Nghiên cứu lưu lượng video trong mạng NGN

Mở đầu Mô hình hóa lưu lượng là một trong những bài toán quan trọng nhằm hỗ trợ cho việc tối ưu mạng viễn thông.Các nghiên cứu về lưu lượng Internet đã cho thấy rằng lưu lượng mạng có tí

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Nguyễn Trung Hải

NGHIÊN CỨU LƯU LƯỢNG VIDEO

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Chiến Trinh

Phản biện 1: TS.Nguyễn Trung Kiên

Phản biện 2: TS Dư Đình Viên

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 13 giờ 30 ngày 11 tháng 02 năm 2012

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Mở đầu

Mô hình hóa lưu lượng là một trong những bài toán quan trọng nhằm hỗ trợ cho việc tối ưu mạng viễn thông.Các nghiên cứu về lưu lượng Internet đã cho thấy rằng lưu lượng mạng có tính chất tự tương quan hay tính phụ thuộc dài hạn trong cấu trúc (Có sự gần giống nhau trong các dải thời gian)

Trong những năm gần đây xuất hiện nhiều ứng dụng truyền video thời gian thực qua mạng băng rộng, có thể kể đến như: video phone, video-conferencing hay video theo yêu cầu (VoD), v v khi đó chất lượng video

là vấn đề rất quan trọng Trong quá trình truyền tải video

từ nguồn đến đích có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng làm suy giảm chất lượng video: mã hóa/giải mã và các tham số mạng như: tỷ lệ mất gói, trễ, jitter, băng thông, … Do

đó bài toán xây dựng các mô hình thích hợp cho phép khảo sát các đặc tính lưu lượng Video nhằm đưa ra các biện pháp cải tiến chất lượng của dịch vụ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng

Chương 1 Tổng quan về lưu lượng Video 1.1 Giới thiệu chung về truyền tải tín hiệu video trên mạng

1.1.1 Công nghệ truyền hình Internet

Dưới góc độ công nghệ, có thể coi các dịch vụ truyền hình Internet như sự phát triển ở mức độ cao của truyền thông Internet (còn gọi là Webcasting) và là bước phát triển tiếp theo, nối tiếp công nghệ Web trong hai thập kỷ trước đây, một công nghệ có khả năng đưa thông tin lên phạm vi toàn cầu trên World Wide Web đến người

sử dụng Internet một cách nhanh chóng và hiệu quả kinh

tế cao nhất

1.1.2 Tóm lược về tiêu chuẩn MPEG

Được thiết lập từ năm 1998, MPEG (Motion Picture Experts Group) là một nhóm nghiên cứu thuộc ISO/IEC, có nhiệm vụ phát triển các tiêu chuẩn mã hóa cho hình ảnh và âm thanh kỹ thuật số Cho đến nay, nhóm nghiên cứu này đã phát triển được một số các tiêu chuẩn cho việc nén âm thanh và hình ảnh Mỗi tiêu chuẩn được áp dụng cho những ứng dụng cụ thể và tương ứng có tốc độ bit khác nhau

+ MPEG-1: Được thiết kế tốc độ tối đa đến 1.5Mbps Được dùng phổ biến cho các ứng dụng video CD-ROM và các ứng dụng video trên internet

+ MPEG-2: Được thiết kế cho các ứng dụng có tốc

độ bit từ 1 5Mbps đến 15Mbps Tiêu chuẩn MPEG-2 áp dụng cho Truyền hình kỹ thuật số

+ MPEG-4: Được thiết kế cho các ứng dụng có tốc

độ bit rất thấp cho đến các ứng dụng có tốc độ bit rất cao Ứng dụng của MPEG-4 là các ứng dụng đa phương tiện trên internet hay trên mạng không dây

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng video

1.1.3.1 Ảnh hưởng bởi hệ thống mã hóa/giải mã

Dữ liệu Video trong các ứng dụng đa phương tiện hiện nay thường được mã hóa và nén bằng MPEG2, MPEG4 Part 10/H 264 và một số chuẩn nén khác Các bộ

mã hóa video thường hỗ trợ một khoảng khá rộng tốc độ nén, điều này cho phép những lựa chọn khác nhau giữa chất lượng và băng thông

