MỘT PHƯƠNG PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG CHO DỊCH VỤTRUYỀN THÔNG ĐA HƯỚNG THỜI GIAN THỰC QUA MẠNG IP

TỔNG QUAN VỀTRUYỀN THÔNG ĐA HƯỚNG VÀ MÔ HÌNH HỆTHỐNG RoIP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

YZWX › WXYZ

ĐỖ TRỌNG TUẤN

MỘT PHƯƠNG PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG

CHO DỊCH VỤ TRUYỀN THÔNG ĐA HƯỚNG

THỜI GIAN THỰC QUA MẠNG IP

Chuyên ngành: Thông tin vô tuyến, phát thanh và

vô tuyến truyền hình

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của chính bản thân Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Đỗ Trọng Tuấn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Phạm Minh Hà - người đã dìu dắt và giúp đỡ tôi trong cả lĩnh vực nghiên cứu của luận án cũng như trong công tác chuyên môn và cuộc sống

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Điện tử Viễn thông đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, công tác và nghiên cứu từ khi tôi là sinh viên, rồi là thành viên của khoa Điện tử Viễn thông – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm Đào tạo & Bồi dưỡng Sau Đại học, Phòng Quản lý Khoa học & CGCN, Trung tâm Thông tin & Mạng - Trường ĐHBK Hà Nội, Trung tâm Âm thanh, Trung tâm ứng dụng công nghệ phát thanh - Đài tiếng nói Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình và những góp ý quý báu của các anh chị và các bạn đồng nghiệp tại phòng thí nghiệm kỹ thuật thông tin: TS Nguyễn Hữu Thanh, ThS Đỗ Trọng Tú, TS Nguyễn Văn Đức, ThS Nguyễn Quốc Khương,

TS Trần Thị Ngọc Lan, TS Nguyễn Hữu Trung Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Tuân đã chỉ dẫn và giới thiệu giúp tôi liên hệ thực tế, cảm ơn anh Nguyễn Năng Khang đã nhiệt tình giúp tôi tìm hiểu cấu hình thực tế hệ thống kỹ thuật của Đài Tiếng Nói Việt Nam

Tôi xin chân thành cảm ơn giáo sư Tomio Takara và các thành viên phòng thí nghiệm xử lý tiếng nói, Bộ môn Kỹ thuật Thông tin, Đại học Ryukyus đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi triển khai mô hình thực nghiệm giữa ĐHBK Hà Nội và ĐH Ryukyus, Nhật Bản Xin cảm ơn người bạn Pin Hu đang nghiên cứu tại Đại học Plymouth-Anh quốc, về nhiệt tình khoa học và các số liệu mà anh đã cung cấp Tôi đặc biệt cảm ơn Gia đình, Thầy tôi và Người bạn thân thiết đã động viên tôi trong những lúc khó khăn

NCS Đỗ Trọng Tuấn

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Lời Cảm ơn

Mục lục

Danh mục các từ khóa, các từ viết tắt

Danh sách các hình vẽ, các bảng và kí hiệu toán học

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề 1

2 Đối tượng và mục tiêu của luận án 3

3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 3

4 Hướng tiếp cận 6

5 Kết cấu của luận án 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG ĐA HƯỚNG VÀ

MÔ HÌNH HỆ THỐNG RoIP 1.1 Các phương thức truyền thông qua Internet 8

1.2 Truyền thông đa hướng qua mạng IP 10

1.2.1 Khái niệm 11

1.2.2 Đặc điểm 11

1.2.3 Nguyên lý truyền thông đa hướng qua mạng IP 12

1.2.4 IP multicast 15

1.3 Truy nhập vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.11 19

1.3.1 Phổ tần số vô tuyến 19

1.3.2 Cấu trúc giao thức IEEE 802.11 20

1.3.3 Các cấu hình mạng truy nhập vô tuyến 23

1.3.4 Các khu vực dịch vụ mở rộng 24

1.3.5 Hệ thống phân tán 26

1.4 Mô hình hệ thống RoIP 26

1.4.1 Khái niệm 26

1.4.2 Những lợi ích và cản trở công nghệ 27

1.4.3 Mô hình hệ thống RoIP hiện tại của đài tiếng nói Việt Nam 28

1.4.4 Mô hình hệ thống RoIP đề xuất 31

1.5 Kết luận chương 1 39

CHƯƠNG 2: PHỎNG TẠO THAM SỐ CHẤT LƯỢNG CỦA TÍN HIỆU

PHÁT THANH KHI TRUYỀN TẢI QUA MẠNG IP 2.1 Các tham số chất lượng mạng 40

2.1.1 Giới thiệu 40

2.1.2 Tổn thất gói tin 41

2.1.3 Trễ và biến động trễ 44

2.2 Đề xuất mô hình phỏng tạo tham số QoS qua mạng IP 48

2.2.1 Kiến trúc mô hình 48

2.2.2 Phỏng tạo tham số mạng IP đa hướng 50

2.3 Kết quả triển khai thực nghiệm 51

2.4 Kết luận chương 2 58

CHƯƠNG 3: ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TẠI ĐẦU THU TRUYỀN TẢI QUA MẠNG IP THEO THỜI GIAN THỰC 3.1 Vấn đề tái tạo tín hiệu phát thanh tại đầu thu 60

