Các giải pháp đảm bảo chất lượng trải nghiệm (qoe) trong mạng p2p TV

ĐINH NHO THUẦN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Đinh Nho Thuần KỸ THUẬT ĐIỆN TƯ VIỄN THÔNG CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM DỊCH VỤ (QoE) TRONG MẠNG P2P-TV LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG KHOÁ 2010-2012 Hà Nội – Năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Đinh Nho Thuần CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM DỊCH VỤ (QoE) TRONG MẠNG P2P-TV Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử viễn thông LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS TS NGUYỄN HỮU THANH Hà Nội – Năm 2012 LÝ LỊCH KHOA HỌC (Dùng cho học viên cao học) I Sơ lược lý lịch: ảnh 4x6 Họ tên: Đinh Nho Thuần Sinh ngày: 10 tháng 08 năm 1978 Giới tính: Nam Nơi sinh (Tỉnh mới): Nghệ An Quê quán: xã Phúc Trạch huyện Hương Khê tỉnh Hà Tĩnh Chức vụ: Phó giám đốc Trung Tâm Đơn vị công tác: Trung tâm viễn thông Quỳnh Lưu – VNPT Nghệ An Chỗ riêng địa liên lạc: TTVT Quỳnh Lưu Khối TT Cầu Giát – Quỳnh Lưu – Nghệ An Điện thoại CQ: 0383.864989 Điện thoại NR: 0383.655198 Điện thoại di động: 0912334777 Fax: 0383.864989 E-mail: thuandn.nan@vnpt.vn II Quá trình đào tạo: Trung học chuyên nghiệp (hoặc cao đẳng): - Hệ đào tạo(Chính quy, chức, chuyên tu) ….… Thời gian đào tạo: từ / đến …… - Trường đào tạo …… ……………… - Ngành học: ………… Bằng tốt nghiệp đạt loại … Đại học: - Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: từ năm 1996 đến năm 2001 - Trường đào tạo: Đại học Bách Khoa Hà Nội - Ngành học: Điện tử viễn thông Bằng tốt nghiệp đạt loại: Khá Thạc sĩ: - Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: từ tháng 04 năm 2010 đến tháng 04 năm 2012 - Chuyên ngành học: Kỹ thuật điện tử viễn thông - Tên luận văn: Các giải pháp đảm bảo chất lượng trải nghiệm dịch vụ (QoE) mạng P2P-TV - Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh Trình độ ngoại ngữ (Biết ngoại ngữ gì, mức độ nào): Tiếng Anh – TOEFL-457 điểm III Quá trình công tác chuyên môn kể từ tốt nghiệp đại học: Thời gian Từ năm 2001 đến Nơi công tác TTVT Quỳnh Lưu – VNPT Nghệ An Công việc đảm nhận Phó giám đốc trung tâm IV Các công trình khoa học công bố: Tôi cam đoan nội dung viết thật Ngày tháng năm 2012 NGƯỜI KHAI KÝ TÊN Đinh Nho Thuần Lời cam đoan Em xin cam đoan nội dung đồ án không chép đồ án hay công trình nghiên cứu có từ trước Nếu vi phạm em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 8-2-2012 Học viên Đinh Nho Thuần MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Lời cam đoan Mục lục DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ PHẦN MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, CẤU TRÚC MẠNG VÀ NHỮNG TỒN TẠI CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP DỊCH VỤ IPTV HIỆN NAYError! Bookmark not defin 1.1 Khái niệm IPTV: Error! Bookmark not defined 1.1.1 Định nghĩa: Error! Bookmark not defined 1.1.2 Hội tụ mạng viễn thông giải pháp IPTV: Error! Bookmark not defined 1.2 Cấu trúc IPTV: Error! Bookmark not defined 1.2.1 Mạng cung cấp dịch vụ IPTV: Error! Bookmark not defined 1.2.2 Phương thức truyền liệu IPTV: Error! Bookmark not defined 1.2.3 Đóng gói liệu video IPTV: Error! Bookmark not defined 1.3 Đặc điểm IPTV: Error! Bookmark not defined 1.3.1 Một số đặc điểm IPTV: Error! Bookmark not defined 1.2.2 Các dịch vụ IPTV: Error! Bookmark not defined 1.2.3 Một số hạn chế mạng cung cấp dịch vụ IPTV nay:Error! Bookmark no CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP MẠNG NGANG HÀNG CHO IPTVError! Bookmark not define 2.1 Cơ sở lý thuyết mạng ngang hàng Error! Bookmark not defined 2.1.1 Định nghĩa mạng ngang hàng Error! Bookmark not defined 2.1.2 Phân loại mạng ngang hàng Error! Bookmark not defined 2.2 Giải pháp mạng ngang hàng cho IPTV Error! Bookmark not defined 2.2.1 Giới thiệu chung Error! Bookmark not defined 2.2.2 Cấu trúc hệ thống P2P-IPTV Error! Bookmark not defined 2.3 Một số mô hình hệ thống IPTV ngang hàng Error! Bookmark not defined 2.3.1 Hệ thống ngang hàng túy (Pure Peer-to-peer Systems)Error! Bookmark not d 2.3.2 Hệ thống ngang hàng lai (Hybrid Peer-to-peer System)Error! Bookmark not define 2.3.3 Hệ thống siêu ngang hàng (Super-peer Architecture)Error! Bookmark not defined 2.3.4 Hệ thống siêu ngang hàng có dự phòng (Super-peer Redundancy)Error! Bookmark 2.3.5 Kết luận Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: KHÁI NIỆM QoE VÀ QoE TRONG HỆ THỐNG P2P-IPTVError! Bookmar 3.1 Tổng quan chất lượng trải nghiệm QoE (Quality of Experience)Error! Bookmark n 3.1.1 Giới thiệu chung Error! Bookmark not defined 3.1.2 Định nghĩa QoE Error! Bookmark not defined 3.1.3 Ý nghĩa QoE Error! Bookmark not defined 3.2 Đo đạc, kiểm soát yêu cầu QoE IPTV Error! Bookmark not defined 3.2.1 Đo đạc kiểm soát QoE Error! Bookmark not defined 3.2.2 Yêu cầu chất lượng trải nghiệm QoE cho IPTVError! Bookmark not defined 3.3 Giới thiệu phương pháp xác định QoE P2P-TV NAPA-WINEError! Bookmar 3.3.1 Mục đích nghiên cứu QoE hệ thống P2P-TV NAPA-WINEError! Bookmar 3.3.2 Hướng nghiên cứu thứ Error! Bookmark not defined 3.3.3 Hướng nghiên cứu thứ hai Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 4: CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO QoE TRONG MẠNG P2P-TVError! Bookmar 4.1 Giới thiệu chung Error! Bookmark not defined 4.2 Các nội dung liên quan Error! Bookmark not defined 4.3 Mô tả hệ thống Error! Bookmark not defined 4.4 Hai giải pháp Error! Bookmark not defined 4.4.1 Thiết kế topo xếp chồng Error! Bookmark not defined 4.4.2 Thuật toán phân đoạn Error! Bookmark not defined 4.5 Phương thức đánh giá chất lượng Error! Bookmark not defined 4.5.1 Kiểu mạng giả định Error! Bookmark not defined 4.5.2 Các tham số Video Error! Bookmark not defined 4.5.3 Chèn đoạn – xếp khung vào đoạnError! Bookmark not defined 4.5.4 Đánh giá chất lượng video phía thu Error! Bookmark not defined 4.6 Các kết Error! Bookmark not defined 4.6.1 Ảnh hưởng α Error! Bookmark not defined 4.6.2 Ảnh hưởng rs β Error! Bookmark not defined 4.7 Các lược đồ video biết trước Error! Bookmark not defined 4.8 Tham khảo Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3G Third Genegation Mạng di động hệ thứ ba AAC Avanced Audio Coding Mã hóa audio nâng cao ADSL Asymmetrical DSL Đường dây thuê bao số bất đối A xứng AQM Active Queue Management Quản lý hàng đợi tích cực ASP Application Service Provider Ứng dụng dịch vụ khách hàng B B Bi-predictive Picture BE Best EffortNỗ lực tối đa Ảnh dự đoán hai chiều C CA/DRM Condition Access/Digital Rights Điều khiển truy nhập/quản lý Management quyền số CAC Call Control Adminssion Điều khiển quản lý gọi CAR Committed Access Rate Cam kết tốc độ truy nhập CAVLC Context-Adaptive Variable Length Mã hóa thích nghi có chiều dài Coding thay đổi CBT Core Based Trees Giao thức lõi CBWFQ Class Base Weighted Fair