Nghiên cứu truyền hình video h 264 trên đường truyền vệ tinh

Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA- Time DMA TDMA là một phương thức truy nhập trong thông tin vệ tinh dựa vào sự phân chia thời gian sử dụng các bộ phát đáp trong vệ tinh giữa

Lời nói đầu

Kể từ khi vệ tinh nhân tạo đầu tiên được phóng đến nay, kỹ thuật thông tin vệ tinh đã đi vào mọi lĩnh vực đời sống của xã hội như lĩnh vực thăm dò vũ trụ, thông tin khí tượng, Những người sử dụng công nghệ thông tin bằng vệ tinh mới nhận thấy một sự thuận tiện lớn ở những vùng

mà các hệ thống thông tin truyền thống không có hoặc không hoàn thiện Một sự thực là cuộc cách mạng thông tin vệ tinh có thể phát triển tại bất cứ quốc gia nào và tại bất cứ một trình độ kinh tế nào Điều gây ngạc nhiên là các vệ tinh công nghệ mới, hiệu quả cao đang bắt đầu thách thức cả mạng cáp quang thậm chí cả trong môi trường đô thị Điều này đã được chứng minh qua vệ tinh Vinasat – 1 của Công ty viễn thông quốc tế (VTI)

Một trong số những dịch vụ mà VTI cung cấp cho khách hàng qua vệ tinh Vinasat-1 thì truyền hình là một trong những dịch vụ quan trọng bởi nhu cầu được trao đổi thông tin, nội dung ngày càng đa dạng phong phú, Không chỉ giới hạn ở các dữ liệu text đơn thuần mà đã chuyển sang cả dữ liệu multimedia Mặt khác nhu cầu chia sẻ dữ liệu thời gian thực cho các ứng dụng truyền hình, các ứng dụng hiện trường như camera theo dõi từ xa, Để làm được những điều đó cần một chuẩn nén hình ảnh tiên tiến và

hiệu quả nhất Chỉ có thể là H.264, là chuẩn nén mới được công bố chính

thức vào năm 2003, hiện là chuẩn hỗ trợ công nghệ nén tiên tiến và hiệu

quả nhất hiện nay H.264( còn được gọi là chuẩn MPEG-4 Part 10/AVC for

Advanced video Coding hay MPEG-4AVC) nó kế thừa những ưu điểm nổi trội của những chuẩn nén trước đây đồng thời sử dụng những thuật toán nén và phương thức truyền hình ảnh mới phức tạp, phương pháp nén và

truyền hình ảnh mà chuẩn H.264 sử dụng đã làm giảm đáng kể dữ liệu và

băng thông truyền đi của video Việc giảm được băng thông của chuẩn nén

H.264 đã thúc đẩy cho dòng camera độ nét cao có cơ hội phát triển mạnh

mẽ Với những hệ thống giám sát quan trọng cần hình ảnh rõ nét thì lựa

chọn các camera độ nét cao và đầu ghi hỗ trợ chuẩn nén H.264 là hoàn toàn hợp lý

Do thời gian có hạn, tôi xin trình bày một cách tổng quan về thông

tin vệ tinh, các kỹ thuật mã hoá, giải mã của H.264 và kiến trúc ứng dụng

triển khai chuẩn nén này vào điều kiện Việt Nam ( cụ thể trong Công ty VTI)

Tôi xin được gứi lời cảm ơn chân trọng đến TS Nguyễn Chấn Hùng,

khoa Điện Tử Viễn Thông Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội , đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và hoàn thành quyển luận văn này

Người thực hiện

Trần Thị Hạnh

Mục lục

Lời nói đầu - i

Danh mục thuật ngữ viết tắt - vi

Chương I : Tổng quan về thông tin vệ tinh và công nghệ VSAT -1

1.1 Giới thiệu chung về thông tin vệ tinh. -1

1.2 Cấu trúc của tuyến liên lạc trong hệ thống thông tin vệ tinh 1

1.2.1 Các thiết bị tham gia trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh -1

1.2.2 Tuyến liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh: -2

1.3 Các vấn đề trong truyền sóng thông tin vệ tinh. -3

1.3.1 Tần số công tác của thông tin vệ tinh -3

1.3.2 Phân cực sóng: -3

1.4 Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh (Multi Access) -4

1.4.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) -5

1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA- Time Division Multiple Access ) -7

Chương II Nghiên cứu truyền IP qua vệ tinh địa tĩnh -9

2.1 Giới thiệu -9

2.1.1 Phát quảng bá - 10

2.1.2 Chất lượng dịch vụ - 10

2.1.3 Thiết lập nhanh chóng - 10

2.2 Kết nối TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh - 11

2.3 Yếu tố đường truyền vệ tinh ảnh hưởng đến TCP/IP - 12

2.3.1 Lỗi bit đường truyền - 12

2.3.2 Tác động của trễ đường truyền - 13

2.4 Các giải pháp cải tiến đảm bảo truyền IP qua vệ tinh - 17

2.4.1 Truyền không đối xứng và theo một hướng - 19

2.4.2 Mở rộng TCP - 22

2.4.3 Kết nối TCP - 24

2.4.4 Giao thức ứng dụng - 28

2.5 Kết luận - 28

2.6 Giới thiệu qua về h264 - 29

2.6.1 Giới thiệu chung - 29

2.6.2 Tính kế thừa của chuẩn nén H.264 - 31

2.6.3 Cơ chế nén ảnh của H.264 (MPEG-4 AVC) - 32

2.6.4 Các ưu điểm nổi bật của chuẩn nén H.264 - 35

2.6.5 Kết luận - 40

Chương iii: Giao thức truyền tải cho H264 - 42

3.1 Khái quát về sơ đồ mã hoá theo chuẩn H.264 - 42

3.1.1 Một số thuật ngữ - 42

3.1.2 Khái quát về sơ đồ mã hoá theo chuẩn H.264 - 44

3.1.3 Profile và level - 46

3.1.4 Định dạng video - 47

3.1.5 Địnhdạng dữ liệu được mã hóa - 48

3.1.6 Các loại ảnh tham chiếu - 48

3.1.7 Slice - 50

3.1.8 Khối macro - 51

3.2 Giao thức truyền tải cho H.264 - 52

3.2.1 Giao thức truyền dữ liệu RTP - 52

3.2.2 Các chế độ đóng gói bản in (Packetization Modes) - 59

3.3 Giao thức điều khiển RTCP - 60

3.3.1 RTCP Sender - 63

3.3.2 RTCP Receiver Report - 64

Chương IV: Truyền video H264 qua đường

truyền vệ tinh - 65

4.1 Đặc trưng của đường qua vệ tinh - 65

4.1.1 Băng tần và băng thông - 65

4.1.2 Jitter - 68

4.1.3 Lỗi bit đường truyền - 70

4.1.4 Phụ thuộc thời tiết - 71

4.2 Một số kỹ thuật mã hoá và nén video - 72

4.2.1 Kỹ thuật mã hoá video - 73

4.2.2 Các ảnh và bù chuyển động dùng trong H264/MPEG Part 10 - 75

4.2.3 Xác định Vector chuyển động (Motion Estimation) - 87

4.2.4 Nén video - 89

4.2.5 Bộ lọc tách khối - 95

4.3 Kỹ thuật giải mã video - 97

4.4 Kết luận -100

Chương V - Kết luận -101

TÀI LIỆU THAM KHẢO -121

Tóm tắt luận văn -123

Danh môc thuËt ng÷ viÕt t¾t Thuật ngữ Tiếng anh

ARTS Advanced Realtime simple profile

AVC Advanced Video Coding

B-VOP Bidirectionally predicted Inter-coded CAE Contextbased binary Arithmetic Encoding DCT Discrete Cosine Transform

DRC Dynamic Resolution Conversion

ES Earth Station

GMC Global motion compensation GMC Global motion vector

GOB Group of blocks

I-VOP Intra-coded Video Object Plane

JPEG Joint Photographic Experts Group

P-VOP Predicted Inter-Coded Video Object Plane

QP Quantization parameter

RTCP Real-time transport control protocol RTT Real – time Transport Protocol

RVLC Reversible Variable Length Codes

TDM Time Division Multiple

VLBV Very low bit rate video core

VLC Variable length codes

VOP Video Object Plane

Chương I : Tổng quan về thông tin vệ tinh và

công nghệ VSAT

1.1 Giới thiệu chung về thông tin vệ tinh

• Vùng phủ sóng lớn: Từ quĩ đạo địa tĩnh cách trái đất khoảng 37000km vệ tinh có thể nhìn thấy 1/3 trái đất, như vậy chỉ cần 3 vệ tinh trên quĩ đạo là có thể phủ sóng toàn cầu

• Dung lượng thông tin lớn: Với băng tần công tác rộng và sử dụng kỹ thuật tái sử dụng băng tần, hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt được dung lượng thông tin rất cao

