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

 GIÁO DC VÀ ÀO TO TRNG I HC BÁCH KHOA HÀ NI ˜™–— µ –—˜™  TRNG TUN T PHNG PHÁP M BO CHT LNG CHO DCH V TRUYN THÔNG A HNG THI GIAN THC QUA MNG IP Chuyên ngành: Thông tin vô tuyn, phát thanh và vô tuyn truyn hình Mã s: 2.07.02 TÓM TT LUN ÁN TIN S K THUT HÀ NI - 2006 - 1 - U 1. Tính cp thit ca  tài Cùng vi s phát trin ca công ngh thông tin - vin thông, c bit là s gia ng nhanh chóng ca Internet c v h tng mng và nhu cu phát trin các dch v mi nh mua sm trc tuyn, gii trí qua mng . . . công ngh phát thanh cng có nhng chuyn bin theo xu hng hình thành mt phng thc truyn ti mi, ly Internet làm công c qung bá tín hiu phát thanh ti bn nghe ài. Hin nay, phng thc truyn thông a hng (multicast) ang c tp trung nghiên cu kt hp vi giao thc truyn i thi gian thc RTP / RTCP (Real-time Transport Protocol / Real-time Control Protocol) nhm hình thành các mô hình truyn ti dch v thi gian thc trên nn giao thc IP, qua ó hn ch nhc m ca truyn thông n hng cng nhc tính không m bo cht lng dch v ca môi trng Internet hin ti. T tháng 8/2005, ài ting nói Vit Nam bt u h tr kh nng nghe ài phát thanh qua mng Internet. Vn t ra vi phng thc phát thanh qua mng Internet hin ti là cha có c chm o cht lng dch v và ang thc hin theo phng thc truyn thông n hng dn n các hn ch v cht lng khi s lng ngi dùng tng cao, cng nh khó khn trong trng hp m rng dch v. Bên cnh ó, vn  làm ch công ngh có th tùy bin thành ng dng c thù cng cn c quan tâm nghiên cu. 2. i tng, mc ích, phm vi và phng pháp nghiên cu ca lun án. 2.1 i tng và mc ích nghiên cu i tng nghiên cu ca lun án là mô hình h thng truyn ti tín hiu phát thanh thi gian thc qua mng IP - RoIP (Radio over IP networks) và phng pháp m o cht lng tín hiu ti u thu theo thi gian thc. Trên c só, lun án  xut và thc hin phng pháp m bo cht lng dch v RoIP s dng c ch u khin tham s ngun thích ng vi tình trng mng nhm m bo cht lng tín hiu ti u thu và áp dng vi h thng RoIP. 2.2 Phm vi nghiên cu Lun án tp trung nghiên cu  xut và xây dng mô hình h thng RoIP trên hai phng din kt hp truyn thông n hng (unicast) vi truyn thông a hng và kt p môi trng truyn ti hu tuyn vi truy nhp vô tuyn theo chun IEEE 802.11. Nghiên cu áp dng các thut toán u khin lch trình bm tái to thích ng và  xut phng pháp m bo cht lng tín hiu phát thanh truyn ti qua mng IP ti u thu. - 2 - 2. Phng pháp nghiên cu Lun án s dng phng pháp mô hình hóa h thng thông qua công c toán hc và mô hình cu trúc giao thc. Kt hp phng pháp phng to tham s mng IP và phng pháp o c thông s qua mô hình thc nghim c xây dng trên nn hu hành mã ngun m Linux. 3. Ý ngha khoa hc và thc tin ca lun án Lun án ã  xut và xây dng mt mô hình mi có c s khoa hc nhm s ng mng IP làm môi trng truyn ti tín hiu phát thanh. Cùng vi phng pháp m o cht lng tín hiu ti u thu, mô hình h thng RoIP có thc trin khai áp ng vào thc t nhm a dng hóa các loi hình truyn ti tín hiu phát thanh cng nh ch v gia tng qua Internet. 4. Kt cu ca lun án Lun án gm phn mu, 03 chng và kt lun. Chng 1: Tho lun nhng vn  c bn ca truyn thông a hng qua mng IP và môi trng truy nhp vô tuyn WLAN theo chun IEEE 802.11.  