Nghiên cứu phương pháp tăng chất lượng dịch vụ truyền video trên mạng không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THANH HẢI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TĂNG CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG KHÔNG DÂY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THANH HẢI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TĂNG CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG KHÔNG DÂY Ngành: Công nghệ Điện tử Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PSG.TS VƯƠNG ĐẠO VY Hà Nội - 2013 Mục lục MỞ ĐẦU Danh mục hình vẽ Danh mục ký hiệu chữ viết tắt CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CHUẨN NÉN MPEG-4 2.2 IEEE 802.11e EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) 10 CHƢƠNG 3: THUẬT TOÁN ÁNH XẠ TĨNH VÀ ÁNH XẠ ĐỘNG 12 3.1 ÁNH XẠ TĨNH 12 3.2 ÁNH XẠ ĐỘNG 13 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG 27 4.1 KỊCH BẢN MÔ PHỎNG 27 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 28 4.2.1 Truyền tải có Video 28 4.2.2 Truyền tải nhiều dạng liệu 33 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 MỞ ĐẦU Truyền tải đa phương tiện qua mạng không dây đề cập đến nhiều nghiên cứu trước Để cải thiện chất lượng truyền dẫn Video, nghiên cứu trước đề xuất nhiều phương án khác để cải thiện dịch vụ đa phương tiện qua mạng không dây, hướng nghiên cứu tạo mơ hình xun lớp truyền tải Video thời gian thực Người ta đề xuất tiêu chuẩn 802.11e EDCA chia thành truy cập AC0, AC1, AC2, AC3 để phân loại luồng liệu theo, đồng thời có thuật tốn ánh xạ tĩnh ánh xạ động dựa 802.11e EDCA để cải thiện chất lượng dịch vụ truyền Video Thuật toán ánh xạ tĩnh, phân bổ liệu Video H264 vào hàng đợi theo mức độ ưu tiên theo ý nghĩa mà hóa nó, nhiên ánh xạ tĩnh phù hợp cho tải nặng lưu lượng mạng, tải nhẹ, liệu Video ánh xạ tới truy cập AC có độ ưu tiên thấp cho kết chậm trễ truyền dẫn, để giải vấn đề người ta đề xuất phương pháp ánh xạ động dựa vào xác suất xuất khung hình video ưu tiên hàng đợi truy câp AC, để phân bổ tối ưu luồng liệu Video vào hàng đợi cho phù hợp Trong đề tài tập trung vào việc mô đánh giá lại hiệu suất phương pháp trên, tập trung vào tối ưu tham số thuật toán ánh xạ động Nội dung luận văn tập trung vào chương: Chương 1: Giới thiệu đề tài, bối cảnh, mục tiêu cách tiếp cận đề Chương 2, chương 3: Cơ sở lý thuyết Mô tả đặc thù Video Mpeg 4, tiêu chuẩn 802.11e EDCA, thuật toán ánh xạ tĩnh, ánh xạ đông mà luận văn sử dụng Chương 4: Mô Thông qua công cụ mô NS2, kịch mô đưa để đánh giá lại hiệu suất phương pháp nêu trên, từ đưa tham số tối ưu cho phương pháp ánh xạ động Cuối kết luận đề tài hướng nghiên cứu tương lai Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải Chương Giới thiệu Để hỗ trợ yêu cầu đa dạng chất lượng dịch vụ ứng dụng hệ mới, chuẩn IEEE 802.11e quy định xác định bốn loại truy cập AC (Access Category) có ưu tiên truyền dẫn khác Ưu tiên truyền dẫn xác suất thành công việc tìm kiếm hội để truyền tải loại truy cập cạnh tranh để truy cập vào kênh khơng dây, ưu tiên truyền dẫn cao có hội dẫn cao Tuy nhiên, kênh không dây, việc mát chậm chễ truyền liệu, băng thông hạn hẹp thách thức lớn hiệu truyền tải liệu đa phương tiện Do đó, số chế tiên tiến đề xuất dựa chuẩn 802.11e để hỗ trợ truyền tải đa phương tiện cụ thể truyền tải video Hầu hết chế đề xuất cải thiện hiệu suất cách điều chỉnh hoạt động 802.11e MAC, chẳng hạn kích cỡ Contention Window, TXOPlimit, tốc độ truyền tải