1.1.3.2 Giới hạn về băng thông

Sự giới hạn về băng thông thường xảy ra tại lớp truy nhập Nếu băng thông dành sẵn không đủ để truyền một stream video thì sẽ xảy ra mất gói tại các bộ đệm của

bộ định tuyến, dẫn đến việc suy giảm chất lượng video

1.1.3.3 Mất gói tin

Sự mất gói tin trên mạng có thể gây ra bởi nhiều nguyên nhân: sự nghẽn mạng, mất liên kết, không đủ băng thông hay lỗi trên đường truyền, v v… Sự mất gói thường xảy ra bùng phát, mức độ tắc nghẽn mạng cao gây lên độ mất gói cao

1.1 3.4 Nghẽn tại máy chủ

Máy chủ cung cấp dịch vụ phải phục vụ tối đa số người dùng theo khả năng của nó, điều này sẽ gây ra sự tắc nghẽn tại máy chủ cung cấp dịch vụ Sự tắc nghẽn này gây ra hiện tượng dừng hình quá lâu tại phía đầu cuối

1.1.3.5 Jitter và Timing drift

Jitter là khái niệm dung để mô tả sự khác nhau của khoảng thời gian đi từ nguồn đến đích của các gói tin Jitter càng lớn khi xảy ra nghẽn mạng hay tắc nghẽn tại máy chủ dịch vụ Jitter có thể gây ra tràn bộ đệm tại set-top-box, gây lên hiện tượng dừng hình tại đầu cuối Hiện tượng Timing drift xảy ra khi đồng hồ tại đầu gửi và đầu nhận có sự sai khác nhau về tốc độ, gây ra sự tràn vùng đệm tại đầu nhận

1.2 Các đặc tính lưu lượng

1.2.1 Tính ngẫu nhiên tự đồng dạng

1.2.1.1 Định nghĩa

Xét quá trình ngẫu nhiên thời gian rời rạc hay chuỗi

thời gian X(t), tZ, trong đó X(t) được thể hiện như là

tổng lưu lượng ( gói, byte hoặc bit) tính đến thời điểm t

phân bố kích thước hữu hạn của { X(at), tR} là giống hệt như phân bố kích thước hữu hạn { H

a X(t), tR}, nghĩa là với mọi k1,t1,t2, ,t kRvà a>0 có :

)) ( ), , ( ), ( ( )) ( ), , (

), (

(X at1 X at2 X at k d a H X t1 a H X t2 a H X t k

hay

{ X(at), tR} d { H

a X(t), tR}

Hệ số mũ H được gọi là tham số Hurst nó chỉ thị

tính đồng dạng của quá trình ngẫu nhiên

1.2.1.1 Các tính chất của quá trình đồng dạng

Quá trình phân dạng với tham số tự đồng dạng H

có thể được ký hiệu là H-ss (H-self-similar) Quá trình tự

đồng dạng không suy biến không thể là quá trình dừng

Tuy nhiên, có một sự liên hệ quan trọng giữa quá trình tự

Cho Y= { Yi, iZ}, là một quá trình dừng với hàm

hiệp phương sai R(k) Chuỗi thời gian m - tổ hợp Y (m)

được xác định bằng cách lấy trung bình chuỗi ban đầu trên

các đoạn không chồng lấn nhau với kich thước m và thay

thế giá trị trung bình cho mỗi đoạn, nghĩa là

k r r k

1.3 Mô hình lưu lượng Video trong các ứng dụng

1.3.1 Đặc điểm tín hiệu Video

Tín hiệu Video là một chuỗi những hình ảnh được gọi là "frames".Mỗi hình cố định có thể được trình bày bởi thuật toán mã hóa dưới dạng kỹ thuật số và sau đó được nén xuống để giảm băng thông Phương pháp thường được áp dụng giảm thiểu băng thông để truyền tải các khung hình một cách đầy đủ và sau đó để truyền tải các khung hình khác Phương thức truyền dẫn này được gọi là mã hóa interframe