xut mô hình  thng truyn ti tín hiu phát thanh thi gian thc qua mng IP trên phng din mô hình lý thuyt, cu trúc giao thc và mô hình trin khai thc nghim. Chng 2: Xem xét cht lng dch v truyn ti tín hiu phát thanh thi gian thc qua mng IP theo thông s ngun và thông s mng nh hng n cht lng tín hiu phát thanh ti u thu. Lun án  xut mô hình và công c phng to tham s QoS a mng IP. Công c phng to c xây dng tích hp trong thành phn cng chuyn i giao thc iVoVGateway ca h thng RoIP nhm thc hin nh hng ca môi trng truyn ti ti tín hiu ti u thu. Chng 3: Nghiên cu vn m bo cht lng tín hiu ti u thu theo hai khía cnh: th nht, các c ch tái to tín hiu thu nhn ti u cui thông qua bm tái o c nghiên cu và tích hp vào h thng RoIP. Th hai, thông qua mô hình ánh giá cht lng tín hiu ti u thu s dng t s tín hiu trên tp âm phân n, lun án  xut và thc hin c chm bo cht lng dch v truyn ti tín hiu phát thanh qua mng IP thông qua c ch thích ng tham s ngun vi tình trng mng theo thi gian thc. Cui cùng là kt lun, hng nghiên cu tip theo và các ph lc ca lun án. - 3 - CHNG 1: TNG QUAN V TRUYN THÔNG A HNG VÀ MÔ HÌNH H THNG RoIP 1.1 Truyn thông a hng qua mng IP  tng quát, truyn thông qua Internet c chia thành 3 phng thc sau [51]: - Phng thc truyn thông n hng - unicast : Các gói tin c truyn ti t t ngun gi n mt ích thu xác nh (m-n-m). ây là mô hình truyn thông n gin nhng khó m bo cht lng dch v khi s ngi dùng tng lên. Khi s ng ngi dùng ln, s lng kt ni n hng cng tng lên tng ng, kéo theo ti u lng mng tng do yêu cu bng thông ng truyn tng vi cùng mt ni dung thông tin trên cùng tuyn liên kt, dn n tình trng tc nghn mng. Bên cnh ó, ti  lý ca máy ch cng tng lên do phi x lý nhiu yêu cu kt ni và có th dn n quá ti máy ch. Tuy có nhiu hn ch nhng do tính lch s, phng thc truyn thông n hng hin vn ang c s dng ph bin trên mng IP trong ó bao hàm c dch  truyn ti tín hiu phát thanh qua Internet. - Phng thc truyn thông qung bá - broadcast: Các gói tin c truyn ti t t ngun gi n tt c các máy trm trong mng (m-n-tt c). Các gói tin qung bá c x lý bi tt c các máy trm trong mng, thm chí c trong trng hp máy trm không quan tâm n d liu ó. u này dn n ti lu lng vô ích vi mt s máy trm và khó khn trong vn  bo mt thông tin. - Phng thc truyn thông a hng - multicast: Các gói tin c truyn ti t t ngun gi n mt nhóm các máy trm xác nh (m-n-nhóm). Phng thc này ph thuc vào h tng mng chuyn tip gói tin. i kh nng trin khi trên din rng và qua mng Internet, tn dng c các u m và hn ch các nhc m ca unicast và broadcast nh giúp gim lu lng ng và ti x lý ca ngun phát, phng thc truyn thông a hng ang c quan tâm nghiên cu và áp dng vi các h thng truyn ti dch v thi gian thc. Trên s s ó, lun án tp trung nghiên cu và ng dng mng truy nhp s dng phng thc truyn thông a hng trong h thng RoIP. 1.2 Nguyên lý truyn thông a hng qua mng IP Các mng truyn thông a hng có th c xây dng thành các c o multicast và liên kt vi nhau thông qua c chng hm. ng hm là c ch cho phép chuyn các gói d liu multicast t các bnh tuyn h tr truyn thông a hng MRouter (Multicast Router) ngun n MRouter ích thông qua các bnh tuyn n ng URouter (Unicast