Đánh giá hiệu năng của một số giải pháp truyền video trên mạng cục bộ không dây

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRUYỀN VIDEO<br /> TRÊN MẠNG CỤC BỘ KHÔNG DÂY<br /> LÊ TẤN<br /> Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế<br /> Tóm tắt: Bài báo này nhằm mục tiêu đánh giá một số giải pháp truyền video<br /> trên mạng cục bộ không dây (WLAN). Các giải pháp 802.11e EDCA, Static<br /> mapping, Adaptive mapping được thực hiện dựa trên thuật toán quản lý hàng<br /> đợi kết hợp với việc mã hóa file video theo chuẩn MPEG-4 [3], nhằm đảm bảo<br /> việc truyền file video và tận dụng không gian hàng đợi một cách hiệu quả.<br /> Thông qua các giải pháp truyền file video (802.11e EDCA, Static mapping,<br /> Adaptive mapping), tác giả đã phân tích, so sánh, đánh giá hiệu năng, bằng<br /> cách dựa vào file video nhận được sau khi truyền, tỉ lệ mất gói và chỉ số PSNR<br /> (Peak signal-to-noise ratio) dưới các điều kiện tải mạng khác nhau.<br /> Từ khóa: MPEG-4, 802.11e video, mạng không dây<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trong những năm gần đây, WLAN đã trở nên phổ biến trong các cơ quan, doanh<br /> nghiệp, trường học. Bên cạnh đó do nhu cầu cuộc sống ngày càng cao, người dùng ngày<br /> càng sử dụng nhiều các thiết bị truy cập có hỗ trợ WLAN để trao đổi thông tin cũng như<br /> phục vụ nhu cầu giải trí, trong đó có việc sử dụng dữ liệu video. Tuy nhiên, việc truyền<br /> dữ liệu video trong WLAN thường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như giới hạn băng<br /> thông, độ trễ, độ nhiễu và tỉ lệ mất gói làm cho chất lượng video ở phía nhận không cao.<br /> Do đó nhà quản lí mạng phải tìm ra các giải pháp truyền video nhằm nâng cao chất<br /> lượng dịch vụ, đáp ứng nhu cầu cho người sử dụng.<br /> Ngày nay, các chuẩn mã hóa video phát triển không ngừng và đã góp phần nâng cao<br /> khả năng và hiệu quả trong việc truyền dữ liệu theo dạng truyền thông đa phương tiện.<br /> Để cho việc truyền video được linh động và hiệu quả hơn người ta thường dùng kỹ thuật<br /> mã hóa phân cấp [1], [8].<br /> Với mã hóa phân cấp, khi dữ liệu được truyền trên đường truyền có băng thông thấp,<br /> các gói tin có ưu tiên thấp có thể bị loại bỏ. Chính nhờ cơ chế này mà luồng dữ liệu kiểu<br /> video hoặc audio có mức ưu tiên cao hơn sẽ được truyền đi trước.<br /> Ngoài việc sử dụng mã hóa file video trước khi truyền, trong WLAN sử dụng chuẩn<br /> IEEE 802.11e [5] để hỗ trợ chất lượng dịch vụ truyền gói tin.