Một phương pháp đảm bảo chất lượng cho dịch vụ truyền thông đa hướng thời gian thực qua mạng IP

 GIÁO DC VÀ ÀO TO
TRNG I HC BÁCH KHOA HÀ NI
˜™–— µ –—˜™
 TRNG TUN
T PHNG PHÁP M BO CHT LNG
CHO DCH V TRUYN THÔNG A HNG
THI GIAN THC QUA MNG IP
Chuyên ngành: Thông tin vô tuyn, phát thanh và
vô tuyn truyn hình
Mã s: 2.07.02
TÓM TT LUN ÁN TIN S K THUT
HÀ NI - 2006
- 1 -
U
1. Tính cp thit ca  tài
Cùng vi s phát trin ca công ngh thông tin - vin thông, c bit là s gia
ng nhanh chóng ca Internet c v h tng mng và nhu cu phát trin các dch v mi
nh mua sm trc tuyn, gii trí qua mng . . . công ngh phát thanh cng có nhng
chuyn bin theo xu hng hình thành mt phng thc truyn ti mi, ly Internet làm
công c qung bá tín hiu phát thanh ti bn nghe ài. Hin nay, phng thc truyn
thông a hng (multicast) ang c tp trung nghiên cu kt hp vi giao thc truyn
i thi gian thc RTP / RTCP (Real-time Transport Protocol / Real-time Control
Protocol) nhm hình thành các mô hình truyn ti dch v thi gian thc trên nn giao
thc IP, qua ó hn ch nhc m ca truyn thông n hng cng nhc tính
không m bo cht lng dch v ca môi trng Internet hin ti. T tháng 8/2005, ài
ting nói Vit Nam bt u h tr kh nng nghe ài phát thanh qua mng Internet. Vn
t ra vi phng thc phát thanh qua mng Internet hin ti là cha có c chm
o cht lng dch v và ang thc hin theo phng thc truyn thông n hng dn
n các hn ch v cht lng khi s lng ngi dùng tng cao, cng nh khó khn
trong trng hp m rng dch v. Bên cnh ó, vn  làm ch công ngh có th tùy
bin thành ng dng c thù cng cn c quan tâm nghiên cu.

2. i tng, mc ích, phm vi và phng pháp nghiên cu ca lun án.
2.1 i tng và mc ích nghiên cu
i tng nghiên cu ca lun án là mô hình h thng truyn ti tín hiu phát
thanh thi gian thc qua mng IP - RoIP (Radio over IP networks) và phng pháp m
o cht lng tín hiu ti u thu theo thi gian thc. Trên c só, lun án  xut và
thc hin phng pháp m bo cht lng dch v RoIP s dng c ch u khin
tham s ngun thích ng vi tình trng mng nhm m bo cht lng tín hiu ti u
thu và áp dng vi h thng RoIP.
2.2 Phm vi nghiên cu
Lun án tp trung nghiên cu  xut và xây dng mô hình h thng RoIP trên hai
phng din kt hp truyn thông n hng (unicast) vi truyn thông a hng và kt
p môi trng truyn ti hu tuyn vi truy nhp vô tuyn theo chun IEEE 802.11.
Nghiên cu áp dng các thut toán u khin lch trình bm tái to thích ng và 
xut phng pháp m bo cht lng tín hiu phát thanh truyn ti qua mng IP ti u
thu.
- 2 -
2. Phng pháp nghiên cu
Lun án s dng phng pháp mô hình hóa h thng thông qua công c toán hc
và mô hình cu trúc giao thc. Kt hp phng pháp phng to tham s mng IP và
phng pháp o c thông s qua mô hình thc nghim c xây dng trên nn hu
hành mã ngun m Linux.
3. Ý ngha khoa hc và thc tin ca lun án
Lun án ã  xut và xây dng mt mô hình mi có c s khoa hc nhm s
ng mng IP làm môi trng truyn ti tín hiu phát thanh. Cùng vi phng pháp m
o cht lng tín hiu ti u thu, mô hình h thng RoIP có thc trin khai áp
ng vào thc t nhm a dng hóa các loi hình truyn ti tín hiu phát thanh cng nh
ch v gia tng qua Internet.
4. Kt cu ca lun án
Lun án gm phn mu, 03 chng và kt lun.
Chng 1: Tho lun nhng vn  c bn ca truyn thông a hng qua mng

