Một phương pháp cải thiện chất lượng trải nghiệm trong truyền video trên mạng IP

 tính g(y). 
 g (y) = 1 - β.y; (4.2) 
Cao Diệp Thắng, Đỗ Tuấn Hạnh 411 
 Trong đó: 
 . β [0; 1], 
 . y là mức độ sử dụng đƣờng truyền và đƣợc tính nhƣ sau: 
 byte _ departures
 y t
 B t (4.3) 
 . byte_departurest: số bytes đƣợc truyền đi trong t giây, 
 . B: băng thông của đƣờng truyền, 
 . t: Thời gian truyền; 
 Hiển nhiên f(x), g(y) luôn nhận giá trị trong khoảng [0; 1]. 
 Xác định giá trị α của hàm f(x): Khi định nghĩa hàm tuyến tính f để điều chỉnh xác suất đánh dấu hay loại bỏ 
các gói tin trong quá trình thử nghiệm mô phỏng nhiều lần, chúng tôi đã phát hiện ra khi lấy các giá trị α lớn hơn hoặc 
nhỏ hơn 0.02 thì các giá trị ảnh hƣởng đến chất lƣợng truyền video thể hiện qua các độ đo PSNR(dB) và số gói tin 
video bị mất trong quá trình truyền video qua các thử nghiệm mô phỏng với cùng cấu hình mạng, và file vết video là 
akio.yuv thì kết quả thử nghiệm thu đƣợc với các giá trị khác nhau của lấy ở lân cận 0.02. Nói cách khác α = 0,02 có 
thể xem nhƣ điểm tới hạn của một hàm với biến số α, và giá trị trả về là độ đo PSNR(dB) hay giá trị tổn thất gói tin 
video. Từ đó chúng tôi chọn các giá trị tham số α, β của hàm f(x) , g(y) đƣợc chọn trong mô phỏng có giá trị tƣơng ứng 
là 0.02 và 0.98. 
 Nhận xét: do BLUE đáp ứng rất nhanh với sự kiện mất gói tin nên ta tích hợp hàm u(x) để ƣu tiên các gói tin 
thuộc khung hình I, mỗi khi tiến hành điều chỉnh xác suất pm. Mặt khác do d1>>d2 nên BLUE đáp ứng với sự kiện 
đƣờng truyền rỗi (thời điểm hàng đợi trống) chậm hơn, nên sẽ tích hợp hàm g(y) để ƣu tiên các gói tin thuộc khung 
hình P, B theo sự kiện đƣờng truyền rỗi. Từ đó ta có giải thuật cải tiến BLUE-VPT hình 5.a. 
 Vì f(x) nhận giá trị [0;1] với mọi gói tin đến hàng đợi nên trong giải thuật cải tiến sử dụng hàm điều chỉnh 
f(x), giá trị của xác suất pm đƣợc cập nhật lại nhƣ sau: 
 pm = f(x).pm hoặc pm = g (y). pm với mọi x, y. 
 Gói tin đến Gói tin đến
 Xảy ra sự kiện mất gói tin N Xảy ra sự kiện N Xảy ra sự kiện mất gói tin N Xảy ra sự kiện N
 (hay qlen > L) ? đường truyền rỗi (hoặc qlen > L)? đường truyền rỗi?
 Y Y Y Y
 N N N
 Now – last_update > Now – last_update > Now – last_update > Now – last_update >
 Freeze_time ? Freeze_time ? Freeze_time ? Freeze_time ?
 Y Y Y Y
 N
 Y pm = pm + d1 pm = pm - d2
 Gói tin đến là I ? Y N
 Gói tin đến là I/P/B?
