Thứ Tư, 16 tháng 9, 2015

Từ QoS đến QoE: Vấn đề cần quan tâm khi cung cấp các dịch vụ viễn thông

Giới thiệu chung
Trong vòng hai thập kỷ vừa qua, khái niệm chất lượng dịch vụ (QoS: Quality of Service) trên nền mạng IP đã được đưa vào nhận thức của đông đảo người sử dụng (NSD) cũng như các nhà cung cấp và khai thác dịch vụ mạng. QoS cũng chính là động lực thúc đẩy mạnh mẽ sự đầu tư của các nhà khai thác dịch vụ viễn thông và sự tập trung cao độ của cộng đồng nghiên cứu lĩnh vực mạng, hướng tới các giải pháp có tính ổn định và hiệu quả cao nhằm đảm bảo chất lượng cho các dịch vụ qua mạng.  
Trong nhận thức chung của cộng đồng chuyên ngành mạng, cũng như đã được chuẩn hóa bởi các tổ chức quốc tế có uy tín như Liên minh Viễn thông quốc tế ITU (ITU), QoS trong mạng viễn thông được định nghĩa cụ thể qua các tham số kỹ thuật được lượng hóa rõ ràng. Trên nền mạng IP, QoS được định nghĩa theo mức gói IP hoặc theo mức kết nối. Ở mức gói IP, các tham số QoS điển hình bao gồm độ trễ của các gói IP, độ biến thiên trễ của các gói IP, tỷ lệ mất gói IP. Ở mức kết nối/cuộc gọi, QoS có thể được đánh giá qua các tham số như tỷ lệ cuộc gọi/kết nối bị chặn, tỷ lệ các cuộc gọi/kết nối bị rớt giữa chừng.
Ảnh minh họa: v-net.tv
Tuy nhiên, trong bối cảnh hiện nay, khi các dịch vụ viễn thông trên nền mạng IP, đặc biệt là VoIP (Voice over IP), IPTV (Internet Protocol Television) ngày càng trở nên phổ biến và thông dụng hơn, QoS không còn là yếu tố duy nhất mang tính quyết định trong cuộc cạnh tranh chiếm lĩnh thị trường giữa các nhà cung cấp dịch vụ. Theo xu hướng chung, yếu tố dần trở nên quan trọng hơn để phân biệt mức độ và đánh giá các nhà cung cấp dịch vụ là những gói dịch vụ được thiết lập tốt đến mức nào theo nhu cầu cá nhân của NSD, có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu cá nhân khách hàng đến đâu để thỏa mãn tối đa yêu cầu của họ. Đây chính là tiền đề dẫn đến khái niệm chất lượng trải nghiệm QoE (Quality of Experience), một khái niệm được đưa vào bức tranh cung cấp dịch vụ trong ngành công nghệ viễn thông. Một cách đơn giản nhất, chất lượng trải nghiệm QoE là nhận xét chủ quan của NSD đánh giá về dịch vụ họ đang sử dụng.

So với khái niệm QoS, QoE là khái niệm mới hơn và mới chỉ được đẩy mạnh trong những năm gần đây. Tài liệu [1] thống kê so sánh số lượng các bài báo nghiên cứu viễn thông đã được đăng tải và lưu trữ trong hệ thống cơ sở dữ liệu của tổ chức IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), có chứa từ QoS trong phần tóm tắt với số lượng các bài báo có chứa từ QoE trong phần tóm tắt và đưa ra kết quả như trong Bảng 1. Tỷ lệ áp đảo của các bài báo liên quan đến QoS cho thấy QoE chỉ thực sự nằm trong sự quan tâm của các nhà nghiên cứu từ 2006 trở lại đây.
Năm
Quality of Service (QoS)
Quality of Experience (QoE)
Tỷ lệ giữa các bài báo liên quan đến QoS và các bài báo liên quan đến QoE
2002
1102
1
1102 lần
2003
1328
3
442 lần
2004
1540
3
513 lần
2005
1720
3
573 lần
2006
1681
10
168 lần
 Bảng 1. Thống kê về sự quan tâm đến khái niệm QoE và QoS
Chiều hướng tương tự cũng được biểu hiện nếu chúng ta thống kê số lượng các kết quả liên quan đến QoS và QoE khi sử dụng các công cụ tìm kiếm như www.google.com (địa chỉ tìm kiếm thông thường) hay http://scholar.google.com (địa chỉ tìm kiếm cho các tài liệu mang tính học đường, hàn lâm). Số các kết quả tìm kiếm liên quan đến QoS nhiều hơn 13 lần (trường hợp dùng google.com) và 50 lần (trường hợp dùng scholar.google.com) so với số lượng các kết quả tìm kiếm liên quan đến QoE.
