu lượng. .. việc nghiên cứu các phương pháp và công cụ mới để khảo sát và mô hình hóa lưu lượng IP nói chung và Video nói riêng là cần thiết để đáp ứng nhu cầu thực tế Do vậy mục đích của luận văn là : + Tìm hiểu tổng quan về lưu lượng Video : Phương pháp mã hóa, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng Video, đặc tính lưu lượng 25 + Nghiên cứu bài toán mô hình hóa lưu lượng, các mô hình lưu lượng được áp dụng + Nghiên. .. các mức độ tương tự của chuyển động và hình ảnh phức tạp 3.1.2 So sánh các mô hình lưu lượng 22 3 2 Mô phỏng lưu lượng VBR Video 3.2.1 Lựa chọn mô hình lưu lượng VBR Video Được chỉ ra trong lý thuyết về quá trình tự tương quan hoặc phụ thuộc dài hạn (LRD), lưu lượng Video có thể được tạo ra bằng ghép một số nguồn lưu lượng được luân chuyển giữa các trạng thái tích cực (chu kỳ ON) và trạng thái thụ động... hiệu (MPEG) Các đặc điểm và tính chất cơ bản của quá trình ngẫu nhiên tự đồng dạng, tính phụ thuộc dài và ngắn hạn của lưu lượng làm tiền đề cho mô hình hóa lưu lượng mạng 13 Chương 2 – Các mô hình lưu lượng Video 2.1 Bài toán mô hình hóa lưu lượng 2.1.1 Đặt vấn đề Khi quan sát lưu lượng mạng các luồng yêu cầu có thể xem xét ở nhiều mức độ mô tả khác nhau Một luồng yêu cầu S về thực chất được đặc trưng...11 1.3.3 Video quảng bá (Video Broadcasting) Các đoạn video điển hình cho phim ảnh, tin tức, thể thao và các chương trình giải trí ngày càng năng động hơn Video VBR quảng bá khác video VBR hội nghị bởi tốc độ bit Do đó, chuỗi video hội nghị bao gồm chủ yếu là hình ảnh, trong khi video quảng bá có thể được đặc trưng bởi một cảnh tĩnh thay đổi 1.3.3.1 Xác định cảnh thay đổi Nghiên cứu thực nghiệm... so sánh các mô hình lưu lượng Video 3.1.1 Phân loại mô hình lưu lượng Video Phân loại dựa vào các đặc tính cơ bản kết hợp giữa nguồn Video và lưu lượng là : + Phân tích PDF (hàm mật độ xác xuất) của số lượng các bit được tạo ra bởi bộ mã hóa trong một thời gian nhất định (ví dụ: một khung) + Sự tương quan ngắn hạn, thúc đẩy bởi sự tương đồng giữa nội dung của khung hình trong cùng một cảnh + Sự tương... cùng trong các giai đoạn ON và OF cho phép tạo ra sự phụ thuộc dài hạn và có thể sử dụng để mô tả gần đúnghành vi phụ thuộc dài hạn của lưu lượng Nội dung chương này trình bày sự phânloại và so sánh các mô hình lưu lượng theo đặc tính phân bố Sau đó lựa chọn mô hình cụ thể để mô phỏng tính tự tương quan và phụ thuộc dài hạn của đặc tính lưu lượng VBR Video 24 KẾT LUẬN Để việc sử dụng tài nguyên mạng. .. của hàng đợi Các mô hình FBM/FGN có những sự giới hạn nhất định khi áp dụng vào việc khảo sát lưu lượng mạng : các dòng lưu lượng thực không thể hiện tính tự đồng dạng nghiêm ngặt mà chỉ gần như là tự đồng dạng ở mức độ cao 2.2.2 Các mô hình lưu lượng hồi qui 2.2.2.1 Mô hình tự hồi qui AR Các mô hình lưu lượng hồi qui được xét đến trước tiên là lớp mô hình tự hồi qui hay còn gọi là AR Chúng được xây . hạn của lưu lượng làm tiền đề cho mô hình hóa lưu lượng mạng. 13 Chương 2 – Các mô hình lưu lượng Video 2.1. Bài toán mô hình hóa lưu lượng 2.1.1 lưu lượng là một trong những bài toán quan trọng nhằm hỗ trợ cho việc tối ưu mạng viễn thông.Các nghiên cứu về lưu lượng Internet đã cho thấy rằng lưu