5. Kết cấu của luận án
1.3.3Các cấu hình mạng truy nhập vô tuyến
Cấu hình BSS hay cấu hình cơ bản của một mạng 802.11 bao gồm một nhóm các trạm được kết nối với nhau. Sự kết nối diễn ra trong môi trường gọi là miền dịch vụ
cơ bản, được xác định bởi đặc tính truyền dẫn của môi trường vô tuyến. Một trạm trong miền dịch vụ cơ bản có thể kết nối với các trạm khác trong BSS. Cấu hình BSS được chia thành 2 loại như thể hiện trên hình 1.17.
a b
Hình 1. 17: Cấu hình BSS và IBSS
Cấu hình mạng độc lập IBSS
Một mạng BSS độc lập (IBSS) được thể hiện ở hình 1.17a. Các trạm trong IBSS kết nối trực tiếp với nhau và do đó cần phải nằm trong phạm vi kết nối trực tiếp. Mạng 802.11 tối thiểu là mạng IBSS chỉ bao gồm 2 trạm.
Cấu hình mạng phụ thuộc BSS
Cấu hình mạng 802.11 phụ thuộc ( Infrastructure BSS ) thể hiện ở hình 1.17b được phân biệt bởi việc sử dụng điểm truy nhập AP (Access Point). Nếu một trạm di
động trong BSS cần giao tiếp với trạm thứ hai, việc kết nối sẽ được thực hiện theo Cấu hình mạng
hai bước. Trước tiên, trạm di động ban đầu sẽ gửi các khung tới điểm AP. Sau đó, AP sẽ truyền khung đó tới trạm thứ hai. Với tất cả các kết nối được thực hiện thông qua AP, miền dịch vụ cơ bản tương ứng với một Infrastructure BSS được xác định bởi các điểm mà tại đó các thông tin được truyền đi từ các điểm AP có thể nhận
được. Mặc dù cơ chế truyền tin tiến hành theo 2 bước như trên sẽ chiếm nhiều dung lượng truyền dẫn hơn việc truyền một khung từ điểm phát tới điểm thu nhưng sẽ
mang lại hai ưu điểm lớn:
- Một BSS được xác định bởi khoảng cách tới AP và máy trạm. Để có thể tiến hành liên lạc, tất cả các trạm di động phải thỏa mãn yêu cầu nằm trong phạm vi liên lạc tới điểm truy nhập AP, nhưng không có sự hạn chế nào về khoảng cách giữa bản thân các trạm di động. Việc cho phép kết nối trực tiếp giữa các trạm di động sẽ tiết kiệm được dung lượng truyền tin nhưng sẽ làm tăng giá thành của lớp vật lý do các trạm di động cần được duy trì một quan hệ với các trạm di động khác trong vùng dịch vụ.
- Các AP trong mạng phụ thuộc BSS sẽ giúp các máy trạm trong việc bảo vệ
nguồn. Các điểm AP có thể đưa ra các thông báo khi một trạm đưa thiết lập chế độ
bảo vệ nguồn, và tiến hành đệm các khung dữ liệu. Các trạm hoạt động bằng pin có thể ngừng việc thu và cấp nguồn cho đến khi truyền đi và tìm được các khung đệm từ AP.
Trong mạng phụ thuộc BSS, các trạm cần phải được kết nối với một điểm AP để có thể thực hiện các dịch vụ của mạng. Máy trạm di động kết nối vào mạng 802.11 tương đương với việc kết nối vào cáp mạng trong mạng Ethernet. Các máy trạm di
động luôn luôn khởi tạo quá trình kết nối và các điểm AP có thể lựa chọn để chấp nhận hay từ chối việc truy nhập dựa vào nội dung của một yêu cầu liên kết. Tại một thời điểm, một máy trạm di động chỉ có thể được nối tới một điểm AP. Các chuẩn 802.11 không giới hạn các trạm di động mà một AP có thể phục vụ.
