LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT : MỘT PHƯƠNG PHÁP ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG CHO DỊCH VỤ TRUYỀN THÔNG ĐA HƯỚNG THỜI GIAN THỰC QUA MẠNG IP

Chia sẻ: Cao Van Manh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:84

Thêm vào BST

Báo xấu

115
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chất lượng tín hiệu phát thanh truyền tải qua mạng IP sẽ bị ảnh hưởng và suy giảm do tác động của các yếu tố mạng. Các yếu tố mạng bao gồm tỷ lệ tổn thất gói tin, trễ mạng và biến động trễ mạng là các tham số chính tác động đến chất lượng dịch vụ của tín hiệu tại đầu thu PQoS (Perceived Quality of Service). Mối quan hệ giữa các yếu tố này được thể hiện trên hình 2.1

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT : 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 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
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 2.1.1 Giới thiệu Chất lượng tín hiệu phát thanh truyền tải qua mạng IP sẽ bị ảnh hưởng và suy giảm do tác động của các yếu tố mạng. Các yếu tố mạng bao gồm tỷ lệ tổn thất gói tin, trễ mạng và biến động trễ mạng là các tham số chính tác động đến chất lượng dịch vụ của tín hiệu tại đầu thu PQoS (Perceived Quality of Service). Mối quan hệ giữa các yếu tố này được thể hiện trên hình 2.1. Chất lượng dịch vụ tại đầu thu Hình 2. 1: Mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến QoS [36] Từ quan điểm dịch vụ đầu cuối - đến - đầu cuối, tỷ lệ tổn thất gói tin tổng quát bao hàm tỷ lệ tổn thất mạng và tỷ lệ tổn thất do hủy gói tại bộ đệm tái tạo. Độ trễ tổng quát bao gồm trễ mạng và trễ bộ đệm, gây nên do thời gian lưu gói tin tại bộ đệm tái tạo. Ngoài tỷ lệ tổn thất gói tin và độ trễ tổng quát, chất lượng tín hiệu thu nhận PQoS còn phụ thuộc vào các chuẩn CODEC, giải thuật bù tổn thất gói tin và đặc biệt là phương thức điều khiển lịch trình tái tạo gói tin của bộ đệm tại tạo tại đầu thu. 2.1.2 Tổn thất gói tin Tổn thất gói tin là một trong những nguyên nhân chính gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu phát thanh truyền tải qua mạng IP. Tổn thất gói tin có thể xảy ra
do hủy gói tin trong mạng IP ( tổn thất mạng ) hoặc loại bỏ gói tin do bộ giao tiếp mạng hoặc bộ đệm tái tạo tại đầu cuối thu nhận như thể hiện trong hình 2.1 Tổn thất mạng thường xảy ra do tắc nghẽn dẫn tới tràn bộ đệm trong bộ định tuyến, do sự định tuyến không ổn định hoặc do độ không tin cậy của đường truyền như trong trường hợp kênh vô tuyến, trong đó tắc nghẽn là nguyên nhân chủ yếu gây nên tổn thất. 2.1.2.1 Mô hình tổn thất Bernoulli Trong mô hình tổn thất Bernoulli [39][45], tổn thất của mỗi gói tin là độc lập với nhau Hình 2. 2: Mô hình tổn thất Bernoulli (đặc tính không nhớ) cho dù gói tin kề trước bị tổn thất hoặc không tổn thất. N Trạng thái tổn thất của gói tin được xem xét như một biến ngẫu nhiên {Li }i =1 có tính chất phân bố xác định độc lập IID (Independent and Identical Distributed). Giá trị biến ngẫu nhiên Li = 1 tương ứng với tình trạng gói tin thứ i bị tổn thất với xác xuất Pi là độc lập với gói tin thứ j với ∀j ≠ i . Giá trị xác xuất Pi = P với tất cả các gói tin. Do đó, trong mô hình Bernoulli chỉ tồn tại một trạng thái % như thể hiện trên hình 2.2. Giá trị xác xuất P được ước đoán thông qua việc đo đạc tham số các gói tin từ nhận được tại đầu thu: N ∑L i Ltot % P= 1 = ( 2. 