Nghiên cứu truyền hình video h 264 trên đường truyền vệ tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------------------TRẦN THỊ HẠNH
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU TRUYỀN HÌNH VIDEO H.264 TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN
VỆ TINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
NGUYỄN CHẤN HÙNG

HÀ NỘI – 2009


i

Lời nói đầu
Kể từ khi vệ tinh nhân tạo đầu tiên đợc phóng đến nay, kỹ thuật
thông tin vệ tinh đã đi vào mọi lĩnh vực đời sống của xã hội nh lĩnh vực
thăm dò vũ trụ, thông tin khí tợng,.. Những ngời sử dụng công nghệ
thông tin bằng vệ tinh mới nhận thấy một sự thuận tiện lớn ở những vùng
mà các hệ thống thông tin truyền thống không có hoặc không hoàn thiện.
Một sự thực là cuộc cách mạng thông tin vệ tinh có thể phát triển tại bất cứ
quốc gia nào và tại bất cứ một trình độ kinh tế nào. Điều gây ngạc nhiên là
các vệ tinh công nghệ mới, hiệu quả cao đang bắt đầu thách thức cả mạng
cáp quang thậm chí cả trong môi trờng đô thị. Điều này đã đợc chứng
minh qua vệ tinh Vinasat 1 của Công ty viễn thông quốc tế (VTI).
Một trong số những dịch vụ mà VTI cung cấp cho khách hàng qua vệ
tinh Vinasat-1 thì truyền hình là một trong những dịch vụ quan trọng bởi

nhu cầu đợc trao đổi thông tin, nội dung ngày càng đa dạng phong phú,.
..Không chỉ giới hạn ở các dữ liệu text đơn thuần mà đã chuyển sang cả dữ
liệu multimedia. Mặt khác nhu cầu chia sẻ dữ liệu thời gian thực cho các
ứng dụng truyền hình, các ứng dụng hiện trờng nh camera theo dõi từ
xa,..Để làm đợc những điều đó cần một chuẩn nén hình ảnh tiên tiến và
hiệu quả nhất. Chỉ có thể là H.264, là chuẩn nén mới đợc công bố chính
thức vào năm 2003, hiện là chuẩn hỗ trợ công nghệ nén tiên tiến và hiệu
quả nhất hiện nay. H.264( còn đợc gọi là chuẩn MPEG-4 Part 10/AVC for
Advanced video Coding hay MPEG-4AVC) nó kế thừa những u điểm nổi
trội của những chuẩn nén trớc đây. đồng thời sử dụng những thuật toán
nén và phơng thức truyền hình ảnh mới phức tạp, phơng pháp nén và
truyền hình ảnh mà chuẩn H.264 sử dụng đã làm giảm đáng kể dữ liệu và
băng thông truyền đi của video. Việc giảm đợc băng thông của chuẩn nén
H.264 đã thúc đẩy cho dòng camera độ nét cao có cơ hội phát triển mạnh
mẽ . Với những hệ thống giám sát quan trọng cần hình ảnh rõ nét thì lựa


ii

chọn các camera độ nét cao và đầu ghi hỗ trợ chuẩn nén H.264 là hoàn toàn
hợp lý.
Do thời gian có hạn, tôi xin trình bày một cách tổng quan về thông
tin vệ tinh, các kỹ thuật mã hoá, giải mã của H.264 và kiến trúc ứng dụng
triển khai chuẩn nén này vào điều kiện Việt Nam ( cụ thể trong Công ty
VTI).
Tôi xin đợc gứi lời cảm ơn chân trọng đến TS Nguyễn Chấn Hùng,
khoa Điện Tử Viễn Thông Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội , đã tạo điều
kiện và giúp đỡ tôi trong thời gian học tập và hoàn thành quyển luận văn
này.

Ngời thực hiện
Trần Thị Hạnh


iii

Mục lục
Lời nói đầu-------------------------------------------------------------- i
Danh mục thuật ngữ viết tắt---------------------------------------------- vi
Chơng I : Tổng quan về thông tin vệ tinh và
công nghệ VSAT-----------------------------------------------------1
1.1. Giới thiệu chung về thông tin vệ tinh.----------------------------1
1.2. Cấu trúc của tuyến liên lạc trong hệ thống thông tin vệ tinh --1
1.2.1. Các thiết bị tham gia trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh ---1
1.2.2. Tuyến liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh: ------------------2
1.3. Các vấn đề trong truyền sóng thông tin vệ tinh.----------------3
1.3.1 Tần số công tác của thông tin vệ tinh ---------------------------3
1.3.2. Phân cực sóng:------------------------------------------------------3
1.4. Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh (Multi Access) ----------4
1.4.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency
Division Multiple Access)-----------------------------------------5
1.4.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA- Time
Division Multiple Access )----------------------------------------7
Chơng II Nghiên cứu truyền IP qua vệ tinh
địa tĩnh ------------------------------------------------------------------9
2.1.
2.1.1
2.1.2.
2.1.3.
2.2.

2.3.

Giới thiệu------------------------------------------------------------9
Phát quảng bá ---------------------------------------------------- 10
Chất lợng dịch vụ ----------------------------------------------- 10
Thiết lập nhanh chóng------------------------------------------- 10
Kết nối TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh---------------------------- 11
Yu t ng truyn v tinh nh hng n TCP/IP -------- 12


iv

2.3.1.
2.3.2.
2.4
2.4.1
2.4.2.
2.4.3.
2.4.4.
2.5.
2.6.
2.6.1.
2.6.2.
2.6.3.
2.6.4.
2.6.5.

