Nghiên cứu cải tiến phương pháp quản lý hàng đợi cho truyền video trên mạng IP ( Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Cao Diệp Thắng

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ
HÀNG ĐỢI CHO TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG IP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

Hà Nội - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-------------

Cao Diệp Thắng

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI
CHO TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG IP

Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN
Mã số: 62480104
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS.TS. NGUYỄN THÚC HẢI
2. PGS.TS. NGUYỄN LINH GIANG

Hà Nội - 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, chưa từng được công
bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong
luận văn là trung thực. Mọi thông tin tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ. Tôi xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm về cam đoan này.
Nghiên cứu sinh

Cao Diệp Thắng

i


LỜI CẢM ƠN

Xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp nơi tôi
công tác, Viện Công Nghệ Thông Tin và truyền thông Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành bản luận án
này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Thúc Hải và PGS.TS
Nguyễn Linh Giang, những người Thầy đã tận tình giúp đỡ tôi rất nhiều trong
suốt quá trình nghiên cứu.
Tôi cũng xin được gửi lời tri ân tới quý thầy cô Bộ môn Truyền thông và
mạng máy tính Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông đã tận tình giảng
dạy, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và
nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những người thân và bạn bè đã luôn
bên cạnh, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề
tài.
Kính gửi đến Cha Mẹ tấm lòng biết ơn sâu nặng.
Vợ, các con và những người thân trong gia đình luôn luôn là nguồn động viên
to lớn cho tôi.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................................ x
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HIỆU NĂNG, CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRUYỀN
VIDEO TRÊN MẠNG MÁY TÍNH. .................................................................................... 7
1.1 Khái niệm hiệu năng và chất lượng dịch vụ mạng ..................................................... 7
1.2 QoS và vấn đề tắc nghẽn............................................................................................. 7
1.3 Video kỹ thuật số ........................................................................................................ 9
1.3.1 Chuẩn MPEG .................................................................................................... 10
1.3.2 Chuẩn H.26L ..................................................................................................... 12
1.3.3 Cấu trúc mã hóa video ....................................................................................... 13
1.4 Chất lượng dịch vụ truyền video trên mạng IP ......................................................... 15
1.4.1 Kỹ thuật truyền dòng video trên mạng IP ......................................................... 15
1.4.2 Các tham số QoS ............................................................................................... 16
1.4.3 Các đặc tính QoS: .............................................................................................. 16
1.4.4 QoS trong mạng IP: ........................................................................................... 18

1.4.5 Các độ đo QoS................................................................................................... 21
1.5 Đánh giá chất lượng video trên mạng IP .................................................................. 25
1.5.1 Đánh giá khách quan ......................................................................................... 25
1.5.2 Đánh giá chủ quan ............................................................................................. 27
1.5.3 Liên hệ giữa thang đo chủ quan và khách quan. ............................................... 27
1.6 Kết luận chương 1 ..................................................................................................... 28
Chương 2. CƠ CHẾ QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI TÍCH CỰC TRONG TRUYỀN PHÁT
VIDEO TRÊN MẠNG ........................................................................................................ 29
2.1 Mô hình quản lý hàng đợi ......................................................................................... 29
2.2 Kiến trúc phân lớp CQS trong Router ...................................................................... 30
2.2.1 Phân lớp (Classification). .................................................................................. 30
2.2.2 Quản lý hàng đợi ............................................................................................... 32
2.2.3 Lập lịch.............................................................................................................. 33
2.2.4 Các tham số cơ bản liên quan tới hàng đợi ....................................................... 33
2.2.5 Bắt giữ và đánh dấu gói tin ............................................................................... 35
iii


