Tài liệu Chất Lượng Dịch Vụ Truyền Thông Đa Hướng Thời Gian Thực Qua Mạng Ip

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 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 Hà Nội - 2006 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của chính bản thân. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Đỗ Trọng Tuấn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS. Phạm Minh Hà - người đã dìu dắt và giúp đỡ tôi trong cả lĩnh vực nghiên cứu của luận án cũng như trong công tác chuyên môn và cuộc sống. Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong Khoa Điện tử Viễn thông đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, công tác và nghiên cứu từ khi tôi là sinh viên, rồi là thành viên của khoa Điện tử Viễn thông – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm Đào tạo & Bồi dưỡng Sau Đại học, Phòng Quản lý Khoa học & CGCN, Trung tâm Thông tin & Mạng - Trường ĐHBK Hà Nội, Trung tâm Âm thanh, Trung tâm ứng dụng công nghệ phát thanh - Đài tiếng nói Việt Nam đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình và những góp ý quý báu của các anh chị và các bạn đồng nghiệp tại phòng thí nghiệm kỹ thuật thông tin: TS. Nguyễn Hữu Thanh, ThS. Đỗ Trọng Tú, TS. Nguyễn Văn Đức, ThS. Nguyễn Quốc Khương, TS. Trần Thị Ngọc Lan, TS. Nguyễn Hữu Trung. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Tuân đã chỉ dẫn và giới thiệu giúp tôi liên hệ thực tế, cảm ơn anh Nguyễn Năng Khang đã nhiệt tình giúp tôi tìm hiểu cấu hình thực tế hệ thống kỹ thuật của Đài Tiếng Nói Việt Nam. Tôi xin chân thành cảm ơn giáo sư Tomio Takara và các thành viên phòng thí nghiệm xử lý tiếng nói, Bộ môn Kỹ thuật Thông tin, Đại học Ryukyus đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi triển khai mô hình thực nghiệm giữa ĐHBK Hà Nội và ĐH Ryukyus, Nhật Bản. Xin cảm ơn người bạn Pin Hu đang nghiên cứu tại Đại học Plymouth-Anh quốc, về nhiệt tình khoa học và các số liệu mà anh đã cung cấp. Tôi đặc biệt cảm ơn Gia đình, Thầy tôi và Người bạn thân thiết đã động viên tôi trong những lúc khó khăn. NCS. Đỗ Trọng Tuấn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt MỤC LỤC Lời cam đoan Lời Cảm ơn Mục lục Danh mục các từ khóa, các từ viết tắt Danh sách các hình vẽ, các bảng và kí hiệu toán học MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề.....................................................................................................1 2. Đối tượng và mục tiêu của luận án ............................................................3 3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước ...................................3 4. Hướng tiếp cận.............................................................................................6 5. Kết cấu của luận án .....................................................................................7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG ĐA HƯỚNG VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG RoIP 1.1 Các phương thức truyền thông qua Internet ........................................8 1.2 Truyền thông đa hướng qua mạng IP .................................................10 1.2.1 Khái niệm.....................................................................................11 1.2.2 Đặc điểm......................................................................................11 1.2.3 Nguyên lý truyền thông đa hướng qua mạng IP..........................12 1.2.4 IP multicast ..................................................................................15 1.3 Truy nhập vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.11.....................................19 1.3.1 Phổ tần số vô tuyến......................................................................19 1.3.2 Cấu trúc giao thức IEEE 802.11..................................................20 1.3.3 Các cấu hình mạng truy nhập vô tuyến .......................................23 1.3.4 Các khu vực dịch vụ mở rộng......................................................24 1.3.5 Hệ thống phân tán........................................................................26 1.4 Mô hình hệ thống RoIP ............................................................ 