• Độ tin cậy cao: Do tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm (2 trạm mặt đất

đầu cuối thông tin và trạm lặp vệ tinh) nên xác suất hư hỏng trên tuyến rất nhỏ

• Tính linh hoạt cao

• Đa dạng về loại hình dịch vụ

1.2 Cấu trúc của tuyến liên lạc trong hệ thống thông tin vệ tinh

1.2.1 Các thiết bị tham gia trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh:

Không giống như trong các hệ thống thông tin khác là thông tin giữa các phần

tử trên mặt đất, mà tuyến thông tin trong thông tin vệ tinh là tuyến liên lạc giữa một phần tử trên mặt đất và một phần tử trong không gian vũ trụ là vệ tinh nên trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh bao gồm hai phần là phần không gian và phần mặt đất Các phần không gian và mặt đất được xem xét kỹ thuật dưới đây:

• Phần không gian bao gồm vệ tinh, các thiết bị trên vệ tinh, thiết bị điều khiển đo xa, các thiết bị cung cấp nguồn

• Phần mặt đất còn gọi là các trạm mặt đất bao gồm anten thu phát và các thiết bị điều khiển bám vệ tinh, ống dẫn sóng các bộ chia cao tần và ghép công

suất, máy thu tạp âm thấp và các bộ giải điều chế, các bộ đổi tần lên xuống, các

bộ khuyếch đại công suất lớn và các bộ điều chế

1.2.2 Tuyến liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh:

• Tại trạm phát: Các tín hiệu có băng tần cơ bản (tín hiệu thoại, video,

telex) được điều chế thành trung tần, sau đó được đổi lên cao tần nhờ bộ đổi tần tuyến lên UC (Up Converter) rồi được khuyếch đại lên mức công suất cao nhờ

bộ khuyếch đại công suất lớn HPA (High Power Amplifier) và được phát lên vệ tinh qua anten phát

• Tại trạm thu: Tín hiệu cao tần phát từ vệ tinh được thu bởi anten thu qua

bộ khuyếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) và được đổi xuống trung tần nhờ bộ đổi tần xuống DC (Down Converter), sau đó qua bộ giải điều chế để khôi phục lại băng tần cơ bản giống bên phát

D/C LNA

MOD

Hình 1.1 Đường liên lạc thông tin vệ tinh

1.3 Các vấn đề trong truyền sóng thông tin vệ tinh

1.3.1 Tần số công tác của thông tin vệ tinh

Sóng điện từ có dải rộng được dùng trong thông tin vệ tinh tuỳ vào sự khác nhau về mục đích sử dụng Sóng có tần số cao dễ bị hấp thụ và tiêu hao trong tầng khí quyển, trong sương mù và đặc biệt là mưa Sóng tần thấp lại bị yếu đi nhiều khi đi qua nhiều tầng điện ly do bị hấp thụ thay bị phản xạ Uỷ ban tư vấn quốc tế về vô tuyến CCIR khuyến nghị dải tần làm việc trong thông tin vệ tinh là 1Ghz - 10Ghz, đó là dải tần thực tế nhất trong thông tin vệ tinh và nó

được gọi là “cửa sổ vô tuyến”

Các băng tần được sử dụng: Hiện nay thông tin vệ tinh sử dụng chủ hai băng tần C và Ku với tần số cho tuyến lên và tuyến xuống là 4/6 cho băng tần C

và 11/14 cho băng tần Ku, ngoài ra hiện nay băng tần 30/20 cũng mới được đưa vào sử dụng (tần số tính bằng đơn vị GHz)

Các băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh

Băng tần Tên thông dụng Đặc tính và ứng dụng

6/4Ghz Băng C Phù hợp nhất cho thông tin vệ tinh

Dùng cho thông tin quốc tế và nội địa

14/12GHz Băng Ku Bị suy hao do mưa

Sử dụng cho thông tin quốc tế và nội địa

30/20GHz Băng Ka Bị suy hao nhiều do mưa

Sử dụng cho thông tin nội địa

Có hai loại phân cực sóng vô tuyến điện được sử dụng trong thông tin vệ tinh: sóng phân cực thẳng và sóng phân cực tròn

b Sóng phân cực thẳng:

Một sóng phân cực thẳng có thể tạo ra bằng cách dẫn các tín hiệu từ một ống dẫn sóng chữ nhật đến anten loa Nhờ đó, sóng được bức xạ theo kiểu phân cực thẳng đứng song song với cạnh đứng của anten loa Để thu được sóng này anten thu cũng cần được bố trí giống tư thế của anten phía phát

Khi đặt nó vuông góc, thì không thể thu được sóng này ngay cả khi sóng

đi vào ống dẫn sóng vì nó không được nối với đường cáp đồng trục Mặc dù sóng phân cực thẳng thì dễ dàng tạo ra, nhưng cần phải điều chỉnh hướng của ống dẫn sóng anten thu sao cho song song với mặt phẳng phân cực của sóng

đến

c Sóng phân cực tròn:

Sóng phân cực tròn là sóng khi truyền lan phân cực của nó quay tròn Có thể tạo ra loại sóng này bằng cách kết hợp hai sóng phân cực thẳng có phân cực vuông góc với nhau và góc lệch pha là 900 Sóng phân cực tròn là sóng phân cực phải hay trái phụ thuộc vào sự khác pha giữa các sóng phân cực thẳng và sớm pha hay chậm pha

Phân cực quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ với tần số bằng tần số sóng mang Đối với sóng phân cực tròn mặc dầu không cần

điều chỉnh hướng của loa thu, nhưng mạch fiđơ của anten lại trở nên phức tạp hơn đôi chút

1.4 Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh (Multi Access)

Trong một hệ thống thông tin vệ tinh, các trạm mặt đất liên lạc với nhau thông qua vệ tinh Vì vậy trong thông tin vệ tinh việc sử dụng các phương thức truy nhập tới và từ vệ tinh được nghiên cứu một cách hết sức kỹ để có thể chọn lựa sử dụng phương pháp có hiệu quả nhất Băng tần của một vệ tinh thông thường được chia thành những băng tần nhỏ, được khuyếch đại một cách riêng

rẽ dùng trong mỗi bộ phát đáp (Transponder) Việc truy nhập cho mỗi Transponder có thể được giới hạn với một trạm mặt đất tại một điểm, hoặc cũng

có thể thực hiện đồng thời nhiều sóng mang một lúc Trong một vệ tinh thì có thể bao gồm cả hai phương pháp truy nhập nói trên Một số Transponder chỉ làm việc với một sóng mang đơn, trong khi đó cũng có những Transponder làm việc với nhiều sóng mang đơn và còn có những Transponder lại xử lý một luồng thông tin nhiều sóng mang Đó chính là các phương pháp truy nhập tới các bộ Transponder của vệ tinh

Dưới đây trình bày một cách tổng quát một số kỹ thuật đa truy nhập thường được sử dụng nhất đó là kỹ thuật FDMAvà TDMA

1.4.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Feqency Division Multiple Access)

FDMA là một phương thức đa truy nhập dùng trong thông tin vệ tinh,

được sử dụng khi có nhiều trạm mặt đất cùng làm việc trong một hệ thống thông tin vệ tinh, dựa vào nguyên tắc phân chia theo tần số Đó là trong hệ thống thông tin vệ tinh dùng FDMA thì mỗi trạm mặt đất khi phát tín hiệu sẽ làm việc với một phần bộ phát đáp đã được dành trước cho nó

Mỗi trạm mặt đất thu gom toàn bộ lưu lượng thông tin của trạm đó lên một sóng mang đơn bằng cách ghép băng tần cơ bản FDM hoặc TDM mà không cần biết địa chỉ của các thông tin đó Sóng mang FM này mang các tín hiệu có

địa chỉ khác nhau được khuyếch đại lên nhờ khuyếch đại công suất của trạm mặt đất và đưa tới anten phát lên vệ tinh Anten thu của vệ tinh thu nhân sóng mang này đồng thời với các sóng mang khác mà các sóng mang này phân biệt với nhau nhờ tần số của chúng Toàn bộ băng tần thu được sẽ được đưa qua các

bộ lọc rồi sau đó được khuyến đại bằng các bộ lọc rồi sau đó được khuyếch đại bằng đại bằng các bộ khuyếch đại sau các bộ lọc tương ứng