Router). Vic óng gói theo c chng hm thc hin b sung thêm phn tiêu  IP mi vi a chích là a ch IP n hng ca MRouter  - 4 - u bên kia ca ng hm và a ch ngun là a ch IP n hng ca MRrouter ang i gói tin ó. Nh th hin trên hình 1.1, MRouter R2 mun gi mt gói tin IP a ng ti MRouter R5. Trc ht, R2 sóng v gói tin (chuyn t gói IP a hng thành gói IP n hng) ri chuyn tip ti URouter R3. Gói a hng này si theo tuyn R3-R7-R8-R5. Nh vy, theo c chng hm, vi MRouter R5 thì gói tin này c x lý vi a ch ngun n t R2. Hình 1.1: C chng hm liên kt các MRouter 1.3 Các cu hình mng truy nhp vô tuyn theo chun WLAN 802.11 u hình truy nhp c bn ca mt mng WLAN theo chun IEEE 802.11 bao m mt nhóm các trm c kt ni vi nhau trong vùng dch v c bn, c xác nh i c tính truyn dn ca môi trng vô tuyn. Mt trm trong min dch v c bn có th kt ni vi các trm khác trong cùng BSS (Basic Service Set) hoc BSS khác. Cu hình mng WLAN c chia thành 2 loi nh th hin trong hình 1.2. u hình mng WLAN c lp - IBSS (Independent BSS) t mng BSS c lp (IBSS) c th hin  hình 1.2a. Các trm trong IBSS t ni trc tip vi nhau và do ó cn phi nm trong phm vi kt ni trc tip. Mng 802.11 ti thiu là mng IBSS ch bao gm 2 trm. u hình mng WLAN ph thuc - BSS (Infrastructure BSS) u hình mng WLAN 802.11 ph thuc s dng m truy nhp AP (Access Point) nh th hin  hình 1.2b. Cu hình này có hai u m chính là: Mt BSS c xác nh bi khong cách ti AP và các máy trm.  có th tin hành liên lc, tt c các trm di ng phi tha mãn yêu cu nm trong phm vi liên lc - 5 - i m truy nhp AP, nhng không có s hn ch nào v khong cách gia bn thân các trm di ng. - Các AP trong mng BSS có kh nng tr giúp các máy trm trong vic bo v ngun. AP s tin hành m các khung d liu khi máy trm yêu cu ch bo v ngun và các máy trm hot ng bng pin có th ngng vic thu và cp ngun cho n khi các khung d liu m t AP c truyn i. Hình 1.2: Các cu hình mng WLAN theo chun IEEE 802.11 i các u m trên, mng truy nhp WLAN theo chun IEEE 802.11 có cu hình ph thuc c s dng làm môi trng các máy trm truy nhp vào h thng RoIP. 1.4 Mô hình h thng RoIP 1.4.1 Khái nim  thng RoIP (Radio over IP networks ) là h thng s dng mng IP làm phng tin truyn ti tín hiu mang tin tc phát thanh theo thi gian thc. Thut ng “Radio” s dng trong lun án vi ý ngha “tín hiu phát thanh” c hiu là tín hiu mang tin tc phát thanh qua mng IP và c x lý nh mt dng s liu truyn ti qua ng IP chu ràng buc v tính áp ng thi gian thc - yu t quan trng liên quan n cht lng tín hiu tái to ti u thu. 1.4.2 Mô hình h thng RoIP  xut  thng RoIP c  xut và xây dng t quan m áp dng mô hình truyn ti ting nói/âm thanh [8][19][20] và mô hình truyn thông a hng qua mng IP [12][13][51]. H thng truyn ti tín hiu phát thanh t ngun Tx n ích Rx qua mng IP cn thc hin các chc nng sau: a . Cu hình mng c lp - BSS b. Cu hình mng ph thuc - IBSS - 6 - Mã hóa / gii mã và to / m gói  truyn ti tín hiu phát thanh tng t qua mng IP, trc ht phi s hóa và mã hóa tín hiu. Quá trình chuyn i c thc hin bi các b mã hóa và gii mã trong tin trình ngc li. Khi to gói là c cu c thit k sau khi mã hóa thc hin chc ng óng gói s liu âm thanh ã mã hóa theo chun giao thc RTP/UDP/IP và tách gói