5. Kết cấu của luận án
1.4.4Mô hình hệ thống RoIP đề xuấ t
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.
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.
1.4.3.3 Hệ thống RoIP đề xuất
Hệ thống RoIP được đề xuất và xây dựng từ quan điểm áp dụng mô hình truyền tải tiếng nói/âm thanh [8][19][20] và mô hình truyền thông đa hướng qua mạng IP [12][13][51]. Hệ thống truyền tải tín hiệu phát thanh từ nguồn Tx đến đích Rx qua mạng IP cần thực hiện các chức năng sau:
Mã hóa / giải mã và tạo / mở gói
Để truyền tải tín hiệu phát thanh tương tự qua mạng IP, trước hết phải số hóa và mã hóa tín hiệu. Quá trình chuyển đổi được thực hiện bởi các bộ mã hóa (coder) và giải mã (decoder) trong tiến trình ngược lại. Điều xung mã PCM (Pulse Code Modulation) và điều xung mã vi sai ADPCM (Adaptive Differential PCM) là các (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
phương thức mã hóa/ giải mã (codec) dạng sóng được sử dụng phổ biến trong mạng điện thoại công cộng PSTN. Mã hóa dạng sóng sử dụng các kỹ thuật nén thông qua các đặc tính của biên độ tín hiệu. Khác với mã hóa dạng sóng, mã hóa nguồn nén tín hiệu phát thanh thông qua việc truyền tải các thông tin tham số của tín hiệu phát thanh, do đó yêu cầu băng thông nhỏ hơn.
Các kỹ thuật mã hóa cho truyền thoại qua mạng IP đã được chuẩn hóa bởi ITU-T và được áp dụng như các chuẩn G.711, G.723.1 và G.729. Bảng 2. 1 thể hiện thông tin đặc trưng cho các chuẩn sử dụng các kỹ thuật mã hóa tín hiệu khác nhau [28].
Bảng 2. 1: Một số thông số chuẩn mã hóa tín hiệu
Tên chuẩn Tốc độ (kbps) Kích thước khung (ms) Tỷ lệ nén
G.711 64 0,125 2:1
5,3 30 8:1 G723.1
6,3 30 7:1
G.729 8 10 8:1
Về tổng quát, việc sử dụng chuẩn G.711 có thể nhận được chất lượng tín hiệu phát thanh đầu ra tốt nhưng tỷ lệ nén thấp và tốc độ bit cao dẫn đến hạn chế
trong việc triển khai ứng dụng RoIP với hạ tầng mạng hiện nay chỉđáp ứng được các dịch vụ băng thông nhỏ. Cả hai chuẩn G.723.1 và G.729 có tỷ lệ nén cao với chất lượng tín hiệu phát thanh chấp nhận được cùng hệ sốđánh giá chất lượng MOS từ 3,65, đến 3,9.
Khối tạo gói là cơ cấu được thiết kế sau khối mã hóa thực hiện chức năng đóng gói số liệu âm thanh đã mã hóa theo chuẩn giao thức RTP/UDP/IP và tách gói trong quá trình ngược lại.
Đệm dữ liệu phát và đệm dữ liệu tái tạo
Trong hệ thống RoIP, các gói tin mang tín hiệu phát thanh ở phía phát được lưu giữ tại bộđệm phát trước khi truyền vào mạng IP. Bộđệm này có tác dụng đảm
bảo tốc độ nguồn phát ổn định dưới sự điều khiển của bộ tạo lịch trình phát dữ
liệu.
Tín hiệu được tái tạo tại phía thu đáp ứng tính thời gian thực theo thứ tự tạo ra bên phát. Chức năng cơ bản của bộđệm tái tạo là thu nhận, lưu giữ các gói tin và chuyển tiếp gói tin theo lịch trình tái tạo do cơ cấu điều khiển đưa ra. Lịch trình tái tạo có thể thực hiện theo phương thức cố định hoặc thích ứng nhưng cả hai phương thức trên đều yêu cầu đồng bộ giữa bên phát và bên thu do sự thay đổi của tình trạng mạng. Phương thức tạo lịch trình cốđịnh đơn giản nhưng gây nên trễ không đổi và không cho phép đáp ứng sự thay đổi của trễ mạng. Phương thức tạo lịch trình thích ứng được đưa ra để giải quyết các hạn chế trên và được điều khiển bởi các thuật toán điều khiển bộ đệm tái tạo tương ứng nhằm tận dụng khoẳng lặng (silence time) giữa các khoảng tín hiệu phát thanh tích cực (talkspurt) nhằm thay đổi thời gian tái tạo trong mỗi khoảng tín hiệu phát thanh tích cực.
