Xu hướng phát triển của các mạng truyền thông đa phương tiện không dây

Giới thiệu

Ngày nay, truyền thông đa phương tiện (ĐPT) qua các mạng IP và không dây đang thực sự bùng nổ. Phần lớn lưu lượng trên Internet hiện nay có bản chất là dữ liệu âm nhạc, video. Song song đó sự phát triển liên tục của các thiết bị giải trí cầm tay đã góp phần tạo nên cuộc cách mạng trong việc chia sẽ dữ liệu đa phương tiện trên toàn thế giới. Các nhà cung cấp dịch vụ đã góp phần đẩy mạnh các ứng dụng liên quan đến audio/video theo yêu cầu (Audio/Video on Demand – AoD/VoD). Điển hình như CNN.com, YouTube.com, … Họ đã đưa VoD đến với mọi người, thông qua nhiều thiết bị hiển thị khác nhau, như PC, Laptop, hay điện thoại di động. Ngoài ra sự phát triển của điện thoại qua Internet, điển hình như Skype, đã cung cấp ứng dụng thoại và hội nghị video qua Internet một cách thuận tiện.

Chúng ta đang chứng kiến một cuộc cách mạng trong truyền thông, khi mà tất cả mọi thứ, phát thanh, truyền hình, điện thoại, … đều được phân phối dựa trên nền tảng mạng IP hữu tuyến hay vô tuyến. Một trở ngại lớn là Internet và các mạng không dây không hỗ trợ tốt cho việc truyền dẫn dữ liệu ĐPT, do đặc tính khó dự đoán và hay thay đổi của chúng. Sự biến động các điều kiện của mạng có thể tác động nghiêm trọng đến các ứng dụng ĐPT thời gian thực và gây ra những điều không hài lòng đối với người sử dụng. Nói chung, các ứng dụng ĐPT có khuynh hướng nhạy cảm với độ trễ, băng thông. Những đặc tính này có thể làm thay đổi các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế truyền thống cho những ứng dụng kiểu như vậy. Bởi vì những kiến thức truyền thống theo lý thuyết thông tin, liên lạc và xử lý tín hiệu, có thể không hoàn toàn hợp lý trong các điều kiện kênh truyền là rất biến động theo thời gian, nhạy cảm với trễ của các ứng dụng ĐPT, và nhất là trong các môi trường truyền dẫn có tác động qua lại giữa đa người dùng. Đó cũng là khuynh hướng nghiên cứu rất được quan tâm trong lĩnh vực truyền thông đa phương tiện.

Truyền dẫn dữ liệu đa phương tiện

Hạ tầng truyền thông như Internet và các mạng không dây đang ngày càng phát triển và là cơ sở cho các ứng dụng ĐPT. Những ứng dụng điển hình như tải âm nhạc cho các thiết bị cầm tay, xem phim trên Laptop, duyệt các video trên website, hay VoIP, IPTV, … đang trở nên ngày càng thông dụng.

Có hai phương thức vận hành đối với việc sử dụng các dữ liệu ĐPT, đó là theo luồng (streaming) hay tải về (downloading).

Các ứng dụng tải về thông thường (như FTP) thường cần phải tải toàn bộ dữ liệu của một file về trước khi xem hay nghe chúng. Các file âm nhạc dưới định dạng MP3 hay file video MP4 thường xuyên được tải về thông qua các website chia sẻ, qua các mạng không dây về các thiết bị cầm tay như điện thoại di động, ipod, … Đây chính là cách thức phân phối dữ liệu ĐPT hữu hiệu nhất. Tuy nhiên, chúng lại có các nhược điểm quan trọng là: bộ nhớ đệm phải đủ lớn để tải các file có dung lượng lớn (như các file video định dạng MP4), và thời gian chờ để tải hết toàn bộ file thường khá lâu, do việc thể hiện nội dung cần phải có toàn bộ dữ liệu để giải mã. Thông thường thì cách thức này phù hợp với các dịch vụ đơn lẻ và ngoại tuyến.

Với phương thức theo luồng, các ứng dụng sẽ phân chia luồng bit của dữ liệu ĐPT thành các gói (chunk hay packet), và thực hiện truyền chúng đi một cách độc lập. Điều này sẽ giúp cho phía thu có thể giải mã và trình diễn các phần của luồng bit đã được tải về, chứ không nhất thiết phải đợi đến lúc tải về hết toàn bộ. Trong lúc phía thu vẫn đang giải mã các phần đã tải về, thì các phần tiếp sau vẫn liên tục được gửi đến. Điều này làm giảm độ trễ giữa thời gian dữ liệu được gửi từ nguồn cung cấp đến khi hiển thị tại phía người sử dụng.