2.2.6 Giảm thời gian chiếm giữ hàng đợi ................................................................... 37
2.3 Cơ chế quản lý hàng đợi bị động .............................................................................. 38
2.4 Cơ chế quản lý hàng đợi tích cực.............................................................................. 39
2.4.1 Khái niệm .......................................................................................................... 40
2.4.2 Các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực................................................................ 40
2.4.3 Quản lý hàng đợi tích cực trong truyền phát video trên mạng .......................... 42
2.5 Kết luận chương 2 ..................................................................................................... 45
Chương 3. ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI RED ............... 46
3.1 Tổng quan về giải thuật quản lý hàng đợi RED........................................................ 46
3.1.1 Giải thuật RED .................................................................................................. 46
3.1.2 Một số cải tiến của RED ................................................................................... 51
3.2 Đề xuất giải thuật cải tiến ViRED. ........................................................................... 56

3.2.1 Ý tưởng giải thuật.............................................................................................. 56
3.2.2 Định nghĩa hàm tuyến tính u ............................................................................. 57
3.2.3 Cài đặt mô phỏng giải thuật .............................................................................. 57
3.2.4 Phân tích đánh giá giải thuật ViRED ................................................................ 58
3.3 Kết luận chương 3 ..................................................................................................... 64
Chương 4. ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT QUẢN LÝ HÀNG ĐỢI BLUE ............. 65
4.1 Tổng quan giải thuật quản lý hàng đợi BLUE .......................................................... 65
4.1.1. Giải thuật BLUE............................................................................................... 65
4.1.2. Giải thuật Stochastic Fair Blue (SFB) .............................................................. 67
4.2 Nghiên cứu đề xuất các giải thuật cải tiến BLUE mới trong truyền video ............... 69
4.3 Đề xuất cải tiến giải thuật tiền xử lý nhóm I............................................................. 70
4.3.1 Đề xuất giải thuật tiền xử lý EBLUE ................................................................ 70
4.3.2 Đề xuất giải thuật tiền xử lý BLUE-VPT .......................................................... 77
4.3.3 Đối sánh giải thuật cải tiến tiền xử lý nhóm I, EBLUE và BLUE-VPT ........... 83
4.4 Đề xuất cải tiến giải thuật hậu xử lý nhóm II. .......................................................... 90
4.4.1 Đề xuất giải thuật VBLUE ................................................................................ 90
4.4.2 Đề xuất giải thuật BLUE-U............................................................................... 96
4.4.3 Đối sánh hai giải thuật hậu xử lý VBLUE và BLUE-U .................................. 100
4.5 Phân tích đối sánh giải thuật cải tiến nhóm I và II, BLUE-VPT và BLUE-U ........ 105
4.5.1 Phân tích và đối sánh trên các tham số QoS mạng.......................................... 105
4.5.2 Phân tích đối sánh các tham số đánh giá chất lượng video ............................. 108
4.6 Kết luận chương 4 ................................................................................................... 115
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 116
iv


TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 118
PHỤ LỤC .............................................................................................................................. a

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt
ACK
AQM
ATM
CBQ
CE
CIF
CPU
CQS
CWND
DS
DSCP
DSP
ECN
ECT
EF
ETSI
EWMA
FACK
FIFO
FF
ZF
GoP
HTTP
HD
IEEE

IETF
ISP
IP
IPv6
IPTD
IPDV
IPER
IPLR
IPRR
ISN

Tiếng Anh
Acknowledgment
Active Queue Management
Asynchronous Transfer Mode
Class Based Queuing
Congestion Experienced
Common Intermediate Format
Central Processing Unit
Classification, Queuing, Schedulling
Congestion Window
Differentiated Services
Differentiated Services Code Point
Digital Signal Processor
Explicit Congestion Notification
ECN Capable Transport
Expedited Forwarding
European Telecommunications
Standards Institute
Exponentially Weighted Moving

Average
Forward Acknowledgment
First In First Out
Full-reference
Non-reference/Zero-reference
Group of Picture
HyperText Transfer Protocol
High Definition
Institute of Electrical and Electronics
Engineers
Internet Engineering Task Force
Internet Service Provider
Internet Protocol
Internet Protocol version6
Internet Protocol Packet Transfer Delay
Internet Protocol Packet Delay
Variation
Internet Protocol Packet Error Ratio
Internet Protocol Packet Loss Ratio
Internet Protocol Packet Reordering
Ratio
Initial Sequence Number