Phát hiện khoảng tín hiệu tích cực / khoảng lặng
Tín hiệu phát thanh bao gồm khoảng tín hiệu tích cực và khoảng lặng được phân biệt bởi ngưỡng năng lượng của tín hiệu nguồn. Chức năng phát hiện khoảng tín hiệu tích cực và khoảng lặng được thực hiện tại khâu xử lý nguồn ở bên phát nhằm cho phép điều chỉnh lịch trình tái tạo theo khoảng tín hiệu tích cực và tiết kiệm băng thông đường truyền.
Bù tổn thất gói tin
Cơ cấu bù tổn thất gói tin PLC (Packet Loss Colcealment) được sử dụng đểđảm bảo chất lượng tín hiệu phát thanh tái tạo do các gói tin tổn thất. Cơ cấu PLC
được thực hiện tại đầu thu nhằm thay thế các gói tin đã bị tổn thất thông qua việc chèn nhiễu nền, khoảng lặng hoặc các gói tin trước đó.
Trên cơ sở các chức năng trên, luận án đề mô hình lý thuyết (hình 1.25), xuất mô hình cấu trúc giao thức (hình 1.26) và mô hình triển khai thực tế (hình 1.27) của hệ thống RoIP. Tín hiệu phát thanh nguồn từ bên phát (iVoVStation) theo kết nối
đơn hướng tới cổng chuyển đổi giao thức (iVoVGateway) được truyền tải qua mạng truy nhập đa hướng tới đầu thu (iVoVReceiver). Các thành phần trong mô hình lý thuyết được thực hiện tại máy chủ RoIP, các máy trạm và cổng chuyển
đổi giao thức. Thành phần iVoVGateway thực hiện chức năng chuyển đổi giao thức đơn hướng sang giao thức đa hướng và giao tiếp giữa mạng hữu tuyến và mạng truy nhập WLAN IEEE 802.11. Bên cạnh đó, để phục vụ việc đánh giá
ảnh hưởng của mạng khi không có điều kiện triển khai hệ thống trên môi trường thực tế (hình 1.5), chức năng phỏng tạo tham số QoS của mạng IP có thể được tích hợp iVoVGateway và được đề cập trong chương 2. Hệ thống RoIP đề xuất
được kiểm chứng bằng thực nghiệm tại chương 3.
Hình 1. 26: Mô hình triển khai thực nghiệm hệ thống RoIP đề xuất.
1.5 Kết luận chương 1
Truyền thông đa hướng qua mạng IP hạn chế được nhược điểm chiếm dụng
đường truyền khi số người dùng tăng cao của truyền thông đơn hướng cũng như (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trong truyền thông quảng bá khi gói tin được truyền tải đến tất cả người dùng trong mạng kể cả trong trường hợp không có yêu cầu. Đặc tính của truyền thông
đa hướng qua mạng IP có điểm tương đồng như phát thanh quảng bá ở chỗ
người dùng chỉ cần gia nhập nhóm đa hướng tương ứng với việc bật máy thu và lựa chọn tần số của đài muốn nghe là có thể thu nhận được các thông tin mà đài
đó cung cấp. Đối với truyền thông đa hướng, địa chỉ multicast có vai trò như tần số của đài cần nghe và máy tính có vai trò như chiếc máy thu radio. Khi đó, người dùng có thể thay đổi địa chỉ nhóm multicast của máy tính để tham gia vào một nhóm multicast khác, tương tự như việc ta thay đổi tần số máy thu để
chuyển sang chương trình khác. Việc kết hợp truyền thông đa hướng với môi trường mạng truy nhập vụ tuyến WLAN IEEE 802.11 hình thành một phương thức truy nhập nguồn tín hiệu phát thanh mới, vừa tận dụng băng thông đường truyền, dễ dàng quản lý thông qua địa chỉ nhóm multicast cũng như tận dụng hạ
tầng mạng Internet sẵn có và các điểm truy nhập Wi-Fi đang ngày được mở
rộng.
Một hệ thống RoIP điển hình bao gồm một số thành phần và cơ cấu chính nhằm
điều khiển quá trình truyền tải số liệu tín hiệu phát thanh và được lựa chọn liên quan đến các khía cạnh chi phí đầu tư, hiệu quả hệ thống và chất lượng dịch vụ. Hệ thống RoIP có thể mang lại các ưu điểm nổi bật như hiệu suất sử dụng hệ
thống cao nhờ việc tận dụng hạ tầng mạng IP hiện có, tiết kiệm băng thông, hỗ
trợ các ứng dụng đa điểm. Tuy nhiên, do đặc tính của các mạng IP, việc triển khai hệ thống RoIP phải đối mặt với một số thách thức, đặc biệt về khía cạnh chất lượng dịch vụ QoS. Tổn thất gói tin, trễ mạng và biến động trễ mạng là 3 tham số chính ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu tái tạo tại đầu thu. Việc nghiên cứu các cơ cấu và phương thức điều khiển thích ứng với tình trạng mạng có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng của hệ thống RoIP.