liệu Tuy nhiên, chế khơng tính đến mức độ quan trọng dạng lưu lượng khác (chẳng hạn video), hạn chế cải tiến hiệu suất đạt Đối với lưu lượng video, độ quan trọng liệu video mã hóa khác Việc truyền tải ưu tiên video mã hóa phân mang vai trò quan trọng việc hỗ trợ dịch vụ đa phương tiện mạng không dây Tuy nhiên, 802.11e cung cấp QoS thông qua phân phối lưu lượng tất liệu video loại truy cập Kết là, chế truy cập kênh chương trình truyền khơng tính đến thơng tin độ quan trọng liệu video Nếu chế truyền dẫn khai thác đặc điểm nội dung liệu video cách xem xét thơng tin có ý nghĩa video tạo từ lớp ứng dụng, liệu video có dịch vụ ưu tiên chất lượng cảm nhận bên nhận cải thiện Chương Cơ sở lý thuyết 2.1 Chuẩn nén Mpeg-4 Các tiêu chuẩn MPEG-4 định nghĩa ba loại khung hình video cho dòng video nén, bao gồm I (mã hóa - Intra-coded), P (mã hóa dự đoán - Predictive-coded), B Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải (mã hóa dự đốn hai chiều - Bi-directionally predictive-coded) Khung MPEG I mã hóa độc lập tự giải mã Như vậy, khung I mã hóa hình ảnh tĩnh, mà khơng có mối quan hệ với khung hình trước Khung P mã hóa cách sử dụng dự đốn từ khung I P trước chuỗi video Do đó, khung P u cầu thơng tin khung I khung P gần trước để mã hóa giải mã Khung B mã hóa cách sử dụng dự đoán khung I P trước sau Theo mối quan hệ mã hóa, dòng video MPEG-4, loại video quan trọng khung I, khung P quan trọng khung B Hình 1: Mã hóa theo dự đốn MPEG-4, GOP (N = 9, M = 3) 2.2 IEEE 802.11e EDCA IEEE 802.11e EDCA phân loại lưu lượng truy cập thành bốn AC (như minh họa hình 2) Bốn loại truy cập bao gồm AC _VO (lưu lượng truy cập giọng nói), AC_VI (lưu lượng truy cập video), AC_BE (lưu lượng best efford), AC _BK (lưu lượng (background)) Để đơn giản hóa ký hiệu, chúng tơi định AC_VO AC3, AC_VI AC2, AC_BE AC1, AC_BK AC0 Mỗi AC có hàng đợi đệm riêng hoạt động thực thể backoff độc lập Ưu tiên AC sau xác định thông số riêng AC, gọi tham số EDCA Bộ tham số EDCA bao gồm kích thước tối thiểu Contention Window (CWmin), kích thước tối đa Contention Window (CWmax), Arbitration Inter Frame Space (AIFS), giới hạn hội truyền (TXOPlimit) Các giá trị chuẩn khuyến cáo cho thơng số chế trình bày bảng Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải Hình 2: Bốn loại truy cập IEEE 802.11e Table 1: 802.11e EDCA parameter set Priority AC Designation AIFSN CWmin CWmax TXOPlimit AC_VO Voice 15 0.003008 AC_VI Video 15 31 0.006016 AC_BE Best Effort 31 1023 0 AC_BK Background 31 1023 Hình trình bày hoạt động 802.11e EDCA AC với AIFS nhỏ có ưu tiên cao nhất, trạm cần phải trì hỗn hoạt động cho khoảng AIFS tương ứng Giá trị tham số (như AIFS CWmin CWmax) nhỏ xác suất truy cập vào mơi trường truyền tải lớn Mỗi AC trạm hoạt động trạm ảo cá thể: cạnh tranh để truy cập vào môi trường truyền dẫn bắt đầu thủ tục backoff cách độc lập sau phát kênh rỗi khoảng thời gian AIFS Khi AC đụng độ trạm, AC với ưu tiên cao cấp hội để truyền tải, AC với ưu tiên thấp gặp phải đụng độ ảo, tương tự vụ đụng độ thực tế xảy bên ngồi trạm Hình 3: Các hoạt động IEEE 802.11e EDCA Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải Chương Thuật toán ánh xạ tĩnh ánh xạ động 3.1 Ánh xạ tĩnh Để hỗ trợ việc truyền tải theo chất lượng dịch vụ video mã hóa theo cấp bậc mạng IEEE 802.11e, kiến trúc theo thiết kế đa lớp đề xuất Như thể hình 4, tác giả kiến trúc đề xuất thuật toán ánh xạ, dựa đặc điểm kỹ thuật lưu lượng truy cập IEEE 802.11e EDCA, liệu video