NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM (QoE)TRONG MẠNG IPTV

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM (QoE)TRONG MẠNG IPTV Chương1 Tổng quan về dịch vụ IPTV và các chuẩn nén video được sử dụng trong IPTV Chương 2 Chất lượng trải nghiệm (QoE) trong mạng IPTV Chương 3 Phương pháp đánh giá QoE dựa trên QoS

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-HOÀNG QUANG KHẢI

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG

TRẢI NGHIỆM (QoE)TRONG MẠNG IPTV

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

MÃ SỐ: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2014

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS VŨ HỮU TIẾN

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ

tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

MỞ ĐẦU

Nếu như sự xuất hiện của công nghệ truyền hình (TV) là một bước ngoặt trong lịch sử truyền thông của nhân loại thì sự xuất hiện của IPTV (truyền hình giao thức Internet) là một ngoặc trong sự phát triển của công nghệ truyền hình Với những ưu điểm vượt trội: tính năng tương tác giữa hệ thống với người xem, cho phép người xem chủ động về thời gian và khả năng triển khai nhiều dịch vụ giá trị gia tăng , IPTV thật sự xứng đáng là công nghệ truyền hình dẫn đầu IPTV không chỉ đơn thuần là một dịch vụ giá trị gia tăng trên nền mạng IP, nó

là một bước phát triển, tiến lên hội tụ mạng viễn thông - xu hướng chung của truyền thông toàn cầu.Để khách hàng có thể tiếp cận và chấp nhận một công nghệ mới như IPTV, nhất là trong bối cảnh thị trường truyền thông đang diễn ra quá trình cạnh tranh khốc liệt như hiện nay

Vì vậy việc đánh giá QoE trong IPTV là vấn đề quan trọng nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ trong IPTV Việc nghiên cứu các phương pháp đánh giá QoE trong IPTV mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ đối với người sử dụng

Cấu trúc của luận văn gồm 3 chương:

Chương1 Tổng quan về dịch vụ IPTV và các chuẩn nén video được sử dụng trong IPTV

Chương 2 Chất lượng trải nghiệm (QoE) trong mạng IPTV

Chương 3 Phương pháp đánh giá QoE dựa trên QoS

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IPTV

1.1 Tổng quan về IPTV

1.1.1 Khái niệm IPTV

IPTV được định nghĩa là các dịch vụ đa phương tiện như truyền hình/video/audio/văn bản/đồ họa/số liệu truyền tải trên các mạng dựa trên IP được kiểm soát nhằm cung cấp mức chất lượng dịch vụ, độ mãn nguyện, độ bảo mật và tin cậy theo yêu cầu

1.1.2 Đặc điểm và các dịch vụ của IPTV

1.1.2.1 Đặc điểm của IPTV

1.1.2.2 Các dịch vụ của IPTV

IPTV không chỉ đơn thuần là IP video Trên thực tế, các nhà khai thác viễn thông đang tập trung vào dịch vụ này để tạo ra sự khác biệt của dịch vụ họ cung cấp với các dịch vụ mà các nhà khai thác mạng truyền hình cáp hay vệ tinh cung cấp

1.1.3 Hệ thống mạng IPTV

1.1.3.1 Tổng quan về các thành phần trong mạng cung cấp dịch vụ IPTV

1.1.3.2 Mạng nội dung:

Giống như những hệ thống truyền hình cáp và truyền hình vệ tinh, dịch vụ IPTV yêu cầu đầu cuối cung cấp nội dung, nơi mà các kênh truyền hình trực tuyến (broadcast TV) và các nội dung VOD (phim ảnh, ca nhạc…) được thu lại, định dạng để sau đó phân phối qua mạng IP Thông thường, đầu cuối video (Video Headend) thu các chương trình live TV, VoD từ vệ tinh, truyền

hình cáp, hoặc từ các nhà phân phối tập trung… Một vài chương trình cũng có thể được thu của các đài truyền hình quảng bá mặt đất

