Kỹ Thuật Phát Thanh Truyền Hình đề tài IPTV và Performance of Internet Protocol TV over WiMAX

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG  Kỹ Thuật Phát Thanh Truyền Hình NHĨM IPTV "Performance of Internet Protocol TV over WiMAX" Tơ Văn Thìn Nguyễn Ngọc Thao Nguyễn Mạnh Diễn Hoà Quang Thanh Nguyễn Văn Trưởng B18DCVT415 B18DCVT404 B18DCVT054 B18DCVT396 B18DCVT434 MỤC LỤC I Tóm tắt II Giới thiệu WiMAX IPTV 3 Tổng quan nghiên cứu III Nền tảng IV Đặc Điểm Và Yêu Cầu Về Lưu Lượng Video .10 4.1 Yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) .10 4.2 Thiết bị video .12 V Mơ Hình Mơ Phỏng 12 VI Kết thảo luận .15 6.1 Tình 1: Bộ giải mã video khác ứng dụng video 15 6.2 Tình 2: Nút di động đường dẫn khác 18 6.3 Tình : Nút di động với cấp khác 20 VII Kết luận 22 I Tóm tắt IEEE định kỹ thuật điều chế khác cho WiMAX; cụ thể BPSK, QPSK, 16 QAM 64 QAM Bài báo nghiên cứu hiệu suất Truyền hình Giao thức Internet (IPTV) hệ thống WiMAX cố định, xem xét kết hợp khác điều chế kỹ thuật số Hiệu suất nghiên cứu có tính đến số thơng số hệ thống bao gồm thay đổi mã hóa video, Suy hao đường truyền, lập biểu lớp dịch vụ định mức mã khác mã hóa kênh FEC Nghiên cứu hiệu suất thực cách sử dụng mô OPNET Hiệu suất nghiên cứu khía cạnh gói bị mất, độ trễ gói jitter (trễ gói liên tiếp), độ trễ đầu cuối thơng lượng mạng Kết mô cho thấy sơ đồ mã hóa điều chế bậc cao (cụ thể 16 QAM 64 QAM) mang lại hiệu suất tốt so với QPSK II Giới thiệu WiMAX WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access: Khả tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) giải pháp mạng không dây hệ thứ (4G), cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) tốc độ liệu cao Đảm bảo chất lượng dịch vụ cung cấp tiêu chuẩn làm cho trở nên khả thi mặt thương mại để hỗ trợ ứng dụng đa phương tiện điện thoại video, trò chơi video phát sóng TV di động Trạm gốc WiMAX (BS) cung cấp truy cập không dây băng rộng phạm vi lên đến 50 km cho trạm cố định đến 15 km cho MS với tốc độ liệu tối đa lên đến 70 Mbps Tiêu chuẩn WiMAX dành riêng cho dịch vụ cố định di động WiMAX di động hỗ trợ tính di động cho hệ thống di động cố định Các tính WiMAX: cung cấp tốc độ liệu cao; hỗ trợ ứng dụng cố định, di động; có kiến trúc mạng linh hoạt; tiết kiệm chi phí dễ triển khai Hơn nữa, hỗ trợ kết nối điểm tới điểm điểm tới đa điểm hỗ trợ kiến trúc dựa IP; tối ưu hóa để hỗ trợ tất ứng dụng di động giao thức thoại qua Internet (VoIP) Nó có chế tiết kiệm lượng giúp tăng tuổi thọ pin thiết bị cầm tay IPTV Truyền hình Internet (IPTV) cung cấp dịch vụ truyền hình kỹ thuật số qua IP cho người dùng với chi phí thấp, có khả nhận hiển thị luồng video qua Internet Người dùng nhận dịch vụ IPTV đâu lúc tới thiết bị di động Các dịch vụ IPTV phân loại theo nội dung dịch vụ như:  Nội dung video theo yêu cầu: Trong dịch vụ IPTV này, khách hàng phép duyệt danh mục phim trực tuyến, xem đoạn giới thiệu chọn phim quan tâm Không giống trường hợp phát video trực tiếp, khách hàng yêu cầu dừng nội dung video lúc không bị