Một kiểu FDMA thường được sử dụng là SCPC (mỗi kênh đơn trên một sóng mang – Single Channel Per Carrier) Trong phương thức này thì một tín

hiệu hoặc là thoại hoặc là dữ liệu được điều tần hoặc điều pha PSK được phát đi

và truy nhập tới vệ tinh theo phương thức FDMA

Kiểu đa truy nhập phân chia theo tần số PCM/PSK/FDMA dựa theo nguyên tắc các kênh thoại được đưa đến trạm mặt đất dưới dạng các luồng PCM, sau khi thực hiện biến đổi A/D các luồng số có tốc độ 16-64Kbs được sử dụng trên một chiều truyền dẫn của kênh thoại Sau đó chúng được ghép kênh

và điều chế sóng mang theo kiểu PSK rồi phát đi, vệ tinh tiếp nhận chúng trên cơ sở FDMA Nếu lưu lượng truyền dẫn ở một trạm đã ở mức tới hạn sử dụng để tăng dung lượng kênh thoại mà không cần phải tăng sóng mang trên vệ tinh

Khi hệ thống hoạt động trong chế độ thoại sử dụng phương thức SCPC, thời gian trung bình mà mỗi kênh được sử dụng trong chế độ đàm thoại chỉ chiếm 40% toàn bộ thời gian hoạt động của kênh cho cuộc liên lạc đó Chế độ thoại không làm giảm độ rộng trung bình của băng tần sử dụng của bộ phát đáp

trên vệ tinh, nhưng tại bất kỳ thời điểm nào cũng chỉ hoạt động với 40% dung lượng của sóng mang thoại vì vậy yêu cầu về công suất không đáng kể và méo

do điều chế tương hỗ giảm đi

1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA- Time DMA)

TDMA là một phương thức truy nhập trong thông tin vệ tinh dựa vào sự phân chia thời gian sử dụng các bộ phát đáp trong vệ tinh giữa các trạm mặt đất, các trạm mặt đất này có thể sử dụng trung một tần số sóng mang

Phương pháp đa truy nhập TDMA như đã nói ở trên, dựa trên việc phân chia thời gian sử dụng bộ phát đáp thành các khoảng thời gian nhỏ, giữa các khoảng thời gian này có các khoảng thời gian trống gọi là khoảng bảo vệ Điều này hoàn toàn tương tự như trong kỹ thuật FDMA chia toàn bộ băng tần thành các băng tần con và giữa chúng cũng có các khoảng giãn băng

Khác với kỹ thuật FDMA, trong kỹ thuật TDMA, mỗi bộ phát đáp chỉ làm việc với sóng mang tại một thời điểm dựa trên cơ sở việc truy nhập được thực hiện đối với nhiều người sử dụng Trong kỹ thuật này, trạm mặt đất được thiết kế sử dụng một khe thời gian dành riêng cho nó để phát lưu lượng thông tin của mình dưới dạng các bít số nằm trong một luồng bit số gọi là burst tín hiệu

Thời gian bắt đầu phát của burst tín hiệu được thiết lập khi trạm điều khiển trung tâm thu được burst tín hiệu đồng bộ Khoảng thời gian mà mỗi trạm truy nhập với bộ phát đáp vệ tinh được phân chia bởi trạm điều khiển sao cho phù hợp với nhu cầu về dung lượng trạm (trạm nào có dung lượng lớn sẽ được chia khoảng thời gian dài hơn) và thay đổi nhanh chóng cho phù hợp với nhu cầu đột xuất về dung lượng từng trạm

Bất kỳ trạm nào cũng có thể truy nhập tới toàn bộ các trạm khác trong hệ thống để nối thông liên lạc giữa chúng Đối với kỹ thuật FDMA, sự thay đổi độ rộng băng tần đã ấn định cho mỗi trạm là rất tốn kém so với kỹ thuật TDMA Sau khi một trạm đã gửi xong burst thông tin của mình thì sẽ có một khoảng thời gian trống tạo ra trước khi trạm tiếp theo gửi burst thông tin của mình

Khoảng thời gian trống được thiết lập dựa trên khả năng nhận biết trước các thay đổi về trễ trong thiết bị, khả năng thu đồng bộ và sự biến đổi trong dải công tác ra nhằm ngăn ngừa sự giao thoa giữa các burst tín hiệu cho việc truyền dẫn

đồng bộ

Chương II Nghiên cứu truyền IP qua vệ

tinh địa tĩnh

2.1 Giới thiệu

Định tuyến lưu lượng Internet trên mạng mặt đất thường bị hạn chế băng thông , tắc nghẽn các tuyến ảo và các đường trục Internet khi lưu lượng tăng đột ngột với hàng vạn máy tính được nối mạng mỗi ngày.Các gói IP xếp hàng tại các tuyến nghẽn , các bộ định hướng thông minh phải tìm các tuyến và đường truyền Internet để cho các gói IP đi qua, sau đó chúng được định tuyến theo kiểu xếp hàng chờ hoặc theo một cách nào đó

ví dụ kiểu dịch vụ ToS ( Type of Service ) Khi khoảng cách giữa nguồn dữ

liệu và đích đến tăng lên, nghĩa là gói dữ liệu IP phải truyền qua nhiều điểm

định tuyến, cuộc nối ảo và khả năng nghẽn mạch có cơ hội xảy ra

Để loại bỏ hiện tượng đó người ta dùng đường truyền vệ tinh đĩa tĩnh với khoảng cách 36000km để cung cấp đường truy cập trực tiếp, liên tục từ

vệ tinh tới một vùng rộng lớn trên bề mặt trái đất tuỳ theo loại chùm tia phủ sóng.Chùm tia phủ sóng của vệ tinh truyền đưa dữ liệu trên nền IP chỉ qua một bước nhảy ( tối thiểu hoá điểm định tuyến ) tới một hay nhiều vị trí trong cùng vùng phủ của chùm vệ tinh

Khi sử dụng mạng mặt đất không cho phép cung cấp cuộc nối IP từ một điếm đến nhiều điểm Muốn chuyển lưu lượng từ một điểm đến nhiều

điểm trong các mạng mặt đất yêu cầu phải truyền đưa cùng một lúc một loại dữ liệu đến nhiều máy chủ dọc theo cây truyền dẫn và tái tạo lại khối dữ liệu IP Tóm lại, các bộ định tuyến phải liên tục kiểm tra từng máy chủ thành phần trên mạng để không tái tạo lại các khối dữ liệu IP không cần thiết và chuyển các khối dữ liệu IP cần thiết đến các máy chủ

Chính điều này đã mang lại những ưu điểm cho đường truyền vệ tinh:

2.1.1 Phát quảng bá

So với mạng mặt đất, dữ liệu truyền trên nền IP qua vệ tinh địa tĩnh

có thể phát quảng bá từ một điểm đến nhiều điểm( nằm trong một vùng phủ sóngcủa chùm tia vệ tinh) chỉ với một bước nhảy, đó là ưu điểm cơ bản của

hệ thốngthông tin vệ tínho với mạng mặt đất Bằng việc truyền đưa dữ liệu trên nền IP từ một điểm đến nhiều điểm qua vệ tinh, không còn phải sử dụng thuật toán định tuyến phức tạpvà việc điều khiển cấu trúc cây truyền dẫn trở thành rất đơn giản

2.1.2 Chất lượng dịch vụ

Các ứng dụng như hội nghị truyền hình, luồng hình ảnh và âm thanh,hoặc điện thoại trên nền IP (VoIP) vấp phải khó khăn về điều hành khi truyền qua mạng Internet trên mặt đất Các cuộc nối IP trên cự ly dài làm cho các khối dữ liệu IP phải đi qua nhiều tuyến để đến địa chỉ nhận với nhiều Jitter, giảm chất lượng hoặc thậm chí mất hẳn Các tuyến phục vụ nằm giữa nguồn dữ liệu và đích có thể giải quyết vấn đề thời gian của cuộc nối nhưng lại giảm băng thông chia sẻ giữa các ứng dụng Một sự phát triển

kỹ thuật ứng dụng thực tế hơn đó là mạng điều hành cuối đến cuối truyền

đưa IP bằng các đường truyền vệ tinh địa tĩnh

2.1.3 Thiết lập nhanh chóng

Các nhà cung cấp dịch vụ có thể nhanh chóng tổ chức các đường truyền

vệ tinh so với việc dàn xếp để thuê kênh riêng đến một địa chỉ nhất định Việc lắp đặt thiêt bị đầu cuối và đưa vào khai thác chỉ trong vòng vài giờ

đồng hồ, một trạm mặt đất thông tin vệ tinh cỡ trung bình chỉ cần vài ngày lắp đặt là xong Tất cả những điều đó làm cho các vệ tinh trở thànhgiảI pháp

lý tưởng để thiết lập liên lạc đến những nơi xa xôi hay những lúc thiên tai hay thảm hoạ xảy ra

2.2 Kết nối TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh

Mô hình đường truyền TCP/IP qua vệ tinh được mô tả trên Hình 2.1

Kết nối được tính từ: các đoạn truyền dẫn trên mặt đất T từ người gửi TCP qua Gateway/Router đến đoạn truyền dẫn qua vệ tinh S từ SES-1 tới SES-2, rồi tới người nhận TCP

