Tài liệu LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT : MỘT PHƯƠNG PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG CHO DỊCH VỤ TRUYỀN THÔNG ĐA HƯỚNG THỜI GIAN THỰC QUA MẠNG IP pdf

Các yếu tố mạng bao gồm tỷ lệ tổn thất gói tin, trễ mạng và biến động trễ mạng là các tham số chính tác động đến chất lượng dịch vụ của tín hiệu tại đầu thu PQoS Perceived Quality of Ser

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

PHỎNG TẠO THAM SỐ CHẤT LƯỢNG CỦA TÍN HIỆU PHÁT THANH KHI TRUYỀN TẢI QUA MẠNG IP

2.1 Các tham số chất lượng mạng

2.1.1 Giới thiệu

Chất lượng tín hiệu phát thanh truyền tải qua mạng IP sẽ bị ảnh hưởng và suy giảm do tác động của các yếu tố mạng Các yếu tố mạng bao gồm tỷ lệ tổn thất gói tin, trễ mạng và biến động trễ mạng là các tham số chính tác động đến chất

lượng dịch vụ của tín hiệu tại đầu thu PQoS (Perceived Quality of Service) Mối

quan hệ giữa các yếu tố này được thể hiện trên hình 2.1

Hình 2 1: Mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến QoS [36]

Từ quan điểm dịch vụ đầu cuối - đến - đầu cuối, tỷ lệ tổn thất gói tin tổng quát bao hàm tỷ lệ tổn thất mạng và tỷ lệ tổn thất do hủy gói tại bộ đệm tái tạo Độ trễ tổng quát bao gồm trễ mạng và trễ bộ đệm, gây nên do thời gian lưu gói tin tại

bộ đệm tái tạo Ngoài tỷ lệ tổn thất gói tin và độ trễ tổng quát, chất lượng tín hiệu thu nhận PQoS còn phụ thuộc vào các chuẩn CODEC, giải thuật bù tổn thất gói tin và đặc biệt là phương thức điều khiển lịch trình tái tạo gói tin của bộ đệm tại tạo tại đầu thu

2.1.2 Tổn thất gói tin

Tổn thất gói tin là một trong những nguyên nhân chính gây ảnh hưởng đến chất

Chất lượng dịch vụ tại đầu thu

Tổn thất mạng thường xảy ra do tắc nghẽn dẫn tới tràn bộ đệm trong bộ định tuyến, do sự định tuyến không ổn định hoặc do độ không tin cậy của đường truyền như trong trường hợp kênh vô tuyến, trong đó tắc nghẽn là nguyên nhân chủ yếu gây nên tổn thất

2.1.2.1 Mô hình tổn thất Bernoulli

Trong mô hình tổn thất Bernoulli [39][45],

tổn thất của mỗi gói tin là độc lập với nhau

(đặc tính không nhớ) cho dù gói tin kề

trước bị tổn thất hoặc không tổn thất

Trạng thái tổn thất của gói tin được xem xét như một biến ngẫu nhiên { }N1

i i

L = có tính chất phân bố xác định độc lập IID (Independent and Identical Distributed) Giá trị biến ngẫu nhiên L = 1 tương ứng với tình trạng gói tin thứ i bị tổn thất i

với xác xuất P là độc lập với gói tin thứ j với j i i ∀ ≠ Giá trị xác xuất P = P i

với tất cả các gói tin Do đó, trong mô hình Bernoulli chỉ tồn tại một trạng thái như thể hiện trên hình 2.2 Giá trị xác xuấtP%được ước đoán thông qua việc đo đạc tham số các gói tin từ nhận được tại đầu thu:

1

N i tot

L L P

2.1.2.2 Mô hình Gilbert 2 trạng thái

Hầu hết các nghiên cứu gần đây về truyền tải tiếng nói qua mạng IP đều sử dụng

Hình 2 2 : Mô hình tổn thất Bernoulli

Biến ngẫu nhiên X được xác định như sau: X = 0 ( trạng thái 0 ) thể hiện nhận được gói tin hay gói tin không bị tổn thất và ngược lại X = 1 ( trạng thái 1 ) thể hiện gói tin bị tổn thất, với p là xác xuất gói tin bị tổn thất khi nhận được gói tin

kề trước và q là xác xuất gói tin nhận bị tổn thất khi gói tin kề trước đã bị tổn thất

Hình 2 3: Mô hình Gilbert 2 trạng thái

Giả thiết P0 là xác xuất xảy ra trạng thái 0 đối với gói tin và P1 là xác xuất xảy ra trạng thái 1 đối với gói tin Khi đó:

P0 = P(X = 0) và P1 = P(X = 1) Tại trạng thái ổn định, P0 và P1 được xác định như sau:

= + − ( 2 4 )

Xác xuất tổn thất không điều kiện cung cấp khả năng đo đạc tỷ lệ tổn thất gói tin trung bình Trong khi đó, q được tham chiếu như xác xuất tổn thất có điều kiện clp (conditional loss probability)

Mô hình Gilbert thể hiện phân bố của xác xuất k gói tin liên tiếp bị tổn thất tương ứng với xác xuất pk xảy ra lỗi cụm có độ dài k được xác định theo (2.5)