Thành ngữ tìm
Tìm với Goggle.com
Tìm với http://scholar.google.com
QoS13.300.000619.000
QoE938.00011.700
 Bảng 2. Thống kê về mức độ phổ biến của khái niệm QoE và QoS (8/2008)
Liên quan giữa QoS và QoE
QoS đơn thuần đưa đến NSD những khái niệm kỹ thuật khá khô cứng về chất lượng dịch vụ. QoS chủ yếu tập trung vào mô tả các tiêu chí khách quan, mang tính kỹ thuật mà hạ tầng mạng hay ứng dụng cần phải đạt được để chất lượng dịch vụ được đảm bảo. Nói một cách khác QoS có thể coi là ngôn ngữ kỹ thuật chung của chất lượng mà các ứng dụng và hạ tầng mạng sử dụng.
Vấn đề nằm ở chỗ những khái niệm QoS như độ trễ, tỷ lệ mất của các gói IP không truyền tải những thông tin thiết thực cho đại đa số NSD đầu cuối. Điều mà NSD thật sự quan tâm là cảm nhận đánh giá cá nhân theo một cách diễn giải thông thường khi sử dụng dịch vụ, như chất lượng hình ảnh của đoạn phim có tốt không, hình ảnh và tiếng nói của trong phim có khớp nhau không vv. Xét từ góc độ thương mại cung cấp dịch vụ, mục tiêu cuối cùng của nhà cung cấp dịch vụ phải là sự hài lòng của khách hàng. Đây là yếu tố để thu hút NSD và mở rộng mạng lưới phục vụ của nhà cung cấp. Để đánh giá chất lượng của dịch vụ, rất cần thiết phải đặt tâm điểm vào mức độ hài lòng, yếu tố chủ quan mang tính chất con người của NSD đầu cuối. Chỉ có như vậy thì dịch vụ mới bám sát nhu cầu thị trường và có cơ hội phát triển, mở rộng.
Thực tế đó đòi hỏi phải thiết lập một cách diễn tả chung, dễ hiểu cho người dùng đầu cuối về chất lượng dịch vụ. Đó chính là lý do đưa ra khái niệm QoE. QoE là ngôn ngữ chung để các ứng dụng và NSD đầu cuối sử dụng khi tiếp cận vấn đề chất lượng của dịch vụ. Nói cách khác, QoE là thước đo sự hài lòng của NSD với dịch vụ họ đang sử dụng, dựa trên những đánh giá chủ quan. Như vậy, cũng có thể nhìn nhận QoE được tổng hợp từ các tham số thuần túy mang tính kỹ thuật QoS và các yếu tố khác không mang tính kỹ thuật như các đặc tính của hệ thống thị giác và thính giác con người, sự đơn giản khi đăng ký sử dụng dịch vụ, giá cả dịch vụ, nội dung dịch vụ, tính sẵn sàng hỗ trợ từ nhà cung cấp. QoE thường được biểu hiện bằng những đánh giá mang tính cảm nhận cá nhân như “xuất sắc”, “tốt”, “trung bình”, “tạm chấp nhận”, “kém”. 
Chúng ta cùng xem xét một ví dụ điển hình về vai trò của những yếu tố con người trong sự đánh giá chất lượng [2]. Trên Hình 1 có hai bức tranh về cùng một phong cảnh. Tham số QoS đo tỷ lệ giữa tín hiệu và nhiễu (PSNR: Peak-Signal-to-Noise-Ratio) của hai bức tranh được giữ ở mức như nhau. Như vậy, nếu chỉ thuần túy dựa trên tham số kỹ thuật PSNR thì hai bức tranh sẽ được đánh giá có chất lượng như nhau. Nhưng với hệ giác quan của NSD đầu cuối, tức là người trực tiếp xem hai bức tranh, rõ ràng là chất lượng của bức tranh bên trái tốt hơn nhiều so với bức tranh bên phải. NSD có thể xếp bức tranh bên trái vào mức “tạm chấp nhận”, thậm chí “trung bình”, nhưng bức tranh bên phải chỉ ở mức “kém”. Tại sao lại như vậy?