Lỗi bit đờng truyền --------------------------------------------- 12
Tác động của trễ đờng truyền. -------------------------------- 13
Các giải pháp cải tiến đảm bảo truyền IP qua vệ tinh ------- 17

Truyền không đối xứng và theo một hớng ------------------- 19
M rng TCP ----------------------------------------------------- 22
Kt ni TCP------------------------------------------------------- 24
Giao thức ứng dụng ---------------------------------------------- 28
Kt lun ----------------------------------------------------------- 28
Giới thiệu qua về h264 ------------------------------------------ 29
Giới thiệu chung ------------------------------------------------- 29
Tính k tha ca chun nén H.264 ---------------------------- 31
C ch nén nh ca H.264 (MPEG-4 AVC) ------------------ 32
Các u điểm nổi bật của chuẩn nén H.264 ------------------- 35
Kt lun ----------------------------------------------------------- 40

Chơng iii: Giao thức truyền tải cho H264 ------ 42
3.1.
3.1.1.
3.1.2.
3.1.3.
3.1.4.
3.1.5.
3.1.6.
3.1.7.
3.1.8.
3.2.
3.2.1.
3.2.2.
3.3
3.3.1
3.3.2

Khái quát về sơ đồ mã hoá theo chuẩn H.264 ---------------- 42

Một số thuật ngữ ------------------------------------------------- 42
Khái quát về sơ đồ mã hoá theo chuẩn H.264 --------------- 44
Profile v level --------------------------------------------------- 46
Định dạng video -------------------------------------------------- 47
Địnhdạng dữ liệu đợc mã hóa--------------------------------- 48
Các loại ảnh tham chiếu ---------------------------------------- 48
Slice ---------------------------------------------------------------- 50
Khi macro ------------------------------------------------------- 51
Giao thức truyền tải cho H.264--------------------------------- 52
Giao thc truyn d liu RTP ---------------------------------- 52
Các chế độ đóng gói bản in (Packetization Modes) --------- 59
Giao thức điều khiển RTCP------------------------------------- 60
RTCP Sender------------------------------------------------------ 63
RTCP Receiver Report------------------------------------------- 64


v

Chơng IV: Truyền video H264 qua đờng
truyền vệ tinh ---------------------------------------------------- 65
Đặc trng của đờng qua vệ tinh ----------------------------- 65
Băng tần và băng thông ----------------------------------------- 65
Jitter --------------------------------------------------------------- 68
Lỗi bit đờng truyền --------------------------------------------- 70
Phụ thuộc thời tiết ----------------------------------------------- 71
Một số kỹ thuật mã hoá và nén video ------------------------- 72
Kỹ thuật mã hoá video------------------------------------------- 73
Các nh v bù chuyn động dùng trong H264/MPEG
Part 10 ------------------------------------------------------------ 75
4.2.3. Xác định Vector chuyển động (Motion Estimation)---------- 87

4.2.4. Nén video --------------------------------------------------------- 89
4.2.5. Bộ lọc tách khối -------------------------------------------------- 95
4.3
Kỹ thuật giải mã video ------------------------------------------ 97
4.4
Kết luận ----------------------------------------------------------100
4.1.
4.1.1
4.1.2.
4.1.3
4.1.4
4.2
4.2.1.
4.2.2.

Chơng V - Kết luận ------------------------------------------101
TI LIU THAM KHO--------------------------------------------121
Tóm tắt luận văn ----------------------------------------------123


vi

Danh môc thuËt ng÷ viÕt t¾t
Thuật ngữ

Tiếng anh

ACK

Acknowledgment number

ARTS

Advanced Realtime simple profile

AVC

Advanced Video Coding

B-VOP

Bidirectionally predicted Inter-coded

CAE

Contextbased binary Arithmetic Encoding

DCT

Discrete Cosine Transform

DRC

Dynamic Resolution Conversion

ES

Earth Station

GMC

Global motion compensation

GMC

Global motion vector

GOB

Group of blocks

I-VOP

Intra-coded Video Object Plane

JPEG

Joint Photographic Experts Group

MB

Macro block

MPEG

Moving Picture Experts Group

MV

Motion Vector

NAL

Network Abstraction Layer


vii

P-VOP

Predicted Inter-Coded Video Object Plane

QP

Quantization parameter

RTCP

Real-time transport control protocol

RTT

Real – time Transport Protocol

RVLC

Reversible Variable Length Codes

TDM

Time Division Multiple

VCL

Video Coding Layer

VLBV

Very low bit rate video core

VLC

Variable length codes

VO

Video Object

VOL

Video Object Layer

VOP

Video Object Plane

VP

Video Packet

1

Chơng I : Tổng quan về thông tin vệ tinh và

công nghệ VSAT
1.1. Giới thiệu chung về thông tin vệ tinh.


Vùng phủ sóng lớn: Từ quĩ đạo địa tĩnh cách trái đất khoảng 37000km vệ
tinh có thể nhìn thấy 1/3 trái đất, nh vậy chỉ cần 3 vệ tinh trên quĩ đạo là có thể
phủ sóng toàn cầu.



Dung lợng thông tin lớn: Với băng tần công tác rộng và sử dụng kỹ thuật
tái sử dụng băng tần, hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt đợc dung lợng
thông tin rất cao.