Nghĩa Tiếng Việt
Báo nhận
Quản lý hàng đợi tích cực
Chế độ truyền bất đối xứng
Phân lớp hàng đợi
Dấu hiệu tắc nghẽn
khuôn dạng trung gian chung

Bộ xử lí trung tâm
Phân loại, hàng đợi, lập lịch
Cửa sổ tắc nghẽn
Các dịch vụ phân biệt
Điểm mã các dịch vụ riêng biệt
Bộ xử lý tín hiệu số
Thông báo tắc nghẽn rõ ràng
Có thể truyền tải ECN
Chuyển tiếp nhanh
Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu
Trung bình dịch chuyển có trọng số
theo mũ
Chuyển tiếp báo nhận
Vào trước ra trước
Tham chiếu đầy đủ
Tham chiếu không đầy đủ
Nhóm ảnh
Giao thức truyền tải siêu văn bản
Độ nét cao
Viện công nghệ điện và điện tử
Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet
Nhà cung cấp các dịch vụ Internet
Giao thức mạng Internet
Giao thức IP phiên bản 6
Độ trễ truyền gói giao thức Internet
Biến đổi độ trễ gói giao thức IP
Tỉ lệ lỗi gói giao thức IP
Tỉ lệ mất gói giao thức IP
Tỉ lệ sắp xếp lại thứ tự gói giao thức IP
Số tuần tự khởi đầu

vi


LAN
MPEG
MOS
MSS
NAT
NP
NS
NTP
PC

International Organization for
Standardization
International Telecommunication
Union
Local Area Network
Moving Picture Experts Group
Mean Opinion Score
Maximum Segment Size
Network Address Translation
Network Peformance
Network Simulator
Network Time Protocol
Personal Computer

PSTN

Public Switched Telephone Network

PSNR
QDISC
QoS
RED
RFC
RTP
RTT
RTTM
SACK
SFB
TC
TCP
ToS

Peak Signal-to-Noise Ratio
Queuing Discipline
Quality of Service
Random Early Detection
Request For Comments
Real-time Transport Protocol
Round Trip Time
Round Trip Time Measurement
Selective Acknowledgment
Stochastic Fair BLUE
Traffic Control
Transmission Control Protocol
Type of Service

UDP

User Datagram Protocol

VoIP
VTP

Voice over IP
Video Packet Type

ISO
ITU

Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế
Liên minh viễn thông quốc tế
Mạng cục bộ
Định dạng video MPEG
Điểm đánh giá chất lượng trung bình
Kích thước phân mảnh cực đại
Dịch địa chỉ mạng
Hiệu năng mạng
Bộ mô phỏng mạng
Giao thức quản lý thời gian mạng
Máy tính cá nhân
Mạng điện thoại chuyển mạch công
cộng
Tỉ số tín hiệu cực đại trên nhiễu
Nguyên lý xếp hàng
Chất lượng dịch vụ
Phát hiện sớm ngẫu nhiên

Khuyến nghị
Giao thức truyền tải thời gian thực
Thời gian trễ trọn vòng
Độ đo thời gian trễ trọn vòng
Lựa chọn báo nhận
Hàng đợi công bằng ngẫu nhiên BLUE
Kiểm soát lưu lượng
Giao thức điều khiển truyền vận
Kiểu dịch vụ
Giao thức điều khiển truyền thông
không hướng kết nối qua mạng IP
Truyền thoại sử dụng giao thức IP
Kiểu gói tin Video

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Phân lớp dịch vụ QoS theo đề xuất của ETSI ...................................................... 20
Bảng 1.2 Phân lớp dịch vụ theo ITU-T Y.1541 .................................................................. 20
Bảng 1.3 Lớp QoS và các giá trị hiệu năng mạng IP (ITU-T Y.1541) ................................ 20
Bảng 1.4 Độ trễ âm thanh đầu cuối và tai người ................................................................ 24
Bảng 1.5 G.114 Giới hạn cho thời gian truyền một chiều .................................................. 24
Bảng 1.6 Các độ đo QoS cho truyền video quảng bá .......................................................... 24
Bảng 1.7 Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng video của ITU Y.1291-2004....................... 25
Bảng 1.8 Thang đo chất lượng video theo mức độ cảm nhận của con người ..................... 27
Bảng 1.9 Liên hệ thang đo chủ quan và khách quan........................................................... 27
Bảng 2.1 Trường IP precedence định nghĩa độ ưu tiên cho tiến trình xử lý và truyền gói tin
............................................................................................................................................. 32

