BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
YZWX WXYZ ĐỖ TRỌNG TUẤN
MỘT PHƯƠNG PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG
CHO DỊCH VỤ TRUYỀN THÔNG ĐA HƯỚNG
THỜI GIAN THỰC QUA MẠNG IP Chuyên ngành: Thông tin vô tuyến, phát thanh và
vô tuyến truyền hình
Mã số: 2.07.02
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. PHẠM MINH HÀ
nói Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn
thành luận án.
Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình và những góp ý quý báu của các anh chị và
các bạn đồng nghiệp tại phòng thí nghiệm kỹ thuật thông tin: TS. Nguyễn Hữu
Thanh, ThS. Đỗ Trọng Tú, TS. Nguyễn Văn Đức, ThS. Nguyễn Quốc Kh
ương,
TS. Trần Thị Ngọc Lan, TS. Nguyễn Hữu Trung. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy
Phạm Văn Tuân đã chỉ dẫn và giới thiệu giúp tôi liên hệ thực tế, cảm ơn anh
Nguyễn Năng Khang đã nhiệt tình giúp tôi tìm hiểu cấu hình thực tế hệ thống kỹ
thuật của Đài Tiếng Nói Việt Nam.
Tôi xin chân thành cảm ơn giáo sư Tomio Takara và các thành viên phòng thí
nghiệm xử lý tiếng nói, Bộ môn Kỹ thuật Thông tin, Đại họ
c Ryukyus đã tạo điều
kiện giúp đỡ tôi triển khai mô hình thực nghiệm giữa ĐHBK Hà Nội và ĐH
Ryukyus, Nhật Bản. Xin cảm ơn người bạn Pin Hu đang nghiên cứu tại Đại học
Plymouth-Anh quốc, về nhiệt tình khoa học và các số liệu mà anh đã cung cấp.
Tôi đặc biệt cảm ơn Gia đình, Thầy tôi và Người bạn thân thiết đã động viên tôi
trong những lúc khó khăn.
NCS. Đỗ Trọ
ng Tuấn MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời Cảm ơn
Mục lục
Danh mục các từ khóa, các từ viết tắt
Danh sách các hình vẽ, các bảng và kí hiệu toán học
MỞ ĐẦU
PHÁT THANH KHI TRUYỀN TẢI QUA MẠNG IP
2.1 Các tham số chất lượng mạng 40
2.1.1 Giới thiệu 40
2.1.2 Tổn thất gói tin 41
2.1.3 Trễ và biến động trễ 44
2.2 Đề xuất mô hình phỏng tạo tham số QoS qua mạng IP 48
2.2.1 Kiến trúc mô hình 48
2.2.2 Phỏng tạo tham số mạng IP đa hướng 50
2.3 Kết quả triển khai thực nghiệm 51
2.4 Kết luậ
n chương 2 58
CHƯƠNG 3: ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU TẠI ĐẦU THU
TRUYỀN TẢI QUA MẠNG IP THEO THỜI GIAN THỰC
3.1 Vấn đề tái tạo tín hiệu phát thanh tại đầu thu 60
3.2 Thuật toán ước đoán trễ tái tạo 61
3.2.1 Thuật toán trung bình hàm mũ Exp-Avg 61
3.2.2 Thuật toán trung bình hàm mũ nhanh F-Exp-Avg 63
3.2.3 Thuật toán trễ tối thiểu Min-D 63
3.2.4 Thuật toán phát hiện đột biến Spike-Det 63
3.2.5 Thuật toán cửa sổ 64
3.3 Đánh giá chất lượng tín hiệu tại đầu thu 66
3.3.1 Phương pháp đánh giá chất lượng ch
ủ quan 68
3.3.2 Phương pháp đánh giá chất lượng khách quan 69
3.4 Giải pháp đảm bảo chất lượng truyền tải tín hiệu phát thanh
BSA Basic Service Area
Vùng dịch vụ cơ bản
BSA Basic Service Area
Vùng dịch vụ cơ bản
BSS Infrastructure Basic Service Set
Cấu hình mạng phụ thuộc
CODEC Coder / Decoder
Bộ mã hóa / giải mã
DAT Digital Audio Tape
Băng âm thanh số
DAW Digital Audio WorkStation
Máy trạm xử lý âm thanh số
DCR Degradation Category Rating
Đánh giá phân loại theo mức
suy giảm chất lượng
DMOS Degradation MOS
Điểm đánh giá suy giảm chất
lượng
DSL Digital Subscriber Line
Đường dây thuê bao số
DSSS Direct Sequence Spectrum Spread
Trải phổ dãy trực tiếp
eRTP enhanced RTP packet
Gói RTP cải tiến
ESS Extended Service Set
Vùng dịch vụ mở rộng
FCC Frequency Commission
Tổ chức quản lý tần số
FEC Forward Error Correction
Sửa lỗi trước
IPv4 Internet Protocol version 4
Giao thức IP phiên bản 4
ITU
International Telecommunication
Union
Tổ chức viễn thông quốc tế
iVoVGateway
internet Voice of VietNam
Gateway
Cổng chuyển đổi giao thức
truyền tải tín hiệu phát thanh
qua mạng IP