Độ tin cậy cao: Do tuyến thông tin vệ tinh chỉ có 3 trạm (2 trạm mặt đất
đầu cuối thông tin và trạm lặp vệ tinh) nên xác suất h hỏng trên tuyến rất nhỏ.



Tính linh hoạt cao.

Đa dạng về loại hình dịch vụ.

1.2. Cấu trúc của tuyến liên lạc trong hệ thống thông tin vệ tinh.
1.2.1. Các thiết bị tham gia trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh:
Không giống nh trong các hệ thống thông tin khác là thông tin giữa các phần
tử trên mặt đất, mà tuyến thông tin trong thông tin vệ tinh là tuyến liên lạc giữa
một phần tử trên mặt đất và một phần tử trong không gian vũ trụ là vệ tinh nên
trong tuyến liên lạc thông tin vệ tinh bao gồm hai phần là phần không gian và
phần mặt đất. Các phần không gian và mặt đất đợc xem xét kỹ thuật dới đây:


Phần không gian bao gồm vệ tinh, các thiết bị trên vệ tinh, thiết bị điều
khiển đo xa, các thiết bị cung cấp nguồn.



Phần mặt đất còn gọi là các trạm mặt đất bao gồm anten thu phát và các
thiết bị điều khiển bám vệ tinh, ống dẫn sóng các bộ chia cao tần và ghép công


2
suất, máy thu tạp âm thấp và các bộ giải điều chế, các bộ đổi tần lên xuống, các
bộ khuyếch đại công suất lớn và các bộ điều chế.
1.2.2. Tuyến liên lạc qua hệ thống thông tin vệ tinh:


Tại trạm phát: Các tín hiệu có băng tần cơ bản (tín hiệu thoại, video,
telex) đợc điều chế thành trung tần, sau đó đợc đổi lên cao tần nhờ bộ đổi tần
tuyến lên UC (Up Converter) rồi đợc khuyếch đại lên mức công suất cao nhờ
bộ khuyếch đại công suất lớn HPA (High Power Amplifier) và đợc phát lên vệ

tinh qua anten phát.



Tại trạm thu: Tín hiệu cao tần phát từ vệ tinh đợc thu bởi anten thu qua
bộ khuyếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier) và đợc đổi xuống
trung tần nhờ bộ đổi tần xuống DC (Down Converter), sau đó qua bộ giải điều
chế để khôi phục lại băng tần cơ bản giống bên phát.

MOD

U/C

HPA

LNA

D/C

Hình 1.1 Đờng liên lạc thông tin vệ tinh.

DEM


3
1.3. Các vấn đề trong truyền sóng thông tin vệ tinh.
1.3.1 Tần số công tác của thông tin vệ tinh
Sóng điện từ có dải rộng đợc dùng trong thông tin vệ tinh tuỳ vào sự
khác nhau về mục đích sử dụng. Sóng có tần số cao dễ bị hấp thụ và tiêu hao
trong tầng khí quyển, trong sơng mù và đặc biệt là ma. Sóng tần thấp lại bị

yếu đi nhiều khi đi qua nhiều tầng điện ly do bị hấp thụ thay bị phản xạ. Uỷ ban
t vấn quốc tế về vô tuyến CCIR khuyến nghị dải tần làm việc trong thông tin vệ
tinh là 1Ghz - 10Ghz, đó là dải tần thực tế nhất trong thông tin vệ tinh và nó
đợc gọi là cửa sổ vô tuyến.
Các băng tần đợc sử dụng: Hiện nay thông tin vệ tinh sử dụng chủ hai
băng tần C và Ku với tần số cho tuyến lên và tuyến xuống là 4/6 cho băng tần C
và 11/14 cho băng tần Ku, ngoài ra hiện nay băng tần 30/20 cũng mới đợc đa
vào sử dụng (tần số tính bằng đơn vị GHz).
Các băng tần sử dụng cho thông tin vệ tinh

Băng tần

Tên thông dụng

6/4Ghz

Băng C

14/12GHz

Băng Ku

30/20GHz

Băng Ka

Đặc tính và ứng dụng
Phù hợp nhất cho thông tin vệ tinh
Dùng cho thông tin quốc tế và nội địa
Bị suy hao do ma

Sử dụng cho thông tin quốc tế và nội địa
Bị suy hao nhiều do ma
Sử dụng cho thông tin nội địa

1.3.2. Phân cực sóng:
a.

Phân cực sóng là gì:
Trờng điện từ của một sóng vô tuyến điện khi đi trong một môi trờng
(nh là khí quyển) dao động theo một hớng nhất định. Phân cực là hớng dao
động của điện trờng.


4
Có hai loại phân cực sóng vô tuyến điện đợc sử dụng trong thông tin vệ
tinh: sóng phân cực thẳng và sóng phân cực tròn.
b. Sóng phân cực thẳng:
Một sóng phân cực thẳng có thể tạo ra bằng cách dẫn các tín hiệu từ một
ống dẫn sóng chữ nhật đến anten loa. Nhờ đó, sóng đợc bức xạ theo kiểu phân
cực thẳng đứng song song với cạnh đứng của anten loa. Để thu đợc sóng này
anten thu cũng cần đợc bố trí giống t thế của anten phía phát.
Khi đặt nó vuông góc, thì không thể thu đợc sóng này ngay cả khi sóng
đi vào ống dẫn sóng vì nó không đợc nối với đờng cáp đồng trục. Mặc dù
sóng phân cực thẳng thì dễ dàng tạo ra, nhng cần phải điều chỉnh hớng của
ống dẫn sóng anten thu sao cho song song với mặt phẳng phân cực của sóng
đến.
c. Sóng phân cực tròn:
Sóng phân cực tròn là sóng khi truyền lan phân cực của nó quay tròn. Có
thể tạo ra loại sóng này bằng cách kết hợp hai sóng phân cực thẳng có phân cực
vuông góc với nhau và góc lệch pha là 900. Sóng phân cực tròn là sóng phân cực