Bảng 2.2 Ý nghĩa các bit trong trường D, T, R ................................................................... 32
Bảng 2.3 Bảng các tham số cơ bản của hàng đợi ............................................................... 33
Bảng 2.4 So sánh các giải thuật AQM trên cơ sở độ đo hiệu năng..................................... 42
Bảng 3.1 So sánh độ trễ trung bình gói tin khi sử dụng RED và ViRED tại router R1 ...... 59
Bảng 3.2 Tỷ lệ mất gói tin video giữa RED và ViRED........................................................ 60
Bảng 3.3 Giá trị PSNR (dB) của các khung hình video nhận được khi sử dụng RED và
ViRED .................................................................................................................................. 60
Bảng 4.1 Cấu hình tham số freezetime và d1, d2 của BLUE [79] ...................................... 67
Bảng 4.2 Đối sánh độ trễ RED, BLUE và EBLUE .............................................................. 73
Bảng 4.3 Giá trị PSNR khi truyền video Akio.yuv sử dụng các giải thuật RED, BLUE và
EBLUE ................................................................................................................................. 74
Bảng 4.4 Tổng hợp kết quả đối sánh EBLUE và BLUE ...................................................... 75
Bảng 4.5 Liên hệ độ trễ và băng thông trên đường truyền R1-R2 ...................................... 79
Bảng 4.6 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các cơ chế hàng đợi BLUE, BLUE-VPT tại R1. .. 80
Bảng 4.7 Liên hệ giữa mức độ sử dụng đường truyền và kích thước hàng đợi................... 80
Bảng 4.8 Giá trị PSNR(dB) các khung hình video nhận được khi sử dụng hàng đợi BLUE,
BLUE-VPT tại Router R1. ................................................................................................... 81
viii


Bảng 4.9 So sánh độ trễ trung bình khi sử dụng BLUE, EBLUE và BLUE-VPT tại R1 ..... 83
Bảng 4.10 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi BLUE, EBLUE và
BLUE-VPT ........................................................................................................................... 84
Bảng 4.11 Đối sánh tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-VPT, BLUE, EBLUE
............................................................................................................................................. 86
Bảng 4.12 Mức độ sử dụng đường truyền (Utilization link) ............................................... 87
Bảng 4.13 Giá trị PSNR(dB) nhận được khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi tại
router R1 .............................................................................................................................. 88
Bảng 4.14 So sánh độ trễ khi sử dụng RED, BLUE, VBLUE .............................................. 92
Bảng 4.15 Giá trị PSNR(dB) các khung hình khi sử dụng RED, BLUE và VBLUE ........... 93