Các gói IP xảy ra trễ do xếp hàng tại các nút, cơ chế báo nhận ACK

và do cơ chế truyền lại các khối dữ liệu bị mất TCP/IP không có cơ chế đặc biệt nào để phát hiện lỗi bit sinh ra trên đường truyền, cũng không phân biệt

được sự mất gói do lỗi bit hay do nghẽn mạch, mà đều xử lý chung là mất gói do nghẽn

Hình 2.1 Đường kết nối TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh

Trong khi đó, đường truyền qua vệ tinh địa tĩnh bị suy giảm chất lượng do ảnh hưởng của xuyên nhiễu, fading, suy hao mưa, tạp âm

lớn mà đặc biệt cã 2 yếu tố ảnh hưởng tới kỹ thuật truyền dẫn tÝn hiệu chuyển tiếp qua vệ tinh địa tĩnh:

2.3 Yếu tố đường truyền vệ tinh ảnh hưởng đến TCP/IP

2.3.1 Lçi bit ®−êng truyÒn

TCP kh«ng cã một cơ chế đặc biệt nào để nhận biết và xử lý riªng nh÷ng dữ liệu bị mất do lỗi bit, trong khi đã trªn đường truyền vệ tinh khả năng lỗi bit kh¸ lớn

Trong kỹ thuật th«ng tin số, chất lượng tÝn hiệu tại điểm thu được đặc trưng bởi tỷ số giữa Năng lượng 1 bit thu trªn mật độ phổ tạp ©m Eb/N0

Để bit thu được coi là kh«ng bị lỗi th× tỷ số này phải đạt được ở mức cần thiết nhất định, tuỳ thuộc vào kỹ thuật điều chế (PSK, QPSK ) và kỹ thuật m· ho¸/giải m· ho¸ (m· xoắn, m· khối, giải m· viterbi, giải m· d©y) được

sử dụng

Suy hao đường truyền và tạp ©m là 2 yếu tố ảnh hưởng tới tỷ số lỗi

bit (BER) EB/N0 Với việc suy giảm tÝn hiệu bất thường và rất ngắn đã g©y nªn lỗi bít truyền, dẫn tới khả năng mất gãi dữ liệu

Đường truyền vệ tinh cã tỷ số lỗi bit cao hơn đường truyền mặt đất cho Internet Th«ng thường BER của đường truyền vệ tinh kh«ng cã m· ho¸ kiểm so¸t lỗi vào khoảng 10-6, trong khi truyền TCP thành c«ng cần gi¸ trị BER là 10-8 hay thấp h¬n Hiện tượng mất gãi tin trong mạng do 2

nguyên nhân: tắc nghẽn hoặc do lỗi, tuy nhiên TCP coi rằng nguyên nhân gây nên mọi trường hợp mất gói tin đều do tắc nghẽn và do đó giảm tốc độ phát để tránh trường hợp mạng bị tắc nghẽn hoàn toàn Như vậy, nếu nguyên nhân của sự mất gói là do lỗi thì việc giảm tốc độ phát của TCP là không cần thiết vì khi đó mạng vẫn có khả năng tiếp nhận các gói tin và lãng phí độ rộng băng tần của kênh truyền Điều này làm giảm thông lượng hiệu dụng của kết nối, đặc biệt là trong những đường truyền có lỗi lớn như đường truyền vệ tinh

Hầu hết các giao thức mạng được thiết kế cho môi trường các mạng mặt đất, nơi mà có thể nói tỷ lệ lỗi bit là kha thấp (thông thường nhỏ hơn

10-10) Trong môi trường thông tin vệ tinh, tỷ lệ lỗi bit có thể cao hơn nhiều, thông thường là 10-2 đến 10-6 Điều này có thể dẫn tới 2 vấn đề :

• Gây ra lỗi trong các datagram và do đó phải truyền lại các datagram

• TCP cho rằng việc mất các datagram như là dấu hiệu của sự tắc nghẽn mạng khiến cho hiệu năng của toàn bộ hệ thống giảm Với tỷ số lỗi bit lớn hơn 10-7, thông lượng hiệu dụng các kết nối có kích thước cửa sổ thu giảm rõ rệt Các kết nối cửa sổ thu nhỏ ít chịu ảnh hưởng của lỗi hơn Điều này được giải thích như sau: Với cùng một xác suất lỗi bit, xác suất xảy ra lỗi bit ở cac kết nối kích thước cửa sổ lớn cao hơn so với xác suất xảy ra lỗi bit ở các kết nối có kích thước cửa sổ thu nhỏ

2.3.2 Tác động của trễ đường truyền

a.Thời gian truyền toàn trình (RTT – Round Trip Time)

RTT- là khoảng thời gian tính từ lúc phát một segment TCP cho đến khi nhận được tín hiệu xác nhận ACK, đó là thời gian khối dữ liệu được gửi

từ Người gửi TCP, được nhận tại Người nhận TCP và ACK được gửi ngược lại tới Người gửi TCP

Trong điều kiện không nghẽn, mạng truyền dẫn mặt đất có độ trễ truyền dẫn tổng cộng ΣRTTT cỡ 0,1s; RTTS kí hiệu là thời gian truyền sóng

trên đoạn S thì thời gian truyền toàn trình:

RTTΣmin = ΣRTTT + 2 x RTTS (3.1) Thời gian truyền sóng (trễ đường truyền):

τ = R/c (c = 3x108 m/s) (3.2) Trong mạng thông tin vệ tinh địa tĩnh, khoảng cách từ trạm mặt đất trên đường xích đạo tới vệ tinh khoảng 36.000km, nghĩa là R~72.000km Khi truyền tín hiệu từ trạm mặt đất phát tới trạm mặt đất thu, từ (3.2) có:

Lưu lượng cực đại qua mạng = 64 KB/RTT

Thời gian trễ lớn này có tác động đối với tham số TTL của Khối dữ liệu

Tuy nhiên, độ trễ này xác định được và không thay đổi nên có thể lựa chọn giỏ trị TTL để thích ứng với nó Trong trường hợp có trễ xếp hàng

trªn mạng mặt đất T th× tổng độ trễ trở thành kh¸ lớn và là một gi¸ trị ngẫu

nhiªn RTTΣ càng gần tới gi¸ trị TTL càng khiến c¸c gãi trở nªn dễ bị mất ngay cả khi nghẽn mạng chưa xảy ra hoặc bªn ph¸t cã thể ph¸t lại khối dữ liệu khi mà thực tế nã đ· được phÝa thu nhận tốt nhưng ACK chưa về tới Người gửi Như vậy, hiện tượng nghẽn cã thể xảy ra sớm hơn Ảnh hưởng của thời gian trễ cã thể giảm được bằng c¸ch sử dụng c¸c kªnh kh«ng đối xứng với đường vßng lại cho ACK trªn mạng mặt đất

Trường hợp xảy ra mất gãi trªn đường truyền (do bất kỳ lý do nào), TCP coi như mạng bị nghẽn và nã phản ứng lại bằng c¸ch sử dụng thuật to¸n “Khởi đầu chậm” hoặc thuật to¸n tr¸nh nghẽn, đồng thời truyền lại những gãi bị mất Thời gian đ¸p ứng của những thuật to¸n này nhạy cảm cao tới RTT và việc kh«i phục đầy đủ dữ liệu do mất gãi trªn một kết nối vệ tinh cã thể mất tới hàng phót Điều này càng giới hạn thªm kÝch thước cửa

sổ và lưu lượng đi qua

b Ảnh hưởng tới c¸c thuật to¸n điều khiển tắc nghẽn

Khi độ trễ lớn g©y ảnh hưởng đến c¸c thuật to¸n điều khiển tắc nghẽn (đặc biệt là thuật to¸n khởi đầu chậm và thuật to¸n tr¸nh tắc nghẽn) và giảm hiệu suất sử dụng băng tần của vệ tinh

1 Thuật to¸n khởi đầu chậm

Cã vấn đề cần quan t©m khi truyền trong m«i trường cã độ trễ lớn như th«ng tin vệ tinh:

Thứ nhất: Thuật to¸n dß t×m băng th«ng kiểu khởi đầu chậm cã thể mất rất

nhiều thời gian để đạt tốc độ cực đại Cụ thể: c¸c mạng vệ tinh tốc độ lín tới hàng Gbps với RTT khoảng 0,5 gi©y th× cần tới 29 lần RTT (nghĩa là 14,5 gi©y) th× mới khởi tạo thành c«ng Như vậy, toàn bộ dải th«ng sẽ kh«ng được tận dụng hết ngay và trong phần lớn thời gian băng th«ng của mạng sẽ bị l·ng phÝ Thậm chÝ trong rất nhiều trường hợp toàn bộ qui tr×nh

truyền dữ liệu đó kết thúc mà thuật toán khởi đầu chậm vẫn chưa chấm dứt Khi đó người sử dụng không có nhu cầu sử dụng băng thông nữa và toàn bộ thời gian truyền sẽ bị tiêu tốn bởi thuật toán khởi đầu chậm