3.2 Thuật toán ước đoán trễ tái tạo 61

3.2.1 Thuật toán trung bình hàm mũ Exp-Avg 61

3.2.2 Thuật toán trung bình hàm mũ nhanh F-Exp-Avg .63

3.2.3 Thuật toán trễ tối thiểu Min-D 63

3.2.4 Thuật toán phát hiện đột biến Spike-Det .63

3.2.5 Thuật toán cửa sổ 64

3.3 Đánh giá chất lượng tín hiệu tại đầu thu 66

3.3.1 Phương pháp đánh giá chất lượng chủ quan 68

3.3.2 Phương pháp đánh giá chất lượng khách quan 69

3.4 Giải pháp đảm bảo chất lượng truyền tải tín hiệu phát thanh

qua mạng IP 74

3.4.1 Đặt vấn đề .74

3.4.2 Thiết lập thông số nguồn .74

3.4.1 Giải pháp đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu 77

3.4.2 Cấu hình thực nghiệm và kết quả 81

3.5 Kết luận chương 3 91

Kết luận của luận án 92

Hướng phát triển của đề tài 93

Danh mục công trình của tác giả

Tài liệu tham khảo

Các phụ lục của luận án

Từ khóa:

Real-time service, IP multicast, RoIP, VoIP, QoS, WLAN IEEE 802.11, Heterogeneous Networks

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACR Absolute Category Rating Đánh giá phân loại tuyệt đối

ADPCM Adaptive Diffirential PCM Điều xung mã vi sai thích ứng

BSS Infrastructure Basic Service Set Cấu hình mạng phụ thuộc

DAW Digital Audio WorkStation Máy trạm xử lý âm thanh số

DCR Degradation Category Rating Đánh giá phân loại theo mức

suy giảm chất lượng

lượng

DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số

DSSS Direct Sequence Spectrum Spread Trải phổ dãy trực tiếp

FCC Frequency Commission Tổ chức quản lý tần số

FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước

FHSS Frequency Hoping Spectrum

GOB Good Or Better Thông số đánh giá độ chất

lượng tốt

IANA Internet Address Number

Asignment

Tổ chức cấp phát địa chỉ Internet

IBSS Indepentent Basic Service Set Cấu hình mạng độc lập

IETF Internet Enginering Task Force Nhóm đặc trách kỹ thuật

Internet

IGMP Internet Group Management

Protocol

Giao thức quản lý nhóm mạng Internet

IGMP Internet Group Management

Protocol

Giao thức quản nhóm Internet

IPv4 Internet Protocol version 4 Giao thức IP phiên bản 4

ITU International Telecommunication

iVoVGateway internet Voice of VietNam

Gateway

Cổng chuyển đổi giao thức truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP

iVoVReceiver internet Voice of VietNam

LPC Linear Predictive Encoding Mã hoá dự đoán tuyến tính

LPC Linear Predictive Coding Mã hóa dự đoán tuyến tính

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập phương

tiện truyền thông

multicast

MOS Mean Opinion Score Điểm đánh giá chất lượng

MRouter Multicast Router Bộ định tuyến hỗ trợ

multicast

OFDM Orthogonal Frequency Division

OSI Open Systems Interconnection Mô hình liên kết các hệ thống

mở

PAMS Perceptual Analysis Measurement

System

Hệ thống đo đạc phân tích cảm nhận

PESQ Perceptual Evaluation of Speech

Quality

Đánh giá cảm nhận chất lượng tiếng nói

PLC Packet Loss Concealment Bù tổn thất gói tin

lượng tồi

PQoS Perceived Quality of Service Chất lượng dịch vụ thu nhận

PSQM Perceptual Speech Quality

Tính toán tổng năng lượng tín hiệu phát thanh nguồn và phát hiện khoảng tích cực tín hiệu

SDH Synchronous Digital Hieracy Phân cấp số đồng bộ

SIP Session Initial Protocol Giao thức khởi tạo phiên

SNR Signal - to - Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SSNR Segmentation Signal - to - Noise

Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm phân đoạn

Giao thức điều khiển truyền thông hướng kết nối qua mạng IP

TESF Total Energy of Source Frame Tổng mức năng lượng khung

tín hiệu nguồn

UDP User Datagram Protocol

Giao thức điều khiển truyền thông không hướng kết nối qua mạng IP

URouter Unicast Router Bộ định tuyến hỗ trợ truyền

thông đơn hướng

thức IP WLAN Wireless Local Area Network Mạng máy tính cục bộ không

dây

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1 1: Mô hình mạng tích hợp phân cấp hỗn hợp trên nền IP 8

