Kỹ Thuật Phát Thanh Truyền Hình đề tài IPTV và Performance of Internet Protocol TV over WiMAX

Bài báo này nghiên cứu hiệu suất của Truyền hình Giao thức Internet IPTV trên hệ thống WiMAX cố định, xem xét các kết hợp khác nhau của điều chế kỹ thuật số.. Hiệu suất được nghiên cứu c

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

 

Kỹ Thuật Phát Thanh Truyền Hình

NHÓM 1 IPTV và "Performance of Internet Protocol TV over WiMAX"

MỤC LỤC

I Tóm tắt 3

II Giới thiệu 3

1 WiMAX 3

2 IPTV 3

3 Tổng quan về nghiên cứu 4

III Nền tảng 5

IV Đặc Điểm Và Yêu Cầu Về Lưu Lượng Video 10

4.1 Yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) 10

4.2 Thiết bị video 12

V Mô Hình Mô Phỏng 12

VI Kết quả và thảo luận 15

6.1 Tình huống 1: Bộ giải mã video khác nhau của ứng dụng video 15

6.2 Tình huống 2: Nút di động mất đường dẫn khác nhau 18

6.3 Tình huống 3 : Nút di động với các cấp khác nhau 20

VII Kết luận 22

I Tóm tắt

IEEE chỉ định các kỹ thuật điều chế khác nhau cho WiMAX; cụ thể là BPSK, QPSK, 16 QAM và 64 QAM Bài báo này nghiên cứu hiệu suất của Truyền hình Giao thức Internet (IPTV) trên hệ thống WiMAX cố định, xem xét các kết hợp khác nhau của điều chế kỹ thuật số Hiệu suất được nghiên cứu có tính đến một

số thông số hệ thống chính bao gồm sự thay đổi trong mã hóa video, Suy haođường truyền, lập biểu các lớp dịch vụ định mức các mã khác nhau trong mã hóa kênh FEC Nghiên cứu hiệu suất được thực hiện bằng cách sử dụng mô phỏng OPNET Hiệu suất được nghiên cứu về các khía cạnh của gói bị mất, độ trễ gói jitter (trễ giữa 2 gói liên tiếp), độ trễ đầu cuối và thông lượng mạng Kết quả mô phỏng cho thấy rằng các sơ đồ mã hóa và điều chế bậc cao hơn (cụ thể là 16 QAM

và 64 QAM) mang lại hiệu suất tốt hơn so với QPSK

II Giới thiệu

1 WiMAX

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access: Khả năng tương tác toàn cầu với truy nhập vi ba) là một trong những giải pháp mạng không dây thế hệ thứ 4 (4G), cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) và tốc độ dữ liệu cao Đảm bảo về chất lượng dịch vụ được cung cấp bởi tiêu chuẩn này đã làm cho nó trở nên khả thi về mặt thương mại để hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện như điện thoại video, trò chơi video và phát sóng TV di động

Trạm gốc WiMAX (BS) có thể cung cấp truy cập không dây băng rộng trong phạm vi lên đến 50 km cho các trạm cố định và 5 đến 15 km cho các MS với tốc

độ dữ liệu tối đa lên đến 70 Mbps

Tiêu chuẩn của WiMAX dành riêng cho các dịch vụ cố định và di động WiMAX di động hỗ trợ tính di động cho các hệ thống di động và cố định

Các tính năng của WiMAX: cung cấp tốc độ dữ liệu cao; hỗ trợ các ứng dụng

cố định, và di động; có kiến trúc mạng linh hoạt; tiết kiệm chi phí và dễ triển khai Hơn nữa, nó có thể hỗ trợ kết nối điểm tới điểm và điểm tới đa điểm cũng hỗ trợ kiến trúc dựa trên IP; và đã tối ưu hóa để hỗ trợ tất cả ứng dụng di động như giao thức thoại qua Internet (VoIP) Nó cũng có cơ chế tiết kiệm năng lượng giúp tăng tuổi thọ pin của các thiết bị cầm tay