Bảng 4.16 So sánh độ trễ trên đường truyền R1-R2 khi sử dụng BLUE, BLUE-U, RED .. 97
Bảng 4.17 Tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các cơ chế hàng đợi BLUE, BLUE-U và Red tại
R1. ........................................................................................................................................ 98
Bảng 4.18 Giá trị PSNR các khung hình video nhận được khi sử dụng hàng đợi BLUE,
BLUE-U và RED tại Router R1. .......................................................................................... 99
Bảng 4.19. Tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-U, BLUE và VBLUE ......... 103
Bảng 4.20 Mức độ sử dụng đường truyền (Utilization link) ............................................. 103
Bảng 4.21 Giá trị PSNR(dB) nhận được khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi tại R1
........................................................................................................................................... 104
Bảng 4.22 Đối sánh các tham số đánh giá chất lượng dịch vụ video khi sử dụng các giải
thuật cải tiến hậu xử lý VBLUE, BLUE-U......................................................................... 105
Bảng 4.23 So sánh độ trễ trung bình khi sử dụng BLUE, BLUE-VPT, BLUE, VBLUE và
EBLUE ............................................................................................................................... 106
Bảng 4.24 Tổng hợp tỷ lệ mất gói tin khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi BLUE-U,
BLUE-VPT, BLUE, EBLUE và BLUE-VPT ...................................................................... 106
Bảng 4.25 Tổng hợp tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-U, BLUE-VPT,
BLUE, EBLUE và VBLUE ................................................................................................ 108
Bảng 4.26 Giá trị PSNR(dB) khi sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi tại R1 ............ 109
Bảng 4.27 Tổng hợp kết quả đối sánh các giải thuật BLUE-U và BLUE-VPT................ 110
Bảng 4.28 Thống kê khung hình I, P, B khi mô phỏngtruyền video Akio.yuv ................... 111
Bảng 4.29 Đánh giá tổng kết các giải thuật cải tiến ......................................................... 112
Bảng 4.30 Thống kê khung hình I, P, B khi mô phỏng truyền video foremance.yuv ......... 113
Bảng 4.31 Thống kê khung hình I, P, B khi mô phỏng truyền video bachkhoa.yuv ......... 114

ix


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Nguyên nhân tắc nghẽn .......................................................................................... 8

Hình 1.2 Ảnh hưởng tắc nghẽn đến QoS mạng ..................................................................... 8
Hình 1.3 Quá trình phát triển các dòng video H.26x và MPEG ........................................... 9
Hình 1.4 (a) Nén trong khung hình chỉ làm việc trên 1 khung hình đơn duy nhất. ............. 13
(b) Nén liên khung hình làm việc với một chuỗi các khung hình. ....................................... 13
Hình 1.5 Cấu trúc GoP ........................................................................................................ 14
Hình 1.6 Sự phụ thuộc khung hình trong mã hóa video ...................................................... 15
Hình 1.7 Các quan điểm QoS .............................................................................................. 17
Hình 1.8 Mô hình các nhóm dịch vụ QoS ............................................................................ 18
Hình 1.9 Mô hình tham chiếu QoS NI – NI (ITU-T Y.1541) ............................................... 18
Hình 1.10 Biểu diễn độ trễ gói tin ....................................................................................... 21
Hình 1.11 Đánh giá chất lượng video dựa trên mô hình tham chiếu đầy đủ. ..................... 26
Hình 1.12 Đánh giá chất lượng video dựa trên mô hình không tham chiếu. ...................... 26
Hình 1.13 Đánh giá chất lượng video dựa trên mô hình tham chiếu rút gọn ..................... 26
Hình 2.1 Mô hình hàng đợi đơn giản trong mạng ............................................................... 29
Hình 2.3 Trường TOS của IPv4 ........................................................................................... 31
Hình 2.4 IPv6 Header 48 byte ............................................................................................. 31
Hình 2.5 Tiến trình xử lý hàng đợi trong router.................................................................. 34
Hình 2.6 Chức năng đo đơn giản của token packet ............................................................ 36
Hình 2.7 Lược đồ xác suất loại bỏ các gói trong DropTail ................................................ 38
Hình 2.8 Phân loại các cơ chế quản lý hàng đợi tích cực. .................................................. 41
Hình 2.9 Các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng trình diễn video ..................................... 43
Hình 2.10 Mô hình truyền video qua mạng ......................................................................... 43
Hình 3.1 Mối quan hệ giữa xác suất loại bỏ gói và kích thước hàng đợi trung bình ........ 47
Hình 3.2 Giải thuật chung cho router RED ........................................................................ 47
Hình 3.3 Mô tả mối quan hệ giữa maxp và độ chiếm giữ hàng đợi ..................................... 48
Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán RED......................................................................................... 50
x


Hình 3.5 Phát hiện sớm ngẫu nhiên thay đổi thích ứng với maxp thay đổi ......................... 52

