1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG VÕ HOÀNG NAM NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG
DỊCH VỤ VIDEO CONFERENCE TRONG MẠNG LTE Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.70
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. Huỳnh Việt Thắng Đà Nẵng - Năm 2014
2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
4
2.3.2. Ghép các phiên truyền RTP 35
2.3.3. Chức năng và hoạt động của giao thức RTCP: 35
2.4. NÉN TÍN HIỆU VIDEO VÀ CHUẨN NÉN MPEG 40
2.4.1 Mục đích nén Video: 40
2.4.2 Khái niệm về nén MPEG 42
2.4.3 Các chuẩn nén MPEG. 49
2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 59
CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP PHÂN LỚP THUÊ BAO, KỊCH BẢN
VÀ MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ VIDEO
CONFERENCE TRONG LTE 60
3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 60
3.2. GIẢI PHÁP PHÂN LỚP THUÊ BAO 60
3.3. Các PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 61
3.4. MÔ PHỎNG BẰNG OPNET: 62
3.4.1. Giới thiệu OPNET 17.1 và bản quyền sử dụng 62
3.4.2. Xây dựng mô hình mạng lưới: 63
3.4.3. Các tham số cần thiết cho quá trình mô phỏng: 64
3.4.4. Xây dựng các kịch bản mô phỏng: 68
3.4.5. Thực hiện mô phỏng. 76
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 77
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 78
4.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG 78
4.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 78
5
4.2.1. Kịch bản 1: Mạng LTE có lưu lượng thấp. 79
4.2.2. Kịch bản 2: Lưu lượng mạng trung bình. 84
4.2.3. Kịch bản 3: Mạng lưu lượng lớn, có khả năng nghẽn cao 89
thế hệ thứ 3
3GPP
Third Generation Partnership
Project
Tổ chức chuẩn hóa các công
nghệ mạng thông tin di động
4G
Fourth Generation Mobile
Communication Network
Hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ 4
AS
Access Stratum
Miền truy nhập
NAS
Non Access Stratum
Miền không truy nhập
BER
Bit Error Rate
Tỉ lệ lỗi bít
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Điều chế pha nhị phân
CDMA
Code division multiple access
Đa truy nhập phân chia theo
mã
DCT
Discrete Cosine Transform
Phép biến đổi Cosin
Global System for Mobile
Communication
Hệ thống thông tin di động
toàn cầu
GOP
Group of Picture
Nhóm ảnh
HSPA
High Speed Packet Access
Công nghệ truy nhập gói tốc
độ cao
LTE
Long Term Evolution
Tiến hóa dài hạn
MPEG
Moving Picture Expert Group
Nhóm các chuyên gia ảnh
chuyển động
MU
Multiuser
Đa người dùng
MISO
Multiple Input Single Output
Đa anten phát – đơn anten
thu
7
Non-BGR
Single Input Single Output
Đơn anten phát - đơn anten
thu
SDMA
Space Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo
không gian
TDD
Time Division Duplex
Ghép song công phân chia
thời gian
TDMA
Time Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
UE
User Equipment
Thiết bị người dùng
UL
Uplink
Đường lên
UMTS
Universal Mobile
Telecommunications System
Hệ thống viễn thông di động
toàn cầu
Bảng 3.2
Các giá trị tham chiếu của UE thực hiện Video
Conference và FTP
83
Bảng 4.1
Thống kê độ trễ E2E của các UE
87
Bảng 4.2
Tổng hợp số liệu lưu lượng gửi và nhận của các UE
trong kịch bản 1
89
Bảng 4.3
Tổng hợp số liệu chi tiết biến thiên thời gian trễ
(PDV)
90
Bảng 4.4
Chi tiết các giá trị thời gian trễ E2E của các UE
92
Bảng 4.5
Chi tiết lưu lượng gửi/ nhận và tỉ lệ mất gói của các
UE
94
Bảng 4.6
Tổng hợp chi tiết giá trị biến thiên trễ của các UE
95
Bảng 4.7
Số liệu chi tiết thời gian trễ E2E của các UE
97
Hình 2.15 Cấu trúc của bộ mã hoá và giải mã Video MPEG – 4 55
Hình 2.16 Profiles và Levels trong MPEG -4 57
Hình 3.1 Giới thiệu OPNET 17.1 và bản quyền sử dụng 63
Hình 3.2 Cấu trúc mạng LTE dùng trong mô phỏng 64
Hình 3.3 Thư viện con eNode B 65
Hình 3.4 Cài đặt tham số cần thiết cho eNode B 65
Hình 3.5 Lựa chọn và cài đặt tham số cho UE từ thư viện con 66
Hình 3.6 Các thiết lập kênh vật lý cho mạng LTE 66
Hình 3.7 Định nghĩa các phân lớp QCI và tham số của EPS bearer 67
Hình 3.8 Cài đặt tham số đích cuộc gọi Video cho UE 69
Hình 3.9 Cấu hình thời gian và tham số hoạt động cho các UE 71
Hình 3.10 Cài đặt tham số cho cuộc gọi Video chất lượng cao 72
Hình 3.11 Cài đặt tham số FTP tạo lưu lượng nền trong mạng 72
Hình 3.12 Cài đặt tham số chất lượng cao cho cuộc gọi Video 73
Hình 3.13 Cài đặt tham số truyền file FTP 73
Hình 3.14 Phân bố các UE và các FTP client/ Server 74
Hình 3.15 Cài đặt các UE thực hiện chức năng FTP Client/Server 74
Hình 3.16 Cấu hinh thời gian thực hiện mô phỏng 76
Hình 3.17 Lựa chọn các chỉ số cần lấy kết quả 76
Hình 4.1 Đồ thị minh họa độ trễ E2E 79
Hình 4.2 Đồ thị minh họa chi tiết độ trễ E2E 80
Hình 4.3 Đồ thị minh họa lưu lượng gửi đi của các UE trong kịch bản 1
81
Hình 4.4 Đồ thị minh họa lưu lượng nhận được của các UE trong kịch
bản 1 82
Hình 4.5 Đồ thị minh họa chỉ số Jitter của các UE 83
Hình 4.6 Đồ thị minh họa thời gian trễ E2E của các UE 84
11
thế hệ mạng di động 4G hay còn gọi là mạng LTE (Long Term Evolution)
có xu hướng triển khai tại nước ta.