Độ trễ thấp là yêu cầu hết sức quan trọng cho các ứng dụng tương tác như hội thảo video (video conferencing), hay video theo yêu cầu (Video on Demand – VoD), khi mà người dùng thay đổi kênh hay chương trình  liên tục, hay các chương trình phát sóng trực tiếp (live broadcast), khi mà nội dung hầu như không có giới hạn. Ưu điểm quan trọng của phương pháp luồng là yêu cầu bộ nhớ tương đối thấp và khá linh hoạt so với phương pháp tải. Tuy nhiên nó lại đòi hỏi sự chuẩn xác về thời hạn và các yêu cầu về thời gian thực. Đây cũng là yếu tố dẫn đến các thay đổi quan trọng đối với các hệ thống truyền thông hiện nay.

Các ứng dụng luồng ĐPT có thể chia ra làm 3 nhóm, căn cứ vào mức độ chấp nhận trễ, là theo yêu cầu (Media on Demand), truyền trực tiếp (Live broadcast) và liên lạc thời gian thực (Real-time communication). Các ứng dụng như đàm thoại, hội nghị trực tuyến, trò chơi thường đòi hỏi mức độ trễ rất thấp (khoảng 200ms từ đầu cuối đến đầu cuối), còn các ứng dụng như truyền hình trực tiếp thì không đòi hỏi tương tác và có thể chấp nhận mức độ trễ cao (lên đến 30s chẳng hạn). Như vậy tùy theo ứng dụng cụ thể mà hệ thống cung cấp dữ liệu ĐPT cần được thiết kế để xử lý thông tin ĐPT một cách hợp lý.

Từ hai phương thức truyền dữ liệu ĐPT trên, hai phương thức mã hóa phù hợp sẽ phải được phát triển, đó là mã hóa trực tuyến (online) và ngoại tuyến (offline). Đối với các ứng dụng theo thời gian thực và truyền trực tiếp thì việc mã hóa phải được thực hiện trực tuyến, còn các ứng dụng theo yêu cầu thì có thể mã hóa ngoại tuyến.

Khác nhau giữa hai hình thức mã hóa này nằm ở chỗ việc kiểm soát quá trình mã hóa diễn ra như thế nào. Trong mã hóa trực tuyến thì hệ thống truyền dẫn sẽ có sự giám sát liên tục nguồn và kênh để có chiến lược thích nghi tương ứng, nhằm đảm bảo chất lượng giải mã tốt nhất có thể. Cách thức phổ biến là phía thu sẽ có truyền lại cho phía phát các thông tin về những mất mát để bộ mã hóa điều chỉnh nhằm khắc phục.

Trong khi đó, mã hóa ngoại tuyến sẽ thích hợp cho việc xử lý và nén một cách tối ưu để truyền dẫn một cách hiệu quả. Do không đòi hỏi cao về thời gian nén, nên thường các bộ mã hóa sẽ làm việc với công suất cao để có thể nén thật hiệu quả và đóng gói thật tốt để phía thu nhanh chóng giải mã. Đa số thuật toán nén được sử dụng trong trường hợp này. Các chuẩn MPEG-2, MPEG-4, chẳng hạn, là những ví dụ điển hình.

Về phía người sử dụng, việc thiết bị đầu cuối có thể hỗ trợ thật tốt cho việc hiển thị dữ liệu ĐPT, phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Trên thực tế, đó là các yếu tố như dung lượng lưu trữ, thời gian hoạt động di động, khả năng kết nối. Những yếu tố này dưới góc nhìn của việc cung cấp các giải pháp truyền thông ĐPT sẽ là khả năng nén với chất lượng phù hợp, tích hợp các thuật toán bảo vệ lỗi hiệu quả, sự thuận lợi trong giải mã.

Một vấn đề nữa có liên quan đến việc phân phối dữ liệu ĐPT là cách thức đưa dữ liệu từ nhà cung cấp đến người sử dụng. Có ba phương thức chính là Unicast, Multicast và Broadcast. Với mỗi phương thức thì có thể có những cách thức xử lý dữ liệu ĐPT phù hợp. Unicast là phương thức truyền từ một điểm – một điểm. Multicast là phương thức truyền một điểm – đa điểm. Broadcast là phương thức truyền một điểm – tất cả các điểm. Multicast hiệu quả hơn Unicast trong việc sử dụng tài nguyên của mạng, tuy nhiên lại không thể đảm bảo sự quan tâm một cách cụ thể đến từng người dùng như Unicast.