<br /> 2. CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN VIDEO TRÊN WLAN<br /> Thời gian vừa qua đã có nhiều nghiên cứu về những cơ chế nhằm cải tiến khả năng<br /> truyền video trên mạng sử dụng chuẩn 802.11e. Trong [6], [7], Takeuchi và Wang đã đề<br /> xuất một giải pháp để cải tiến giá trị kích thước cửa sổ xung đột nhằm tăng thông lượng<br /> hệ thống. Trong [2], Hasegewa đề xuất cơ chế lập lịch để truyền lại dựa vào EDF<br /> Tạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Huế<br /> ISSN 1859-1612, Số 03(31)/2013: tr. 65-72<br /> <br /> 66<br /> <br /> LÊ TẤN<br /> <br /> (Early-deadline-first) đã xét đến thời gian sống của gói tin (play-out deadline). Tuy<br /> nhiên, mặc dù tất cả những giải pháp trên đều thực thi tốt hơn chuẩn 802.11e nhưng<br /> chúng không xem xét đến tầm quan trọng của dữ liệu (chẳng hạn như kiều dữ liệu video<br /> cần được đặt mức ưu tiên cao hơn) nên việc truyền dữ liệu này không đạt hiệu quả, chất<br /> lượng rất kém. Vì vậy tác giả nghiên cứu một số giải pháp truyền video hiệu quả tốt<br /> hơn.<br /> 2.1. Giải pháp của 802.11e EDCA<br /> Trong chuẩn 802.11e có sử dụng cơ chế phân tranh kênh truyền phân tán (Enhanced<br /> Distributed Channel Access (EDCA)). Cơ chế này phân loại lưu lượng mạng vào bốn<br /> cấp độ truy cập khác nhau gọi là AC (Access Categories) gồm AC_VO (voice), AC_VI<br /> (video), AC_BE (best effort), và AC _BK (background). Trong nghiên cứu này, tác giả<br /> kí hiệu AC_VO là AC3, AC_VI là AC2, AC_BE là AC1, và AC_BK là AC0.<br /> Đối với giải pháp trên các luồng dữ liệu video có ưu tiên cao nhất sẽ được chuyển vào<br /> hàng đợi AC2, các luồng dữ liệu khác sẽ được chuyển vào các AC còn lại. Sự khác biệt<br /> về độ ưu tiên được sử dụng bởi EDCA đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt hơn trong khi<br /> vẫn đảm bảo dịch vụ tối thiểu cho các luồng dữ liệu trên mạng có độ ưu tiên thấp. Mặc<br /> dù giải pháp này đã cải tiến được chất lượng dịch vụ của luồng dữ liệu trên mạng theo<br /> thời gian thực nhưng hiệu suất truyền video đạt được vẫn chưa được tối ưu. Lý do cho<br /> việc này là trong điều kiện tải mạng cao, dung lượng các luồng dữ liệu video đến quá<br /> lớn dẫn đến sẽ bị đánh rớt ngẫu nhiên. Do đó, ở phía nhận sẽ nhận không đủ số gói tin<br /> video để giải mã, vì vậy chất lượng video rất kém.<br /> 2.2. Giải pháp Static mapping [4]<br /> Giải pháp này tận dụng thêm không gian của hai hàng đợi AC1 và AC0 để lưu trữ file<br /> video. Dữ liệu video sau khi được mã hóa theo chuẩn MPGE-4, các gói tin video sẽ<br /> được ánh xạ vào các hàng đợi theo thứ tự ưu tiên. Cụ thể là khung I sẽ được chuyển vào<br /> AC2, khung P được chuyển vào AC1 và khung B sẽ được chuyển vào AC0. Nhờ vào cơ<br /> chế này mà số gói tin sẽ bị hạn chế bị đánh rớt. Tuy nhiên, giải pháp này còn hạn chế ở<br /> chổ không tối ưu trong các tình trạng tải mạng khác nhau. Thực tế là khi tải mạng cao,<br /> giải pháp này thực hiện rất tốt vì các luồng dữ liệu video được phân bố đồng đều vào<br /> các hàng đợi, tránh xảy ra trường hợp đánh rớt gói tin. Tuy nhiên, khi tải mạng tải thấp,<br /> hàng đợi AC2 có thể rỗng, dẫn đến việc trễ gói tin cho quá trình truyền gói tin đối với<br /> các hàng đợi AC1 và AC0, và thậm chí nếu như AC1 và AC0 đều đầy tại cùng một thời<br /> điểm thì tỉ lệ mất gói sẽ rất lớn.