IP và môi trng truy nhp vô tuyn WLAN theo chun IEEE 802.11.  xut mô hình
 thng truyn ti tín hiu phát thanh thi gian thc qua mng IP trên phng din mô
hình lý thuyt, cu trúc giao thc và mô hình trin khai thc nghim.
Chng 2: Xem xét cht lng dch v truyn ti tín hiu phát thanh thi gian
thc qua mng IP theo thông s ngun và thông s mng nh hng n cht lng tín
hiu phát thanh ti u thu. Lun án  xut mô hình và công c phng to tham s QoS
a mng IP. Công c phng to c xây dng tích hp trong thành phn cng chuyn
i giao thc iVoVGateway ca h thng RoIP nhm thc hin nh hng ca môi
trng truyn ti ti tín hiu ti u thu.
Chng 3: Nghiên cu vn m bo cht lng tín hiu ti u thu theo hai
khía cnh: th nht, các c ch tái to tín hiu thu nhn ti u cui thông qua bm tái
o c nghiên cu và tích hp vào h thng RoIP. Th hai, thông qua mô hình ánh
giá cht lng tín hiu ti u thu s dng t s tín hiu trên tp âm phân n, lun án
 xut và thc hin c chm bo cht lng dch v truyn ti tín hiu phát thanh
qua mng IP thông qua c ch thích ng tham s ngun vi tình trng mng theo thi
gian thc.
Cui cùng là kt lun, hng nghiên cu tip theo và các ph lc ca lun án.
- 3 -
CHNG 1: TNG QUAN V TRUYN THÔNG A HNG
VÀ MÔ HÌNH H THNG RoIP
1.1 Truyn thông a hng qua mng IP
 tng quát, truyn thông qua Internet c chia thành 3 phng thc sau [51]:
- Phng thc truyn thông n hng - unicast : Các gói tin c truyn ti t
t ngun gi n mt ích thu xác nh (m-n-m). ây là mô hình truyn thông
n gin nhng khó m bo cht lng dch v khi s ngi dùng tng lên. Khi s
ng ngi dùng ln, s lng kt ni n hng cng tng lên tng ng, kéo theo ti
u lng mng tng do yêu cu bng thông ng truyn tng vi cùng mt ni dung
thông tin trên cùng tuyn liên kt, dn n tình trng tc nghn mng. Bên cnh ó, ti
 lý ca máy ch cng tng lên do phi x lý nhiu yêu cu kt ni và có th dn n
quá ti máy ch. Tuy có nhiu hn ch nhng do tính lch s, phng thc truyn thông