Vì thế, để phát huy được hiệu quả của giải pháp Video Conference di
động trên nền kết nối mạng LTE, đáp ứng tốt nhu cầu ngày càng cao từ
phía khách hàng, cần quan tâm đến các vấn đề cốt lõi:
2
+ Chất lượng (Quality of Service_QoS): QoS là một tập hợp các chỉ tiêu
chất lượng dịch vụ dựa trên các phép đo như độ trễ dữ liệu, các giá trị sai
lệch về độ trễ, mức độ đảm bảo băng thông, tỉ lệ thất lạc gói tin.
Việc nghiên cứu đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến QoS của Video Call,
Video Conference trong mạng LTE, từ đó đề xuất các giải pháp nhằm ổn
định, nâng cao chất lượng dịch vụ QoS của Video call, Video Conference
dựa trên nền LTE sẽ là yếu tố quan trọng để các nhà khai thác mạng ứng
dụng và triển khai.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:
- Xác định các yếu tố có khả năng ảnh hưởng đến chất lượng Video
Conference trong mạng LTE.
- Đề xuất các giải pháp nhằm ổn định và đảm bảo chất lượng Video
Conference trong mạng LTE.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu :
- Lý thuyết tổng quan về mạng LTE.
- Truyền hình hội nghị, giao thức truyền tải/điều khiển thời gian thực
RTP/RTCP và các chuẩn nén Video.
- Các mô hình, kịch bản để phân tích các tham số ảnh hưởng chất
lượng Video Conference trong LTE.
- Công cụ mô phỏng OPNET 17.1.
b. Phạm vi nghiên cứu:
4
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
Tài liệu nghiên cứu được tham khảo là những bài báo, sách, luận văn
cùng với các trang web.
5
CHƯƠNG 1
1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE
1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Chương này trình bày những kiến thức chung về công nghệ LTE. Bao
gồm các nội dung sau: Công nghệ LTE, công nghệ đa truy nhập OFDMA,
phân biệt các phân lớp, giao thức trong eNodeB cũng như trình bày về các kỹ
thuật quan trọng trong các phân lớp giao diện vô tuyến LTE, khái niệm về
QoS trong mạng.
1.2 CÔNG NGHỆ LTE
1.2.1 Khái niệm
LTE (Long Term Evolution), công nghệ này được coi như công nghệ di
động thế hệ thứ 4 (4G). 4G LTE là một chuẩn cho truyền thông không dây
tốc độ dữ liệu cao dành cho điện thoại di động và các thiết bị đầu cuối dữ liệu.
LTE nhờ sử dụng các kỹ thuật điều chế mới và một loạt các giải pháp công
nghệ khác như lập lịch phụ thuộc kênh và thích nghi tốc độ dữ liệu, kỹ thuật
đa anten để tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu. Các tiêu chuẩn của LTE được
tổ chức 3GPP ban hành và được quy định trong một loạt các chỉ tiêu kỹ thuật
của Phiên bản 8 (Release 8), với những cải tiến nhỏ được mô tả trong Phiên
bản 9.
Với tốc độ dữ liệu cao và độ trễ thấp, LTE có khả năng hỗ trợ rất nhiều loại
hình dịch vụ như Video Streaming, FTP, duyệt Web, Gaming, và đặc biệt là
các dịch vụ yêu cầu về thời gian thực như Video Conference. Đồng thời kiến
ứng; điều khiển công suất; ICIC và ARQ
hỗn hợp
Tăng tốc độ truyền dữ liệu: Trong điều kiện lý tưởng, hệ thống hỗ trợ
tốc độ dữ liệu đỉnh đường xuống lên tới 326Mb/s với cấu hình MIMO 4x4
trong 20MHZ băng thông. MIMO cho đường lên không được sử dụng trong
phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE. Tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên tới 86Mb/s
trong 20MHZ băng thông. Ngoài việc cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh hệ thống,
LTE còn cung cấp hiệu suất phổ cao hơn từ 2 đến 4 lần của hệ thống HSPA
phiên bản 6.