1.3.4 Các khu vực dịch vụ mở rộng.
BSS có thể tạo ra một mạng bao phủ trong các văn phòng nhỏ hay ở nhà, nhưng không thể bao phủ một vùng rộng lớn. Chuẩn 802.11 cho phép mạng vô tuyến có kích cỡ tùy ý được tạo ra bằng cách liên kết các BSS và hình thành một tậpdịch vụ
mở rộng ESS ( Extend Service Set ). Một ESS được tạo ra bởi việc kết hợp các BSS với nhau với một khung mạng. Trong hình 1.18, ESS được ví dụ là một khối gồm 4 BSS có vùng phủ sóng chồng lấn lên nhau. Các trạm trong cùng một ESS có thể kết nối với nhau, kể cả khi các trạm này không cùng một khu vực dịch vụ cơ
bản BSA ( Basic Service Area) và thậm chí có thể di chuyển giữa các khu vực dịch vụ cơ bản. Để các trạm trong một ESS có thể kết nối với nhau, mội trường vô tuyến cần phải hoạt động giống như sự kết nối lớp 2 đơn giản. Các AP hoạt động như các cầu nối, do đó sự kết nối trực tiếp giữa các trạm trong một ESS yêu cầu một khung mạng là một kết nối lớp 2 dẫn đến bất kỳ một kết nối lớp liên kết nào cùng có thể đáp ứng được. Một số các AP trong một khu vực đơn lẻ có thể được nối tới một thiết bị Hub hoặc chuyển mạch và thông qua bộđịnh tuyến để kết nối với Internet.
Hình 1. 18: Tập dịch vụ mở rộng ESS
Các AP trong một ESS hoạt động phối hợp với nhau cho phép các mạng khác sử
dụng một địa chỉ MAC đơn giản để giao tiếp với một trạm bất kỳ trong ESS. Trong hình 1.17, bộđịnh tuyến sử dụng một địa chỉ MAC để phát đi các khung số liệu.
Khi đó bộ định tuyến không cần xác định vị trí của trạm di động mà chỉ dựa vào các điểm AP để phát đi các khung.
1.3.5 Hệ thống phân tán.
Hệ thống phân tán cung cấp khả năng liên kết linh hoạt bằng cách kết nối các điểm truy nhập AP. Khung dữ liệu được gửi đến hệ thống phân tán sẽ được chuyển tới
điểm AP thích hợp và được sắp xếp bởi điểm AP đó tới đích đến đã được xác định trước. Hệ thống phân tán chịu trách nhiệm xác định vị trí vật lý của một máy trạm và gửi đi các khung số liệu phù hợp. Khi một khung được gửi đi tới một trạm di
động, hệ thống phân tán thực hiện phát tới AP phục vụ trạm di động đó. Như trong hình 1.19, bộđịnh tuyến sử dụng địa chỉ MAC để truyền các khung số liệu đến máy trạm di động đích. Hệ thống phân tán của ESS được miêu tả trong hình 1.18, minh họa liên kết giữa các máy trạm và hệ thống phân tán thông qua điểm truy nhập AP với cầu nối thực hiện kết nối đến mạng đường trục.
Hình 1. 19: Hệ thống phân tán trong AP 802.11 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.4 Mô hình hệ thống RoIP
1.4.1 Khái niệm
Hệ thống RoIP (Radio over IP networks ) là hệ thống sử dụng mạng IP làm phương tiện truyền tải tín hiệu mang tin tức phát thanh theo thời gian thực. Thuật ngữ “Radio” sử dụng trong luận án với ý nghĩa “tín hiệu phát thanh” được hiểu là tín hiệu mang tin tức phát thanh qua mạng IP và được xử lý như một dạng số liệu truyền tải qua mạng IP chịu ràng buộc về tính đáp ứng thời gian thực và đây chính là yếu tố quan trọng liên quan đến chất lượng tín hiệu tái tạo tại đầu thu. Dịch vụ
thời gian thực truyền tải qua mạng IP được đặc trưng bởi sự ràng buộc về mặt thời gian có thể được phân nhóm theo tính chất đặc thù có tương tác ( hai chiều) và không có tương tác ( một chiều ) [5]. Do đặc thù của dịch vụ phát thanh quảng bá bao hàm tính thời gian thực và một chiều, không ương tác nên tác giả đã lựa chọn nguồn tín hiệu mang tin tức phát thanh làm đối tượng nghiên cứu và là nguồn tín hiệu đầu vào của hệ thống qua đó hạn chế phạm vi nghiên cứu nhằm đơn giản hóa cho vấn đề xử lý và đảm bảo chất lượng tại đầu thu do không yêu cầu tính tương tác hai chiều. Đồng thời đây cũng là nguồn tín hiệu thời gian thực tồn tại liên tục thuận tiện cho việc thực nghiệm.
1.4.2 Những lợi ích và cản trở công nghệ
Dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP - RoIP mang lại lợi ích rõ ràng
được xem xét theo 4 khía cạnh:
Giảm giá thành.
- Giảm chi phí truyền tải tín hiệu phát thanh giữa các đài trung ương và khu vực qua các hệ thống chuyển tiếp như cáp quang, vi ba hoặc vệ tinh như thể hiện trên hình 1.20.