 N
 Gói tin đến là video
 pm = f.pm pm = pm + d1 pm = g.pm pm = pm – d2
 Y
 pm = u.pm 
 Đánh dấu (hay loại bỏ) Đánh dấu (hoặc hủy bỏ)
 các gói tin với xác suất pm gói tin với xác suất pm )
 Kết thúc Kết thúc
 (a). BLUE-U 
 (a). BLUE-VPT 
 Hình 5. a. Lƣu đồ giải thuật cải tiến BLUE-VPT; b. Lƣu đồ giải thuật cải tiến BLUE-U 
 Khi gói tin đến thuộc vào một trong ba kiểu khung hình I, P, B thì giá trị xác suất đánh dấu (loại bỏ) gói tin pm 
sẽ đƣợc cập nhật theo hàm u hoặc hàm v. Do việc xây dựng cả hai hàm u, v chỉ nhận giá trị trong [0; 1] nêu khi cập 
nhật pm, dù theo hàm A(x), (pm=f.pm) hay hàm g(y), (pm=g.pm) thì giá trị pm đều giảm xuống nên sẽ làm giảm xác suất 
loại các gói tin nếu chúng thuộc một trong 3 loại khung hình I, P, B. Mặt khác, giá trị f, g luôn < 1 nên giá trị tham số 
pm trong giải thuật BLUE-VPT sẽ luôn nhỏ hơn pm trong giải thuật BLUE và sẽ có thể đạt bằng giá trị pm trong 
BLUE khi các gói tin đến không phải là video. Vì vậy có thể xem nhƣ sự tác động của giải thuật BLUE-VPT đối với 
các gói tin đi qua hàng đợi tại bộ định tuyến R1 sẽ luôn xấp xỉ nhƣ BLUE khi trong mạng không có sự tham gia của 
412 MỘT PHƢƠNG PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG TRẢI NGHIỆM TRONG TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG IP 
các luồng video. Hay có thể nói là giải thuật cải tiến BLUE-VPT hội tụ về giải thuật BLUE ban đầu trong trƣờng hợp 
thông thƣờng. Mặt khác do tích hợp cơ chế ƣu tiên phân loại các gói tin video theo mức độ quan trọng của chúng trong 
chuỗi GoP nên BLUE-VPT còn giảm đƣợc sự mất khung hình và tránh lãng phí băng thông. Điều này làm cải thiện 
chất lƣợng luồng video đƣợc truyền qua mạng nhƣ các kết quả thử nghiệm mô phỏng. 
B. Đề xuất giải thuật cải tiến xử lý au BLUE-U [12] 
 Dựa trên đặc điểm của thuật toán BLUE, chúng tôi đã xây dựng một hàm tuyến tính u điều chỉnh xác suất đánh 
dấu (loại bỏ) các gói tin dựa trên các yếu tố kích thƣớc hàng đợi tại router, mức độ sử dụng đƣờng truyền và các đặc 
tính trong mã hóa luồng video Mpeg. 
 Chúng tôi đề xuất tích hợp hàm tuyến tính hai biến để điều chỉnh xác suất trong thuật toán BLUE khi tiến hành 
đánh dấu (loại bỏ) gói tin ở giai đoạn sau (hình 5.b) nhƣ sau: 
 Kiểm tra nếu gói tin đến là video cập nhật giá trị pm = u.pm ngƣợc lại pm= pm. 
 Để phân loại ƣu tiên các gói tin video hàm u đƣợc xây dựng sao cho u nhận giá trị [0, 1]; 
 Định nghĩa hàm tuyến tính u(x,y): 
 X
 u(x, y) 1 . .y (4.4) 
 L
Trong đó: 
 . L là kích thƣớc hàng đợi cho trƣớc tại bộ định tuyến (tính theo số gói tin) 
 . α, β nhận giá trị [0, 1], 
 . x là kích thƣớc hiện thời của hàng đợi. 
 . y là mức độ sử dụng đƣờng truyền và đƣợc tính nhƣ trong (4.3). 
 Vấn đề đặt ra khi chọn giá trị α cho trƣớc α [0; 1] chúng ta phải tính toán đƣợc giá trị tƣơng ứng của β trong 
miền [0;1] sao cho u(x,y) nhận giá trị [0; 1] với các tham số x, y thỏa mãn điều kiện của thuật toán BLUE. 
 x
 Đặt t [0;1], ta tìm max, min của hàm số (4.4) trên tập hợp D: {(t, y):t, y [0;1]} 
 L
 Do max D Z 1, min DZ 1  nên để Z [0;1] thì [1 ;1] [0;1] suy ra 1  0. Vậy với 
 1 thì u(x, y) z [0;1]. Vậy nếu chọn α=0.002 ta có thể chọn β nhận giá trị xấp xỉ trong [0; 0,098]. 
