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

Tạp chí Khoa học và Giáo dục, Trường Đại học Sư phạm Huế ISSN 1859-1612, Số 03(31)/2013: tr. 65-72 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG CỤC BỘ KHÔNG DÂY LÊ TẤN Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế Tóm tắt: Bài báo này nhằm mục tiêu đánh giá một số giải pháp truyền video trên mạng cục bộ không dây (WLAN). Các giải pháp 802.11e EDCA, Static mapping, Adaptive mapping được thực hiện dựa trên thuật toán quản lý hàng đợi kết hợp với việc mã hóa file video theo chuẩn MPEG-4 [3], nhằm đảm bảo việc truyền file video và tận dụng không gian hàng đợi một cách hiệu quả. Thông qua các giải pháp truyền file video (802.11e EDCA, Static mapping, Adaptive mapping), tác giả đã phân tích, so sánh, đánh giá hiệu năng, bằng cách dựa vào file video nhận được sau khi truyền, tỉ lệ mất gói và chỉ số PSNR (Peak signal-to-noise ratio) dưới các điều kiện tải mạng khác nhau. Từ khóa: MPEG-4, 802.11e video, mạng không dây 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, WLAN đã trở nên phổ biến trong các cơ quan, doanh nghiệp, trường học. Bên cạnh đó do nhu cầu cuộc sống ngày càng cao, người dùng ngày càng sử dụng nhiều các thiết bị truy cập có hỗ trợ WLAN để trao đổi thông tin cũng như phục vụ nhu cầu giải trí, trong đó có việc sử dụng dữ liệu video. Tuy nhiên, việc truyền dữ liệu video trong WLAN thường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như giới hạn băng thông, độ trễ, độ nhiễu và tỉ lệ mất gói làm cho chất lượng video ở phía nhận không cao. Do đó nhà quản lí mạng phải tìm ra các giải pháp truyền video nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ, đáp ứng nhu cầu cho người sử dụng. Ngày nay, các chuẩn mã hóa video phát triển không ngừng và đã góp phần nâng cao khả năng và hiệu quả trong việc truyền dữ liệu theo dạng truyền thông đa phương tiện. Để cho việc truyền video được linh động và hiệu quả hơn người ta thường dùng kỹ thuật mã hóa phân cấp [1], [8]. Với mã hóa phân cấp, khi dữ liệu được truyền trên đường truyền có băng thông thấp, các gói tin có ưu tiên thấp có thể bị loại bỏ. Chính nhờ cơ chế này mà luồng dữ liệu kiểu video hoặc audio có mức ưu tiên cao hơn sẽ được truyền đi trước. Ngoài việc sử dụng mã hóa file video trước khi truyền, trong WLAN sử dụng chuẩn IEEE 802.11e [5] để hỗ trợ chất lượng dịch vụ truyền gói tin. 2. CÁC GIẢI PHÁP TRUYỀN VIDEO TRÊN WLAN Thời gian vừa qua đã có nhiều nghiên cứu về những cơ chế nhằm cải tiến khả năng truyền video trên mạng sử dụng chuẩn 802.11e. Trong [6], [7], Takeuchi và Wang đã đề xuất một giải pháp để cải tiến giá trị kích thước cửa sổ xung đột nhằm tăng thông lượng hệ thống. Trong [2], Hasegewa đề xuất cơ chế lập lịch để truyền lại dựa vào EDF LÊ TẤN 66 (Early-deadline-first) đã xét đến thời gian sống của gói tin (play-out deadline). Tuy nhiên, mặc dù tất cả những giải pháp trên đều thực thi tốt hơn chuẩn 802.11e nhưng chúng không xem xét đến tầm quan trọng của dữ liệu (chẳng hạn như kiều dữ liệu video cần được đặt mức ưu tiên cao hơn) nên việc truyền dữ liệu này không đạt hiệu quả, chất lượng rất kém. Vì vậy tác giả nghiên cứu một số giải pháp truyền video hiệu quả tốt hơn. 2.1. Giải pháp của 802.11e EDCA Trong chuẩn 802.11e có sử dụng cơ chế phân tranh kênh truyền phân tán (Enhanced Distributed Channel Access (EDCA)). Cơ chế này phân loại lưu lượng mạng vào bốn cấp độ truy cập khác nhau gọi là AC (Access Categories) gồm AC_VO (voice), AC_VI (video), AC_BE (best effort), và AC _BK (background). Trong nghiên cứu này, tác giả kí hiệu AC_VO là AC3, AC_VI là AC2, AC_BE là AC1, và AC_BK là AC0. Đối với giải pháp trên các luồng dữ liệu video có ưu tiên cao nhất sẽ được chuyển vào hàng đợi AC2, các luồng dữ liệu khác sẽ được chuyển vào các AC còn lại. Sự khác biệt về độ ưu tiên được sử dụng bởi EDCA đảm bảo chất lượng dịch vụ tốt hơn trong khi vẫn đảm bảo dịch vụ tối thiểu cho các luồng dữ liệu trên mạng có độ ưu tiên thấp. Mặc dù giải pháp này đã cải tiến được chất lượng dịch vụ của luồng dữ liệu trên mạng theo thời gian thực nhưng hiệu suất truyền video đạt được vẫn chưa được tối ưu. Lý do cho việc này là trong điều kiện tải mạng cao, dung lượng các luồng dữ liệu video đến quá lớn dẫn đến sẽ bị đánh rớt ngẫu nhiên. Do đó, ở phía nhận sẽ nhận không đủ số gói tin video để giải mã, vì vậy chất lượng video rất kém. 2.2. Giải pháp Static mapping [4] Giải pháp này tận dụng thêm không gian của hai hàng đợi AC1 và AC0 để lưu trữ file video. Dữ liệu video sau khi được mã hóa theo chuẩn MPGE-4, các gói tin video sẽ được ánh xạ vào các hàng đợi theo thứ tự ưu tiên. Cụ thể là khung I sẽ được chuyển vào AC2, khung P được chuyển vào AC1 và khung B sẽ được chuyển vào AC0. Nhờ vào cơ chế này mà số gói tin sẽ bị hạn chế bị đánh rớt. Tuy nhiên, giải pháp này còn hạn chế ở chổ không tối ưu trong các tình trạng tải mạng khác nhau. Thực tế là khi tải mạng cao, giải pháp này thực hiện rất tốt vì các luồng dữ liệu video được phân bố đồng đều vào các hàng đợi, tránh xảy ra trường hợp đánh rớt gói tin. Tuy nhiên, khi tải mạng tải thấp, hàng đợi AC2 có thể rỗng, dẫn đến việc trễ gói tin cho quá trình truyền gói tin đối với các hàng đợi AC1 và AC0, và thậm chí nếu như AC1 và AC0 đều đầy tại cùng một thời điểm thì tỉ lệ mất gói sẽ rất lớn. 2.3. Giải pháp Adaptive mapping Giải pháp này dựa vào kích thước hiện thời của hàng đợi để nhận biết tình trạng tải mạng khác nhau. Nhờ vào việc quản lý từng hàng đợi cụ thể mà giải pháp đã tận dụng tối đa không gian hàng đợi. Qua đó, giải pháp đã hạn chế việc đánh rớt các gói tin, đặc biệt là gói tin có độ ưu tiên cao nhất. Trong giải pháp này, sau quá trình mã hóa file ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRUYỀN VIDEO... 67 video theo chuẩn MPEG-4. Khung video có ưu tiên cao nhất sẽ được gán Pro_Type thấp nhất (Prob_B> Prob_P > Prob_I). Giải pháp Adaptive mapping được mô tả bằng giả mã như sau: Khởi tạo: RN←Random[0,1] N←2 Khi mỗi gói tin video đến (*): Kiểm tra chiều dài hàng đợi hiện tại của AC[N] If qlen(AC[N]) < threshold_low Cho gói tin vào AC[N] Else If qlen(AC[N]) ≥ threshold_high Gói tin được chuyển đến AC[N-1] và goto (*) Else Tính toán xác suất ánh xạ Prob_N lowthresholdhighthreshold lowthresholdqlentypeobNob __ _)AC[N](*_Pr_Pr − − = If (Prob_N ≥ RN) Gói tin được chuyển đến AC[N-1]và goto (*) Else Cho gói tin vào AC[N] Đối với giải pháp Adaptive mapping thì khi một gói video đến, thuật toán kiểm tra kích thước hàng đợi hiện thời AC2 và so sánh với các giá trị ngưỡng cao threshold_high và ngưỡng thấp threshold_low. Nếu kích thước hàng đợi nhỏ hơn giá trị