Một phương pháp đảm bảo chất lượng cho 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 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 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 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 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 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. 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 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 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 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 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 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 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........