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 d
ưỡng 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 Kh
ương,
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 họ
c 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 Trọ
ng 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 luậ
n 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 ch
ủ 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 h
ầm 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 mạ
ng 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 l
ặng 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 bi
ến 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



DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU TOÁN HỌC
X
: Biến ngẫu nhiên nhận giá trị 0 hoặc 1.
i
L
: Trạng thái tổn thất của gói tin thứ i.
i
P

: Xác xuất tổn thất của gói tin thứ i.
P
%
: Xác xuất tổn thất gói tin ước đoán.
tot
L
: Tổng số gói tin bị tổn thất.

N
: Tổng số gói tin được truyền tải.
0
P
: Xác xuất gói tin không bị tổn thất.
1
P
: 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.
k
p
: Xác xuất xảy ra tổn thất gói tin theo cụm có độ dài k gói tin liên tiếp.
i
O
: Cụm tổn thất gói tin gồm i gói tin liên tiếp, i = 1,2 . . . n.
i
D
: Trễ mạng của gói tin thứ i.
i

J
: Biến động trễ của gói tin thứ i.
d
i
:
Khoảng cách vật lý giữa bộ định tuyến ( i -1 ) và ( i )
c : Tốc độ truyền tín hiệu.
b
i
: Băng thông của tuyến kết nối i
s, s
res
: Kích thước gói tin theo hướng thuận và hướng ngược.
f
i
: Trễ chuyển tiếp gói tin theo hướng thuận
f'
i-1
: Trễ chuyển tiếp gói tin theo hướng ngược.
p
rog
t∆
: Thời gian truyền dẫn tín hiệu.

trans
t∆
: Trễ truyền tải gói tin.
OTT
t∆
: Trễ hành trình một chiều gói tin

R
TT
t∆
: Trễ hành trình hai chiều gói tin
i
t

: Thời điểm phát từ đầu phát của gói tin thứ i.
i
r

:

Thời điểm đến đầu thu của gói tin thứ i.
i
p

: Thời điểm tái tạo gói tin thứ i.
i
n

: Trễ của gói tin thứ i gây nên bởi mạng.
v
i
: Biến động trễ mạng của gói tin thứ i
b
i
: Thời gian trễ của gói tin thứ i lưu giữ trong bộ đệm tái tạo.
d
i

: trễ tổng quát của gói tin thứ i (trễ từ đầu cuối đến đầu cuối).
i
p
)
: Thời điểm tái tạo gói tin thứ i
i
d
)
: Trễ mạng trung bình của gói tin thứ i
i
v
)
: Biến động trễ mạng trung bình của gói tin thứ i
α
: Hệ số tái tạo thích ứng
- 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.
R
o
= 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.
I
d
: Thông số ảnh hưởng của trễ.

I
s
: 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
[]
t
n
xm
: Giá trị mẫu tín hiệu của nguồn phát.
[]
r
n
xm
: Giá trị của mẫu tín hiệu nhận được phía thu.
E
S
(n): Năng lượng tín hiệu của khung n gồm M mẫu tín hiệu.
E
N
(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.
t
s
: Ngưỡng cắt mức tín hiệu phát thanh tích cực.
t
F
i
sum
: Tổng mức năng lượng tín hiệu phát của khung
i
F

r
F
i
sum
: Tổng mức năng lượng tín hiệu thu của khung
i
F

i
F
i
s
: Mức tín hiệu mẫu i của khung
i
F

()
i
F
i
es
: Năng lượng tín hiệu mẫu i của khung
i
F

s
N
: Tổng số mẫu tín hiệu của khung
i
F


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.


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 ch
ế 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 ch
ất 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 h
ướng ( 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

thu
ật 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 h
ợp 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.


 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 hi
ệu 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 hiệ
u 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 truy
ền 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


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 th
ất 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
cuố
i 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 thứ
c 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.


Các thuật toán hiện tại cho một số kết quả tối ưu nhất định trong việc thỏa hiệp
giữa độ trễ và độ tổn thất gói tin nhằm đạt được chất lượng tín hiệu tại đầu thu tốt
nhất. Tuy nhiên, chất lượng của các thuật toán bộ đệm tái tạo hiện tại chỉ được xét
trong một số tình trạng mạng xác định mà chưa quan tâm đến việ
c thích ứng tham
số nguồn với tình trạng mạng và kết hợp với đánh giá chất lượng tín hiệu phát
thanh thu được theo thời gian thực.
Việc đánh giá chất lượng tín hiệu phát thanh thu được có thể thông qua hệ số điểm
đánh giá trung bình MOS (Mean Opinion Score) và được thực hiện bằng phương
pháp đánh giá khách quan (Subjective Tests) hoặc đo đạc chủ quan (Objective
Measurement Methods). Đối với phương thức đánh giá khách quan, giá trị MOS có
thể nhận đượ
c thông qua khảo sát ý kiến người nghe về chất lượng của tín hiệu phát
thanh thu được. Phương thức này liên quan trực tiếp đến quan điểm của người đánh
giá nhưng chi phí cao và đòi hỏi nhiều thời gian. Phương pháp đo đạc chủ quan sử
dụng các thuật toán nhằm đánh giá chất lượng tín hiệu phát thanh thu được qua
mạng IP để xác định thông số đánh giá chất lượng. Phương thức này có thể được
chủ động tiến hành tại thời điểm bất kỳ và có thể lặp lại nhiều lần trong các khoảng
thời gian khác nhau, không đòi hỏi chi phí tiến hành đánh giá như ở phương thức
chủ quan. Độ tin cậy của kết quả đánh giá khách quan phụ thuộc vào nhiều yếu tố
và khó kiểm soát như số lượng người đánh giá, điều kiện môi trường đánh giá, chất
l
ượng thiết bị tái tạo và mang tính ổn định không cao. Đồng thời đánh giá khách
quan đòi hỏi nhiều thời gian cũng như chi phí tiến hành đánh giá. Tuy nhiên,
phương pháp này lại cho kết quả đánh giá gần với cảm nhận thực tế của con người.
Do đó việc kết hợp đánh giá giữa các phương pháp chủ quan và các mô hình đánh