1.3.2 Video hội nghị (Video Conferences)

Để mô tả Video hội nghị phân phối nhị thức và phân phối gamma được sử dụng rộng rãi Chúng hoàn toàn xác định bởi hai tham số, có thể dễ dàng được ước tính bằng cách sử dụng phương pháp ước tính có chọn lọc

có giá trị dự toán thực tế và phương sai Kết quả là, hai

thời điểm và hệ số tương quan r được yêu cầu duy nhất để

mô tả các đặc tính lưu lượng VBR

1.3.3 Video quảng bá (Video Broadcasting)

Các đoạn video điển hình cho phim ảnh, tin tức, thể thao và các chương trình giải trí ngày càng năng động hơn Video VBR quảng bá khác video VBR hội nghị bởi tốc độ bit Do đó, chuỗi video hội nghị bao gồm chủ yếu

là hình ảnh, trong khi video quảng bá có thể được đặc trưng bởi một cảnh tĩnh thay đổi

1.3.3.1 Xác định cảnh thay đổi

Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng cảnh tương ứng với chiều dài như một quy luật, sự phân bố đơn duy nhất Ba phân bố sau đây đã mô tả độ dài của cảnh:

Gramma phân phối:

0,

)1(

)()

))(

()

(

)(

x k

x k

k b

n n

Chương 2 – Các mô hình lưu lượng Video 2.1 Bài toán mô hình hóa lưu lượng

2.1.1 Đặt vấn đề

Khi quan sát lưu lượng mạng các luồng yêu cầu có thể xem xét ở nhiều mức độ mô tả khác nhau Một luồng yêu cầu S về thực chất được đặc trưng bởi một dãy các

quan sát , X(t( n 1)), X(t ( n)), X(t( n 1)), tại các thời

điểm , t( n 1), t ( n), t( n 1),

Thông thường X(t i ) được mô hình hóa bởi một họ các biến ngẫu nhiên với mật độ phân bố xác xuất cho

trước và tham số thời gian t Nếu bộ các giá trị có thể

(Không gian trạng thái) là hữu hạn hay đếm được thì ta có một quá trình với trạng thái rời rạc Trong trường hợp ngược lại thì quá trình đó có trạng thái liên tục

Tham số thời gian t có thể hữu hạn hay đếm được, khi đó ta có quá trình rời rạc theo thời gian S = {Xn}

0

n Khi t có thể nhận bất kỳ giá trị nào trên tập hợp hữu hạn

hoặc vô hạn các đoạn thì sẽ dẫn đến một quá trình liên tục theo thời gian S = {Xt}

0

t

2.1.2 Các tham số mô hình lưu lượng

Hàm phân bố của xác xuất A n kí hiệu là FA(x)

Cường độ lưu lượng A  A n

2.2.1.1 Mô hình chuyển động Brown phân dạng FBM

Những tính chất thống kê chính của quá trình FBM bao gồm :

 Giá trị trung bình:

M[B H (t)] =0

 Phương sai :

2[B H (t)] = 2[Xt H ] = t 2H ;  Hệ số tương quan :

Mô hình FBM được sử dụng rộng rãi trong các

nghiên cứu lí thuyết và thực tế để hỗ trợ việc mô hình hóa

và mô phỏng nhằm ước lượng và đánh giá hiệu năng của

hệ thống, đặc biệt trong trường hợp hệ thống được điều khiển bởi lưu lượng tự đồng dạng

2.2.1.2 Mô hình nhiễu Gauss phân dạng FGN

Nhiễu Gauss phân dạng (FGN – Fractionnal Gaussian Noise) là quá trình của các gia số FBM, nghĩa là