Hình 3.6. Mô hình của GRED ............................................................................................. 55
Hình 3.7 Lưu đồ giải thuật cải tiến ViRED ......................................................................... 57
Hình 3.8 Cấu hình mạng sử dụng trong mô phỏng. ............................................................ 58
Hình 3.9 So sánh độ trễ trung bình trên R1-R2 khi sử dụng RED, ViRED. ........................ 59
Hình 3.10 Tỷ lệ mất gói tin video khi sử dụng RED và ViRED ........................................... 60
Hình 3.11 So sánh giá trị PSNR(dB) khi sử dụng RED và ViRED...................................... 61
Hình 3.12 Các khung hình tương ứng nhận được : (a) RED và (b) ViRED tại router R1 .. 61
Hình 3.13 So sánh giá trị PSNR(dB), sử dụng RED và ViRED khi thực hiện mô phỏng với
tập tin video formance.yuv................................................................................................... 62
Hình 4.1 Mã giả giải thuật BLUE. ...................................................................................... 65
Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật BLUE ....................................................................................... 66
Hình 4.3 Đề xuất cải tiến BLUE theo hai nhóm giải thuật tiền xử lý và hậu xử lý. ............ 69
Hình 4.4 Giải thuật EBLUE cải tiến.................................................................................... 71
Hình 4.5 So sánh độ trễ trung bình gói tincủa các giải thuật EBLUE, BLUE và RED ...... 73
Hình 4.6 So sánh thông lượng trung bình của các giải thuật EBLUE, BLUE và RED ...... 73
Hình 4.7 Đối sánh giá trị PSNR EBLUE, BLUE và RED. .................................................. 74
Hình 4.8 Khung hình 170 khi sử dụng BLUE và EBLUE.................................................... 75
Hình 4.9 Sơ đồ giải thuật cải tiến BLUE-VPT .................................................................... 78
Hình 4.10 So sánh độ trễ trên R1-R2, khi sử dụng các giải thuật BLUE, BLUE-VPT và
RED ..................................................................................................................................... 79
Hình 4.11 So sánh tỉ lệ mất gói tin video giữa BLUE, BLUE-VPT. .................................... 80
Hình 4.12 Mức độ sử dụng đường truyền và kích thước hàng đợi ...................................... 81
Hình 4.13 PSNR(dB) khi sử dụng cơ chế BLUE, BLUE-VPT và RED ............................... 81
Hình 4.14.a, b Khung hình nhận được khi sử dụng cơ chế BLUE và BLUE-VPT tại R1.... 82
Hình 4.15 Băng thông R1-R2 và độ trễ trung bình khi sử dụng giải thuật BLUE-VPT ...... 83
và EBLUE. ........................................................................................................................... 83
Hình 4.16 Tỷ lệ mất gói tin của giải thuật BLUE-VPT và EBLUE .................................... 84
Hình 4.17 Thông lượng mạng theo thời gian khi sử dụng các giải thuậtEBLUE, BLUE-VPT
............................................................................................................................................. 85
Hình 4.18 Biến thiên trễ khi sử dụng EBLUE, BLUE-VPT ................................................. 85

Hình 4.19 Đối sánh tỷ lệ mất gói tin video giữa BLUE-VPT và EBLUE ............................ 86
xi