1.1.3.3 Mạng truyền tải:

a Mạng lõi/biên của nhà cung cấp dịch vụ (Service Provider Core/Edge Network):

b Mạng truy nhập:

1.1.3.4 Mạng gia đình (Home Network):

Mạng gia đình là mạng phân phối dịch vụ IPTV trong nhà Có rất nhiều loại mạng gia đình: mạng không dây (wireless), mạng có dây (wireline)…

1.1.3.5 Bộ phận quản lý

IPTV middleware là một gói các phần mềm phục vụ cho việc thực hiện các dịch vụ của IPTV: thực hiện quản lý nội dung, quản lý cáp truyền, tính cước phí, quản lý các thuê bao Cũng như đối với phần cứng IPTV, mỗi nhà sản xuất phần mềm đưa ra giải pháp riêng của họ: Microsoft, Apple Nhà cung cấp dịch

vụ cần lựa chọn middleware thích hợp nhất với cấu trúc hệ thống của mình Middleware thông thường là một cấu trúc máy khách/máy chủ (client/server), ở đây STB là client

1.1.4 Phương thức truyền dữ liệu IPTV

Dữ liệu của dịch vụ IPTV được truyền dưới theo 2 hình thức: multicast cho live TV và unicast

1.1.4.1 Unicast

Trong truyền unicast, mọi luồng video IPTV đều được gửi tới một IPTVCD (thiết bị khách hàng) Vì thế, nếu có nhiều hơn một user IPTV muốn nhận kênh video tương tự thì IPTVCD sẽ cần tới một luồng unicast riêng rẽ

1.1.4.2 Multicast

Trong phạm vi triển khai IPTV, mỗi nhóm multicast được truyền broadcast các kênh truyền hình và các thành viên của nhóm tương đương với

các thiết bị IPTVCD Vì thế, mỗi kênh IPTV chỉ được đưa tới IP-STB muốn xem kênh đó

1.1.4.3 Giao thức RTP/RTCP:

RTP và RTCP là một bộ giao thức nằm ở lớp 4 của mô hình OSI (Transport) được chuẩn hóa theo RFC 1889 và RFC 3550, cho phép truyền tải gói tin thời gian thực (thông thường là audio và video) qua mạng IP có hỗ trợ chất lượng

RTP định dạng dữ liệu thực và truyền qua mạng trong khi RTCP được dùng để gửi các gói tin điều khiển, thu nhận thông tin và phản hồi về chất lượng dịch vụ

1.1.5 Đóng gói dữ liệu video của IPTV:

1.1.5.1 Mô hình truyền thông IPTV

Dữ liệu video ở đầu gửi được truyền từ lớp cao xuống lớp thấp trong mô hình IPTV, và được truyền đi trong mạng băng rộng bằng các giao thức của lớp vật lí Ở đầu nhận, dữ liệu nhận được chuyển từ lớp thấp nhất đến lớp trên cùng trong mô hình IPTV

1.1.5.2 Mã hóa video (video encoding):

Tín hiệu đầu ra của bộ mã hóa gọi là các dòng cơ bản (elementary stream) Tùy theo kỹ thuật nén mà có các dòng cơ bản khác nhau

1.1.5.3 Đóng gói video (video packetizing)

Dòng cơ bản video/audio phải được chia thành các gói được đánh dấu thời gian PES (Parketized Element Stream Packet) Một gói PES chỉ bao gồm 1 loại dữ liệu từ 1 nguồn duy nhất, kích thước khối cố định hoặc thay đổi, có thể lên tới 65536 byte/gói Bao gồm 6 byte header, và số byte còn lại chứa nội dung chương trình

1.1.5.4 Đóng gói kết cấu dòng truyền tải

Các gói PES được chia nhỏ thành các gói TS có kích thước cố định 188byte (184byte dữ liệu và 4 byte header) Chuẩn đóng gói thường được dùng

là MPEG và dữ liệu sau đóng gói được gọi là MPEG2-TS

1.1.5.5 Đóng gói ở các lớp thấp hơn :