mã hóa H.264 phân bổ vào hàng đợi AC ưu tiên khác tùy theo độ quan trọng mã hóa video Tuy nhiên, thuật tốn có tính tĩnh khơng thích ứng cao Khi tải mạng nhẹ, liệu video ánh xạ tới AC với ưu tiên thấp dẫn đến chậm trễ khơng đáng có truyền dẫn tổn thất gói Theo đó, luồng video MPEG-4 truyền lưu lượng truy cập cho thuật toán ánh xạ đề xuất [2], khung I luôn ánh xạ tới AC [2], khung P ánh xạ tới AC [1] B khung ánh xạ tới AC [0] Nếu hàng đợi AC[2] rỗng (có nghĩa tải lưu lượng video nhẹ) thuật toán ánh xạ tĩnh dẫn đến chậm trễ truyền dẫn không cần thiết khả gói cao AC[1] AC[0] bị đầy gần lúc Hình 4: Kiến trúc đa lớp Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải 3.2 Ánh xạ động Chúng tơi đề xuất thuật tốn ánh xạ đa lớp có tính thích ứng cao để nâng cao chất lượng truyền tải video MPEG-4 qua mạng không dây IEEE 802.11e [3] Trong cách tiếp cận đa lớp đề xuất, gói video MPEG-4 tự động ánh xạ đến AC thích hợp dựa mức độ quan trọng liệu video tải lưu lượng mạng Bằng cách khai thác phương pháp ánh xạ đa lớp, ưu tiên việc truyền tải liệu video cần thiết cải thiện việc tận dụng không gian hàng đợi Hình 5: Kiến trúc sơ đồ ánh xạ đa lớp Hình mơ tả kiến trúc đa lớp, hiển thị thông tin độ quan trọng liệu video truyền từ lớp ứng dụng tới lớp MAC Để đảm bảo chất lượng video truyền tài, thuật toán ánh xạ chủ động phân bổ đoạn video cho AC phù hợp lớp MAC dựa theo độ quan trọng loại video tải lưu lượng mạng Đối với dòng video MPEG-4, mát khung hình video quan trọng làm xấu chất lượng video truyền Ví dụ, khung I bị gây tất khung hình GOP trở nên khơng mã hóa được; lúc đó, khung B bị ảnh hưởng đến Dựa độ quan trọng khung hình video, độ ưu tiên kênh truy cập sử dụng để ưu tiên hội truyền tải lớp MAC thiết lập với khung I cao nhất; độ ưu tiên khung P I B, khung B thiết lập mức ưu tiên thấp Để phân bổ liệu video quan trọng vào hàng đợi AC ưu tiên cao lớp 802.11e MAC nhiều tốt, cung cấp xác suất ánh xạ khác nhau, định nghĩa Prob_TYPE, cho loại khung hình video khác theo mã hóa độ quan trọng Nếu phân bổ khung vào hàng đợi ưu tiên thấp Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải tránh khỏi, xác suất phân bổ truyền tải khung hình có độ quan trọng thấp cao so với khung hình video có độ quan trọng cao Loại khung video quan trọng định Prob_TYPE lớn Kết là, codec MPEG4, Prob_B> Prob_P> Prob_I, tất xác suất có giá trị nằm Hơn nữa, để chủ động thích ứng với thay đổi tải lưu lượng mạng, sử dụng chiều dài hàng đợi MAC dấu tải trọng lưu lượng mạng lưới Theo đặc điểm kỹ thuật IEEE 802.11e, truyền qua mạng khơng dây IEEE 802.11e, gói video MPEG-4 đặt AC2 với hội tốt để truy cập vào kênh so với AC có ưu tiên thấp Tuy nhiên, video tăng dòng, hàng đợi nhanh chóng ùn tắc hình xảy Vì lý này, thuật toán ánh xạ xếp lại gói video nhận thời gian gần vào hàng đợi khác có độ ưu tiên thấp hơn, lúc hàng đợi AC2 bị đầy Ở hai tham số áp dụng, threshold_low threshold_high, để dự đoán trước nhằm tránh tắc nghẽn xảy cách thực trước việc quản lý hàng đợi Hai thông số áp dụng thuật toán biểu thức sau đây: Trong hàm này, xác suất ánh xạ theo hướng xuống xác định trước thời điểm ban đầu loại khung hình video, Prob_TYPE, điều chỉnh tùy theo chiều dài hàng đợi giá trị ngưỡng, kết xác suất ánh xạ xuống mới, Prob_New Các giá trị Prob_New cao, có nhiều hội cho 10 gói tin ánh xạ vào hàng đợi với ưu tiên thấp Chương Mô 4.1 Kịch mô Để đánh giá hiệu suất thuật tốn ánh xạ đa lớp, chúng tơi tiến hành mô cách sử dụng hệ thống