Cả hai bức tranh đều bị nhiễu. Tuy nhiên, bức tranh bên trái có nhiễu tần số cao, bức tranh bên phải có nhiễu ở tần số thấp. Hệ giác quan con người không cảm nhận được tốt (nói cách khác là “không nhìn thấy”) các nhiễu ở tần số cao như đối với nhiễu ở tần số thấp, do đó NSD hài lòng với bức tranh bên trái hơn so với bức tranh bên phải. Bên cạnh đó là nội dung của bức tranh. Nhiễu của bức tranh bên trái chỉ nằm ở phần dưới bức tranh (nơi có các khối đá xám, nước biển, với nhiều góc cạnh trên hình ảnh). Trên nền nội dung như vậy mắt thường của NSD rất khó nhận ra lỗi. Ngược lại, trong bức tranh bên phải, nhiễu có ở phần trên của bức tranh, nơi chi có thuần cảnh bầu trời mây xanh. Trên nền nội dung như vậy, tác động của nhiễu dễ dàng được mắt thường quan sát thấy. Như vậy nội dung của bức tranh, địa điểm có nhiễu xuất hiện, cũng rất quan trọng và có ảnh hưởng đến đánh giá của NSD.
Hình 1. Đánh giá theo hệ thị giác chủ quan của NSD
QoS như chúng ta đều biết có thể được thực hiện bằng các giải pháp, cơ chế áp dụng trong mạng, ví dụ như như điều khiển đầu vào (CAC Call Admisson Control), phân loại chất lượng dịch vụ, quản lý tài nguyên (resource management) hay cung ứng thừa tài nguyên (over-provisioning)... Các giải pháp QoS về bản chất là công cụ mà các nhà quản trị và khai thác mạng áp dụng để đem lại QoE. Tuy vậy, nếu chỉ đảm bảo đáp ứng tốt các tham số QoS chưa chắc chắn đã đem lại sự hài lòng về dịch vụ cho NSD vì như đã thảo luận ở trên, QoE còn bao hàm các nhân tố khác ngoài các tham số QoS. Cũng vì thế, đối với các nhà cung cấp dịch vụ, việc đo kiểm được QoE của người dùng và sau đó sửa đổi phù hợp dịch vụ để đáp ứng nhu cầu của NSD là rất quan trọng.
Đo đạc và kiểm soát QoE
Mặc dù mang tính chủ quan của người đánh giá, QoE cũng nên được lượng hóa đến một mức độ nhất định để có thể được sử dụng hữu ích cho các mục đích khác nhau như đưa vào hợp đồng thống nhất mức dịch vụ (Service Level Agreement - SLA) ký kết giữa nhà cung cấp và khách hàng, NSD. Phương pháp để đánh giá mức độ hài lòng QoE một mặt cần bao hàm những yếu tố mang tính tâm lý chủ quan của NSD, mặt khác cần phải đưa ra những kết quả sát thực tiễn và có thể tái dựng lại khi có nhu cầu. Điều này trước tiên đòi hỏi sự thấu hiểu về nhu cầu mà NSD đang có, nắm được yếu tố nào là nhân tố ảnh hưởng đến sự đánh giá chủ quan của NSD cho loại hình dịch vụ mà họ sử dụng.    