- Chia sẻ thiết bị và chi phí vận hành cho cả người dùng dịch vụ số liệu và dịch vụ
truyền tín hiệu phát thanh kéo theo tăng hiệu quả sử dụng mạng IP.
Đơn giản hóa.
- Hỗ trợ các khuôn dạng thông tin cho phép mở rộng sự chuẩn hóa. - Giảm sự bổ sung thiết bị tổng thể và hỗ trợ tối ưu băng thông.
Tăng tính thống nhất.
- Giảm tính phức tạp và tăng tính linh hoạt khi sử dụng tổng hợp tập giao thức IP cho tất cả các ứng dụng.
- Dễ dàng chia sẻ các phương tiện như dịch vụ thư mục, dịch vụ bảo mật.
- Trong tương lai trên cơ sở dịch vụ RoIP sẽ chuyển hóa thành các ứng dụng đa dịch vụ và đa phương tiện (multimedia and multi-service applications).
Mục tiêu cơ bản của thông tin RoIP là cung cấp dịch vụ tin cậy, chất lượng cao với giá thành thấp. Tuy nhiên, mức độ của chất lượng dịch vụ không được đảm bảo trong các mạng IP hiện nay chủ yếu là do các hạn chế về mặt băng thông, các yếu tốảnh hưởng tổng hợp dẫn đến tổn thất gói, trễ và biến động trễ. Đây là ba tham số
chính xác định chất lượng dịch vụ thời gian thực truyền qua mạng IP cũng như ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu và sẽđược trình bày ở chương 2.
1.4.3 Mô hình hệ thống RoIP hiện tại của đài tiếng nói Việt Nam.
Các phương thức chuyển tiếp tín hiệu phát thanh truyền thống thể hiện trên hình 1.20 được thực hiện qua các môi trường thông tin vệ tinh, vi ba hoặc kết nối qua
đường truyền cáp quang. Khác với các phương thức chuyển tiếp tín hiệu truyền thống, mô hình truyền tải tín hiệu phát thanh qua Internet hiện tại của đài tiếng nói Việt Nam được thể hiện trên hình 1.21 lấy môi trường mạng máy tính làm giao thức truyền tải tín hiệu trên cơ sở giao thức IP. Vấn đề đặt ra với mô hình này là chưa có cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ, thực hiện theo phương thức truyền thông đơn hướng. Như đề cập trong 1.1, hệ thống hiện tại sẽ gặp các hạn chế nói chung của truyền thông đơn hướng đặc biệt là hạn chế về chất lượng khi số lượng người dùng tăng. Cũng như các phương thức chuyển tiếp tin hiệu truyền thống, mô hình truyền tải tín hiệu phát thanh hiện tại của đài tiếng nói Việt Nam này đòi hỏi sử dụng hệ thống chuyên dụng và các thiết bị xử lý tín hiệu phần cứng của nước ngoài có ưu điểm là có độ ổn định và tin cậy cao, nhưng đòi hỏi kinh phí đầu tư
lớn. Để tận dụng các ưu điểm như đã trình bày tại mục 1.4.2, cũng như giải quyết các khó khăn khi triển khai hệ thống RoIP đòi hỏi có những nghiên cứu cơ bản, chi tiết từ mô hình hệ thống, đề xuất gải pháp đảm bảo chất lượng, đến việc xây dựng chương trình và triển khai thực nghiệm. Vấn đề này được đề cập trong phần kế tiếp của luận án.
Phương thức phát thanh quảng bá
truyền thống Hình 1. 20: Mô hình phát thanh quảng bá qua
1.4.4 Mô hình hệ thống RoIP đề xuất
1.4.3.1 Giới thiệu
Hệ thống truyền tải tín hiệu tiếng nói qua mạng IP - VoIP được đề cập đến theo phương diện hệ thống thể hiện trên hình 1.22 thực hiện các chức năng sau:
o Chuyển đổi tín hiệu tải tín hiệu phát thanh tương tựÙ số.
o Mã hóa số liệu âm thanh và đóng gói số liệu theo giao thức IP. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
o Truyền các gói IP qua mạng IP đến phía thu.
o Tiến hành các quá trình ngược lại tại phía thu.
Hình 1. 21: Hệ thống VoIP truyền thống [19]
Để truyền tải các gói tin RoIP qua mạng IP, mô hình giao thức và các chuẩn hỗ
trợ truyền tải thời gian thực như thể hiện trên hình 1.23 được áp dụng. Khuyến nghị RFC 3550 quy chuẩn các giao thức truyền tải thời gian thực RTP (Real- Time Protocol) và giao thức điều khiển thời gian thực RTCP (Real-Time Control Protocol) để truyền tải và quản lý các tín hiệu tiếng nói và hình ảnh.