Y được xác định là một biến ngẫu nhiên mô tả phân bố độ dài cụm gói tin tổn thất tương ứng với sự kiện xảy ra tổn thất cụm gói tin liên tiếp Dựa vào biểu thức (2.5), độ dài cụm gói tin tổn thất trung bình E[Y] có thể được tính toán như sau:

O∑ , có thể xác định p, q như sau:

1 1

n i i

O p

.( 1)

n i i n i i

O i q

và phương tiện truyền dẫn Khi truyền tải qua cáp quang, cáp đồng trục hoặc cáp xoắn đôi, trễ một chiều khoảng 5 µs/km

• Trễ truyền tải: Là tổng khoảng thời gian gửi gói tin ra khỏi giao diện mạng từ hàng đợi Với các đường truyền Internet của mạng diện rộng điển hình với tốc độ

622 Mb/s (STM-4), thông thường trễ truyền tải tại mỗi chặng khoảng 20 às với gói tin có độ dài tối đa MTU bằng 1500 Bytes

• Trễ hàng đợi: là khoảng thời gian một gói tin được lưu giữ trong hàng đợi kể

từ khi gói tin được đưa đến cổng vào cho đến khi được xử lý Trễ hàng đợi là nguyên nhân chính gây nên biến động trễ từ đầu cuối đến đầu cuối và phụ thuộc vào tải lưu lượng của mạng hay tình trạng tắc nghẽn của mạng

• Trễ xử lý mã hóa/giải mã: là khoảng thời gian cần thiết để mã hóa tại phía phát hoặc giải mã tín hiệu tại phía thu Giá trị trễ phụ thuộc vào phương thức mã hóa được sử dụng

• Trễ đóng gói / mở gói tin: là khoảng thời gian cần thiết để bổ sung tiêu đề hình thành gói tin tại phía phát hoặc là khoảng thời gian tách tiêu đề và tải trọng tại phía thu

• Trễ tái tạo: là khoảng thời gian gói tin được lưu giữ tại bộ đệm tái tạo kể từ khi thu nhận đến khi tín hiệu được tái tạo tại đầu cuối

Theo khuyến nghị của tổ chức ITU, với thông tin tiếng nói truyền qua mạng IP, trễ một chiều của hầu hết các ứng dụng không vượt quá 150ms và giá trị giới hạn

là 400 ms để thu được tín hiệu có thể chấp nhận

Biến động trễ là giá trị thống kê sự thay đổi về mặt thời gian giữa thời điểm đến của các gói tin liên tiếp, nguyên nhân chủ yếu là do sự biến đổi của trễ hàng đợi Theo khuyến nghị RFC 3550, IETF xác định biến động trễ là sự biến đổi trung bình của khoảng sai lệch giữa thời điểm phát và thu của hai gói liên tiếp với giá trị tuyệt đối được cân chỉnh thông qua hệ số biến đổi = 1/16 [21] Biến động trễ được tính toán liên tục cho mỗi gói tin thứ i nhận được Với mỗi gói tin xác định,

2.1.3.1 Trễ hành trình gói tin một chiều

Hình 2 4: Mô hình truyền tải gói tin một chiều

Trong đó:

- di khoảng cách vật lý giữa bộ định tuyến ( i -1 ) và ( i )

- c tốc độ truyền tín hiệu

- bi băng thông của tuyến kết nối i

- s kích thước gói tin

- fi trễ chuyển tiếp tại bộ định tuyến

Hình 2.4 thể hiện mô hình truyền tải gói tin một chiều giữa các bộ định tuyến ( i-1 ), ( i ) và ( i+1 ) với băng thông kết nối khác nhau Giả thiết, khi một gói tin sẵn sàng được gửi đi, gói tin đó ngay tức thời được gửi vào đường truyền của mạng

Khoảng thời gian để bit đầu tiên gửi từ bộ định tuyến (i-1) đến bộ định tuyến thứ (i) được xác định là thời gian truyền dẫn tín hiệu và phụ thuộc hoàn toàn vào phương tiện truyền dẫn được xác định như sau:

i prog

d t

c

Trễ truyền tải gói tin là khoảng thời gian để tất cả các bit trong gói tin truyền tải từ bộ định tuyến ( i-1 ) đến bộ định tuyến (i) Trễ truyền tải phụ thuộc vào kích thước gói tin và băng thông của tuyến kết nối, được thể hiện bởi quan hệ sau:

trans

i

s t

b

Trong đó: - s kích thước gói tin

- bi băng thông của tuyến kết nối i

Các gói tin thu nhận tại bộ đinh tuyến (i) được đưa vào hàng đợi và xếp hàng cho đến thời điểm tạo lịch trình đưa gói tin lên tuyến truyền dẫn kế tiếp, trong một khoảng thời gian xác định gọi là trễ chuyển tiếp fi

Ba yếu tố trễ trên hình thành trễ tổng thể của một chặng truyền dẫn giữa hai bộ định tuyến ( i-1 ) và ( i ) Trễ hành trình một chiều gói tin cho n chặng phụ thuộc vào kích thước gói tin được thể hiện theo biểu thức sau:

Với một môi trường mạng và độ dài gói tin xác định, tính bất định của ∆ tOTT

phụ thuộc vào trễ chuyển tiếp tại các bộ định tuyến do thời gian truyền dẫn và băng thông có thể được xem như không đổi đối với các kết nối xác định Trễ chuyển tiếp phụ thuộc vào dung lượng hàng đợi và có tương quan chặt chẽ với tải của mạng, do đó ∆ tOTT sẽ biến đổi thuận theo tải của mạng

2.1.3.2 Trễ hành trình gói tin hai chiều

Hình 2 5: Mô hình truyền tải gói tin hai chiều

Trong đó:

- di : khoảng cách vật lý giữa bộ định tuyến ( i -1 ) và ( i )

- c : tốc độ truyền tín hiệu

- bi : băng thông của tuyến kết nối i

- s, s res : kích thước gói tin theo hướng thuận và hướng ngược

- fi : trễ chuyển tiếp theo hướng thuận

- f'i-1: trễ chuyển tiếp theo hướng ngược

Mô hình truyền tải gói tin hai chiều thể hiện trên hình 2.5 với trường hợp gói tin được chuyển tiếp ( kích thước gói tin không đổi sres = s ) hoặc phản hồi ( kích thước gói tin phản hồi thay đổi so với hướng thuận sres # s ) từ hướng thuận sang hướng ngược tại nút cuối cùng

Trễ hành trình gói tin hai chiều giữa nút ( i-1 ) và nút ( i ) là :

' 1

' 1

∆ được xác định là tổng cộng của trễ hành trình một chiều theo hướng thuận

và hướng ngược Để thuận lợi và tránh sai số đồng bộ đồng hồ giữa bên thu và bên phát, phương pháp xác định trễ hành trình hai chiều thường được sử dụng, tuy nhiên trong trường hợp này sẽ không xác định được tắc nghẽn xảy ra theo hướng thuận hay hướng ngược của đường truyền tải gói tin

2.2 Đề xuất mô hình phỏng tạo tham số QoS qua mạng IP

2.2.1 Kiến trúc mô hình

Các tham số mạng QoS của mạng IP có thể được phỏng tạo thông qua xử lý các gói tin ở mức vật lý [62][63] Tuy nhiên phương thức này phụ thuộc vào hệ điều hành, được thực hiện theo phương thức truyền thông đơn hướng và chưa hỗ trợ tái tạo ảnh hưởng của mạng từ dữ liệu thực tế được đo đạc từ trước Để khắc phục các hạn chế trên, các thông số QoS của mạng Internet thực tế biến thiên một cách ngẫu nhiên được luận án mô hình hóa và thực hiện phỏng tạo qua hai phương thức trực tuyến - Online và không trực tuyến - Offline hỗ trợ cả hai phương thức truyền thông đơn hướng và đa hướng Với phương thức không trực tuyến (hình 2.6b), các thông số được đọc từ tệp số liệu thống kê qua thực nghiệm

từ trước Với phương thức trực tuyến, khối phỏng tạo mạng được cung cấp trực tuyến thông tin về độ trễ mạng và tình trạng tổn thất của gói tin từ bộ tạo thông

số như thể hiện trong hình 2.6a

Hình 2.6: Kiến trúc mô hình phỏng tạo tham số mạng

Tham số QoS của mạng IP bao

gồm trễ mạng và trạng tổn thất gói

tin truyền tải qua mạng IP thực tế

biến thiên một cách ngẫu nhiên

được mô hình hóa qua thuật toán

thể hiện trên hình 2.5 Mô hình sử

dụng các thông số thiết lập bao

gồm: xác suất xảy ra lỗi gói P, chu

kỳ đánh giá tỷ lệ tổn thất gói tin Ä,

tên tệp lưu giữ các giá trị tỷ lệ tổn

b Phương thức không trực tuyến

a Phương thức trực tuyến

Khác với mô hình phỏng tạo cho truyền đơn hướng [18][49], các gói tin từ một nguồn phát được truyền tải qua mạng IP đa hướng đến các máy thu theo các tuyến kết nối khác nhau kéo theo ảnh hưởng của các tham số mạng khác nhau về

độ trễ, biến động trễ và tình trạng tổn thất gói tin

Hình 2 7: Mô hình lý thuyết phỏng tạo tham số mạng IP đa hướng

Luận án đề xuất mô hình phỏng tạo tham số mạng IP đa hướng thực hiện khối phỏng tạo tham số mạng tại các đầu thu như thể hiện trên hình 2.10 Về nguyên

lý phỏng tạo, các tham số trễ mạng và tổn thất cũng được thực hiện tương tự như tại gateway ( hình 1.26) Khối phỏng tạo mạng N/W có thể được thực hiện bằng một chương trình độc lập hoặc một module chương trình tích hợp vào chương trình thu Mô hình đề xuất cho phép thể hiện ảnh hưởng của mạng đến chất lượng tín hiệu thu tại máy trạm truy nhập vào mạng IP da hướng ở các vị trí địa

lý khác nhau Hình 2.8 thể hiện thuật toán xử lý gói tin thu nhận từ socket đa

2.5 Các gói tin bị tổn thất sẽ kích hoạt khối bù tổn thất thực hiện phương thức chèn khoảng lặng hoặc chèn khung dữ liệu kế trước, sau đó được đưa tới bộ đệm tái tạo

