Trễ và tạp âm trên đường truyền TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh

Ngày nay các thuê bao truy cập Internet nhờ kết nối vật lý qua các Cổng/Định tuyến (Gateway/Router) cho phép tải các file thời gian phi thực và được định tuyến theo đường có xác suất nghẽn thấp nhất. Từ đó tạo nên trên Internet những dòng dữ liệu đột biến, kết quả là các dòng dữ liệu thời gian thực như âm thanh, hình ảnh chất lượng thấp và để khắc phục người ta phải dùng các bộ đệm nhưng chính nó làm hạn chế môi trường đa phương tiện.

Hồng Minh

1. Tổng quan

Ngày nay các thuê bao truy cập Internet nhờ kết nối vật lý qua các Cổng/Định tuyến (Gateway/Router) cho phép tải các file thời gian phi thực và được định tuyến theo đường có xác suất nghẽn thấp nhất. Từ đó tạo nên trên Internet những dòng dữ liệu đột biến, kết quả là các dòng dữ liệu thời gian thực như âm thanh, hình ảnh chất lượng thấp và để khắc phục người ta phải dùng các bộ đệm nhưng chính nó làm hạn chế môi trường đa phương tiện.

Hình 1. Các dịch vụ Internet qua hệ thống mạng mặt đất

Các thiết bị audio và video tạo ra tín hiệu truyền qua môi trường đa phương tiện có trang bị PC, được nén lại để tạo nên những dòng dữ liệu trên nền IP và được gửi tới từng thuê bao qua mạng mặt đất kết hợp với modem (Hình 1.). Những chương trình quảng bá như vậy cũng có thể truyền qua vệ tinh địa tĩnh từ nguồn phát đến hàng vạn khách hàng như (Hình 2). Như vậy truyền dữ liệu trên nền IP qua vệ tinh địa tĩnh có thể xem như đã bỏ qua các "nút nghẽn" trong đường trục Internet trên mạng mặt đất để gửi thẳng tới khách hàng với chất lượng dịch vụ cao.

Hình 2. Truyền IP qua vệ tinh điểm-đa điểm

Nhu cầu cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao (trên 45Mbps) quảng bá toàn cầu đòi hỏi bao phủ diện rộng toàn cầu, phủ điểm đến đa điểm, làm cho lưu lượng dữ liệu trên nền IP tăng đột biến, cần có các đường truyền tốc độ cao để nâng cao chất lượng dịch vụ trên nền IP, chỉ có các đường truyền vệ tinh địa tĩnh mới đáp ứng được yêu cầu trên.

Tuy vậy đường truyền qua vệ tinh địa tĩnh với độ trễ từ trạm phát sang trạm thu tính trung bình khoảng 250ms, tốc độ bít lỗi (BER) có thể lớn đến 10-3 do tạp âm không gian mà mặt đất lớn và bị ảnh hưởng thời tiết nhất là suy hao do mưa lớn vì thế cần có một công nghệ phủ sóng có thể điều khiển tự động công suất búp phát xạ để khắc phục các nhược điểm nói trên của đường truyền vệ tinh.

Nước ta đã áp dụng công nghệ này cho hệ thống thông tin vệ tinh VSAT-IP từ cuối năm 2005. Nhờ các công nghệ mới đó mà dung lượng đường truyền IP qua vệ tinh đã tăng 7 lần, băng thông tiết kiệm đến 50% (theo số liệu 2001), như vậy thế mạnh của vệ tinh địa tĩnh trong việc mở rộng và nâng cao dung lượng truyền IP là không thể phủ nhận.

2. TCP/IP truyền qua vệ tinh địa tĩnh

Đường truyền TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh được mô tả trên Hình 3, cuộc nối tính từ nguồn phát TCP/IP qua Gateway/Router, các trạm mặt đất SES-1, SES-2, tới điểm đích (thu TCP/IP). Đường truyền dẫn gồm các đoạn truyền dẫn trên mặt đất T từ người phát TCP/IP tới SES-1, SES-2 đến người nhận TCP/IP và đoạn truyền dẫn qua vệ tinh S từ SES-1 tới SES-2.

Đặc điểm của truyền dẫn TCP/IP là trễ gói do xếp hàng tại các nút, do thủ tục báo nhận (ACK) và thủ tục tái truyền gói dữ liệu bị mất; mặt khác TCP/IP không có thủ tục nào để phát hiện bít lỗi nảy sinh trên đường truyền, không phân biệt mất gói do lỗi bit hay do nghẽn, đều coi gói mất do nghẽn. Những yếu tố làm giảm chất lượng đường truyền qua vệ tinh địa tĩnh là do trễ lớn, xuyên nhiễu giữa các sóng mang, fading, suy hao do mưa, tạp âm không gian và mặt đất lớn, . . . trong đó ảnh hưởng lớn nhất là trễ đường truyền và tín hiệu không có khả năng tự chống nhiễu và loại bỏ tạp âm.