iVoVReceiver
internet Voice of VietNam
Receiver
Máy thu tín hiệu phát thanh
qua mạng IP
iVoVStation internet Voice of VietNam Station
Máy chủ phát thanh qua
mạng IP
LLC Logical Link Control
Điều khiển liên kết dữ liệu
logic
LPC Linear Predictive Encoding
Mã hoá dự đoán tuyến tính
LPC Linear Predictive Coding
Mã hóa dự đoán tuyến tính
LR Loss Rate
Tỷ lệ tổn thất
MAC Media Access Control
Đánh giá cảm nhận chất
lượng tiếng nói
PLC Packet Loss Concealment
Bù tổn thất gói tin
POW Poor or Worse
Thông số đánh giá độ chất
lượng tồi
PQoS Perceived Quality of Service
Chất lượng dịch vụ thu nhận
PSQM
Perceptual Speech Quality
Measurement
Đo đạc chất lượng tiếng nói
cảm nhận
QoS Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
RECAD
Radio source total Eneregy
Calculation and Activity
Detection
Tính toán tổng năng lượng tín
hiệu phát thanh nguồn và
phát hiện khoảng tích cực tín
hiệu
RFC Request For Comment
Khuyến nghị
RoIP Radio over IP
Truyền tải tín hiệu mang tin
tức phát thanh qua mạng IP
RTCP RTP Control Protocol
thông không hướng kết nối
qua mạng IP
UHF Untra High Frequency
Tần số siêu cao
URouter Unicast Router
Bộ định tuyến hỗ trợ truyền
thông đơn hướng
VLAN Virtual LAN
Mạng LAN ảo
VoIP Voice over IP
Truyền thoại sử dụng giao
thức IP
WLAN Wireless Local Area Network
Mạng máy tính cục bộ không
dây DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Mô hình mạng tích hợp phân cấp hỗn hợp trên nền IP 8
Hình 1. 2: Mô hình truyền tin đơn hướng 9
Hình 1. 3: Mô hình truyền tin quảng bá. 9
Hình 1. 4: Mô hình truyền tin đa hướng 10
Hình 1. 5: Tiến trình phát triển của MBONE 11
Hình 1. 6: Cấu trúc hệ thống truyền thông đa hướng qua mạng IP 13
Hình 1. 7: Cơ chế đường hầm liên kết các ốc đảo multicast 13
Hình 1. 8: Đóng gói IP multicast theo cơ chế tunneling 14
Hình 1. 9: Cơ chế đường h
ầm liên kết các MRouter 14
Hình 1. 10: Mô hình kiến trúc hệ thống IP Multicast 15
Hình 1. 11: Địa chỉ IP Multicast 17
Hình 2. 18: Tín hiệu thu khi xảy ra tổn thất gói tin 58
Hình 3. 1: Các thông số thời gian của gói tin thứ i 60
Hình 3. 2: Giải thuật thực hiện thuật toán Exp-Avg và F- Exp-Avg [6] 62
Hình 3. 3: Thuật toán Spike-Det [6] 64
Hình 3. 4: Thuật toán cửa sổ [6] 65
Hình 3. 5: Quan hệ giữa khoảng tích cực tín hiệu và khoảng l
ặng 66
Hình 3. 6: Phân cấp chất lượng tín hiệu phát thanh [3] 67
Hình 3. 7: Cấu trúc thực hiện thuật toán PESQ 70
Hình 3. 8: Mô hình thiết lập thông số nguồn 76
Hình 3. 9: Thuật toán xác định tổng mức năng lượng tín hiệu nguồn tại phía phát
78
Hình 3. 10: Mô hình thực hiện thuật toán xác định tổng mức năng lượng tín hiệu
nguồn tại phía phát 79
Hình 3. 11: Cấu trúc gói tin eRTP 79
Hình 3. 12: Thuật toán xác định tổng năng lượng tín hiệu phân đoạn tại phía thu80
Hình 3. 13: Mô hình xác định tổng mức năng lượng phân đoạn tại phía thu 81
Hình 3. 15: Chương trình phát (a)-thu (b) tín hiệu phát thanh qua mạng IP 84
Hình 3.16: Mô hình thực nghiệm 1 chiều giữa Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học
Ryukyu - Okinawa, Nhật bản 85
Hình 3.17: Mô hình thực nghiệm 2 chiều giữa Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học
Ryukyu - Okinawa, Nhật bản 86
Hình 3.18: Tham số trễ mạng đo thực tế phân bố theo thời gian - đột biến trễ có chu
kỳ [ thời điểm đo: 21:37:46 giờ ngày 14-12-2005 ] 87
Hình 3.19: Tham số trễ mạng đo thực tế phân bố theo trị số - đột biến trễ có chu kỳ
[ thời điểm đo: 21:37:46 giờ ngày 14-12-2005 ] 88
Hình 3.20: Tham số trễ mạng đo thực tế phân bố theo thời gian - đột bi
ến trễ không
có chu kỳ [ thời điểm đo: 20:57:29 giờ ngày 16-12-2005 ]
: Xác xuất tổn thất của gói tin thứ i.