Hình 2 8: Xử lý gói tin tại phía thu

Hình 2 9: Cấu hình thực nghiệm phỏng tạo tham số mạng IP

Công cụ phỏng tạo thông số mạng IP đa hướng/đơn hướng xây dựng trên nền hệ điều hành Linux (hình 2.12a và hình 2.12b) và được triển khai thực nghiệm qua mạng Intranet của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Kết quả phỏng tạo thể hiện chính xác ảnh hưởng của các tham số mạng đến gói tin nhận được dưới tác động của trễ và tổn thất gói tin như thể hiện từ hình 2.13 đến hình 2.17 Ngoài việc phỏng tạo số liệu theo phương thức trực tuyến, phương thức phỏng tạo không trực tuyến được sử dụng nhằm tái tạo ảnh hưởng của mạng thông qua số liệu đo đạc khi tiến hành thực nghiệm như mô hình triển khai hệ thống RoIP được trình bày cụ thể trong chương 3 Bên cạnh đó, các kết quả tham chiếu đo đạc từ chương trình phỏng tạo tham số mạng đề xuất và được triển khai thực nghiệm với nguồn số liệu cung cấp bởi [71] thông qua việc thu thập dữ liệu mạng tác động đến gói tin truyền tải qua mạng IP giữa giữ Đại học Plymouth và Đại học Viễn thông Bắc Kinh Trung Quốc cũng được trình bày trong phần phụ lục của luận án Ngoài các số liệu thống kê được xử lý và hiển thị thông qua các

đồ thị tĩnh, chương trình còn cho phép quan sát tình trạng trễ mạng một cách trực

Hình 2 10: Chức năng theo dõi trễ mạng trực tuyến theo thời gian thực của chương trình

phỏng tạo tham số mạng

Hình 2 11: Giao diện chương trình phỏng tạo tham số mạng tích hợp trong iVoVGateway

ố ễ ố ế

Hình 2 14 : Thông số trễ đo đạc thực tế theo phương thức phỏng tạo không trực tuyến

Hình 2 16: Tỷ lệ tổn thất gói tin theo thời gian - phương thức phỏng tạo trực tuyến

Bảng 2.1: Tỷ lệ tổn thất gói tin thiết lập và đo đạc theo phương thức

Chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP phụ thuộc chặt

chẽ vào các tham số nguồn phát và các tham số mạng Khi các tham số nguồn

phát bao gồm các thông số chuyển đổi nguồn tín hiệu tương tự sang số và độ dài

Khoảng lặng

gói tin thay đổi sẽ kéo theo yêu cầu băng thông đường truyền tươmg ứng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dịch vụ tín hiệu tại đầu thu Các tham số mạng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng dịch vụ bao gồm độ trễ mạng, biến động trễ mạng và tỷ lệ tổn thất gói tin, trong đó sự đột biến trễ mạng là yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến tính đáp ứng thời gian thực của chất lượng dịch vụ Đặc tính ngẫu nhiên của thông số mạng đòi hỏi phương pháp thích hợp để đảm bảo QoS của tín hiệu phát thanh tại đầu thu Để có thể đánh giá và so sánh chất lượng tín hiệu thu nhận trong cùng một tình trạng mạng, công cụ phỏng tạo tham số chất lượng mạng luận án đề xuất được xây dựng trên nền mã nguồn mở thực hiện hai chế độ trực tuyến phỏng tạo tham số mạng phát sinh tại thời điểm chạy chương trình và chế độ không trực tuyến thông qua số liệu tham số mạng được truy xuất

từ các file số liệu thống kê sẵn có Theo thống kê từ kết quả thực nghiệm, chương trình phỏng tạo tham số mạng IP đề xuất cho kết quả chính xác với xác xuất sai lỗi phỏng tạo độ trễ mạng cỡ vài ms (biến thiên từ 0 đến 3 ms) và sai số

tỷ lệ tổn thất nhỏ hơn 0.1%

So với một số công cụ phỏng tạo mạng hiện tại như Nistnet hoặc Dumynet, điểm mới của mô hình đề xuất cho phép thực hiện phỏng tạo không những với số liệu tạo ra trực tuyến mà còn với số liệu thống kê thực tế, đồng thời hỗ trợ cả chế độ truyền thông đơn hướng và đa hướng Ngoài ra, thay vì thực hiện tại bên phát trong các mô hình truyền thông đơn hướng, mô hình đề xuất thực hiện khối phỏng tạo tham số mạng tại phía thu để phù hợp với truyền thông đa hướng Với khả năng hỗ trợ đồng thời chế độ quan sát tham số mạng qua hiển thị đồ họa trực tuyến và truy xuất kết quả ra các file số liệu thống kê, mô hình và công cụ phỏng tạo tác giả đề xuất và xây dựng có tác dụng hỗ trợ hữu ích cho việc theo dõi và