threshold_low (tải mạng thấp) tất cả luồng dữ liệu video sẽ được đưa vào AC2. Nhưng nếu kích thước hàng đợi lớn hơn threshold-high (tải mạng cao) thì dữ liệu video sẽ được đưa vào hàng đợi có độ ưu tiên thấp hơn AC1 hoặc AC0. Trường hợp còn lại thì quyết định đưa vào AC nào được xác định dựa vào xác suất ánh xạ (Prob_Type) và điều kiện kích thước hàng đợi hiện tại được xác định theo công thức tính xác suất. Vì vậy, xác suất mới (Prob_N) được tính bằng cách thay đổi tỉ lệ Prob_Type tùy theo lượng dữ liệu hiện tại. Kết quả là gói dữ liệu video sẽ được đưa vàoAC2, AC1 hoặc AC0 tùy thuộc vào giá trị xác suất được tính lại. Bằng cách xét theo lược đồ ưu tiên như trên cùng chiến lược quản lí kích thước hàng đợi, tỉ lệ đánh rớt của video được giảm thiểu đồng thời tận dụng hiệu quả các tài nguyên của mạng. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT LUẬN LÊ TẤN 68 Video gửi Video nhận 3.1. Môi trường thí nghiệm và thiết lập Để đánh giá hiệu suất của các giải pháp, tác giả xây dựng môi trường mô phỏng trên phần mềm NS2 [9]. Trong kiến trúc mạng giả lập, thực hiện giả lập truyền đơn điểm (một nút gửi làm chức năng server truyền đến một nút nhận), tốc độ truyền là 1Mbps. Để tạo sự cạnh tranh ảo, tác giả tạo thêm các lưu lượng và cùng truyền đồng thời là lưu lượng âm thanh (64k), UDP, TCP. Thông qua mô phỏng, các thông số về việc truyển tải dữ liệu của ba giải pháp 802.11e EDCA, Static mapping và Adaptive mapping được lấy và so sánh. Mỗi khung video được phân đoạn thành những gói tin trước khi truyền và kích thước gói tin truyền tối đã qua mạng giả lập là 1000 byte. Mô hình mạng sử dụng trong mô phỏng: Hình 1. Mô hình mô phỏng 3.2. Quy trình mô phỏng và phân tích kết quả Môi trường giả lập là trường hợp mạng truyền một luồng video từ bên gửi đến bên nhận. Mô phỏng được thực hiện bởi hai kịch bản được trình bày dưới đây. 3.2.1. Kịch bản 1 Trong kịch bản 1, tác giả đánh giá chất lượng video nhận được từ phía nhận dựa vào số gói tin mất của từng loại khung video và trung bình PSNR. Mức độ sử dụng không gian hàng đợi được đánh giá thông qua sự biến thiên hàng đợi của mỗi AC. Từ khía cạnh về số khung bị mất được cho ở bảng 1, chúng ta có thể thấy rằng trong 802.11e EDCA chưa có cơ chế quản lí hàng đợi hiệu quả, do đó tất cả các gói tin video đều đưa vào AC2. Kết quả được dẫn đến là khi lưu lượng video nhiều thì bộ đệm hàng đợi sẽ đầy, các gói tin tới sẽ bị đánh rớt, trong đó có khung I là khung có độ quan trọng cao và kết quả là chất lượng video tại phía nhận sẽ thấp. Trong lúc đó giải pháp Static mapping đã sử dụng thêm hai hàng đợi là AC1 và AC0 nên tỉ lệ mất gói ít hơn 802.11e EDCA. Tuy nhiên, theo như kết quả minh họa ở hình 2, hình 3, hình 4 về mức độ sử dụng không gian hàng đợi thì giải pháp Static mapping không khai thác được tối đa không gian hàng đợi ưu tiên AC2. Ngược lại, giải pháp Adaptive mapping có hiệu quả rất tốt bởi vì thuật toán này đã so sánh chiều dài của từng hàng đợi cụ thể, qua đó thuật toán đã sử dụng tối đa hàng đợi có độ ưu tiên cao nhất là AC2. Nhờ có cơ chế quản lý hàng đợi mà thuật toán đã sử dụng tối đa kích thước của các hàng đợi còn lại. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRUYỀN VIDEO... 