trong quá trình ngc li. m d liu phát và m d liu tái to Trong h thng RoIP, các gói tin mang tín hiu phát thanh  phía phát c lu gi ti bm phát trc khi truyn vào mng IP. Bm này có tác dng m bo tc  ngun phát n nh di su khin ca b to lch trình phát d liu. Tín hiu c tái to ti phía thu áp ng tính thi gian thc theo th t to ra bên phát. Chc nng c bn ca bm tái to là thu các gói tin t mng, lu gi và chuyn tip gói tin theo lch trình tái to do c cu u khin a ra. Lch trình tái to có th thc hin theo phng thc c nh hoc thích vi s thay i ca tình trng mng. Phng thc to lch trình cnh n gin nhng có tr gói tin ti bm tái to không i và không cho phép áp ng s thay i ca tr mng. Phng thc to lch trình thích ng c a ra  gii quyt các hn ch trên và c u khin bi các thut toán u khin bm tái to tng ng  tn dng khong lng (silence time) gia các khong tín hiu phát thanh tích cc (talkspurt) nhm thay i thi gian tái to trong i khong tín hiu phát thanh tích cc. Phát hin khong tín hiu tích cc / khong lng Tín hiu phát thanh bao gm khong tín hiu tích cc và khong lng c phân bit bi ngng nng lng ca tín hiu ngun. Chc nng phát hin khong tín hiu tích cc và khong lng c thc hin ti khâu x lý ngun  bên phát nhm cho phép u chnh lch trình tái to theo khong tín hiu tích cc và tit kim bng thông ng truyn. Bù tn tht gói tin  cu bù tn tht gói tin PLC (Packet Loss Colcealment) c s dng m o cht lng tín hiu phát thanh tái to do các gói tin tn tht. C cu PLC c thc hin ti u thu nhm thay th các gói tin ã b tn tht thông qua vic chèn nhiu nn, khong lng hoc các gói tin trc ó. Trên c s các chc nng trên, lun án  mô hình lý thuyt (hình 1.3), xut mô hình cu trúc giao thc (hình 1.4) và mô hình trin khai thc nghim (hình 1.5) ca h thng RoIP. Tín hiu phát thanh ngun t bên phát (iVoVStation) theo kt ni n - 7 - ng ti cng chuyn i giao thc (iVoVGateway) c truyn ti qua mng truy nhp a hng ti u thu (iVoVReceiver). Các thành phn trong mô hình lý thuyt c thc hin ti máy ch RoIP, các máy trm và cng chuyn i giao thc. Thành phn iVoVGateway thc hin chc nng chuyn i giao thc n hng sang giao thc a hng và giao tip gia mng hu tuyn và mng truy nhp WLAN IEEE 802.11. Bên cnh ó,  phc v vic ánh giá nh hng ca mng khi không có u kin trin khai h thng trên môi trng thc t (hình 1.5), chc nng phng to tham s QoS ca ng IP có thc tích hp iVoVGateway và c  cp trong chng 2. H thng RoIP  xut c kim chng bng thc nghim ti chng 3. Hình 1.3: Mô hình lý thuyt h thng RoIP  xut Hình 1.4: Cu trúc giao thc h thng RoIP  xut. - 8 - Hình 1.5: Mô hình trin khai thc nghim h thng RoIP  xut 1.5 Kt lun chng 1 Vic kt hp truyn thông a hng vi môi trng mng truy nhp WLAN hình thành mt phng thc truy nhp ngun tín hiu phát thanh mi va tn dng bng thông ng truyn, d dàng qun lý thông qua a ch nhóm multicast cng nh tn ng h tng mng Internet sn có và các m truy nhp Wi-Fi ang ngày c m ng. H thng RoIP có th mang li các u m ni bt nh hiu sut s dng h thng cao nh vic tn dng h tng mng IP hin có, tit kim bng thông và h tr các ng ng a m. Tuy nhiên, do c tính ca các mng IP, vic trin khai h thng RoIP phi i mt vi mt s thách thc, c bit v khía cnh cht lng dch v QoS. Vic nghiên