Chương 1 – Tổng quan về mạng không dây và chất lượng dịch vụ mạng không dây. Chương 2 – Nghiên cứu về chất lượng dịch vụ (QoS) với dữ liệu đa phương tiện trên mạng không dây. Chương 3 - Đánh giá QoS dữ liệu đa phương tiện trên mạng không dây theo một số kịch bản mô phỏng. TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY VÀ CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 1.
KHÁI NIỆM VỀ MẠNG KHÔNG DÂY Mạng không dây hiểu đơn giản là mạng máy tính, hoặc mạng điện thoại sử dụng sóng radio làm sóng truyền dẫn hay hoạt động ở tầng vật lý (PHY) trong mô hình phân tầng mạng. Như vậy, có thể hiểu một mạng không dây là bao gồm nhiều máy tính được kết nối với nhau thông qua các kết nối dữ liệu không dây giữa các nút mạng. Loại hình mạng này được dùng trong nhiều phạm vi sử dụng khác nhau, từ cấp hộ gia đình, đến cấp doanh nghiệp, hoặc các cơ sở kinh doanh cỡ nhỏ, hoặc vừa và cỡ lớn,… mọi phạm vi sử dụng đều cần nối mạng Internet hoặc mạng nội bộ nhưng không muốn sử dụng nhiều dây cáp mạng để kết nối. Nhìn chung thì các cấp độ mạng không dây có thể quản lý theo nhiều cách và qua nhiều cấp: với các mạng viễn thông 3G/4G, chúng được quản lý bởi hạ tầng của các hãng viễn thông hoặc nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP), những hệ thống này thường được đặt tập trung hoặc rời rạc tại những cơ sở lưu trữ của các nhà mạng; còn với mạng không dây Wi-Fi, chúng vẫn cần một hạ tầng kết nối có dây (cáp mạng) để kết nối tới các điểm sử dụng dịch vụ (gia đình, công ty, văn phòng,…) và kết nối không dây thực sự mới được triển khai tại các địa điểm đó thông qua hai cách triển khai chính là có cơ sở hạ tầng (ví dụ dùng các điểm truy cập – AP) hoặc không có cơ sở hạ tầng – gọi là mạng tự học – Ad hoc, hoặc mạng không cấu trúc.
Phần tiếp theo sẽ trình bày rõ hơn về hai loại này cũng như mô tả chi tiết họ tiêu chuẩn IEEE 802.11 vốn dùng rộng rãi trong các mạng không dây cục bộ (Wireless LAN – WLAN). MẠNG KHÔNG DÂY THEO HỌ TIÊU CHUẨN IEEE 802.11 [1] là một tập các chuẩn của tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) gồm nhiều mô tả kỹ thuật liên quan đến n 4 hệ thống mạng không dây. Chuẩn này mô tả một giao tiếp có thể truyền qua môi trường không khí bằng cách sử dụng sóng vô tuyến để truyền và nhận tín hiệu giữa các thiết bị không dây (kiểu phi cấu trúc – Ad hoc), hoặc giữa một thiết bị không dây và điểm truy cập dịch vụ không dây (kiểu cần cơ sở hạ tầng). Như vậy, có thể thấy các loại chính của mạng không dây là: Mạng có sử dụng hạ tầng, hạ tầng ở đây thường được gọi là các điểm truy cập (AP).
Các nút mạng không dây trong phạm vi của AP sẽ giao tiếp với nhau thông qua trung gian là thiết bị AP này. Mạng không sử dụng hạ tầng, hay mạng tự học, hay mạng phi cấu trúc, hoặc đơn giản gọi tắt là mạng Ad hoc, gồm nhiều nút mạng không dây nhưng luôn di động (chuyển động liên tục), các nút này có thể tạo thành một mạng tạm thời mà không cần thiết bị trung gian hoặc hạ tầng mạng có sẵn như AP. Cấu trúc mạng như vậy có thể hoạt động một cách độc lập, hoặc mạng này có thể kết nối với các mạng có hạ tầng khác để tạo thành một mạng mới có phạm vi lớn hơn, thậm chí toàn cầu. Mô hình Ad hoc này khá phù hợp trong những điều kiện không có sẵn hạ tầng mạng như vùng núi xa, hải đảo hoặc trong những điều kiện hạn chế như vừa xảy ra thiên tai, thảm họa hoặc trong những lĩnh vực đặc biệt như quân sự.