2 IPTV

Truyền hình Internet (IPTV) cung cấp dịch vụ truyền hình kỹ thuật số qua IP cho người dùng với chi phí thấp, có khả năng nhận và hiển thị một luồng video qua Internet Người dùng có thể nhận các dịch vụ IPTV ở bất kỳ đâu và bất kỳ lúc

nào tới các thiết bị di động Các dịch vụ IPTV có thể được phân loại theo nội dung

và dịch vụ như:

 Nội dung video theo yêu cầu: Trong dịch vụ IPTV này, khách hàng được phép duyệt danh mục phim trực tuyến, xem đoạn giới thiệu và chọn phim quan tâm Không giống như trường hợp phát video trực tiếp, khách hàng

có thể yêu cầu hoặc dừng nội dung video bất kỳ lúc nào và không bị ràng buộc bởi một lịch truyền hình cụ thể Quá trình phát của bộ phim đã chọn bắt đầu gần như ngay lập tức trên TV hoặc PC của khách hàng

 Nội dung trực tiếp: Trong dịch vụ IPTV này, khách hàng được yêu cầu truy cập vào một kênh cụ thể cho nội dung tại một thời điểm cụ thể, tương

tự như truy cập một kênh truyền hình thông thường Khách hàng không thể yêu cầu xem nội dung ngay từ đầu nếu họ tham gia kênh muộn Tương tự như phát sóng trực tiếp qua vệ tinh, nội dung trực tiếp qua IPTV có thể là một sự kiện trực tiếp hoặc một chương trình được mã hóa theo thời gian thực từ một vị trí từ xa, chẳng hạn như một trận bóng đá

 Dịch vụ được quản lý: Nó cho phép nội dung video được cung cấp bởi các công ty điện thoại hoạt động kinh doanh IPTV hoặc lấy từ các nhà cung cấp nội dung, trong đó nội dung thường được quản lý tốt về chất lượng mã hóa và phát, cũng như lựa chọn trong số các tiêu đề video Băng thông để giao hàng và thiết bị của khách hàng được sắp xếp cẩn thận để phục vụ chất lượng và hiệu suất chơi tốt nhất cho khách hàng

 Dịch vụ không được quản lý: Trong dịch vụ này, bản thân công nghệ IPTV cho phép phát mọi nội dung video trực tiếp hoặc theo yêu cầu từ bất

kỳ bên thứ ba nào qua Internet Do đó, không có gì ngăn cản khách hàng truy cập nội dung video trực tiếp từ bất kỳ bên thứ ba nào trực tuyến như YouTube (hoặc Google Video), cá nhân hoặc tổ chức Với nhiều lựa chọn

để lựa chọn nội dung, rõ ràng là các dịch vụ không được quản lý có lợi thế hơn với chi phí nhưng chất lượng và hiệu suất phát không được đảm bảo

3 Tổng quan về nghiên cứu

Trong hệ thống truyền thông không dây, có một số yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu như: khoảng cách giữa người dùng và trạm gốc, suy hao đường truyền, shadowing effect (hiệu ứng đổ bóng được định nghĩa là ảnh hưởng của sự

fading Rayleigh ngắn hạn và nhiễu

Để cải thiện dung lượng hệ thống, tốc độ dữ liệu cao, độ tin cậy của vùng phủ sóng, tín hiệu được truyền đến được sửa đổi để tính đến sự thay đổi chất lượng tín hiệu thông qua một quá trình thường được gọi là thích ứng liên kết Điều chế và

mã hóa thích ứng (AMC) đã trở thành một cách tiếp cận tiêu chuẩn trong các tiêu chuẩn không dây, bao gồm cả WiMAX Ý tưởng đằng sau AMC là điều chỉnh động sơ đồ mã hóa và điều chế phù hợp với các điều kiện kênh để đạt được hiệu quả phổ cao nhất tại mọi thời điểm

