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 Mã số: 2.07.02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. PHẠM MINH HÀ Hà Nội - 2006 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 d ưỡng 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 Kh ương, 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 họ c 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 Trọ ng 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 luậ n 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 ch ủ 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 Từ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt ACR Absolute Category Rating Đánh giá phân loại tuyệt đối ADPCM Adaptive Diffirential PCM Điều xung mã vi sai thích ứng AN Access Network Mạng truy nhập AP Access Point Điểm truy nhập vô tuyến ATR Audio Tape Recorder Máy ghi băng âm thanh BSA Basic Service Area Vùng dịch vụ cơ bản BSA Basic Service Area Vùng dịch vụ cơ bản BSS Infrastructure Basic Service Set Cấu hình mạng phụ thuộc CODEC Coder / Decoder Bộ mã hóa / giải mã DAT Digital Audio Tape Băng âm thanh số 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 DMOS Degradation MOS Điểm đánh giá suy giảm chất lượng DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số DSSS Direct Sequence Spectrum Spread Trải phổ dãy trực tiếp eRTP enhanced RTP packet Gói RTP cải tiến ESS Extended Service Set Vùng dịch vụ mở rộng FCC Frequency Commission Tổ chức quản lý tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước FHSS Frequency Hoping Spectrum Spread Trải phổ nhảy tần 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 IP Internet Protocol Giao thức mạng Internet IPv4 Internet Protocol version 4 Giao thức IP phiên bản 4 ITU International Telecommunication Union Tổ chức viễn thông quốc tế 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 Receiver Máy thu tín hiệu phát thanh qua mạng IP iVoVStation internet Voice of VietNam Station Máy chủ phát thanh qua mạng IP LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết dữ liệu logic LPC Linear Predictive Encoding Mã hoá dự đoán tuyến tính LPC Linear Predictive Coding Mã hóa dự đoán tuyến tính LR Loss Rate Tỷ lệ tổn thất MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện truyền thông MBONE Multicast BackBone Mạng đường trục hỗ trợ multicast MCR Master Control Room Phòng tổng khống chế MOS Mean Opinion Score Điểm đánh giá chất lượng MRouter Multicast Router Bộ định tuyến hỗ trợ multicast OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh đa sóng mang 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 PCM Pulse Code Modulation Điều xung mã PESQ Perceptual Evaluation of Speech Quality Đánh giá cảm nhận chất lượng tiếng nói PLC Packet Loss Concealment Bù tổn thất gói tin POW Poor or Worse Thông số đánh giá độ chất lượng tồi PQoS Perceived Quality of Service Chất lượng dịch vụ thu nhận PSQM Perceptual Speech Quality Measurement Đo đạc chất lượng tiếng nói cảm nhận QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RECAD Radio source total Eneregy Calculation and Activity Detection Tính toán tổng năng lượng tín hiệu phát thanh nguồn và phát hiện khoảng tích cực tín hiệu RFC Request For Comment Khuyến nghị RoIP Radio over IP Truyền tải tín hiệu mang tin tức phát thanh qua mạng IP RTCP RTP Control Protocol Giao thức điều khiển thời gian thực RTP Real Time Transport Protocol Giao thức truyền tải thời gian thực 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 STA Station Máy trạm di động TCP Transmission Control Protocol 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 TTL Time To Live Thời gian sống của gói tin UDP User Datagram Protocol Giao thức điều khiển truyền thông không hướng kết nối qua mạng IP UHF Untra High Frequency Tần số siêu cao URouter Unicast Router Bộ định tuyến hỗ trợ truyền thông đơn hướng VLAN Virtual LAN Mạng LAN ảo VoIP Voice over IP Truyền thoại sử dụng giao thức IP WLAN Wireless Local Area Network Mạng máy tính cục bộ không dây [...]... 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... 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. .. 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... 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... 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... 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... 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. .. 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. .. 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... dụng thời gian thực trên mạng Internet - Cấu trúc của mạng multicast có thể được xây dựng thành các ốc đảo giao tiếp với nhau qua bộ định tuyến hỗ trợ truyền thông đa hướng - mrouter Các ốc đảo này liên kết với nhau bằng những liên kết ảo điểm - điểm 1.2.3 Nguyên lý truyền thông đa hướng qua mạng IP Cấu trúc hệ thống truyền thông đa hướng được thể hiện trên hình 1.6 Tham gia phiên truyền thông đa hướng . 802 .11 .................................... .19 1. 3 .1 Phổ tần số vô tuyến..................................................................... .19 1. 3.2. Multicast......................................... 15 Hình 1. 11 : Địa chỉ IP Multicast.......................................................................... 17 Hình 1. 12 : Cấu trúc