Một phương pháp đảm bảo chất lượng cho dịch vụ truyền thông đa hướng thời gian thực qua mạng IP

Luận án tiến sỹ kỹ thuật Một phương pháp đảm bảo chất lượng cho dịch vụ truyền thông đa hướng thời gian thực qua mạng IP

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 giang nhanh chóng c a Internet c v h t ng m ng và nhu c u phát tri n các d ch v m inh mua s m tr c tuy n, gi i trí qua m ng công ngh phát thanh c ng có nh ngchuy n bi n theo xu h ng hình thành m t ph ng th c truy n t i m i, l y Internet làmcông c qu ng bá tín hi u phát thanh t i b n nghe ài Hi n nay, ph ng th c truy nthông 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 ControlProtocol) 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 tínhkhông m b o ch t l ng d ch v c a môi tr ng Internet hi n t i T tháng 8/2005, àiti ng nói Vi t Nam b t u h tr kh n ng nghe ài phát thanh qua m ng Internet V nt ra v i ph ng th c phát thanh qua m ng Internet hi n t i là ch a có c ch mo 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 nn các h n ch v ch t l ng khi s l ng ng i dùng t ng cao, c ng nh khó kh ntrong tr ng h p m r ng d ch v Bên c nh ó, v n làm ch công ngh có th tùybi n thành ng d ng c thù c ng c n c quan tâm nghiên c u.

2 i tng, m c ích, ph m vi và phng pháp nghiên c u c a lu n án.2.1 i tng 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 phátthanh th i gian th c qua m ng IP - RoIP (Radio over IP networks) và ph ng pháp mo 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 vàth c hi n ph ng pháp m b o ch t l ng d ch v RoIP s d ng c ch u khi ntham 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 uthu 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 haiph ng di n k t h p truy n thông n h ng (unicast) v i truy n thông a h ng và k tp 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 uthu.

2 Phng 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 cvà mô hình c u trúc giao th c K t h p ph ng pháp ph ng t o tham s m ng IP vàph ng pháp o c thông s qua mô hình th c nghi m c xây d ng trên n n h uhành 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 sng m ng IP làm môi tr ng truy n t i tín hi u phát thanh Cùng v i ph ng pháp mo ch t l ng tín hi u t i u thu, mô hình h th ng RoIP có th c tri n khai ápng 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 nhch 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 ngIP 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 môhình 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 gianth c qua m ng IP theo thông s ngu n và thông s m ng nh h ng n ch t l ng tínhi u phát thanh t i u thu Lu n án xu t mô hình và công c ph ng t o tham s QoSa m ng IP Công c ph ng t o c xây d ng tích h p trong thành ph n c ng chuy ni giao th c iVoVGateway c a h th ng RoIP nh m th c hi n nh h ng c a môitr 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 haikhía 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 táio c nghiên c u và tích h p vào h th ng RoIP Th hai, thông qua mô hình ánhgiá 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 thanhqua m ng IP thông qua c ch thích ng tham s ngu n v i tình tr ng m ng theo th igian 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.

CHNG 1: T NG QUAN V TRUY N THÔNG A HNGVÀ MÔ HÌNH H TH NG RoIP

1.1 Truy n thông a hng 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 tt ngu n g i n m t ích thu xác nh ( m- n- m) ây là mô hình truy n thôngn 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 iu 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 dungthông 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 nquá t i máy ch Tuy có nhi u h n ch nh ng do tính l ch s , ph ng th c truy n thôngn 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 tt ngu n g i n t t c các máy tr m trong m ng ( m- n-t t c ) Các gói tin qu ngbá c x lý b i t t c các máy tr m trong m ng, th m chí c trong tr ng h p máytr 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 smáy 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 tt ngu n g i n m t nhóm các máy tr m xác nh ( m- n-nhóm) Ph ng th cnày 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 cácu m và h n ch các nh c m c a unicast và broadcast nh giúp gi m l u l ngng và t i x lý c a ngu n phát, ph ng th c truy n thông a h ng ang c quantâm 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 ctruy n thông a h ng trong h th ng RoIP.

1.2 Nguyên lý truy n thông a hng qua m ng IP

Các m ng truy n thông a h ng có th c xây d ng thành các c omulticast và liên k t v i nhau thông qua c ch ng h m ng h m là c ch chophép chuy n các gói d li u multicast t các b nh tuy n h tr truy n thông a h ngMRouter (Multicast Router) ngu n n MRouter ích thông qua các b nh tuy n nng URouter (Unicast Router) Vi c óng gói theo c ch ng h m th c hi n bsung thêm ph n tiêu IP m i v i a ch ích là a ch IP n h ng c a MRouter

u bên kia c a ng h m và a ch ngu n là a ch IP n h ng c a MRrouter angi gói tin ó Nh th hi n trên hình 1.1, MRouter R2 mu n g i m t gói tin IP ang t i MRouter R5 Tr c h t, R2 s óng v gói tin (chuy n t gói IP a h ngthành gói IP n h ng) r i chuy n ti p t i URouter R3 Gói a h ng này s i theotuy 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 chng 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 baom m t nhóm các tr m c k t n i v i nhau trong vùng d ch v c b n, c xác nhi 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 cóth k t n i v i các tr m khác trong cùng BSS (Basic Service Set) ho c BSS khác C uhình 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 IBSSt 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 ng802.11 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 (AccessPoint) 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 nhành 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

i m truy nh p AP, nh ng không có s h n ch nào v kho ng cách gi a b n thâncác 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 vngu n AP s ti n hành m các khung d li u khi máy tr m yêu c u ch b o vngu 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 nkhi 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 hìnhph 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 umang 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 quang IP ch u ràng bu c v tính áp ng th i gian th c - y u t quan tr ng liên quan nch 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 iti 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 ngIP c n th c hi n các ch c n ng sau:

a C u hình m ng c l p - BSSb C u hình m ng ph thu c - IBSS

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 vàmã hóa tín hi u Quá trình chuy n i c th c hi n b i các b mã hóa và gi i mã trongti 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 cng óng gói s li u âm thanh ã mã hóa theo chu n giao th c RTP/UDP/IP và tách góitrong quá trình ng c l i.