Cuối cùng là vấn đề định lượng sự thay đổi chất lượng của dữ liệu ĐPT. Các đặc tính như thông lượng, tốc độ mất gói, tốc độ lỗi bit, … sẽ làm cho chất lượng hiển thị tại phía thu bị thay đổi. Điều này liên quan đến độ nhạy trễ và nhất là mức độ quan trọng của các bit trong luồng dữ liệu nén là không như nhau. Có thể tưởng tượng rằng, nếu các gói ở phần trước của file mất đi, thì chất lượng hiển thị sẽ xấu hơn nhiều so với khi mất các gói ở sau. Thông thường thì tham số PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) được sử dụng để định lượng chất lượng của dữ liệu ĐPT tại phía thu so với dữ liệu gốc tại phía phát.

Giá trị PSNR càng cao thì chất lượng giải mã càng tốt. Kết quả thực nghiệm được thể hiện ở hình trên. Tùy theo tỉ lệ lỗi bit BER (Bit error rate) mà chất lượng giải mã thay đổi. Các số thứ tự 1, 2, 3, 4 là số thứ tự các lớp trong dòng bit của file video. Nếu lỗi rơi vào các phân lớp đầu thì chất lượng giải mã sẽ kém hơn so với khi lỗi chỉ rơi vào các phân lớp sau.

Dữ liệu đa phương tiện trong môi trường không dây

Mô hình một hệ thống truyền dẫn dữ liệu ĐPT được minh họa bởi sơ đồ sau.

Hiện nay mạng không dây đang trở nên thông dụng so với mạng hữu tuyến, do giá thành thấp và hạ tầng linh hoạt. Các hệ thống, từ WAN (Wide Area Network), LAN (Local Area Network) cho đến PAN (Personal Area Network) đang được không dây hóa. Điển hình là mạng di động tế bào thuộc nhóm WAN, Wi-fi thuộc nhóm LAN và Bluetooth thuộc nhóm PAN. Trong khi WAN hỗ trợ di động cao với tốc độ truyền dữ liệu thấp, thì LAN có băng thông cao nhưng độ bao phủ hạn chế.
Bên cạnh những lợi thế lớn, mạng không dây có nhược điểm là có sự biến thiên lớn đối với các điều kiện của kênh truyền. Ngoài sự đa dạng về kỹ thuật truy cập, các vấn đề có thể gây ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu thu như suy hao đa đường, giao thoa đồng kênh, nhiễu, tốc độ chuyển động, chuyển vùng, … Các yếu tố này sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến dữ liệu ĐPT khi truyền qua chúng.

Một số kỹ thuật nhằm chống lại sự ảnh hưởng của các yếu tố đó đã được phát triển. Được chú ý nhất là phương thức bảo về đa mức và các chiến lược phối hợp được sử dụng trong các phân lớp khác nhau của mô hình OSI (Open Systems Interconnection). Mỗi thuật toán thực sự là một nghệ thuật đối với việc chuyển tải dữ liệu ĐPT chất lượng cao nhất trong các điều kiện phức tạp của môi trường không dây.

Các nghiên cứu trong thời gian gần đây tập trung vào vấn đề thiết kế cơ cấu chéo lớp (cross-layer) để gia tăng chất lượng dữ liệu ĐPT trên nền tảng các mạng không dây sẵn có. Đây cũng là cơ sở để thiết kế các hệ thống ĐPT không dây thế hệ mới.

Mạng không dây có sự không đồng nhất đối với băng thông, độ tin cậy và đặc tính của thiết bị thu. Đặc biệt là trong các kênh không dây, các gói tin có thể bị trễ (do sự xếp hàng, lan truyền, truyền dẫn hay trễ xử lý), bị mất, hay bỏ đi, do sự giới hạn bởi độ phức tạp và vượt quá khả năng hiển thị của thiết bị thu. Điều này dẫn đến sự ảnh hưởng lớn trong việc thưởng thức các ứng dụng ĐPT đòi hỏi cao như HD-TV hay hội nghị Video.

Một số biện pháp thông thường như phát triển các thuật toán nén hay các phương thức che dấu lỗi tại phía thu. Nhờ vậy, với tỉ lệ mất gói khoảng 5% thì việc hiển thị vẫn ở mức chấp nhận được. Nhưng đó chỉ là những giải pháp tình thế. Để thiết kế hệ thống truyền dẫn ĐPT không dây, nhất là video không dây, một loạt các yêu cầu cần thực hiện như: dễ dàng thích ứng với sự dao động của băng thông không dây do giao thoa đồng kênh, suy hao đa đường, tốc độ di chuyển, chuyển vùng, cạnh tranh lưu lượng, …; chống chịu tốt với việc mất mát dữ liệu do hậu quả của việc phân đoạn video và tốc độ lỗi gói cao; hỗ trợ các kết cuối không dây không đồng nhất về băng thông, khả năng xử lý, bộ đệm sẵn có, độ phân giải màn hình và giới hạn năng lượng của thiết bị.

