Luận án tiến sĩ một số giải pháp nâng cao chất lượng streaming thích ứng video t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ KIM THOA MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG STREAMING THÍCH ỨNG VIDEO TRÊN NỀN GIAO THỨC HTTP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ KIM THOA MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG STREAMING THÍCH ỨNG VIDEO TRÊN NỀN GIAO THỨC HTTP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 9520208 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM NGỌC NAM HÀ NỘI - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong quyển luận án này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các tài liệu tham khảo đều được trích dẫn đầy đủ, rõ ràng và trung thực. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Người hướng dẫn khoa học Tác giả PGS. TS Phạm Ngọc Nam Nguyễn Thị Kim Thoa LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.

Phạm Ngọc Nam, người không chỉ hướng dẫn trực tiếp về mặt khoa học mà còn hỗ trợ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Trương Công Thắng và TS. Lê Thái Hưng ở đại học Aizu, Fukushima, Nhật Bản, những người luôn cho tôi sự hỗ trợ kịp thời về mặt chuyên môn trong suốt thời gian nghiên cứu vừa qua. Cảm ơn các thành viên nhóm HTTP của Lab ESRC đã hỗ trợ và cùng tôi thực hiện một số thí nghiệm trong luận án.

Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn Viện Điện tử Viễn thông, Phòng Đào tạo, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin dành những lời yêu thương nhất đến gia đình tôi. Sự động viên, giúp đỡ và hi sinh của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 MỤC LỤC MỤC LỤC.

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. iv DANH MỤC HÌNH VẼ. vi DANH MỤC BẢNG. viii MỞ ĐẦU.

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HAS VÀ KHẢO SÁT CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN. Giới thiệu chương. Tổng quan về công nghệ HAS. Giải thích thuật ngữ.

Công nghệ streaming video. Công nghệ HAS. Các yếu tố ảnh hưởng đến QoE trong HAS. Tối đa hóa QoE trong HAS.

Khảo sát các giải pháp cải thiện QoE trong HAS. Các giải pháp thích ứng cho streaming một video. Các giải pháp thích ứng cho streaming đồng thời nhiều video. Các giải pháp thích ứng cho streaming qua HTTP/2.

Kết luận chương. CẢI THIỆN QoE TRONG STREAMING THÍCH ỨNG VIDEO DẠNG VBR QUA HAS SỬ DỤNG SDP. Giới thiệu chương. Ý tưởng sử dụng SDP trong streaming thích ứng.

Mô hình hóa hệ thống để áp dụng SDP. Rời rạc hóa băng thông. Rời rạc hóa bộ đệm. Mô tả vấn đề và giải pháp.

Trạng thái hệ thống. Xác suất chuyển trạng thái. Hàm chi phí. Giải pháp tìm tập chính sách tối ưu.

Dự đoán các thông số ảnh hưởng đến QoE. Dự đoán mức chất lượng video. Dự đoán sự nhảy mức chất lượng. Dự đoán mức sử dụng bộ đệm.

Thực nghiệm và đánh giá. Cài đặt thực nghiệm. Đánh giá thực nghiệm. Kết luận chương.

GIẢI PHÁP PHÂN BỔ BĂNG THÔNG VÀ CẢI THIỆN QoE TRONG STREAMING ĐỒNG THỜI NHIỀU VIDEO VBR QUA HAS. Giới thiệu chương. Mô hình thỏa hiệp giữa chất lượng cảm nhận và độ trễ. Giải pháp cải thiện QoE trong streaming đồng thời nhiều video VBR qua HAS.

Mô tả vấn đề. Giải pháp phân bổ băng thông và thích ứng chất lượng. Kết quả thực nghiệm và đánh giá. Kết luận chương.

ỨNG DỤNG TÍNH NĂNG SERVER PUSH CỦA HTTP/2 ĐỂ CẢI THIỆN QoE TRONG STREAMING VIDEO VBR/CBR QUA HAS. Giới thiệu chương. Giải pháp cải thiện QoE trong streaming video VBR qua HTTP/2. Giải pháp thích ứng chất lượng.

Kết quả thực nghiệm và đánh giá. Một cách sử dụng hiệu quả tính năng Server Push. Mô tả chung. Thuật toán thích ứng chất lượng.