26 1.4.1 Khái niệm ........................................................................................ 26 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.4.2 Những lợi ích và cản trở công nghệ.................................................27 1.4.3 Mô hình hệ thống RoIP hiện tại của đài tiếng nói Việt Nam. ......... 28 1.4.4 Mô hình hệ thống RoIP đề xuất....................................................... 31 1.5 Kết luận chương 1..................................................................... 39 CHƯƠNG 2: 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 ...............................................................40 2.1.1 Giới thiệu.........................................................................................40 2.1.2 Tổn thất gói tin ................................................................................41 2.1.3 Trễ và biến động trễ ........................................................................44 2.2 Đề xuất mô hình phỏng tạo tham số QoS qua mạng IP.....................48 2.2.1 Kiến trúc mô hình............................................................................48 2.2.2 Phỏng tạo tham số mạng IP đa hướng ............................................50 2.3 Kết quả triển khai thực nghiệm ...........................................................51 2.4 Kết luận chương 2..................................................................................58 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....................................60 3.2 Thuật toán ước đoán trễ tái tạo............................................................61 3.2.1 Thuật toán trung bình hàm mũ Exp-Avg .......................................61 3.2.2 Thuật toán trung bình hàm mũ nhanh F-Exp-Avg ........................63 3.2.3 Thuật toán trễ tối thiểu Min-D........................................................63 3.2.4 Thuật toán phát hiện đột biến Spike-Det .......................................63 3.2.5 Thuật toán cửa sổ ...........................................................................64 3.3 Đánh giá chất lượng tín hiệu tại đầu thu .............................................66 3.3.1 Phương pháp đánh giá chất lượng chủ quan...................................68 3.3.2 Phương pháp đánh giá chất lượng khách quan...............................69 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 3.4 Giải pháp đảm bảo chất lượng truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP................................................................................................. 74 3.4.1 Đặt vấn đề. ......................................................................................74 3.4.2 Thiết lập thông số nguồn. ...............................................................74 3.4.1 Giải pháp đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu.........................77 3.4.2 Cấu hình thực nghiệm và kết quả....................................................81 3.5 Kết luận chương 3...................................................................................91 Kết luận của luận án...........................................................................................92 Hướng phát triển của đề tài...............................................................................93 Danh mục công trình của tác giả. Tài liệu tham khảo. Các phụ lục của luận án. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Từ khóa: Real-time service, IP multicast, RoIP, VoIP, QoS, WLAN IEEE 802.11, Heterogeneous Networks. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt ACR Absolute Category Rating Đánh giá phân loại tuyệt đối ADPCM Adaptive Diffirential PCM Điều xung mã vi sai thích ứng AN Access Network Mạng truy nhập AP Access Point Điểm truy nhập vô tuyến ATR Audio Tape Recorder Máy ghi băng âm thanh BSA Basic Service Area Vùng dịch vụ cơ bản BSA Basic Service Area Vùng dịch vụ cơ bản BSS Infrastructure Basic Service Set Cấu hình mạng phụ thuộc CODEC Coder / Decoder Bộ mã hóa / giải mã DAT Digital Audio Tape Băng âm thanh số DAW Digital Audio WorkStation Máy trạm xử lý âm thanh số DCR Degradation Category Rating Đánh giá phân loại theo mức suy giảm chất lượng DMOS Degradation MOS Điểm đánh giá suy giảm chất lượng DSL Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số DSSS Direct Sequence Spectrum Spread Trải phổ dãy trực tiếp eRTP enhanced RTP packet Gói RTP cải tiến ESS Extended Service Set Vùng dịch vụ mở rộng FCC Frequency Commission Tổ chức quản lý tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước FHSS Frequency Hoping Spectrum Spread Trải phổ nhảy tần CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt GOB Good Or Better Thông số đánh giá độ chất lượng tốt IANA Internet Address Number Asignment Tổ chức cấp phát địa chỉ Internet IBSS Indepentent Basic Service Set Cấu hình mạng độc lập IETF Internet Enginering Task Force Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet IGMP Internet Group Management Protocol Giao thức quản lý nhóm mạng Internet IGMP Internet Group Management Protocol Giao thức quản nhóm Internet IP Internet Protocol Giao thức mạng Internet IPv4 Internet Protocol version 4 Giao thức IP phiên bản 4 ITU International Telecommunication Union Tổ chức viễn thông quốc tế iVoVGateway internet Voice of VietNam Gateway Cổng chuyển đổi giao thức truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP iVoVReceiver internet Voice of VietNam Receiver Máy thu tín hiệu phát thanh qua mạng IP iVoVStation internet Voice of VietNam Station Máy chủ phát thanh qua mạng IP LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết dữ liệu logic LPC Linear Predictive Encoding Mã hoá dự đoán tuyến tính LPC Linear Predictive Coding Mã hóa dự đoán tuyến tính LR Loss Rate Tỷ lệ tổn thất MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập phương tiện truyền thông MBONE Multicast BackBone Mạng đường trục hỗ trợ multicast MCR Master Control Room Phòng tổng khống chế CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt MOS Mean Opinion Score Điểm đánh giá chất lượng MRouter Multicast Router Bộ định tuyến hỗ trợ multicast OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh đa sóng mang OSI Open Systems Interconnection Mô hình liên kết các hệ thống mở PAMS Perceptual Analysis Measurement System Hệ thống đo đạc phân tích cảm nhận PCM Pulse Code Modulation Điều xung mã PESQ Perceptual Evaluation of Speech Quality Đánh giá cảm nhận chất lượng tiếng nói PLC Packet Loss Concealment Bù tổn thất gói tin POW Poor or Worse Thông số đánh giá độ chất lượng tồi PQoS Perceived Quality of Service Chất lượng dịch vụ thu nhận PSQM Perceptual Speech Quality Measurement Đo đạc chất lượng tiếng nói cảm nhận QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RECAD Radio source total Eneregy Calculation and Activity Detection Tính toán tổng năng lượng tín hiệu phát thanh nguồn và phát hiện khoảng tích cực tín hiệu RFC Request For Comment Khuyến nghị RoIP Radio over IP Truyền tải tín hiệu mang tin tức phát thanh qua mạng IP RTCP RTP Control Protocol Giao thức điều khiển thời gian thực RTP Real Time Transport Protocol Giao thức truyền tải thời gian thực SDH Synchronous Digital Hieracy Phân cấp số đồng bộ SIP Session Initial Protocol Giao thức khởi tạo phiên CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt SNR Signal - to - Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SSNR Segmentation Signal - to - Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm phân đoạn STA Station