n hng hin vn ang c s dng ph bin trên mng IP trong ó bao hàm c dch
 truyn ti tín hiu phát thanh qua Internet.
- Phng thc truyn thông qung bá - broadcast: Các gói tin c truyn ti t
t ngun gi n tt c các máy trm trong mng (m-n-tt c). Các gói tin qung
bá c x lý bi tt c các máy trm trong mng, thm chí c trong trng hp máy
trm không quan tâm n d liu ó. u này dn n ti lu lng vô ích vi mt s
máy trm và khó khn trong vn  bo mt thông tin.
- Phng thc truyn thông a hng - multicast: Các gói tin c truyn ti t
t ngun gi n mt nhóm các máy trm xác nh (m-n-nhóm). Phng thc
này ph thuc vào h tng mng chuyn tip gói tin.
i kh nng trin khi trên din rng và qua mng Internet, tn dng c các
u m và hn ch các nhc m ca unicast và broadcast nh giúp gim lu lng
ng và ti x lý ca ngun phát, phng thc truyn thông a hng ang c quan
tâm nghiên cu và áp dng vi các h thng truyn ti dch v thi gian thc. Trên s s
ó, lun án tp trung nghiên cu và ng dng mng truy nhp s dng phng thc
truyn thông a hng trong h thng RoIP.
1.2 Nguyên lý truyn thông a hng qua mng IP
Các mng truyn thông a hng có th c xây dng thành các c o
multicast và liên kt vi nhau thông qua c chng hm. ng hm là c ch cho
phép chuyn các gói d liu multicast t các bnh tuyn h tr truyn thông a hng
MRouter (Multicast Router) ngun n MRouter ích thông qua các bnh tuyn n
ng URouter (Unicast Router). Vic óng gói theo c chng hm thc hin b
sung thêm phn tiêu  IP mi vi a chích là a ch IP n hng ca MRouter 
- 4 -
u bên kia ca ng hm và a ch ngun là a ch IP n hng ca MRrouter ang
i gói tin ó. Nh th hin trên hình 1.1, MRouter R2 mun gi mt gói tin IP a
ng ti MRouter R5. Trc ht, R2 sóng v gói tin (chuyn t gói IP a hng
thành gói IP n hng) ri chuyn tip ti URouter R3. Gói a hng này si theo
tuyn R3-R7-R8-R5. Nh vy, theo c chng hm, vi MRouter R5 thì gói tin này
c x lý vi a ch ngun n t R2.

Hình 1.1: C chng hm liên kt các MRouter
1.3 Các cu hình mng truy nhp vô tuyn theo chun WLAN 802.11
u hình truy nhp c bn ca mt mng WLAN theo chun IEEE 802.11 bao
m mt nhóm các trm c kt ni vi nhau trong vùng dch v c bn, c xác nh
i c tính truyn dn ca môi trng vô tuyn. Mt trm trong min dch v c bn có
th kt ni vi các trm khác trong cùng BSS (Basic Service Set) hoc BSS khác. Cu
hình mng WLAN c chia thành 2 loi nh th hin trong hình 1.2.
u hình mng WLAN c lp - IBSS (Independent BSS)
t mng BSS c lp (IBSS) c th hin  hình 1.2a. Các trm trong IBSS
t ni trc tip vi nhau và do ó cn phi nm trong phm vi kt ni trc tip. Mng
802.11 ti thiu là mng IBSS ch bao gm 2 trm.
u hình mng WLAN ph thuc - BSS (Infrastructure BSS)
u hình mng WLAN 802.11 ph thuc s dng m truy nhp AP (Access
Point) nh th hin  hình 1.2b. Cu hình này có hai u m chính là:
Mt BSS c xác nh bi khong cách ti AP và các máy trm.  có th tin
hành liên lc, tt c các trm di ng phi tha mãn yêu cu nm trong phm vi liên lc
- 5 -
i m truy nhp AP, nhng không có s hn ch nào v khong cách gia bn thân
các trm di ng.
- Các AP trong mng BSS có kh nng tr giúp các máy trm trong vic bo v
ngun. AP s tin hành m các khung d liu khi máy trm yêu cu ch bo v
ngun và các máy trm hot ng bng pin có th ngng vic thu và cp ngun cho n
khi các khung d liu m t AP c truyn i.
Hình 1.2: Các cu hình mng WLAN theo chun IEEE 802.11
i các u m trên, mng truy nhp WLAN theo chun IEEE 802.11 có cu hình
ph thuc c s dng làm môi trng các máy trm truy nhp vào h thng RoIP.
1.4 Mô hình h thng RoIP
1.4.1 Khái nim
 thng RoIP (Radio over IP networks ) là h thng s dng mng IP làm
phng tin truyn ti tín hiu mang tin tc phát thanh theo thi gian thc. Thut ng