Thực nghiệm và đánh giá kết quả. Kết luận chương. 88 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 90 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt BE Bitrate Estimation Dự đoán tốc độ bit CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit cố định CDN Content Delivery Networks Mạng phân phối nội dung CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy CPU Central Procession Unit Đơn vị xử lý trung tâm CSM Conventional Streaming Method Phương pháp streaming thông thường DASH Dynamic Adaptive Streaming Streaming thích ứng động over HTTP qua HTTP HAS HyperText Transimission Streaming thích ứng qua Protocol Adaptive Streaming giao thức HTTP HDS HTTP Dynamic Streaming Streaming động qua HTTP được developed by Adobe Systems phát triển bởi hệ thống Adobe HLS HTTP Live Streaming developed Streaming trực tiếp qua HTTP by Apple được phát triển bởi Apple HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản IETF Internet Engineer Task Force Lực lượng quản lý kỹ thuật IP Internet Protocol Giao thức Internet IPTV Internet Protocol Television Truyền hình giao thức Internet ITU International Telecommunication Liên hiệp viễn thông quốc tế Union LTE Long-Term Evolution Giải pháp dài hạn MOS Mean Opinion Score Điểm số ý kiến trung bình MPD Media Presentation Description Mô tả trình diễn phương tiện MPEG Moving Picture Expert Group Nhóm chuyên gia hình ảnh động MSE Mean Squared Error Sai số bình phương trung bình MSS Microsoft Siverlight Smooth Streaming mượt trên ứng dụng iv v Siverlight được phát triển bởi Microsoft NAT Network Address Translation Dịch địa chỉ mạng NP Non-deterministic Polynomial-time Bất định trong thời gian đa thức PI Policy Iteration Lặp chính sách PSNR Peak Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu QC Quality Control Điều khiển chất lượng QP Quantization Parameter Tham số lượng tử RTCP Real-Time Control Protocol Giao thức điều khiển thời gian thực RTP Real-time Transport Protocol Giao thức truyền tải thời gian thực RTSP Real-Time Streaming Protocol Giao thức streaming thời gian thực RTT Round-Trip Time Thời gian trọn vòng SAND Server and Network Assisted DASH Máy chủ và mạng hỗ trợ DASH SDP Stochastic Dynamic Programming Lập trình động ngẫu nhiên TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền vận UDP User Datagram Protocol Giao thức gói dữ liệu người dùng VoD Video on Demand Video theo yêu cầu VBR Variable Bit Rate Tốc độ bit biến đổi XML Extensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Tốc độ bit của video dạng VBR .2 Hệ thống HAS .3 Sơ đồ khối của máy khách HAS .4 Bộ đệm của máy khách HAS .5 Các yếu tố ảnh hưởng đến QoE trong HAS.1 Tốc độ bit của các mức chất lượng khác nhau của video Tokyo Olympic [103] .2 Băng thông trước và sau khi rời rạc hóa với W = 10 .3 Mô hình băng thông Markov-Chain gồm W trạng thái .4 Rời rạc hóa bộ đệm .5 Minh họa sự chuyển trạng thái hệ thống .6 Test-bed dùng cho thực nghiệm.7 Băng thông dùng cho đánh giá sự thích ứng.8 Kết quả thích ứng của các giải pháp.9 Mức sử dụng bộ đệm của các giải pháp.10 Hàm phân phối tích lũy (CDF) của hai băng thông bw1 và bw2 .1 Minh họa tốc độ bit R với độ trễ ban đầu d0 .2 Hệ thống streaming nhiều video .3 Đường cong lồi L [i] của L[i].4 Minh họa một số lần cải thiện chất lượng cho hai video dựa vào tỉ số α.5 So sánh giá trị lợi ích trung bình của phương pháp đề xuất và phương pháp CSM .6 So sánh tổng băng thông sử dụng của phương pháp đề xuất và phương pháp CSM .7 Thời gian chạy của thuật toán đề xuất so với thuật toán vét cạn .8 Thời gian chạy của thuật toán đề xuất .1 Test-bed dùng cho thực nghiệm.2 Tốc độ bit của các mức chất lượng video .3 Băng thông sử dụng trong thực nghiệm .4 Kết quả thích ứng của giải pháp Push-1, Push-2 và Push-3.5 Kết quả thích ứng của giải pháp Push-4, AGG và giải pháp đề xuất.6 Mức sử dụng bộ đệm của giải pháp đề xuất so với Push-N và AGG 72 4.7 Cơ chế hoạt động của tính năng Server Push trong giải pháp đề xuất.8 Test-bed dùng cho thực nghiệm.9 Băng thông dùng trong thí nghiệm [67].10 Kết quả thích ứng của tất cả các phương pháp.11 Mức sử dụng bộ đệm của tất cả các phương pháp.12 Đánh giá ảnh hưởng của RTT đối với chất lượng hình ảnh video và số lượng truy vấn.13 Đánh giá ảnh hưởng của RTT đối với bộ đệm. 85 DANH MỤC BẢNG 1.1 Các loại streaming video .1 Thống kê kết quả thích ứng .2 Ngữ cảnh sử dụng một băng thông có sẵn .3 Ngữ cảnh dùng các lưu lượng lịch sử .4 Ngữ cảnh tái tính toán trên mỗi phiên với Vmax = 9 .5 Ngữ cảnh tái tính toán trên mỗi phiên với Vmax = 8 .6 Ngữ cảnh tái tính toán trên mỗi phiên với Vmax = 7 .1 Ký hiệu và định nghĩa .2 Các thông tin được lưu tại máy chủ của video Silence of the Lambs 57 3.3 Phân bổ băng thông và lựa chọn mức chất lượng cho từng video trong phương pháp đề xuất .4 Tổng băng thông sử dụng và lợi ích trung bình của người dùng trong thuật toán đề xuất và thuật toán vét cạn .1 Ký hiệu và định nghĩa .2 Thống kê kết quả thích ứng của giải pháp đề xuất so với Push-N và AGG .3 Thống kê kết quả thích ứng khi thực nghiệm trên một băng thông và một giá trị RTT .4 Kết quả thích ứng trung bình khi thực nghiệm trên 20 băng thông khác nhau.

86 viii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Hiện nay, streaming video đang trở thành một dịch vụ chính trên mạng Inter- net nhờ có các kết nối không dây băng thông rộng và các thiết bị di động hiệu suất cao. Theo dự báo gần đây [95], đến năm 2021, lưu lượng video sẽ chiếm 82% tổng lưu lượng được sử dụng trên mạng Internet. Kênh Youtube tạo ra hàng tỉ lượt xem cho hơn một tỉ người dùng trên toàn cầu mỗi ngày [119].

Nhiều sự kiện thể thao lớn như thế vận hội Olympic và cúp bóng đá thế giới được truyền trực tiếp trên mạng Internet với độ trễ chỉ một vài giây [47]. Mặc dù vậy, Internet không được thiết kế để dành riêng cho streaming video. Thách thức chính của streaming video qua Internet là sự biến động của thông lượng gây ra bởi các mạng không đồng nhất. Sự biến động này dẫn đến không thể phát video với tốc độ bit cố định trong suốt một phiên streaming.