phải hay trái phụ thuộc vào sự khác pha giữa các sóng phân cực thẳng và sớm
pha hay chậm pha.
Phân cực quay theo chiều kim đồng hồ hay ngợc chiều kim đồng hồ với
tần số bằng tần số sóng mang. Đối với sóng phân cực tròn mặc dầu không cần
điều chỉnh hớng của loa thu, nhng mạch fiđơ của anten lại trở nên phức tạp
hơn đôi chút.

1.4. Đa truy nhập trong thông tin vệ tinh (Multi Access)
Trong một hệ thống thông tin vệ tinh, các trạm mặt đất liên lạc với nhau
thông qua vệ tinh. Vì vậy trong thông tin vệ tinh việc sử dụng các phơng thức
truy nhập tới và từ vệ tinh đợc nghiên cứu một cách hết sức kỹ để có thể chọn
lựa sử dụng phơng pháp có hiệu quả nhất. Băng tần của một vệ tinh thông
thờng đợc chia thành những băng tần nhỏ, đợc khuyếch đại một cách riêng


5
rẽ dùng trong mỗi bộ phát đáp (Transponder). Việc truy nhập cho mỗi
Transponder có thể đợc giới hạn với một trạm mặt đất tại một điểm, hoặc cũng
có thể thực hiện đồng thời nhiều sóng mang một lúc. Trong một vệ tinh thì có
thể bao gồm cả hai phơng pháp truy nhập nói trên. Một số Transponder chỉ làm
việc với một sóng mang đơn, trong khi đó cũng có những Transponder làm việc
với nhiều sóng mang đơn và còn có những Transponder lại xử lý một luồng
thông tin nhiều sóng mang. Đó chính là các phơng pháp truy nhập tới các bộ
Transponder của vệ tinh.
Dới đây trình bày một cách tổng quát một số kỹ thuật đa truy nhập
thờng đợc sử dụng nhất đó là kỹ thuật FDMAvà TDMA
1.4.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Feqency Division Multiple
Access)
FDMA là một phơng thức đa truy nhập dùng trong thông tin vệ tinh,
đợc sử dụng khi có nhiều trạm mặt đất cùng làm việc trong một hệ thống thông

tin vệ tinh, dựa vào nguyên tắc phân chia theo tần số. Đó là trong hệ thống
thông tin vệ tinh dùng FDMA thì mỗi trạm mặt đất khi phát tín hiệu sẽ làm việc
với một phần bộ phát đáp đã đợc dành trớc cho nó.
Mỗi trạm mặt đất thu gom toàn bộ lu lợng thông tin của trạm đó lên
một sóng mang đơn bằng cách ghép băng tần cơ bản FDM hoặc TDM mà không
cần biết địa chỉ của các thông tin đó. Sóng mang FM này mang các tín hiệu có
địa chỉ khác nhau đợc khuyếch đại lên nhờ khuyếch đại công suất của trạm
mặt đất và đa tới anten phát lên vệ tinh. Anten thu của vệ tinh thu nhân sóng
mang này đồng thời với các sóng mang khác mà các sóng mang này phân biệt
với nhau nhờ tần số của chúng. Toàn bộ băng tần thu đợc sẽ đợc đa qua các
bộ lọc rồi sau đó đợc khuyến đại bằng các bộ lọc rồi sau đó đợc khuyếch đại
bằng đại bằng các bộ khuyếch đại sau các bộ lọc tơng ứng.
Một kiểu FDMA thờng đợc sử dụng là SCPC (mỗi kênh đơn trên một
sóng mang Single Channel Per Carrier). Trong phơng thức này thì một tín


6
hiệu hoặc là thoại hoặc là dữ liệu đợc điều tần hoặc điều pha PSK đợc phát đi
và truy nhập tới vệ tinh theo phơng thức FDMA.
Kiểu đa truy nhập phân chia theo tần số PCM/PSK/FDMA dựa theo
nguyên tắc các kênh thoại đợc đa đến trạm mặt đất dới dạng các luồng
PCM, sau khi thực hiện biến đổi A/D các luồng số có tốc độ 16-64Kbs đợc sử
dụng trên một chiều truyền dẫn của kênh thoại. Sau đó chúng đợc ghép kênh
và điều chế sóng mang theo kiểu PSK rồi phát đi, vệ tinh tiếp nhận chúng trên
cơ sở FDMA. Nếu lu lợng truyền dẫn ở một trạm đã ở mức tới hạn sử dụng để
tăng dung lợng kênh thoại mà không cần phải tăng sóng mang trên vệ tinh.