Mã hóa điều chế trong OFDMA có thể được chọn khác nhau cho từng sóng mang phụ và nó cũng có thể thay đổi theo thời gian Trên thực tế, trong tiêu chuẩn IEEE 802.16, các sơ đồ điều chế nhất quán được sử dụng bắt đầu từ điều chế hiệu suất thấp (BPSK 1/2) đến hiệu quả rất cao (64-QAM 3/4) tùy thuộc vào Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SINR) Lượng dữ liệu được truyền qua một kênh duy nhất phụ thuộc vào sự thay đổi trong sơ đồ điều chế và mã hóa, điều này cũng dẫn đến việc

sử dụng điều chế với giảm dữ liệu thấp hơn và thông lượng cao hơn

Với số lượng lớn người tiêu dùng các dịch vụ tốc độ cao hỗ trợ QoS, yêu cầu phải có kiến thức về các thông số hiệu suất của IPTV (VoD) qua mạng WiMAX

cố định theo kiểu điều chế và mã hóa cố định để chọn kết hợp tốt nhất

Điều này hướng tới việc điều tra nghiên cứu hiệu suất của IPTV (VoD) qua mạng WiMAX cố định khi xem xét các sơ đồ mã hóa và điều chế khác nhau bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng OPNET Modeler Nghiên cứu này bao gồm việc tạo và tích hợp thành phần âm thanh phát trực tuyến, cũng như cung cấp một

số nghiên cứu so sánh về hiệu suất của IPTV (VoD) trên WiMAX cố định thông qua các loại mã hóa video, sử dụng các mô hình mất đường dẫn khác nhau và các lớp dịch vụ theo các loại kỹ thuật điều chế cố định để điều tra và phân tích sự thay đổi và hiệu suất của các mô hình này OPNET cung cấp sự phát triển toàn diện của các mô hình mạng bao gồm tất cả các tham số cần thiết cần được phản ánh trong quy trình thiết kế của các lớp vật lý và lớp MAC Nghiên cứu và kết quả được trình bày trong bài báo này tập trung chủ yếu vào việc sử dụng các phim audio, video thời gian thực được mã hóa bằng mã hóa video khác nhau (MPEG 4, AVC và SVC) để mô hình hóa và mô phỏng việc triển khai IPTV qua WiMAX

cố định Bài báo này chủ yếu nhằm mục đích thiết lập một nghiên cứu so sánh về hiệu suất của IPTV (VoD) qua WiMAX cố định dưới các mã hóa video khác nhau

và sử dụng các mô hình mất đường khác nhau và các dịch vụ của lớp dưới các loại kỹ thuật điều chế cố định để điều tra và phân tích sự thay đổi và hiệu suất của các mô hình này

III Nền tảng

Phần này cung cấp thông tin cơ bản và sơ bộ có liên quan liên quan đến hỗ trợ QoS và lớp vật lý trên các sơ đồ mã hóa và điều chế WiMAX

Kiến trúc IPTV qua mạng WiMAX bao gồm năm hệ thống con chính Mạng đầu là hệ thống con đầu tiên của mô hình Trong hệ thống con này, các máy chủ lưu trữ nội dung video của bất kỳ loại phim nào và nguồn nội dung âm thanh Các loại video khác nhau lưu trữ nguồn video dưới dạng đài truyền hình quốc gia, đài truyền hình địa phương, hoạt động truyền hình Internet và bất kỳ dịch vụ phát video nào khác trong tương lai Nội dung video được chuyển đến mạng WiMAX thông qua mạng lõi phân phối nội dung dung lượng cao, khoảng cách xa Mạng lõi phân phối các luồng video từ tiêu đề đến mạng phân phối của nhà cung cấp dịch vụ Mạng phân phối là khu vực chứa Trạm gốc (BS) Nó đi từ cuối mạng lõi đến mạng truy nhập Mạng truy cập cho phép người dùng kết nối với nhà cung cấp dịch vụ và cho phép truy cập vào nội dung đa phương tiện Yêu cầu đầu tiên của mạng truy nhập là có đủ băng thông để hỗ trợ nhiều kênh IPTV cho mỗi thuê bao trong khi nó cho phép các dịch vụ khác (điện thoại và dữ liệu) Cuối cùng, mạng khách hàng (Set-up-box) cho phép giao tiếp và trao đổi thông tin giữa các máy tính và thiết bị được kết nối với các dịch vụ do nhà cung cấp dịch vụ cung cấp