Các nghiên cứu chú trọng đến việc cải tiến các thuật toán hay các giao thức cho việc nén và truyền dẫn để thích nghị với sự biến đổi nhanh chóng và khan hiếm tài nguyên của các mạng không dây. Có thể nêu một số hướng nghiên cứu điển hình như nén dữ liệu ĐPT thích nghi với điều kiện mạng, băng thông, điều kiện kênh truyền; cải tiến luồng bit cho việc ưu tiên mức độ quan trọng và theo cơ cấu phân lớp dữ liệu; các chiến lược che dấu lỗi; các mô hình tương quan sai lệch – tốc độ; mã hóa kết hợp giữa các khối nguồn và kênh; các chiến lược cho việc tuyền dẫn theo luồng; quản lý tài nguyên cho đa người dùng; các thuật toán và giao thức phân phối; thiết lập chương trình nhận diện kênh và sai lệch; cải tiến lới liên kết; các chiến lược tối ưu hệ thống và năng lượng; …

Có thể nhận thấy mức độ và số lượng các đề xuất cho việc cải tiến chất lượng truyền dẫn ĐPT qua mạng không dây là rất đồ sộ. Câu hỏi đặt ra là có thể lựa chọn phương pháp nào là tối ưu và có thể kết hợp được các phương pháp khác nhau lại để tạo ra một phương pháp vượt trội hay không. Điều này thật sự không dễ dàng, bởi vì các giải pháp nêu trên chưa thật sự hỗ trợ hoàn toàn cho dữ liệu ĐPT khi truyền dẫn trong các mạng không dây, có sự xuất hiện các vấn đề bất lợi như nhiễu lớn hay máy thu chuyển động nhanh.

Trên thực tế, đa số các giải pháp chỉ mới được thực hiện tại phân lớp vật lý (PHY layer) và MAC (Medium Access Control). Các lớp cao hơn, như lớp mạng (Network layer) hay lớp giao vận (Transport layer) lại được tối ưu mà không xem xét đến các đặc tính riêng của các ứng dụng ĐPT. Ngược lại, các thuật toán nén và luồng ĐPT thì lại không có cơ chế để có thể cung cấp cho các phân lớp thấp hơn để thực hiện các công việc như chống lỗi, lập chương trình, quản lý tài nguyên, …
Vấn đề này cần được xem xét và tiến hành nghiên cứu một cách rõ ràng trong thời gian này. Hiện nay việc tối ưu truyền dẫn dữ liệu ĐPT đang được tích hợp vào các hệ thống mạng WLAN. Trong tương lai các hệ thống như 3G, 4G cũng sẽ được tích hợp khả năng này. Đặc biệt là các mạng truyền dữ liệu ĐPT thông minh đang được hoàn thiện và xây dựng qui chuẩn sẽ là cơ sở cho việc đảm bảo chất lượng hiển thị tại các thiết bị đầu cuối di động ngày càng cao.

Kết luận

Đứng trước thách thức ngày càng cao về nhu cầu trao đổi và cung cấp dữ liệu ĐPT và sự phát triển không ngừng của các mạng không dây, những giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng truyền dẫn tốt nhất đang được nghiên cứu và triển khai. Các đặc tính rất dễ tổn thương của dữ liệu ĐPT và tính chất biến đổi liên tục của kênh truyền vô tuyến khi kết hợp lại sẽ thực sự là thách thức lớn. Vấn đề đặt ra là nên tối ưu các hệ thống hiện tại hay thiết lập các mạng mới hỗ trợ hoàn toàn việc truyền dẫn dữ liệu ĐPT vẫn đang còn được xem xét. Theo thời gian, những trở ngại đó sẽ được giải quyết và chắc chắn người sử dụng sẽ không phải lo lắng khi xem truyền hình chất lượng cao trên các thiết bị di động của mình.

Tài liệu tham khảo

1. Philip A. Chou, Mihaela van der Schaar, Multimedia over IP and wireless networks : compression, networking, and systems, Elsevier, 2007.
2. David Tse, Pramod Viswanath, Fundamentals of Wireless Communication, Cambridge University Press, 2005. 
3. Yi-Bing Lin, Ai-Chun Pang, Wireless and Mobile All-IP Networks, Wiley Publishing, 2005

Hoang Thu Ha – FET|ITC

————————————————————————————————

Theo: fet.itc.edu.vn