Các TS phải tiếp tục được đóng gói để có thể truyền qua mạng IP

1.2 Kỹ Thuật nén Video sử dụng trong dịch vụ IPTV

1.2.1 Khái niệm nén Video

1.2.1.1 Phân loại nén theo tín hiệu

1.2.1.2 Phân loại theo cách thực hiện nén

1.2.1.3 Phân loại theo nguyên lý nén

1.2.2 Các chuẩn nén video sử dụng trong IPTV

1.2.2.1 MPEG (H.26x)

Là nhóm các kỹ thuật nén được phát triển và chuẩn hóa với sự kết hợp của ISO/IEC và ITU

Hiệu quả nén của MPEG-2 thấp hơn H.264, thông thường, với MPEG-2, một kênh SDTV có thể truyền với tốc độ 3.5-5Mbps ,trong khi nếu dùng H.264, chỉ cần 2Mbps/1 kênh SDTV Còn đối với một kênh HDTV, MPEG-2 cần đến 25Mbps trong khi H.264 chỉ cần 8-12 Mbps

1.2.2.2 VC-1:

VC-1 là chuẩn nén video thế hệ tiếp theo được chuẩn hóa bởi SMPTE (Society of Motion Picture and Television Engineers), được đưa ra vào năm

2006

Trên thực tế, do đặc thù phức tạp của IPTV, vẫn có nhiều kỹ thuật nén khác được sử dụng và có nhiều kỹ thuật vẫn đang được nghiên cứu Chẳng hạn,

ở Trung Quốc, tổ chức Audio Video Coding Workgroup Standard of China đang phát triển một kỹ thuật nén gọi là AVS (Audio Video Standard), kỹ thuật

này cung cấp hiệu quả nén gần giống với H.264

1.2.2.3 Chuẩn nén video MPEG-4 Part 10/ A VC/H.264

H.264 là một kỹ thuật nén thuộc nhóm kỹ thuật nén MPEG và được phát triển dựa trên các kỹ thuật nén trước đó (MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 ) H.264 được chia thành các hồ sơ (profile) khác nhau, tùy theo yêu cầu mà người dùng lựa chọn profile phù hợp với mình, gồm 3 nhóm chính: Hồ sơ cơ bản (Baseline profile), hồ sơ chính (Main profile) và hồ sơ mở rộng (Extended profile) Các thành phần cơ bản trong ảnh nén MPEG:

chói hoặc tín hiệu màu trong một ảnh

block mang của tín hiệu chói (luma - block) và các block của tín hiệu màu (chroma- block)

nhất của mảng có thể bao gồm toàn bộ bức ảnh và kích thước nhỏ nhất của mảng là một macroblock

 Ảnh (Picture/Frame): Có 3 loại ảnh P, I và ảnh B

 Đoạn ảnh (Sequence of pictures):

1.3 Kết luận chương

Chương này đã cung cấp một cái nhìn tổng quan về công nghệ và các dịch vụ IPTV Các nội dung trình bày trong chương này chủ yếu tóm tắt về các dịch vụ IPTV hiện nay đang cung cấp trên thị trường

CHƯƠNG 2 : CHẤT LƯỢNG TRẢI NGHIỆM (QoE) TRONG IPTV

2.1 Chất lượng dịch vụ QoS

2.1.1 Khái niệm QoS

2.1.1.1 Định nghĩa

QoS là một lĩnh vực phức tạp, đã có nhiều định nghĩa được đưa ra, tuy nhiên, thực tế không có định nghĩa nào được xem là chung và chính thức

2.1.1.2 Ý nghĩa

Các tham số QoS có thể được dùng để đo lường chất lượng của một dịch

vụ, đánh giá khả năng cung cấp dịch vụ của hệ thống mạng viễn thông

2.1.2 Các tham số QoS

2.1.2.1 Tham số QoS

QoS phụ thuộc vào chất lượng hỗ trợ dịch vụ, chất lượng khai thác dịch

vụ, chất lượng phục vụ và chất lượng an toàn

2.1.2.2 QoS nhìn từ những khía cạnh khác nhau

QoS có thể được nhìn từ những góc độ khác nhau, khuyến nghị G.1000 đưa ra 4 quan điểm cho QoS bao gồm: yêu cầu QoS của khách hàng, QoS nhà cung cấp đưa ra, QoS nhà cung cấp đạt được và cảm nhận QoS của khách hàng