Thứ hai:Sự nhầm lẫn giữa tắc nghẽn mạng và lỗi do đường truyền TCP

không phân biệt được hai lỗi này, mà việc mất mát các datagram là dấu hiệu của sự nghẽn mạng và do đó giảm kích thước cửa sổ phát khiến cho hiệu năng của toàn mạng giảm xuống

2 Thuật toán tránh tắc nghẽn

TCP sử dụng thuật toán tránh tắc nghẽn tương tự như thuật toán khởi đầu chậm để thăm dò khả năng tăng dung lượng của mạng sau khi xảy ra mất gói tin Phía phát TCP duy trì một cửa sổ tắc nghẽn, ước lượng băng thông thực tế trên đường truyền và ước lượng này biến đổi lên xuống trong thời gian duy trì kết nối Nhìn chung, việc tắc nghẽn được coi là xảy ra khi mất một hoặc vài datagram

ý tưởng cơ bản của thuật toán ước lượng là: Cứ mỗi một chu kỳ, phía phát tăng băng thông ước lượng lên một đơn vị bằng kích thước của segment cực đại Khi phía thu phát hiện ra một segment bị mất hoặc khi nhận được dấu hiệu từ mạng cho biết trên mạng đang xảy ra hiện tượng tắc nghẽn, phía phát sẽ giảm băng thông ước lượng xuống một nửa Khi hết hiện tượng tắc nghẽn, thuật toán dò tìm sẽ tăng thêm một segment ứng với một chu kỳ tín hiệu RTT

c ảnh hưởng kích thước cửa sổ

Trong những kết nối qua vệ tinh địa tĩnh, RTT lớn khiến cho lưu lượng đi qua phụ thuộc vào kích thước cửa sổ (RTT*B) Nếu phía TCP thu

sử dụng một từ 16 bit để thông báo cho TCP phát kích thước cửa sổ thu nó

sử dụng, thì kích thướcc lớnn nhất của cửa sổ thu trong TCP tiêu chuẩn là 64KB, kênh vệ tinh được là quá ít rỗi Để băng thông hiệu dụng đạt cực đại

trong mạng vệ tinh, TCP còn kích thướcc cửa sổ lớn hơn rất nhiều Ví dụ, trên đường vệ tinh với RTT = 0,8s và băng thông = 1.54 Mbps, kích thước cửa sổ tối ưu theo lý thuyết là 154 KB đây là RTT*B cho kênh vệ tinh hai chiều, lớn hơn nhiều so với kích thước cửa sổ cực đại 64KB trong TCP tiêu chuẩn Để có được cửa sổ lớn như vậy đường truyền vệ tinh địa tĩnh phải có những cơ chế đặc biệt gọi là “ đường truyền vệ tinh địa tĩnh phải có những

cơ chế đặc biệt gọi là “cơ chế cửa sổ lớn” (TCP-LW)

d ảnh hưỏng tới sự thích nghi băng thông

TCP thích nghi với băng thông mạng bằng cách tăng kích thước cửa

sổ để giảm nghẽn và giảm kích thứoc cửa sổ khi không nghẽn.Tốc độ thích nghi tỷ lệ voi RTT Trong mạng vệ tinh với độ trễ truyền dẫn lớn, sự thích nghi băng thông diễn ra dài hơn và do đó tác động điều khiển nghẽn trong TCP không được như mong muốn.Hơn nữa, sẽ mất nhiều thời gian hơn ở giai đoạn tăng tuyến tính để hồi phục lại kích thước cửa sổ TCP khi mất giải, đặc biệt là nếu sử dụng TCP-LW

2.4 Các giải pháp cải tiến đảm bảo truyền IP qua vệ tinh

Truyền dữ liệu IP trên đường truyền vệ tinh là vấn đề rất hấp dẫn

đựơc nhiều người quan tâm, với ứng dụng IP, các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP), các nhà khai thác vệ tinh các nhà quản lý công nghệ thông

tin …, có thể đạt được lưu thông IP rất cao trên sơ đồ Hình 2.2

Công nghệ IP là một nền tảng tích hợp cao, tổ hợp rât nhiều chức năng trong một hộp nhỏ Tất cả được tích hợp cao, tổ hợp rât nhiều choc năng trong một hộp nhỏ, tất cả được tích hợp và kiểm tra trong nhà máy,

được thiết kế chế tạo hoàn hảo, linh hoạt, gồm nhiều chức năng gọi chúng

la Modem vệ tinh có chức năng định tuyến, phù hợp các yêu cầu điều hành mạng

Trễ đường truyền và lỗi bit là 2 yếu tố chính ảnh hưởng đến chất

lượng IP trên đường truyền qua vệ tinh địa tĩnh Do đó, cần phải có các giải pháp vệ tinh để đạt được môi trường trong suốt đến tận thiết bị đầu cuối tại người dùng, đó là các phương pháp dịch giao thức hoặc dùng những gateway tại mỗi đầu cuối đường truyền vệ tinh Mỗi gateway hoạt động như

đại diện ở đầu cuối đối lập của đường truyền TCP, tạo cho nhà khai thác

đường truyền vệ tinh được tự do sử dụng giao thức tối ưu đường truyền vệ tinh giữa các cổng Cuộc nối TCP kết cuối tại mỗi đầu cuối kênh vệ tinh, ở

đã đầu cuối vao IP dịch dữ liệu IP thành giao thức tối ưu vệ tinh đầu cuối thu IP dịcc giao thức tối ưu vệ tinh trở về TCP để thấy như là TCP/IP ở đầu cuối bên kia

Hình 2.2 Cuộc nối Ethernet đến Ethernet qua nền IP

Giao thức truyền tối ưu hoá trên đường truyền vệ tinh có thể sử dụng Kích thước cửa sổ đã mở rộng, loại bỏ các thuật toán khởi động chậm và loại trừ nghẽn Nó có thể sử dụng cơ chế báo nhận hiệu quả cao, giảm lưu lượng quay lại càng nhiều càng tốt, có thể giảm 75% lưu lượng hướng ngược Đối với các kết nối không đối xứng Cho phép kênh trở về nhỏ hơn

và như vậy giảm chi phí cho người dùng để điều chế tín hiệu qua vệ tinh có thể dùng các loại mạch cho phép duy trì đường truyền không lỗi nhằm sử dụng tối ưu nguồn lực vệ tinh ví dụ như:

M Viterbi, m Reed Solomon, Interleaving …

Một số giảipháp cơ bản như sau:

2.4.1 Truyền không đối xứng và theo một hướng

Cấu hình Internet theo giả định truyền thông là những mạng và các router đấu nối thông qua những tuyến không đồn nhất, đa hướng và hai chiều Theo thống kê, trên thực tế lưu lượng Internet giữa các máy chủ là sever là không đối xứng : các file dữ liệu lớn được những máy chủ đối xứng: các file dữ liệu lớn được những máy chủ tải về, cản đường yêu cầu kết nối và ACK chỉ cần lưu lượng nhỏ

Tuy thế, nhưng nha cung cấp dịch vụ tính cước theo cự ly truyền IP qua mạng mặt đất bằng cáp đồng trục, viba, cáp quang hai chiều đối xứng: các khách hàng trả tiền cho băng thông cả hai hướng, bất chấp thực tế họ sử dụng như thế nào Với lưu lượng IP quốc tế thường nặng chiều đi từ U.S, nơi tập trung hầu hết những máy chủ, cản dung lượng chiều ngược lại của các đường mặt đất đối xứng dư đáng kể Mặt khác, những đường qua vệ tinh địa tĩnh điều chỉnh dễ dàng cho lưu lượng không đối xứng, băng thông của nó đủ cho tất cả lưu lượng bên trong búp súng, độc lập với những luồng lưu lượng điều khiển Do đó, việc sử dụng kỹ thuật vệ tinh theo một hướng tăng lên đó làm thay đổi một số quan niệm liên quan

a Sử dụng giao thức TCP không đối xứng và theo một phía

Việc truyền dữ liệu TCP phụ thuộc vào ìong kín gửi dữ liệu và nhận lại các ACK Số lượng TCP truyền qua bị giới hạn bởi băng thông của đường gửi dữ liệu và đường ACK Các ACK không mang dữ liệu, kích thước của nó nhỏ hơn kích thước gói dữ liệu (kích thước một gói dữ liệu

cực đại là 576 byte bao gồm TCP + Phần mào đầu IPs) Điều này cã nghĩa

là cã thể sử dụng băng th«ng kh«ng đối xứng cho đường gửi dữ liệu và đường vßng lại cho ACK để tiết kiệm băng th«ng Cã hai giải ph¸p cã thể tiết kiệm băng th«ng đường vßng lại:

- NÐn lớp kết nối: nÐn phần mào đầu TCP/IP tiªu chuẩn thường giảm

từ 40 byte phần mào đầu TCP/IP xuống cßn 1 byte

- Giảm số lượng gửi ACKs: Một ACK cã thể b¸o nhận được cho nhiều khối dữ liệu

- Cã hai phương ph¸p cấu h×nh kªnh kh«ng đối xứng:

- C¸c yªu cầu kết nối sẽ được gửi toàn bộ lưu lượng đi qua mạng mặt đất tốc độ chậm (như Dial-up Modem) để thiết lập đường truyền vệ tinh và thu lưu lượng đến qua đường vệ tinh tốc độ cao (kết nối theo một hướng)

- Cã thể sử dụng cả hai chiều là kªnh vệ tinh nhưng đường lªn sử dụng băng tần nhỏ hơn đường xuống

Việc sử dụng đường mặt đất cho c¸c yªu cầu kết nối và gửi ACK râ ràng vừa giảm được thời gian truyền dẫn toàn tr×nh xuống gần một nửa, vừa tiết kiệm được băng th«ng vệ tinh Giải ph¸p dùng cả 2 chiều là kªnh vệ tinh với băng th«ng kh¸c nhau chỉ tiết kiệm được băng th«ng

b Sử dụng định tuyến động IP

Định tuyến Internet và c¸c giao thức đã được thiết kế để tối ưu ho¸ truyền dẫn dùng cho kết nối hai chiều đối xứng Hầu hết c¸c giao thức định tuyến IP hiện đang sử dụng kh«ng trợ gióp đặc tÝnh kết nối theo một hướng

Cã một vấn đề như trong trường hợp tr×nh bày trªn H×nh 3.3, c¸c router A

và C được nối thẳng bằng một đường đơn hướng (qua vệ tinh) và được đấu gi¸n tiếp qua router B, hoặc qua một mạng IP (tức là ở đ©y kết nối giữa router A và B cã thể là một đường thiết lập cuộc gọi) Một giao thức định tuyến động được sử dụng giữa c¸c router này

Sự thay đổi những giao thức định tuyến cơ sở để phï hợp với c¸c kết nối một chiều rất được quan t©m Cã thể thiết kế những giao thức trạng th¸i kết nối riªng giống như OSPF, mà ở đã mỗi router x©y dựng một sơ đồ kết nối của mạng từ những th«ng b¸o trạng th¸i kết nối tràn

H×nh 2.3 Định tuyến động IP

Một giải ph¸p kh¸c cũng đ· được nghiªn cứu là dùng đường hầm IP

để tạo ra tổ hợp c¸c kết nối một chiều trực tiếp và trªn mỗi nửa của kết nối hai chiều một giao thức định tuyến giống như kết nối một hướng trực tiếp Router A làm một đường hầm IP tới router C, theo đã th«ng tin định tuyến cã thể được gửi tới C bằng c¸ch gãi gọn nã trong khối dữ liệu đ¸nh địa chỉ tới C và được chuyển qua mạng IP Đường hầm IP khi đã giống như giao thức định tuyến cho kết nối một chiều trực tiếp từ A đến C V× th«ng tin đến từ l©n cận cã thể được chuyển mạch giữa A và C theo cả hai hướng, c¸c kết nối vệ tinh được kết hợp chặt chẽ trong sơ đồ định tuyến, kh«ng cần phải cã bất kỳ sự thay đổi nào tới việc vận hành giao thức định tuyến này Một khã khăn cần phải xem xÐt là, trong khi router C muốn gửi toàn bộ lưu lượng tới mạng con của router A qua vệ tinh, router A kh«ng cần thiết chuyển toàn bộ lưu lượng đường lªn của nã trªn đường hầm IP qua router

C Truy cập vào Internet c«ng cộng th«ng qua trực tiếp router B cã thể đạt

được hiệu suất cao hơn Điều này liªn quan tới việc gửi thẳng để giải quyết bằng cấu h×nh c¸c đường hầm sao cho từ A đến C chỉ sử dụng cho th«ng tin định tuyến, trong khi đường trực tiếp tới B được sử dụng cho c¸c lưu lượng kh¸c.

2.4.2 Mở rộng TCP

a Cửa sổ lớn TCP

Cơ chế cửa sổ lớn TCP (TCP-LW) là một mở rộng của TCP đã được ứng dụng để tăng kÝch thước cửa sổ cực đại bằng c¸ch đưa vào phần mở rộng phạm vi cửa sổ, tăng trường địa chỉ đến 32 bit Trừ c¸c th«.ng tin bổ sung, cã thÓ th«ng b¸o kÝch thước cửa sổ cực đại bằng 230 =1GB, cho phÐp

sử dụng tốt hơn c¸c kết nối với những RTT*B lớn Trong trường hợp này,

cả phÝa gửi và phÝa nhận phải sử dụng cïng một version TCP theo kiểu TCP-LW C¸c ứng dụng cũng phải thiết lập kÝch thước c¸c bộ đệm gửi và nhận để bằng với tÝch RTT*B

b TCP với b¸o nhận lựa chọn SACK

Trong TCP tiªu chuẩn, nếu một đoạn dữ liệu bị mất người gửi sẽ

truyền lại toàn bộ dữ liệu đã gửi kể từ đoạn mất mà kh«ng quan t©m tới việc đã truyền tốt c©c đoạn tiếp theo hay kh«ng TCP coi đoạn mất này

giống như sự nghẽn và sẽ điều chỉnh kÝch thước cửa sổ để chống nghẽn Gần đ©y TCP-SACK tiªu chuẩn được định nghĩa để cho phÐp người nhận th«ng b¸o râ ràng cho người gửi về sự mất riªng đoạn này Bởi vậy, người gửi cã thể truyền lại đoạn bị mất ngay lập tức mà kh«ng cần một thời gian chờ đợi, đ¸p ứng với nghẽn giả định và giảm cửa sổ của nã đi nhiều lần Nếu c¸c đoạn mất kh«ng phải do nghẽn, hoặc sự nghẽn chỉ là ngắn ngủi th× khối lượng dữ liệu qu¸ giang ở TCP-SACK sẽ tốt hơn nhiều Điều này sẽ cã

Ých trong mạng vệ tinh v× nã tr¸nh được những sự kh«i phục dài dßng trong TCP mỗi khi ph¸t hiện nghẽn.

c Khởi đầu chậm, tr¸nh nghẽn trước

• Khởi đầu chậm

Thời gian khởi đầu chậm trong mạng vệ tinh địa tĩnh cũng lớn v× RTT lớn Khởi đầu chậm điều khiển số đoạn được ph¸t chứ kh«ng điều khiển kÝch cỡ c¸c đoạn

H×nh 2.4 Ảnh hưởng của Khởi đầu chậm và Tr¸nh nghẽn

Ta h·y khảo s¸t 1 đường 128 Kbps truyền qua vệ tinh Khi bắt đầu truyền tốc độ truyền sẽ thay đổi trong khoảng thời gian gửi một số đoạn TCP và chờ ACK quay lại Đơn vị thời gian giữa những thay đổi tốc độ là 1

RTT Th«ng thường, thời gian đßi hỏi trước khi chuyển từ trạng th¸i Khởi

đầu chậm tới Tr¸nh nghẽn là từ (7÷10)RTT và cã thể phải cần thªm

(20÷30) RTT để trở lại gần với tốc độ dung lượng tuyến Qu¸ tr×nh này để

rỗi một lượng băng th«ng đ¸ng kể Như m« tả trªn H×nh 3.4, sau 16 RTT

(8s) tốc độ gửi chỉ cßn khoảng 80Kbps (giả thiết rằng ~1 Kbps/segment)

so với b×nh thường Người gửi nhận được th«ng b¸o qua thời gian chết của gãi này Thực chất nguyªn lý RED là ở chỗ việc lấy bớt ra một gãi sớm hơn

so với b×nh thường cã thể gióp tr¸nh được khả năng sẽ mất nhiều gãi hơn sau đã Nhờ nhận được th«ng b¸o nghẽn, người gửi TCP cã thể giảm cửa sổ của họ trước khi cã một chuỗi nghẽn xuất hiện Một giải ph¸p kh¸c là gióp cho người gửi TCP dự b¸o trước khả năng nghẽn xuất hiện và giảm cửa sổ truyền của nã trước khi c¸c routers trung gian bị mất gãi TCP cã thể giữ đường đi của RTT nhỏ nhất trong suốt qu¸ tr×nh truyền và sử dụng hầu hết RTT quan s¸t được gần nhất để tÝnh to¸n hàng dữ liệu trong mạng TCP cũng cã thể lưu số lượng dữ liệu đi qua trước và sau khi cửa sổ nghẽn thay đổi để đ¸nh gi¸ mức nghẽn mạng Nếu giả định rằng số lượng c¸c gãi xếp hàng trong mạng đang tăng, nã sẽ giảm cửa sổ nghẽn và ngược lại