đo đạc phục vụ nghiên cứu chất lượng của dịch vụ thời gian thực qua mạng IP

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

Tại đầu thu tín hiệu phát thanh qua mạng IP, bộ đệm tái tạo có thể thực hiện theo hai phương thức tạo lịch trình cố định hoặc thích ứng Tuy nhiên, bộ đệm tái tạo theo lịch trình cố định không có khả năng đáp ứng sự thay đổi độ trễ mạng do đó làm suy giảm chất lượng tín hiệu phát thanh tái tạo tại đầu thu Do đó, trong các nghiên cứu gần đây tập trung chủ yếu vào các thuật toán điều khiển bộ đệm thích ứng và đặc biệt quan tâm đến các phương thức phát hiện đột biến trễ mạng Việc điều chỉnh các tham số bộ đệm được thiết lập tại thời điểm bắt đầu của khoảng tín hiệu phát thanh tích cực được đề cập đến trong [5] [6] [7] Để việc phân tích các thuật toán được rõ ràng, một số tham số được đưa ra như thể hiện trên hình 3.1

Hình 3 1: Các thông số thời gian của gói tin thứ i

Trong đó: ti : thời điểm phát từ đầu phát của gói tin thứ i

ri : thời điểm đến đầu thu của gói tin thứ i

pi : thời điểm tái tạo gói tin thứ i

ni : trễ mạng của gói tin thứ i

vi : biến động trễ mạng của gói tin thứ i

bi : thời gian trễ của gói tin thứ i lưu giữ trong bộ đệm tái tạo

di : trễ tổng quát của gói tin thứ i (trễ từ đầu cuối đến đầu cuối)

3.2 Thuật toán ước đoán trễ tái tạo

3.2.1 Thuật toán trung bình hàm mũ Exp-Avg [6]

Thuật toán trung bình hàm mũ Exp-Avg (Exponential-Average) sử dụng thông

số trễ và biến động trễ trung bình để ước đoán thời trễ tái tạo của gói tin thứ i :

4

p ) = + d ) v ) ( 3 1 )Trong đó :

Hình 3 2: Giải thuật thực hiện thuật toán Exp-Avg và F- Exp-Avg [6]

3.2.2 Thuật toán trung bình hàm mũ nhanh F-Exp-Avg [6]

Thuật toán trung bình hàm mũ nhanh F-Exp-Avg (Fast Exponential - Average) tương tự như thuật toán Exp-Avg, điểm khác biệt gây nên do trễ mạng ni lớn hơn

d ) = β d )− + − β n ( 3 4 )

Trong đó giá trị β = 0.7500000 theo [6]

Giải thuật thực hiện thuật toán Exp-Avg được thể hiện trên hình 3.2

3.2.3 Thuật toán trễ tối thiểu Min-D

Thuật toán trễ tối thiểu Min-D (Min-Delay) tối thiểu hóa thông số trễ Thuật toán này căn cứ vào trễ tối thiểu d )i

của các gói tin nhận được trong cùng một khoảng tín hiệu phát thanh tích cực để ước đoán trễ tái tạo của khoảng tín hiệu phát thanh tích cực kế tiếp Giải sử )

3.2.4 Thuật toán phát hiện đột biến Spike-Det [6]

Thuật toán phát hiện đột biến Spike-Det (Spike Detection) thực hiện cơ cấu phát hiện đột biến trễ gây nên do mạng IP thể hiện trên hình 3.3 Khi đột biến trễ được phát hiện, thuật toán chuyển sang chế độ “đột biến - SPIKE” nhằm ước đoán trễ sát hơn với thực tế tình trạng mạng Khi tình trạng mạng trở lại trạng thái bình thường biến động trễ không có đột biến lớn, các tham số sẽ được ước

đoán tương tự như thuật toán hàm mũ trung bình Exp-Avg, nhưng khi đó theo [6] giá trị hệ số α sẽ là 0.875

Hình 3 3: Thuật toán Spike-Det [6]

4.2.5 Thuật toán cửa sổ [7]

Thuật toán cửa sổ (window algorithm) bao gồm phần phát hiện đột biến như thể hiện trên hình 3.4 Trong quá trình đột biến, thuật toán này sử dụng gói tin đầu

tiên của khoảng tín hiệu phát thanh tích cực trong vùng đột biến ( ở chế độ “đột biến - SPIKE mode”) cho trễ tái tạo khoảng tín hiệu phát thanh tích cực đó

Nếu mạng ở tình trạng bình thường, thuật toán tính toán phân bố trong số w gói nhận được cuối cùng để ước đoán trễ tái tạo Xung đột giữa hai khoảng tín hiệu phát thanh tích cực được thể hiện và phân tích trong [16] với giá trị w được thiết lập là 10000