RTP được áp dụng chủ yếu cho các ứng dụng thời gian thực được thiết kế để đồng bộ các luồng lưu lượng khác nhau nhằm xử lý biến động trễ và sai nhầm thứ tự. Tuy nhiên, giao thức này không đảm bảo việc phân phối lưu lượng theo thời gian thực hoặc khôi phục các gói tin bị tổn thất cũng như đảm bảo băng thông sẵn có cho các ứng dụng xác định (không giải quyết vấn đề chất lượng dịch vụ).
RTCP là giao thức được áp dụng cùng giao thức RTP, dựa trên việc truyền dẫn
định kỳ các gói tin điều khiển tới các thành viên trong phiên làm việc. RTCP cung cấp cơ chế phản hồi chất lượng dịch vụ QoS và thông tin phiên làm việc
cho mục đích ghép kênh, điều khiển lỗi tiêu đề, nhận dạng ứng dụng thông qua số hiệu cổng . . .
Cả giao thức RTP và RTCP chạy trên đỉnh của giao thức UDP nhằm cung cấp khả năng thời gian thực tốt hơn và giảm bớt phần tiêu đề. Sau khi số hóa các mẫu tín hiệu phát thanh tương tự và mã hóa, thông tin RTP và RTCP được đóng vào gói IP với phần tiêu đề UDP để tạo thành yêu cầu truyền gói tin tín hiệu phát thanh.
Hình 1. 22: Các giao thức và chuẩn cho dịch vụ RoIP
1.4.3.2 Giao thức truyền tải thời gian thực RTP
Hình 1. 23: Tiêu đề gói RTP
Hiện nay hầu hết các ứng dụng audio, video thời gian thực đều sử dụng giao thức RTP để truyền tải dữ liệu. RTP nằm ở trên lớp giao thức truyền tải , điển hình là UDP hỗ trợ các dịch vụ thời gian thực và cung cấp khả năng phân phối dịch vụ từ đầu cuối đến đầu cuối. RTP hỗ trợ truyền tải các loại tải tin khác nhau cùng thông tin về nhãn thời gian cho phép xác định thời điểm tái tạo thông tin tại bên thu. Ngoài ra, RTP cũng mang thông tin về số thứ tự gói tin truyền tải, qua
đó ứng dụng tại đầu cuối có thể phát hiện các gói tin tổn thất, các gói tin nhận lặp lại cũng như các gói tin nhận sai thứ tự. căn cứ vào các thông tin đó, bên thu có thể thực hiện các giải thuật bù thất nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu thu nhận.
Theo khuyến nghị RFC 3550, cấu trúc gói RTP bao gồm phần tiêu đề và phần tải tin. Cấu trúc phần tiêu đề gói RTP phiên bản 2 được thể hiện trên hình 1.24, bao gồm một số trường thông tin chính được sử dụng trong luận án như sau:
- Phần tải tin PT (Payload Type) gồm 7 bit xác định khuôn dạng thông tin mang trong gói RTP kế sau phần tiêu đề.
- Số thứ tự gói tin (Sequence Number): gồm 16 bit, mang thông tin số thứ tự gói RTP được gửi từ bên phát và sẽ tăng tuần tự mỗi khi có một gói RTP được gửi
đi. Số thứ tự gói RTP cho phép hiện các gói tin tổn thất, các gói tin nhận lặp lại cũng như các gói tin nhận sai thứ tự.
- Nhãn thời gian (Time Stamp): gồm 32 bit phản ánh thời điểm lấy mẫu của mẫu dữ liệu đầu tiên trong phần tải tin và tăng lên một tương ứng với mỗi mẫu dữ
liệu cho dù các mẫu dữ liệu được truyền tải qua mạng hoặc bị hủy bỏ trong khi không có tín hiệu từ nguồn như trường hợp gặp khoảng lặng trong truyền tiếng nói. Nhãn thời gian giúp bên nhận tính toán biến động trễ của các gói RTP cũng nhưđồng bộ với bên phát.
Giao thức RTP được mở rộng và bổ sung bởi giao thức điều khiển RTCP (RTP control protocol) cho phép trao đổi thông tin của các thành viên tham gia phiên làm việc. RTCP thực hiện giám sát việc phân phối dữ liệu và cung cấp các chức năng thống kê cho người dùng. Các đầu cuối thu nhận có thể sử dụng RTCP như
một cơ cấu phản hồi thông tin trở lại bên phát về chất lượng trao đổi thông tin.