Hình 1 2: Mô hình truyền tin đơn hướng 9

Hình 1 3: Mô hình truyền tin quảng bá 9

Hình 1 4: Mô hình truyền tin đa hướng 10

Hình 1 5: Tiến trình phát triển của MBONE 11

Hình 1 6: Cấu trúc hệ thống truyền thông đa hướng qua mạng IP 13

Hình 1 7: Cơ chế đường hầm liên kết các ốc đảo multicast 13

Hình 1 8: Đóng gói IP multicast theo cơ chế tunneling 14

Hình 1 9: Cơ chế đường hầm liên kết các MRouter 14

Hình 1 10: Mô hình kiến trúc hệ thống IP Multicast 15

Hình 1 11: Địa chỉ IP Multicast 17

Hình 1 12: Cấu trúc địa chỉ MAC cho IP Multicast/Unicast 18

Hình 1 13: Cơ chế ánh xạ địa chỉ IP Multicast và địa chỉ MAC 19

Hình 1 14: Họ IEEE 802 và mối liên hệ với mô hình OSI 20

Hình 1 15: Liên kết lớp MAC và lớp vật lý thông qua PLCP 22

Hình 1 16: Các thành phần của mạng WLAN 802.11 22

Hình 1 17: Cấu hình BSS và IBSS 23

Hình 1 18: Tập dịch vụ mở rộng ESS 25

Hình 1 19: Hệ thống phân tán trong AP 802.11 26

Hình 1 22: Hệ thống VoIP truyền thống [19] 31

Hình 1 23: Các giao thức và chuẩn cho dịch vụ RoIP 32

Hình 1 24: Tiêu đề gói RTP 32

Hình 1 25: Mô hình lý thuyết hệ thống truyền tín hiệu phát thanh qua mạng IP 36 Hình 1.26: Cấu trúc giao thức hệ thống RoIP đề xuất 37

Hình 1 27: Mô hình triển khai thực nghiệm hệ thống RoIP đề xuất 38

Hình 2 1: Mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến QoS [36] 40

Hình 2 3: Mô hình Gilbert 2 trạng thái 42

Hình 2 4: Mô hình truyền tải gói tin một chiều 45

Hình 2 5: Mô hình truyền tải gói tin hai chiều 47

Hình 2 6: Kiến trúc mô hình phỏng tạo tham số mạng 49

Hình 2 8: Mô hình lý thuyết phỏng tạo tham số mạng IP đa hướng 50

Hình 2 9: Xử lý gói tin tại phía thu 51

Hình 2 10: Cấu hình thực nghiệm phỏng tạo tham số mạng IP 51

Hình 2 11: Chức năng theo dõi trễ mạng trực tuyến theo thời gian thực của chương trình phỏng tạo tham số mạng 52

Hình 2 17: Tỷ lệ tổn thất gói tin theo thời gian - phương thức phỏng tạo trực tuyến 58

Hình 2 18: Tín hiệu thu khi xảy ra tổn thất gói tin 58

Hình 3 1: Các thông số thời gian của gói tin thứ i 60

Hình 3 2: Giải thuật thực hiện thuật toán Exp-Avg và F- Exp-Avg [6] 62

Hình 3 3: Thuật toán Spike-Det [6] 64

Hình 3 4: Thuật toán cửa sổ [6] 65

Hình 3 5: Quan hệ giữa khoảng tích cực tín hiệu và khoảng lặng 66

Hình 3 6: Phân cấp chất lượng tín hiệu phát thanh [3] 67

Hình 3 7: Cấu trúc thực hiện thuật toán PESQ 70

Hình 3 8: Mô hình thiết lập thông số nguồn 76

Hình 3 9: Thuật toán xác định tổng mức năng lượng tín hiệu nguồn tại phía phát 78

Hình 3 10: Mô hình thực hiện thuật toán xác định tổng mức năng lượng tín hiệu nguồn tại phía phát 79

Hình 3 11: Cấu trúc gói tin eRTP 79

Hình 3 12: Thuật toán xác định tổng năng lượng tín hiệu phân đoạn tại phía thu80 Hình 3 13: Mô hình xác định tổng mức năng lượng phân đoạn tại phía thu 81

Hình 3 15: Chương trình phát (a)-thu (b) tín hiệu phát thanh qua mạng IP 84

Hình 3.16: Mô hình thực nghiệm 1 chiều giữa Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Ryukyu - Okinawa, Nhật bản 85

Hình 3.17: Mô hình thực nghiệm 2 chiều giữa Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Ryukyu - Okinawa, Nhật bản 86

Hình 3.18: Tham số trễ mạng đo thực tế phân bố theo thời gian - đột biến trễ có chu

kỳ [ thời điểm đo: 21:37:46 giờ ngày 14-12-2005 ] 87

Hình 3.19: Tham số trễ mạng đo thực tế phân bố theo trị số - đột biến trễ có chu kỳ [ thời điểm đo: 21:37:46 giờ ngày 14-12-2005 ] 88

Hình 3.20: Tham số trễ mạng đo thực tế phân bố theo thời gian - đột biến trễ không có chu kỳ [ thời điểm đo: 20:57:29 giờ ngày 16-12-2005 ] 89

Hình 3.21: Tham số trễ mạng đo thực tế phân bố theo trị số - đột biến trễ không có chu kỳ [ thời điểm đo: 20:57:29 giờ ngày 16-12-2005 ] 90

DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các băng tần vô tuyến 20

Bảng 1.2: Chỉ tiêu kỹ thuật các chuẩn IEEE 801.11 .21

Bảng 1.3: Một số thông số chuẩn mã hóa tín hiệu 34

Bảng 2.1: Tỷ lệ tổn thất gói tin thiết lập và đo đạc theo phương thức phỏng tạo trực tuyến 58