Phát triển các phương pháp để có thể đo đạc, lượng hóa QoE không phải là vấn đề đơn giản vì ngoài các yếu tố thuần túy kỹ thuật (như trong trường hợp QoS) còn cần phải xem xét những yếu tố mang tính con người. Để đánh giá QoE có thể đi theo phương thức là tạo ra ánh xạ từ các thông số kỹ thuật thuần túy QoS sang thông số mang tính chủ quan QoE. Sau đó chỉ cần đo đạc và kiểm soát các thông số QoS để qua đó kiểm soát và điều chỉnh QoE. Khó khăn lớn nhất của phương thức này là tạo ra cách ánh xạ phản ánh được chân thực nhất những yếu tố mang tính chủ quan của NSD, ví dụ như những tính chất của hệ thị giác con người. Hơn thế nữa, phải tổng hợp nhiều tham số QoS mới có thể ánh xạ sang QoE một cách hợp lý. Sự ánh xạ đòi hỏi phải có sự đúc kết từ nhiều thử nghiệm thực tế. Bảng 3 là một ví dụ về cách ánh xạ từ các tham số QoS bao gồm độ trễ (end-to-end delay), tỷ lệ mất gói (packet loss ratio), thông lượng trung bình (mean throughput) sang các mức độ QoE bao gồm xuất sắc (excellent), rất tốt (very good), trung bình (average), tạm chấp nhận được (fair), và kém (poor), dùng cho dịch vụ truy nhập web sử dụng WAP/ xHTML trong mạng di động [3].
Bảng 3: Ánh xạ từ các tham số QoS sang QoE của dịch vụ truy nhập web sử dụng WAP/ xHTML 
trong mạng di động
Như đã đề cập, QoE được quan tâm nhiều nhất trong lĩnh vực VoIP và IPTV. Đây là hai mảng dịch vụ có thể nói là đầu tàu của các nhà khai thác viễn thông trên nền mạng IP hiện nay. Khái niệm QoE cho VoIP có thể được đánh giá bằng cách thực hiện thu thập đánh giá trải nghiệm về dịch vụ VoIP của số lượng lớn NSD và sau đó lượng hóa kết quả qua khái niệm MOS (Mean Opinion Score). MOS là thang điểm từ 1 đến 5. MOS càng cao thì QoE càng tốt, tức là NSD càng hài lòng với chất lượng dịch vụ VoIP. Từ khía cạnh kỹ thuật, để đánh giá QoE cho VoIP còn có thể sử dụng phương pháp “3SQM” được chuẩn hóa trong tài liệu ITU-T Rec. P. 563 (ITU-T Rec. P. 563: Single ended method for objective speech quality asessment in narrow-band telephony applications), hoặc phương pháp “E-model” chuẩn hóa trong tài liệu ITU-T Rec. G.107 (ITU-T Rec. G.107: The E-model, a computational model for use in transmission planning). Các phương pháp này ánh xạ các tham số kỹ thuật QoS của kết nối VoIP sang thang điểm MOS, tham số đánh giá của QoE. Cả hai phương pháp này đều không yêu cầu thực hiện so sánh giữa tín hiệu âm thanh gốc với tín hiệu âm thanh nhận được.
QoE cho IPTV cũng có thể được đánh giá bằng phương pháp mang tính chủ quan qua tham số MOS, định nghĩa trong tài liệu ITU-R BT 500 (ITU-R, “Recommendation BT. 500: Methodology for the subjective assessment of the quality of television pictures”). Một nhóm NSD sẽ được chọn lựa để cùng xem đoạn video và cho điểm chất lượng từ 1 đến 5 (5 tương ứng với chất lượng tốt nhất). Tham số MOS của đoạn video sẽ được lấy trung bình từ các kết quả cho điểm của NSD. Tuy nhiên, cũng giống như trường hợp xác định MOS của VoIP qua ý kiến NSD, phương pháp này chỉ khả thi trong môi trường phòng thí nghiệm, không áp dụng được trong môi trường ứng dụng thời gian thực.
Các phương pháp khác để đánh giá QoE cho IPTV dựa vào nguyên lý hoạt động truyền tải của IPTV nói riêng và của hình ảnh qua mạng IP nói chung. Các gói của luồng video được chuyển từ bộ mã hóa/nén của nguồn ảnh (compression), thành luồng dữ liệu (streaming) đi qua mạng (network) đến bộ đệm của bộ giải mã (de-compression) với tốc độ khác nhau. Bộ đệm có nhiệm vụ cung cấp các gói với tốc độ đều đặn cho bộ giải mã để tái hiện hình ảnh cho người xem. Tác động của mạng (network impairments) gây ra những biến đổi cho các gói trong luồng dữ liệu hình ảnh, làm cho các gói có thể đến bộ đệm với tốc độ nhanh chậm khác nhau, làm ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ hài lòng (QoE) của NSD đầu cuối. Nếu các gói IP đến quá nhanh sẽ làm tràn bộ đệm, dẫn đến hiện tượng các gói bị mất do bộ đệm chỉ có dung lượng giới hạn. Với người xem, ảnh sẽ bị biến dạng và những chi tiết trong ảnh bị nhòe, hoặc bị mất. Ngược lại, nếu các gói IP đến quá chậm thì bộ đệm không có gì để đưa vào bộ giải mã, dẫn đến hiện tượng ngừng hình, giật hình khi xem.