1 ) N N % Theo (2.1) giá trị ước đoán xác xuất P tương ứng với tổng số gói tin bị tổn thất chia cho tổng số gói tin đã truyền tải. Trong mô hình phỏng tạo tham số mạng, mô hình Bernoulli được sử dụng nhằm xác định trạng thái tổn thất của gói tin. Khi có yêu cầu xác định trạng thái của gói tin, một biến ngẫu nhiên r được phát sinh theo phân bố đều trong khoảng giá trị [0,1] với xác xuất bằng p. Nếu r < p gói tin sẽ bị hủy tương ứng với trạng thái bị tổn thất và ngược lại. 2.1.2.2 Mô hình Gilbert 2 trạng thái Hầu hết các nghiên cứu gần đây về truyền tải tiếng nói qua mạng IP đều sử dụng mô hình Gilbert để thể hiện đặc tính tổn thất gói tin [39][45][46]. Trong mô hình
Gilbert 2 trạng thái, tồn tại hai trạng thái (trạng thái 0 và trạng thái 1) như thể hiện trên hình 2.2. Biến ngẫu nhiên X được xác định như sau: X = 0 ( trạng thái 0 ) thể hiện nhận được gói tin hay gói tin không bị tổn thất và ngược lại X = 1 ( trạng thái 1 ) thể hiện gói tin bị tổn thất, với p là xác xuất gói tin bị tổn thất khi nhận được gói tin kề trước và q là xác xuất gói tin nhận bị tổn thất khi gói tin kề trước đã bị tổn thất. Hình 2. 3: Mô hình Gilbert 2 trạng thái Giả thiết P0 là xác xuất xảy ra trạng thái 0 đối với gói tin và P1 là xác xuất xảy ra trạng thái 1 đối với gói tin. Khi đó: P0 = P(X = 0) và P1 = P(X = 1) Tại trạng thái ổn định, P0 và P1 được xác định như sau: P0 = (1 − p ).P0 + (1 − q ).P1 ( 2. 2 ) P0 + P = 1 1 ( 2. 3 ) P1 hay xác xuất tổn thất không điều kiện ulp (unconditional loss probability) được xác định như sau: p P= 1 p +1− q ( 2. 4 ) Xác xuất tổn thất không điều kiện cung cấp khả năng đo đạc tỷ lệ tổn thất gói tin trung bình. Trong khi đó, q được tham chiếu như xác xuất tổn thất có điều kiện clp (conditional loss probability) Mô hình Gilbert thể hiện phân bố của xác xuất k gói tin liên tiếp bị tổn thất tương ứng với xác xuất pk xảy ra lỗi cụm có độ dài k được xác định theo (2.5).
Pk = P (Y = k ) = (1 − q ).q k −1 ( 2. 5 ) Y được xác định là một biến ngẫu nhiên mô tả phân bố độ dài cụm gói tin tổn thất tương ứng với sự kiện xảy ra tổn thất cụm gói tin liên tiếp. Dựa vào biểu thức (2.5), độ dài cụm gói tin tổn thất trung bình E[Y] có thể được tính toán như sau: ∞ ∞ 1 E[Y ] = ∑ k . pk = ∑ k .(1 − q ).q k −1 = k =1 k =1 1− q ( 2. 6 ) E[Y] được xác định chỉ dựa vào q ứng với xác xuất tổn thất có điều kiện cho thấy giá trị của độ dài tổn thất cụm trung bình chỉ phụ thuộc vào đặc tính tổn thất của hai gói tin liên tiếp. Xác xuất p và q cũng có thể được xác định từ thống kê phân bố độ dài tổn thất của dữ liệu theo dõi lưu lượng. Giả thiết, Oi với i = 1,2,. . . ,n-1 là cụm tổn thất thể hiện số cụm tổn thất có độ dài i, trong đó n-1 là độ dài lớn nhất của cụm gói tin tổn thất. Trong trường hợp tổng số gói tin truyền tải là O∑ , có thể xác định p, q như sau: n −1 ∑O i p= i =1 O∑ n −1 ∑ O .(i − 1) i q= i =1 n −1 ∑ O .i i =1 i ( 2. 7 ) Khi p = q, mô hình Gilbert 2 trạng thái chính là mô hình Bernoulli. 2.1.3 Trễ và biến động trễ Trễ và biến động trễ (jitter) là hai trong số các yếu tố của mạng ảnh hưởng chính đến chất lượng truyền tải dịch vụ thời gian thực nói chung và truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP nói riêng. Trễ từ đầu cuối đến đầu cuối được xác định là khoảng thời gian giữa bên phát và bên thu bao gồm những thành phần chủ yếu sau đây:
• Trễ đường truyền: Là khoảng thời gian đề truyền tải một bit từ phía phát đến phía thu. Trễ đường truyền phụ thuộc vào khoảng cách vật lý của tuyến liên lạc và phương tiện truyền dẫn. Khi truyền tải qua cáp quang, cáp đồng trục hoặc cáp xoắn đôi, trễ một chiều khoảng 5 µs/km . • Trễ truyền tải: Là tổng khoảng thời gian gửi gói tin ra khỏi giao diện mạng từ hàng đợi. Với các đường truyền Internet của mạng diện rộng điển hình với tốc độ 622 Mb/s (STM-4), thông thường trễ truyền tải tại mỗi chặng khoảng 20 às với gói tin có độ dài tối đa MTU bằng 1500 Bytes. • Trễ hàng đợi: là khoảng thời gian một gói tin được lưu giữ trong hàng đợi kể từ khi gói tin được đưa đến cổng vào cho đến khi được xử lý. Trễ hàng đợi là nguyên nhân chính gây nên biến động trễ từ đầu cuối đến đầu cuối và phụ thuộc vào tải lưu lượng của mạng hay tình trạng tắc nghẽn của mạng. • Trễ xử lý mã hóa/giải mã: là khoảng thời gian cần thiết để mã hóa tại phía phát hoặc giải mã tín hiệu tại phía thu. Giá trị trễ phụ thuộc vào phương thức mã hóa được sử dụng. • Trễ đóng gói / mở gói tin: là khoảng thời gian cần thiết để bổ sung tiêu đề hình thành gói tin tại phía phát hoặc là khoảng thời gian tách tiêu đề và tải trọng tại phía thu. • Trễ tái tạo: là khoảng thời gian gói tin được lưu giữ tại bộ đệm tái tạo kể từ khi thu nhận đến khi tín hiệu được tái tạo tại đầu cuối. Theo khuyến nghị của tổ chức ITU, với thông tin tiếng nói truyền qua mạng IP, trễ một chiều của hầu hết các ứng dụng không vượt quá 150ms và giá trị giới hạn là 400 ms để thu được tín hiệu có thể chấp nhận. Biến động trễ là giá trị thống kê sự thay đổi về mặt thời gian giữa thời điểm đến của các gói tin liên tiếp, nguyên nhân chủ yếu là do sự biến đổi của trễ hàng đợi. Theo khuyến nghị RFC 3550, IETF xác định biến động trễ là sự biến đổi trung bình của khoảng sai lệch giữa thời điểm phát và thu của hai gói liên tiếp với giá trị tuyệt đối được cân chỉnh thông qua hệ số biến đổi = 1/16 [21]. Biến động trễ được tính toán liên tục cho mỗi gói tin thứ i nhận được. Với mỗi gói tin xác định, biến động trễ Ji cho gói tin thứ i được tính toán như sau:
Ji = Ji−1 + (|D(i − 1, i)| − Ji−1 ) / 16 ( 2. 8 ) Với D là khoảng thời gian sai khác giữa thời điểm đến của hai gói tin liên tiếp. 2.1.3.1 Trễ hành trình gói tin một chiều Hình 2. 4: Mô hình truyền tải gói tin một chiều Trong đó: - 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 kích thước gói tin - fi trễ chuyển tiếp tại bộ định tuyến. Hình 2.4 thể hiện mô hình truyền tải gói tin một chiều giữa các bộ định tuyến ( i-1 ), ( i ) và ( i+1 ) với băng thông kết nối khác nhau. Giả thiết, khi một gói tin sẵn sàng được gửi đi, gói tin đó ngay tức thời được gửi vào đường truyền của mạng. Khoảng thời gian để bit đầu tiên gửi từ bộ định tuyến (i-1) đến bộ định tuyến thứ (i) được xác định là thời gian truyền dẫn tín hiệu và phụ thuộc hoàn toàn vào phương tiện truyền dẫn được xác định như sau: di ∆t prog = ( 2. 9 ) c