Bảng 3.1: Thang đánh giá chất lượng theo phương pháp ACR 67

Bảng 3.2: Thang đánh giá chất lượng theo phương pháp DCR .68

Bảng 3.3: Các thông số chuyển đổi nguồn tín hiệu phát thanh .74

Bảng 3.4: Kết quả đo đạc tham số chất lượng tại đầu thu khi thay đổi hệ số phát lặp gói tin tại đầu phát qua kết nối giữa Đại học Bách Khoa Hà Nội và ĐH Ruykyus 91

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU TOÁN HỌC

X : Biến ngẫu nhiên nhận giá trị 0 hoặc 1

i

L : Trạng thái tổn thất của gói tin thứ i

i

P: Xác xuất tổn thất của gói tin thứ i

P%: Xác xuất tổn thất gói tin ước đoán

P: Xác xuất gói tin bị tổn thất

p: Xác xuất gói tin bị tổn thất khi gói tin kề trước không bị tổn thất

q: Xác xuất gói tin bị tổn thất khi gói tin kề trước bị tổn thất

J : Biến động trễ của gói tin thứ i

di : Khoảng cách vật lý giữa bộ định tuyến ( i -1 ) và ( i )

c : Tốc độ truyền tín hiệu

bi : Băng thông của tuyến kết nối i

fi : Trễ chuyển tiếp gói tin theo hướng thuận

f'i-1: Trễ chuyển tiếp gói tin theo hướng ngược

prog

t

∆ : Thời gian truyền dẫn tín hiệu

n : Trễ của gói tin thứ i gây nên bởi mạng

vi : Biến động trễ mạng của gói tin thứ i

bi : Thời gian trễ của gói tin thứ i lưu giữ trong bộ đệm tái tạo

di : trễ tổng quát của gói tin thứ i (trễ từ đầu cuối đến đầu cuối)

- với thuật toán trung bình hàm mũ Exp-Avg α = 0,998002

- với thuật toán phát hiện đột biến Spike-Det α = 0.875

β = 0.750 - Hệ số tái tạo thích ứng của thuật toán F-Exp-Avg

R: Hệ số đánh giá chất lượng theo đường truyền

Ro = 93,2 - giá trị tối ưu

Ie: Hệ số ảnh hưởng của thiết bị và mô tả cho ảnh hưởng cho tính phi tuyến của bộ

mã hóa/giải mã và độ tổn thất

Id: Thông số ảnh hưởng của trễ

Is: Yếu tố ảnh hưởng tổng hợp của vấn đề đồng bộ tín hiệu

A: Hệ số kỳ vọng cho phép bù các yếu tố ảnh hưởng khi tồn tại các yếu tố thuận lợi trong việc truy nhập của người dùng

m: Chỉ số mẫu tín hiệu trong khung đang xét

x m : Giá trị của mẫu tín hiệu nhận được phía thu

ES(n): Năng lượng tín hiệu của khung n gồm M mẫu tín hiệu

EN(n): Năng lượng nhiễu tổng cộng của khung n gồm M mẫu tín hiệu

t

∆ : Chu kỳ phát phát gói tin [ms]

sz: Độ dài tải tin [ Bytes ]

fs : Tần số lấy mẫu [ Hz]

w: Số bít mã hóa cho một mẫu tín hiệu

ch: Số kênh truyền tải tín hiệu phát thanh

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, phát thanh quảng bá qua môi trường vô tuyến vẫn là một kênh thông tin

hữu ích phục vụ cuộc sống của con người Cùng với sự phát triển của công nghệ tin

học viễn thông, đặc biệt là sự gia tăng nhanh chóng của Internet cả về hạ tầng mạng

và nhu cầu phát triển các dịch vụ mới như mua sắm trực tuyến, giải trí qua mạng

công nghệ phát thanh cũng có những chuyển biến theo xu hướng hình thành một

phương thức truyền tải mới, lấy Internet làm công cụ quảng bá tín hiệu phát thanh

tới bạn nghe đài

Hình 1: Phân bố người dùng tại Hoa Kỳ sử dụng dịch vụ quảng bá

phát thanh - truyền hình qua Inetenet [58]

Hiện nay, hầu hết các đài phát thanh quốc gia đều có website riêng và thực hiện

dịch vụ phát thanh qua mạng Internet Theo một số thống kê gần đây [58] tại thời

điểm quý I năm 2005, hàng tháng ở Mỹ có khoảng 55 triệu người dùng Internet

truy nhập dịch vụ nghe đài hoặc xem truyền hình trực tuyến như thể hiện trên hình

1 Trong đó số lượng người dùng nghe đài qua mạng Internet thống kê theo tháng ≈

37 triệu người và theo tuần ≈ 20 triệu người

Các ràng buộc về tính đáp ứng thời gian và độ tin cậy của ứng dụng thời gian thực kéo theo yêu cầu phát triển cấu trúc giao thức mới Phương truyền thông đa hướng ( multicast ) đang được tập trung nghiên cứu kết hợp với giao thức truyền tải thời gian thực RTP / RTCP nhằm hình thành các cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng thời gian thực qua đó hạn chế nhược điểm của truyền thông đơn hướng cũng như đặc tính không đảm bảo chất lượng dịch vụ của môi trường Internet hiện tại Các ứng dụng mới có yêu cầu chất lượng dịch vụ nghiêm ngặt hơn đang được quan tâm nghiên cứu cả về phương diện xây dựng mô hình hệ thống truyền tải cũng như cơ chế đảm bảo chất lượng thu nhận tín hiệu