Máy trạm di động TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền thông hướng kết nối qua mạng IP TESF Total Energy of Source Frame Tổng mức năng lượng khung tín hiệu nguồn TTL Time To Live Thời gian sống của gói tin UDP User Datagram Protocol Giao thức điều khiển truyền thông không hướng kết nối qua mạng IP UHF Untra High Frequency Tần số siêu cao URouter Unicast Router Bộ định tuyến hỗ trợ truyền thông đơn hướng VLAN Virtual LAN Mạng LAN ảo VoIP Voice over IP Truyền thoại sử dụng giao thức IP WLAN Wireless Local Area Network Mạng máy tính cục bộ không dây CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1. 1: Mô hình mạng tích hợp phân cấp hỗn hợp trên nền IP ........................ 8 Hình 1. 2: Mô hình truyền tin đơn hướng ............................................................ 9 Hình 1. 3: Mô hình truyền tin quảng bá. ............................................................... 9 Hình 1. 4: Mô hình truyền tin đa hướng.............................................................. 10 Hình 1. 5: Tiến trình phát triển của MBONE..................................................... 11 Hình 1. 6: Cấu trúc hệ thống truyền thông đa hướng qua mạng IP..................... 13 Hình 1. 7: Cơ chế đường hầm liên kết các ốc đảo multicast ............................... 13 Hình 1. 8: Đóng gói IP multicast theo cơ chế tunneling ..................................... 14 Hình 1. 9: Cơ chế đường hầm liên kết các MRouter.......................................... 14 Hình 1. 10: Mô hình kiến trúc hệ thống IP Multicast......................................... 15 Hình 1. 11: Địa chỉ IP Multicast.......................................................................... 17 Hình 1. 12: Cấu trúc địa chỉ MAC cho IP Multicast/Unicast............................. 18 Hình 1. 13: Cơ chế ánh xạ địa chỉ IP Multicast và địa chỉ MAC....................... 19 Hình 1. 14: Họ IEEE 802 và mối liên hệ với mô hình OSI................................ 20 Hình 1. 15: Liên kết lớp MAC và lớp vật lý thông qua PLCP.......................... 22 Hình 1. 16: Các thành phần của mạng WLAN 802.11....................................... 22 Hình 1. 17: Cấu hình BSS và IBSS .................................................................... 23 Hình 1. 18: Tập dịch vụ mở rộng ESS ............................................................... 25 Hình 1. 19: Hệ thống phân tán trong AP 802.11 .............................................. 26 Hình 1. 22: Hệ thống VoIP truyền thống [19]..................................................... 31 Hình 1. 23: Các giao thức và chuẩn cho dịch vụ RoIP....................................... 32 Hình 1. 24: Tiêu đề gói RTP ............................................................................ 32 Hình 1. 25: Mô hình lý thuyết hệ thống truyền tín hiệu phát thanh qua mạng IP 36 Hình 1.26: Cấu trúc giao thức hệ thống RoIP đề xuất.........................................37 Hình 1. 27: Mô hình triển khai thực nghiệm hệ thống RoIP đề xuất..................38 Hình 2. 1: Mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến QoS [36]...................... 40 Hình 2. 3: Mô hình Gilbert 2 trạng thái............................................................... 42 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 2. 4: Mô hình truyền tải gói tin một chiều ..................................................45 Hình 2. 5: Mô hình truyền tải gói tin hai chiều .................................................. 47 Hình 2. 6: Kiến trúc mô hình phỏng tạo tham số mạng .................................... 49 Hình 2. 8: Mô hình lý thuyết phỏng tạo tham số mạng IP đa hướng ................ 50 Hình 2. 9: Xử lý gói tin tại phía thu.................................................................... 51 Hình 2. 10: Cấu hình thực nghiệm phỏng tạo tham số mạng IP ........................ 51 Hình 2. 