2.2 Chất lượng trải nghiệm QoE (Quality of Experience)

2.2.1 Khái niệm QoE

QoE là nhận xét chủ quan của NSD đánh giá về dịch vụ họ đang sử dụng.QoE thường được biểu hiện bằng những đánh giá mang tính cảm nhận cá nhân như “xuất sắc”, “tốt”, “trung bình”, “tạm chấp nhận”, “kém”

2.2.2 Các tham số ảnh hưởng đến QoE

Nội dung nguồn chất lượng kém, quá trình mã hóa, độ dài GOP, gói tin hỏng, các gói tin đến sai thứ tự, mất gói, trễ, rung pha, tranh chấp với các dịch

vụ triple-play khác, các tham số cấu hình không chính xác, nghẽn máy chủ

2.3 Mối quan hệ QoS và QoE:

2.3.1 Mối quan hệ QoS và QoE

QoS đơn thuần đưa đến NSD những khái niệm kỹ thuật khá khô cứng về chất lượng dịch vụ QoS chủ yếu tập trung vào mô tả các tiêu chí khách quan, mang tính kỹ thuật mà hạ tầng mạng hay ứng dụng cần phải đạt được để chất lượng dịch vụ được đảm bảo

2.3.2 Ảnh hưởng của các tham số QoS đến QoE:

2.3.2.1 Ảnh hưởng của băng thông

Băng thông luôn là thách thức đối với các nhà cung cấp dịch vụ IPTV Nếu băng thông có thể sử dụng thoải mái, không giới hạn, thì các nhà vận hành

sẽ không phải lo đến các yếu tố nghẽn, trễ,…

2.3.2.2 Ảnh hưởng của trễ

Trễ là tham số dùng để đánh giá thời gian các gói IP truyền từ máy chủ IPTV đến IPTVCD Giá trị trễ thay đổi tùy thuộc vào mạng Các mức trễ thấp

là điều kiện quyết định đối với quá trình truyền tải tốt nội dung video tới đối

tượng sử dụng

2.3.2.3 Ảnh hưởng của mất gói (Packet Loss)

Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến mất gói, trong đó nguyên nhân chủ yếu

là tràn bộ đệm của hàng đợi, ngoài ra, những nguyên nhân khác gồm có: bỏ gói

ở hàng đợi đầu vào, router không nhận gói, overrun và lỗi frame

2.3.2.4 Biến động trễ

Jitter gây ra do các gói tin đi trên mạng theo những đường khác nhau và được đối xử khác nhau, vì vậy mà thời gian trễ của chúng khi đến đầu thu cũng khác nhau

2.3.2.5 Ảnh hưởng của dung lượng bộ đệm:

Bộ đệm là dung lượng bộ nhớ được sử dụng cho sắp hang đợi cho các gói tin của một luồng traffic đa phương tiện trước khi chúng được phân phối đến ứng dụng

2.3.2.6 Ảnh hưởng của tỷ lệ xếp lại gói tin

Tỷ lệ giữa số gói tin không được sắp xếp trên tổng số gói tin nhận được tại một node trong một khoản thời gian được gọi là phần trăm sắp xếp lại gói tin

2.3.2.7 Ảnh hưởng của trễ đường truyền

Là khoảng thời gian để bit đầu tiên vào một đường truyền và bit cuối cùng ra khỏi đường truyền.Từ đó chất lượng hình ảnh trong IPTV bị ảnh hưởng

bởi các tham số mạng như packet loss, delay, jitter,

2.4 Các phương pháp đánh giá QoE trong IPTV

2.4.1 Đánh giá chủ quan

Phương pháp này sử dụng một nhóm người để phân loại và đánh giá chất lượng hình ảnh Môi trường và con người dùng để kiểm tra chủ quan khác nhau đối với các nhà cung cấp dịch vụ khác nhau

