Một phương pháp đảm bảo chất lượng cho dịch vụ truyền thông đa hướng thời gian thực qua mạng IP

Luận án tiến sỹ kỹ thuật 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 tuy n, phát thanh và

vô tuy n truy n hình

Mã s : 2.07.02

TÓM T T LU N ÁN TI N S K THU T

HÀ N I - 2006

1 Tính c p thi t c a tài

Cùng v i s phát tri n c a công ngh thông tin - vi n thông, c bi t là s gia

ng nhanh chóng c a Internet c v h t ng m ng và nhu c u phát tri n các d ch v m i

nh mua s m tr c tuy n, gi i trí qua m ng công ngh phát thanh c ng có nh ngchuy n bi n theo xu h ng hình thành m t ph ng th c truy n t i m i, l y Internet làmcông c qu ng bá tín hi u phát thanh t i b n nghe ài Hi n nay, ph ng th c truy nthông a h ng (multicast) ang c t p trung nghiên c u k t h p v i giao th c truy n

i th i gian th c RTP / RTCP (Real-time Transport Protocol / Real-time Control Protocol) nh m hình thành các mô hình truy n t i d ch v th i gian th c trên n n giao

th c IP, qua ó h n ch nh c m c a truy n thông n h ng c ng nh c tínhkhông m b o ch t l ng d ch v c a môi tr ng Internet hi n t i T tháng 8/2005, ài

ti ng nói Vi t Nam b t u h tr kh n ng nghe ài phát thanh qua m ng Internet V n

t ra v i ph ng th c phát thanh qua m ng Internet hi n t i là ch a có c ch m

o ch t l ng d ch v và ang th c hi n theo ph ng th c truy n thông n h ng d n

n các h n ch v ch t l ng khi s l ng ng i dùng t ng cao, c ng nh khó kh ntrong tr ng h p m r ng d ch v Bên c nh ó, v n làm ch công ngh có th tùy

bi n thành ng d ng c thù c ng c n c quan tâm nghiên c u

2.2 Ph m vi nghiên c u

Lu n án t p trung nghiên c u xu t và xây d ng mô hình h th ng RoIP trên hai

ph ng di n k t h p truy n thông n h ng (unicast) v i truy n thông a h ng và k t

p môi tr ng truy n t i h u tuy n v i truy nh p vô tuy n theo chu n IEEE 802.11.Nghiên c u áp d ng các thu t toán u khi n l ch trình b m tái t o thích ng và

xu t ph ng pháp m b o ch t l ng tín hi u phát thanh truy n t i qua m ng IP t i uthu

2 Ph ng pháp nghiên c u

Lu n án s d ng ph ng pháp mô hình hóa h th ng thông qua công c toán h c

và mô hình c u trúc giao th c K t h p ph ng pháp ph ng t o tham s m ng IP và

ph ng pháp o c thông s qua mô hình th c nghi m c xây d ng trên n n h uhành mã ngu n m Linux

3 Ý ngh a khoa h c và th c ti n c a lu n án

Lu n án ã xu t và xây d ng m t mô hình m i có c s khoa h c nh m s

ng m ng IP làm môi tr ng truy n t i tín hi u phát thanh Cùng v i ph ng pháp m

o ch t l ng tín hi u t i u thu, mô hình h th ng RoIP có th c tri n khai áp

ng vào th c t nh m a d ng hóa các lo i hình truy n t i tín hi u phát thanh c ng nh

ch v gia t ng qua Internet

4 K t c u c a lu n án

Lu n án g m ph n m u, 03 ch ng và k t lu n

Ch ng 1: Th o lu n nh ng v n c b n c a truy n thông a h ng qua m ng

IP và môi tr ng truy nh p vô tuy n WLAN theo chu n IEEE 802.11 xu t mô hình

th ng truy n t i tín hi u phát thanh th i gian th c qua m ng IP trên ph ng di n môhình lý thuy t, c u trúc giao th c và mô hình tri n khai th c nghi m