11: Chức năng theo dõi trễ mạng trực tuyến theo thời gian thực của chương trình phỏng tạo tham số mạng ............................................................................. 52 Hình 2. 17: Tỷ lệ tổn thất gói tin theo thời gian - phương thức phỏng tạo trực tuyến. ............................................................................................................................. 58 Hình 2. 18: Tín hiệu thu khi xảy ra tổn thất gói tin.............................................58 Hình 3. 1: Các thông số thời gian của gói tin thứ i.............................................. 60 Hình 3. 2: Giải thuật thực hiện thuật toán Exp-Avg và F- Exp-Avg [6]............. 62 Hình 3. 3: Thuật toán Spike-Det [6] .................................................................... 64 Hình 3. 4: Thuật toán cửa sổ [6] .......................................................................... 65 Hình 3. 5: Quan hệ giữa khoảng tích cực tín hiệu và khoảng lặng ..................... 66 Hình 3. 6: Phân cấp chất lượng tín hiệu phát thanh [3]....................................... 67 Hình 3. 7: Cấu trúc thực hiện thuật toán PESQ.................................................. 70 Hình 3. 8: Mô hình thiết lập thông số nguồn...................................................... 76 Hình 3. 9: Thuật toán xác định tổng mức năng lượng tín hiệu nguồn tại phía phát ............................................................................................................................. 78 Hình 3. 10: Mô hình thực hiện thuật toán xác định tổng mức năng lượng tín hiệu nguồn tại phía phát............................................................................................... 79 Hình 3. 11: Cấu trúc gói tin eRTP ...................................................................... 79 Hình 3. 12: Thuật toán xác định tổng năng lượng tín hiệu phân đoạn tại phía thu80 Hình 3. 13: Mô hình xác định tổng mức năng lượng phân đoạn tại phía thu..... 81 Hình 3. 15: Chương trình phát (a)-thu (b) tín hiệu phát thanh qua mạng IP......... 84 Hình 3.16: Mô hình thực nghiệm 1 chiều giữa Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Ryukyu - Okinawa, Nhật bản.......................................................................................85 Hình 3.17: Mô hình thực nghiệm 2 chiều giữa Đại học Bách Khoa Hà Nội và Đại học Ryukyu - Okinawa, Nhật bản.......................................................................................86 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hình 3.18: Tham số trễ mạng đo thực tế phân bố theo thời gian - đột biến trễ có chu kỳ [ thời điểm đo: 21:37:46 giờ ngày 14-12-2005 ] .................................................87 Hình 3.19: Tham số trễ mạng đo thực tế phân bố theo trị số - đột biến trễ có chu kỳ [ thời điểm đo: 21:37:46 giờ ngày 14-12-2005 ] .........................................................88 Hình 3.20: Tham số trễ mạng đo thực tế phân bố theo thời gian - đột biến trễ không có chu kỳ [ thời điểm đo: 20:57:29 giờ ngày 16-12-2005 ] ........................................ 89 Hình 3.21: Tham số trễ mạng đo thực tế phân bố theo trị số - đột biến trễ không có chu kỳ [ thời điểm đo: 20:57:29 giờ ngày 16-12-2005 ] ............................................ 90 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các băng tần vô tuyến ...................................................................................20 Bảng 1.2: Chỉ tiêu kỹ thuật các chuẩn IEEE 801.11 .....................................................21 Bảng 1.3: Một số thông số chuẩn mã hóa tín hiệu ........................................................34 Bảng 2.1: Tỷ lệ tổn thất gói tin thiết lập và đo đạc theo phương thức phỏng tạo trực tuyến ................................................................................................................58 Bảng 3.1: Thang đánh giá chất lượng theo phương pháp ACR .....................................67 