L: Cường độ sáng nhỏ nhất,
2. Sự cần thiết về bảo đảm hiệu suất của hai đầu cuố
Âm thanh và video số là phương tiện liên tục theo thời gian. Nó phải được lấy mẫu và được phát lại trong các thời khoảng bằng nhau, hay chất lượng quan sát không thể chấp nhận được là thấp. Tính chất này được gọi là tính đồng thời (isochrony).
Ví dụ: Điện thoại số dùng các mẫu dạng 8 bit, trong mỗi 125 µs. Trong quá trình phát lại, một mẫu n được phát, mẫu n+1 phải được phát trong thời khoảng cố định (125
µs) sau đó, hơn hay kém một biến thiên nhỏ. Nếu mẫu n+1 không sẳn sàng đúng thời điểm phát, thì tốt hơn là bỏ nó đi. Vì phát một mẫu không đúng thời điểm có thể cho chất lương âm thanh tệ hơn là bỏ qua nó. Trong thực hành, nói chung người ta bỏ qua các mẫu bị trể.
Thêm vào đó, khi người ta bị vướng trong vòng lặp truyền thông (comunication loop), toàn bộ độ trể phải được giử ở mức thấp hơn một ngưỡng chấp nhận được. Tương đối dễ trong bảo đảm hiệu xuất của truyền thông đa phương tiện, nếu sử dụng máy tính chuyên dùng và mạng chuyển mạch kênh.
Vì lý do kinh tế, người ta thiên về sử dụng hệ thống đa phương tiện được phân tán, chia sẻ cho nhiều người dùng và sử dụng mạng chuyển mạch gói thay vì mạng chuyển mạch kênh chuyên dùng. Trong môi trường hoạt động này, các gói dữ liệu (chứa các frame) không đến đích đúng thời khoảng xác định được yêu cầu bởi âm thanh và video đồng thời vì thời gian trong xử lý và truyền thay đổi. Vì sự biến thiên độ trể, các gói đến bộ tiếp nhận có thể không được phát ngay. Cách tiếp cận chung là dùng một bộ đệm (buffer) để loại bỏ biến thiên độ trể trước khi phát.
2.1. Loại bỏ biến thiên độ trể:
Nhiều nhân tố gây ra biến thiên độ trể như: thời gian xử lý gói khác nhau, thời gian truy cập mạng khác nhau, và độ trể xếp hàng khác nhau.
Biến thiên độ trể có thể được loại bỏ với một bộ đệm vào trước ra trước (FIFO) ở đích đến trước khi phát. Các gói đến được đặt trong bộ đệm này theo một tốc độ khác nhau. Thiết bị hiển thị sẽ lấy ra các gói trong bộ đệm tại thời khoảng được xác định bởi trạng thái tự nhiên của phương tiện. Nguyên tắc của kỹ thuật đệm này là thêm một lượng biến thiên của độ trể vào mổi gói sao cho toàn bộ độ trể mỗi gói từ nguồn đến đích là như nhau. Vì vậy được gọi là bộ đệm cân bằng độ trể (delay equalizing buffer).
Trong hình, các khối xử lý, bao gồm tất cả các hoạt động được đưa vào các hệ thống đầu cuối. Giả sử có thể trải qua độ trể (ngoài thời gian đệm cân bằng độ trể) xếp từ tối thiểu dmin đến tối đa dmax. Nếu một gói trải qua một độ trể d được đệm trong thời gian (dmax-d), mỗi gói có cùng độ trể tổng cộng dmax. Nếu khách hàng bắt đầu hiển thị dữ liệu trong dmax giây sau khi nó được gởi, mỗi gói sẽ được phát lại đúng thời gian tốc độ phát lại bằng với tốc độ sinh dữ liệu.
Chiến lược đệm rất quan trọng và được sử dụng trong hầu hết các hệ thống để đạt đươc một biến thiên độ trể nhịp nhàng.
Trong kế hoạch đệm này, thời gian yêu cầu đệm tối đa cho một gói là (dmax-dmin), nó chính là biến thiên độ trể tối đa. Biến thiên độ trể lớn hơn, thì yêu cầu đệm lớn hơn.