69 Hình 2. Sử dụng chiều dài hàng đợi của 802.11e EDCA Hình 3. Sử dụng chiều dài hàng đợi của Static mapping Hình 4. Sử dụng chiều dài hàng đợi của Adaptive mapping Các chỉ số hiệu suất được sử dụng để đánh giá chất lượng truyền video gồm tỉ lệ mất khung, tỉ lệ mất gói, trung bình PSNR, và video được cấu trúc lại được đánh giá qua hình thu được. Bảng 1 thống kê giá trị PSNR và tỉ lệ mất gói của video. Số lượng các gói bị mất của những loại khung khác nhau phù hợp với độ quan trọng của khung video. Vì lí do này mà khung I sẽ nhận độ ưu tiên cao nhất trong thuật toán Adaptive mapping và thuật toán LÊ TẤN 70 Static mapping, nên khung I có tỉ lệ mất gói bằng 0. Trong khi đó, khung B được gán độ ưu tiên thấp nhất, vì vậy khung B có tỉ lệ mất gói lớn hơn những loại khung khác. Bảng 1. So sánh trung bình PSNR và số khung bị mất của từng loại khung Thuật toán Trung bình PSNR Khung I Khung P Khung B Tổng 802.11e EDCA 41.74 1 0 19 20 Static mapping 43.87 0 4 4 8 Adaptive mapping 44.73 0 0 10 10 Dựa vào chỉ số trung bình PSNR trong bảng 1, thuật toán Adaptive mapping có giá trị trung bình PSNR cao hơn so với thuật toán còn lại, thông qua Hình 5 cho ta sự so sánh trực quan về chất lượng truyền video của 3 thuật toán được xét trong mô hình giả lập. Nó cho thấy rằng, chất lượng truyền video sử dụng thuật toán Adaptive mapping có hiệu quả tốt hơn. Hình 5. Hình sau khi nhận được của 3 thuật toán 3.2.2. Kịch bản 2 Kết quả mô phỏng các thuật toán với các điều kiện tải mạng khác nhau qua từng trường hợp: TH1, TH2, TH3, TH4, TH5 được cho trong bảng 2. Bảng 2. Số luồng lưu lượng mạng khác nhau của từng trường hợp TH1 1 audio 1 best effort 1 backgound trafic TH2 2 audio 2 best effort 2 backgound trafic TH3 3 audio 3 best effort 3 backgound trafic TH4 5 audio 5 best effort 5 backgound trafic TH5 10 audio 10 best effort 10 backgound trafic Sau khi mô phỏng, giá trị trung bình PSNR của 3 thuật toán được cho ở bảng 3. Bảng 3. So sánh trung bình PSNR của các thuật toán qua từng trường hợp Average PSNR(dB) CÁC TRƯỜNG HỢP TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 802.11e EDCA 35.68 34.57 33.61 30.93 30.17 STATIC MAPING 35.45 34.57 33.80 32.82 31.45 ADAPTIVE MAPING 35.73 34.91 34.03 33.13 32.15 + Khi tải mạng thấp (đối với trường hợp TH1 và trường hợp TH2) thì thuật toán Static mapping đã xảy ra hiện tượng mất gói tin là không cần thiết, bởi vì thuật toán Static mapping đã cho các gói tin vào những hàng đợi có độ ưu tiên thấp nên kết quả là có giá ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRUYỀN VIDEO... 71 trị PSNR tương đương hoặc có thể thấp hơn 802.11e EDCA. Trong lúc đó thuật toán Adaptive mapping có cơ chế quản lí hàng đợi để kiểm soát tình trạng mạng và ánh xạ gói tin vào từng hàng đợi một cách hợp lí. Vì vậy thuật toán này đã cho kết quả trung bình PSNR tương tự như 802.11e EDCA và cao hơn thuật toán ánh xạ tĩnh. + Trong điều kiện tải mạng cao (đối với TH3, TH4 và TH5), thuật toán Static mapping có tỉ lệ mất khung ít hơn và có giá trị trung bình PSNR cao hơn 802.11e EDCA. Thuật toán Adaptive mapping có giá trị trung bình PSNR cao hơn thuật toán Static mapping và 802.11e EDCA. Từ các kết quả ở hình 6 cho ta thấy: trong 3 giải pháp thì giải pháp Adaptive mapping hoạt động tốt trong mọi điều kiện tải mạng khác nhau. Do giải pháp này đã sử dụng cơ chế quản lý hàng đợi có giám sát tình trạng tải mạng, thông qua kích