Ch ng 2: Xem xét ch t l ng d ch v truy n t i tín hi u phát thanh th i gian

th c qua m ng IP theo thông s ngu n và thông s m ng nh h ng n ch t l ng tín

hi u phát thanh t i u thu Lu n án xu t mô hình và công c ph ng t o tham s QoS

a m ng IP Công c ph ng t o c xây d ng tích h p trong thành ph n c ng chuy n

i giao th c iVoVGateway c a h th ng RoIP nh m th c hi n nh h ng c a môi

Cu i cùng là k t lu n, h ng nghiên c u ti p theo và các ph l c c a lu n án

CH NG 1: T NG QUAN V TRUY N THÔNG A H NG

VÀ MÔ HÌNH H TH NG RoIP 1.1 Truy n thông a h ng qua m ng IP

t ng quát, truy n thông qua Internet c chia thành 3 ph ng th c sau [51]:

- Ph ng th c truy n thông n h ng - unicast : Các gói tin c truy n t i t

t ngu n g i n m t ích thu xác nh ( m- n- m) ây là mô hình truy n thông

n gi n nh ng khó m b o ch t l ng d ch v khi s ng i dùng t ng lên Khi s

ng ng i dùng l n, s l ng k t n i n h ng c ng t ng lên t ng ng, kéo theo t i

u l ng m ng t ng do yêu c u b ng thông ng truy n t ng v i cùng m t n i dungthông tin trên cùng tuy n liên k t, d n n tình tr ng t c ngh n m ng Bên c nh ó, t i

lý c a máy ch c ng t ng lên do ph i x lý nhi u yêu c u k t n i và có th d n nquá t i máy ch Tuy có nhi u h n ch nh ng do tính l ch s , ph ng th c truy n thông

n h ng hi n v n ang c s d ng ph bi n trên m ng IP trong ó bao hàm c d ch truy n t i tín hi u phát thanh qua Internet

- Ph ng th c truy n thông qu ng bá - broadcast: Các gói tin c truy n t i t

t ngu n g i n t t c các máy tr m trong m ng ( m- n-t t c ) Các gói tin qu ng

bá c x lý b i t t c các máy tr m trong m ng, th m chí c trong tr ng h p máy

tr m không quan tâm n d li u ó u này d n n t i l u l ng vô ích v i m t smáy tr m và khó kh n trong v n b o m t thông tin

- Ph ng th c truy n thông a h ng - multicast: Các gói tin c truy n t i t

t ngu n g i n m t nhóm các máy tr m xác nh ( m- n-nhóm) Ph ng th cnày ph thu c vào h t ng m ng chuy n ti p gói tin

i kh n ng tri n kh i trên di n r ng và qua m ng Internet, t n d ng c các

u m và h n ch các nh c m c a unicast và broadcast nh giúp gi m l u l ng

ng và t i x lý c a ngu n phát, ph ng th c truy n thông a h ng ang c quantâm nghiên c u và áp d ng v i các h th ng truy n t i d ch v th i gian th c Trên s s

ó, lu n án t p trung nghiên c u và ng d ng m ng truy nh p s d ng ph ng th ctruy n thông a h ng trong h th ng RoIP

1.2 Nguyên lý truy n thông a h ng qua m ng IP

Các m ng truy n thông a h ng có th c xây d ng thành các c omulticast và liên k t v i nhau thông qua c ch ng h m ng h m là c ch chophép chuy n các gói d li u multicast t các b nh tuy n h tr truy n thông a h ngMRouter (Multicast Router) ngu n n MRouter ích thông qua các b nh tuy n n

ng URouter (Unicast Router) Vi c óng gói theo c ch ng h m th c hi n bsung thêm ph n tiêu IP m i v i a ch ích là a ch IP n h ng c a MRouter

u bên kia c a ng h m và a ch ngu n là a ch IP n h ng c a MRrouter ang

i gói tin ó Nh th hi n trên hình 1.1, MRouter R2 mu n g i m t gói tin IP a

ng t i MRouter R5 Tr c h t, R2 s óng v gói tin (chuy n t gói IP a h ngthành gói IP n h ng) r i chuy n ti p t i URouter R3 Gói a h ng này s i theotuy n R3-R7-R8-R5 Nh v y, theo c ch ng h m, v i MRouter R5 thì gói tin này

c x lý v i a ch ngu n n t R2

Hình 1.1: C ch ng h m liên k t các MRouter

1.3 Các c u hình m ng truy nh p vô tuy n theo chu n WLAN 802.11

u hình truy nh p c b n c a m t m ng WLAN theo chu n IEEE 802.11 bao

m m t nhóm các tr m c k t n i v i nhau trong vùng d ch v c b n, c xác nh

i c tính truy n d n c a môi tr ng vô tuy n M t tr m trong mi n d ch v c b n có

th k t n i v i các tr m khác trong cùng BSS (Basic Service Set) ho c BSS khác C uhình m ng WLAN c chia thành 2 lo i nh th hi n trong hình 1.2