Để đạt yêu cầu truyền thông đa phương tiện, bộ đệm không được tràn hoặc thiếu hụt. Kích thước bộ đệm không quá lớn, một bộ đệm lớn hơn có nghĩa là sẽ đắt tiền hơn và độ trể chung lớn. Để đạt được mục tiêu của thiết kế này, hệ thống đa phương tiện phải có một số các yêu cầu trong giới hạn độ trể truyền thông và biến thiên độ trể.
Chúng ta dùng mô hình sản xuất – tiêu thụ để phân tích những yêu cầu băng thông truyền, độ trể và biến thiên độ trể. Để đơn giản, chúng ta thừa nhận thông tin đa phương tiện được mã hoá với hằng số tốc độ bit, qua đó cũng áp dụng dòng biến thiên tốc độ bít được mã hoá. Hằng số mã hoá tốc độ bit, có nghĩa là tại thiết bị hiển thị đầu cuối, dòng dữ liệu tiêu thụ ở tốc độ cố định.
Ta đưa ra một hàm đến A(t) và một hàm tiêu thụ C(t).
A(t) chỉ số lượng dữ liệu đến và C(t)
chỉ số lượng dữ liệu tiêu thụ trong thời gian từ 0 đến t. Cả hai A(t) và C(t) là các hàm không suy biến.
C(t) tăng theo tốc độ cố định. A(t)
không tăng theo tốc độ cố định do biến thiên độ trể.
Giả sử thời điểm khi gói đầu tiên được
truyền là 0, thời điểm gói này đến là t1 và thời điểm phát lại là t2, ta có hàm đến A(t-t1) và hàm tiêu thụ C(t-t2).
Ta có yêu cầu liên tục A(t-t1) ≥ C(t- t2). Sự khác nhau được đệm tại khách
2.2. Yêu cầu băng thông
Độ dóc của A(t-t1) biểu diễn tốc độ dữ liệu đến. Giá trị trung bình của tốc độ đến phải bằng với tốc độ tiêu thụ.
Nếu tốc độ đến trung bình < tốc độ tiêu thụ, sự khác nhau của A(t-t1) và C(t-t2) tăng theo thời gian.
Để dòng dữ liệu được phát lại thành
công, hoặc kích thước bộ đệm phải vô hạn hoặc dòng dữ liệu chỉ duy trì một thời gian giới hạn.
Để ngăn chặn điều này, phải dùng bộ
điều khiển tốc độ để bộ phát gởi dữ liệu bằng với tốc độ tiêu thụ, các hệ thống con sẽ phân phát dữ liệu theo tốc độ phỏng chừng này.
Nếu tốc độ đến trung bình > tốc độ tiêu thụ, để thoả mãn yêu cầu A(t-t1)-C(t-t2)>=0. Nghĩa là độ trể ban đầu rất dài.
Hệ quả là thời gian đáp ứng rất dài và
yêu cầu bộ đệm ban đầu rất lớn.
Hình 4.4: Cho thấy dòng dữ liệu chờ
được phát lại dài hơn, độ trể ban đầu độ dài, và yêu cầu bộ đệm lớn hơn.
Như vậy, để dòng dữ liệu được phát lại
thành công thì bộ phận phát (bao gồm: tìm dữ liệu, xử lý và truyền trên mạng) phải gởi dữ liệu bằng với tốc độ tiêu thụ
Băng thông truyền từ đầu này đến
đầu kia phải bảo đảm ít nhất bằng tốc độ tiêu thụ.
2.3. Yêu cầu độ trể và biết thiên độ trể
Sự cần thiết của giới hạn độ trể là hiển nhiên, nhất là trong các ứng dụng tương tác. Trong hình 4.2 và hình 4.4, t1 biểu diễn độ trể từ lúc gói thứ nhất được truyền tới khi gói đó đến khách hàng. Thời gian đến sớm nhất của gói thứ nhất là t1=t2, nếu độ trể không bị giới hạn thì thời gian đáp ứng sẽ không giới hạn. Đây là điều không mong muốn của hệ thống tương tác, như vậy độ trể được giới hạn là yêu cầu của các hệ thống đa phương tiện.