 Vì u(x,y) nhận giá trị [0;1] với mọi gói tin đến hàng đợi nên trong thuật toán cải tiến sử dụng hàm điều chỉnh 
u(x,y), giá trị của xác suất pm = u.pm, vì u(x,y) pm<u.pm với mọi x, y, do vậy thuật toán cải tiến với hàm điều 
chỉnh tính toán xác suất loại gói tin sẽ luôn hội tụ đến giá trị BLUE ban đầu, đồng thời do tích hợp cơ chế ƣu tiên các 
gói tin video nên chất lƣợng luồng video đƣợc truyền qua mạng sẽ đƣợc cải thiện đáng kể. 
C. Xây dựng k ch bản mô phỏng: Để kiểm nghiệm hiệu quả của giải thuật cải tiến BLUE-U và BLUE-VPT, chúng tôi 
sử dụng công cụ NS.2 để mô phỏng và đánh giá chất lƣợng truyền video trên mạng IP. Trong mô phỏng này chúng tôi 
lần lƣợt sử dụng các giải thuật quản lý hàng đợi tích cực BLUE và giải thuật BLUE-U, BLUE-VPT cải tiến. Sau khi 
tiến hành mô phỏng nhiều lần, giá trị tham số α của hàm u(x) đƣợc chọn trong mô phỏng có giá trị là 0.02. Cấu hình 
(topo) mạng mô phỏng (Hình 6), có 60 luồng gửi dữ liệu có tốc độ bit không đổi trên giao thức UDP từ nút su1 đến ru60 
và 40 luồng FTP sử dụng giao thức TCP từ st1 đến rt40. Video đƣợc truyền từ nút n0 đến nút n1, thời gian thực hiện mô 
phỏng là 10s. Tập tin video sử dụng là Akio.yuv[13,14], độ phân giải 352x288 có 300 khung hình đƣợc phát ở tốc độ 
30 khung hình một giây (30 fps) đƣợc chuyển sang dạng file vết (video trace) [16] để tiến hành mô phỏng. Giải thuật 
quản lý hàng đợi đƣợc sử dụng tại router R1 là BLUE, BLUE-U, BLUE-VPT, cơ chế hàng đợi tại các đƣờng truyền 
khác là DropTail. 
 Hình 6. Cấu hình mạng sử dụng trong mô phỏng 
Cao Diệp Thắng, Đỗ Tuấn Hạnh 413 
 + 01 luồng video phát file video Akio.yuv, từ nút n0 đến n1 
 + Có 60 luồng UDP: từ nút su1÷ ru60 
 + 40 Luồng TCP: từ nút st1÷ rt40 
 + Băng thông R1 - R2 thay đổi từ: 5÷45 Mbps. 
D. Đ i ánh chất lượng truyền video trên BLUE-U và BLUE-VPT 
+ Tỷ lệ mất gói tin 
 Bảng 3. Đối sánh tỷ lệ mất gói tin khi truyền video sử dụng các giải thuật BLUE, BLUE-VPT và BLUE-U 
 Bandwidth Tỷ lệ mất gói tin 
 (Mbps) 
 BLUE-U BLUE-VPT BLUE 
 5 0,240121 0,210121 0,310121 
 10 0,245313 0,215313 0,298313 
 15 0,221421 0,211421 0,283121 
 20 0,203484 0,193484 0,263121 
 25 0,171141 0,17111 0,191219 
 30 0,13121 0,12121 0,15031 
 35 0,091324 0,090324 0,112124 
 40 0,081734 0,080734 0,093112 
 45 0,081612 0,079612 0,092112 
 Trên bảng 3 ta thấy khi băng thông giữa R1-R2 thấp từ 5 Mbps, đến 20 Mbps, thì độ mất gói tin của BLUE-
VPT cải thiện hơn BLUE-U rất rõ rệt, tỷ lệ mất gói tin của BLUE-VPT khi đó thấp hơn BLUE-U trung bình xấp xỉ 
9,53%, khi băng thông trên R1-R2 tăng lên từ 25-45 Mbps thì tỷ lệ sai khác của BLUE-VPT trung bình chỉ còn thấp 
hơn xấp xỉ 2,6% và khi băng thông trên R1-R2 lớn hơn 40Mbps thì chênh lệch độ tr gần nhƣ hoàn toàn xấp xỉ. 