ràng buộc lịch truyền hình cụ thể Quá trình phát phim chọn bắt đầu gần TV PC khách hàng  Nội dung trực tiếp: Trong dịch vụ IPTV này, khách hàng yêu cầu truy cập vào kênh cụ thể cho nội dung thời điểm cụ thể, tương tự truy cập kênh truyền hình thơng thường Khách hàng yêu cầu xem nội dung từ đầu họ tham gia kênh muộn Tương tự phát sóng trực tiếp qua vệ tinh, nội dung trực tiếp qua IPTV kiện trực tiếp chương trình mã hóa theo thời gian thực từ vị trí từ xa, chẳng hạn trận bóng đá  Dịch vụ quản lý: Nó cho phép nội dung video cung cấp công ty điện thoại hoạt động kinh doanh IPTV lấy từ nhà cung cấp nội dung, nội dung thường quản lý tốt chất lượng mã hóa phát, lựa chọn số tiêu đề video Băng thông để giao hàng thiết bị khách hàng xếp cẩn thận để phục vụ chất lượng hiệu suất chơi tốt cho khách hàng  Dịch vụ không quản lý: Trong dịch vụ này, thân công nghệ IPTV cho phép phát nội dung video trực yêu cầu từ bên thứ ba qua Internet Do đó, khơng có ngăn cản khách hàng truy cập nội dung video trực tiếp từ bên thứ ba trực tuyến YouTube (hoặc Google Video), cá nhân tổ chức Với nhiều lựa chọn để lựa chọn nội dung, rõ ràng dịch vụ không quản lý có lợi với chi phí chất lượng hiệu suất phát không đảm bảo Tổng quan nghiên cứu Trong hệ thống truyền thông không dây, có số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu như: khoảng cách người dùng trạm gốc, suy hao đường truyền, shadowing effect (hiệu ứng đổ bóng định nghĩa ảnh hưởng dao động cơng suất tín hiệu nhận cản trở máy phát máy thu), fading Rayleigh ngắn hạn nhiễu Để cải thiện dung lượng hệ thống, tốc độ liệu cao, độ tin cậy vùng phủ sóng, tín hiệu truyền đến sửa đổi để tính đến thay đổi chất lượng tín hiệu thơng qua q trình thường gọi thích ứng liên kết Điều chế mã hóa thích ứng (AMC) trở thành cách tiếp cận tiêu chuẩn tiêu chuẩn không dây, bao gồm WiMAX Ý tưởng đằng sau AMC điều chỉnh động sơ đồ mã hóa điều chế phù hợp với điều kiện kênh để đạt hiệu phổ cao thời điểm Mã hóa điều chế OFDMA chọn khác cho sóng mang phụ thay đổi theo thời gian Trên thực tế, tiêu chuẩn IEEE 802.16, sơ đồ điều chế quán sử dụng điều chế hiệu suất thấp (BPSK 1/2) đến hiệu cao (64-QAM 3/4) tùy thuộc vào Tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SINR) Lượng liệu truyền qua kênh phụ thuộc vào thay đổi sơ đồ điều chế mã hóa, điều dẫn đến việc sử dụng điều chế với giảm liệu thấp thông lượng cao Với số lượng lớn người tiêu dùng dịch vụ tốc độ cao hỗ trợ QoS, u cầu phải có kiến thức thơng số hiệu suất IPTV (VoD) qua mạng WiMAX cố định theo kiểu điều chế mã hóa cố định để chọn kết hợp tốt Điều hướng tới việc điều tra nghiên cứu hiệu suất IPTV (VoD) qua mạng WiMAX cố định xem xét sơ đồ mã hóa điều chế khác cách sử dụng phần mềm mô OPNET Modeler Nghiên cứu bao gồm việc tạo tích hợp thành phần âm phát trực tuyến, cung cấp số nghiên cứu so sánh hiệu suất IPTV (VoD) WiMAX cố định thơng qua loại mã hóa video, sử dụng mơ hình đường dẫn khác lớp dịch vụ theo loại kỹ thuật điều chế cố định để điều tra phân tích thay đổi hiệu suất