Với đối tượng nghiên cứu là mô hình hệ thống và chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP, luận án tập trung nghiên cứu đề xuất

và xây dựng mô hình ứng dụng RoIP ( Radio over IP ) thực hiện truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP kết hợp trên hai phương diện kết hợp truyền thông đơn hướng ( unicast ) với truyền thông đa hướng ( multicast ) và kết hợp môi trường truyền tải hữu tuyến với truy nhập vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.11 Nghiên cứu các thuật toán điều khiển lịch trình bộ đệm tái tạo thích ứng và ảnh hưởng của mạng đối với chất lượng tín hiệu phát thanh truyền tải qua mạng IP Trên cơ sở đó, đề xuất phương pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ RoIP sử dụng thuật toán điều khiển tham số nguồn thích ứng theo tình trạng hệ thống nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu Thiết lập mô hình đánh giá các tham số chất lượng dịch vụ QoS và đề xuất mô hình đo đạc thông số chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu qua mạng IP theo thời gian thực

2 Đối tượng và mục đích nghiên cứu của luận án

Xuất phát từ các vấn đề nêu trên, luận án xác định mô hình hệ thống và chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP là đối tượng nghiên cứu của luận án với những vấn đề tập trung chủ yếu như sau:

Nghiên cứu đề xuất và xây dựng mô hình ứng dụng truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP kết hợp trên hai phương diện kết hợp truyền thông đơn hướng (unicast) với truyền thông đa hướng (multicast) và môi trường truyền tải hữu tuyến với mạng truy nhập vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.11

Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số mạng đến chất lượng tín hiệu phát thanh truyền tải qua mạng IP Đề xuất và xây dựng công cụ phỏng tạo mạng phục

vụ kiểm chứng mô hình và phương pháp đảm bảo chất lượng theo thời gian thực Nghiên cứu các phương thức đánh giá chất lượng tín hiệu truyền tải qua mạng IP Đề xuất mô hình đo đạc đánh giá chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu theo thời gian thực Trên cơ sở đó, đề xuất phương pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ RoIP sử dụng thuật toán điều khiển thông số nguồn thích ứng theo tình trạng hệ thống nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu thu

3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

Từ những năm 1980, vấn đề truyền tải tín hiệu tiếng nói theo phương thức chuyển mạch gói trong phạm vi mạng cục bộ đã được đề cập nghiên cứu [8] Tuy vậy, trong thời gian gần đây nhiều vấn đề như cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ, phương thức thỏa hiệp giữa độ tổn thất và biến động trễ, ghép nguồn tín hiệu tiếng nói và số liệu vẫn là những chủ đề nghiên cứu mang tính thời sự Theo phương diện mạng IP, dịch vụ truyền thông tín hiệu phát thanh qua mạng Internet được hiểu là truyền tải tín hiệu phát thanh qua giao thức IP và viết tắt là RoIP Tổ chức tiêu chuẩn viễn thông thế giới ITU-T đã đưa ra các chuẩn mã hóa tín hiệu như G.711, G.723.1 và G.729 nhằm nén tốc độ số liệu có thể áp dụng với tín hiệu tiếng nói xuống từ 5,33 kbps đến 64 kbps Bên cạnh đó , các chuẩn nén mới cũng được hình thành nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ cũng như đa dạng hóa các thuộc tính của nguồn tín hiệu phát thanh như chuẩn mã hóa / giải mã speex chuyên dùng cho nguồn tiếng nói và vorbis [60] chuyên dùng cho âm thanh hoặc âm nhạc Dữ liệu

phát thanh được đóng gói theo chuẩn giao thức thời gian thực RTP ( Real-time Transport Protocol ) hình thành luồng gói tin RoIP

Chất lượng tín hiệu phát thanh thu được khi truyền qua mạng IP là vấn đề quan trọng đối với ứng dụng RoIP Các mạng IP không được thiết kế phục vụ các dịch

vụ thời gian thực (real-time applications) do đó các yếu tố mạng như tỷ lệ tổn thất gói (Packet Loss), trễ gói ( Packet Delay) và biến động trễ (Packet Delay Variation / Jitter) có ảnh hưởng rất khắt khe đến chất lượng tín hiệu phát thanh Xét về khía cạnh tham số mạng, thông số trễ và tổn thất gói là hai đặc tính quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống RoIP Nhằm duy trì chất lượng truyền thông tín

hiệu phát thanh ở mức tốt, các yêu cầu chất lượng dịch vụ được đưa ra về tỷ lệ tổn thất, độ trễ và độ biến động trễ Trước hết tỷ lệ tổn thất cần được đảm bảo nhằm đạt được chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu có thể hiểu được và có độ trung thực cao Tuy nhiên, giá trị tỷ lệ tổn thất gói tin nhất định có thể vẫn được chấp nhận, đặc biệt đối với các phương thức giải mã sử dụng kỹ thuật bù/sửa lỗi nhằm thay thế gói bị tổn thất Trong trường hợp đó, tỷ lệ tổn thất có thể lên tới 10% [38] Bên cạnh đó, để duy trì tính thời gian thực và tương tác, độ trễ từ đầu cuối đến đầu cuối phải được đảm bảo dưới 150 ms hoặc thấp hơn đối với các ứng dụng có tính tương tác cao [3] Chuẩn G.114 của ITU-T [1] khuyến nghị trễ từ đầu cuối đến đầu cuối tối đa dưới 150 ms sẽ cho chất lượng tốt, phạm vi trễ từ 150-400 ms có thể chấp nhận được Một tham số khác ảnh hưởng nhiều đến chất lượng truyền thông tín hiệu phát thanh đó là độ biến động trễ Biến động trễ nhỏ và loại bỏ biến động là yêu cầu để tái tạo được tín hiệu phát thanh không bị gián đoạn nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu Đối với dịch vụ thời gian thực, biến động trễ