Dải tần thay đổi được: Dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả
năng thay đổi từ 1.4 MHz, 3MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả
7
chiều lên và xuống. Điều này dẫn đến sự linh hoạt trong việc sử dụng một
cách hiệu quả băng thông. Mức thông suất cao hơn khi hoạt động ở băng tần
cao và đối với một số ứng dụng không cần đến băng tần rộng thì chỉ cần một
băng tần vừa đủ là cũng đáp ứng được.
Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết
bị đầu cuối di chuyển từ 0 đến 15km/h, tuy nhiên vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao
(có suy giảm đi một ít) khi di chuyển từ 15 đến 120km/h, đối với vận tốc trên
120 km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào, chức
năng hỗ trợ từ 120 đến 350km/h hoặc thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào
băng tần.
Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển:
o Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển. Giảm
thời gian để một thiết bị đầu cuối chuyển từ trạng thái nghỉ sang kết nối
với mạng và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền. Thời gian
này phải nhỏ hơn 100ms.
o Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ
các sóng mang con trực giao. Các sóng mang con này được lựa chọn với
khoảng cách tần số nhỏ nhất và thỏa mãn tính trực giao của sóng trong miền
thời gian. Nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang con cho phép chồng lấn lên
nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
9 Hình 1.1 Phổ đa sóng mang
Tín hiệu OFDM được tạo từ nhiều subcarrier. Khoảng cách giữa các tần
số của các subcarrier là fs, bằng 1/Ts , độ dài symbol (Ts). Ts lớn hơn
nghĩa là subcarrier sẽ sát nhau hơn và chứa được nhiều subcarrier hơn
trong một băng thông cho trước. Một symbol OFDM là kết hợp của n
symbol subcarrier song song đồng thời.
Hình 1.2 Tín hiệu OFDM trên miền thời gian và tần số
OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access): đa truy
nhập phân tần trực giao, Kỹ thuật này dựa trên ý tưởng cấp phát khối tài
nguyên (RB_ Resource Block) cho người dùng dựa trên tốc độ bit người
10
dùng yêu cầu. Khối tài nguyên này đơn giản là nhóm các subcarrier. Một
người dùng có thể sử dụng một hay nhiều khối tài nguyên. Một RB
(Resource Block) có độ dài 0.5ms và băng thông 180Khz ( 12 subcarriers).
Như thế dễ dàng thấy rằng mỗi RB sẽ có 12x7 = 84 RE (resource
elements) trong trường hợp tiền tố tuần hoàn bình thường và 12x6= 72 RE
trong trường hợp tiền tố mở rộng.
Hình 1.3 LTE downlink physical resource based on OFDM.[4]
Lưới tài nguyên nói trên chỉ đến chỉ số của RB trong băng thông có sẵn.
Mỗi lối vào của RB được gọi là một RE (Resource Element), thể hiện một
256
512
1024
1536
2048
Subcarrier Spacing
(KHz)
15
15
15
15
15
15
11 - Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: Hệ thống LTE phải
cùng tồn tại và có thể phối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác. Người
sử dụng LTE sẽ có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình
thậm chí khi họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE. Do đó, cho phép
chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, trôi chảy trong khu vực phủ sóng của
HSPA, WCDMA hay GSM/GPRS/EDGE. Hơn thế nữa, LTE hỗ trợ không
chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miền
giữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh.
1.2.3 Kiến trúc mạng LTE
Kiến trúc mạng vô tuyến được đề xuất bởi 3GPP LTE bao gồm eNodeB
cung cấp liên kết giữa UE và mạng lõi. eNodeB chịu trách nhiệm về các chức
năng quản lý tài nguyên vô tuyến chính (RRM). UE được kết nối với eNodeB
thông qua giao diện Uu. Các eNodeB được kết nối với mạng lõi (MME/S-
GW) thông qua giao diện S1, và được kết nối với nhau thông qua giao diện
Access Stratum). Các lớp thấp hơn thực hiện cùng chức năng như ở lớp người
dùng, với sự khác biệt là không thực hiện việc nén mào đầu (Header
Compression). Giao thức RRC được xem như là lớp 3 trong giao thức AS. Nó
có chức năng điều khiển chính trong miền AS, thực hiện nhiệm vụ chính
14
trong việc thiết lập kênh mang vô tuyến và cấu hình tất các các lớp sử dụng
báo hiện RRC giữa eNode B và UE.
Hình 1.6. Kiến trúc mặt phẳng điều khiển trong LTE Hình 1.7 Kiến trúc mặt phẳng người dùng trong LTE
Copyright: Tài liệu đại học ©