mô mạng áp dụng rộng rãi NS-2, tích hợp với EvalVid Các kết thuật toán ánh xạ so sánh với kết rút từ IEEE 802.11e EDCA [1] thuật toán ánh xạ tĩnh [2] Nguồn video sử dụng mô YUV QCIF (176 x 144), Foreman Mỗi khung hình video chia nhỏ thành gói liệu trước truyền, kích thước tối đa gói tin truyền tải qua mạng mơ 1000 byte Bảng 4.1 cho thấy số lượng khung hình video số lượng gói tin video gốc Hình trình bày mơ cấu trúc liên kết Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải thí nghiệm Có tám nút khơng dây ad-hoc, máy chủ chủ khác máy nhận video Tốc độ truyền liệu liên kết không dây 1Mbps Bảng 4.1 Số lượng khung hình video gói tin video gốc Video Format Foreman QCIF Frame number I P B 45 89 266 Total 400 Packet number I P B 237 149 273 Total 659 Có hai kịch mơ để đánh giá hiệu suất truyền tải video: Có hai kịch mô để đánh giá hiệu suất truyền tải video: • Kịch 1: có dòng video truyền từ nút gửi video đến nút nhận video Trong kịch này, đánh giá hiệu suất tập trung vào mức độ tận dụng không gian hàng đợi, cách quan sát thay đổi chiều dài hàng đợi AC • Kịch 2: chúng tơi thử nghiệm với trường hợp tải nhẹ nặng, bao gồm tải trọng khác lưu lượng truy cập giọng nói (64k, AC [3]), CBR (AC [1]), TCP (trong AC [0]) Luồng lưu lượng tạo ngẫu nhiên truyền qua môi trường mô Trong kịch này, phân tích chất lượng video nhận để đánh giá hiệu sơ đồ ánh xạ nhiều điều kiện tải mạng khác 4.2 Kết mô 11 Hình Kết sử dụng thuật tốn 802.11e EDCA Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải Hình Kết sử dụng thuật tốn ánh xạ tĩnh Hình Kết sử dụng thuật toán ánh xạ động 12 Average PSNR Số khung I (dB) 802.11e P B frame frame frame Total 34.89 0 0 Ánh xạ tĩnh 33.29 14 38 52 Ánh xạ động 34.89 0 0 EDCA Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải Kết luận Trong luận văn này, nghiên cứu phương pháp cải tiến nhằm nâng cao chất lượng truyền tải video Mpeg-4 mạng khơng dây 802.11e Dựa vào đặc tính khung hình Video, thuật tốn ưu tiên cho khung quan trọng dòng Video để đảm bảo tái tạo chất lượng Video nơi thu Trong trường hợp tắc nghẽn xảy ra, khung quan trọng loại bỏ, cách tự động phân phối gói tin Video khác truy cập AC tích hợp theo lưu lượng đường truy cập MAC thuật tốn ánh xạ tĩnh thành cơng việc tăng chất lượng truyền dẫn Video Thông qua trường hợp mô phỏng, đánh giá hiệu suất phương pháp 802.11e EDCA, ánh xạ tĩnh ánh xạ động Tuy nhiên thời gian phạm vi đề tài, số vấn đề chưa làm rõ đề tài Thứ nhất, thơng số mã hóa Video khơng điều chỉnh Thứ hai, ảnh hưởng ngưỡng giá trị xác suất việc phân bổ gói tin Trong tương lai, kết hợp nhiều Video Audio Codec kiến trúc để hỗ trợ tồn diện QoS đa phương tiện tích hợp chế nhiều lớp để cung cấp cho người dùng chất lượng tốt 13 Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải ... không dây đề cập đến nhiều nghiên cứu trước Để cải thiện chất lượng truyền dẫn Video, nghiên cứu trước đề xuất nhiều phương án khác để cải thiện dịch vụ đa phương tiện qua mạng không dây, hướng nghiên. .. QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THANH HẢI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TĂNG CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG KHÔNG DÂY Ngành: Công nghệ Điện tử Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật... này, nghiên cứu phương pháp cải tiến nhằm nâng cao chất lượng truyền tải video Mpeg-4 mạng khơng dây 802.11e Dựa vào đặc tính khung hình Video, thuật tốn ưu tiên cho khung quan trọng dòng Video