2.4.2 Các phương pháp đánh giá chủ quan gồm có:

lượng kích thích đơn liên tục)

đôi)

kích thích đôi liên tiếp)

Phương pháp đánh giá chủ quan cho chất lượng video)

2.4.3 Phương pháp SAMVIQ

Bất kỳ phương pháp đánh giá chủ quan nào cũng yêu cầu người đánh giá đánh giá các đoạn video theo một thang điểm định nghĩa trước Trong SAMVIQ, thang điểm có giá trị từ 0 đến 100 được chia liên tục Để so sánh tốt hơn, thang điểm được chia thành 5 đoạn bằng nhau và ánh xạ tương ứng với thang điểm MOS

2.4.3 Đánh giá khách quan

Phương pháp này được dùng để đo chất lượng tín hiệu video liên quan tới việc so sánh các khung hình ảnh gốc với các phiên bản được nén và đo sự suy giảm chất lượng tín hiệu

2.4.3.1 PSNR

Dùng để xác định các vấn đề trong việc phân phối gói tin và các vấn đề liên quan Nó dùng để đo và phân tích chất lượng thực tế các gói tin bên phía cung cấp nội dung sau khi được mã hóa và truyền đi trên mạng

PSNR được tính như sau:

Trong đó MSE (mean squared error) được tính bởi công thức:

Giá trị thông thường của PSNR của ảnh và video sau khi giải nén nằm từ

30 đến 50 dB, giá trị càng cao thì càng tốt.Giá trị có thể chấp nhận được khi truyền tín hiệu không dây có tổn thất khoảng từ 20 dB đến 25 dB

2.4.3.2 MPQM (Moving Picture Quality Metric):

Dùng để đánh giá chất lượng luồng video được nén theo chuẩn MPEG

Nó bao gồm các kỹ thuật tái tạo trải nghiệm của người quan sát và đánh giá luồng IPTV theo thang điểm từ 1 đến 5

2.4.3.3 MDI (Media Delivery Index):

MDI là cơ chế đánh giá chỉ ra chất lượng video và cũng xác định các thành phần của mạng ảnh hưởng đến QoE của người dùng

2.5 Các phương pháp đo kiểm chất lượng Video trong IPTV

2.5.1 Mô hình tham chiếu đầy đủ

Giải thuật này đánh giá tỷ số giữa giá trị lớn nhất của tín hiệu trên tạp âm, giá trị này tính theo dB Thông thường giá trị PSNR được coi là “tốt” ở vào khoảng 35dB và nhỏ hơn 20 dB là không chấp nhận được Hiện nay PSNR được dùng rộng rãi trong kỹ thuật đánh giá chất lượng hình ảnh và video

2.5.2 Mô hình tham chiếu rút gọn

Giải thuật trong hình tham chiếu rút gọn không sử dụng toàn bộ tín hiệu video tham chiếu, chỉ một phần thông tin tham chiếu được truyền đến bộ so sánh thông qua một kênh dữ liệu riêng Môi trường truyền video có thể xảy ra mất gói, nhưng kênh gửi thành phần tham chiếu được giả sử là không bị mất gói

2.5.3 Mô hình không tham chiếu

Kiểu thuật toán này có thể xem xét các yếu tố ảnh hưởng ít hơn thuật toán trong mô hình tham chiếu toàn phần, chính vì thế mà mô hình này có thể triển khai trong nhiều ngữ cảnh hơn

2.6 Tóm tắt chương

Chương này đã phân tích các vấn đề về QoS trong mạng IP áp dụng cho IPTV, các ảnh hưởng của các tham số QoS đến QoE Để đánh giá QoE, các phương pháp đánh giá chủ quan và khách quan cũng được giới thiệu và phân tích để từ đó định hướng áp dụng vào việc đánh giá QoE ở các chương sau Phương pháp đánh giá chủ quan SAMVIQ có nhiều ưu điểm và phù hợp với thực tế nghiên cứu