là một yếu tố quan trọng, hiện đang được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần đây nhằm giải quyết bài toán đảm bảo chất lượng dịch vụ Đột biến trễ (Delay Spike) là yếu tố chủ yếu gây nên biến động trễ và có thể ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu Các nghiên cứu trước đây [5],[6][48] đều cho thấy thực tế tồn tại của đột biến trễ trong trễ qua mạng Internet Đột biến trễ được cấu thành bởi sự tăng đột ngột của trễ mạng trong một khoảng thời gian nhất định kéo theo một chuỗi các gói tin được thu nhận liên tiếp thành từng cụm Các nghiên cứu trên cũng chỉ ra đột biến trễ có thể ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng tín hiệu tại đầu thu

Hiện nay, kỹ thuật sử dụng bộ đệm tái tạo được đề cập là một trong những cơ cấu quan trọng để đáp ứng tính thời gian thực và tương tác của dịch vụ thời gian thực qua mạng IP [3][5][6][7][9] Bộ đệm tái tạo lưu giữ tạm thời và tạo lịch trình cho thời điểm tái tạo tín hiệu phát thanh thu được từ các gói RTP/UDP/IP Cơ chế tạo lịch trình có thể được thực hiện theo phương thức cố định và phương thức thích ứng Giữa hai phương thức trên thì phương thức tạo lịch trình thích ứng linh hoạt hơn trong các trường hợp tình trạng mạng thay đổi theo thời gian Khi đó lịch trình tái tạo tín hiệu được điều khiển theo các thuật toán điều khiển bộ đệm tái tạo thích ứng với tình trạng mạng IP

Các thuật toán hiện tại cho một số kết quả tối ưu nhất định trong việc thỏa hiệp giữa độ trễ và độ tổn thất gói tin nhằm đạt được chất lượng tín hiệu tại đầu thu tốt nhất Tuy nhiên, chất lượng của các thuật toán bộ đệm tái tạo hiện tại chỉ được xét trong một số tình trạng mạng xác định mà chưa quan tâm đến việc thích ứng tham

số nguồn với tình trạng mạng và kết hợp với đánh giá chất lượng tín hiệu phát thanh thu được theo thời gian thực

Việc đánh giá chất lượng tín hiệu phát thanh thu được có thể thông qua hệ số điểm đánh giá trung bình MOS (Mean Opinion Score) và được thực hiện bằng phương pháp đánh giá khách quan (Subjective Tests) hoặc đo đạc chủ quan (Objective Measurement Methods) Đối với phương thức đánh giá khách quan, giá trị MOS có thể nhận được thông qua khảo sát ý kiến người nghe về chất lượng của tín hiệu phát thanh thu được Phương thức này liên quan trực tiếp đến quan điểm của người đánh giá nhưng chi phí cao và đòi hỏi nhiều thời gian Phương pháp đo đạc chủ quan sử dụng các thuật toán nhằm đánh giá chất lượng tín hiệu phát thanh thu được qua mạng IP để xác định thông số đánh giá chất lượng Phương thức này có thể được chủ động tiến hành tại thời điểm bất kỳ và có thể lặp lại nhiều lần trong các khoảng thời gian khác nhau, không đòi hỏi chi phí tiến hành đánh giá như ở phương thức chủ quan Độ tin cậy của kết quả đánh giá khách quan phụ thuộc vào nhiều yếu tố

và khó kiểm soát như số lượng người đánh giá, điều kiện môi trường đánh giá, chất lượng thiết bị tái tạo và mang tính ổn định không cao Đồng thời đánh giá khách quan đòi hỏi nhiều thời gian cũng như chi phí tiến hành đánh giá Tuy nhiên, phương pháp này lại cho kết quả đánh giá gần với cảm nhận thực tế của con người

Do đó việc kết hợp đánh giá giữa các phương pháp chủ quan và các mô hình đánh giá khách quan cần được nghiên cứu áp dụng để đánh giá chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu

Hầu hết các nghiên cứu gần đây nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu tiếng nói/âm thanh truyền tải qua mạng IP theo thời gian thực đều tập trung vào giải quyết theo hai hướng: Thứ nhất là trên cơ sở dành sẵn tài nguyên mạng [34] Hướng này phụ thuộc vào quy hoạch mạng của nhà cung cấp dịch vụ Internet và khó kiểm soát Thứ hai là hướng xử lý tối ưu lịch trình tái tạo tín hiệu tại bộ đệm tái tạo như đã đề cập ở trên Hướng này có ưu điểm là được thực hiện tại đầu thu nên không phụ thuộc vào hạ tầng mạng và có thể xử lý thích ứng với các tham số mạng IP Tuy

nhiên, chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP phụ thuộc chặt chẽ vào các thông số nguồn và các tham số mạng Các thông số nguồn được thiết lập cố định không có khả năng thích ứng với tình trạng mạng thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian Do đó, vấn đề đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu sử dụng phương thức điều chỉnh thông số nguồn theo thời gian thực cần được quan tâm nghiên cứu và kiểm nghiệm qua thực tế