<br /> 2.3. Giải pháp Adaptive mapping<br /> Giải pháp này dựa vào kích thước hiện thời của hàng đợi để nhận biết tình trạng tải<br /> mạng khác nhau. Nhờ vào việc quản lý từng hàng đợi cụ thể mà giải pháp đã tận dụng<br /> tối đa không gian hàng đợi. Qua đó, giải pháp đã hạn chế việc đánh rớt các gói tin, đặc<br /> biệt là gói tin có độ ưu tiên cao nhất. Trong giải pháp này, sau quá trình mã hóa file<br /> <br /> ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRUYỀN VIDEO...<br /> <br /> 67<br /> <br /> video theo chuẩn MPEG-4. Khung video có ưu tiên cao nhất sẽ được gán Pro_Type<br /> thấp nhất (Prob_B> Prob_P > Prob_I). Giải pháp Adaptive mapping được mô tả bằng<br /> giả mã như sau:<br /> Khởi tạo:<br /> RN←Random[0,1]<br /> N←2<br /> Khi mỗi gói tin video đến (*):<br /> Kiểm tra chiều dài hàng đợi hiện tại của AC[N]<br /> If qlen(AC[N]) < threshold_low<br /> Cho gói tin vào AC[N]<br /> Else<br /> If qlen(AC[N]) ≥ threshold_high<br /> Gói tin được chuyển đến AC[N-1] và goto (*)<br /> Else<br /> Tính toán xác suất ánh xạ Prob_N<br /> <br /> Pr ob _ N = Pr ob _ type *<br /> <br /> qlen(AC[N]) − threshold _ low<br /> threshold _ high − threshold _ low<br /> <br /> If (Prob_N ≥ RN)<br /> Gói tin được chuyển đến AC[N-1]và goto (*)<br /> Else<br /> Cho gói tin vào AC[N]<br /> <br /> Đối với giải pháp Adaptive mapping thì khi một gói video đến, thuật toán kiểm tra kích<br /> thước hàng đợi hiện thời AC2 và so sánh với các giá trị ngưỡng cao threshold_high và<br /> ngưỡng thấp threshold_low. Nếu kích thước hàng đợi nhỏ hơn giá trị threshold_low (tải<br /> mạng thấp) tất cả luồng dữ liệu video sẽ được đưa vào AC2. Nhưng nếu kích thước<br /> hàng đợi lớn hơn threshold-high (tải mạng cao) thì dữ liệu video sẽ được đưa vào hàng<br /> đợi có độ ưu tiên thấp hơn AC1 hoặc AC0. Trường hợp còn lại thì quyết định đưa vào<br /> AC nào được xác định dựa vào xác suất ánh xạ (Prob_Type) và điều kiện kích thước<br /> hàng đợi hiện tại được xác định theo công thức tính xác suất. Vì vậy, xác suất mới<br /> (Prob_N) được tính bằng cách thay đổi tỉ lệ Prob_Type tùy theo lượng dữ liệu hiện tại.<br /> Kết quả là gói dữ liệu video sẽ được đưa vàoAC2, AC1 hoặc AC0 tùy thuộc vào giá trị<br /> xác suất được tính lại. Bằng cách xét theo lược đồ ưu tiên như trên cùng chiến lược<br /> quản lí kích thước hàng đợi, tỉ lệ đánh rớt của video được giảm thiểu đồng thời tận dụng<br /> hiệu quả các tài nguyên của mạng.<br /> 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT LUẬN<br /> <br /> 68<br /> <br /> LÊ TẤN<br /> <br /> 3.1. Môi trường thí nghiệm và thiết lập<br /> Để đánh giá hiệu suất của các giải pháp, tác giả xây dựng môi trường mô phỏng trên<br /> phần mềm NS2 [9]. Trong kiến trúc mạng giả lập, thực hiện giả lập truyền đơn điểm<br /> (một nút gửi làm chức năng server truyền đến một nút nhận), tốc độ truyền là 1Mbps.