Việc đảm bảo QoS hay chất lượng dịch vụ đối với loại hình mạng này cũng được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn so với loại hình mạng có cơ sở hạ tầng. CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ MẠNG KHÔNG DÂY 1. Một số nghiên cứu liên quan Hiệu suất truyền dữ liệu đa phương tiện qua các hệ thống truyền thông không dây mà vẫn đảm bảo các tiêu chí chất lượng dịch vụ (QoS) của nó, luôn là một thách thức lớn trong truyền thông giữa các nút mạng di động. Rất nhiều vấn đề cần giải quyết do bản thân mạng không dây không thể đảm bảo n 5 tính ổn định cũng như chất lượng dịch vụ tốt như mạng có dây truyền thông, yếu tố không dây, và sự di chuyển thay vì cố định của các nút mạng khiến rất nhiều yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu sóng, suy giảm tín hiệu ảnh hưởng đến việc truyền tin trong mạng không dây.
Với loại hình dữ liệu đa phương tiện, nếu QoS không được đảm bảo như: độ trễ (delay) phải nhỏ, tỷ lệ mất gói tin (packet loss) phải thấp, độ biến đổi trễ (jitter) phải ổn định,… sẽ gây ra các hiện tượng méo hình, vỡ tiếng, chất lượng dữ liệu suy giảm khi thực hiện các phiên truyền dữ liệu audio, video. Do vậy trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề đảm bảo QoS cho dữ liệu đa phương tiện trong mạng không dây. Ví dụ trong bài báo [2], tầm quan trọng của truyền dữ liệu đa phương tiện với việc đảm bảo QoS cho người dùng thứ cấp đã được nghiên cứu. Các tham số QoS được phân tích đối với các nút di động qua mạng không dây với thuật toán định tuyến phù hợp được xem xét.
Các thảo luận trong nghiên cứu này bao gồm cung cấp hỗ trợ QoS hiệu quả cho việc truyền đa phương tiện với các chiến lược chuyển giao (handoff) và hiệu quả tính toán các thông số hiệu suất cũng được đánh giá với công cụ mô phỏng mạng phổ biến là NS-2. Ngoài yếu tố chất lượng dịch vụ thì một yếu tố nữa cũng có thể được xem xét với chất lượng dữ liệu đa phương tiện, đó là Chất lượng trải nghiệm (Quality of Experience – QoE) được định nghĩa là khả năng chấp nhận tổng thể của một ứng dụng hoặc dịch vụ, theo nhận thức chủ quan của người dùng cuối, bao gồm cả các hiệu ứng hệ thống đầu cuối hoàn chỉnh. Điều đó có nghĩa là QoE có thể bị ảnh hưởng bởi kỳ vọng và bối cảnh của người dùng, thêm một thành phần chủ quan vào các phép đo. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu cho rằng một số chỉ số về chất lượng dịch vụ (QoS), liên quan nhiều hơn đến ứng dụng và do đó gần gũi với người dùng hơn, có thể tương quan với đánh giá của người dùng về truyền đa phương tiện.