giá khách quan cần được nghiên cứu áp dụng để đánh giá chất lượng tín hiệu phát
thanh t
ại đầu thu.
Hầu hết các nghiên cứu gần đây nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu tiếng nói/âm
thanh truyền tải qua mạng IP theo thời gian thực đều tập trung vào giải quyết theo
hai hướng: Thứ nhất là trên cơ sở dành sẵn tài nguyên mạng [34]. Hướng này phụ
thuộc vào quy hoạch mạng của nhà cung cấp dịch vụ Internet và khó kiểm soát.
Thứ hai là hướng xử lý tối ưu lịch trình tái tạo tín hiệu t
ại bộ đệm tái tạo như đã đề
cập ở trên. Hướng này có ưu điểm là được thực hiện tại đầu thu nên không phụ
thuộc vào hạ tầng mạng và có thể xử lý thích ứng với các tham số mạng IP. Tuy


nhiên, chất lượng dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP phụ thuộc chặt
chẽ vào các thông số nguồn và các tham số mạng. Các thông số nguồn được thiết
lập cố định không có khả năng thích ứng với tình trạng mạng thay đổi ngẫu nhiên
theo thời gian. Do đó, vấn đề đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu sử dụng
phương thức điều ch
ỉnh thông số nguồn theo thời gian thực cần được quan tâm
nghiên cứu và kiểm nghiệm qua thực tế.
Từ tháng 8/2005, đài tiếng nói Việt Nam bắt đầu hỗ trợ khả năng nghe đài phát
thanh qua mạng Ineternet. Người dùng Internet sử dụng phần mềm real player để
nghe đài tiếng nói việt nam qua mạng Internet. Vấn đề đặt ra với phương thức phát
thanh qua mạng Internet hiện tại là chưa có cơ chế đảm bảo ch
ất lượng dịch vụ,
thực hiện theo phương thức truyền thông đơn hướng dẫn đến các hạn chế về chất
lượng khi số lượng người dùng tăng cao, cũng như khó khăn trong trường hợp mở
rộng dịch vụ. Vấn đề làm chủ công nghệ để có thể tùy biến thành ứng dụng đặc thù
cũng cần được quan tâm nghiên cứu. Với Việt Nam, vấn đề
đảm bảo chất lượng

thời gian thực qua mạng IP là hướng nghiên cứu mới, hiện nay chưa có tài liệu liên
quan cũng như chuẩn đánh giá chất lượng truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng
IP được công bố chính thức. Đây cũng là hướng nghiên cứu mang tính chất cơ bản
trong việc phát triển ứng dụng trong xu hướng phát triển của công nghệ thông tin
đối với lĩnh vực phát thanh - truyền hình của Việt Nam.
4. Hướng tiếp cận
Đề tài được tiếp cận theo hướng nghiên cứu các tham số mạng và kỹ thuật đảm bảo
chất lượng tín hiệu phát thanh tại đầu thu. Luận án tập trung nghiên cứu khái niệm
cơ bản, cấu trúc của hệ thống RoIP, các tham số chất lượng mạng và phương pháp
đo đạc chất lượng. Trên cơ sở đó đề xuất mô hình mới nhằm đánh giá chất lượng
tín hiệu tại đầu thu. K
ết hợp việc nghiên cứu đề xuất mô hình hệ thống theo cấu
trúc giao thức và mô hình chức năng lý thuyết với việc xây dựng chương trình
truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP trên nền hệ điều hành mã
nguồn mở Linux và tiến hành thực nghiệm qua môi trường Internet.
Thông qua mô hình toán học, đặc tính trễ và tổn thất gói tin truyền tải qua mạng
Internet được mô hình hóa và ứng dụng trong việc xây dựng công cụ phỏng t
ạo
tham số mạng. Bên cạnh đó, các tham số mạng và nguồn lưu lượng thực tế được sử