Bảng 3.2: Thang đánh giá chất lượng theo phương pháp DCR ....................................68 Bảng 3.3: Các thông số chuyển đổi nguồn tín hiệu phát thanh .....................................74 Bảng 3.4: Kết quả đo đạc tham số chất lượng tại đầu thu khi thay đổi hệ số phát lặp gói tin tại đầu phát qua kết nối giữa Đại học Bách Khoa Hà Nội và ĐH Ruykyus........................................................................................................................91 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU TOÁN HỌC X: Biến ngẫu nhiên nhận giá trị 0 hoặc 1. Li : Trạng thái tổn thất của gói tin thứ i. Pi : Xác xuất tổn thất của gói tin thứ i. P% : Xác xuất tổn thất gói tin ước đoán. Ltot : Tổng số gói tin bị tổn thất. N: Tổng số gói tin được truyền tải. P0 : Xác xuất gói tin không bị tổn thất. P1 : Xác xuất gói tin bị tổn thất. p: Xác xuất gói tin bị tổn thất khi gói tin kề trước không bị tổn thất. q: Xác xuất gói tin bị tổn thất khi gói tin kề trước bị tổn thất. pk : Xác xuất xảy ra tổn thất gói tin theo cụm có độ dài k gói tin liên tiếp. Oi : Cụm tổn thất gói tin gồm i gói tin liên tiếp, i = 1,2 . . . n. Di : Trễ mạng của gói tin thứ i. Ji : Biến động trễ của gói tin thứ i. 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, sres : Kích thước gói tin theo hướng thuận và hướng ngược. fi : Trễ chuyển tiếp gói tin theo hướng thuận f'i-1: Trễ chuyển tiếp gói tin theo hướng ngược. ∆t prog : Thời gian truyền dẫn tín hiệu. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ∆ttrans : Trễ truyền tải gói tin. ∆tOTT : Trễ hành trình một chiều gói tin ∆tRTT : Trễ hành trình hai chiều gói tin 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 của gói tin thứ i gây nên bởi mạng. : 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). ) pi : ) di : ) vi : Biến động trễ mạng trung bình của gói tin thứ i α: Hệ số tái tạo thích ứng Thời điểm tái tạo gói tin thứ i Trễ mạng trung bình của gói tin thứ i - với thuật toán trung bình hàm mũ Exp-Avg α = 0,998002 - với thuật toán phát hiện đột biến Spike-Det α = 0.875 β = 0.750 - Hệ số tái tạo thích ứng của thuật toán F-Exp-Avg R: Hệ số đánh giá chất lượng theo đường truyền. Ro = 93,2 - giá trị tối ưu I e: 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: Thông số ảnh hưởng của trễ. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Is: 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. m: Chỉ số mẫu tín hiệu trong khung đang xét xnt [ m] : Giá trị mẫu tín hiệu của nguồn phát. xnr [ m] : Giá trị của mẫu tín hiệu nhận được phía thu. ES(n): Năng lượng tín hiệu của khung n gồm M mẫu tín hiệu. EN(n): Năng lượng nhiễu tổng cộng của khung n gồm M mẫu tín hiệu. ∆t : 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 ch: Số kênh truyền tải tín hiệu phát thanh. st : Ngưỡng cắt mức tín hiệu phát thanh tích cực. sumFit : Tổng mức năng lượng tín hiệu phát của khung Fi sumFir : Tổng mức năng lượng tín hiệu thu của khung Fi sFii : Mức tín hiệu mẫu i của khung Fi e( sFii ) : Năng lượng tín hiệu mẫu i của khung Fi Ns : Tổng số mẫu tín hiệu của khung Fi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Hiện nay, phát thanh quảng bá qua môi trường vô tuyến vẫn là một kênh thông tin hữu ích phục vụ cuộc sống của con người. Cùng với sự phát triển của công nghệ tin học viễn thông, đặc biệt là sự gia tăng nhanh chóng của Internet cả về hạ tầng mạng và nhu cầu phát triển các dịch vụ mới như mua sắm trực tuyến, giải trí qua mạng . . công nghệ phát thanh cũng có những chuyển biến theo xu hướng hình thành một phương thức truyền tải mới, lấy Internet làm công cụ quảng bá tín hiệu phát thanh tới bạn nghe đài. Hình 1: Phân bố người dùng tại Hoa Kỳ sử dụng dịch vụ quảng bá phát thanh - truyền hình qua Inetenet [58]. Hiện nay, hầu hết các đài phát thanh quốc gia đều có website riêng và thực hiện dịch vụ phát thanh qua mạng Internet. Theo một số thống kê gần đây [58] tại thời điểm quý I năm 2005, hàng tháng ở Mỹ có khoảng 55 triệu người dùng Internet truy nhập dịch vụ nghe đài hoặc xem truyền hình trực tuyến như thể hiện trên hình 1. Trong đó số lượng người dùng nghe đài qua mạng Internet thống kê theo tháng ≈ 37 triệu người và theo tuần ≈ 20 triệu người. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Các ràng buộc về tính đáp ứng thời gian và độ tin cậy của ứng dụng thời gian thực kéo theo yêu cầu phát triển cấu trúc giao thức mới. Phương truyền thông đa hướng ( multicast ) đang được tập trung nghiên cứu kết hợp với giao thức truyền tải thời gian thực RTP / RTCP nhằm hình thành các cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng thời gian thực qua đó hạn chế nhược điểm của truyền thông đơn hướng cũng như đặc tính không đảm bảo chất lượng dịch vụ của môi trường Internet hiện tại. Các ứng dụng mới có yêu cầu chất lượng dịch vụ nghiêm ngặt hơn đang được quan tâm nghiên cứu cả về phương diện xây dựng mô hình hệ thống truyền tải cũng như cơ chế đảm bảo chất lượng thu nhận tín hiệu. Với đối tượng nghiên cứu là mô hình hệ thống và chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP, luận án tập trung nghiên cứu đề xuất và xây dựng mô hình ứng dụng RoIP ( Radio over IP ) thực hiện truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP kết hợp trên hai phương diện kết hợp truyền thông đơn hướng ( unicast ) với truyền thông đa hướng ( multicast ) và kết hợp môi trường truyền tải hữu tuyến với truy nhập vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.11. Nghiên cứu các thuật toán điều khiển lịch trình bộ đệm tái tạo thích ứng và ảnh hưởng của mạng đối với chất lượng tín hiệu phát thanh truyền tải qua mạng IP. Trên cơ sở đó, đề xuất phương pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ RoIP sử dụng thuật toán điều khiển tham số nguồn thích ứng theo tình trạng hệ thống nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu. Thiết lập mô hình đánh giá các tham số chất lượng dịch vụ QoS và đề xuất mô hình đo đạc thông số chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu qua mạng IP theo thời gian thực. 2. Đối tượng và mục đích nghiên cứu của luận án Xuất phát từ các vấn đề nêu trên, luận án xác định mô hình hệ thống và chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP là đối tượng nghiên cứu của luận án với những vấn đề tập trung chủ yếu như sau: Nghiên cứu đề xuất và xây dựng mô hình ứng dụng truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP kết hợp trên hai phương diện kết hợp truyền thông đơn hướng (unicast) với truyền thông đa hướng (multicast) và môi trường truyền tải hữu tuyến với mạng truy nhập vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.11. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số mạng đến chất lượng tín hiệu phát thanh truyền tải qua mạng IP. Đề xuất và xây dựng công cụ phỏng tạo mạng phục vụ kiểm chứng mô hình và phương pháp đảm bảo chất lượng theo thời gian thực. Nghiên cứu các phương thức đánh giá chất lượng tín hiệu truyền tải qua mạng IP. Đề xuất mô hình đo đạc đánh giá chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu theo thời gian thực. Trên cơ sở đó, đề xuất phương pháp đảm bảo chất lượng dịch vụ RoIP sử dụng thuật toán điều khiển thông số nguồn thích ứng theo tình trạng hệ thống nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu thu. 3. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước Từ những năm 1980, vấn đề truyền tải tín hiệu tiếng nói theo phương thức chuyển mạch gói trong phạm vi mạng cục bộ đã được đề cập nghiên cứu [8]. Tuy vậy, trong thời gian gần đây nhiều vấn đề như cơ chế đảm bảo chất lượng dịch vụ, phương thức thỏa hiệp giữa độ tổn thất và biến động trễ, ghép nguồn tín hiệu tiếng nói và số liệu ... vẫn là những chủ đề nghiên cứu mang tính thời sự. Theo phương diện mạng IP, dịch vụ truyền thông tín hiệu phát thanh qua mạng Internet được hiểu là truyền tải tín hiệu phát thanh qua giao thức IP và viết tắt là RoIP. Tổ chức tiêu chuẩn viễn thông thế giới ITU-T đã đưa ra các chuẩn mã hóa tín hiệu như G.711, G.723.1 và G.729 nhằm nén tốc độ số liệu có thể áp dụng với tín hiệu tiếng nói xuống từ 5,33 kbps đến 64 kbps. Bên cạnh đó , các chuẩn nén mới cũng được hình thành nhằm cải thiện chất lượng dịch vụ cũng như đa dạng hóa các thuộc tính của nguồn tín hiệu phát thanh như chuẩn mã hóa / giải mã speex chuyên dùng cho nguồn tiếng nói và vorbis [60] chuyên dùng cho âm thanh hoặc âm nhạc. Dữ liệu phát thanh được đóng gói theo chuẩn giao thức thời gian thực RTP ( Real-time Transport Protocol ) hình thành luồng gói tin RoIP. Chất lượng tín hiệu phát thanh thu được khi truyền qua mạng IP là vấn đề quan trọng đối với ứng dụng RoIP. Các mạng IP không được thiết kế phục vụ các dịch vụ thời gian thực (real-time applications) do đó các yếu tố mạng như tỷ lệ tổn thất gói (Packet Loss), trễ gói ( Packet Delay) và biến động trễ (Packet Delay Variation / Jitter) có ảnh hưởng rất khắt khe đến chất lượng tín hiệu phát thanh. Xét về khía cạnh tham số mạng, thông số trễ và tổn thất gói là hai đặc tính quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống RoIP. Nhằm duy trì chất lượng truyền thông tín CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt hiệu phát thanh ở mức tốt, các yêu cầu chất lượng dịch vụ được đưa ra về tỷ lệ tổn thất, độ trễ và độ biến động trễ. Trước hết tỷ lệ tổn thất cần được đảm bảo nhằm đạt được chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu có thể hiểu được và có độ trung thực cao. Tuy nhiên, giá trị tỷ lệ tổn thất gói tin nhất định có thể vẫn được chấp nhận, đặc biệt đối với các phương thức giải mã sử dụng kỹ thuật bù/sửa lỗi nhằm thay thế gói bị tổn thất. Trong trường hợp đó, tỷ lệ tổn thất có thể lên tới 10% [38]. Bên cạnh đó, để duy trì tính thời gian thực và tương tác, độ trễ từ đầu cuối đến đầu cuối phải được đảm bảo dưới 150 ms hoặc thấp hơn đối với các ứng dụng có tính tương tác cao [3]. Chuẩn G.114 của ITU-T [1] khuyến nghị trễ từ đầu cuối đến đầu cuối tối đa dưới 150 ms sẽ cho chất lượng tốt, phạm vi trễ từ 150-400 ms có thể chấp nhận được. Một tham số khác ảnh hưởng nhiều đến chất lượng truyền thông tín hiệu phát thanh đó là độ biến động trễ. Biến động trễ nhỏ và loại bỏ biến động là yêu cầu để tái tạo được tín hiệu phát thanh không bị gián đoạn nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu. Đối với dịch vụ thời gian thực, biến động trễ là một yếu tố quan trọng, hiện đang được tập trung nghiên cứu trong thời gian gần đây nhằm giải quyết bài toán đảm bảo chất lượng dịch vụ. Đột biến trễ (Delay Spike) là yếu tố chủ yếu gây nên biến động trễ và có thể ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu. Các nghiên cứu trước đây [5],[6][48] đều cho thấy thực tế tồn tại của đột biến trễ trong trễ qua mạng Internet. Đột biến trễ được cấu thành bởi sự tăng đột ngột của trễ mạng trong một khoảng thời gian nhất định kéo theo một chuỗi các gói tin được thu nhận liên tiếp thành từng cụm. Các nghiên cứu trên cũng chỉ ra đột biến trễ có thể ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng tín hiệu tại đầu thu. Hiện nay, kỹ thuật sử dụng bộ đệm tái tạo được đề cập là một trong những cơ cấu quan trọng để đáp ứng tính thời gian thực và tương tác của dịch vụ thời gian thực qua mạng IP [3][5][6][7][9]. Bộ đệm tái tạo lưu giữ tạm thời và tạo lịch trình cho thời điểm tái tạo tín hiệu phát thanh thu được từ các gói RTP/UDP/IP. Cơ chế tạo lịch trình có thể được thực hiện theo phương thức cố định và phương thức thích ứng. Giữa hai phương thức trên thì phương thức tạo lịch trình thích ứng linh hoạt hơn trong các trường hợp tình trạng mạng thay đổi theo thời gian. Khi đó lịch trình tái tạo tín hiệu được điều khiển theo các thuật toán điều khiển bộ đệm tái tạo thích ứng với tình trạng mạng IP. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt