Nghiên cứu phương pháp tăng chất lượng dịch vụ truyền video trên mạng không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THANH HẢI

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TĂNG CHẤT LƯỢNG
DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG KHÔNG DÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Hà Nội - 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THANH HẢI

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TĂNG CHẤT LƯỢNG
DỊCH VỤ TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG KHÔNG DÂY

Ngành: Công nghệ Điện tử Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PSG.TS VƯƠNG ĐẠO VY

Hà Nội - 2013


4

Mục lục
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................................ 3
Danh mục các hình vẽ ............................................................................................................................ 5
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt..................................................................................................... 6
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU .................................................................................................................... 7
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................................................... 8
2.1 CHUẨN NÉN MPEG-4 ............................................................................................................... 8
2.2 IEEE 802.11e EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) ................................................ 10
CHƢƠNG 3: THUẬT TOÁN ÁNH XẠ TĨNH VÀ ÁNH XẠ ĐỘNG ............................................... 12
3.1 ÁNH XẠ TĨNH .......................................................................................................................... 12
3.2 ÁNH XẠ ĐỘNG ........................................................................................................................ 13
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG .................................................................................................................. 27
4.1 KỊCH BẢN MÔ PHỎNG........................................................................................................... 27
4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................................................................................ 28
4.2.1 Truyền tải chỉ có Video ....................................................................................................... 28
4.2.2 Truyền tải nhiều dạng dữ liệu.............................................................................................. 33
KẾT LUẬN .......................................................................................................................................... 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................... 41


MỞ ĐẦU
Truyền tải đa phương tiện qua mạng không dây đã được đề cập đến trong nhiều
nghiên cứu trước đây. Để cải thiện chất lượng truyền dẫn Video, các nghiên cứu
trước đây đã đề xuất nhiều phương án khác nhau để cải thiện dịch vụ đa phương tiện
qua mạng không dây, một trong những hướng nghiên cứu đó là tạo ra các mô hình

xuyên lớp trong truyền tải Video trong thời gian thực. Người ta đã đề xuất ra tiêu
chuẩn 802.11e EDCA chia thành các truy cập AC0, AC1, AC2, AC3 để phân loại các
luồng dữ liệu theo, đồng thời cũng có thuật toán ánh xạ tĩnh và ánh xạ động dựa trên
802.11e EDCA để cải thiện chất lượng dịch vụ truyền Video. Thuật toán ánh xạ tĩnh,
phân bổ dữ liệu Video H264 vào các hàng đợi theo mức độ ưu tiên theo ý nghĩa mà
hóa của nó, tuy nhiên ánh xạ tĩnh chỉ phù hợp cho tải nặng của lưu lượng mạng, khi tải
nhẹ, các dữ liệu Video được ánh xạ tới các truy cập AC có độ ưu tiên thấp hơn sẽ cho
kết quả chậm trễ truyền dẫn, để giải quyết vấn đề này người ta đã đề xuất ra phương
pháp ánh xạ động dựa vào xác suất xuất hiện của các khung hình video và đô ưu tiên
của các hàng đợi truy câp AC, để phân bổ tối ưu các luồng dữ liệu Video vào các hàng
đợi cho phù hợp. Trong đề tài này tôi sẽ tập trung vào việc mô phỏng và đánh giá lại
hiệu suất của 3 phương pháp trên, tập trung vào tối ưu các tham số trong thuật toán
ánh xạ động.

2

Nội dung của luận văn được tập trung vào 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu về đề tài, bối cảnh, mục tiêu và cách tiếp cận của đề tại
Chương 2, chương 3: Cơ sở lý thuyết. Mô tả về đặc thù của Video Mpeg 4, cũng như
các tiêu chuẩn 802.11e EDCA, thuật toán ánh xạ tĩnh, ánh xạ đông mà luận văn sẽ sử
dụng
Chương 4: Mô phỏng. Thông qua công cụ mô phỏng NS2, các kịch bản mô phỏng sẽ
được đưa ra để đánh giá lại hiệu suất của các phương pháp nêu trên, từ đó đưa ra các
tham số tối ưu cho phương pháp ánh xạ động.
Cuối cùng là kết luận của đề tài và hướng nghiên cứu trong tương lai
Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải


1. Chương 1. Giới thiệu
Để hỗ trợ những yêu cầu đa dạng về chất lượng dịch vụ của những ứng dụng thế hệ

mới, một chuẩn mới là IEEE 802.11e đã được quy định. xác định bốn loại truy cập
AC (Access Category) có những ưu tiên truyền dẫn khác nhau. Ưu tiên truyền dẫn là
xác suất thành công trong việc tìm kiếm cơ hội để truyền tải khi từng loại truy cập
đang cạnh tranh để truy cập vào các kênh không dây, ưu tiên truyền dẫn càng cao thì
càng có cơ hội được dẫn cao hơn. Tuy nhiên, trong một kênh không dây, việc mất mát
và chậm chễ trong truyền dữ liệu, băng thông hạn hẹp là những thách thức lớn của
hiệu quả truyền tải dữ liệu đa phương tiện. Do đó, một số cơ chế tiên tiến đã được đề
xuất dựa trên chuẩn 802.11e để hỗ trợ truyền tải đa phương tiện và cụ thể là truyền tải
video. Hầu hết các cơ chế được đề xuất cải thiện hiệu suất bằng cách điều chỉnh các
hoạt động của 802.11e MAC, chẳng hạn như kích cỡ Contention Window,
TXOPlimit, và tốc độ truyền tải dữ liệu. Tuy nhiên, các cơ chế này không tính đến
mức độ quan trọng của những dạng lưu lượng khác nhau (chẳng hạn như video), do đó
hạn chế các cải tiến hiệu về suất có thể đạt được.
Đối với lưu lượng video, độ quan trọng của các dữ liệu video được mã hóa khác nhau.
Việc truyền tải ưu tiên của video được mã hóa phân sẽ mang một vai trò quan trọng
trong việc hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện trong một mạng không dây. Tuy nhiên,

5

802.11e cung cấp QoS thông qua phân phối lưu lượng ở đó tất cả các dữ liệu video
trong cùng một loại truy cập. Kết quả là, cơ chế truy cập kênh và chương trình truyền
không tính đến các thông tin về độ quan trọng của dữ liệu video. Nếu cơ chế truyền
dẫn khai thác các đặc điểm của nội dung dữ liệu video bằng cách xem xét các thông
tin có ý nghĩa video được tạo ra từ các lớp ứng dụng, dữ liệu video sẽ có dịch vụ ưu
tiên và chất lượng được cảm nhận ở bên nhận có thể được cải thiện.

2. Chương 2. Cơ sở lý thuyết
2.1 Chuẩn nén Mpeg-4
Các tiêu chuẩn MPEG-4 định nghĩa ba loại khung hình video cho các dòng video nén,
bao gồm I (mã hóa trong - Intra-coded), P (mã hóa dự đoán - Predictive-coded), và B

Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải


(mã hóa dự đoán hai chiều - Bi-directionally predictive-coded). Khung MPEG I được
mã hóa độc lập và tự nó sẽ giải mã. Như vậy, khung I được mã hóa như là một hình
ảnh tĩnh, mà không có bất kỳ mối quan hệ với bất kỳ khung hình trước đó hoặc kế
tiếp. Khung P được mã hóa bằng cách sử dụng dự đoán từ khung I hoặc P trước đó
trong chuỗi video. Do đó, khung P yêu cầu thông tin của khung I hoặc khung P gần
nhất trước đó để mã hóa và giải mã. Khung B được mã hóa bằng cách sử dụng các dự
đoán khung I hoặc P trước và sau nó. Theo mối quan hệ mã hóa, trong dòng video
MPEG-4, loại video quan trọng nhất là khung I, và khung P thì quan trọng hơn khung
B.

Hình 1: Mã hóa theo dự đoán của MPEG-4, GOP (N = 9, M = 3)
2.2 IEEE 802.11e EDCA
IEEE 802.11e EDCA phân loại lưu lượng truy cập thành bốn AC (như minh họa trong
hình 2). Bốn loại truy cập bao gồm AC _VO (lưu lượng truy cập bằng giọng nói),
AC_VI (lưu lượng truy cập video), AC_BE. (lưu lượng best efford), và AC _BK (lưu
lượng nền (background)). Để đơn giản hóa các ký hiệu, chúng tôi chỉ định AC_VO là
AC3, AC_VI là AC2, AC_BE là AC1, và AC_BK là AC0. Mỗi AC có hàng đợi đệm
riêng của nó và hoạt động như một thực thể backoff độc lập. Ưu tiên giữa AC sau đó
được xác định bởi các thông số riêng của từng AC, được gọi là bộ tham số EDCA. Bộ tham số EDCA

6

bao gồm kích thước tối thiểu của Contention Window (CWmin), kích thước tối đa của Contention
Window (CWmax), Arbitration Inter Frame Space (AIFS), và giới hạn cơ hội truyền (TXOPlimit). Các
giá trị được chuẩn này khuyến cáo cho từng thông số của cơ chế được trình bày trong bảng 1.

Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải

Hình 2: Bốn loại truy cập trong IEEE 802.11e
Table 1: 802.11e EDCA parameter set.

Priority
AC
Designation AIFSN CWmin CWmax TXOPlimit
3
AC_VO
Voice
2
7
15
0.003008
2
AC_VI
Video
2
15
31
0.006016
1
AC_BE Best Effort
3
31
1023
0
0
AC_BK Background

7
31
1023
0

Hình 3 trình bày các hoạt động trong 802.11e EDCA. AC với AIFS nhỏ nhất có ưu
tiên cao nhất, và một trạm cần phải được trì hoãn hoạt động cho khoảng AIFS tương
ứng của nó. Giá trị tham số (như AIFS CWmin và CWmax) càng nhỏ thì xác suất
được truy cập vào môi trường truyền tải càng lớn. Mỗi AC trong một trạm hoạt động
như một trạm ảo cá thể: nó cạnh tranh để truy cập vào môi trường truyền dẫn và bắt
đầu thủ tục backoff của nó một cách độc lập sau khi phát hiện các kênh rỗi trong
khoảng thời gian ít nhất một AIFS. Khi AC đụng độ nhau trong cùng một trạm, AC
với ưu tiên cao hơn được cấp cơ hội để truyền tải, trong khi AC với ưu tiên thấp hơn
sẽ gặp phải một cuộc đụng độ ảo, tương tự như một vụ đụng độ thực tế xảy ra bên
ngoài trạm.

7

Hình 3: Các hoạt động của IEEE 802.11e EDCA.

Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải


3. Chương 3. Thuật toán ánh xạ tĩnh và ánh xạ động
3.1 Ánh xạ tĩnh
Để hỗ trợ việc truyền tải theo chất lượng dịch vụ của một video được mã hóa theo cấp
bậc trên một mạng IEEE 802.11e, một kiến trúc theo thiết kế đa lớp đã được đề xuất.
Như thể hiện trong hình 4, các tác giả của kiến trúc này đề xuất một thuật toán ánh xạ,
dựa trên các đặc điểm kỹ thuật về lưu lượng truy cập của IEEE 802.11e EDCA, và dữ
liệu video được mã hóa H.264 được phân bổ vào các hàng đợi AC được ưu tiên khác

nhau tùy theo độ quan trọng của mã hóa video. Tuy nhiên, thuật toán này có tính tĩnh
và không thích ứng cao. Khi tải mạng nhẹ, các dữ liệu video được ánh xạ tới AC với
ưu tiên thấp hơn sẽ dẫn đến sự chậm trễ không đáng có trong truyền dẫn và tổn thất
gói. Theo đó, nếu luồng video MPEG-4 được truyền đi như là lưu lượng truy cập cho
các thuật toán ánh xạ được đề xuất trong [2], khung I sẽ luôn luôn được ánh xạ tới AC
[2], trong khi khung P sẽ được ánh xạ tới AC [1] và B khung sẽ được ánh xạ tới AC
[0]. Nếu hàng đợi AC[2] là rỗng (có nghĩa là tải lưu lượng video nhẹ) một thuật toán
ánh xạ tĩnh như vậy sẽ dẫn đến sự chậm trễ truyền dẫn không cần thiết cũng như khả
năng mất gói cao nếu AC[1] và AC[0] bị đầy gần như cùng một lúc.

8

Hình 4: Kiến trúc đa lớp trong

Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải


3.2 Ánh xạ động
Chúng tôi đề xuất một thuật toán ánh xạ đa lớp có tính thích ứng cao để nâng cao chất
lượng truyền tải video MPEG-4 qua mạng không dây IEEE 802.11e [3]. Trong cách
tiếp cận đa lớp được đề xuất, gói video MPEG-4 được tự động ánh xạ đến AC thích
hợp dựa trên mức độ quan trọng của dữ liệu video và tải lưu lượng mạng. Bằng cách
khai thác phương pháp ánh xạ đa lớp, chúng ta có thể ưu tiên việc truyền tải dữ liệu
video cần thiết và cải thiện việc tận dụng không gian hàng đợi.