mơ hình OPNET cung cấp phát triển tồn diện mơ hình mạng bao gồm tất tham số cần thiết cần phản ánh quy trình thiết kế lớp vật lý lớp MAC Nghiên cứu kết trình bày báo tập trung chủ yếu vào việc sử dụng phim audio, video thời gian thực mã hóa mã hóa video khác (MPEG 4, AVC SVC) để mơ hình hóa mơ việc triển khai IPTV qua WiMAX cố định Bài báo chủ yếu nhằm mục đích thiết lập nghiên cứu so sánh hiệu suất IPTV (VoD) qua WiMAX cố định mã hóa video khác sử dụng mơ hình đường khác dịch vụ lớp loại kỹ thuật điều chế cố định để điều tra phân tích thay đổi hiệu suất mơ hình III Nền tảng Phần cung cấp thông tin sơ có liên quan liên quan đến hỗ trợ QoS lớp vật lý sơ đồ mã hóa điều chế WiMAX Kiến trúc IPTV qua mạng WiMAX bao gồm năm hệ thống Mạng đầu hệ thống mơ hình Trong hệ thống này, máy chủ lưu trữ nội dung video loại phim nguồn nội dung âm Các loại video khác lưu trữ nguồn video dạng đài truyền hình quốc gia, đài truyền hình địa phương, hoạt động truyền hình Internet dịch vụ phát video khác tương lai Nội dung video chuyển đến mạng WiMAX thông qua mạng lõi phân phối nội dung dung lượng cao, khoảng cách xa Mạng lõi phân phối luồng video từ tiêu đề đến mạng phân phối nhà cung cấp dịch vụ Mạng phân phối khu vực chứa Trạm gốc (BS) Nó từ cuối mạng lõi đến mạng truy nhập Mạng truy cập cho phép người dùng kết nối với nhà cung cấp dịch vụ cho phép truy cập vào nội dung đa phương tiện Yêu cầu mạng truy nhập có đủ băng thơng để hỗ trợ nhiều kênh IPTV cho thuê bao cho phép dịch vụ khác (điện thoại liệu) Cuối cùng, mạng khách hàng (Set-up-box) cho phép giao tiếp trao đổi thơng tin máy tính thiết bị kết nối với dịch vụ nhà cung cấp dịch vụ cung cấp Nhiều sơ đồ điều chế mã hóa hỗ trợ WiMAX, sơ đồ điều chế mã hóa cho phép sơ đồ thay đổi sở cụm liên kết tùy thuộc vào điều kiện kênh Khơng giống đường lên, trạm gốc ước tính chất lượng kênh dựa chất lượng tín hiệu thu Chỉ báo phản hồi chất lượng kênh giúp thiết bị di động cung cấp cho trạm gốc thông tin phản hồi chất lượng kênh đường xuống Bộ lập biểu trạm gốc tính đến chất lượng kênh đường lên đường xuống người dùng định sơ đồ điều chế mã hóa để tối đa hóa thơng lượng cho tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SINR) có sẵn Điều chế mã hóa thích ứng làm tăng đáng kể dung lượng hệ thống tổng thể cho phép cân thời gian thực thông lượng độ chắn liên kết WiMAX OFDM có nhiều sóng mang phụ khác nhau, từ tối thiểu 256 đến 2048, sóng mang điều chế với QPSK, 16 QAM 64 QAM, 64 QAM tùy chọn kênh đường lên Ưu điểm tính trực giao giảm thiểu tượng tự nhiễu, nguyên nhân gây lỗi nhận tín hiệu truyền thông không dây Các lược đồ mã hóa kênh sử dụng để giúp giảm yêu cầu SINR cách khơi phục gói bị hỏng bị lỗi cụm fading lựa chọn tần số Các lược đồ tạo bit dư thừa để kèm với bit thông tin truyền qua kênh Các sơ đồ mã hóa bao gồm mã hóa chập (CC) tỷ lệ mã hóa khác (1/2, 2/3 3/4) mã turbo thông thường (CTC) dạng tỷ lệ mã hóa khác (1/2, 2/3, 3/4 5/6) Tỷ lệ mã hóa tỷ lệ kích thước khối mã hóa với kích thước khối mã hóa Tốc độ mã hóa