Queuing Hàng đợi cân trọng số CLI Command-line Interface Giao diện dòng lệnh CoS Class of Service Lớp dịch vụ CPE Customer Premise Equipment Thiết bị sở hữu người dùng CPU Central Proccesing Unit Khối xử lý trung tâm CQ Custom Queuing Hàng đợi tự chọn CRC Cyclic Redundancy Check Mã vòng CRM Customer Relationship Managerment Quản lý quan hệ người dùng D DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi cosin rời rạt DF Delay Factor Yếu tố trễ DiffServ Difference Services Phân biệt dịch vụ DOCSIS Data Over Cable Service Interface Tiểu chuẩn giao diện dịch vụ Specification liệu qua cáp DSCP Difference Services Code Point Mã điểm phân biệt dịch vụ DSL Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số DVB-C Digital Video Broadcast over Cable Quảng bá video số qua cáp DVMRP Distance Vector Multicast Routing Giao thức multicast vecto khoảng Protocol cách E ECN Explicit Congestion Notification Cảnh báo lỗi minh bạch EDTV Enchanted Definition Television Truyền hình định dạng nâng cao EPG Electronic Program Guide Giao diện hướng dẫn người dùng điện tử ETSI European Telecommunications Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Standards Institute Âu F FEC Forward Error Correction Mã sửa lỗi chuyển tiếp CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM (QOE) TRONG MẠNG P2P-TV Hình 4.11 PSNR trung bình cho giá trị khác trễ tải số lượng điểm với ρ = 0.9 H = 0.10 Hình 4.12 PSNR trung bình ρ cho giá trị khác β với Dmax = 5s, α = 0.1 Tốc độ video tương ứng rs biểu diễn đỉnh trục hoành 74 CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM (QOE) TRONG MẠNG P2P-TV Trong phần này, nghiên cứu đưa thảo luận làm ý tưởng đơn giản khai thác mức lập trình để định nghĩa lớp sách lập trình cho video biết trước Với mức độ hiểu biết tốt nhất, tác giả [12], [13] có đề xuất xếp video biết trước hệ thống P2P-TV Tuy nhiên công việc họ mục tiêu tới đa dựa hệ thống dòng P2P, Nó đưa khác đáng kể từ hệ thống dựa sở lưới/kéo Tùy theo phối hợp họ, thứ tự ưu tiên định tới khung dựa số lượng video suy giảm chúng có có khung Ngược lại, suy giảm có tác dụng cho khung xác định thành phần số lượng khung bị ảnh hưởng việc khung Hình 4.13 PSNR thay đổi điểm ngẫu nhiên thời gian Các giá trị ρ = 0.6 (rs = 780kb/s) and ρ = 1.0 (rs = 1290kb/s) tương ứng đỉnh đáy sườn 75 CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM (QOE) TRONG MẠNG P2P-TV Chúng ta định nghĩa lớp sách lập trình video nhậ biết tùy theo phía thu lựa chọn đoạn để download tùy theo tùy thích Một trọng số qω xác định đoạn gói gọn khung; sau việc lan truyền đoạn lựa chọn xác định có tỷ lệ với trọng số đoạn tương ứng Chúng ta quan tâm đến giá trị q khuyến nghị [12], [13]: q với số lượng khung mà bị ảnh hưởng việc khung Nói chung chế ưu tiên, số mũ ω cung cấp tham số tự cho việc chia trọng số Với ω = có phương thức chia đoạn lựa chọn ngẫu nhiên, tất trọng số đoạn 1; với ω = 1, có giá trị giống [12], [13], với ω >1 xác định khung quan trọng so với khung khác, ω Kp Một chế kéo điển hình: - Mọi điểm định kỳ tạo tin mời để công bố danh sách đoạn khả dụng - Các điểm lân cận trả lời tin mời tin lựa chọn xác định đoạn cần - Khi tin lựa chọn nhận, đoạn truyền 81 HƯỚNG MỞ CỦA ĐỀ TÀI - Khi đoạn nhận, tin ACK gửi trở lại điểm gửi đoạn 2./ Thuật toán phân đoạn (Chunk Scheduling) • Trong dòng video loại khung khác có mức độ quan trọng khác • Một khung bọ gây mức độ ảnh hưởng khác tới chất lượng