Từ tháng 8/2005, đài tiếng nói Việt Nam bắt đầu hỗ trợ khả năng nghe đài phát thanh qua mạng Ineternet Người dùng Internet sử dụng phần mềm real player để nghe đài tiếng nói việt nam qua mạng Internet Vấn đề đặt ra với phương thức phát thanh qua mạng Internet hiện tại là chưa có cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ, thực hiện theo phương thức truyền thông đơn hướng dẫn đến các hạn chế về chất lượng khi số lượng người dùng tăng cao, cũng như khó khăn trong trường hợp mở rộng dịch vụ Vấn đề làm chủ công nghệ để có thể tùy biến thành ứng dụng đặc thù cũng cần được quan tâm nghiên cứu Với Việt Nam, vấn đề đảm bảo chất lượng thời gian thực qua mạng IP là hướng nghiên cứu mới, hiện nay chưa có tài liệu liên quan cũng như chuẩn đánh giá chất lượng truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng

IP được công bố chính thức Đây cũng là hướng nghiên cứu mang tính chất cơ bản trong việc phát triển ứng dụng trong xu hướng phát triển của công nghệ thông tin đối với lĩnh vực phát thanh - truyền hình của Việt Nam

4 Hướng tiếp cận

Đề tài được tiếp cận theo hướng nghiên cứu các tham số mạng và kỹ thuật đảm bảo chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu Luận án tập trung nghiên cứu khái niệm

cơ bản, cấu trúc của hệ thống RoIP, các tham số chất lượng mạng và phương pháp

đo đạc chất lượng Trên cơ sở đó đề xuất mô hình mới nhằm đánh giá chất lượng tín hiệu tại đầu thu Kết hợp việc nghiên cứu đề xuất mô hình hệ thống theo cấu trúc giao thức và mô hình chức năng lý thuyết với việc xây dựng chương trình truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP trên nền hệ điều hành mã nguồn mở Linux và tiến hành thực nghiệm qua môi trường Internet

Thông qua mô hình toán học, đặc tính trễ và tổn thất gói tin truyền tải qua mạng Internet được mô hình hóa và ứng dụng trong việc xây dựng công cụ phỏng tạo tham số mạng Bên cạnh đó, các tham số mạng và nguồn lưu lượng thực tế được sử

dụng nhằm kiểm chứng phương pháp đảm bảo chất lượng truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua hệ thống RoIP đề xuất

5 Kết cấu của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, 03 chương và kết luận

Chương 1: Thảo luận những vấn đề cơ bản của truyền thông đa hướng qua mạng IP

và môi trường truy nhập vô tuyến WLAN theo chuẩn IEEE 802.11 Đề xuất mô hình hệ thống truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP trên phương diện mô hình lý thuyết, cấu trúc giao thức và mô hình triển khai thực nghiệm Chương 2: Xem xét chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP theo thông số nguồn và thông số mạng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu Luận án đề xuất mô hình và xây dựng công cụ phỏng tạo tham số QoS của mạng IP Mođun phỏng tạo được tích hợp trong thành phần cổng chuyển đổi giao thức iVoVGateway của hệ thống RoIP nhằm phỏng tạo ảnh hưởng của môi trường truyền tải tới tín hiệu tại đầu thu

Chương 3: Nghiên cứu vấn đề đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu theo hai khía cạnh: thứ nhất, các cơ chế tái tạo tín hiệu thu nhận tại đầu cuối thông qua bộ đệm tái tạo được nghiên cứu và tích hợp vào hệ thống RoIP Thứ hai, thông qua mô hình đánh giá chất lượng tín hiệu tại đầu thu sử dụng tỷ số năng lượng tín hiệu trên tạp âm phân đoạn, luận án đề xuất và thực hiện phương pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP sử dụng cơ chế thích ứng tham

số nguồn với tình trạng mạng theo thời gian thực đã đề xuất

Cuối cùng là kết luận, hướng nghiên cứu tiếp theo và các phụ lục của luận án

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG ĐA HƯỚNG

VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG RoIP

1.1 Các phương thức truyền thông qua Internet

Trong một thời gian ngắn, các dịch vụ truyền tải thời gian thực qua Internet đã phát

triển nhanh chóng nhằm đáp ứng các nhu cầu trao đổi thông tin từ phạm vi hẹp như

giữa các văn phòng đến phạm vi rộng như phục vụ các cuộc hội nghị thời gian thực

đa điểm Một đặc điểm nổi bật trong xu hướng phát triển các dịch vụ thời gian thực

là mở rộng truy nhập vô tuyến tới người dùng và hợp nhất mạng viễn thông sử

dụng các công nghệ khác nhau như thể hiện trên hình 1.1

Hình 1 1: Mô hình mạng tích hợp phân cấp hỗn hợp trên nền IP

Về tổng quát, truyền thông qua Internet được chia thành 3 phương thức sau [51]:

- Phương thức truyền thông đơn hướng (unicast) thể hiện trên hình 1.2: Các gói tin

được truyền tải từ một nguồn gửi đến một đích thu xác định (điểm-đến-điểm) Đây

là mô hình truyền thông đơn giản đơn nhưng khó đảm bảo chất lượng dịch vụ khi

số người dùng tăng lên Khi số lượng người dùng lớn, số lượng kết nối đơn hướng

cũng tăng lên tương ứng gây kéo theo tải lưu lượng mạng tăng do yêu cầu băng

thông đường truyền tăng với cùng một nội dung thông tin trên cùng tuyến liên kết

dẫn đến tình trạng tắc nghẽn mạng Bên cạnh đó, tải xử lý của máy chủ cũng tăng lên do phải xử lý nhiều yêu cầu kết nối và có thể dẫn đến quá tải máy chủ

Hình 1 2: Mô hình truyền tin đơn hướng

- Phương thức truyền thông quảng bá (broadcast) thể hiện trên hình 1.3: Các gói tin được truyền tải từ một nguồn gửi đến tất cả các máy trạm trong mạng (điểm-đến-tất cả) Các gói tin quảng bá được xử lý bởi tất cả các máy trạm trong mạng, thậm chí cả trong trường hợp máy trạm không quan tâm đến dữ liệu đó Điều này dẫn đến tải lưu lượng vô ích với một số máy trạm và khó khăn trong vấn đề bảo mật thông tin Phương thức này giới hạn phạm vi hoạt động trong mạng LAN

Hình 1 3: Mô hình truyền tin quảng bá

- Phương thức truyền thông đa hướng (multicast) thể hiện trên hình 1.4: Các gói tin được truyền tải từ một nguồn gửi đến một nhóm các máy trạm xác định (điểm-đến-nhóm) Phương thức này phụ thuộc vào hạ tầng mạng chuyển tiếp gói tin Đây là

mô hình truyền thông tận dụng được các ưu điểm và hạn chế các nhược điểm của unicast và broadcast Đối lập với truyền thông đơn hướng, phương thức này giúp giảm lưu lượng mạng và tải xử lý của nguồn phát Và khác với truyền thông quảng

bá, phương thức truyền thông đa hướng có thể được triển khải trên diện rộng và qua mạng Internet

Hình 1 4: Mô hình truyền tin đa hướng

1.2 Truyền thông đa hướng qua mạng IP

Kỹ thuật truyền thông đa hướng (multicast communication) qua mạng IP lần đầu tiên được đề cập và hoạt động trên nền một hệ điều hành mạng phân bố với mục tiêu khi đó là thiết lập các cơ cấu giao thức cho phép truyền tải dữ liệu đa hướng giữa các phân mạng IP và cho phép luồng dữ liệu lưu chuyển qua các bộ định tuyến

IP thuộc các thiết bị mạng lớp 3 cũng như phân bổ địa chỉ multicast và ánh xạ tới địa chỉ MAC của các thiết bị trong mạng Ethernet [13] Bản khuyến nghị RFC

1112 [42] quy định giao thức chuẩn Internet mới để xây dựng các ứng dụng truyền thông đa hướng trên Internet Về cơ bản, chuẩn này đưa ra mô hình mạng MBONE

đi kèm với giao thức ấn định địa chỉ IP đa hướng lớp D và một số giao thức khác

hỗ trợ thực hiện các ứng dụng trên nền multicast

Hình 1 5: Tiến trình phát triển của MBONE

Ứng dụng đầu tiên của multicast là truyền âm thanh và tiếng nói phục vụ hội thảo

từ xa giữa trụ sở của IETF và các thành viên cũng như các cộng tác viên của họ trên toàn thế giới Các ưu điểm của của truyền thông đa hướng đã thu hút được sự quan tâm trong cả nghiên cứu và ứng dụng Số lượng thành viên tham gia các cuộc hội thảo trên mạng ngày càng lớn kéo theo sự phát triển ngày càng nhanh của multicast Minh chứng cho sự phát triển nhanh chóng là sự mở rộng không ngừng của MBONE trên phạm vi toàn cầu với tiến trình phát triển thể hiện trên hình 1.2

1.2.1 Khái niệm

Truyền thông đa hướng là phương thức truyền dữ liệu đồng thời từ một máy trạm đến một nhóm máy trạm ( nhóm multicast ) hoặc từ một nhóm máy trạm này đến một nhóm máy trạm khác Bên nhận sẽ xử lý dữ liệu nhận được sau đó gửi thông tin phản hồi đến các thành viên trong nhóm multicast Một nhóm multicast được tạo bởi một tập hợp các thành viên có chung một địa chỉ nhóm multicast hay địa chỉ

IP multicast

1.2.2 Đặc điểm

- Multicast sử dụng băng thông mạng một cách hiệu quả thông qua việc gửi cùng một gói tin đến nhiều đích thay vì chỉ đến một đích như trong truyền thông đơn hướng unicast Vì thế nếu một luồng tín hiệu âm thanh tốc độ 64 kbps sẽ sử dụng cùng một băng thông mà không quan tâm đến việc số lượng máy trạm nhận yêu cầu kết nối đến máy chủ