Nhiều sơ đồ điều chế và mã hóa đã được hỗ trợ trong WiMAX, những sơ đồ điều chế và mã hóa này cho phép sơ đồ thay đổi trên cơ sở từng cụm trên mỗi liên kết tùy thuộc vào điều kiện kênh Không giống như đường lên, trạm gốc có thể ước tính chất lượng kênh dựa trên chất lượng tín hiệu thu được Chỉ báo phản hồi chất lượng kênh giúp thiết bị di động cung cấp cho trạm gốc thông tin phản hồi

về chất lượng kênh đường xuống Bộ lập biểu trạm gốc có thể tính đến chất lượng kênh của đường lên và đường xuống của mỗi người dùng và chỉ định sơ đồ điều chế và mã hóa để tối đa hóa thông lượng cho tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SINR) có sẵn

Điều chế và mã hóa thích ứng làm tăng đáng kể dung lượng hệ thống tổng thể

vì nó cho phép cân bằng thời gian thực giữa thông lượng và độ chắc chắn trên mỗi liên kết WiMAX OFDM có nhiều sóng mang phụ khác nhau, từ tối thiểu 256 đến

2048, mỗi sóng mang được điều chế với QPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM, trong đó

64 QAM là tùy chọn trên kênh đường lên Ưu điểm của tính trực giao là nó giảm thiểu hiện tượng tự nhiễu, một nguyên nhân chính gây ra lỗi khi nhận tín hiệu trong truyền thông không dây

Các lược đồ mã hóa kênh được sử dụng để giúp giảm yêu cầu SINR bằng cách khôi phục các gói bị hỏng có thể đã bị mất do lỗi cụm hoặc fading lựa chọn tần

số

Các lược đồ này tạo ra các bit dư thừa để đi kèm với các bit thông tin khi truyền qua một kênh Các sơ đồ mã hóa bao gồm mã hóa chập (CC) ở các tỷ lệ mã hóa khác nhau (1/2, 2/3 và 3/4) cũng như các mã turbo thông thường (CTC) dưới dạng các tỷ lệ mã hóa khác nhau (1/2, 2/3, 3/4 và 5/6) Tỷ lệ mã hóa là tỷ lệ giữa kích thước khối được mã hóa với kích thước khối được mã hóa Tốc độ mã hóa khả dụng cho một sơ đồ điều chế nhất định với tốc độ tín hiệu trên nhiễu tối thiểu và tốc độ dữ liệu UL và DL đỉnh cho WiMAX di động kênh 5 MHz với các bit/ký hiệu thông tin khác nhau được liệt kê trong bảng 1

Kiểu điều

chế

Tỉ lệ mã hoá

Bit/Ký hiệu

SINR tối thiểu (dB)

Tốc độ DL (Mbps)

Tốc độ UL (Mbps) QPSK 1/2 1 5 3.17 2.28

Bảng 1: Tốc độ dữ liệu WiMAX vật lý di động và SINR cho kênh 5MHz Ngoài ra, WiMAX hỗ trợ các băng thông tín hiệu khác nhau, từ 1,25 đến 20 MHz