 Hình 7. Đối sánh tỷ lệ mất gói tin video 
 Từ bảng 4, ta thể hiện đối sánh độ mất gói tin video của ba giải thuật BLUE, BLUE-U và BLUE-VPT trên đồ 
thị hình 7. Tỷ lệ mất gói tin video của các giải thuật BLUE-U, BLUE-VPT, EBLU, VBLUE trong các mô phỏng đều ở 
mức < 5%. Theo ITU (Y.1291) 2004 là chấp nhận đƣợc. Khi băng thông trên đƣờng truyền cổ chai R1-R2 thay đổi từ 
5Mbps đến 20Mbps thì tỷ lệ mất gói tin video của VBLUE giảm rõ rệt hơn so với BLUE đạt trung bình xấp xỉ 15,26% 
và chênh lệch giảm xuống xấp xỉ trung bình 12,7% khi băng thông trên R1-R2 là 30-40Mbps và giảm xuống 5,6% khi 
băng thông nằm trong khoảng 40-45Mbps. 
 Bảng 4. Tỷ lệ mất gói tin video trên các giải thuật BLUE-U, BLUE-VPT, BLUE, EBLUE và VBLUE 
 Bandwidth Tỷ lệ mất gói tin video 
 (Mbps) BLUE-U BLUE-VPT BLUE 
 5 0,230121 0,2001208 0,3001 
 10 0,225919 0,1953133 0,2973 
 15 0,211498 0,1814521 0,2811 
 20 0,197486 0,1734864 0,2611 
 25 0,160641 0,1511100 0,1902 
 30 0,121811 0,1002602 0,1500 
 35 0,088324 0,0800043 0,1111 
 40 0,071734 0,0700391 0,0930 
 45 0,071612 0,0655191 0,0920 
414 MỘT PHƢƠNG PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG TRẢI NGHIỆM TRONG TRUYỀN VIDEO TRÊN MẠNG IP 
 Từ phân tích các tham số QoS ảnh hƣởng đến chất lƣợng truyền video chúng tôi tiến hành đối sánh gaiir thuật 
BLUE-U và BLUE-VPT trêm tham số đánh giá chất lƣợng video chủ quan PSNR(dB), kết quả đối sánh đƣợc biểu di n 
trên đồ thị hình 8, cho thấy giá trị PSNR(dB) trung bình khi truyền video trên BLUE-VPT tăng xấp xỉ 5,35% so với 
BLUE-U. Và ánh xạ tƣơng ứng với giá trị PSNR(dB) là tham số MOS của BLUE-VPT cũng đƣợc cải thiện so với 
BLUE-U. 
 Hình 8. Đối sánh giá trị PSNR khi truyền video giữa BLUE-U và BLUE-VPT 
 V. KẾT LUẬN 
 Trong bài báo này chúng tôi đã đề xuất hai giải pháp cải tiến giải thuật BLUE để nâng cao chất lƣợng dịch vụ 
mạng và chất lƣợng trải nghiệm ngƣời dùng đối với truyền video trên mạng. 
 Chúng tôi đƣa ra giải pháp giải thuật cải tiến và đối sánh hai giải thuật trên các tham số chất lƣợng dịch vụ 
mạng và chất lƣợng trải nghiệm truyền video. Chúng tôi đã đối sánh các giải thuật cải tiến tiền xử lý đây đủ BLUE-
VPT và hậu xử lý đầy đủ BLUE-U Cuối cùng tiến hành đối sánh giải thuật xử lý trƣớc BLUE-VPT và giải thuật xử lý 
sau BLUE-U chúng tôi đã rút ra kết luận là giải thuật cải tiến xử lý đây trƣớc BLUE-VPT đã tỏ ra hiệu quả hơn trong 
việc cải thiện chất lƣợng QoE so với BLUE-U, từ đó đi đến các kết luận sau: 
 Cả hai giải thuật cải tiến đều giảm tỷ lệ mất gói tin chung trên toàn mạng và đặc biệt các giải thuật cải tiến làm 
giảm tỷ lệ mất gói tin video một cách rõ rệt. 
 Khi tiến hành đánh giá theo thang đo khách quan PSNR(dB) các giải thuật cải tiến cũng đều có các giá trị 
PSNR(dB) lớn hơn so với giải thuật BLUE và BLUE-VPT đạt giá trị PSNR(dB) trung bình cao nhất. Từ đó ánh xạ mối 
liên hệ giữa thang đo chủ quan và tham số ý kiến trung bình MOS có thể thấy các giải thuật cải tiến BLUE-VPT có thể 
cải thiện chất lƣợng trải nghiệm QoE trong truyền video trên mạng IP. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Rodrigues, D., Silva, D., Cerqueira, E., & Monteiro, E., (2008). Quality of Service and Quality of Experience in Video 
 Streaming. International Workshop on Traffic Management and Traffic Engineering for the Future Internet (FITraMEn 08), 
 Porto, Portugal. 