Kích thước bộ đệm = thời gian đệm x tốc độ dữ liệu đến. Thời gian đệm tối đa bằng với biến thiên độ trể gói cực đại. Vậy, biến thiên độ trể lớn thì yêu cầu kích thước bộ đệm lớn Vì vậy để giới hạn kích thước bộ đệm phát lại thông tin đa phương tiện, biến thiên độ trể sẽ được giới hạn.
2.4. Tóm tắt
Những thảo luận ở trên cho thấy bảo đảm băng thông để phát lại thành công phương tiện liên tục thì giới hạn độ trể và biến thiên độ trể được yêu cầu trong toàn bộ quá trình truyền thông.
Chú ý rằng sự bảo đảm nói trên được cung cấp từ đầu này đến đầu kia: Từ sản xuất dữ liệu (camera, microphone, and storage) đến các thiết bị trình bày (monitor and speaker).
– Tốc độ bit đến được xác định bởi hệ thống con chậm nhất trong hệ thống. Vậy thiết bị chậm nhất có thể được hỗ trợ một tốc độ bit trung bình ít nhất bằng với tốc độ tiêu thụ.
– Độ trể từ đầu này đến đầu kia là tổng các độ trể của tất cả hệ thống con trong hệ thống truyền thông, vậy độ trể của các hệ thống con cũng phải được giới hạn. – Tương tự, biến thiên độ trể là tổng biến thiên độ trể của các hệ thống con, vậy
biến thiên độ trể của các hệ thống con cũng phải được giới hạn.
– Trên lý thuyết biến thiên độ trể được giới hạn khi độ trể được giới hạn: Nó được chỉ ra bởi sự khác nhau giữa độ trể gói tối đa và tối thiểu.
– Nhưng một độ trể tổng cộng chấp nhận được không bảo đảm một biến thiên độ trể chấp nhận được.
Ví dụ: Trong ứng dụng tìm kiếm thông tin: Một độ trể tối đa 2 giây có thể chấp nhận được. Nhưng biến thiên độ trể 1.9 giây thì không chấp nhận được, vì để đệm 1.9 giây video, ta cần bộ đệm đến vài Mbytes. Trong trường hợp này giới hạn biến thiên độ trể cũng phải được đặc tả và bảo đảm.
Một thông số quan trọng khác là hệ số lỗi. Có hai kiểu lỗi: lỗi bit và mất gói.
– Lỗi bit có nguyên nhân thông thường là do nhiểu và giao thoa. Nó rất thấp trong các mạng hiện đại.
– Mất gói có nguyên nhân chủ yếu ở bộ chuyển mạch mạng do nó không đủ không gian bộ đệm.
Thông lượng, độ trể và tỷ lệ lỗi có quan hệ với nhau.
– Khi một hệ thống (hay mạng) có băng thông không đủ, các gói có thể bị chậm hoặc bị loại bỏ. Vì thế, nếu một mạng có thể gặp cả hai, độ trể và hệ số lỗi được yêu cầu, yêu cầu thông lượng được đáp ứng một cách tự động.
– Trong thực hành, yêu cầu thông lượng được đặc tả một cách rõ ràng gắn liền với độ trể và hệ số lỗi, để thuận tiện quản lý tài nguyên khi một kết nối được yêu cầu và được thiết lập.
Vì độ rộng băng thông giữa hai đầu cuối, tỷ lệ lỗi, độ trể, biến thiên độ trể được xác định một cách kết hợp bởi tất cả các hệ thống con của hệ thống truyền thông, chúng ta xét mỗi hệ thống con và vai trò của nó trong cung cấp bảo đảm hiệu suất giữa hai đầu cuối. Trước khi thảo luận chi tiết vấn đề này, chúng ta trao đổi vắn tắt sự khác nhau giữa đảm bảo hiệu quả trong hệ thống đa phương tiện và trong hệ thống thời gian thực quyết định như các hệ thống kiểm soát không lưu và dẫn đường tên lữa.