để tạo điều kiện truyền tải trên phạm vi dài hơn trong các môi trường đa đường khác nhau Trong hệ thống thông tin liên lạc không dây, thông tin được truyền giữa máy phát và ăng-ten máy thu bằng sóng điện từ Trong quá trình lan truyền, sóng điện từ tương tác với môi trường, do đó gây ra giảm cường độ tín hiệu Một

yếu tố khác làm hạn chế thông lượng trong truyền thông không dây, đặc biệt khi các nút đầu cuối có tính di động là do phản xạ giữa máy phát và máy thu

Các đường truyền giữa máy phát và máy thu có thể thay đổi từ tầm nhìn thẳng đơn giản (LOS) đến rất phức tạp do nhiễu xạ, phản xạ và tán xạ Để ước tính hiệu suất của IPTV qua các kênh WiMAX, các mô hình lan truyền trong thường được

sử dụng

Suy hao đường dẫn là sự đưa vào không mong muốn của năng lượng có xu hướng cản trở việc nhận và tái tạo tín hiệu thích hợp trong quá trình truyền từ máy phát sang máy thu Môi trường này giữa máy phát và máy thu trong hệ thống truyền thông không dây có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu suất và duy trì QoS của hệ thống Suy hao đường dẫn là một yếu tố quan trọng phải được giữ trong một phạm

vi được xác định trước để có được hiệu suất mong đợi hệ thống Ngoài ra, các mô hình suy hao đường dẫn mô tả sự suy giảm tín hiệu giữa ăng ten phát và ăng ten thu như một hàm của khoảng cách truyền và các tham số khác cung cấp chi tiết

về cấu hình địa hình cần thiết để ước tính tín hiệu suy giảm Các mô hình suy hao đường truyền đại diện cho một tập hợp các phương trình toán học và thuật toán

áp dụng cho dự đoán truyền tín hiệu vô tuyến trong một số môi trường nhất định Suy hao đường truyền phụ thuộc nhiều vào mô hình lan truyền, các mô hình lan truyền phổ biến như trong Không gian tự do, Cố định ngoại ô (Erceg), Môi trường

từ ngoài trời đến trong nhà và người đi bộ và Môi trường xe cộ được đưa ra trong Bảng 2 Các mô hình này được sử dụng trong đánh giá hiệu suất WiMAX Cố định thông qua Mô phỏng OPNET

Đây là một mô hình toán học khó

có thể áp dụng nếu không xét đến hiệu ứng mờ dần do sự lan truyền đa đường

Nó dựa trên dữ liệu thử nghiệm

mở rộng được thu thập ở tốc độ 1,9 GHz trong 95 ô macro của các khu

vĩ mô trong mỗi loại địa hình Xf và Xh lần lượt là các hệ số tương quan của mô hình đối với tần số hoạt động và đối với chiều cao anten

MS

vực ngoại ô trên khắp Hoa Kỳ Kích thước ô rất lớn, các trạm gốc

có công suất truyền dẫn cao và chiều cao ăng ten cao hơn

và f là tần số sóng mang

Kích thước ô nhỏ, các trạm gốc có chiều cao ăng ten thấp và công suất truyền thấp được đặt ở ngoài trời trong khi người dùng đi bộ ở trên đường phố và bên trong các tòa nhà

và khu dân cư Môi

trường xe

cộ

R là khoảng cách giữa trạm gốc và trạm di động, f là tần số sóng mang và là chiều cao anten của trạm gốc tính bằng mét

Ô lớn hơn và công suất máy phát cao hơn Tất cả các trạm thuê bao có tính di động cao

Nói chung, IEEE 802.16 Medium Access Control (MAC) xác định tối đa năm lớp dịch vụ riêng biệt để cung cấp QoS cho các loại ứng dụng khác nhau Các lớp dịch vụ bao gồm: Lược đồ tài trợ không mong muốn (UGS), Dịch vụ thăm dò thời gian thực mở rộng (ertPS), Dịch vụ thăm dò thời gian thực (rtPS), Dịch vụ thăm

dò ý kiến không theo thời gian thực (nrtPS) và Dịch vụ nỗ lực tốt nhất (BE) Mỗi lớp dịch vụ có các tham số QoS riêng như cách yêu cầu băng thông, yêu cầu thông lượng tối thiểu và các ràng buộc về độ trễ / jitter Các lớp dịch vụ này được mô tả trong Bảng 3