Do đó, trong nghiên cứu [3], nhóm tác giả đã xây dựng một framework để nghiên cứu mối quan hệ giữa n 6 các số liệu QoS và QoE cho việc truyền đa phương tiện theo cùng cách phân tầng (layering) như các tầng trong mô hình Internet. Framework được đề xuất trong bài báo này được gọi là BoxingExperience, dựa trên các phần mềm mô phỏng mạng nguồn mở ns3 và VLC thiết lập trên hệ điều hành Linux. Các tác giả đã thử nghiệm framework trong bối cảnh truyền video từ camera mạng tới một số máy khách (clients). Các mô phỏng trong nghiên cứu này cho thấy rằng giải pháp đề xuất có thể dễ dàng mô phỏng trên một máy tính để bàn thông thường, một kịch bản trong đó nhiều máy khách được kết nối với một máy chủ phát trực tuyến, do đó rất dễ dàng thực hiện các nghiên cứu có liên quan tới QoS/QoE của mạng dữ liệu đa phương tiện.
Nghiên cứu [4] tập trung vào chuẩn IEEE 802.11e, tiêu chuẩn này đã được phát hành và tích hợp với họ tiêu chuẩn không dây IEEE 802.11 với mục tiêu đảm bảo chất lượng dịch vụ, đặc biệt với dữ liệu đa phương tiện. Tuy nhiên, tiêu chuẩn này chỉ ấn định các ưu tiên cho các loại dữ liệu khác nhau nhưng không kiểm soát việc chia sẻ băng thông giữa các luồng dữ liệu khác nhau. Do vậy nghiên cứu này đã đề xuất một phương pháp chia sẻ băng thông theo tỷ lệ khác nhau cho các luồng dữ liệu đa phương tiện thông qua việc điều khiển động tham số cửa sổ tương tranh (Contention Window – CW) của mỗi luồng dữ liệu đa phương tiện vốn có ưu tiên khác nhau, nhằm để đạt được tỷ lệ khác nhau theo nhu cầu sử dụng. Một vài tìm hiểu ngắn gọn như trên cho thấy rằng vấn đề đảm bảo QoS cho dữ liệu đa phương tiện trên mạng không dây là chủ đề được cộng đồng nghiên cứu quan tâm, tìm hiểu rất nhiều, việc sử dụng phương pháp mô phỏng mạng (network simulation) cũng thường được sử dụng trong các nghiên cứu về lĩnh vực này, trong đó các phần mềm mã nguồn mở như NS-2, ns3 được sử dụng khá nhiều trong các nghiên cứu liên quan.
Các vấn đề chính của chất lượng dịch vụ mạng Khi Internet chưa phát triển bùng nổ, dữ liệu truyền trên đó chủ yếu là truyền dữ liệu thuần túy như văn bản, tệp… thì việc phân biệt các dịch vụ truyền hoặc tạo ưu tiên cho các dịch vụ khác nhau là không cần thiết do tài nguyên mạng (ví dụ bang thông) là đáp ứng đủ cho yêu cầu của các ứng dụng đang sử dụng mạng, do đó các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng cơ chế Nỗ lực tối đa (BE – Best-Effort) như nhau cho mọi người dùng. Các gói tin (packet) sẽ được truyền đi theo nguyên tắc “vào trước ra trước” hoặc “đến trước phục vụ trước” (FIFO – First In First Out) mà không cần chú ý đến đặc điểm lưu lượng (traffic) của các yêu cầu dịch vụ. Cách truyền tin như vậy sẽ không phù hợp với các loại hình dữ liệu mà đòi hỏi độ trễ (delay) phải càng thấp càng tốt như các dịch vụ thời gian thực (real-time) hay truyền phát video (streaming). Các dịch vụ ứng dụng để truyền và nhận các loại dữ liệu động như âm thanh (audio) hoặc video nói trên được gọi là đa phương tiện (multimedia data application).
Loại dữ liệu đa phương tiện như vậy sẽ nhạy cảm với yếu tố độ trễ nhưng ngược lại, lại cho phép yếu tố tỷ lệ mất gói tin xảy ra ở một ngưỡng nào đó có thể chấp nhận được. Tính chất như vậy lại ngược lại so với các ứng dụng truyền tin văn bản, text,… truyền thống nên sẽ dẫn đến cần yêu cầu chất lượng dịch vụ khác đi.