đoạn video tái tạo Ví dụ khung IDR ảnh hưởng đến việc giải mă đến khối IDR tiếp theo, khung b chủ ảnh hưởng đến việc giải mã khung đơn • Dựa vào xác định mức độ ưu tiên cho đoạn mang khung quan trọng • Tránh băm khung thành nhiều đoạn mà để khung chuyển thành đoạn • Xác định độ ưu tiên cho khung dựa theo mức độ ảnh hưởng bị mất: q số lượng khung bị ảnh hưởng việc khung • Một trọng số qω gán cho đoạn chứa khung • Với ω>0 xác định trọng số lớn cho khung quan trọng Trên hai giải pháp để đảm bảo QoE cho P2PTV mà tác giả nghiên cứu Kết áp dụng việc thiết kế, quy hoạch mạng xếp chồng lập trình để phân đoạn cho mạng cung cấp dịch vụ IPTV 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L Massouli´ e, A Twigg, C Gkantsidis, and P Rodriguez, “Randomized decentralized broadcasting algorithms,” in IEEE INFOCOM, Anchorage, Alaska, USA, May 2007 [2] S Sanghavi, B Hajek, and L Massouli´ e, “Gossiping with multiple messages,” in IEEE INFOCOM, Anchorage, Alaska, USA, May 2007 [3] T Bonald, L Massouli´ e, F Mathieu, D Perino, and A Twigg, “Epi- demic live streaming: optimal performance trade-offs.” in SIGMETRICS, Annapolis, Maryland, USA, June 2008 [4] A C da Silva, E Leonardi, M Mellia, and M Meo, “A bandwidth- aware scheduling strategy for P2P-TV systems,” in IEEE P2P, Aachen, Germany, September 2008 [5] L Abeni, C Kiraly, and R Lo Cigno, “On the optimal scheduling of streaming applications in unstructured meshes,” in IFIP Networking, Aachen, Germany, May 2009 [6] D Ren, Y T H Li, and S H G Chan, “On reducing mesh delay for peer-to-peer live streaming,” in IEEE INFOCOM, Phoenix, Arizona, USA, April 2008 [7] T Small, B Liang, and B Li, “Scaling laws and tradeoffs in Peer-to- Peer live multimedia streaming,” in ACM Multimedia, Santa Barbara, CA, USA, October 2006 [8] R Lobb, A P Couto da Silva, E Leonardi, M Mellia, and M Meo, “Adaptive overlay topology for mesh-based p2p-tv systems,” in ACM NOSSDAV, Williamsburg, Virginia, USA, June 2009 [9] T Locher, R Meier, S Schmid, and R Wattenhofer, “Push-to-pull peerto-peer live streaming,” in Lecture notes in computer science, Berlin, Germany, 2007 [10] H Xie, R Y Yang, A Krishnamurthy, Y G Liu, and A Silberschatz, “P4P: provider portal for applications,” in SIGCOMM, Seattle, WA, USA, August 2008 [11] Z Shen and R Zimmermann, “Isp-friendly peer selection in p2p networks,” in ACM Multimedia, Beijing, China, October 2009 [12] E Setton, J Noh, and B Girod, “Low latency video streaming over peer-to-peer networks,” in IEEE ICME, Toronto, Canada, July 2006 [13] ——, “Congestion-distortion optimized peer-to-peer video streaming,” in IEEE ICIP, Atlanta, Georgia, USA, October 2006 [14] [Online] Available: http://www.napa-wine.eu [15] M Zhang, L Zhao, Y Tang, J Luo, and S Yang, “Large-scale live media streaming over Peer-to-Peer networks through global Internet,” in Workshop on advances in Peer-to-Peer multimedia streaming, Singa- pore, November 2005 [16] Y Liu, “On the minimum delay peer-to-peer video streaming: how realtime can it be?” in ACM Multimedia, Augsburg, Germany, September 2007 [17] J Seedorf, S Kiesel, and M Stiemerling, “Traffic localization for p2papplications: The alto approach,” in IEEE P2P, Seattle, WA, USA, September 2009 [18] J Douceur, J Mickens, T Moscibroda, and D Panigrahi, “Collaborative measurements of upload speeds in p2p systems,” in IEEE INFOCOM, San Diego, CA, March 2010 [19] X