Hình 4.20 Mức độ sử dụng đường truyền BLUE-VPT và EBLUE ...................................... 87
Hình 4.21 So sánh giá trị PSNR(dB) của EBLUE và BLUE-VPT. ...................................... 88
Hình 4.22 Lưu đồ giải thuật VBLUE ................................................................................... 91
Hình 4.23 So sánh độ trễ truyền tin (ms), khi sử dụng các giải thuật RED, BLUE và
VBLUE ................................................................................................................................. 92
Hình 4.24 Giá trị PSNR của các khung hình video khi sử dụng các cơ chế quản lý hàng đợi
RED, BLUE và VBLUE ....................................................................................................... 93
Hình 4.25.a, 4.25.b Khung hình 150 sử dụng cơ chế BLUE và VBLUE ............................. 94
Hình 4.26 So sánh giữa độ trễ trên R1-R2, khi sử dụng BLUE, BLUE-U và RED ............. 97
Hình 4.27 Thông lượng mạng khi sử dụng BLUE, BLUE-U và RED. ................................ 98
Hình 4.28 Đối sánh tỉ lệ mất gói tin giữa BLUE, BLUE-U và RED ................................... 98
Hình 4.29 Khung hình nhận được giữa BLUE và BLUE-U ................................................ 99
Hình 4.30 Độ trễ trung bình khi sử dụng VBLUE và BLUE-U ......................................... 101
Hình 4.31 Độ mất gói tin khi sử dụng BLUE-U và VBLUE .............................................. 101
Hình 4.32 Thông lượng mạng theo thời gian khi sử dụng BLUE-U và VBLUE ............... 101
Hình 4.33 Biến thiên trễ (Jitter) trên các giải thuật BLUE-U và VBLUE ........................ 102
Hình 4.34 Độ mất gói tin video ......................................................................................... 102
Hình 4.35 Mức độ sử dụng đường truyền.......................................................................... 103
Hình 4.36 Giá trị PSNR(dB)khi sử dụng BLUE-U và VBLUE .......................................... 104
Hình 4.37 Độ trễ trung bình khi sử dụng BLUE-U và BLUE-VPT ................................... 106
Hình 4.38 Tỷ lệ mất gói tin ............................................................................................... 107
Hình 4.39 Thông lượng khi sử dụng giải thuật BLUE-U và BLUE-VPT .......................... 107
Hình 4.40 Biến thiên trễ (jitter) ......................................................................................... 107
Hình 4.41 Tỷ lệ mất gói tin video ...................................................................................... 108
Hình 4.42 Mức độ sử dụng đường truyền.......................................................................... 109
Hình 4.43 Đối sánh giá trị PSNR(dB) giữa BLUE-U và BLUE-VPT .............................. 109

Hình 4.44 Đối sánh tỷ lệ mất khung hình của 04 giải thuật cải tiến so với BLUE ........... 111
Hình 4.45 Đối sánh ngẫu nhiên các khung hình video nhận được theo cảm nhận chủ quan
của người dùng. ................................................................................................................ 111
Hình 4.46 Đối sánh giá trịPSNR(dB) giữa BLUE và BLUE-VPT khi truyền video
foremanc.yuv...................................................................................................................... 112

xii


Hình 4.47 Đối sánh tỷ lệ mất khung hình của giải thuật cải tiến BLUE-VPT so với BLUE
........................................................................................................................................... 113
Hình 4.48 Đối sánh giá trị PSNR(dB) giữa BLUE và BLUE-VPT khi truyền video
bachkhoa.yuv ..................................................................................................................... 113
Hình 4.49 Đối sánh tỷ lệ mất khung hình của giải thuật cải tiến BLUE-VPT so với BLUE
........................................................................................................................................... 114
Hình 4.50 Đối sánh ngẫu nhiên các khung hình video nhận được khi truyền file
bachkhoa.yuv ..................................................................................................................... 114

xiii


MỞ ĐẦU

1.TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Sự phát triển nhanh chóng các ứng dụng truyền video trên Internet đặt ra những thách thức
ngày càng lớn. Để đáp ứng cho người dùng cuối, nhiều ứng dụng video đòi hỏi chất lượng dịch
vụ mạng (Quality Of Service - QoS). Tuy nhiên, do mạng Internet là mạng mặc dù được xây
dựng với đặc điểm truyền là nỗ lực tối đa (best-effort network) nhưng chưa thể đảm bảo về
QoS và không có sự phân biệt giữa các gói tin truyền trên mạng dẫn đến tỷ lệ đáng kể các gói
dữ liệu video bị loại bỏ bởi các bộ định tuyến mạng khi xảy ra tình trạng thiếu băng thông trên