thước hàng đợi hiện thời để cho gói tin có độ quan trọng vào từng hàng đợi một cách hợp lí. Hình 6. Đồ thị so sánh giá trị trung bình PSNR qua các trường hợp 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Qua quá trình nghiên cứu các giải pháp truyền video trên mạng WLAN, tác giả đã cài đặt và mô phỏng thành công một số giải pháp trên phần mềm mô phỏng NS2. Từ kết quả mô phỏng, tác giả đã tiến hành phân tích, so sánh, đánh giá được các ưu và nhược điểm của các giải pháp trên. Thông qua kết quả mô phỏng, tác giả nhận thấy rằng giải pháp Adaptive mapping có ưu điểm nhất trong việc truyền video qua WLAN trong mọi điều kiện tải mạng khác nhau. Trong tương lai, tác giả tiếp tục nghiên cứu các vấn đề về truyền video trên mạng WLAN. Bên cạnh đó, tác giả tiến hành sử dụng các mô hình toán học để đánh giá các giải pháp một cách chính xác hơn, đồng thời xác định giá trị RN tối ưu trong giải pháp Adaptive mapping. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bosveld F., Lagendijk R. L., Biemond J. (1992). Hierarchical video coding using a spatio-temporal subband decomposition, In IEEE international conference on acoustics, speech, and signal processing, ICASSP-92, Vol. 3, pp. 221–224. LÊ TẤN 72 [2] Hasegewa, T., Kato, T., & Suzuki, K. (1996). A video retrieval protocol with video data prefetch and packet retransmission considering play-out deadline, In IEEE international conference of network protocols proceeding. [3] Olivier Avaro, Alexandros Eleftheriadis (2000). Overview of the MPEG-4 standard, Signal Processing: Image Communication 15, pp. 281-298 [4] Ksentini, A., Naimi, M., and Gueroui. A. (2006). Toward an improvement of H.264 video transmission over IEEE 802.11e through a cross-layer architecture, IEEE Communications Magazine. [5] Mangold, S., Choi, S., Hiertz, G. R., Klein, O., & Walke, B.(2003). Analysis of IEEE 802.11e for QoS support in wireless LANs, In IEEE wireless communications mag (pp. 40–50). [6] Takeuchi, S., Sezaki, K., & Yasuda, Y. (2005). Dynamic adaptation of contention window sizes in IEEE 802.11e wireless LAN, In Fifth international conference on information, communications and signal processing (pp. 659–663). [7] Wang, Y., & Huang, B. (2004). Performance improvement of IEEE 802.11e”. In The 13th IEEE workshop on local and metropol itanareanetworks, pp. 51–54. [8] Illgner K., Muller F. (1995). Hierarchical coding of motionvector fields, In International conference on image processing, Vol. 1, pp. 566–569. [9] “The Network Simulator - ns-2”, truy cập ngày 19/12/2013, Title: PERFORMANCE EVALUATION OF SOME VIDEO TRANSMISSION SOLUTIONS ON WIRELESS LOCAL AREA NETWORKS (WLANs) Abstract: This paper aims at studying some solutions for transmitting videos over WLANs. These solutions are based on algorithms combined with encoding video in MPEG-4 standard, to ensure the transmission of video files and efficiently utilisation the space of queues. Testing results have been analyzed, compared, evaluated performance by relying on the video file received after transmission, packet loss rate and PSNR with some different conditions of loading network. Keywords: MPEG-4, 802.11e video, wireless networks ThS. LÊ TẤN Khoa Tin học, Trường Đại học Sư phạm – Đại học Huế ĐT: 0914 050 001, Email: letankth@gmail.com