A B C D E
liên tục

Trạm
A

Trạm
B

Trạm
C

Trạm
D

Trạm
E

F

Trạm
F

Hình1.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số
Khi hệ thống hoạt động trong chế độ thoại sử dụng phơng thức SCPC,
thời gian trung bình mà mỗi kênh đợc sử dụng trong chế độ đàm thoại chỉ
chiếm 40% toàn bộ thời gian hoạt động của kênh cho cuộc liên lạc đó. Chế độ
thoại không làm giảm độ rộng trung bình của băng tần sử dụng của bộ phát đáp


7
trên vệ tinh, nhng tại bất kỳ thời điểm nào cũng chỉ hoạt động với 40% dung
lợng của sóng mang thoại vì vậy yêu cầu về công suất không đáng kể và méo

do điều chế tơng hỗ giảm đi.
1.4.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA- Time DMA)
TDMA là một phơng thức truy nhập trong thông tin vệ tinh dựa vào sự
phân chia thời gian sử dụng các bộ phát đáp trong vệ tinh giữa các trạm mặt đất,
các trạm mặt đất này có thể sử dụng trung một tần số sóng mang.
Phơng pháp đa truy nhập TDMA nh đã nói ở trên, dựa trên việc phân
chia thời gian sử dụng bộ phát đáp thành các khoảng thời gian nhỏ, giữa các
khoảng thời gian này có các khoảng thời gian trống gọi là khoảng bảo vệ. Điều
này hoàn toàn tơng tự nh trong kỹ thuật FDMA chia toàn bộ băng tần thành
các băng tần con và giữa chúng cũng có các khoảng giãn băng.
Khác với kỹ thuật FDMA, trong kỹ thuật TDMA, mỗi bộ phát đáp chỉ
làm việc với sóng mang tại một thời điểm dựa trên cơ sở việc truy nhập đợc
thực hiện đối với nhiều ngời sử dụng. Trong kỹ thuật này, trạm mặt đất đợc
thiết kế sử dụng một khe thời gian dành riêng cho nó để phát lu lợng thông tin
của mình dới dạng các bít số nằm trong một luồng bit số gọi là burst tín hiệu
Thời gian bắt đầu phát của burst tín hiệu đợc thiết lập khi trạm điều
khiển trung tâm thu đợc burst tín hiệu đồng bộ. Khoảng thời gian mà mỗi trạm
truy nhập với bộ phát đáp vệ tinh đợc phân chia bởi trạm điều khiển sao cho
phù hợp với nhu cầu về dung lợng trạm (trạm nào có dung lợng lớn sẽ đợc
chia khoảng thời gian dài hơn) và thay đổi nhanh chóng cho phù hợp với nhu
cầu đột xuất về dung lợng từng trạm.
Bất kỳ trạm nào cũng có thể truy nhập tới toàn bộ các trạm khác trong hệ
thống để nối thông liên lạc giữa chúng. Đối với kỹ thuật FDMA, sự thay đổi độ
rộng băng tần đã ấn định cho mỗi trạm là rất tốn kém so với kỹ thuật TDMA.
Sau khi một trạm đã gửi xong burst thông tin của mình thì sẽ có một khoảng
thời gian trống tạo ra trớc khi trạm tiếp theo gửi burst thông tin của mình.


8
Khoảng thời gian trống đợc thiết lập dựa trên khả năng nhận biết trớc các

thay đổi về trễ trong thiết bị, khả năng thu đồng bộ và sự biến đổi trong dải công
tác ra nhằm ngăn ngừa sự giao thoa giữa các burst tín hiệu cho việc truyền dẫn
đồng bộ.


9

Chơng II Nghiên cứu truyền IP qua vệ
tinh địa tĩnh
2.1. Giới thiệu
Định tuyến lu lợng Internet trên mạng mặt đất thờng bị hạn chế
băng thông , tắc nghẽn các tuyến ảo và các đờng trục Internet khi lu
lợng tăng đột ngột với hàng vạn máy tính đợc nối mạng mỗi ngày.Các
gói IP xếp hàng tại các tuyến nghẽn , các bộ định hớng thông minh phải
tìm các tuyến và đờng truyền Internet để cho các gói IP đi qua, sau đó
chúng đợc định tuyến theo kiểu xếp hàng chờ hoặc theo một cách nào đó
ví dụ kiểu dịch vụ ToS ( Type of Service ). Khi khoảng cách giữa nguồn dữ
liệu và đích đến tăng lên, nghĩa là gói dữ liệu IP phải truyền qua nhiều điểm
định tuyến, cuộc nối ảo và khả năng nghẽn mạch có cơ hội xảy ra.
Để loại bỏ hiện tợng đó ngời ta dùng đờng truyền vệ tinh đĩa tĩnh
với khoảng cách 36000km để cung cấp đờng truy cập trực tiếp, liên tục từ
vệ tinh tới một vùng rộng lớn trên bề mặt trái đất tuỳ theo loại chùm tia phủ
sóng.Chùm tia phủ sóng của vệ tinh truyền đa dữ liệu trên nền IP chỉ qua
một bớc nhảy ( tối thiểu hoá điểm định tuyến ) tới một hay nhiều vị trí
trong cùng vùng phủ của chùm vệ tinh.
Khi sử dụng mạng mặt đất không cho phép cung cấp cuộc nối IP từ
một điếm đến nhiều điểm. Muốn chuyển lu lợng từ một điểm đến nhiều
điểm trong các mạng mặt đất yêu cầu phải truyền đa cùng một lúc một
loại dữ liệu đến nhiều máy chủ dọc theo cây truyền dẫn và tái tạo lại khối
dữ liệu IP. Tóm lại, các bộ định tuyến phải liên tục kiểm tra từng máy chủ

thành phần trên mạng để không tái tạo lại các khối dữ liệu IP không cần
thiết và chuyển các khối dữ liệu IP cần thiết đến các máy chủ.
Chính điều này đã mang lại những u điểm cho đờng truyền vệ tinh:


10
2.1.1 Phát quảng bá
So với mạng mặt đất, dữ liệu truyền trên nền IP qua vệ tinh địa tĩnh
có thể phát quảng bá từ một điểm đến nhiều điểm( nằm trong một vùng phủ
sóngcủa chùm tia vệ tinh) chỉ với một bớc nhảy, đó là u điểm cơ bản của
hệ thốngthông tin vệ tínho với mạng mặt đất. Bằng việc truyền đa dữ liệu
trên nền IP từ một điểm đến nhiều điểm qua vệ tinh, không còn phải sử
dụng thuật toán định tuyến phức tạpvà việc điều khiển cấu trúc cây truyền
dẫn trở thành rất đơn giản.
2.1.2. Chất lợng dịch vụ
Các ứng dụng nh hội nghị truyền hình, luồng hình ảnh và âm
thanh,hoặc điện thoại trên nền IP (VoIP) vấp phải khó khăn về điều hành
khi truyền qua mạng Internet trên mặt đất. Các cuộc nối IP trên cự ly dài
làm cho các khối dữ liệu IP phải đi qua nhiều tuyến để đến địa chỉ nhận với
nhiều Jitter, giảm chất lợng hoặc thậm chí mất hẳn. Các tuyến phục vụ
nằm giữa nguồn dữ liệu và đích có thể giải quyết vấn đề thời gian của cuộc
nối nhng lại giảm băng thông chia sẻ giữa các ứng dụng. Một sự phát triển
kỹ thuật ứng dụng thực tế hơn đó là mạng điều hành cuối đến cuối truyền
đa IP bằng các đờng truyền vệ tinh địa tĩnh.
2.1.3. Thiết lập nhanh chóng
Các nhà cung cấp dịch vụ có thể nhanh chóng tổ chức các đờng truyền
vệ tinh so với việc dàn xếp để thuê kênh riêng đến một địa chỉ nhất định.
Việc lắp đặt thiêt bị đầu cuối và đa vào khai thác chỉ trong vòng vài giờ
đồng hồ, một trạm mặt đất thông tin vệ tinh cỡ trung bình chỉ cần vài ngày
lắp đặt là xong. Tất cả những điều đó làm cho các vệ tinh trở thànhgiảI pháp

lý tởng để thiết lập liên lạc đến những nơi xa xôi hay những lúc thiên tai
hay thảm hoạ xảy ra


11
2.2. Kết nối TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh
Mô hình đờng truyền TCP/IP qua vệ tinh đợc mô tả trên Hình 2.1 .
Kết nối đợc tính từ: các đoạn truyền dẫn trên mặt đất T từ ngời gửi TCP
qua Gateway/Router đến đoạn truyền dẫn qua vệ tinh S từ SES-1 tới SES-2,
rồi tới ngời nhận TCP.
Các gói IP xảy ra trễ do xếp hàng tại các nút, cơ chế báo nhận ACK
và do cơ chế truyền lại các khối dữ liệu bị mất. TCP/IP không có cơ chế đặc
biệt nào để phát hiện lỗi bit sinh ra trên đờng truyền, cũng không phân biệt
đợc sự mất gói do lỗi bit hay do nghẽn mạch, mà đều xử lý chung là mất
gói do nghẽn.

Hình 2.1 Đờng kết nối TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh
Trong khi ó, ng truyn qua v tinh a tnh b suy gim cht
lng do nh hng ca

xuyên nhiu, fading, suy hao ma, tp âm


12
ln...m c bit có 2 yu t nh hng ti k thut truyn dn tín hiu
chuyn tip qua v tinh a tnh:


c tính tr ln do khong cách truyn dn.

Kh nng chu mt t l li bit cao do các yu t bt thng

trong không gian truyn sóng tác ng gây ra.
Bên cạnh đó, ng truyn qua v tinh a tnh cho phép truyn vi
mt tc bit cao.

2.3. Yu t ng truyn v tinh nh hng n TCP/IP
2.3.1. Lỗi bit đờng truyền
TCP không có mt c ch c bit no nhn bit v x lý riêng
những d liu b mt do li bit, trong khi ó trên ng truyn v tinh kh
nng li bit khá ln.
Trong k thut thông tin s, cht lng tín hiu ti im thu c
c trng bi t s gia Nng lng 1 bit thu trên mt ph tp âm Eb/N0.
bit thu c coi l không b li thì t s ny phi t c mc cn
thit nht nh, tu thuc vo k thut iu ch (PSK, QPSK...) v k thut
mã hoá/gii mã hoá (mã xon, mã khi, gii mã viterbi, gii mã dây) c
s dng.
Suy hao ng truyn v tp âm l 2 yu t nh hng ti t s li
bit (BER) EB/N0. Vi vic suy gim tín hiu bt thng v rt ngn ó gây
nên li bớt truyn, dn ti kh nng mt gói d liu.
ng truyn v tinh có t s li bit cao hn ng truyn mt t
cho Internet. Thông thng BER ca ng truyn v tinh không có mã
hoá kim soát li vo khong 10-6, trong khi truyn TCP thnh công cn giá
tr BER l 10-8 hay thp hơn. Hin tng mt gói tin trong mng do 2


13
nguyên nhân: tc nghn hoc do li, tuy nhiên TCP coi rng nguyên nhân

gây nên mi trng hp mt gói tin u do tc nghn v do đó gim tc
phát tránh trng hp mng b tc nghn hon ton. Nh vy, nu
nguyên nhân ca s mt gói l do li thì vic gim tc phát ca TCP l
không cn thit vì khi ó mng vn có kh nng tip nhn các gói tin v
lãng phí rng bng tn ca kênh truyn. iều ny lm giảm thông lợng
hiệu dụng ca kt ni, đặc bit l trong nhng ng truyn có li ln nh
ng truyn v tinh.
Hu ht các giao thc mng c thit k cho môi trng các mng
mt t, ni m có th nói t l li bit l kha thp (thông thng nh hn
10-10). Trong môi trng thông tin v tinh, t l li bit có th cao hn nhiu,
thông thng l 10-2 n 10-6. iu ny có th dn ti 2 vn :


Gây ra li trong các datagram v do ó phi truyn li các
datagram.