X H (t) = 1 [B H (t +  ) – B H (t) ]

trong đó  là một gia số

2.2.1.3 Ưu nhược điểm của các mô hình FBM/FGN

Lưu lượng tự đồng dạng (đối với quá trình gia số)

có thể được mô hình hóa bởi mô hình ‘ FGN + giá trị trung bình ’ với phương sai và H cho trước Các mô hình FBM/FGN được sử dụng rộng rãi trong các bài toán thiết

kế mạng do đặc tính Gauss và thang độ chính xác cho phép thực hiện các nghiên cứu giải thích toán học khá sâu

về đặc tính của hàng đợi

Các mô hình FBM/FGN có những sự giới hạn nhất định khi áp dụng vào việc khảo sát lưu lượng mạng : các dòng lưu lượng thực không thể hiện tính tự đồng dạng nghiêm ngặt mà chỉ gần như là tự đồng dạng ở mức độ cao

2.2.2 Các mô hình lưu lượng hồi qui

2.2.2.1 Mô hình tự hồi qui AR

Các mô hình lưu lượng hồi qui được xét đến trước tiên là lớp mô hình tự hồi qui hay còn gọi là AR Chúng được xây dựng trên cơ sở quá trình tự hồi qui tiến tính ( Linear AutoRegeressie Processes)

2.2.2.2 Mô hình trung bình động MA

Các mô hình trung bình động được xây dựng trên

cơ sở quá trình MA (Processes of Moving Average) Lớp

MA(q) bao gồm các quá trình trung bình động bậc q:

X n =  (B)Z n, trong đó

 (B) = 1+  1 B +  2 B 2 +…+  q B q ,

với B r , 1  r  q là các hằng số thực, còn Z n là các

biến ngẫu nhiên không tương quan với giá trị trung bình bằng 0

2.2.2.3 Mô hình trung bình động tự hồi qui ARMA

Các mô hình trung bình động tự hồi qui (Autoregressive Models of Moving Average) bậc (p,q) kí hiệu là ARMA (p,q) và được xác định bởi biểu thức  (B)X i =  (B)Z i

2.2.3 Mô hình hàng đợi

Các mô hình hệ thống có hàng đợi (còn gọi là hệ thống trễ) được phân theo đặc trưng phân bố của lưu lượng (A b /B b /n[/K/S/X]), quy tắc và tổ chức hàng đợi khác nhau (dựa trên thời gian đến; dựa trên thời gian xử lý; thỏa hiệp giữa các cơ chế v v…) và có thể dựa trên cả

độ ưu tiên của thành phần lưu lượng

s

v v A

s A

trong đó,  a là phương sai của (biến) khoảng thời gian giữa các lần đến liên tiếp,  d là phương sai của (biến) khoảng thời gian chiếm giữ trong hệ thống

2.2.3.4 Mô hình GI/M/n

Xét mô hình hệ thống GI/M/1 có hàm mật độ phân

bố của biến khoảng thời gian giữa các lần đến liên tiếp là f(t) và tốc độ xử lý hay tiến trình đi khi có lưu lượng trong

hệ thống là  Xác suất lưu lượng ngay trước thời điểm đến sẽ quan sát thấy hệ thống ở trạng thái (j) được xác định theo công thức Kendall:

) 1 (

  

2.2.3.5 Mô hình M/G/∞

Xét  X t t0,1,2, là quá trình đếm được nghĩa là số người dùng trong hệ thống M/G/∞ tại thời điểm t Nếu F

là một hàm phân phối của người dùng thì hàm tương quan

có thể mô tả như sau:

R( )  1 ( ) dx

2.3 Kết luận chương

Sự bùng nổ của lưu lượng trong mạng băng rộng ngày càng cao do vậy các mô hình sử dụng nghiên cứu lưu lượng mạng không còn thích hợp Chính vì vậy các phương pháp mới để khảo sát và mô hình hóa các loại lưu lượng mạng là cần thiết để đáp ứng nhu cầu thực tế

Chương 2 trình bày về bài toán mô hình hóa và các

mô hình cụ thể để khảo sát và nghiên cứu các đặc tính cứu lưu lượng Video trong mạng băng rộng