khả dụng cho sơ đồ điều chế định với tốc độ tín hiệu nhiễu tối thiểu tốc độ liệu UL DL đỉnh cho WiMAX di động kênh MHz với bit/ký hiệu thông tin khác liệt kê bảng Kiểu điều chế Tỉ lệ mã hoá Bit/Ký hiệu SINR tối thiểu (dB) Tốc độ DL (Mbps) Tốc độ UL (Mbps) QPSK 1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 2/3 3/4 1.5 3 4 10.5 14 16 18 20 3.17 4.75 6.34 9.5 9.5 12.6 14.26 2.28 3.43 4.57 6.85 6.85 9.14 10.28 16 QAM 64 QAM Bảng 1: Tốc độ liệu WiMAX vật lý di động SINR cho kênh 5MHz Ngồi ra, WiMAX hỗ trợ băng thơng tín hiệu khác nhau, từ 1,25 đến 20 MHz để tạo điều kiện truyền tải phạm vi dài môi trường đa đường khác Trong hệ thống thông tin liên lạc không dây, thông tin truyền máy phát ăng-ten máy thu sóng điện từ Trong q trình lan truyền, sóng điện từ tương tác với mơi trường, gây giảm cường độ tín hiệu Một yếu tố khác làm hạn chế thông lượng truyền thông không dây, đặc biệt nút đầu cuối có tính di động phản xạ máy phát máy thu Các đường truyền máy phát máy thu thay đổi từ tầm nhìn thẳng đơn giản (LOS) đến phức tạp nhiễu xạ, phản xạ tán xạ Để ước tính hiệu suất IPTV qua kênh WiMAX, mơ hình lan truyền thường sử dụng Suy hao đường dẫn đưa vào khơng mong muốn lượng có xu hướng cản trở việc nhận tái tạo tín hiệu thích hợp q trình truyền từ máy phát sang máy thu Môi trường máy phát máy thu hệ thống truyền thơng khơng dây có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất trì QoS hệ thống Suy hao đường dẫn yếu tố quan trọng phải giữ phạm vi xác định trước để có hiệu suất mong đợi hệ thống Ngồi ra, mơ hình suy hao đường dẫn mơ tả suy giảm tín hiệu ăng ten phát ăng ten thu hàm khoảng cách truyền tham số khác cung cấp chi tiết cấu hình địa hình cần thiết để ước tính tín hiệu suy giảm Các mơ hình suy hao đường truyền đại diện cho tập hợp phương trình tốn học thuật tốn áp dụng cho dự đốn truyền tín hiệu vơ tuyến số môi trường định Suy hao đường truyền phụ thuộc nhiều vào mơ hình lan truyền, mơ hình lan truyền phổ biến Không gian tự do, Cố định ngoại (Erceg), Mơi trường từ ngồi trời đến nhà người Môi trường xe cộ đưa Bảng Các mô hình sử dụng đánh giá hiệu suất WiMAX Cố định thơng qua Mơ OPNET Mơ hình Cơng thức tốn học truyền dẫn Khơng , Prx Ptx gian tự công suất nhận tính watt; Grx Gtx độ lợi anten thu anten phát; L hệ số tổn thất hệ thống Mơ hình cố định ngoại ô Erceg PL suy giảm tức thời tính dB, H điểm chặn tính suy hao đường khơng gian tự tần số mong muốn khoảng cách d0 = 100m γ biến ngẫu nhiên Gaussian dân số ô Mô tả Đây mơ hình tốn học khó áp dụng không xét đến hiệu ứng mờ dần lan truyền đa đường Nó dựa liệu thử nghiệm mở rộng thu thập tốc độ 1,9 GHz 95 ô macro khu vĩ mơ loại địa hình Xf Xh hệ số tương quan mơ hình tần số hoạt động chiều cao anten MS Người , PL độ suy dùng giảm tức thời tính dB, R khoảng cách trạm gốc trạm di động tính km đường và f tần số sóng mang tồ nhà Mơi trường xe R khoảng cách cộ trạm gốc trạm di động, f tần số sóng mang chiều cao anten trạm gốc tính mét vực ngoại khắp Hoa Kỳ Kích thước lớn, trạm gốc có cơng