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

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