Zhang, J Liu, and T Yum, “Coolstreaming/donet: A data-driven overlay network for peer-to-peer live media streaming,” in IEEE INFOCOM, Miami, Florida, USA, March 2005 [20] F Picconi and L Massouli´ e, “Is there a future for mesh-based live video streaming?” in IEEE P2P, Aachen, Germany, September 2008 [21] V Pai, K Kumar, K Tamilmani, V Sambamurthy, and A E Mohr, “Chainsaw: Eliminating trees from overlay multicast,” in IPTPS, Ithaca, NY, USA, February 2005 [22] K Kilkki, Next Generation Internet and Quality of Experience, EuroFGI IA.7.6 Workshop on Socio-Economic Issues of NGI, Santander, Spain, June, 2007 [23] S Winkler, Quality of Experience (QoE): An Important Measure of Success for IP-based Video Services, Symmetricom white paper, October, 2007 [24] D Soldani, M Li, R Cuny, QoS and QoE Management in UMTS Cellular System, John Wiley & Sons Ltd., 2006 [25] IPTV QoE: Understanding and Interpreting MDI Values, White paper from Agilent Technologies, 2006 [26] Delivering Quality of Experience to IPTV and TVoIP Customers, White paper from Symmetricom, June, 2007 [27] Y Cognet, Measuring IPTV QoS Performance at the Box, Network Systems DesignLine, November, 2006 [28] http://napa-wine.eu/cgi-bin/twiki/view/Public [29] http://napa-wine.eu/cgi-bin/twiki/view/Public/SoftWare#Simulation%20Tools CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lâp – Tự – Hạnh phúc BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ - Đề tài: “Các giải pháp đảm bảo QoE mạng P2P-TV” - Tác giả: Đinh Nho Thuần – Đại học Bách Khoa Hà Nội - Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử viễn thông - Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh - Đơn vị: Khoa Điện tử Viễn thông – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Nhận xét: Kết luận: Tôi đồng ý để tác giả Đinh Nho Thuần bảo vệ luận văn trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Hà Nội, Ngày tháng năm 2012 Người nhận xét PGS TS Nguyễn Hữu Thanh Mẫu CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lâp – Tự – Hạnh phúc BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN THẠC SĨ (Dùng cho người phản biện) - Đề tài: - Tác giả: (Họ tên, nơi đào tạo) - Chuyên ngành: - Người nhận xét: (Họ tên, học vị, chức danh) - Đơn vị: (Khoa, viện, trường) Nhận xét: Tổng quan chung Ưu điểm, nhược điểm luận văn nội dung, hình thức - Tính cấp thiết đề tài? - Nội dung luận văn có phù hợp với đề tài đáp ứng yêu cầu? - Kết mới, có ý nghĩa khoa học lý thuyết, ứng dụng? - Những vấn đề cần bổ sung sửa chữa? - …………… Kết luận: Tôi đồng ý (không đồng ý) để tác giả ………… bảo vệ luận văn trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Hà Nội, Ngày tháng năm 2010 Người nhận xét (ký tên ghi rõ học tên) Xác nhận quan người nhận xét (dùng cho người nhận xét trường ĐHBKHN) ... Extended TV): nâng cao trải nghiệm TV truyền thống, tăng số kênh truyền hình, dịch vụ truyền hình chất lượng cao HDTV… CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM (QOE) TRONG MẠNG P2P-TV ¾ Bước (Truyền... Network – Ethenet) CÁC GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM (QOE) TRONG MẠNG P2P-TV b Mạng truy nhập: Mạng truy nhập mạng từ biên nhà cung cấp dịch vụ đến nhà khách hàng Mạng truy nhập băng... Các giải pháp đảm bảo chất lượng trải nghiệm dịch vụ QoE mạng P2P-TV Nội dung luận văn gồm phần chính: phần giới thiệu dịch vụ IPTV giải pháp mạng ngang hàng cho IPTV Phần khái niệm chất lượng