UGS rtPS ertPS nrtPS BE

Tỷ lệ lưu lượng duy

trì truy cập tối đa

Tỷ lệ lưu lượng duy

trì truy cập tối thiểu

và video

Giọng nói

và phát hiện giọng nói (VoIP)

Giao thức truyền tin (FTP)

Truyền dữ liệu, trình duyệt web…

IV ĐẶC ĐIỂM VÀ YÊU CẦU VỀ LƯU LƯỢNG VIDEO

Phần này thảo luận về các vấn đề chính liên quan đến số liệu hiệu suất của truyền dẫn video và thiết bị cần thiết cho việc triển khai IPTV

Các chỉ số đo lường hiệu suất có thể được phân loại là các chỉ số đo lường chất lượng khách quan và chủ quan Mục đích của cả hai phương pháp là để có được

số liệu chất lượng video Các biện pháp mục tiêu quan sát việc truyền gói bao gồm mất gói, chậm gói, giật gói và tốc độ thông lượng tải lưu lượng Các số liệu khách quan khác cố gắng định lượng nhận thức chất lượng video bao gồm số liệu chất lượng video ITU (VQM) và tỷ lệ tín hiệu cực đại trên nhiễu (PSNR) đo lường chất lượng tái tạo của mã Thiết lập hiệu suất của hệ thống TV bằng cách sử dụng các phép đo dự đoán trực tiếp hơn nhận thức của người dùng, các phép đo này là các phương pháp chủ quan về chất lượng video Nó liên quan đến cách video được người xem cảm nhận và chỉ định ý kiến của họ về một chuỗi video cụ thể Để đánh giá những nhận thức đó, một nhóm người xem video và đánh giá chất lượng

Ý tưởng chính của việc đo lường chất lượng video chủ quan giống như trong Mean Opinion Score (MOS)

4.1 Yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS)

Chất lượng dịch vụ (QoS) là rất quan trọng để triển khai IPTV và VoD như các dịch vụ thời gian thực qua mạng WiMAX Để đánh giá hiệu suất của các hệ thống truyền video, một bộ các số liệu hiệu suất có liên quan đã được xác định để điểm định hệ thống một cách thích hợp Việc triển khai video theo yêu cầu (VoD) qua WiMAX bị ảnh hưởng bởi băng thông thay đổi theo thời gian, độ trễ gói và tổn thất Vì người dùng mong đợi chất lượng dịch vụ cao bất kể cơ sở hạ tầng mạng

cơ bản, một số số liệu đã được sử dụng để đo lường hiệu suất phát trực tuyến nội dung video để đảm bảo sự tuân thủ và chất lượng trải nghiệm (QoE) của người dùng Chúng tôi xem xét các biện pháp hiệu suất sau đây được nghiên cứu rộng

rãi: tỷ lệ mất gói (PLR), độ trễ gói (PD), gói jitter và thông lượng tối thiểu Các thông số hiệu suất ảnh hưởng đến video đã được hiển thị trong Bảng 4

Số liệu Công thức Giải thích Mức

chấp nhận được

𝑑𝑞𝑢𝑒𝑢𝑒 là độ trễ xếp hàng tại một phần tử mạng nhất định

𝑑𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 là thời gian truyền của gói tin trên một liên kết truyền thông nhất định giữa hai phần tử mạng

𝑑𝑝𝑟𝑜𝑝 là độ trễ lan truyền trên một liên kết mạng nhất định

Độ trễ gói tin là thời gian chuyển gói tin trung bình giữa máy chủ phương tiện

và trạm máy khách video

<50 ms