các đường truyền do bị tắc nghẽn. Ảnh hưởng của việc mất gói tin video làm suy giảm chất
lượng xem ở phía máy nhận có thể thay đổi từ không đáng kể đến mức không thể chấp nhận
được[15, 19, 55].
Một trong các cơ chế quản lý hàng đợi thường được sử dụng để tăng hiệu năng mạng và ngăn
cản sự suy giảm chất lượng truyền dữ liệu là cơ chế quản lý hàng đợi tích cực (AQM-Active
Queue Management [21, 23, 24, 69, 78, 80, 88]).
Khi truyền tải trên mạng, chất lượng dữ liệu multiumedia phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó có
chiến lược cấp phát tài nguyên của mạng. Nếu khả năng tài nguyên có hạn và chiến lược cấp
phát không thích nghi với trạng thái luôn thay đổi của mạng thì dễ dẫn đến tình trạng dữ liệu
dồn về một trạm nào đó của mạng và gây nên tắc nghẽn [45, 53, 74]. Đặc biệt, với nhu cầu
truyền thông ngày càng tăng của các ứng dụng truyền video thì khả năng xảy ra tắc nghẽn trên
mạng lại càng lớn. Khi mạng xảy ra tắc nghẽn nếu không được xử lý kịp thời sẽ gây ra các hậu
quả nghiêm trọng. Các gói tin không được xử lý nên không được chuyển đến đầu cuối của
người nhận, chúng bị ùn tắc trong mạng và thậm chí bị loại bỏ, điều này làm cho các ứng dụng
sử dụng các kỹ thuật mã hóa và giải mã như ứng dụng truyền video càng bị ảnh hưởng.
Mã hóa và giải mã video là một trong những khâu quan trọng trong các ứng dụng đa phương
tiện. Hiện tại có hai hệ thống tiêu chuẩn chính trong việc thiết lập các tiêu chuẩn nén video. Đó
chính là ITU (International Telecommunications Union)[9, 71] và MPEG (Motion Picture
Experts Group) [9, 47].
Được thiết lập từ năm 1988, MPEG là một nhóm chuyên gia các hình ảnh chuyển động thuộc
ISO/IEC, có nhiệm vụ phát triển các tiêu chuẩn mã hóa cho hình ảnh và âm thanh kỹ thuật số.
Cho đến nay, nhóm nghiên cứu này đã phát triển được một số các tiêu chuẩn cho việc nén âm
thanh và hình ảnh. Mỗi tiêu chuẩn được áp dụng cho những ứng dụng cụ thể và tương ứng có
tốc độ bit khác nhau.[9, 11, 19, 34, 35, 44, 47, 59].
Các ứng dụng Video như chúng ta thấy hàng ngày qua việc xem ti-vi chỉ đơn thuần là một
chuỗi các hình ảnh tĩnh (các khung) xuất hiện liên tục tại một tốc độ nhất định để diễn tả lại
chuyển động của một vật nào đó trong một khung cảnh. Nó cũng có thể bao gồm thêm một
kênh âm thanh. So với tín hiệu thoại, tín hiệu video có nhiều thay đổi hơn về băng tần, sự thay
đổi này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như tốc độ khung hình, kích cỡ và độ phân giải hình ảnh,
hiệu quả màu sắc và tốc độ bit của tín hiệu video. Chất lượng của hình ảnh từ các máy quay

video không quá tồi cho việc quan sát những cảnh ít thay đổi hoặc thay đổi chậm, nhưng đối
với những mục tiêu di chuyển nhanh hơn, chẳng hạn một chiếc xe đang chạy trên đường cao
tốc, thì sẽ bị biến dạng hoặc chuyển động chậm vì tốc độ khung hình là không đủ nhanh để
chụp toàn bộ chuyển động. Do đó tốc độ xấp xỉ 30khung hình/1s sẽ cho ta chất lượng video
tương tự như khi xem ti-vi trong hệ NTSC và chúng ta có thể xem được các mục tiêu đang di
chuyển nhanh. Trong thực tế, mắt người không thể phát hiện sự khác nhau ở tốc độ cao hơn 30
khung hình/1s.
1


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full