cu các c cu và phng thc u khin thích ng vi tình trng mng có ý ngha quan trng trong vic m bo cht lng ca h thng RoIP. CHNG 2: PHNG TO THAM S CHT LNG CA TÍN HIU PHÁT THANH KHI TRUYN TI QUA MNG IP 2.1 Các tham s cht lng mng 2.1.1 Gii thiu Cht lng tín hiu phát thanh truyn ti qua mng IP s bnh hng và suy gim do tác ng ca các yu t mng. Các yu t mng bao gm t l tn tht gói tin, tr mng và bin ng tr mng là các tham s chính tác ng n cht lng dch v a tín hiu ti u thu PQoS (Perceived Quality of Service). Mi quan h gia các yu  này c th hin trên hình 2.1 - 9 - Hình 2. 1: Mi quan h gia các yu tnh hng n QoS [36] 2.1.2 Tn tht gói tin n tht gói tin là mt trong nhng nguyên nhân chính gây nh hng n cht ng ting nói truyn ti qua mng IP. Tn tht gói tin có th xy ra do hy gói tin trong ng IP ( tn tht mng ) hoc loi b gói tin do b giao tip mng hoc bm tái to i u thu nh th hin trong hình 2.1. 2.1.2.1 Mô hình tn tht Bernoulli Trong mô hình tn tht Bernoulli [39][45], tn tht ca mi gói tin là c lp vi nhau c tính không nh) cho dù gói tin k trc b tn tht hoc không tn tht. Trong trng hp này, ch tn ti mt tham s là t l tn tht gói tin trung bình tng ng vi  gói tin b tn tht chia cho tng s gói tin c truyn ti trong lung d liu. 2.1.2.2 Mô hình Gilbert 2 trng thái u ht các nghiên cu gn ây v truyn i ting nói qua mng IP u s dng mô hình Gilbert  th hin c tính tn tht gói tin [39][45][46]. Trong mô hình Gilbert 2 trng thái, n ti trng thái 0 (gói tin không b tn tht) và trng thái 1 (gói tin b tn tht) nh th hin trên hình 2.2. Trong ó p là xác xut gói tin b tn tht khi nhn c gói tin k trc và q là xác xut gói tin nhn b tn tht khi gói tin k trc ã b tn tht. Bên cnh ó, mô hình Bernoulli cng thng c s dng và chính là mt trng hp c th ca mô hình Gilbert 2 trng thái khi p = q. Hình 2. 2: Mô hình Gilbert 2 trng thái [...]... th i gian th c qua m ng IP K t lu n ã c ki m nghi m qua th c t 2 xu t và th c hi n ph ng pháp u ch nh thông s ngu n thích ng v i tình tr ng m ng trên c s thu t toán ánh giá ch t l ng tín hi u t i u thu qua t s SSNR m b o ch t l ng tín hi u phát thanh truy n t i qua m ng IP theo th i gian th c 3 xu t và ã xây d ng công c ph ng t o tham s m ng IP h tr truy n thông a h ng/ n h ng l p ng d ng Công c cho. .. u này cho phép ánh giá sai l ch tín hi u ích so v i tín hi u ngu n m t cách chính xác ng th i cho phép kh n ng tính toán và u khi n tr c tuy n theo th i gian th c 3.4 xu t ph ng pháp m b o ch t l ng truy n i tín hi u phát thanh qua ng IP Hình 3.2: Mô hình thi t l p thông s ngu n - 19 3.4.1 tv n u h t các nghiên c u g n ây nh m m b o ch t l ng tín hi u ti ng nói/âm thanh truy n t i qua m ng IP theo... bi n tr (spikedet) c áp d ng trong h th ng RoIP nh m m b o ch t l ng tín hi u t i u thu thông qua b m tái t o 3.3 ánh giá ch t l 3.3.1 Ph ng tín hi u t i ng pháp ánh giá ch t l u thu ng ch quan i v i ph ng pháp ánh giá ch quan, tín hi u tái t o t i u cu i c ánh giá b i m t t p h p ng i nghe và cho ý ki n theo thang m xác nh tin c y c a t qu ánh giá khách quan ph thu c vào nhi u y u t và khó ki m soát,... và xây ng có tác d ng h tr h u ích cho vi c theo dõi và o c