Chương 2 – Mô phỏng lưu lượng Video

3.1 Phân loại và so sánh các mô hình lưu lượng Video

3.1.1 Phân loại mô hình lưu lượng Video

Phân loại dựa vào các đặc tính cơ bản kết hợp giữa nguồn Video và lưu lượng là :

+ Phân tích PDF (hàm mật độ xác xuất) của số lượng các bit được tạo ra bởi bộ mã hóa trong một thời gian nhất định (ví dụ: một khung)

đồng giữa nội dung của khung hình trong cùng một cảnh

+ Sự tương quan dài hạn giữa các khung hình thuộc cảnh tách biệt với các mức độ tương tự của chuyển động và hình ảnh phức tạp

3.1.2 So sánh các mô hình lưu lượng

3 2 Mô phỏng lưu lượng VBR Video

3.2.1 Lựa chọn mô hình lưu lượng VBR Video

Được chỉ ra trong lý thuyết về quá trình tự tương quan hoặc phụ thuộc dài hạn (LRD), lưu lượng Video có thể được tạo ra bằng ghép một số nguồn lưu lượng được luân chuyển giữa các trạng thái tích cực (chu kỳ ON) và trạng thái thụ động (chu kỳ OFF) có phân bố Pareto Chu

kỳ ON là tương ứng với quá trình vận chuyển gói với tốc

độ cố định , chu kỳ OFF là khoảng lặng giữa việc vận chuyển gói

3.2.2 Mô phỏng lưu lượng trên môi trường Web sử dụng ngôn ngữ PHP

3.2.1.1 Giới thiệu ngôn ngữ PHP và lập trình Web

PHP viết tắt của Hypertext Preprocessor, là một ngôn ngữ lập trình được kết nối chặt chẽ với máy chủ Khi một trang Web muốn dùng PHP thì phải đáp ứng được tất

cả các quá trình xử lý thông tin trong trang Web đó, sau

đó đưa ra kết quả như ngôn ngữ HTML (HyperText Markup Language) Vì quá trình xử lý này diễn ra trên

máy chủ nên trang Web được viết bằng PHP sẽ dễ nhìn hơn ở bất kì hệ điều hành nào

3.2.1.2 Kết quả mô phỏng

3.3 Kết luận chương

Sự tổ hợp của một số lớn các nguồn ON/OFF với phuông sai vô cùng trong các giai đoạn ON và OF cho phép tạo ra sự phụ thuộc dài hạn và có thể sử dụng để mô

tả gần đúnghành vi phụ thuộc dài hạn của lưu lượng Nội dung chương này trình bày sự phânloại và so sánh các mô hình lưu lượng theo đặc tính phân bố Sau đó lựa chọn mô hình cụ thể để mô phỏng tính tự tương quan và phụ thuộc dài hạn của đặc tính lưu lượng VBR Video

KẾT LUẬN

Để việc sử dụng tài nguyên mạng và các ứng dụng truyền thông đa phương tiện thì vấn đề khảo sát và nghiên cứu các đặc tính lưu lượng Video trên mạng băng rộng có

ý nghĩa đặc biệt quan trọng Việc xây dựng được những

mô hình lưu lượng phù hợp sẽ giúp đơn giản rất nhiều trong nghiên cứu phân tích đánh giá hiệu năng mạng để đưa ra các biện pháp nâng cao chất lượng và hiệu xuất sử dụng mạng

Các phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng nghiên cứu lưu lượng mạng chuyển mạch kênh đã không còn thích hợp với chuyển mạch gói dựa trên giao thức IP

Vì vậy, việc nghiên cứu các phương pháp và công cụ mới

để khảo sát và mô hình hóa lưu lượng IP nói chung và Video nói riêng là cần thiết để đáp ứng nhu cầu thực tế

Do vậy mục đích của luận văn là :

+ Tìm hiểu tổng quan về lưu lượng Video : Phương pháp mã hóa, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng Video, đặc tính lưu lượng