Hình 5: Kiến trúc của sơ đồ ánh xạ đa lớp
Hình 5 mô tả kiến trúc đa lớp, và hiển thị các thông tin về độ quan trọng của dữ liệu
video được truyền từ lớp ứng dụng tới lớp MAC. Để đảm bảo chất lượng của video
9

được truyền tài, thuật toán ánh xạ chủ động phân bổ các đoạn video cho AC phù hợp
nhất ở lớp MAC dựa theo cả độ quan trọng của các loại video và tải lưu lượng mạng.
Đối với dòng video MPEG-4, sự mất mát của các khung hình video quan trọng hơn sẽ
làm xấu đi chất lượng video được truyền đi. Ví dụ, một khung I bị mất sẽ gây ra tất cả
các khung hình trong cùng một GOP trở nên không mã hóa được; cùng lúc đó, một
khung B bị mất chỉ ảnh hưởng đến chính nó. Dựa trên độ quan trọng của khung hình
video, độ ưu tiên của các kênh truy cập được sử dụng để ưu tiên các cơ hội truyền tải
ở lớp MAC được thiết lập với các khung I là cao nhất; độ ưu tiên của các khung P
dưới I nhưng trên B, và các khung B được thiết lập ở mức ưu tiên thấp nhất. Để phân
bổ dữ liệu video quan trọng vào hàng đợi AC ưu tiên cao hơn trong lớp 802.11e MAC
càng nhiều càng tốt, chúng tôi cung cấp các xác suất ánh xạ khác nhau, được định
nghĩa là Prob_TYPE, cho các loại khung hình video khác nhau theo mã hóa độ quan
trọng của nó. Nếu phân bổ một khung vào một hàng đợi ưu tiên thấp hơn là không thể
Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải


tránh khỏi, xác suất phân bổ truyền tải của khung hình có độ quan trọng thấp hơn là
cao hơn so với khung hình video có độ quan trọng cao hơn. Loại khung video ít quan
trọng hơn sẽ được chỉ định Prob_TYPE lớn hơn. Kết quả là, đối với các codec MPEG4, Prob_B> Prob_P> Prob_I, và tất cả các xác suất có giá trị nằm giữa 0 và 1.
Hơn nữa, để chủ động thích ứng với những thay đổi trong tải lưu lượng mạng, chúng
tôi sử dụng chiều dài hàng đợi MAC như là một chỉ dấu về tải trọng lưu lượng mạng
lưới hiện tại. Theo các đặc điểm kỹ thuật IEEE 802.11e, khi truyền qua mạng không
dây IEEE 802.11e, gói video MPEG-4 được đặt trong AC2 với cơ hội tốt hơn để truy
cập vào kênh so với các AC có ưu tiên thấp hơn. Tuy nhiên, khi video tăng dòng, hàng
đợi này nhanh chóng ùn tắc và mất hình xảy ra. Vì lý do này, các thuật toán ánh xạ
sắp xếp lại các gói video nhận được trong thời gian gần nhất vào hàng đợi khác có độ
ưu tiên thấp hơn, trong lúc hàng đợi của AC2 đang bị đầy. Ở đây hai tham số được áp
dụng, đó là threshold_low và threshold_high, để dự đoán trước nhằm tránh các tắc
nghẽn có thể xảy ra bằng cách thực hiện trước việc quản lý hàng đợi. Hai thông số
trên được áp dụng trong thuật toán của biểu thức sau đây:

Trong hàm này, xác suất ánh xạ theo hướng đi xuống được xác định trước ở thời điểm
ban đầu của từng loại khung hình video, Prob_TYPE, sẽ được điều chỉnh tùy theo
chiều dài hàng đợi hiện tại và các giá trị ngưỡng, và kết quả sẽ là một xác suất ánh xạ
xuống mới, Prob_New. Các giá trị Prob_New càng cao, càng có nhiều cơ hội cho các

10

gói tin được ánh xạ vào một hàng đợi với ưu tiên thấp hơn.