suất truyền dẫn cao chiều cao ăng ten cao Kích thước nhỏ, trạm gốc có chiều cao ăng ten thấp cơng suất truyền thấp đặt ngồi trời người dùng đường phố bên tòa nhà khu dân cư Ô lớn công suất máy phát cao Tất trạm th bao có tính di động cao Nói chung, IEEE 802.16 Medium Access Control (MAC) xác định tối đa năm lớp dịch vụ riêng biệt để cung cấp QoS cho loại ứng dụng khác Các lớp dịch vụ bao gồm: Lược đồ tài trợ khơng mong muốn (UGS), Dịch vụ thăm dị thời gian thực mở rộng (ertPS), Dịch vụ thăm dò thời gian thực (rtPS), Dịch vụ thăm dị ý kiến khơng theo thời gian thực (nrtPS) Dịch vụ nỗ lực tốt (BE) Mỗi lớp dịch vụ có tham số QoS riêng cách yêu cầu băng thông, yêu cầu thông lượng tối thiểu ràng buộc độ trễ / jitter Các lớp dịch vụ mô tả Bảng Tỷ lệ lưu lượng trì truy cập tối đa UGS X rtPS X ertPS X nrtPS X BE X Tỷ lệ lưu lượng trì truy cập tối thiểu Độ trễ tối đa Jitter dung nạp Ưu tiên lưu lượng Hỗ trợ ứng dụng X X X X -VoIP Truyền âm video X X Giọng nói phát giọng nói (VoIP) X X Giao thức truyền tin (FTP) -X Truyền liệu, trình duyệt web… IV ĐẶC ĐIỂM VÀ YÊU CẦU VỀ LƯU LƯỢNG VIDEO Phần thảo luận vấn đề liên quan đến số liệu hiệu suất truyền dẫn video thiết bị cần thiết cho việc triển khai IPTV Các số đo lường hiệu suất phân loại số đo lường chất lượng khách quan chủ quan Mục đích hai phương pháp để có số liệu chất lượng video Các biện pháp mục tiêu quan sát việc truyền gói bao gồm gói, chậm gói, giật gói tốc độ thông lượng tải lưu lượng Các số liệu khách quan khác cố gắng định lượng nhận thức chất lượng video bao gồm số liệu chất lượng video ITU (VQM) tỷ lệ tín hiệu cực đại nhiễu (PSNR) đo lường chất lượng tái tạo mã Thiết lập hiệu suất hệ thống TV cách sử dụng phép đo dự đoán trực tiếp nhận thức người dùng, phép đo phương pháp chủ quan chất lượng video Nó liên quan đến cách video người xem cảm nhận định ý kiến họ chuỗi video cụ thể Để đánh giá nhận thức đó, nhóm người xem video đánh giá chất lượng Ý tưởng việc đo lường chất lượng video chủ quan giống Mean Opinion Score (MOS) 4.1 Yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) Chất lượng dịch vụ (QoS) quan trọng để triển khai IPTV VoD dịch vụ thời gian thực qua mạng WiMAX Để đánh giá hiệu suất hệ thống truyền video, số liệu hiệu suất có liên quan xác định để điểm định hệ thống cách thích hợp Việc triển khai video theo yêu cầu (VoD) qua WiMAX bị ảnh hưởng băng thơng thay đổi theo thời gian, độ trễ gói tổn thất Vì người dùng mong đợi chất lượng dịch vụ cao sở hạ tầng mạng bản, số số liệu sử dụng để đo lường hiệu suất phát trực tuyến nội dung video để đảm bảo tuân thủ chất lượng trải nghiệm (QoE) người dùng Chúng xem xét biện pháp hiệu suất sau nghiên cứu rộng 10 rãi: tỷ lệ gói (PLR), độ trễ gói (PD), gói jitter thơng lượng tối thiểu Các thông số hiệu suất ảnh hưởng đến video hiển thị Bảng Số liệu tỷ lệ gói (PLR) Độ chễ từ đầu đến cuối gói Cơng thức Giải thích PLR = 𝑆ố 𝑔ó𝑖 𝑚ấ𝑡 𝑆ố 𝑔ó𝑖 𝑛ℎậ𝑛 Mức chấp nhận PLR 10−3 gói tin bị hỏng, chậm chia cho tổng số gói tin dự kiến trạm máy khách video Độ trễ gói