“Radio” s dng trong lun án vi ý ngha “tín hiu phát thanh” c hiu là tín hiu
mang tin tc phát thanh qua mng IP và c x lý nh mt dng s liu truyn ti qua
ng IP chu ràng buc v tính áp ng thi gian thc - yu t quan trng liên quan n
cht lng tín hiu tái to ti u thu.
1.4.2 Mô hình h thng RoIP  xut
 thng RoIP c  xut và xây dng t quan m áp dng mô hình truyn ti
ting nói/âm thanh [8][19][20] và mô hình truyn thông a hng qua mng IP
[12][13][51]. H thng truyn ti tín hiu phát thanh t ngun Tx n ích Rx qua mng
IP cn thc hin các chc nng sau:
a . Cu hình mng c lp - BSS b. Cu hình mng ph thuc - IBSS
- 6 -
Mã hóa / gii mã và to / m gói
 truyn ti tín hiu phát thanh tng t qua mng IP, trc ht phi s hóa và
mã hóa tín hiu. Quá trình chuyn i c thc hin bi các b mã hóa và gii mã trong
tin trình ngc li. Khi to gói là c cu c thit k sau khi mã hóa thc hin chc
ng óng gói s liu âm thanh ã mã hóa theo chun giao thc RTP/UDP/IP và tách gói
trong quá trình ngc li.
m d liu phát và m d liu tái to
Trong h thng RoIP, các gói tin mang tín hiu phát thanh  phía phát c lu
gi ti bm phát trc khi truyn vào mng IP. Bm này có tác dng m bo tc
 ngun phát n nh di su khin ca b to lch trình phát d liu.
Tín hiu c tái to ti phía thu áp ng tính thi gian thc theo th t to ra bên
phát. Chc nng c bn ca bm tái to là thu các gói tin t mng, lu gi và chuyn
tip gói tin theo lch trình tái to do c cu u khin a ra. Lch trình tái to có th
thc hin theo phng thc c nh hoc thích vi s thay i ca tình trng mng.
Phng thc to lch trình cnh n gin nhng có tr gói tin ti bm tái to không
i và không cho phép áp ng s thay i ca tr mng. Phng thc to lch trình
thích ng c a ra  gii quyt các hn ch trên và c u khin bi các thut
toán u khin bm tái to tng ng  tn dng khong lng (silence time) gia
các khong tín hiu phát thanh tích cc (talkspurt) nhm thay i thi gian tái to trong

i khong tín hiu phát thanh tích cc.
Phát hin khong tín hiu tích cc / khong lng
Tín hiu phát thanh bao gm khong tín hiu tích cc và khong lng c phân
bit bi ngng nng lng ca tín hiu ngun. Chc nng phát hin khong tín hiu
tích cc và khong lng c thc hin ti khâu x lý ngun  bên phát nhm cho phép
u chnh lch trình tái to theo khong tín hiu tích cc và tit kim bng thông ng
truyn.
Bù tn tht gói tin
 cu bù tn tht gói tin PLC (Packet Loss Colcealment) c s dng m
o cht lng tín hiu phát thanh tái to do các gói tin tn tht. C cu PLC c thc
hin ti u thu nhm thay th các gói tin ã b tn tht thông qua vic chèn nhiu nn,
khong lng hoc các gói tin trc ó.
Trên c s các chc nng trên, lun án  mô hình lý thuyt (hình 1.3), xut mô
hình cu trúc giao thc (hình 1.4) và mô hình trin khai thc nghim (hình 1.5) ca h
thng RoIP. Tín hiu phát thanh ngun t bên phát (iVoVStation) theo kt ni n
- 7 -
ng ti cng chuyn i giao thc (iVoVGateway) c truyn ti qua mng truy
nhp a hng ti u thu (iVoVReceiver). Các thành phn trong mô hình lý thuyt
c thc hin ti máy ch RoIP, các máy trm và cng chuyn i giao thc. Thành
phn iVoVGateway thc hin chc nng chuyn i giao thc n hng sang giao thc
a hng và giao tip gia mng hu tuyn và mng truy nhp WLAN IEEE 802.11.
Bên cnh ó,  phc v vic ánh giá nh hng ca mng khi không có u kin trin
khai h thng trên môi trng thc t (hình 1.5), chc nng phng to tham s QoS ca
ng IP có thc tích hp iVoVGateway và c  cp trong chng 2. H thng
RoIP  xut c kim chng bng thc nghim ti chng 3.
Hình 1.3: Mô hình lý thuyt h thng RoIP  xut
Hình 1.4: Cu trúc giao thc h thng RoIP  xut.
- 8 -
Hình 1.5: Mô hình trin khai thc nghim h thng RoIP  xut
1.5 Kt lun chng 1