4. Chương 4. Mô phỏng
4.1 Kịch bản mô phỏng
Để đánh giá hiệu suất của thuật toán ánh xạ đa lớp, chúng tôi đã tiến hành mô phỏng
bằng cách sử dụng hệ thống mô phỏng mạng được áp dụng rộng rãi NS-2, và tích hợp
với EvalVid. Các kết quả của các thuật toán ánh xạ được so sánh với các kết quả rút ra
từ IEEE 802.11e EDCA [1] và các thuật toán ánh xạ tĩnh trong [2]. Nguồn video được
sử dụng trong mô phỏng là YUV QCIF (176 x 144), Foreman. Mỗi khung hình video
được chia nhỏ thành các gói dữ liệu trước khi truyền, và kích thước tối đa của gói tin
truyền tải qua mạng mô phỏng là 1000 byte. Bảng 4.1 cho thấy số lượng khung hình
video và số lượng gói tin của video gốc. Hình 7 trình bày mô phỏng cấu trúc liên kết
Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải


trong các thí nghiệm. Có tám nút không dây ad-hoc, một trong đó là máy chủ chủ và
một cái khác là máy nhận video. Tốc độ truyền dữ liệu của liên kết không dây là
1Mbps.
Bảng 4.1. Số lượng khung hình video và các gói tin của video gốc.
Video

Format

Foreman QCIF

Frame number
I

P

B

45

89

266

Total
400

Packet number
I

P

B

237

149

273

Total
659

Có hai kịch bản mô phỏng để đánh giá hiệu suất truyền tải video:
Có hai kịch bản mô phỏng để đánh giá hiệu suất truyền tải video:
• Kịch bản 1: chỉ có dòng video được truyền từ nút gửi video đến nút nhận video.
Trong kịch bản này, đánh giá hiệu suất tập trung vào mức độ tận dụng không gian
hàng đợi, bằng cách quan sát những thay đổi của chiều dài hàng đợi của mỗi AC.
• Kịch bản 2: chúng tôi thử nghiệm với các trường hợp tải nhẹ và nặng, bao gồm các
tải trọng khác nhau của lưu lượng truy cập bằng giọng nói (64k, AC [3]), CBR (AC
[1]), và TCP (trong AC [0]). Luồng lưu lượng được tạo ra ngẫu nhiên và được truyền
qua môi trường mô phỏng. Trong kịch bản này, chúng tôi đã phân tích chất lượng
video nhận được để đánh giá hiệu quả của sơ đồ ánh xạ trong nhiều điều kiện tải mạng
khác nhau.

4.2 Kết quả mô phỏng

11

Hình 6. Kết quả sử dụng thuật toán 802.11e EDCA

Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải


Hình 7. Kết quả sử dụng thuật toán ánh xạ tĩnh

Hình 8. Kết quả sử dụng thuật toán ánh xạ động

12
Average
PSNR

Số khung mất
I

(dB)
802.11e

P

B

frame frame frame

Total

34.89

0

0

0

0

Ánh xạ tĩnh

33.29

0

14

38

52

Ánh xạ động

34.89

0

0

0

0

EDCA

Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải


Kết luận
Trong luận văn này, tôi đã nghiên cứu các phương pháp cải tiến nhằm nâng cao chất
lượng truyền tải video Mpeg-4 trên mạng không dây 802.11e.

Dựa vào đặc tính của các khung hình Video, thuật toán đã ưu tiên cho các khung quan
trọng hơn của dòng Video để đảm bảo sự tái tạo cũng như chất lượng của Video tại
nơi thu. Trong trường hợp tắc nghẽn xảy ra, các khung ít quan trọng sẽ được loại bỏ,
hơn nữa bằng cách tự động phân phối các gói tin Video khác nhau và các truy cập AC
tích hợp nhất theo các lưu lượng trên đường truy cập MAC. thuật toán ánh xạ tĩnh đã
thành công trong việc tăng chất lượng truyền dẫn Video.
Thông qua các trường hợp mô phỏng, đã đánh giá được hiệu suất của các phương
pháp 802.11e EDCA, ánh xạ tĩnh và ánh xạ động.
Tuy nhiên do thời gian cũng như phạm vi của đề tài, vẫn còn một số vấn đề chưa
được làm rõ trong đề tài này.
Thứ nhất, các thông số mã hóa Video đã không được điều chỉnh.
Thứ hai, ảnh hưởng của ngưỡng và các giá trị xác suất đối với việc phân bổ các gói
tin.
Trong tương lai, chúng ta sẽ kết hợp nhiều Video và Audio Codec và kiến trúc này để
hỗ trợ toàn diện QoS đa phương tiện và tích hợp cơ chế nhiều lớp để cung cấp cho
người dùng chất lượng tốt hơn.

13

Luận văn thạc sĩ - Nguyễn Thanh Hải