Nếu xung đột xảy ra giữa hai khoảng tích cực tín hiệu liên tiếp, thuật toán sẽ tăng thời gian trễ tái tạo nhằm đảm bảo tất cả các gói trong khoảng tích cực tín hiệu cuối cùng sẽ không bị hủy bỏ do các gói trong hai khoảng tích cực tín hiệu liên tiếp có thể có cùng thời điểm tái tạo

Hình 3 5: Quan hệ giữa khoảng tích cực tín hiệu và khoảng lặng

Thực tế biến thiên ngẫu nhiên của các tham số mạng, trong đó tham số biến động trễ mạng và đặc biệt là sự đột biến trễ mạng (delay spike) có thể gây lên các khoảng ngắt đột ngột của tín hiệu làm suy giảm chất lượng tín hiệu tại đầu thu [6][7][9] Trên cơ sở các thuật toán đã được đề cập, thuật toán tái tạo thích ứng

có phát hiện biến trễ (spike-det) được áp dụng trong hệ thống RoIP nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu thông qua bộ đệm tái tạo

3.3 Đánh giá chất lượng tín hiệu tại đầu thu

Các gói tin RoIP truyền tải qua các mạng IP phải đối mặt với một số tham số của mạng có thể ảnh hưởng xấu đến chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu Các tham số như tỷ lệ tổn thất gói, trễ gói (trễ cố định và biến động), thứ tự gói tin nhận được không theo trình tự thực tế xảy ra và không tránh khỏi trong mạng IP

khoảng lặng khoảng tích cực 2 khoảng tích cực 1

Do đó, việc theo dõi, đo đạc các tham số chất lượng tín hiệu phát thanh là rất quan trọng trong việc cung cấp và cải tiến dịch vụ RoIP

Việc đánh giá chất lượng tín hiệu phát thanh thu nhận có thể được thể hiện thông qua hệ số MOS (Mean Opinion Score) và được tiến hành bằng phương thức đánh giá chủ quan hoặc các phương pháp đo đạc khách quan theo thang đánh giá thể hiện trên hình 3.6

Hình 3 6: Phân cấp chất lượng tín hiệu phát thanh [3]

Trên thực tế gặp phải một số vấn đề đối với phương thức đánh giá chủ quan như chậm thu được kết quả, thời gian đánh giá dài, chi phí cao và không thể đánh giá trong thời gian dài và trực tuyến, dẫn tới phương thức này không thích hợp trong thực tế theo dõi và đo đạc tham số chất lượng dịch vụ RoIP Điều này đồng nghĩa với việc khai thác các phương pháp đo đạc khách quan vốn khắc phục được các nhược điểm của phương thức đánh giá chủ quan Đối với đo đạc khách quan, mô hình E-model [3] của ITU-T và thuật toán đánh giá chất lượng tín hiệu

phát thanh PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality) [4] thường được sử

dụng để đo đạc và đánh giá chất lượng tín hiệu thời gian thực Tuy nhiên, phương pháp đánh giá chủ quan lại cho kết quả đánh giá gần với cảm nhận thực

Chất lượng rất tốt Chất lượng tốt Chất lượng tạm được Chất lượng kém Chất lượng rất tồi

4,4 4,3 4,0 3,6 3,1

2,6

Chất lượng không chấp nhận 1,0

MOS (PESQ)

R 93,2

và các mô hình đánh giá khách quan cần được được áp dụng để đánh giá chất lượng tín hiệu tại đầu thu

3.3.1 Phương pháp đánh giá chất lượng chủ quan:

Đối với phương pháp đánh giá chủ quan, tín hiệu tái tạo tại đầu cuối được đánh giá bởi một tập hợp người nghe và cho ý kiến theo thang điểm xác định Các kết quả đánh giá của người nghe được tập hợp và tính toán giá trị trung bình tạo ra kết quả đánh giá chung cuối cùng Phép đánh giá chủ quan thường được thực hiện các đối tượng đánh giá khác nhau trong các điều kiện thay đổi nhằm tối đa tính chính xác của kết quả đánh giá

3.3.2 Phương pháp đánh giá chủ quan ACR

Trong phương pháp ACR, người nghe được yêu cầu đánh giá chất lượng tín hiệu tái tạo cho mỗi lần nghe theo thang điểm từ 1đến 5 bao gồm các mức thể hiện trên bảng 3.1 Kết quả đánh giá trung bình được xác định thông qua hệ số đánh giá chất lượng MOS

Bảng 3.1 Thang đánh giá chất lượng theo phương pháp ACR

3.3.1.2 Phương pháp đánh giá chủ quan DCR

Trong phương pháp đánh giá DCR, trước khi tiến hành đánh giá chất lượng, người đánh giá được nghe nguồn tín hiệu chuẩn hay tín hiệu tham chiếu, sau đó

thực hiện so sánh chất lượng tín hiệu tái tạo và tín hiệu tham chiếu và cho điểm

theo mức độ suy giảm chất lượng của tín hiệu thu nhận theo thang điểm:

Bảng 3 2 Thang đánh giá chất lượng theo phương pháp DCR

1 Không nhận ra sai khác hay suy giảm chất lượng tín hiệu 5

2 Nhận được suy giảm chất lượng tín hiệu nhưng không rõ 4

Kết quả đánh giá trung bình được xác định thông qua hệ số đánh giá suy giảm

chất lượng DMOS

Độ tin cậy của kết quả đánh giá khách quan phụ thuộc vào nhiều yếu tố và khó

kiểm soát như số lượng người đánh giá, điều kiện môi trường đánh giá, chất

lượng thiết bị tái tạo và mang tính ổn định không cao Đồng thời đánh giá khách

quan đòi hỏi nhiều thời gian cũng như chi phí tiến hành đánh giá Do đó xu

hướng đánh giá và các mô hình đánh giá chu quan thường được áp dụng để khắc

phục các nhược điểm trên

3.3.2 Phương pháp đánh giá chất lượng khách quan

3.3.2.1 Đánh giá chất lượng theo thuật toán PESQ

Trong các phương pháp đo đạc chủ quan, thuật toán PESQ [4] thực hiện đo đạc

chất lượng có độ chính xác cao Thuật toán này kết hợp các đặc điểm tốt nhất

của kỹ thuật đồng bộ thời gian từ hệ thống đo đạc phân tích cảm nhận PAMS

(Perceptual Analysis Measurement System) với mô hình đánh giá chất lượng tín

hiệu tín hiệu phát thanh PSQM (Perceptual Speech Quality Measurement)

PESQ so sánh tín hiệu tham gốc (tín hiệu chiếu) với tín hiệu bị đầu ra của hệ

thống với chất lượng đã bị suy giảm sử dụng mô hình cảm nhận như thể hiện

trên hình 3.7

Tương tự như đánh giá khách quan theo thang điểm 5, điểm đánh giá PESQ được ánh xạ theo tỷ lệ hệ số MOS và có giá trị đơn cụ thể trong phạm vi từ 0,5 đến 4,5 với giá trị gần mức 4,5 biểu hiện chất lượng tín hiệu phát thanh nhận được là rất tốt và giá trị gần mức 0,5 biểu hiện chất lượng tín hiệu phát thanh nhận được là rất tồi PESQ là thuật toán đo đạc từ đầu cuối đến đầu cuối kết hợp, yêu cầu tín hiệu tham chiếu, nên chỉ có thể tiên đoán được chất lượng tín hiệu phát thanh thu nhận theo một chiều Do đó, việc đo đạc độ trễ không thể tiếp cận khi chỉ sử dụng thuật toán PESQ

Hình 3 7: Cấu trúc thực hiện thuật toán PESQ

3.3.2.2 Đánh giá chất lượng theo mô hình E-model

Mô hình E-model [3] không yêu cầu tín hiệu tham chiếu, thích hợp cho theo dõi chất lượng lưu lượng trực tuyến Việc đánh giá chất lượng của thuật toán PESQ được thực hiện sau tiến trình giải mã, E-model thông thường được thiết lập sau

bộ đệm tái tạo và trước các kỹ thuật che giấu/sửa lỗi Do đó, độ chính xác của E-model có thể không cao khi tỷ lệ tổn thất gói tăng Ngoài ra, các công thức của E-model đánh giá tỷ lệ tổn thất cho các phương thức mã hóa/giải mã khác nhau dựa trên kết quả nhiều đánh giá khách quan do đó khó thực hiện E-model

sử dụng thang tỷ lệ ảnh hưởng R để thể hiện chất lượng tín hiệu phát thanh

Hệ số R có thể được xác định như sau:

Đánh giá chất lượng theo PESQ

Giá trị hệ số PESQ

Ie: là hệ số ảnh hưởng của thiết bị và mô tả cho ảnh hưởng cho tính phi tuyến

của bộ mã hóa/giải mã và độ tổn thất

Id: thể hiện ảnh hưởng của trễ

Is: thể hiển 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

Nếu bỏ qua các ảnh hưởng khác, hệ số R có thể được xác định đơn giản hóa như sau:

R R = − − I I ( 3 7 )

• Xác định chất lượng dựa trên hệ số đánh giá đường truyền R

Hệ số đánh giá truyền tải R có giá trị trong khoảng 0 đến 100, trong đó R = 0 thể hiện chất lượng rất tồi và R = 100 thể hiện chất lượng thu nhận rất tốt Mô hình E-model cung cấp ước đoán thống kê của phép đo chất lượng Tỷ lệ phần trăm cho đánh giá chất lượng tốt GOB hoặc chất lượng kém POW, theo [3] được tính toán từ hệ số đánh giá truyền tải R thông qua xác định trung bình hàm sai lỗi Gaussian và được xác định cụ thể như sau:

t x

3.3.2.3 Đánh giá chất lượng theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR là một trong những tham số được sử dụng để đánh giá chất lượng tín hiệu nói chung và tín hiệu phát thanh nói riêng tại đầu thu [57]

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SNR (Signal to Noise Ratio )

Giả sử tín hiệu nguồn biến theo thời gian được thể hiện là t[ ]

n

x m trong đó m là chỉ số mẫu tín hiệu trong khung đang xét và x là độ lớn mẫu tương ứng với giá trị của tín hiệu có ích phát từ nguồn