TCP cho rng vic mt các datagram nh l du hiu ca s
tc nghn mng khin cho hiu nng ca ton b h thng gim.
Vi t s li bit ln hn 10-7, thông lng hiu dng các kt ni có

kích thc ca s thu gim rõ rt. Các kt ni ca s thu nh ít chu nh
hng ca li hn. iu ny c gii thích nh sau: Vi cùng mt xác
sut li bit, xác sut xy ra li bit cac kt ni kích thc ca s ln cao
hn so vi xác sut xy ra li bit các kt ni có kích thc ca s thu
nh.
2.3.2. Tác động của trễ đờng truyền.
a.Thi gian truyn ton trình (RTT Round Trip Time)
RTT- l khong thi gian tính t lúc phát mt segment TCP cho n

khi nhn c tín hiu xác nhn ACK, ó l thi gian khi d liu c gi


14
t Ngời gửi TCP, c nhn ti Ngời nhận TCP v ACK c gi
ngc li ti Ngời gửi TCP.
Trong iu kin không nghn, mng truyn dn mt t có tr
truyn dn tng cng RTTT c 0,1s; RTTS kí hiu l thi gian truyn sóng
trên on S thì thi gian truyn ton trình:
RTTmin = RTTT + 2 x RTTS

(3.1)

Thi gian truyn sóng (tr ng truyn):
= R/c (c = 3x108 m/s)

(3.2)

Trong mng thông tin v tinh a tnh, khong cách t trm mt t
trên ng xích o ti v tinh khong 36.000km, ngha l R~72.000km.
Khi truyn tín hiu t trm mt t phát ti trm mt t thu, t (3.2) có:
~ 72x106/3x108 = 240 ms
i vi các trm mt t biên vùng nhìn thy ca v tinh, R~ 2 x
41.756 km thì tr l ln nht: ~ 279.0 ms.
Ta s có: RTTS = 2 ~ 2x279ms = 558ms.
Trong thc t, phi tính c thi gian tr do các thit b chuyn mch
trên v tinh v trên mt t gây ra nên giá tr RTTS ~ 0,7s.
T (3.1), có: RTTmin ~ 0,1+ 0,7 = 0,8ms.
Do ó, lp TCP phi ch i ti thiu trong khong thi gian ny ri
mi có th phát on TCP tip theo nên thông lng truyn b gim. iu

ny cng tng ng vi vic gim tc truyn vỡ tng d liu ang
quỏ giang qua mng bng RTT*B (B l bng thông)
Lu lng cc i qua mng = 64 KB/RTT.
Thi gian tr ln ny có tác ng i vi tham s TTL ca Khi d
liu.
Tuy nhiên, tr ny xác định c v không thay i nên có th la
chn giỏ tr TTL thích ng vi nó. Trong trng hp có tr xp hng


15
trªn mạng mặt đất T th× tổng độ trễ trở thành kh¸ lớn và là một gi¸ trị ngẫu
nhiªn. RTTΣ càng gần tới gi¸ trị TTL càng khiến c¸c gãi trở nªn dễ bị mất
ngay cả khi nghẽn mạng chưa xảy ra hoặc bªn ph¸t cã thể ph¸t lại khối dữ
liệu khi mà thực tế nã đ· được phÝa thu nhận tốt nhưng ACK chưa về tới
Người gửi. Như vậy, hiện tượng nghẽn cã thể xảy ra sớm hơn. Ảnh hưởng
của thời gian trễ cã thể giảm được bằng c¸ch sử dụng c¸c kªnh kh«ng đối
xứng với đường vßng lại cho ACK trªn mạng mặt đất .
Trường hợp xảy ra mất gãi trªn đường truyền (do bất kỳ lý do nào),
TCP coi như mạng bị nghẽn và nã phản ứng lại bằng c¸ch sử dụng thuật
to¸n “Khởi đầu chậm” hoặc thuật to¸n tr¸nh nghẽn, đồng thời truyền lại
những gãi bị mất. Thời gian đ¸p ứng của những thuật to¸n này nhạy cảm
cao tới RTT và việc kh«i phục đầy đủ dữ liệu do mất gãi trªn một kết nối vệ
tinh cã thể mất tới hàng phót. Điều này càng giới hạn thªm kÝch thước cửa
sổ và lưu lượng đi qua.
b. Ảnh hưởng tới c¸c thuật to¸n điều khiển tắc nghẽn
Khi độ trễ lớn g©y ảnh hưởng đến c¸c thuật to¸n điều khiển tắc nghẽn
(đặc biệt là thuật to¸n khởi đầu chậm và thuật to¸n tr¸nh tắc nghẽn) và
giảm hiệu suất sử dụng băng tần của vệ tinh.
1. Thuật to¸n khởi đầu chậm
Cã vấn đề cần quan t©m khi truyền trong m«i trường cã độ trễ lớn như