Vic kt hp truyn thông a hng vi môi trng mng truy nhp WLAN hình
thành mt phng thc truy nhp ngun tín hiu phát thanh mi va tn dng bng
thông ng truyn, d dàng qun lý thông qua a ch nhóm multicast cng nh tn
ng h tng mng Internet sn có và các m truy nhp Wi-Fi ang ngày c m
ng. H thng RoIP có th mang li các u m ni bt nh hiu sut s dng h thng
cao nh vic tn dng h tng mng IP hin có, tit kim bng thông và h tr các ng
ng a m. Tuy nhiên, do c tính ca các mng IP, vic trin khai h thng RoIP
phi i mt vi mt s thách thc, c bit v khía cnh cht lng dch v QoS. Vic
nghiên cu các c cu và phng thc u khin thích ng vi tình trng mng có ý
ngha quan trng trong vic m bo cht lng ca h thng RoIP.
CHNG 2: PHNG TO THAM S CHT LNG CA TÍN HIU PHÁT
THANH KHI TRUYN TI QUA MNG IP
2.1 Các tham s cht lng mng
2.1.1 Gii thiu
Cht lng tín hiu phát thanh truyn ti qua mng IP s bnh hng và suy
gim do tác ng ca các yu t mng. Các yu t mng bao gm t l tn tht gói tin,
tr mng và bin ng tr mng là các tham s chính tác ng n cht lng dch v
a tín hiu ti u thu PQoS (Perceived Quality of Service). Mi quan h gia các yu
 này c th hin trên hình 2.1
- 9 -
Hình 2. 1: Mi quan h gia các yu tnh hng n QoS [36]
2.1.2 Tn tht gói tin
n tht gói tin là mt trong nhng nguyên nhân chính gây nh hng n cht
ng ting nói truyn ti qua mng IP. Tn tht gói tin có th xy ra do hy gói tin trong
ng IP ( tn tht mng ) hoc loi b gói tin do b giao tip mng hoc bm tái to
i u thu nh th hin trong hình 2.1.
2.1.2.1 Mô hình tn tht Bernoulli
Trong mô hình tn tht Bernoulli [39][45], tn tht ca mi gói tin là c lp vi nhau
c tính không nh) cho dù gói tin k trc b tn tht hoc không tn tht. Trong
trng hp này, ch tn ti mt tham s là t l tn tht gói tin trung bình tng ng vi

 gói tin b tn tht chia cho tng s gói tin c truyn ti trong lung d liu.
2.1.2.2 Mô hình Gilbert 2 trng thái
u ht các nghiên cu gn ây v truyn
i ting nói qua mng IP u s dng mô hình
Gilbert  th hin c tính tn tht gói tin
[39][45][46]. Trong mô hình Gilbert 2 trng thái,
n ti trng thái 0 (gói tin không b tn tht) và
trng thái 1 (gói tin b tn tht) nh th hin trên
hình 2.2. Trong ó p là xác xut gói tin b tn tht khi nhn c gói tin k trc và q là
xác xut gói tin nhn b tn tht khi gói tin k trc ã b tn tht. Bên cnh ó, mô hình
Bernoulli cng thng c s dng và chính là mt trng hp c th ca mô hình
Gilbert 2 trng thái khi p = q.
Hình 2. 2: Mô hình Gilbert 2 trng thái