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 phânbi 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 utích c c và kho ng l ng c th c hi n t i khâu x lý ngu n bên phát nh m cho phépu 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 ngtruy 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 mo 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 chi 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 môhình c u trúc giao th c (hình 1.4) và mô hình tri n khai th c nghi m (hình 1.5) c a hth ng RoIP Tín hi u phát thanh ngu n t bên phát (iVoVStation) theo k t n i n

ng t i c ng chuy n i giao th c (iVoVGateway) c truy n t i qua m ng truynh p a h ng t i u thu (iVoVReceiver) Các thành ph n trong mô hình lý thuy tc th c hi n t i máy ch RoIP, các máy tr m và c ng chuy n i giao th c Thànhph n iVoVGateway th c hi n ch c n ng chuy n i giao th c n h ng sang giao th ca 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 nkhai 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 ang IP có th c tích h p iVoVGateway và c c p trong ch ng 2 H th ngRoIP 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.

Hình 1.5: Mô hình tri n khai th c nghi m h th ng RoIP xu t

1.5 K t lu n chng 1

Vi c k t h p truy n thông a h ng v i môi tr ng m ng truy nh p WLAN hìnhthành 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 ngthông ng truy n, d dàng qu n lý thông qua a ch nhóm multicast c ng nh t nng h t ng m ng Internet s n có và các m truy nh p Wi-Fi ang ngày c mng 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 ngcao 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 ngng a m Tuy nhiên, do c tính c a các m ng IP, vi c tri n khai h th ng RoIPph 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 cnghiên c u các c c u và ph ng th c u khi n thích ng v i tình tr ng m ng có ýngh a quan tr ng trong vi c m b o ch t l ng c a h th ng RoIP.

CHNG 2: PH NG T O THAM S CH T LNG C A TÍN HI U PHÁTTHANH KHI TRUY N T I QUA M NG IP

2.1 Các tham s ch t lng m ng2.1.1 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 suygi 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

Hình 2 1: M i quan h gi a các y u tnh hng 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 tng 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 trongng 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 oi 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 nhauc tính không nh ) cho dù gói tin k tr c b t n th t ho c không t n th t Trongtr 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 ni ti ng nói qua m ng IP u s d ng mô hìnhGilbert 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) vàtr 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 làxác 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 hìnhBernoulli c ng th ng c s d ng và chính là m t tr ng h p c th c a mô hìnhGilbert 2 tr ng thái khi p = q.

Hình 2 2: Mô hình Gilbert 2 tr ng thái

2.1.3 Tr m ng

Tr và bi n ng tr (jitter) là hai trong s các y u t c a m ng nh h ng chínhn ch t l ng truy n t i d ch v th i gian th c nói chung và truy n t i tín hi u phátthanh th i gian th c qua m ng IP nói riêng.

2.1.3.1 Tr truy n t i gói tin m t chi u

Tr hành trình m t chi u gói tin cho n ch ng ph thu c vào kích th c gói tinc th hi n theo bi u th c sau:

Hình 2 3: Tr truy n t i gói tin m t chi u

2.1.3.2 Tr truy n t i gói tin hai chi u

Tr hành trình hai chi u c a gói tin c xác nh nh sau:

- c t c truy n tín hi u ; bi b ng

thông c a tuy n k t n i i

- s kích thc gói tin ; fi tr chuy n

ti p t i b nh tuy n.

Hình 2 4: Tr truy n t i gói tin hai chi u

chính xác c a giá tr tr hành trình hai chi u ∆tRTT ph thu c vào tính ing c a tuy n truy n d n Trong tr ng h p ng truy n không i x ng, ∆tRTT cxác nh là t ng c ng c a tr hành trình m t chi u theo h ng thu n và h ng ng c.Tuy nhiên thu n l i và tránh sai s ng b ng h gi a bên thu và bên phát, ph ngpháp xác nh tr hành trình hai chi u th ng c s d ng, tuy nhiên trong tr ng h pnày s không xác nh c t c ngh n x y ra theo h ng thu n hay h ng ng c c a

ng truy n t i gói tin.

2.3 xu t mô hình ph ng t o tham s QoS qua m ng IP2.3.1 Ki n trúc mô hình

Các tham s m ng QoS c a m ng IP có th c ph ng t o thông qua x lý cácgói tin m c v t lý [62][63] Tuy nhiên ph ng th c này ph thu c vào h u hành,c th c hi n theo ph ng th c truy n thông n h ng và ch a h tr tái t o nhng c a m ng t d li u th c t c o c t tr c kh c ph c các h n ch trên,các thông s QoS c a m ng Internet th c t bi n thiên m t cách ng u nhiên c lu n ánmô hình hóa và th c hi n ph ng t o qua hai ph ng th c tr c tuy n - Online và khôngtr c tuy n - Offline h tr c hai ph ng th c truy n thông n h ng và a h ng V iph ng th c không tr c tuy n (hình 2.5b), các thông s c c t t p s li u th ng kêqua 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 cungp 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.

Trong ó:

- di : kho ng cách v t lý gi a b nh tuy n( i -1 ) và ( i )