QoE cho IPTV có thể được đánh giá một cách lượng hóa qua tham số MDI (Media Delivery Index). Về bản chất, MDI cũng là một tham số được ánh xạ từ các nhân tố QoS lớp mạng, cụ thể là độ trễ (Delay Factor - DF) và tỷ lệ mất nội dung (Media Loss Rate - MLR). MDI được hiển thị dưới dạng chuẩn DF:MLR. Ưu điểm của MDI là đại lượng này có thể được đo kiểm tại bất cứ điểm nào trên đường truyền từ nguồn ảnh đến người xem (NSD) và từ giá trị MDI có thể ánh xạ đến QoE để có được những hành động, biện pháp xử lý kịp thời. MDI đáp ứng được yêu cầu QoE về ảnh là DF vào khoảng 9-50ms, MLR tối đa là 0.004 cho SDTV (Standard Definition Television: truyền hình độ phân giải thông thường), VOD (Video on Demand: video theo yêu cầu) và 0.0005 cho HDTV (high-definition television: truyền hình phân giải cao) [4].
Hình 2. Mô hình đánh giá QoE cần sự so sánh giữa hình ảnh gốc và hình ảnh đầu nhận
Hình 3. Mô hình MPQM đánh giá QoE của IPTV
MPQM (Moving Picture Quality Metrics) và V-factor là hai mô hình khác để đánh giá QoE của dịch vụ IPTV. MPQM là mô hình đặt nền tảng trên những tính chất của hệ thống thị giác của con người và đánh giá sự suy giảm chất lượng qua vòng đời điển hình của ảnh video (nén, truyền, giải nén) có ảnh hưởng thế nào đến chất lượng hình ảnh qua cảm nhận của NSD đầu cuối [5]. Về mặt cấu trúc hệ thống, vị trí đánh giá MPQM trên đường truyền luồng video được hiển thị trong Hình 3 [6]. Có thể thấy là khác với các giải pháp đánh giá chất lượng video thông thường được phát triển trong môi trường phòng thí nghiệm (xem Hình 2), MPQM không cần đến sự so sánh giữa hình ảnh gốc và hình ảnh nhân được. Điểm cơ bản này mang lại tính khả thi và độ mở rộng cao cho MPQM trong thực tế. Trong môi trường IPTV, địa điểm của hình ảnh nhận được nơi NSD đầu cuối có thể cách xa nhiều cây số so với địa điểm hình ảnh gốc. Hơn thế nữa có rất nhiều kênh IPTV được truyền tải đến NSD sẽ làm cho những phương pháp đánh giá chất lượng hình ảnh cần có so sánh giữa hình ảnh gốc với hình ảnh cuối khó có thể thực hiện được trong thời gian thực (realtime operation).   
Từ đầu vào là xác suất mất gói (Packet Loss Probability), phân tích lượng thông tin được hình ảnh truyền tải (entropy analysis), độ biến thiên trễ (jitter), độ xung gốc (Program Clock Reference), loại mã hóa (MPEG2, H264), MPQM đưa ra thang điểm 5 cho chất lượng IPTV, “Excellent” tương ứng thang điểm 5, “Good” tương ứng thang điểm 4, “Fair” tương ứng thang điểm 3, “Poor” tương ứng thang điểm 2, “Bad” tương ứng thang điểm 1. Hình 4 mô tả mô hình MPQM ở mức tổng quan.
Hình 4. Mô hình MPQM
V-factor cũng là một sự triển khai dựa trên mô hình gốc MPQM. Tuy nhiên, ngoài việc “cho điểm” đánh giá chất lượng của hình ảnh, V-factor còn cung cấp thêm những thông tin cần thiết cho việc theo dõi và phân tích các nguyên nhân gây ra vấn đề chất lượng, ví dụ như các tham số ở lớp mạng được định nghĩa trong tài liệu ITU Y. 1540/1541 (ITU Y. 1540/1541:