Giả thiết tín hiệu thu nhận bị thay đổi so với tín hiệu nguồn do chịu ảnh hưởng của hệ thống truyền dẫn được thể hiện là r[ ]

2 1

Giả thiết năng lượng tín hiệu ES(n) của khung n gồm M mẫu tín hiệu được xác định theo (3 14)

Năng lượng nhiễu tổng hợp EN(n) của khung n gồm M mẫu tín hiệu được xác định theo biểu thức sau:

2 1

M t n

3.4 Giải pháp đảm bảo chất lượng truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP

3.4.1 Đặt vấn đề

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 theo giao thức RSVP (Resource Reservation Protocol) [34] Thứ hai là theo hướng xử lý tối ưu lịch trình tái tạo tín hiệu tại bộ đệm tái tạo [5][6][7][9] Tuy nhiên, chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP phụ thuộc chặt chẽ vào các tham số nguồn phát và các tham số mạng Tham số nguồn bao gồm các thông số chuyển đổi nguồn tín hiệu tương tự sang số và thông số độ dài gói tin Trên cơ

sở đó, luận án tập trung nghiên cứu vấn đề thích ứng nguồn với tình trạng mạng nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu

3.4.2 Thiết lập thông số nguồn

Tín hiệu phát thanh nguồn có dạng tương tự nằm trong dải âm tần cần được số hóa và đóng gói theo chuẩn giao thức RTP trước khi truyền qua mạng IP đến phía thu Các thông số chuyển đổi nguồn tín hiệu được thể hiện trên bảng 3.3

Bảng 3.3: Các thông số chuyển đổi nguồn tín hiệu phát thanh

có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định lịch trình phát các gói tin RTP vào

mạng Độ dài gói tin có thể được xác định bằng số thể hiện Bytes mà tải tin

mang trong mỗi gói tin hoặc thời gian tương ứng

Chu kỳ phát gói tin phụ thuộc chặt chẽ vào thông số chuyển đổi nguồn tín hiệu

và thông số độ dài gói tin thể hiện qua biểu thức sau:

∆ : Chu kỳ phát phát gói tin [ms]

sz: Độ dài tải tin [ Bytes ]

fs : Tần số lấy mẫu [ Hz]

w: Số bít mã hóa cho một mẫu tín hiệu [bits]

ch: số kênh mã hóa

Hình 3 8: Mô hình thiết lập thông số nguồn

Ngoài các tham số bắt buộc trên, vấn đề tổn thất gói tin tại đầu thu được cải thiện thông qua hệ số phát lặp gói tin tại đầu phát k Một số kết quả khảo sát về tổn thất gói tin được trình bày trong phần phụ lục của luận án

Các thông số nguồn [ fs w, ch, sz, k ] được thiết lập giá trị khởi tạo trước khi tiến trình phát dữ liệu được thực hiện theo mô hình thể hiện trên hình 3.8 Sau khi khối số hóa tín hiệu được thiết lập thông số, nguồn tín hiệu phát thanh tương tự

sẽ được chuyển đổi thành dạng số và lưu vào bộ đệm của thiết bị chuyển đổi âm thanh Dựa vào thông số độ dài tải tin, dữ liệu đã số hóa sẽ được chương trình đọc ra từ bộ đệm của thiết bị âm thanh và chuyển đến khối mã hóa, kế tiếp là khối tạo gói RTP và chuyển đến lưu giữa tạm thời tại bộ đệm phát Các gói tin RTP được gửi vào mạng theo lịch trình phát với hệ số phát lặp xác định và được điều khiển bởi bộ tạo lịch trình phát căn cứ vào số liệu nhận từ khối điều khiển thông số nguồn

3.4.1 Giải pháp đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu

Việc đánh giá chất lượng tín hiệu thu theo tỷ số tín hiệu trên tạo âm SNR truyền thống bị ràng buộc bởi tín hiệu tham chiếu và yêu cầu xác định toàn bộ số mẫu tín hiệu đo đạc do đó không cho phép đánh giá chất lượng tín hiệu thu theo thời gian thực Phương thức đánh giá theo tỷ số SSNR tính toán dựa trên cơ sở khung tín hiệu, cho phép khả năng tính toán và điều khiển theo thời gian thực Trên cơ

sở đó, thuật toán đánh giá chất lượng đề xuất dựa trên tỷ số SSNR được thể hiện trên hình 3.9 và hình 3.12 với mô hình thực hiện tương ứng trên hình 3.10 và hình 3.13 Mức năng lượng của khung tín hiệu nguồn được truyền đến đầu thu qua gói tin RTP (hình 3.9) Tại đầu thu, tỷ số SSNR được tính toán dựa trên tín hiệu phát thanh nhận được và mức năng lượng khung tín hiệu nguồn tách từ gói RTP Kết quả đo đạc được phản hồi về khối điều khiển thông số nguồn tại đầu phát theo chu kỳ đánh giá xác định qua gói tin RTCP (hình 3.10) Căn cứ giá trị SSNR phản hồi, trị số các tham số nguồn được điều khiển theo mô hình thể hiện trên hình 3.8