2.4.3 Kết nối TCP

Trong nhiều trường hợp, cã thể thực hiện những cải tiến chất lượng lớn ở mức cơ sở hạ tầng Internet mà kh«ng cần sửa đổi TCP Trong khi những cải tiến ở lớp truyền dẫn yªu cầu thay đổi tới hệ điều hành của mỗi

m¸y chủ đầu cuối, th× những cải tiến ở lớp truyền th«ng thường yªu cầu rấtÕit hoặc kh«ng yªu cÇu cã sự cải biến nào như vậy

a Chia kết nối TCP

Giao thức TCP đảm bảo kết nối end-to-end, nghĩa là c¸c lớp TCP phÝa ph¸t và phÝa thu được kết nối qua đoạn nối ảo sao cho c¸c vấn đề như điều khiển nghẽn, điều chỉnh dßng dữ liệu cã thể được thực hiện kh«ng cần c¸c tầng trung gian ý tưởng ph©n chia c¸c kết nối TCP sẽ làm “đứt” một kết nối TCP end-to-end thành ba đoạn, mỗi đoạn tự nã là một kết nối TCP đầy

đủ Đoạn giữa kÐo dài qua kết nối vệ tinh cã trễ lớn và hai đoạn kh¸c nối những router kết cuối đường vệ tinh với c¸c đầu cuối Internet mặt đất cã trễ nhỏ Những dßng dữ liệu được gửi từ đoạn này tới đoạn kh¸c cã thể được đệm nếu cần thiết

Như vậy đã cã sự chia t¸ch riªng biệt những t¸c động của độ trễ: đoạn TCP đầu tiªn và cuối cïng là một mạng trễ thấp, TCP khởi đầu chậm cã thể tăng tốc độ nhanh chãng hơn và kÝch thước cửa sổ sẽ làm việc hoàn toàn b×nh thường (kh«ng cã TCP-LW) Đoạn giữa cần phải thực hiện những đặc tÝnh đặc biệt và sử dụng những cửa sổ lớn để đối phã trễ lớn Theo c¸ch này, chất lượng TCP cã thể được cải thiện chỉ cần những thay đổi nhỏ tới phần mềm ứng dụng

ý tưởng của giải ph¸p này như h×nh 3.5 là: chia một kết TCP qua vệ tinh từ m¸y chủ A đến m¸y chủ B thành 2 phần:

• • Phần kết nối mặt đất bao gồm: từ m¸y chủ A đến trạm mặt đất phÝa

• Thứ nhất: Tr¸nh được việc giảm th«ng lượng của kết nối mặt đất do sự giảm th«ng lượng của kết nối kh«ng gian

• Thứ hai: Tập trung giải quyết riªng phần kết nối kh«ng gian, giữ nguyªn phần kết nối mặt đất

1 Hoạt động của giải ph¸p chia kết nối

Ngay khi nhận được những gãi dữ liệu từ m¸y chủ A, trạm mặt đất A

sẽ gửi gãi tin x¸c nhận ACK về m¸y chủ A và chuyển c¸c gãi tin này lªn kết nối vệ tinh

Trạm mặt đất B, sau khi nhận được gãi tin từ trạm mặt đất A, sẽ gửi gãi tin x¸c nhận ACK cho trạm mặt đất A Tiếp đã, m¸y chủ B sẽ ph¸t gãi tin x¸c nhận ACK cho mỗi gãi tin nhận được tới trạm mặt đất B

2 Hoạt động của ghÐp kªnh kết nối

Máy chủ

phía phát A

Trạm mặt đất phía phát A

Vệ tinh

Trạm mặt đất phía thu B

Máy chủ phía thu B Dòng dữ liệu SCTP

H×nh 2.5 C¬ chÕ chia /gép kÕt nèi

Việc chia kết nối có tác dụng tránh được sự giảm thông lượng của kết nối mặt đất do sự giảm thông lượng của kết nối vệ tinh Tuy nhiên, giải pháp này không cải thiện được thông lượng của kết nối vệ tinh do độ trễ của đường truyền dẫn vệ tinh lớn Cơ chế ghép kênh kết nối sẽ giải quyết vấn đề này bằng cách: ghép các kết nối TCP thành một kết nối SCTP trên kết nối vệ tinh (Sở dĩ gọi là kết nối SCTP vì đoạn kết nối vệ tinh lúc này dùng giao thức truyền tải là giao thức SCTP thay cho giao thức TCP) Tại trạm mặt đất phía phát, tất cả các kết nối TCP được ghép kênh thành một luồng SCTP đơn, và trạm mặt đất phía thu sẽ thực hiện qui trình tách luồng SCTP thành các kết nối TCP riêng biệt

Cơ chế ghép kênh này giúp cho các kết nối TCP có thể chia sẻ kích thước cửa sổ của kết nối SCTP để truyền dẫn các gói tin Do đó, khi kết nối SCTP tăng kích thước cửa sổ, một kết nối TCP mới có thể sử dụng cửa sổ kích thước lớn của SCTP cho kết nối đầu cuối – đầu cuối, do đó thông lượng của kết nối TCP sẽ tăng đáng kể

b TCP giả bộ

Theo giải pháp này, một gateway trung gian (thông thường ở đường lên vệ tinh) thừa nhận một đoạn TCP mà không đợi ACK thực tế Điều này làm cho phía gửi cảm nhận mạng là một mạng trễ thấp và do đó giai đoạn TCP khởi đầu chậm có thể diễn ra nhanh chóng Gateway trung gian làm đệm cho những đoạn đi qua Khi ACK thực tế quay về tới gateway, nó bị triệt đi để tránh cho phía gửi nhận được ACK đúp Nếu ACK không quay trở lại thì gateway tính thời gian và truyền lại đoạn mất từ bộ đệm trong của nó

TCP giả bộ cũng phá vỡ khỏi niệm “end-to-end” vì người gửi có thể nghĩ rằng một đoạn đó đến đích trong khi nó thật sự vẫn còn đang trên đường truyền

2.4.4 Giao thøc øng dông

Ta xÐt một phương ph¸p điển h×nh là những kết nối TCP liªn tục: Trong ứng dụng kiểu kh¸ch/chủ, kh¸ch hàng gửi một yªu cầu cho c¸c server và server trả lời Nếu mỗi yªu cầu/trả lời như vậy được thực hiện trong một phiªn TCP riªng biệt, chất lượng chung của ứng dụng sẽ xấu đi một c¸ch đ¸ng kể qua một mạng vệ tinh Ta cã thể cải thiện chất lượng bằng việc viết lại ứng dụng để sử dụng một phiªn TCP đơn cho tất cả c¸c yªu cầu/trả lời nhỏ Mới đ©y, tiªu chuẩn HTTP 1.1 mới được đưa ra làm giảm sự cố chất lượng bằng c¸ch sử dụng một kết nối liªn tục để kết hợp nhiều sự truyền nhỏ vào một gãi đơn và truyền bằng ống truyền dẫn để trễ truyền dẫn gối nhau Sử dụng HTTP 1.1, thời gian truyền trang Web tiªu biểu qua vệ tinh địa tĩnh cã thể được giảm bớt tới một vài gi©y, cã thể so s¸nh được với Internet mặt đất

2.5 Kết luận

Việc ph©n tÝch những ảnh hưởng của đường truyền vệ tinh địa tĩnh tới chất lượng truyền dẫn TCP/IP như đặc tÝnh trễ truyền dẫn và x¸c suất lỗi bit cao g©y ra mất gãi và thời gian hồi phục chậm Đưa ra và ph©n tÝch một số giải ph¸p kỹ thuật để hạn chế ảnh hưởng do trễ truyền lan khi sử dụng giao thức TCP/IP trong th«ng tin vệ tinh Và c¸c giải ph¸p này đều mang lại chất lượng cao hơn so với giao thức TCP chuẩn Và th«ng qua đã nhận thấy đường truyền qua vệ tinh địa tĩnh cũng là những đường truyền hoàn toàn thÝch hợp để truyền dữ liệu IP theo phương thức nối từ điểm tới điểm, từ một điểm tới nhiều điểm, truyền quảng b¸ một chiều trªn những vïng địa

lý ph©n t¸n diện rộng, tới những vïng xa x«i, hẻo l¸nh Và c¸c giải ph¸p được tãm tắt ngắn gọn như sau:

Tên giải pháp Các ứng dụng

Giai pháp truyền không

đối xứng và theo một phía

- Đường truyền vệ tinh tốc độ cao, độ nghẽn thấp

- Các dịch vụ truyền dữ liệu

Giải pháp mở rộng TCP - Dịch vụ truyền file

- Dịch vụ truyền hình theo yêu cầu, truyền hình hội nghị đòi hỏi băng thông rộng, tốc độ truyền dữ liệu ổn định

- Thư điện tử, trình duyệt Web có kích thước nhỏ hơn 4 Kbyte

- Những kênh vệ thuê riêng tốc độ lơn

Giải pháp TCP với báo

TCP

- Áp dụng cho nhiều loại hình dịch vụ khác nhau, tuy nhiên giải pháp này đặc biệt có ưu thế trong dịch vụ phát đa đường hay phát quảng bá dữ liệu

2.6 Giới thiệu qua về h264

2.6.1.Giới thiệu chung :

Kể từ khi mới xuất hiện vào những đâù những năm 90, chuẩn nén videoMPEG-2 đã hoàn toàn thống lĩnh thế giới truyền thông Cũng trong

thập kỷ này, chuẩn nén MPEG-2 đã được cải tiến về nhiều mặt Giờ đây nó

có tốc độ bit thấp hơn và việc ứng dụng nó đựoc mở rộng hơn nhờ có các kỹ thuật như đoán chuyển động, tiền xử lý, xử lý đối ngẫu và phân bổ tốc độ bit tùy theo tình huống thông qua ghép kênh thống kê

Tuy nhiên, chuẩn nén MPEG-2 cũng không thể được phát triển một cách vô hạn định Thực tế hiện nay cho thấy chuẩn nén này đã đạt đến hết giới hạn ứng dụng của mình trong lĩnh vực truyền hình từ sản xuất tiền kỳ

đến hậu kỳ và lưu trữ video số Bên cạnh đó, nhu cầu nén video lại đang ngày một tăng cao kèm theo sự phát triển mạnh mẽ của mạng IP mà tiêu biểu là mạng Internet Khối lượng nội dung mà các công ty truyền thông cũng như các nhà cung cấp dịch vụ thông tin có thể mang lại ngày càng lớn, ngoài ra họ còn có thể cung cấp nhiều dịch vụ theo yêu cầu thông qua

hệ thống cáp, vệ tinh và các hạ tầng viễn thông đặt biệt là mạng Internet Các tiêu chuẩn mã hoá Video ra đời và phát triển với mục tiêu cung cấp các phương tiện cần thiết để tạo ra sự thống nhất giữa các hệ thống được thiết kế bởi những nhà sản xuất khác nhau đối với mọi loại ứng dụng Video Nhờ vậy thị trường Video có điều kiện tăng trưởng mạnh Chính vì

lý do này nên những người sử dụng bộ giải mã cần có một chuẩn nén mới

để đi tiếp chặng đường mà MPEG-2 đó bỏ dở

Hiệp hội viễn thông quốc tế (ITU) và tổ chức tiêu chuẩn quốc tế/ Uỷ ban kỹ thuật điện tử quốc tế (ISO/IEC) là hai tổ chức phát triển các tiêu chuẩn mã hoá Video Theo ITU-T, các tiêu chuẩn mã hoá Video được coi là các khuyến nghị gọi tắt là chuẩn H.26x (H.261, H.262, H.263 và H.264) Với tiêu chuẩn ISO/IEC, chỳng được gọi là MPEG-x (như MPEG-1, MPEG-2 và MPEG-4)

Những khuyến nghị của ITU được thiết kế dành cho các ứng dụng truyền thông video thời gian thực như Video Conferencing hay điện thoại truyền hình Mặt khác, những tiêu chuẩn MPEG được thiết kế hướng tới

mục tiªu lưu trữ Video chẳng hạn như trªn đĩa quang DVD, quảng b¸ Video số trªn mạng c¸p, đường truyền số DSL, truyền h×nh vệ tinh hay những ứng dụng truyền dßng Video trªn mạng Internet hoặc th«ng qua mạng kh«ng d©y (wireless)

2.6.2.TÝnh kế thừa của chuẩn nÐn H.264

Mục tiªu chÝnh của chuẩn nÐn H.264 đang ph¸t triển nhằm cung cấp Video cã chất lượng tốt hơn nhiều so với những chuẩn nÐn Video trước đ©y Điều này cã thể đạt được nhờ sự kế thừa c¸c lợi điểm của c¸c chuẩn

nÐn Video trước đ©y Kh«ng chỉ thế, chuẩn nÐn H.264 cßn kế thừa phần lớn lợi điểm của c¸c tiªu chuẩn trước đã là H.263 và MPEG-4 bao gồm 4 đặc

điểm chÝnh như sau:

Ph©n chia mỗi h×nh ảnh thành c¸c Block (bao gồm nhiều điểm ảnh),

do vậy qui tr×nh xử lý từng ảnh cã thể được tiếp cận tới mức Block

Khai th¸c triệt để sự dư thừa về mặt kh«ng gian tồn tại giữa c¸c h×nh ảnh liªn tiếp bởi một vài m· của những Block gốc th«ng qua dự đo¸n về kh«ng gian, phÐp biến đổi, qui tr×nh lượng tử và m· ho¸ Entropy (hay m· cã độ dài thay đổi VLC)

Khai th¸c sự phụ thuộc tạm thời của c¸c Block của c¸c h×nh ảnh liªn tiếp bởi vậy chỉ cần m· ho¸ những chi tiết thay đổi giữa c¸c ảnh liªn tiếp Việc này được thực hiện th«ng qua dự đo¸n và bï chuyển động Với bất kỳ Block nào cũng cã thể được thực hiện từ một hoặc vài ảnh m· ho¸ trước đã hay ảnh được m· ho¸ sau đã để quyết định vÐc tơ chuyển động, c¸c vÐc tơ này được sử dụng trong bộ m· ho¸ và giải m· để dự đo¸n c¸c loại Block Khai th¸c tất cả sự dư thừa về kh«ng gian cßn lại trong ảnh bằng việc m· c¸c block dư thừa VÝ dụ như sự kh¸c biệt giữa block gốc và Block dự đo¸n

sẽ được m· ho¸ th«ng qua qui tr×nh biến đổi, lượng tử ho¸ và m· ho¸ Entropy

2.6.3 Cơ chế nÐn ảnh của H.264 (MPEG-4 AVC)

Với chuẩn nÐn H264, mỗi h×nh ảnh được ph©n chia thành nhiều

Block, mỗi block tương ứng với một số lượng nhất định c¸c MacroBlock

VÝ dụ một h×nh ảnh cã độ ph©n giải QCIF (tương đương với số lượng điểm ảnh (176x144) sẽ được chia thành 99 MacroBlock với kÝch cỡ 16x16 Một

sự ph©n đoạn c¸c MacroBlock tương tự được sử dụng c¸c kÝch cỡ ảnh kh¸c Thành phần chãi của ảnh được lấy mẫu tương ứng với độ ph©n giải của ảnh

đã, trong khi đã thành phần màu CR và CB được lấy mẫu với tần số thấp hơn theo 2 chiều ngang và dọc Thªm vào đã mỗi h×nh ảnh cã thể được ph©n thành số nguyªn lần c¸c l¸t mỏng (slice), việc này rất cã gi¸ trị cho việc t¸i đồng bộ trong trường hợp lỗi dữ liệu

Mỗi h×nh ảnh thu được được xem như một ảnh I Ảnh I là ảnh được m· ho¸ bởi việc ¸p dụng trực tiếp c¸c phÐp biến đổi lªn c¸c MacroBlock kh¸c nhau trong ảnh C¸c ảnh I được m· ho¸ sẽ cã kÝch cỡ lớn bởi nã được x©y dựng từ một khối lượng lớn th«ng tin của bản th©n ảnh hiện tại mà kh«ng sử dụng bất cứ th«ng tin nào từ miền thời gian trong qu¸ tr×nh xử lý

m· ho¸ để tăng hiệu quả xử lý m· ho· bªn trong H.264

a.Giảm bớt độ dư thừa

Cũng giống như c¸c bộ lập giải m· kh¸c, H.264 nÐn video bằng c¸ch

giảm bớt độ dư thừa cả về kh«ng gian và thời gian trong h×nh ảnh Những

dư thừa về mặt thời gian là những h×nh ảnh giống nhau lặp đi lặp lại từ khung (frame) này sang khung kh¸c, vÝ dụ như phần ph«ng nền kh«ng chuyển động của một chương tr×nh đối thoại trªn truyền h×nh Dư thừa về kh«ng gian là những chi tiết giống nhau xuất hiện trong cïng một khung, vÝ

dụ như nhiều điểm ảnh giống nhau tạo thành một bầu trời xanh H×nh 1