th«ng tin vệ tinh:
Thứ nhất: Thuật to¸n dß t×m băng th«ng kiểu khởi đầu chậm cã thể mất rất
nhiều thời gian để đạt tốc độ cực đại. Cụ thể: c¸c mạng vệ tinh tốc độ lín
tới hàng Gbps với RTT khoảng 0,5 gi©y th× cần tới 29 lần RTT (nghĩa là
14,5 gi©y) th× mới khởi tạo thành c«ng. Như vậy, toàn bộ dải th«ng sẽ
kh«ng được tận dụng hết ngay và trong phần lớn thời gian băng th«ng của
mạng sẽ bị l·ng phÝ. Thậm chÝ trong rất nhiều trường hợp toàn bộ qui tr×nh


16
truyn d liu ó kt thúc m thut toán khi u chm vn cha chm dt.
Khi ó ngi s dng không có nhu cu s dng bng thông na v ton b
thi gian truyn s b tiêu tn bi thut toán khi u chm.
Th hai:S nhm ln gia tc nghn mng v li do ng truyn. TCP
không phân bit c hai li ny, m vic mt mát các datagram l du
hiu ca s nghn mng v do ó gim kích thc ca s phát khin cho
hiu nng ca ton mng gim xung.
2. Thut toán tránh tc nghn
TCP s dng thut toán tránh tc nghn tng t nh thut toán khi
u chm thm dò kh nng tng dung lng ca mng sau khi xy ra
mt gói tin. Phía phát TCP duy trì mt ca s tc nghn, c lng bng
thông thc t trên ng truyn v c lng ny bin i lên xung trong
thi gian duy trì kt ni. Nhìn chung, vic tc nghn c coi l xy ra khi
mt mt hoc vi datagram.
ý tng c bn ca thut toán c lng l: C mi mt chu k, phía
phát tng bng thông c lng lên mt n v bng kích thc ca
segment cc i. Khi phía thu phát hin ra mt segment b mt hoc khi
nhn c du hiu t mng cho bit trên mng ang xy ra hin tng tc
nghn, phía phát s gim bng thông c lng xung mt na. Khi ht
hin tng tc nghn, thut toán dò tìm s tng thêm mt segment ng vi

mt chu k tín hiu RTT.

c. ảnh hởng kích thớc cửa sổ
Trong nhng kt ni qua v tinh a tnh, RTT ln khin cho lu
lợng đi qua phụ thuộc vo kích thớc cửa sổ (RTT*B). Nếu phía TCP thu
sử dụng một từ 16 bit để thông báo cho TCP phát kích thớc cửa sổ thu nó
sử dụng, thì kích thớcc lớnn nhất của cửa sổ thu trong TCP tiêu chuẩn l
64KB, kênh vệ tinh đợc là quá ít rỗi .Để băng thông hiệu dụng đạt cực đại


17
trong mạng vệ tinh, TCP còn kích thớcc cửa sổ lớn hơn rất nhiều. Ví dụ,
trên đờng vệ tinh với RTT = 0,8s v băng thông = 1.54 Mbps, kích thớc
cửa sổ tối u theo lý thuyết l 154 KB. đây l RTT*B cho kênh vệ tinh hai
chiều, lớn hơn nhiều so với kích thớc cửa sổ cực đại 64KB trong TCP tiêu
chuẩn. Để có đợc cửa sổ lớn nh vậy đờng truyền vệ tinh địa tĩnh phải có
những cơ chế đặc biệt gọi là ng truyn v tinh a tnh phi có nhng
c ch c bit gi l c ch ca s ln (TCP-LW).

d. ảnh hỏng tới sự thích nghi băng thông.
TCP thích nghi với băng thông mạng bằng cách tăng kích thớc cửa
sổ để giảm nghẽn và giảm kích thứoc cửa sổ khi không nghẽn.Tốc độ thích
nghi tỷ lệ voi RTT. Trong mạng vệ tinh với độ trễ truyền dẫn lớn, sự thích
nghi băng thông diễn ra dài hơn và do đó tác động điều khiển nghẽn trong
TCP không đợc nh mong muốn.Hơn nữa, sẽ mất nhiều thời gian hơn ở
giai đoạn tăng tuyến tính để hồi phục lại kích thớc cửa sổ TCP khi mất
giải, đặc biệt là nếu sử dụng TCP-LW.

2.4 Các giải pháp cải tiến đảm bảo truyền IP qua vệ tinh
Truyền dữ liệu IP trên đờng truyền vệ tinh là vấn đề rất hấp dẫn

đựơc nhiều ngời quan tâm, với ứng dụng IP, các nhà cung cấp dịch vụ
Internet (ISP), các nhà khai thác vệ tinh các nhà quản lý công nghệ thông
tin , có thể đạt đợc lu thông IP rất cao trên sơ đồ Hình 2.2
Công nghệ IP là một nền tảng tích hợp cao, tổ hợp rât nhiều chức
năng trong một hộp nhỏ. Tất cả đợc tích hợp cao, tổ hợp rât nhiều choc
năng trong một hộp nhỏ, tất cả đợc tích hợp và kiểm tra trong nhà máy,
đợc thiết kế chế tạo hoàn hảo, linh hoạt, gồm nhiều chức năng gọi chúng
la Modem vệ tinh có chức năng định tuyến, phù hợp các yêu cầu điều hành
mạng.