Hình 3. Kết nối TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh

Thủ tục điều khiển truyền dẫn (TCP) dùng cơ chế báo nhận (ACK), trong đó thời gian truyền dẫn toàn trình (Round Trip Time - RTT) là khoảng thời gian xảy ra từ lúc phát một đoạn TCP cho tới khi nhận được ACK trở lại. Đó là thời gian gói dữ liệu được gửi từ người phát TCP, được nhận tại người nhận TCP, ACK được gửi ngược lại tới người phát TCP.

Nếu không nghẽn, mạng mặt đất có độ trễ truyền dẫn tổng cộng (RTTT) khoảng 100ms thì thời gian truyền toàn trình theo sơ đồ Hình 3. là RTTSmin = SRTTT + 2RTTS (2 lần thời gian truyền sóng trên đoạn S). Đối với các trạm mặt đất tại biên vùng phủ sóng vệ tinh, R~ 2 x 41000km trễ lớn nhất làd 276.0ms, do đó RTTS là 552ms. Thực tế còn có trễ do các thiết bị chuyển mạch trên vệ tinh, mặt đất gây do đó RTTS khoảng 600ms và như vậy tổng RTT tối thiểu khoảng 700ms.

Như vậy có nghĩa là tối thiểu, lớp TCP phải chờ đợi trong khoảng thời gian này rồi mới có thể phát đoạn TCP tiếp theo nên lưu lượng truyền dẫn giảm tức là tốc độ truyền giảm vì tổng dữ liệu đang truyền qua mạng bằng RTT*B (trong đó B là băng thông) và lưu lượng cực đại qua mạng = 64 KB/RTT. Thời gian trễ lớn có tác động đối với tham số TTL của khối dữ liệu (với tính chất là một ma trận thời gian). Tuy nhiên độ trễ này xác định được và không thay đổi nên có thể lựa chọn giá trị TTL để thích ứng với nó.

Nếu có trễ xếp hàng trên mạng mặt đất T thì tổng giá trị độ trễ khá lớn và ngẫu nhiên, RTTS càng gần tới giá trị TTL càng khiến các gói trở nên dễ bị mất ngay cả khi nghẽn mạng chưa xảy ra hoặc bên phát có thể phát lại khối dữ liệu khi mà thực tế nó đã được phía thu nhận tốt nhưng ACK chưa về tới người phát, do đó nghẽn có thể xảy ra sớm hơn. Để giảm ảnh hưởng của thời gian trễ người ta sử dụng các kênh không đối xứng với đường vòng lại cho ACK trên mạng mặt đất.

Nếu do bất kỳ lý do nào gây mất gói trên đường truyền, TCP coi như mạng bị nghẽn và nó phản ứng lại bằng cách khởi động "Khởi đầu chậm" hoặc thuật toán tránh nghẽn, đồng thời tái truyền những gói bị mất. Thời gian đáp ứng của những thuật toán này nhạy cảm cao tới RTT và việc khôi phục đầy đủ dữ liệu do mất gói trên một kết nối vệ tinh có thể tới hàng phút, nghĩa là càng giới hạn kích thước cửa sổ và lưu lượng đi qua.

Đối với các kết nối qua vệ tinh địa tĩnh, RTT lớn khiến cho lưu lượng đi qua phụ thuộc vào kích thước cửa sổ (RTT*B), nếu phía TCP thu sử dụng một từ 16 bit để thông báo cho TCP phát kích thước cửa sổ thu nó sử dụng, thì kích thước lớn nhất của cửa sổ thu trong TCP tiêu chuẩn là 64Kb, như vậy kênh vệ tinh đang sử dụng là quá rỗi. Để đạt băng thông hiệu dụng cực đại trong mạng vệ tinh, TCP cần kích thước cửa sổ lớn hơn rất nhiều. Ví dụ, trên đường vệ tinh với RTT = 0,8s và băng thông = 1.54 Mbps, kích thước cửa sổ tối ưu theo lý thuyết là 154 Kb. Đây là RTT*B cho kênh vệ tinh hai chiều, lớn hơn nhiều so với kích thước cửa sổ cực đại 64KB trong TCP tiêu chuẩn. Để có được cửa sổ lớn như vậy, đường truyền vệ tinh địa tĩnh phải có những cơ chế đặc biệt gọi là "cơ chế cửa sổ lớn" (TCP-LW).

TCP tương thích nghi với băng tần mạng bằng cách tự động tăng kích thước cửa sổ để giảm nghẽn và giảm kích thước cửa sổ khi không nghẽn, tốc độ tương thích tỷ lệ với RTT. Trong mạng vệ tinh với độ trễ truyền dẫn lớn, quá trình tương thích băng tần dài hơn làm cho điều khiển khiển nghẽn của TCP không hiệu quả, sẽ mất nhiều thời gian hơn ở giai đoạn tăng tuyến tính để hồi pục lại kích thước cửa sổ TCP khi mất gói, đặc biệt là nếu sử dụngTCP-LW .