<br /> Để tạo sự cạnh tranh ảo, tác giả tạo thêm các lưu lượng và cùng truyền đồng thời là lưu<br /> lượng âm thanh (64k), UDP, TCP. Thông qua mô phỏng, các thông số về việc truyển tải<br /> dữ liệu của ba giải pháp 802.11e EDCA, Static mapping và Adaptive mapping được lấy<br /> và so sánh.<br /> Mỗi khung video được phân đoạn thành những gói tin trước khi truyền và kích thước<br /> gói tin truyền tối đã qua mạng giả lập là 1000 byte.<br /> Mô hình mạng sử dụng trong mô phỏng:<br /> <br /> Video gửi<br /> <br /> Video nhận<br /> <br /> Hình 1. Mô hình mô phỏng<br /> <br /> 3.2. Quy trình mô phỏng và phân tích kết quả<br /> Môi trường giả lập là trường hợp mạng truyền một luồng video từ bên gửi đến bên<br /> nhận. Mô phỏng được thực hiện bởi hai kịch bản được trình bày dưới đây.<br /> 3.2.1. Kịch bản 1<br /> Trong kịch bản 1, tác giả đánh giá chất lượng video nhận được từ phía nhận dựa vào số<br /> gói tin mất của từng loại khung video và trung bình PSNR. Mức độ sử dụng không gian<br /> hàng đợi được đánh giá thông qua sự biến thiên hàng đợi của mỗi AC.<br /> Từ khía cạnh về số khung bị mất được cho ở bảng 1, chúng ta có thể thấy rằng trong<br /> 802.11e EDCA chưa có cơ chế quản lí hàng đợi hiệu quả, do đó tất cả các gói tin video<br /> đều đưa vào AC2. Kết quả được dẫn đến là khi lưu lượng video nhiều thì bộ đệm hàng<br /> đợi sẽ đầy, các gói tin tới sẽ bị đánh rớt, trong đó có khung I là khung có độ quan trọng<br /> cao và kết quả là chất lượng video tại phía nhận sẽ thấp. Trong lúc đó giải pháp Static<br /> mapping đã sử dụng thêm hai hàng đợi là AC1 và AC0 nên tỉ lệ mất gói ít hơn 802.11e<br /> EDCA. Tuy nhiên, theo như kết quả minh họa ở hình 2, hình 3, hình 4 về mức độ sử<br /> dụng không gian hàng đợi thì giải pháp Static mapping không khai thác được tối đa<br /> không gian hàng đợi ưu tiên AC2. Ngược lại, giải pháp Adaptive mapping có hiệu quả<br /> rất tốt bởi vì thuật toán này đã so sánh chiều dài của từng hàng đợi cụ thể, qua đó thuật<br /> toán đã sử dụng tối đa hàng đợi có độ ưu tiên cao nhất là AC2. Nhờ có cơ chế quản lý<br /> hàng đợi mà thuật toán đã sử dụng tối đa kích thước của các hàng đợi còn lại.<br /> <br /> ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRUYỀN VIDEO...<br /> <br /> 69<br /> <br /> Hình 2. Sử dụng chiều dài hàng đợi của 802.11e EDCA<br /> <br /> Hình 3. Sử dụng chiều dài hàng đợi của Static mapping<br /> <br /> Hình 4. Sử dụng chiều dài hàng đợi của Adaptive mapping<br /> <br /> Các chỉ số hiệu suất được sử dụng để đánh giá chất lượng truyền video gồm tỉ lệ mất<br /> khung, tỉ lệ mất gói, trung bình PSNR, và video được cấu trúc lại được đánh giá qua<br /> hình thu được.<br /> Bảng 1 thống kê giá trị PSNR và tỉ lệ mất gói của video. Số lượng các gói bị mất của<br /> những loại khung khác nhau phù hợp với độ quan trọng của khung video. Vì lí do này<br /> mà khung I sẽ nhận độ ưu tiên cao nhất trong thuật toán Adaptive mapping và thuật toán<br /> <br />