Thông thường, với kết nối mạng LAN trễ truyền dẫn biến thiên trong khoảng vài [às], trong khi ở các kết nối vệ tinh trễ truyền dẫn có thể lên tới hàng trăm [ms]. Trễ truyền tải gói tin là khoảng thời gian để tất cả các bit trong gói tin truyền tải từ bộ định tuyến ( i-1 ) đến bộ định tuyến (i). Trễ truyền tải phụ thuộc vào kích thước gói tin và băng thông của tuyến kết nối, được thể hiện bởi quan hệ sau: s ∆ttrans = ( 2. 10 ) bi Trong đó: - s kích thước gói tin - bi băng thông của tuyến kết nối i Các gói tin thu nhận tại bộ đinh tuyến (i) được đưa vào hàng đợi và xếp hàng cho đến thời điểm tạo lịch trình đưa gói tin lên tuyến truyền dẫn kế tiếp, trong một khoảng thời gian xác định gọi là trễ chuyển tiếp fi. Ba yếu tố trễ trên hình thành trễ tổng thể của một chặng truyền dẫn giữa hai bộ định tuyến ( i-1 ) và ( i ) Trễ hành trình một chiều gói tin cho n chặng phụ thuộc vào kích thước gói tin được thể hiện theo biểu thức sau: n ⎡ di s ⎤ n ⎡ di s ⎤ n ∆tOTT (n, s) = ∑ ⎢ + + fi ⎥ = ∑ ⎢ + ⎥ + ∑ fi ( 2. 11 ) i =1 ⎣ c bi ⎦ i =1 ⎣ c bi ⎦ i =1 Với một môi trường mạng và độ dài gói tin xác định, tính bất định của ∆tOTT phụ thuộc vào trễ chuyển tiếp tại các bộ định tuyến do thời gian truyền dẫn và băng thông có thể được xem như không đổi đối với các kết nối xác định. Trễ chuyển tiếp phụ thuộc vào dung lượng hàng đợi và có tương quan chặt chẽ với tải của mạng, do đó ∆tOTT sẽ biến đổi thuận theo tải của mạng. 2.1.3.2 Trễ hành trình gói tin hai chiều
Hình 2. 5: Mô hình truyền tải gói tin hai chiều Trong đó: - 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 theo hướng thuận - f'i-1: trễ chuyển tiếp theo hướng ngược. Mô hình truyền tải gói tin hai chiều thể hiện trên hình 2.5 với trường hợp gói tin được chuyển tiếp ( kích thước gói tin không đổi sres = s ) hoặc phản hồi ( kích thước gói tin phản hồi thay đổi so với hướng thuận sres # s ) từ hướng thuận sang hướng ngược tại nút cuối cùng. Trễ hành trình gói tin hai chiều giữa nút ( i-1 ) và nút ( i ) là : di s d s ∆ti ( s) = + + fi + i + res + f 'i −1 ( 2. 12 ) c bi c bi Như vậy, trễ hành trình hai chiều của gói tin được xác định như sau:
n ⎡ s + sres d ⎤ ∆ RTT (n, s, sres ) = ∑ ⎢ + 2. i + fi + f 'i −1 ⎥ i =1 ⎣ bi c ⎦ n ⎡ s + sres d ⎤ n ( 2. 13 ) = ∑⎢ + 2. i ⎥ + ∑ ( fi + f 'i −1 ) i =1 ⎣ bi c ⎦ i =1 Độ chính xác của giá trị trễ hành trình hai chiều ∆ RTT phụ thuộc vào tính đối xứng của tuyến truyền dẫn. Trong trường hợp đường truyền không đối xứng, ∆ RTT được xác định là tổng cộng của trễ hành trình một chiều theo hướng thuận và hướng ngược. Để thuận lợi và tránh sai số đồng bộ đồng hồ giữa bên thu và bên phát, phương pháp xác định trễ hành trình hai chiều thường được sử dụng, tuy nhiên trong trường hợp này sẽ không xác định được tắc nghẽn xảy ra theo hướng thuận hay hướng ngược của đường truyền tải gói tin. 2.2 Đề xuất mô hình phỏng tạo tham số QoS qua mạng IP 2.2.1 Kiến trúc mô hình Các tham số mạng QoS của mạng IP có thể được phỏng tạo thông qua xử lý các gói tin ở mức vật lý [62][63]. Tuy nhiên phương thức này phụ thuộc vào hệ điều hành, được thực hiện theo phương thức truyền thông đơn hướng và chưa hỗ trợ tái tạo ảnh hưởng của mạng từ dữ liệu thực tế được đo đạc từ trước. Để khắc phục các hạn chế trên, các thông số QoS của mạng Internet thực tế biến thiên một cách ngẫu nhiên được luận án mô hình hóa và thực hiện phỏng tạo qua hai phương thức trực tuyến - Online và không trực tuyến - Offline hỗ trợ cả hai phương thức truyền thông đơn hướng và đa hướng. Với phương thức không trực tuyến (hình 2.6b), các thông số được đọc từ tệp số liệu thống kê qua thực nghiệm từ trước. Với phương thức trực tuyến, khối phỏng tạo mạng được cung cấp trực tuyến thông tin về độ trễ mạng và tình trạng tổn thất của gói tin từ bộ tạo thông số như thể hiện trong hình 2.6a.