[2] Bahri Okuro g lu and Sema Oktu g , Active Queue Management Algorithms: BLUE vs. RED, 
[3] Boyce, J.M. and R. D. Gaglianello (1998) Packet Loss Effects on MPEG Video Sent Over the Public Internet. InChi: Proc. of 
 the ACM Multimedia 98. 1998, pp. 181-190. 
[4] Feng Wu-chang, Shin Kang G., Kandlur Dilip D. and Saha Debanjan (2002) The Blue Active Queue Management Algorithms. 
 IEEE/ACM Transactions on Networking., Vol. 10, No. 4, 2002, pp. 513-528. 
[5] H. Abdel-jaber, M. Woodward, F. Thabtah and M. Al-diabat (2007) Modelling BLUE Active Queue Management using 
 Discrete-time Queue. Vol I WCE 2007, London, U.K, July. 2-4, 2007, pp. 568-573. 
[6] Hantro Products Oy, Oulu, Finland (2001) MPEG4 Codec Overview.1 ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 N4030 March 2001- 
[7] Klaue, B. Rathke, and A. Wolisz (2003) EvalVid, A Framework for Video Transmission and Quality Evaluation. 13th 
 International Conference on Modelling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation, Urbana, IllinoiChis, 
 USA, September. 2003, pp 255-272. 
[8] P.Le Callet (2006) No reference and reduced reference video quality metric for ent to end QoS monitoring. IEICE Trans 
 Commun., Vol. E85-A/B/C/D, No. february 2006, pp. 289-2960. 
[9] Toru Yamada, Yoshihiro Miyamoto, and Masahiro Serizawa (2009) Video-quality estimation based on reduced-reference 
 model employing activity-difference. IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer 
 Sciences; ISSN:0916-8508; Vol.2009; NO.12, 2009, pp.3284-3290 
Cao Diệp Thắng, Đỗ Tuấn Hạnh 415 
[10] Wu-chang Feng et al, (1999), BLUE: A New Class of Active Queue Management Algorithms Technical Report, University of 
 Michigan. April 1999. CSE-TR-387-99. 
[11] Cao Diệp Thắng, Nguy n Thúc Hải, Nguy n Linh Giang (2013) “Giải thuật quản lý hàng đợi tích cực BLUE-VPT nâng cao 
 chất lƣợng truyền video”, Chuyên san Công nghệ thông tin truyền thông, số 30, 12.2013, tr.52-60. 
[12] Cao Diệp Thắng, Nguy n Thúc Hải, Nguy n Linh Giang (2014) Một phƣơng pháp tích hợp cơ chế ƣu tiên gói tin video trong 
 quản lý hàng đợi tích cực BLUE, Tạp chí khoa học và Công nghệ, số 98, 4.2014, tr 23-28 
[13] (2012), YUV video sequences (CIF), [Online]. Available:  
[14] A video sequences (CIF), [Online].  
[15] Klaue, B. Rathke, and A. Wolisz (2003) EvalVid, A Framework for Video Transmission and Quality Evaluation. 13th 
 International Conference on Modelling Techniques and Tools for Computer Performance Evaluation, Urbana, IllinoiChis, 
 USA, September. 2003, pp 255-272. 
[16] M. R. P. Seeling and B. Kulapala (2004) Network Performance Evaluation using frame size and quality traces of single-layer 
 and two-layer video: A Tutorial. IEEE Communications Surveys and Tutorials., vol. 6, no. 2, 2004, pp. 58-78. 
 AN METHOD TO IMPROVE THE QUALITY OF EXPERIENCE OF VIDEO 
 TRANSMISSION ON IP NETWORK 
 Cao Diep Thang, Do Tuan Hanh 
ABSTRACT— This paper proposes an improved method of the Blue active queue management to transmit videos over IP network 
environment. We have used the probability adjusting method of marking (removing) packets in Blue positive queue management 
algorithms to reduce the probability of video packet loss in different video transmission applications on the network. NS-2 
simulation tool used to test on mpeg video samples shows that the video transmission quality has been improved significantly.