Người ta đã thực hiện nhiều mô phỏng tương quan giữa thước cửa sổ TCP, băng thông mạng, độ trễ và chất lượng truyền end-to-end (lưu lượng qua và thời gian đáp ứng). Chọn B = (0,128¸6.176) Mbps, RTT = (10¸800)ms, tải lưu lượng từ 1 KB đến 100 MB, thay đổi kích thước cửa sổ TCP từ 2 KB đến 512 KB và ghi thời gian đáp ứng và lưu lượng đi qua mỗi kết nối TCP. Lưu lượng quyết định băng thông kết nối và thời gian đáp ứng phản ánh chất lượng theo người dùng đánh giá, những kết quả được ghi lại trong (hình 4,5,6,7) dưới đây:

Hình 4. Đo lưu lượng qua với B=6,176Mbps, tải truyền 100M[28]

Hình 5. Đo lưu lượng qua với B=1,54Mbps, tải truyền 10M.[28]

Hình 6. Phép đo thời gian đáp ứng, với B=0,384Mbps, tải truyền 1M[28]

Hình 7. Đo thời gian đáp ứng, với B=0,384Mbps, tải truyền 10K[28]

Từ những kết quả ở trên có thể kết luận : trong mạng vệ tinh, trễ là hệ số quyết định đối với thời gian đáp ứng khi truyền tải lưu lượng nhỏ.

Như đã nói trên, TCP không có thủ tục đặc biệt nào để nhận biết và xử lý riêng những gói dữ liệu bị mất do lỗi bit, trong khi đó trên đường truyền vệ tinh xác suất xảy ra lỗi bit rất lớn. Đối với các sóng mang số truyền qua vệ tinh, chất lượng luồng số tại đầu thu được đánh giá bằng tỷ số giữa năng lượng 1 bit trên mật độ phổ tạp âm (Eb/N0), đối với một sóng mang số tốc độ 2048kbps tỷ số này phải đạt 10-12, tuy nhiên tỷ số này phụ thuộc kỹ thuật điều chế (PSK, QPSK...), mã hoá/giải mã hoá (mã xoắn, mã khối, giải mã viterbi, giải mã dãy) được áp dụng. Nếu không dùng mã hoá, Eb/N0 vừa phụ thuộc vào sự suy hao sóng mang số và mật độ tạp âm tại máy đầu vào hệ thống thu.

Hãy xem xét một ví dụ về ảnh hưởng của thời gian trễ đường truyền và tạp âm đường truyền ảnh hưởng đến chất lượng như thế nào. Giả sử một gói dữ liệu có chiều dài 1000byte, tốc độ đường truyền 100kbps, thời gian cần thiết để truyền gói tin đó được tính như sau :

TGOI = (1000byte x 8bit/byte) : 100kbps = 80ms

Giả sử tất cả các đường truyền không nghẽn thì thời gian truyền dẫn tính như sau :

TTX = N x TGOI + TTRE

trong đó : N là tổng số gói tin cần truyền

DTRE là thời gian trễ đường truyền

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm đánh giá chất lượng liên lạc: S/N = (R x EB) : (B x N0)

trong đó: R là tốc độ luồng dữ liệu, nếu băng tần B = 1Hz (tức là tốc độ 1bit) ta có :

S/N = EB / N0

trong đó N0 là mật độ phổ tạp âm và như vậy khi tạp âm đường truyền tăng thì tốc độ dữ liệu sẽ giảm.

3. Kết luận

Như vậy trễ kết nối và BER là 2 yếu tố chủ yếu ảnh hưởng tới chất lượng TCP truyền qua vệ tinh. Như vậy trong mạng vệ tinh yêu cầu một giao thức có thể giảm thiểu ảnh hưởng của hai yếu tố đó. Có thể bằng phương pháp dịch giao thức, dùng các cổng (gateway) tại mỗi đầu cuối của kết nối vệ tinh. Các cổng có chức năng như đầu cuối kết nối TCP, cho phép tự do sử dụng giao thức tối ưu hóa đường truyền vệ tinh giữa các cổng này. Thủ tục truyền tối ưu hóa có thể dùng kích thước cửa sổ tăng, khởi đầu chậm và các thuật toán tránh nghẽn trước, có thể sử dụng cơ chế báo nhận (ACK) hiệu quả cao, giảm lưu lượng quay lại càng nhiều càng tốt. Trong những kết nối không đối xứng, sử dụng kênh vệ tinh vòng lại nhỏ hơn và dự trữ lớn hơn cho người dùng. Ngoài ra, việc điều chế tín hiệu qua đường vệ tinh có thể sử dụng sơ đồ mã tiên tiến để duy trì những kết nối có BER lỗi thấp.

Tài liệu tham khảo

[1] Digital Satellite Communications, Tri T. Ha, McGraw Hill

[2] G.Marl, M.Bousquet, Satellite Communications Systems

[3] M.Allman, S.Floyd anf C.Partridge, "Increasing TCP's initial Windows", RFC 2414.

[4] The Internet: Past, Present and Future