Hình 2.6: Kiến trúc mô hình phỏng tạo tham số mạng a. Phương thức trực tuyến b. Phương thức không trực tuyến Tham số QoS của mạng IP bao gồm trễ mạng và trạng tổn thất gói tin truyền tải qua mạng IP thực tế biến thiên một cách ngẫu nhiên được mô hình hóa qua thuật toán thể hiện trên hình 2.5. Mô hình sử Xác định trạng thái dụng các thông số thiết lập bao gói tin và độ trễ mạng gồm: xác suất xảy ra lỗi gói P, chu kỳ đánh giá tỷ lệ tổn thất gói tin Ä, tên tệp lưu giữ các giá trị tỷ lệ tổn thất và chỉ số gói tin tổn thất, độ trễ mạng trung bình và khoảng biến động trễ. Hình 2. 6: Thuật toán xác định tham số của gói tin
2.2.2 Phỏng tạo tham số mạng IP đa hướng Khác với mô hình phỏng tạo cho truyền đơn hướng [18][49], các gói tin từ một nguồn phát được truyền tải qua mạng IP đa hướng đến các máy thu theo các tuyến kết nối khác nhau kéo theo ảnh hưởng của các tham số mạng khác nhau về độ trễ, biến động trễ và tình trạng tổn thất gói tin. Hình 2. 7: Mô hình lý thuyết phỏng tạo tham số mạng IP đa hướng Luận án đề xuất mô hình phỏng tạo tham số mạng IP đa hướng thực hiện khối phỏng tạo tham số mạng tại các đầu thu như thể hiện trên hình 2.10. Về nguyên lý phỏng tạo, các tham số trễ mạng và tổn thất cũng được thực hiện tương tự như tại gateway ( hình 1.26). Khối phỏng tạo mạng N/W có thể được thực hiện bằng một chương trình độc lập hoặc một module chương trình tích hợp vào chương trình thu. Mô hình đề xuất cho phép thể hiện ảnh hưởng của mạng đến chất lượng tín hiệu thu tại máy trạm truy nhập vào mạng IP da hướng ở các vị trí địa lý khác nhau. Hình 2.8 thể hiện thuật toán xử lý gói tin thu nhận từ socket đa hướng/đơn hướng chịu tác động của các tham số mạng thu nhận từ bộ đệm tình
trạng mạng. Các thông số của gói tin chịu ảnh hưởng của mạng thay đổi ngẫu nhiên và được thiết lập theo mô hình tạo thông số mạng như thể hiện ở trên hình 2.5. Các gói tin bị tổn thất sẽ kích hoạt khối bù tổn thất thực hiện phương thức chèn khoảng lặng hoặc chèn khung dữ liệu kế trước, sau đó được đưa tới bộ đệm tái tạo. Hình 2. 8: Xử lý gói tin tại phía thu
2.3 Kết quả triển khai thực nghiệm Hình 2. 9: Cấu hình thực nghiệm phỏng tạo tham số mạng IP Công cụ phỏng tạo thông số mạng IP đa hướng/đơn hướng xây dựng trên nền hệ điều hành Linux (hình 2.12a và hình 2.12b) và được triển khai thực nghiệm qua mạng Intranet của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Kết quả phỏng tạo thể hiện chính xác ảnh hưởng của các tham số mạng đến gói tin nhận được dưới tác động của trễ và tổn thất gói tin như thể hiện từ hình 2.13 đến hình 2.17. Ngoài việc phỏng tạo số liệu theo phương thức trực tuyến, phương thức phỏng tạo không trực tuyến được sử dụng nhằm tái tạo ảnh hưởng của mạng thông qua số liệu đo đạc khi tiến hành thực nghiệm như mô hình triển khai hệ thống RoIP được trình bày cụ thể trong chương 3. Bên cạnh đó, các kết quả tham chiếu đo đạc từ chương trình phỏng tạo tham số mạng đề xuất và được triển khai thực nghiệm với nguồn số liệu cung cấp bởi [71] thông qua việc thu thập dữ liệu mạng tác động đến gói tin truyền tải qua mạng IP giữa giữ Đại học Plymouth và Đại học Viễn thông Bắc Kinh Trung Quốc cũng được trình bày trong phần phụ lục của luận án. Ngoài các số liệu thống kê được xử lý và hiển thị thông qua các đồ thị tĩnh, chương trình còn cho phép quan sát tình trạng trễ mạng một cách trực tuyến theo thời gian thực như thể hiện trong hình 2.11.
Hình 2. 10: Chức năng theo dõi trễ mạng trực tuyến theo thời gian thực của chương trình phỏng tạo tham số mạng
Hình 2. 11: Giao diện chương trình phỏng tạo tham số mạng tích hợp trong iVoVGateway ế ồ ề
ố ễ ố ế
Hình 2. 14 : Thông số trễ đo đạc thực tế theo phương thức phỏng tạo không trực tuyến