dụng nhằm kiểm chứng phương pháp đảm bảo chất lượng truyền tải tín hiệu phát
thanh thời gian thực qua hệ thống RoIP đề xuất.
5 Kết cấu của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, 03 chương và kết luận.
Chương 1: Thảo luận những vấn đề cơ bản của truyền thông đa hướng qua mạng IP
và môi trường truy nhập vô tuyến WLAN theo chuẩn IEEE 802.11. Đề xuất mô
hình hệ thống truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực qua mạng IP trên phương
diện mô hình lý thuyết, cấu trúc giao thức và mô hình triển khai thực nghiệm.
Chương 2: Xem xét chất lượng dịch vụ

truyền tải tín hiệu phát thanh thời gian thực
qua mạng IP theo thông số nguồn và thông số mạng ảnh hưởng đến chất lượng tín
hiệu phát thanh tại đầu thu. Luận án đề xuất mô hình và xây dựng công cụ phỏng
tạo tham số QoS của mạng IP. Mođun phỏng tạo được tích hợp trong thành phần
cổng chuyển đổi giao thức iVoVGateway của hệ thống RoIP nhằm phỏng tạo ảnh
hưởng của môi trườ
ng truyền tải tới tín hiệu tại đầu thu.
Chương 3: Nghiên cứu vấn đề đảm bảo chất lượng tín hiệu tại đầu thu theo hai
khía cạnh: thứ nhất, các cơ chế tái tạo tín hiệu thu nhận tại đầu cuối thông qua bộ
đệm tái tạo được nghiên cứu và tích hợp vào hệ thống RoIP. Thứ hai, thông qua mô
hình đánh giá chất lượng tín hiệu tại đầu thu sử dụng tỷ số năng lượ
ng tín hiệu trên
tạp âm phân đoạn, luận án đề xuất và thực hiện phương pháp đảm bảo chất lượng
dịch vụ truyền tải tín hiệu phát thanh qua mạng IP sử dụng cơ chế thích ứng tham
số nguồn với tình trạng mạng theo thời gian thực đã đề xuất.
Cuối cùng là kết luận, hướng nghiên cứu tiếp theo và các phụ lục của luận án.



CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG ĐA HƯỚNG
VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG RoIP
1.1 Các phương thức truyền thông qua Internet
Trong một thời gian ngắn, các dịch vụ truyền tải thời gian thực qua Internet đã phát
triển nhanh chóng nhằm đáp ứng các nhu cầu trao đổi thông tin từ phạm vi hẹp như
giữa các văn phòng đến phạm vi rộng như phục vụ các cuộc hội nghị thời gian thực
đa điểm. Một đặc điểm nổi bật trong xu hướng phát triển các dịch vụ thời gian thực
là mở
rộng truy nhập vô tuyến tới người dùng và hợp nhất mạng viễn thông sử
dụng các công nghệ khác nhau như thể hiện trên hình 1.1.

Hình 1. 1: Mô hình mạng tích hợp phân cấp hỗn hợp trên nền IP
Về tổng quát, truyền thông qua Internet được chia thành 3 phương thức sau [51]:
- Phương thức truyền thông đơn hướng (unicast) thể hiện trên hình 1.2: Các gói tin
được truyền tải từ một nguồn gửi đến một đích thu xác định (điểm-đến-điểm). Đây
là mô hình truyền thông đơn giản đơn nhưng khó đảm bảo chất lượng dịch vụ khi
số người dùng tăng lên. Khi số lượng người dùng lớn, số
lượng kết nối đơn hướng
cũng tăng lên tương ứng gây kéo theo tải lưu lượng mạng tăng do yêu cầu băng
thông đường truyền tăng với cùng một nội dung thông tin trên cùng tuyến liên kết


dẫn đến tình trạng tắc nghẽn mạng. Bên cạnh đó, tải xử lý của máy chủ cũng tăng
lên do phải xử lý nhiều yêu cầu kết nối và có thể dẫn đến quá tải máy chủ.

Hình 1. 2: Mô hình truyền tin đơn hướng
- Phương thức truyền thông quảng bá (broadcast) thể hiện trên hình 1.3: Các gói tin
được truyền tải từ một nguồn gửi đến tất cả các máy trạm trong mạng (điểm-đến-
tất cả). Các gói tin quảng bá được xử lý bởi tất cả các máy trạm trong mạng, thậm
chí cả trong trường hợp máy trạm không quan tâm đến dữ liệu đó. Điều này dẫn
đến tải lưu lượng vô ích với một s
ố máy trạm và khó khăn trong vấn đề bảo mật
thông tin. Phương thức này giới hạn phạm vi hoạt động trong mạng LAN.

Hình 1. 3: Mô hình truyền tin quảng bá.
- Phương thức truyền thông đa hướng (multicast) thể hiện trên hình 1.4: Các gói tin
được truyền tải từ một nguồn gửi đến một nhóm các máy trạm xác định (điểm-đến-
nhóm). Phương thức này phụ thuộc vào hạ tầng mạng chuyển tiếp gói tin. Đây là
mô hình truyền thông tận dụng được các ưu điểm và hạn chế các nhược điểm của
unicast và broadcast. Đối lập với truyền thông đơ

n hướng, phương thức này giúp
giảm lưu lượng mạng và tải xử lý của nguồn phát. Và khác với truyền thông quảng