P
%
: Xác xuất tổn thất gói tin ước đoán.
tot
L
: Tổng số gói tin bị tổn thất.
N
: Tổng số gói tin được truyền tải.
0
P
: Xác xuất gói tin không bị tổn thất.
1
P
: Xác xuất gói tin bị tổn thất.
p
: Xác xuất gói tin bị tổn thất khi gói tin kề trước không bị tổn thất.
q
: Xác xuất gói tin bị tổn thất khi gói tin kề trước bị tổn thất.
k
p
: Xác xuất xảy ra tổn thất gói tin theo cụm có độ dài k gói tin liên tiếp.
i
O
: Cụm tổn thất gói tin gồm i gói tin liên tiếp, i = 1,2 . . . n.
i
D
: Trễ mạng của gói tin thứ i.
i
R
TT
t∆
: Trễ hành trình hai chiều gói tin
i
t
: Thời điểm phát từ đầu phát của gói tin thứ i.
i
r
:
Thời điểm đến đầu thu của gói tin thứ i.
i
p
: Thời điểm tái tạo gói tin thứ i.
i
n
: Trễ của gói tin thứ i gây nên bởi mạng.
v
i
: Biến động trễ mạng của gói tin thứ i
b
i
: Thời gian trễ của gói tin thứ i lưu giữ trong bộ đệm tái tạo.
d
i
mã hóa/giải mã và độ tổn thất.
I
d
: Thông số ảnh hưởng của trễ.
I
s
: Yếu tố ảnh hưởng tổng hợp của vấn đề đồng bộ tín hiệu.
A: Hệ số kỳ vọng cho phép bù các yếu tố ảnh hưởng khi tồn tại các yếu tố thuận
lợi trong việc truy nhập của người dùng.
m: Chỉ số mẫu tín hiệu trong khung đang xét
[]
t
n
xm
: Giá trị mẫu tín hiệu của nguồn phát.
[]
r
n
xm
: Giá trị của mẫu tín hiệu nhận được phía thu.
E
S
(n): Năng lượng tín hiệu của khung n gồm M mẫu tín hiệu.
E
N
(n): Năng lượng nhiễu tổng cộng của khung n gồm M mẫu tín hiệu.
t∆
: Chu kỳ phát phát gói tin [ms]
sz:
()
i
F
i
es
: Năng lượng tín hiệu mẫu i của khung
i
F
s
N
: Tổng số mẫu tín hiệu của khung
i
FMỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, phát thanh quảng bá qua môi trường vô tuyến vẫn là một kênh thông tin
hữu ích phục vụ cuộc sống của con người. Cùng với sự phát triển của công nghệ tin
học viễn thông, đặc biệt là sự gia tăng nhanh chóng của Internet cả về hạ tầng mạng
và nhu cầu phát triển các dịch vụ mới như mua sắm trực tuyến, giải trí qua mạng . .
công nghệ phát thanh cũng có những chuyển biến theo xu hướng hình thành một
phương thức truyền tải mới, lấy Internet làm công cụ quảng bá tín hiệu phát thanh
tới bạn nghe đài.
Hình 1: Phân bố người dùng tại Hoa Kỳ sử dụng dịch vụ quảng bá
phát thanh - truyền hình qua Inetenet [58].
thu
ật toán điều khiển tham số nguồn thích ứng theo tình trạng hệ thống nhằm đảm
bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu. Thiết lập mô hình đánh giá các tham số chất
lượng dịch vụ QoS và đề xuất mô hình đo đạc thông số chất lượng tín hiệu phát
thanh tại đầu thu qua mạng IP theo thời gian thực.
2. Đối tượng và mục đích nghiên cứu của luận án
Xuất phát từ các vấn đề nêu trên, luận án xác định mô hình hệ thống và chất lượng
dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP là đối tượng
nghiên cứu của luận án với những vấn đề tập trung chủ yếu như sau:
Nghiên cứu đề xuất và xây dựng mô hình ứng dụng truyền tải tín hiệu phát
thanh thời gian thực qua mạng IP kết hợp trên hai phương diện kết h
ợp truyền
thông đơn hướng (unicast) với truyền thông đa hướng (multicast) và môi trường
truyền tải hữu tuyến với mạng truy nhập vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.11. Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số mạng đến chất lượng tín hiệu phát
thanh truyền tải qua mạng IP. Đề xuất và xây dựng công cụ phỏng tạo mạng phục
vụ kiểm chứng mô hình và phương pháp đảm bảo chất lượng theo thời gian thực.
Nghiên cứu các phương thức đánh giá chất lượng tín hiệu truyền tải qua
mạng IP. Đề xuất mô hình đo đạc đánh giá chất lượng tín hi
ệu phát thanh tại đầu
thu theo thời gian thực. Trên cơ sở đó, đề xuất phương pháp đảm bảo chất lượng
dịch vụ RoIP sử dụng thuật toán điều khiển thông số nguồn thích ứng theo tình
trạng hệ thống nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu thu.
3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước
Từ những năm 1980, vấn đề truyền tải tín hiệu tiếng nói theo phương thức chuyển
mạch gói trong phạm vi mạng cục bộ đã được đề cập nghiên cứu [8]. Tuy vậy,
trong thời gian gần đây nhiều vấn đề như cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ,
phương thức thỏa hiệp giữa độ tổn thất và biến động trễ
thay thế gói bị tổn thất. Trong trường hợp đó, tỷ lệ tổn thất có thể lên tới 10% [38].
Bên cạnh đó, để duy trì tính thời gian thực và tương tác, độ trễ từ đầu cuối đến đầu
cuố
i phải được đảm bảo dưới 150 ms hoặc thấp hơn đối với các ứng dụng có tính
tương tác cao [3]. Chuẩn G.114 của ITU-T [1] khuyến nghị trễ từ đầu cuối đến đầu
cuối tối đa dưới 150 ms sẽ cho chất lượng tốt, phạm vi trễ từ 150-400 ms có thể
chấp nhận được. Một tham số khác ảnh hưởng nhiều đến chất lượng truyền thông
tín hiệu phát thanh
đó là độ biến động trễ. Biến động trễ nhỏ và loại bỏ biến động là
yêu cầu để tái tạo được tín hiệu phát thanh không bị gián đoạn nhằm đảm bảo chất
lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu. Đối với dịch vụ thời gian thực, biến động trễ
là một yếu tố quan trọng, hiện đang được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần
đây nhằm giải quyết bài toán đảm bảo chất lượng dịch vụ. Đột biến trễ (Delay
Spike) là yếu tố chủ yếu gây nên biến động trễ và có thể ảnh hưởng rất lớn đến chất
lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu. Các nghiên cứu trước đây [5],[6][48] đều cho
thấy thực tế tồn tại của đột biến trễ trong trễ qua mạng Internet. Đột biến trễ
được
cấu thành bởi sự tăng đột ngột của trễ mạng trong một khoảng thời gian nhất định
kéo theo một chuỗi các gói tin được thu nhận liên tiếp thành từng cụm. Các nghiên
cứu trên cũng chỉ ra đột biến trễ có thể ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng tín hiệu
tại đầu thu.
Hiện nay, kỹ thuật sử dụng bộ đệm tái tạo được
đề cập là một trong những cơ cấu
quan trọng để đáp ứng tính thời gian thực và tương tác của dịch vụ thời gian thực
qua mạng IP [3][5][6][7][9]. Bộ đệm tái tạo lưu giữ tạm thời và tạo lịch trình cho
thời điểm tái tạo tín hiệu phát thanh thu được từ các gói RTP/UDP/IP. Cơ chế tạo
lịch trình có thể được thực hiện theo phương thức cố định và phương thứ
c thích
ứng. Giữa hai phương thức trên thì phương thức tạo lịch trình thích ứng linh hoạt
hơn trong các trường hợp tình trạng mạng thay đổi theo thời gian. Khi đó lịch trình
giá khách quan cần được nghiên cứu áp dụng để đánh giá chất lượng tín hiệu phát
thanh t
ại đầu thu.
Hầu hết các nghiên cứu gần đây nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu tiếng nói/âm
thanh truyền tải qua mạng IP theo thời gian thực đều tập trung vào giải quyết theo
hai hướng: Thứ nhất là trên cơ sở dành sẵn tài nguyên mạng [34]. Hướng này phụ
thuộc vào quy hoạch mạng của nhà cung cấp dịch vụ Internet và khó kiểm soát.
Thứ hai là hướng xử lý tối ưu lịch trình tái tạo tín hiệu t
ại bộ đệm tái tạo như đã đề
cập ở trên. Hướng này có ưu điểm là được thực hiện tại đầu thu nên không phụ
thuộc vào hạ tầng mạng và có thể xử lý thích ứng với các tham số mạng IP. Tuy nhiên, chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP phụ thuộc chặt
chẽ vào các thông số nguồn và các tham số mạng. Các thông số nguồn được thiết
lập cố định không có khả năng thích ứng với tình trạng mạng thay đổi ngẫu nhiên
theo thời gian. Do đó, vấn đề đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu sử dụng
phương thức điều ch
ỉnh thông số nguồn theo thời gian thực cần được quan tâm
nghiên cứu và kiểm nghiệm qua thực tế.
Từ tháng 8/2005, đài tiếng nói Việt Nam bắt đầu hỗ trợ khả năng nghe đài phát
thanh qua mạng Ineternet. Người dùng Internet sử dụng phần mềm real player để
nghe đài tiếng nói việt nam qua mạng Internet. Vấn đề đặt ra với phương thức phát
thanh qua mạng Internet hiện tại là chưa có cơ chế đảm bảo ch
ất lượng dịch vụ,
thực hiện theo phương thức truyền thông đơn hướng dẫn đến các hạn chế về chất
lượng khi số lượng người dùng tăng cao, cũng như khó khăn trong trường hợp mở
rộng dịch vụ. Vấn đề làm chủ công nghệ để có thể tùy biến thành ứng dụng đặc thù
cũng cần được quan tâm nghiên cứu. Với Việt Nam, vấn đề
đảm bảo chất lượng
truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực
qua mạng IP theo thông số nguồn và thông số mạng ảnh hưởng đến chất lượng tín
hiệu phát thanh tại đầu thu. Luận án đề xuất mô hình và xây dựng công cụ phỏng
tạo tham số QoS của mạng IP. Mođun phỏng tạo được tích hợp trong thành phần
cổng chuyển đổi giao thức iVoVGateway của hệ thống RoIP nhằm phỏng tạo ảnh
hưởng của môi trườ
ng truyền tải tới tín hiệu tại đầu thu.
Chương 3: Nghiên cứu vấn đề đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu theo hai
khía cạnh: thứ nhất, các cơ chế tái tạo tín hiệu thu nhận tại đầu cuối thông qua bộ
đệm tái tạo được nghiên cứu và tích hợp vào hệ thống RoIP. Thứ hai, thông qua mô
hình đánh giá chất lượng tín hiệu tại đầu thu sử dụng tỷ số năng lượ
ng tín hiệu trên
tạp âm phân đoạn, luận án đề xuất và thực hiện phương pháp đảm bảo chất lượng
dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP sử dụng cơ chế thích ứng tham
số nguồn với tình trạng mạng theo thời gian thực đã đề xuất.
Cuối cùng là kết luận, hướng nghiên cứu tiếp theo và các phụ lục của luận án.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG ĐA HƯỚNG
VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG RoIP
1.1 Các phương thức truyền thông qua Internet
Trong một thời gian ngắn, các dịch vụ truyền tải thời gian thực qua Internet đã phát
triển nhanh chóng nhằm đáp ứng các nhu cầu trao đổi thông tin từ phạm vi hẹp như
giữa các văn phòng đến phạm vi rộng như phục vụ các cuộc hội nghị thời gian thực
đa điểm. Một đặc điểm nổi bật trong xu hướng phát triển các dịch vụ thời gian thực
là mở
rộng truy nhập vô tuyến tới người dùng và hợp nhất mạng viễn thông sử
dụng các công nghệ khác nhau như thể hiện trên hình 1.1.
n hướng, phương thức này giúp
giảm lưu lượng mạng và tải xử lý của nguồn phát. Và khác với truyền thông quảng
Copyright: Tài liệu đại học ©