ph c v nghiên c u ch t ng c a d ch v th i gian th c qua m ng IP - 15 CH NG 3: M B O CH T L NG TÍN HI U T I U THU TRUY N I QUA M NG IP THEO TH I GIAN TH C 3.1 V n tái t o tín hi u phát thanh t i u thu i u thu tín hi u phát thanh qua m ng IP, b m tái t o có th th c hi n theo hai ph ng th c t o l ch trình c nh ho c thích ng Tuy nhiên, b m tái... lu n án 3.4 K t lu n ch ng 3 Vi c k t h p ph ng pháp ch quan và các mô hình ánh giá khách quan c n c áp d ng ánh giá ch t l ng tín hi u t i u thu Trong ch ng này, thu t toán và mô hình th c hi n ánh giá ch t l ng theo th i gian th c thông qua t s tín hi u trên t p âm phân n SSNR c xu t C n c vào thu t toán ánh giá ch t l ng theo th i gian th c, gi i pháp m b o ch t l ng d ch v s d ng c ch u khi n tham... áp d ng cho h th ng RoIP K t qu th c nghi m cho tín hi u thu t t theo c u hình k t n i gi a i h c Bách Khoa Hà N i và i h c Ryukyu - Okinawa, Nh t B n - 24 T LU N C A LU N ÁN h n ch v ch t l ng d ch v c a các m ng IP hi n nay là thách th c ch y u cho các ng d ng thông tin a ph ng ti n th i gian th c Tr m ng, t n th t gói và bi n ng tr m ng là các y u t chính gây nh h ng n ch t l ng truy n thông Các... tính n nh không cao ng th i ánh giá khách quan òi h i nhi u th i gian c ng nh chi phí ti n hành ánh giá Tuy nhiên, ph ng pháp này l i cho k t qu ánh giá g n v i c m nh n th c t c a con ng i Do ó vi c k t h p ánh giá gi a các ph ng pháp ch quan và các mô hình ánh giá khách quan c n c c áp d ng ánh giá ch t l ng tín hi u t i u thu 3.3.2 xu t ph ánh giá ch t l ng pháp ánh giá ch t l ng theo t s SSNR ng... u th ng kê qua th c nghi m t tr c V i ph ng th c tr c tuy n, kh i ph ng t o m ng c cung p tr c tuy n thông tin v tr m ng và tình tr ng t n th t c a gói tin t b t o thông nh th hi n trong hình 2.5a - 12 - a Ph ng th c tr c tuy n b Ph ng th c không tr c tuy n Hình 2.5: Ki n trúc mô hình ph ng t o tham s m ng QoS qua m ng IP 2.3.2 Ph ng t o tham s m ng IP a h ng Khác v i mô hình ph ng t o cho truy n... ngu n bao g m các thông s chuy n i ngu n tín hi u t ng t sang s và thông s dài gói tin Trên c s ó, lu n án t p trung nghiên c u v n thích ng ngu n v i tình tr ng m ng nh m m b o ch t l ng tín hi u t i u thu 3.4.2 Thi t l p thông s ngu n p thông s ngu n c a h th ng RoIP bao g m: fs: t n s l y m u, w: s bit mã hóa cho m t m u, ch: s kênh, sz: dài gói tin, k: h s phát p gói tin Các thông s ngu n [ fs,... t i phía phát xác nh và c u khi n b i b o l ch trình phát c n c vào s li u nh n t kh i u khi n thông s ngu n ng - 20 3.4.2 m b o ch t l tr ng m ng IP ng t i u thu thông qua c ch thích ng ngu n v i tình Xét v ph ng di n d ch v th i gian th c, các ph liên quan n tín hi u tham chi u s không thích h p áp d ng cho ánh giá và u khi n tr c tuy n Vi c ánh giá theo t s SNR truy n th ng không ch b ràng bu c vào . trc tuyn. Hình 2. 9: Tín hiu thu khi xy ra rn tht gói tin Khong lng - 14 - 0 5 10 15 20 25 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37. trng hp c th ca mô hình Gilbert 2 trng thái khi p = q. Hình 2. 2: Mô hình Gilbert 2 trng thái - 10 - 2. 1.3 Tr mng Tr và bin ng tr (jitter)