Tài liệu Mobile tv và hiệu suất của mobile tv qua wimax di động khi xem xét kỹ thuật điều chế và mã hóa khác nhau

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG I -------- TIỂU LUẬN Mobile TV và “hiệu suất của Mobile TV qua WiMAX di động khi xem xét kỹ thuật điều chế và mã hóa khác nhau” Nhóm tiểu luận: 04 Giảng viên hướng dẫn: ThS. Vũ Thị Thúy Hà Sinh viên thực hiện: Đào Đức Hải – B17DCVT110 Nguyễn Văn Hùng – B18DCVT190 Phạm Văn Quyết – B18DCVT344 Nguyễn Như Minh Vương – B18DCVT448 Đào Thị Xuân – B18DCVT449 Hà Nội – 2022 MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................... 2 LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................. 4 Chương 1: Tổng quan về Mobile TV ......................................................................... 5 1.1. Định nghĩa ....................................................................................................... 5 1.2. Công nghệ trong Mobile TV.......................................................................... 5 1.2.1. Mobile TV sử dụng nền tảng 3G ................................................................... 5 1.2.1.1. Dịch vụ Unicast ............................................................................................... 6 1.2.1.2. Dịch vụ phát đa hướng và phát sóng ............................................................ 7 1.2.2. Mobile TV sử dụng mạng phát sóng mặt đất .............................................. 7 1.2.3. Mobile TV sử dụng mạng phát sóng vệ tinh ................................................ 8 1.2.4. Mobile TV sử dụng các công nghệ khác như WiMAX hoặc WiBro ......... 8 1.3. Nội dung của Mobile TV................................................................................ 8 1.3.1. Nội dung của khách hàng tạo ........................................................................ 8 1.3.2. Video theo yêu cầu ......................................................................................... 8 1.3.3. Công nghệ đẩy video ...................................................................................... 9 1.4. Mobile TV qua WiMAX ............................................................................... 9 Chương 2: Mobile TV qua WiMAX di động .......................................................... 10 2.1. Giới thiệu về Mobile TV qua WiMAX di động ......................................... 10 2.2. Cơ sở và sơ bộ ............................................................................................... 11 2.3. Chỉ số hiệu suất video .................................................................................. 14 2.4. Truyền video qua WiMAX .......................................................................... 16 Chương 3: Mô hình và kết quả ................................................................................. 18 3.1. Mô hình Mobile TV qua WiMAX .............................................................. 18 3.2. Kết quả .......................................................................................................... 19 3.2.1. Trường hợp 1: Nút di động với tốc độ khác nhau..................................... 19 3.2.2. Trường hợp 2: Nút di động có tổn hao đường truyền khác nhau ........... 21 3.2.3. Trường hợp 3: Nút di động các lớp khác nhau ......................................... 23 KẾT LUẬN................................................................................................................. 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 26 1 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ 3G 3rd Generation Asymmetric Digital Subscriber ADSL Line Adaptive Modulation and AMC coding AWGN Định nghĩa Công nghệ truyền thông thế hệ thứ 3 Đường dây thuê bao kỹ thuật số bất đối xứng BCMCS BLER BS Broadcast/Multicast Service Block Eror Rate Base Station Dịch vụ Broadcast/Multicast Tỷ lệ lỗi khối Trạm gốc BW CC CDMA CRC DAB Bandwidth Convolutional Code Code Devision Multiple Access Cyclic Redundancy Check Digital Audio Broadcasting Digital Audio Broadcasting Internet Protocol Down load Digital Multimedia Broadcasting Digital Video Broadcasting Digital Video BroadcastingHandheld Packet End-to-End Delay Evolution-Data Only Forward Error Correction Băng thông Mã chập Đa truy nhập phân chia theo mã Mã kiểm tra độ dư vòng Quảng bá âm thanh số Quảng bá âm thanh số dựa trên giao thức Internet Đường xuống Truyền phát đa phương tiện kỹ thuật số Quảng bá video số Forward Link Only Generic routing encapsulation Global System for Mobile communication Internet Protocol Television Interlational Telecommunications Union Line of Sight Chỉ liên kết hướng đi Đóng gói định tuyến chung DAB-IP DL DMB DVB DVB-H E2E EV-DO FEC FLO GRE GSM IPTV ITU LOS Điều chế và mã hóa thích ứng Tạp âm Gauss trắng cộng Quảng bá video số cầm tay Trễ gói tin đầu cuối Dữ liệu tiến hóa chỉ Sửa lỗi hướng đi Hệ thống thông tin di động toàn cầu Giao thức truyền hình Internet Hiệp hội viễn thông quốc tế Đường ngắm đơn giản 2 MBMS MOS MPEG OFDMA PD PDA PLR PSNR PHY QCELP QoE QoS SINR SVC T-DMB UL UMTS VBR VoD VQM WCDMA WiBro Multimedia Broadcast end Multicast Service Mean Opinion Score Motion Picture Experts Group Orthogonal FrequencyDivision Multiple access Packet delay Personal Digital Assistant Packet loss ratio Peak signal to noise ratio Physical Qualcomm Code Exceted Linear Predictive Code Quality of experience Quality of Service Signal to Interference plus Noise Ratio Static VAR Compensator Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting Up link Universal Mobile Telecommunications Service Variable bit rate Video on demand Video quality metric Wideband Code Devision Multiple Access Wireless Broadband Dịch vụ Broadcast end Multicast đa phương tiện Số dư trung bình Nhóm chuyên gia hình ảnh động Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao Trễ gói Hỗ trợ số cá nhân Tỷ lệ mất gói tin Tỷ số tín hiệu cực đại trên nhiễu Lớp vật lý Mã hóa dự đoán tuyến tính kích thích của mã Qualcomm Chất lượng trải nghiệm Chất lượng dịch vụ Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu-cộng-nhiễu Tụ bù tĩnh có dung lượng thay đổi Truyền hình di động số mặt đất Đường lên Dịch vụ viễn thông di động toàn cầu Tốc độ bit thay đổi Video theo yêu cầu Chỉ số chất lượng video Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng Băng thông rộng không dây 3 LỜI NÓI ĐẦU Truyền hình di động (Mobile TV) đã và đang được thử nghiệm thành công ở nhiều Quốc gia trên thế giới. Mobile TV là công nghệ vô tuyến được thiết kế để có thể truyền tải được tín hiệu truyền hình trong môi trường vô tuyến di động có băng thông hạn chế và thường xuyên chịu ảnh hưởng của Fading, nhiễu và tạp âm, trong khi phải đáp ứng được khả năng hiển thị tín hiệu tốt trên máy đầu cuối cầm tay di động có kích thước màn hình nhỏ công suất pin tiêu thụ bị hạn chế. Các công nghệ truyền tải tín hiệu Mobile TV bao gồm: Mobile TV truyền tải qua mạng di động 3G, Mobile TV phát qua phát qua mạng quảng bá đa phương tiện số (DMB), Mobile TV phát qua mạng Media FLO, Mobile TV phát qua mạng quảng bá số các dịch vụ tích hợp mặt đất (DAB – IP) và Mobile TV phát qua các mạng WiFi và Media FLO được nghiên cứu, tiêu chuẩn hóa và sử dụng phổ biến. Sự phát triển của các công nghệ Mobile TV thực sự đem lại cho sự thay đổi lớn trong lĩnh vực truyền thông đa phương tiện số, khi mà người sử dụng có thể xem tín hiệu truyền hình ở bất kỳ địa điểm nào được phủ sóng di động chỉ với một máy di động cầm tay có kích thước nhỏ. Với mong muốn nghiên cứu các công nghệ truyền hình di động cơ bản và qua đó có cơ sở đánh giá từng công nghệ từ đó có những đề xuất hướng lựa chọn công nghệ phù hợp với tình hình phát triển ở nước ta. Tóm lại, nghiên cứu các công nghệ truyền hình di động để đề xuất hướng lựa chọn cho phù hợp. Tuy nhiên việc nghiên cứu các công nghệ truyền hình di động cũng là một vấn đề phức tạp, đòi hỏi qua trình nghiên cứu kỹ lưỡng và nghiêm túc. 4 Chương 1: Tổng quan về Mobile TV 1.1. Định nghĩa Mobile TV là việc truyền các chương trình TV hoặc video cho một loạt các thiết bị không dây, từ điện thoại có hỗ trợ TV di động đến PDA và các thiết bị đa phương tiện không dây. Các chương trình có thể được truyền ở chế độ phát sóng tới mọi người xem trong vùng phủ sóng hoặc được truyền phát trực tiếp để phân phối đến người dùng theo yêu cầu. Việc truyền phát sóng có thể thông qua phương tiện mặt đất giống như truyền hình tương tự hoặc kỹ thuật số, hoặc chúng có thể được truyền qua vệ tinh công suất cao trực tiếp đến điện thoại di động. Mobile TV khác biệt với truyền hình vệ tinh:  Mobile TV là công nghệ được thiết kế đặc biệt để phù hợp với thế giới di động có băng thông và điện năng hạn chế, màn hình nhỏ, đồng thời bổ sung thêm các tính năng mới như tương tác qua mạng di động.  Mobile TV sử dụng các thuật toán nén hiệu quả như MPEG-4 hoặc Windows Media để nén video và âm thanh cũng như với các cấu hình đơn giản trực quan. Nén âm thanh hiệu quả cho giọng nói đã là đặc điểm nổi bật của mạng di động và những công nghệ này được tiếp tục phát triển trong Mobile TV với việc sử dụng mã hóa âm thanh trong đa tốc độ thích ứng, QCELP hoặc mã hóa âm thanh nâng cao dựa trên MPEG-2 hoặc MPEG-4.  Mobile TV đã tạo ra bộ tiêu chuẩn riêng cho việc phân phối mạng di động trên mặt đất, vệ tinh và 3G 1.2. Công nghệ trong Mobile TV 1.2.1. Mobile TV sử dụng nền tảng 3G Truyền hình di động sử dụng nền tảng 3G và tiện ích mở rộng 3G có thể thuộc vào các loại dịch vụ unicast, multicast và dịch vụ phát sóng. Mạng 3G cũng bao gồm hai luồngmạng phát triển 3G-GSM, đã được tiêu chuẩn hóa theo 3GPP và mạng phát triển 3GCDMA, được tiêu chuẩn hóa theo 3GPP2. 5 Hình 1.1: Công nghệ Mobile TV 1.2.1.1. Dịch vụ Unicast a. Mạng 3G (UMTS), chuẩn hóa 3GP0050 Mạng 3G (UMTS) và các mạng phát triển có thể cung cấp video phát trực tuyến, tải xuống hoặc các dịch vụ tải xuống liên tục cho video clip và truyền hình trực tiếp. Các mạng này cũng có thể cung cấp một loạt các dịch vụ đa phương tiện khác. Một số ví dụ: - 3G UMTS (CDMA băng rộng (WCDMA)) - phát trực tuyến hoặc tải xuống video. WCDMA HSPDA (công nghệ truy cập tải xuống gói tốc độ cao). b. Mạng 3G do CDMA phát triển theo tiêu chuẩn 3GPP2 Mạng CDMA2000 có thể cung cấp dữ liệu tốc độ cao cho TV unicast hoặc multicast. Hầu hết các nhà khai thác cũng đã nâng cấp mạng của họ lên chế độ lớp phủ dữ liệu, tức là 1xEV-DO, có thể cung cấp một kênh riêng để truyền đa phương tiện, bao gồm cả TV di động. Một số ví dụ: - Mobile TV dựa trên CDMA 1x to CDMA 3x. Mobile TV dựa trên CDMA 1xEV-DO. TV có thể ở định dạng phát trực tuyến hoặc sử dụng bộ truyền có tốc độ cố định để cung cấp truyền hình trực tiếp. 6 1.2.1.2. Dịch vụ phát đa hướng và phát sóng Truyền hình trực tiếp có thể được cung cấp bởi một mạng ở chế độ phát sóng, trong đó tất cả các bộ định tuyến ở biên của mạng lặp lại quá trình truyền đến các thiết bị đầu cuối được kết nối. Ngoài ra, nó có thể được cung cấp ở chế độ đa hướng, trong đó chỉ những thiết bị đầu cuối được chọn mới nhận được truyền. Cả mạng được phát triển bởi 3G-GSM và mạng do CDMA phát triển đều hỗ trợ phát và phát đa hướng nội dung được phân phối dưới dạng TV di động. - Mạng 3G (UMTS-WCDMA) theo 3GPP: MBMS Mạng CDMA và 3G phát triển theo 3GPP2: BCMCS 1.2.2. Mobile TV sử dụng mạng phát sóng mặt đất Trong lĩnh vực truyền hình di động phát sóng mặt đất, cũng có ba luồng công nghệ rộng lớn đã phát triển:  Phát sóng truyền hình di động sử dụng tiêu chuẩn phát sóng mặt đất đã sửa đổi: DVB-T đang được triển khai rộng rãi để số hóa các mạng phát sóng ở Châu Âu, Châu Á và các quốc gia kháctrên thế giới, có thể được sử dụng với một số sửa đổi nhất định như DVB cho thiết bị cầm tay hoặc DVB-H. Đây là một tiêu chuẩn chính dựa trên đó nhiều mạng thương mại đã bắt đầu cung cấp dịch vụ. ISDB-T được sử dụng ở Nhật Bản cũng là một trường hợp tương tự.  Phát sóng truyền hình di động sử dụng các tiêu chuẩn Truyền phát âm thanh kỹ thuật số đã được sửa đổi: Các tiêu chuẩn DAB cung cấp một phương tiện phát sóng nối tiếp mạnh mẽ các tín hiệu đa phương tiện bao gồm dữ liệu, âm thanh và âm nhạc và đã được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới. Các tiêu chuẩn này đã được sửa đổi thành tiêu chuẩn DMB. Ưu điểm là các công nghệ đã được thử nghiệm tốt và phổ tần đã được ITU phân bổ cho các dịch vụ DAB. Truyền hình đa phương tiện kỹ thuật số mặt đất (T-DMB) là một tiêu chuẩn phát sóng như vậy.  Truyền hình mặt đất sử dụng công nghệ mới: Ở các quốc gia như Hoa Kỳ, nơi ATSC là tiêu chuẩn truyền dẫn truyền hình kỹ thuật số, không có cách nào dễ dàng cho truyền hình di động phát sóng mặt đất. Ngay cả các dịch vụ phát sóng âm thanh kỹ thuật số cũng ở băng tần 2,3 GHz sử dụng công nghệ độc quyền hoặc sử dụng băng tần FM tiêu chuẩn (IBOC) cho các dịch vụ radio kỹ thuật số. Do đó, các mạng truyền dẫn mặt đất cho Mobile TV cần phải được phát triển từ đầu. FLO là một công nghệ mới sử dụng CDMA làm giao diện, có thể được sử dụng để phát sóng và phát đa hướng bằng cách thêm các khả năng vào mạng CDMA. 7 1.2.3. Mobile TV sử dụng mạng phát sóng vệ tinh Một số nhà khai thác đã phóng vệ tinh có chùm tia hội tụ công suất rất cao để cung cấp truyền trực tiếp Mobile TV tới thiết bị cầm tay. Các tiêu chuẩn được phát triển cho dịch vụ này dựa trên công nghệ DMB và các dịch vụ được ký hiệu là DMB-S hoặc SDMB. 1.2.4. Mobile TV sử dụng các công nghệ khác như WiMAX hoặc WiBro WiBro (Wireless Broadband - Băng thông rộng không dây) là dịch vụ truy cập Internet không dây tốc độ cao. Nó sử dụng các dải tần WiMAX (ví dụ: 2,3 GHz ở Hàn Quốc). Nó có thể cung cấp truy cập Internet trong khi bộ thu đang chuyển động với tốc độ lên đến 60 km/h. Trong một cách triển khai điển hình, WiBro có thể cung cấp tốc độ đường xuống 512 Kbps đến 3 Mbps và tốc độ đường lên 128 Kbps đến 1 Mbps với băng thông kênh là 10 MHz. Các ứng dụng điển hình cho WiBro là âm thanh và video theo yêu cầu, tải nhạc chuông và thương mại điện tử. 1.3. Nội dung của Mobile TV 1.3.1. Nội dung của khách hàng tạo Mobile TV là một phương tiện nội dung cá nhân và sự khác biệt với các mạng truyền hình thuần túy mang lại cơ hội cho nội dung do người dùng tạo ra có thể được chia sẻ trên toàn cầu hoặc nội dung nhóm được chia sẻ trong các nhóm. Điều này có nghĩa là vận chuyển ảo của các dịch vụ nhắn tin và blog đến môi trường di động. Khách hàng có thể tải video của chính họ lên mạng. Người dùng được trả 10% doanh thu khi clip của họ được tải xuống. 3G News Mobile Studio là sản phẩn nhận nội dung video và âm thanh trực tiếp từ thiết bị cầm tay 3G lưu trữ trên máy chủ và truyền lại ở các định dạng TV tiêu chuẩn trong thời gian thực. Điều này cho phép hình ảnh khách hàng yêu cầu xuất hiện trên Tv trong các chương trình trực tiếp. Điều này cũng cho phép nội dung tin tức được gửi thông qua điện thoại di động 3G và bất kỳ người nào đóng vai trò là nhà báo. 1.3.2. Video theo yêu cầu Video theo yêu cầu trong các mạng di động đã nổi lên như một trong những loại nội dung quan trọng nhất. Video theo yêu cầu cho phép người dùng nhận nội dung phát trực tuyến hoặc tải xuống theo lựa chọn của họ, có thể xem theo ý muốn. Các dịch vụ video theo yêu cầu bao gồm lựa chọn nội dung từ các kênh truyền hình yêu thích, thể thao, tin tức, thời tiết, giải trí và nội dung cao cấp trong hầu hết các triển khai. Thực tế, phân phối video theo yêu cầu sẽ cung cấp giao diện giống như VCR với các chức năng tua đi, tua lại và tạm dừng. 8 1.3.3. Công nghệ đẩy video Ngược lại với video theo yêu cầu là các công nghệ đẩy đưa video clip đến điện thoại di động, sau đó người dùng có thể xem theo ý muốn. Thường thì các clip sẽ được mã hóa và việc xem chúng sẽ yêu cầu loại giao dịch trả tiền cho mỗi lần xem. (Đẩy video sử dụng sửa lỗi chuyển tiếp để phân phối video một cách không có lỗi). 1.4. Mobile TV qua WiMAX Tiêu chuẩn WiMAX di động được phát triển dựa trên tiêu chuẩn WiBro của Hàn Quốc theo IEEE 802.16e. Nhận thức được bản chất không đối xứng của việc truyền dữ liệu, các tiêu chuẩn mới dựa trên một kỹ thuật điều chế được gọi là OFDMA có thể mở rộng. Các tiêu chuẩn cho WiMAX di động, được hoàn thiện vào năm 2006, tính di động trên mỗi giây với tốc độ lên đến 150 km/h và có các tính năng như hỗ trợ ăng-ten đa hướng, đây là tiêu chuẩn trong các thiết bị đầu cuối di động. WiMAX di động (IEEE 802.16e) cung cấp tốc độ dữ liệu lên đến 15 Mbps trên phạm vi khoảng 10 km. WiMAX di động đã mở ra một khía cạnh mới trong việc sử dụng các dịch vụ đa phương tiện di động do:  Phần lớn các công nghệ phân phối đa phương tiện di động dựa trên IP unicast hoặc multicast. Ví dụ như các công nghệ 3G, sử dụng mạng 3G; Các dịch vụ đa hướng MBMS; DVB-H với truyền dữ liệu IP; DAB-IP; ....  Công nghệ WiMAX cung cấp một phương tiện thay thế cho phân phối đa phương tiện dựa trên IP và được coi là có khả năng hữu ích trong môi trường hạn chế của phổ 3G và DVB-H.  Điện thoại di động đã bắt đầu cung cấp giao diện Wi-Fi (802.16b), WiMAX hoặc WiBro (chẳng hạn như Samsung i730 cho Wi-Fi và Samsung M800 cho WiMAX, Hàn Quốc).  Có sẵn các ứng dụng có thể cung cấp Mobile TV qua WiMAX hoặc băng thông rộng không dây với khả năng tương thích toàn cầu. Điện thoại hỗ trợ WiBro hoặc WiMAX đã được nhiều nhà khai thác thử nghiệm Chúng được đặc trưng bởi quyền truy cập liên tục vào Internet, khả năng thực hiện cuộc gọi điện video tới một hoặc nhiều người nhận và truyền phát các dịch vụ video và âm thanh. 9 Chương 2: Mobile TV qua WiMAX di động 2.1. Giới thiệu về Mobile TV qua WiMAX di động Thách thức chính đối với các hệ thống truyền thông hiện tại và tương lai đó chính là khả năng vẫn chuyển những nội dung đa phương tiện qua nhiều mạng khác nhau một cách hiệu quả ở các điều kiện kênh và dung lương băng thông khác nhau với các yêu cầu khác nhau của QoS. Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMax) là một trong những công nghệ truyền thông trong tương lai với khả năng cung cấp QoS cao với tốc độ dữ liệu cao qua mạng IP. Tốc độ dữ liệu cao và chất lượng dịch vụ (QoS) được cung cấp bởi tiêu chuẩn này đã làm cho tiêu chuẩn này trở nên khả thi vềmặt thương mại để hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện như gọi video, trò chơi điện tử và phát sóng truyền hình di động. Kiến trúc hệ thống để hỗ trợ phát video độ nét cao (như MPEG-X,H.264/AVC và SVC) cung cấp khả năng di động với tốc độ 30 km/h trong môi trường đô thị và cận đô thị đã được phát triển. Mobie TV là công nghệ cho phép người dùng truyền và nhận dữ liệu chương trính TV thông qua mạng có dây và không dây dự trên IP. Người dùng có thể tận hưởng các dịch vụ IPTV ở bất kì đâu và bất kì lúc nào bằng thiết bị di động. Bốn loại phương pháp tiếp cận truyền hình di động là:     Truyền hình di động qua IP (sẽ được thảo luận ở chương này) IPTV qua thiết bị truyền tín hiệu IPTV di động IPTV internet Tuy nhiên với sự thích ứng nhanh chóng với yêu cầu người sử dụng thì Mobie TV sẽ là ưu việt trong tương lai. Những người dùng có thể truy cập dịch vụ IPTV thông qua các mạng không dây khác nhau với các thiết bị di động một cách thuận tiện hơn Trong truyền thông di động, chất lượng tín hiệu thu được từ thiết bị của người sử dụng phụ thuộc vào một số yếu tố cụ thể là khoảng cách giữa người dùng mong muốn và các trạm gốc, tỉ lệ mất gói, che tối, rayleigh fading và nhiễu. Để cải thiện dung lượng hệ thống, tốc độ dữ liệu cao nhất và độ tin cậy của vùng phủ sóng, tín hiệu được truyền bởi một người dùng cụ thể được sửa đổi để giải thích cho sự thay đổi chất lượng tín hiệu thông qua một quá trình thường được gọi là thích ứng liên kết. Theo truyền thống, các hệ thống CDMA đã sử dụng kiểm soát công suất như là phương pháp ưu tiên để thích ứng liên kết. Gần đây, Điều chế và Mã hóa Thích ứng (AMC) đã đưa ra một phương pháp thích ứng liên kết thay thế hứa hẹn nâng cao năng lực hệ thống tổng thể. Dựa trên điều kiện kênh, sơ đồ có thể được thay đổi trên mỗi khung hình và trên cơ sở người dùng. Để tối đa hóa thông lượng trong một kênh khác nhau theo thời gian, có thể sử dụng mã hóa thích ứng và điều chế AMC cung cấp sự linh hoạt để phù hợp với sơ đồ mã hóa điều chế với mức trung bình điều kiện kênh cho từng người dùng. Với AMC, sức mạnh của tín hiệu đã truyền giữ 10 không đổi trong một khoảng thời gian khung và định dạng điều chế và mã hóa được thay đổi để phù hợp với kênh hoặc chất lượng tín hiệu nhận được hiện tại điều kiện. Trong hệ thống có AMC, người dùng gần với BS thường được chỉ định điều chế bậc cao hơn với tỷ lệ mã cao hơn (ví dụ: 64 QAM với R = 3/4 mã turbo), nhưng thứ tự điều chế và/hoặc tốc độ mã sẽ giảm khi khoảng cách từ BS tăng lên. 2.2. Cơ sở và sơ bộ Phần này cung cấp thông tin cơ bản và sơ đồ liên quan liên quan đến hỗ trợ QoS và lớp vật lý trên các sơ đồ mã hóa và điều chế WiMAX. Lớp vật lí Wimax dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). OFDM là sơ đồ truyền dẫn được lựa chọn để cho phép dữ liệu, video và truyền thông đa phương tiện tốc độ cao và được sử dụng bởi nhiều hệ thống băng thông thương mại bao gồm DSL,WiFi, truyền phát video kỹ thuật số cầm tay (DVB-H). Tiêu chuẩn được định nghĩa trong OFDM là một sơ đồ hiệu quả để truyền dữ liệu tốc độ cao trong môi trường đường truyền bị che khuất hoặc đa đường. Năm giao diện lớp PHY theo tiêu chuẩn IEEE 802.16 gồm:  Wireless MAN-SC: SC hoạt động trong điều kiện LOS với tần số từ 10 - 66 GHz.  Wireless MAN-SC: SCa hoạt động trong điều kiện NLOS ở tần số tự do dưới 11 GHz.  Wireless MAN-OFDM: OFDM hoạt động trong điều kiện NLOS ở tần số thấp 11 GHz.  MAN-OFDMA không dây: OFDMA hoạt động trong điều kiện NLOS ở tần số dưới 11 GHz và giao diện PHY.  Lớp vật lý cuối cùng là hệ thống không dây HUMAN hoạt động ở tần số 11 GHz WiMAX hỗ trợ nhiều loại điều chế và mã hóa và cho phép sơ đồ thay đổi trên cơ sở từng đợt trên mỗi liên kết, tùy thuộc vào điều kiện kênh. Sử dụng chỉ số phản hồi chất lượng kênh giúp di động cung cấp cho trạm cơ sở phản hồi về chất lượng kênh đường xuống. Đối với đường lên, trạm gốc có thể ước tính chất lượng kênh dựa trên chất lượng tín hiệu. Điều chế và mã hóa thích ứng làm tăng đáng kể dung lượng hệ thống tổng thể, vì nó cho phép thời gian thực đánh đổi giữa thông lượng và độ mạnh mỗi liên kết. Điều chế được sử dụng trong WiMAX là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). WiMAX OFDM có nhiều sóng mang con khác nhau, từ tối thiểu là 256 đến 2048, mỗi loại được điều chế với Điều chế QPSK, 16 QAM hoặc 64 QAM, trong đó 64 QAM là tùy chọn trên kênh đường lên. Lợi thế của tính trực giao là nó giảm thiểu sự tự can thiệp, nguồn lỗi chính trong việc nhận tín hiệu trong mạng không dây thông tin liên lạc. Các sơ đồ mã hóa kênh được sử dụng để giúp giảm yêu cầu SINR bằng cách khôi phục các gói bị hỏng có thể đã bị mất do lỗi cụm hoặc fading lựa chọn tần số. Các sơ đồ này tạo ra các bit dư thừa để đi kèm với các bit thông tin khi truyền qua một kênh. Các sơ đồ mã hóa bao gồm mã hóa chập (CC) ở các tỷ lệ mã hóa khác nhau (1/2, 2/3 và 3/4) cũng như mã turbo thông thường (CTC) như các tỷ lệ mã hóa khác nhau. Tốc độ mã hóa khả 11 dụng cho một sơ đồ điều chế nhất định với tốc độ tín hiệu trên nhiễu tối thiểu và tốc độ dữ liệu UL và DL đỉnh cho WiMAX di động kênh 5 MHz với các bit / ký hiệu thông tin khác nhau được liệt kê trong Bảng 1. Bảng 1: Tốc độ dữ liệu WiMAX PHY di động và SINR cho kênh 5 MHz Sơ đồ điều chế QPSK 16 QAM 64 QAM Mã hóa Bit / ký hiệu thông tin 1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 2/3 3/4 1 1,5 2 3 3 4 4 SINR tối thiểu (dB) 5 8 10,5 14 16 18 20 Tốc độ tải xuống (Mbps) 3,17 4,75 6,34 9,5 9,5 12,6 14,26 Tốc độ tải lên (Mbps) 2,18 3,43 4,57 6,85 6,85 9,14 10,28 Tính năng chính của điều chế là làm tăng phạm vi để sử dụng sơ đồ điều chế bậc cao hơn vì hệ thống có thể linh hoạt với thực tế điều kiện kênh fading, trái ngược với việc có một sơ đồ cố định được lập ngân sách cho các điều kiện trường hợp xấu nhất. Hai bộ lược đồ AMC: AMC-1 và AMC-2, được khuyến khích sử dụng trong DL trong phần mô phỏng. Mỗi AMC về cơ bản được đặc trưng bởi hai tham số ngưỡng, một là ngưỡng công suất và một là ngưỡng đầu vào tối thiểu cho các sơ đồ điều chế khác nhau. Hệ thống thoát lệnh bắt buộc là SINR bằng hoặc thấp hơn nơi cấu hình, cụm này không thể được sử dụng nữa và khi cần thay đổi cấu hình cụm mạnh mẽ hơn (nhưng có tần suất sử dụng ít hơn) và ngưỡng nhập tối thiểu là SINR tối thiểu để sử dụng cấu hình liên tục khi thay đổi cấu hình liên tục mạnh mẽ hơn. AMC-2 là AMC thận trọng vì nó đang sử dụng MCS bậc thấp hơn hầu hết thời gian. WiMAX hỗ trợ các băng thông tín hiệu khác nhau, từ 1,25 đến 20 MHz để tạo điều kiện truyền tải trên phạm vi dài hơn trong các môi trường đa đường khác nhau. Trong hệ thống liên lạc không dây, thông tin được truyền giữa máy phát và ăng-ten máy thu bằng sóng điện từ. Trong quá trình lan truyền, sóng điện từ tương tác với môi trường, do đó làm giảm cường độ tín hiệu. Một yếu tố hạn chế khác đối với thông lượng duy trì cao hơn trong truyền thông không dây, đặc biệt là khi các nút đầu cuối có tính di động, là do phản xạ giữa bộ phát và bộ thu, viz, một đường truyền giữa bộ chuyển phát và bộ thu được coi là. Đường truyền giữa máy phát và máy thu có thể thay đổi từ đường ngắm đơn giản (LOS) đến rất phức tạp do nhiễu xạ, phản xạ và tán xạ . Các mô hình suy hao đường dẫn mô tả sự suy giảm tín hiệu giữa một ăng ten phát và một ăng-ten thu như một hàm của khoảng cách truyền và các tham số khác cung cấp chi tiết về cấu hình địa hình cần thiết để ước tính sự suy giảm các tín hiệu. 12 Bảng 2: Hồ sơ AMC Chương trình điều chế và mã hóa QPSK 1/2 QPSK 3/4 16 QAM 1/2 16 QAM 3/4 64 QAM 1/2 64 QAM 2/3 64 QAM 3/4 AMC - 1 Ngưỡng thoát Ngưỡng đầu bắt buộc vào tối thiểu (dB) (dB) -20 2,0 5 5,9 8 8,9 11 11,9 14 14,9 17 17,9 19 19,9 AMC - 2 Ngưỡng thoát Ngưỡng đầu bắt buộc vào tối thiểu (dB) (dB) -20 2,0 11 11,9 14 14,9 17 17,9 20 20,9 23 23,9 25 25,9 Các mô hình tổn hao đường truyền đại diện cho một tập hợp các phương trình và thuật toán toán học áp dụng cho dự đoán truyền tín hiệu vô tuyến trong một số môi trường nhất định. Suy hao đường dẫn phụ thuộc nhiều vào mô hình lan truyền, các mô hình lan truyền phổ biến là Không gian tự do, Khu đô thị cố định (Erceg), Môi trường từ ngoài trời đến trong nhà và người đi bộ và Môi trường xe cộ được đưa ra trong Bảng 3. Các mô hình này được sử dụng trong WiMAX di động theo đánh giá hình thức thông qua mô phỏng OPNET. Bảng 3: Mô hình tổn hao đường truyền Mô hình lan truyền Công thức toán học Mô tả Nếu không xét đến hiệu ứng Prx(r)=PtxGtxGrx/((4π) r L. mờ dần do lan truyền đa đường thì khó có thể áp dụng Dựa trên dữ liệu thử nghiệm PL=H+10γlog10(d/d0)+Xf+Xh+s mở rộng được thu thập ở tốc độ H là điểm chặn và được cho bởi 1,9 GHz trong 95 ô macro của suy hao đường đi trong không các khu vực ngoại ô trên khắp Mô hình cố định gian tự do ở tần số mong muốn Hoa Kỳ. Kích thước ô rất lớn, ở ngoại ô Erceg trên khoảng cách d0 = 100 m. Xf các trạm gốc có công suất và Xh lần lượt là hệ số tương quan truyền dẫn cao và chiều cao của mô hình đối với tần số hoạt ăng ten cao hơn. động và chiều cao anten MS Các trạm thuê bao có tính di động rất thấp Kích thước ô nhỏ, các trạm gốc Môi trường mất có độ cao ăng ten thấp và công PL=40log10R+30log10f+49. lối đi từ ngoài trời suất truyền thấp được đặt ở R là khoảng cách trạm gốc và đến trong nhà và ngoài trời trong khi người dùng trạm di động người đi bộ đi bộ ở trên đường phố và bên trong các tòa nhà và khu dân cư Mô hình không gian trống 2 2 13 Môi trường xe cộ 2.3. PL=40(1-4×10-3×∆hb)log10R 18log10∆hb - 21log10f+80dB. ∆hb là chiều cao anten của trạm gốc Các ô lớn hơn, công suất cao hơn. Tất cả các thuê bao có tính di động cao Chỉ số hiệu suất video Các thước đo hiệu suất của quá trình truyền video có thể được phân loại là các thước đo chất lượng khách quan và chủ quan. Các biện pháp khách quan quan sát quá trình truyền gói bao gồm mất gói, trễ gói, chập chờn gói và tốc độ thông lượng tải lưu lượng. Các chỉ số khách quan khác cố gắng định lượng nhận thức về chất lượng video bao gồm:  Chỉ số chất lượng video ITU (VQM)  Tỷ số tín hiệu cực đại trên nhiễu (PSNR) Chất lượng video chủ quan là một đặc điểm chủ quan của chất lượng video. Nó liên quan đến cách người xem cảm nhận video và đưa ra quan điểm của họ về một chuỗi video cụ thể. Ý tưởng chính của việc đo lường chất lượng video chủ quan giống như trong số dư trung bình (MOS). Yêu cầu QoS là rất quan trọng để triển khai IPTV và VoD như các dịch vụ thời gian thực qua mạng WiMAX. Để đánh giá hiệu suất của hệ thống truyền video một bộ số liệu hiệu suất có liên quan đã được xác định để đánh giá hệ thống một cách thích hợp. Việc triển khai video theo yêu cầu (VoD) qua WiMAX bị ảnh hưởng bởi băng thông thay đổi theo thời gian, độ trễ gói và mất mát. Vì người dùng mong đợi chất lượng dịch vụ cao bất kể cơ sở hạ tầng mạng bên dưới, một số chỉ số được sử dụng chung để đo lường hiệu suất phát trực tuyến nội dung video nhằm đảm bảo tuân thủ và chất lượng trải nghiệm (QoE). Các thước đo mục tiêu sau đây, được sử dụng rộng rãi trong phân tích hiệu suất nội dung video được sử dụng, là tỷ lệ mất gói tin (PLR), trễ gói (PD), độ giật gói và thông lượng tối thiểu. Các thông số hiệu suất ảnh hưởng đến video đã được trình bày trong Bảng 4. 14 Bảng 4: Các tham số hiệu suất triển khai trong VoD Số liệu Tỉ lệ mất gói tin (PLR) Công thức  lost packet PLR=   lost packet -received packet  Mô tả    PLR là số gói bị mất hoặc bị trễ quá mức bị hỏng chia cho tổng số gói được mong đợi tại trạm máy khách video. Chấp nhận được 10-3 DE2E =Q  d proc +d queue +d trans +d prop  Trễ gói tin đầu cuối (ms) Trễ gói là thời gian <400 truyền gói trung Q: là số phần tử mạng giữa máy chủ bình giữa máy chủ phương tiện và trạm di động phương tiện và d proc : là độ trễ xử lý tại một phần tử trạm khách video. mạng nhất định. d queue : là độ trễ xếp hàng tại một phần tử mạng nhất định. d trans : là thời gian truyền của một gói tin trên một liên kết truyền thông nhất định giữa hai phần tử mạng. d prop : là độ trễ truyền qua một liên kết mạng nhất định. Biến thiên trễ gói hoặc gói jitter (ms) <50 Gói jitter: là sự t actual : là sự tiếp nhận gói tin thực tế. thay đổi về độ trễ gói trong một t expected : là thời gian nhận gói tin dự phương tiện nhất kiến. định tại trạm khách video Thông lượng (bps) jpkt =t actual -t expected Thông lượng để tải lưu lượng tốc độ bit thay đổi (VBR) có bản chất động và nó là một hàm của độ phức tạp của cảnh và nội dung âm thanh liên quan. Các tải lưu lượng tốc độ bit thay đổi (VBR) thường được trích dẫn là phạm vi thông lượng đỉnh Thông lượng là tải lưu lượng mà luồng phương tiện sẽ thêm vào mạng. [221 – 5311] 15 2.4. Truyền video qua WiMAX Để cung cấp dịch vụ IPTV thích hợp cho người dùng cuối, phần này mô tả kiến trúc của IPTV qua WiMAX. Các nhà cung cấp IPTV phải có mạng IP thích hợp để đảm bảo QoS ở cấp độ dịch vụ. Kiến trúc IPTV qua mạng WiMAX chia thành bốn hệ thống con: Hình 2.1: TV di động qua cấu trúc WiMAX Nội dung video: là hệ thống con đầu tiên trong hệ thống con này các máy chủ lưu trữ nội dung video của bất kỳ loại phim và nguồn nội dung âm thanh nào. Các loại video khác nhau lưu trữ nguồn video dưới dạng đài truyền hình quốc gia, đài truyền hình địa phương, hoạt động truyền hình Internet và bất kỳ dịch vụ phát video nào khác trong tương lai. Nội dung video được mã hóa video tốc độ bit thay đổi. Nội dung video được chuyển đến mạng WiMAX thông qua mạng lõi phân phối nội dung dung lượng cao, khoảng cách xa. Mạng lõi phân phối các luồng video từ tiêu đề đến mạng phân phối của nhà cung cấp dịch vụ. Mạng phân phối đi từ phần cuối của mạng lõi đến bộ định tuyến tổng hợp, nơi bắt đầu mạng truy cập. Mạng truy cập cho phép người dùng kết nối với nhà cung cấp dịch vụ và cho phép truy cập vào nội dung đa phương tiện. Yêu cầu đầu tiên của mạng truy nhập là có đủ băng thông để hỗ trợ nhiều kênh IPTV cho mỗi thuê bao, đồng thời nó cho phép các dịch vụ khác (điện thoại và dữ liệu). Cuối cùng, mạng khách hàng (máy thu di động) cho phép giao tiếp và trao đổi thông tin giữa các máy tính và thiết bị được kết nối với các dịch vụ do nhà cung cấp dịch vụ cung cấp. Đánh giá hiệu suất chuyên sâu của WiMAX di động được thực hiện bằng cách sử dụng điều chế và mã hóa thích ứng trong môi trường mô phỏng giống như thực của OPNET. 16 Thông số hiệu suất của WiMAX di động liên quan đến các sơ đồ mã hóa và điều chế khác nhau. Hiệu suất của chúng đã được đánh giá về thông lượng trung bình, dữ liệu bị giảm trung bình, giá trị MOS của ứng dụng thoại và mức sử dụng BW về mức sử dụng loạt dữ liệu UL khi triển khai VoIP trên Mạng WiMAX. Họ đã quan sát thấy rằng sử dụng các sơ đồ mã hóa và điều chế bậc thấp hơn, hệ thống cung cấp hiệu suất tốt hơn về thông lượng, giảm dữ liệu và MOS với chi phí sử dụng BW cao hơn. Việc cung cấp IPTV qua WiMAX gồm những thách thức đối với các yêu cầu QoS. Ngoài ra, việc truyền các dịch vụ IPTV thông qua công nghệ WiMAX và tác động tới các tham số khác nhau trong mạng WiMAX khi triển khai dịch vụ này. Một bộ điều khiển thông minh đã được thiết kế dựa trên logic mờ để phân tích các yêu cầu QoS để cung cấp IPTV qua WiMAX. Ngoài ra, một bộ điều khiển thông minh dựa trên logic mờ được sử dụng để phân tích ba tham số: jitter, tổn thất và độ trễ ảnh hưởng đến QoS, để cung cấp dịch vụ IPTV. Mục đích là xác định giá trị tối đa của việc sử dụng liên kết giữa các liên kết của mạng. Ví dụ:  Telagarapu và đồng nghiệp đã phân tích lớp vật lý của WiMAX với các kỹ thuật điều chế khác nhau như BPSK, QPSK, QAM và so sánh điều chế QPSK có và không có phương pháp sửa lỗi chuyển tiếp. Singh và đồng nghiệp cung cấp phân tích tỷ lệ lỗi Bit với SNR và tỷ lệ lỗi khối với SNR đường cong sử dụng QPSK, 16 QAM và 64 QAM trong kênh AWGN với các tham số được phân tích cho các tỷ lệ mã khác nhau. Người ta thấy rằng số lượng ký hiệu được truyền trên mỗi khối càng lớn thì chất lượng truyền càng giảm.  Rehman và đồng nghiệp đã sử dụng công cụ Simulink để đánh giá hệ thống WiMAX dưới sự kết hợp khác nhau của điều chế kỹ thuật số và các kênh truyền thông khác nhau AWGN và các kênh mờ dần. Cả bộ mã Reed-Solomon (RS) với bộ mã chập với các mã định mức 1/2 và 2/3 trong mã hóa kênh FEC đều được tích hợp trong hệ thống WiMAX. 17 Chương 3: Mô hình và kết quả 3.1. Mô hình Mobile TV qua WiMAX Hình 2.2: Mô hình Mobile TV qua WiMAX Cấu trúc liên kết mạng cho mạng tầng thử nghiệm của chúng tôi được đưa ra trong Hình 2.2. Mô hình được triển khai với WiMAX tế bào 7 lục giác với nhiều trạm thuê bao trong phạm vi của một trạm gốc. Các trạm gốc được kết nối với mạng lõi bằng đường trục IP. Đường trục IP được kết nối với đường trục máy chủ thông qua cổng ASN-GW để hỗ trợ tính di động trong mạng WiMAX. Cổng ASN-GW, đường trục IP và đường trục máy chủ cùng đại diện cho mạng công ty cung cấp dịch vụ. Nút này (di động 5_1) di chuyển dọc theo các quỹ đạo được chỉ ra bởi màu trắng xung quanh các ô. Các đường chấm hai chiều màu xanh lục biểu thị các đường hầm đóng gói định tuyến chung (GRE). Các thuộc tính phổ biến được sử dụng cho cấu hình mạng được nêu trong Bảng 5. Bảng 4: chi tiết cấu hình mạng Mạng Bán kính Số lượng trạm cơ sở Số lượng trạm thuê bao Mô hình IP Backbone Mô hình máy chủ video Mô hình liên kết (BS-Backbone) Mô hình liên kết (Backbone-server Backbone) Mô hình lớp vật lý Loại hình dịch vụ lưu lượng Ứng dụng Lịch trình Mạng di dộng WIMAX 0.2 km 7 5 IP32_cloud PPP_sever PPP_DS3 PPP_SONET_OC12 OFDM 5 MHz Video trực tuyến Phát trực tuyến video thực rtPS 18 Bảng 5: Đặc điểm bộ giải mã video Thông số Bộ giải mã Tỷ lệ nén khung hình Kích thước khung hình tối thiểu (Byte) Kích thước khung hình tối đa (Byte) Kích thước khung hình trung bình (Byte) Tốc độ khung hình cao nhất (Mbps) Tốc độ khung hình trung bình (Mbps) Tốc độ khung hình (fps) Ma trận III MPEG-4 Part2 47.682 8 36,450 3189.068 7.290 0.637 25 Truyền video qua mạng không dây là một nhiệm vụ đầy thách thức. Điều này là do yêu cầu băng thông cao và tính chất nhạy cảm với độ trễ của video hơn hầu hết các loại ứng dụng khác. Video này được mã hóa bởi MPEG-4 phần 2, được lấy từ Đại học Bang Arizona với độ phân giải khung hình 352 x 288 và tốc độ mã hóa là 25 fps. Bảng 6 cho thấy tốc độ trung bình và cao nhất cho mã video này và chỉ phản ánh các khung hình video. Các dấu vết mô hình mô phỏng được đề xuất của chúng tôi được điều khiển bằng cách sử dụng các dấu vết video và âm thanh từ phim Ma trận III trong khi những dấu vết này phản ánh kích thước khung hình riêng lẻ hơn là dữ liệu khung hình thực tế. Vì vậy, công việc này cũng thêm khung âm thanh là 21,6. 3.2. Kết quả 3.2.1. Trường hợp 1: Nút di động với tốc độ khác nhau Trường hợp này được nghiên cứu để xem tốc độ TV di động hoạt động như thế nào bằng cách sử dụng các sơ đồ mã hóa và điều chế khác nhau do Mobile WiMAX cung cấp. Điều này đánh giá các thông số hiệu suất, cụ thể là: giật gói, độ trễ gói E2E, sụt giảm dữ liệu và thông lượng của nút di động để chỉ ra tốc độ nào là tốt nhất cho Mobile TV. Tốc độ của điện thoại di động được cung cấp theo km/h trong khi mô hình mất đường và dịch vụ lập lịch trình được giữ không đổi. Mô hình suy hao đường dẫn được chọn làm không gian trống và lớp dịch vụ như rtPS được xem xét. Độ trễ gói tin trung bình và độ trễ E2E trung bình với điều chế cố định và thích ứng được thể hiện trong Hình 3.1 (a) và (b). Hình 3.1 (a) cho thấy sự thay đổi trung bình của giật đối với âm thanh/video Mobile TV qua mạng WiMAX di động cho các tốc độ khác nhau, chất lượng video tốt nhất nếu độ giật bằng 0. Thang đo trục của Hình 3.1 (a) là thang đo log vì kết quả biến thiên là rất nhỏ xung quanh 0. Như thể hiện trong Hình 3.1 (a), độ giật âm thanh / video trung bình là xấp xỉ 0 đối với MCS và AMC cao hơn ở các tốc độ khác nhau, khoảng 2,5753E-05 giây, trong khi các MCS khác như QPSK có mức jitter trung bình nhiều hơn. Từ kết quả trong Hình 3.1 (a), quan sát thấy rằng WiMAX sử dụng MCS cao hơn (64 QAM 2/3, 64 QAM 3/4) và AMC (AMC-1, AMC-2) như một kỹ thuật điều chế cho jitter tốt hơn so với với MCS khác (QPSK, 16 QAM). Độ trễ từ đầu cuối đến đầu cuối trung bình đối với các tốc độ khác nhau trong MCS cho thấy trong Hình 3.1 (b), độ trễ 19