u hình m ng WLAN c l p - IBSS (Independent BSS)

t m ng BSS c l p (IBSS) c th hi n hình 1.2a Các tr m trong IBSS

t n i tr c ti p v i nhau và do ó c n ph i n m trong ph m vi k t n i tr c ti p M ng802.11 t i thi u là m ng IBSS ch bao g m 2 tr m

u hình m ng WLAN ph thu c - BSS (Infrastructure BSS)

u hình m ng WLAN 802.11 ph thu c s d ng m truy nh p AP (AccessPoint) nh th hi n hình 1.2b C u hình này có hai u m chính là:

M t BSS c xác nh b i kho ng cách t i AP và các máy tr m có th ti nhành liên l c, t t c các tr m di ng ph i th a mãn yêu c u n m trong ph m vi liên l c

i m truy nh p AP, nh ng không có s h n ch nào v kho ng cách gi a b n thâncác tr m di ng.

- Các AP trong m ng BSS có kh n ng tr giúp các máy tr m trong vi c b o vngu n AP s ti n hành m các khung d li u khi máy tr m yêu c u ch b o vngu n và các máy tr m ho t ng b ng pin có th ng ng vi c thu và c p ngu n cho nkhi các khung d li u m t AP c truy n i

Hình 1.2: Các c u hình m ng WLAN theo chu n IEEE 802.11

i các u m trên, m ng truy nh p WLAN theo chu n IEEE 802.11 có c u hình

ph thu c c s d ng làm môi tr ng các máy tr m truy nh p vào h th ng RoIP

1.4 Mô hình h th ng RoIP

1.4.1 Khái ni m

th ng RoIP (Radio over IP networks ) là h th ng s d ng m ng IP làm

ph ng ti n truy n t i tín hi u mang tin t c phát thanh theo th i gian th c Thu t ng

“Radio” s d ng trong lu n án v i ý ngh a “tín hi u phát thanh” c hi u là tín hi umang tin t c phát thanh qua m ng IP và c x lý nh m t d ng s li u truy n t i qua

ng IP ch u ràng bu c v tính áp ng th i gian th c - y u t quan tr ng liên quan n

ch t l ng tín hi u tái t o t i u thu

1.4.2 Mô hình h th ng RoIP xu t

th ng RoIP c xu t và xây d ng t quan m áp d ng mô hình truy n t i

ti ng nói/âm thanh [8][19][20] và mô hình truy n thông a h ng qua m ng IP[12][13][51] H th ng truy n t i tín hi u phát thanh t ngu n Tx n ích Rx qua m ng

IP c n th c hi n các ch c n ng sau:

a C u hình m ng c l p - BSS b C u hình m ng ph thu c - IBSS

Mã hóa / gi i mã và t o / m gói

truy n t i tín hi u phát thanh t ng t qua m ng IP, tr c h t ph i s hóa và

mã hóa tín hi u Quá trình chuy n i c th c hi n b i các b mã hóa và gi i mã trong

ti n trình ng c l i Kh i t o gói là c c u c thi t k sau kh i mã hóa th c hi n ch c

ng óng gói s li u âm thanh ã mã hóa theo chu n giao th c RTP/UDP/IP và tách góitrong quá trình ng c l i

m d li u phát và m d li u tái t o

Trong h th ng RoIP, các gói tin mang tín hi u phát thanh phía phát c l u

gi t i b m phát tr c khi truy n vào m ng IP B m này có tác d ng m b o t c ngu n phát n nh d i s u khi n c a b t o l ch trình phát d li u

Tín hi u c tái t o t i phía thu áp ng tính th i gian th c theo th t t o ra bênphát Ch c n ng c b n c a b m tái t o là thu các gói tin t m ng, l u gi và chuy n

ti p gói tin theo l ch trình tái t o do c c u u khi n a ra L ch trình tái t o có th

th c hi n theo ph ng th c c nh ho c thích v i s thay i c a tình tr ng m ng

Ph ng th c t o l ch trình c nh n gi n nh ng có tr gói tin t i b m tái t o không

i và không cho phép áp ng s thay i c a tr m ng Ph ng th c t o l ch trìnhthích ng c a ra gi i quy t các h n ch trên và c u khi n b i các thu ttoán u khi n b m tái t o t ng ng t n d ng kho ng l ng (silence time) gi acác kho ng tín hi u phát thanh tích c c (talkspurt) nh m thay i th i gian tái t o trong

i kho ng tín hi u phát thanh tích c c

Phát hi n kho ng tín hi u tích c c / kho ng l ng

Tín hi u phát thanh bao g m kho ng tín hi u tích c c và kho ng l ng c phân

bi t b i ng ng n ng l ng c a tín hi u ngu n Ch c n ng phát hi n kho ng tín hi utích c c và kho ng l ng c th c hi n t i khâu x lý ngu n bên phát nh m cho phép

u ch nh l ch trình tái t o theo kho ng tín hi u tích c c và ti t ki m b ng thông ngtruy n

Bù t n th t gói tin

c u bù t n th t gói tin PLC (Packet Loss Colcealment) c s d ng m

o ch t l ng tín hi u phát thanh tái t o do các gói tin t n th t C c u PLC c th c

hi n t i u thu nh m thay th các gói tin ã b t n th t thông qua vi c chèn nhi u n n,kho ng l ng ho c các gói tin tr c ó

Trên c s các ch c n ng trên, lu n án mô hình lý thuy t (hình 1.3), xu t môhình c u trúc giao th c (hình 1.4) và mô hình tri n khai th c nghi m (hình 1.5) c a h

th ng RoIP Tín hi u phát thanh ngu n t bên phát (iVoVStation) theo k t n i n

ng t i c ng chuy n i giao th c (iVoVGateway) c truy n t i qua m ng truy

nh p a h ng t i u thu (iVoVReceiver) Các thành ph n trong mô hình lý thuy t

c th c hi n t i máy ch RoIP, các máy tr m và c ng chuy n i giao th c Thành

ph n iVoVGateway th c hi n ch c n ng chuy n i giao th c n h ng sang giao th c

a h ng và giao ti p gi a m ng h u tuy n và m ng truy nh p WLAN IEEE 802.11.Bên c nh ó, ph c v vi c ánh giá nh h ng c a m ng khi không có u ki n tri nkhai h th ng trên môi tr ng th c t (hình 1.5), ch c n ng ph ng t o tham s QoS c a

ng IP có th c tích h p iVoVGateway và c c p trong ch ng 2 H th ngRoIP xu t c ki m ch ng b ng th c nghi m t i ch ng 3

Hình 1.3: Mô hình lý thuy t h th ng RoIP xu t

Hình 1.4: C u trúc giao th c h th ng RoIP xu t.

Hình 1.5: Mô hình tri n khai th c nghi m h th ng RoIP xu t

1.5 K t lu n ch ng 1

Vi c k t h p truy n thông a h ng v i môi tr ng m ng truy nh p WLAN hìnhthành m t ph ng th c truy nh p ngu n tín hi u phát thanh m i v a t n d ng b ngthông ng truy n, d dàng qu n lý thông qua a ch nhóm multicast c ng nh t n

ng h t ng m ng Internet s n có và các m truy nh p Wi-Fi ang ngày c m

ng H th ng RoIP có th mang l i các u m n i b t nh hi u su t s d ng h th ngcao nh vi c t n d ng h t ng m ng IP hi n có, ti t ki m b ng thông và h tr các ng

ng a m Tuy nhiên, do c tính c a các m ng IP, vi c tri n khai h th ng RoIP

ph i i m t v i m t s thách th c, c bi t v khía c nh ch t l ng d ch v QoS Vi cnghiên c u các c c u và ph ng th c u khi n thích ng v i tình tr ng m ng có ýngh a quan tr ng trong vi c m b o ch t l ng c a h th ng RoIP

CH NG 2: PH NG T O THAM S CH T L NG C A TÍN HI U PHÁT

THANH KHI TRUY N T I QUA M NG IP 2.1 Các tham s ch t l ng m ng

2.1.1 Gi i thi u

Ch t l ng tín hi u phát thanh truy n t i qua m ng IP s b nh h ng và suy

gi m do tác ng c a các y u t m ng Các y u t m ng bao g m t l t n th t gói tin,

tr m ng và bi n ng tr m ng là các tham s chính tác ng n ch t l ng d ch v

a tín hi u t i u thu PQoS (Perceived Quality of Service) M i quan h gi a các y u

này c th hi n trên hình 2.1

Hình 2 1: M i quan h gi a các y u t nh h ng n QoS [36]

2.1.2 T n th t gói tin

n th t gói tin là m t trong nh ng nguyên nhân chính gây nh h ng n ch t

ng ti ng nói truy n t i qua m ng IP T n th t gói tin có th x y ra do h y gói tin trong

ng IP ( t n th t m ng ) ho c lo i b gói tin do b giao ti p m ng ho c b m tái t o

i u thu nh th hi n trong hình 2.1

2.1.2.1 Mô hình t n th t Bernoulli

Trong mô hình t n th t Bernoulli [39][45], t n th t c a m i gói tin là c l p v i nhau

c tính không nh ) cho dù gói tin k tr c b t n th t ho c không t n th t Trong

tr ng h p này, ch t n t i m t tham s là t l t n th t gói tin trung bình t ng ng v i gói tin b t n th t chia cho t ng s gói tin c truy n t i trong lu ng d li u

2.1.2.2 Mô hình Gilbert 2 tr ng thái

u h t các nghiên c u g n ây v truy n

i ti ng nói qua m ng IP u s d ng mô hình

Gilbert th hi n c tính t n th t gói tin

[39][45][46] Trong mô hình Gilbert 2 tr ng thái,

n t i tr ng thái 0 (gói tin không b t n th t) và

tr ng thái 1 (gói tin b t n th t) nh th hi n trên

hình 2.2 Trong ó p là xác xu t gói tin b t n th t khi nh n c gói tin k tr c và q làxác xu t gói tin nh n b t n th t khi gói tin k tr c ã b t n th t Bên c nh ó, mô hìnhBernoulli c ng th ng c s d ng và chính là m t tr ng h p c th c a mô hìnhGilbert 2 tr ng thái khi p = q

Hình 2 2: Mô hình Gilbert 2 tr ng thái

2.1.3 Tr m ng

Tr và bi n ng tr (jitter) là hai trong s các y u t c a m ng nh h ng chính

n ch t l ng truy n t i d ch v th i gian th c nói chung và truy n t i tín hi u phátthanh th i gian th c qua m ng IP nói riêng

2.1.3.1 Tr truy n t i gói tin m t chi u

Tr hành trình m t chi u gói tin cho n ch ng ph thu c vào kích th c gói tin

Hình 2 3: Tr truy n t i gói tin m t chi u

2.1.3.2 Tr truy n t i gói tin hai chi u

Tr hành trình hai chi u c a gói tin c xác nh nh sau:

' 1 1

' 1

- c t c truy n tín hi u ; bi b ng

thông c a tuy n k t n i i

- s kích th c gói tin ; fi tr chuy n

ti p t i b nh tuy n

Hình 2 4: Tr truy n t i gói tin hai chi u

chính xác c a giá tr tr hành trình hai chi u ∆t RTT ph thu c vào tính i

ng c a tuy n truy n d n Trong tr ng h p ng truy n không i x ng, ∆t RTT cxác nh là t ng c ng c a tr hành trình m t chi u theo h ng thu n và h ng ng c.Tuy nhiên thu n l i và tránh sai s ng b ng h gi a bên thu và bên phát, ph ngpháp xác nh tr hành trình hai chi u th ng c s d ng, tuy nhiên trong tr ng h pnày s không xác nh c t c ngh n x y ra theo h ng thu n hay h ng ng c c a

ng truy n t i gói tin

2.3 xu t mô hình ph ng t o tham s QoS qua m ng IP

mô hình hóa và th c hi n ph ng t o qua hai ph ng th c tr c tuy n - Online và không

tr c tuy n - Offline h tr c hai ph ng th c truy n thông n h ng và a h ng V i

ph ng th c không tr c tuy n (hình 2.5b), các thông s c c t t p s li u th ng kêqua th c nghi m t tr c V i ph ng th c tr c tuy n, kh i ph ng t o m ng c cung

p tr c tuy n thông tin v tr m ng và tình tr ng t n th t c a gói tin t b t o thông

nh th hi n trong hình 2.5a

Trong ó:

- di : kho ng cách v t lý gi a b nh tuy n( i -1 ) và ( i )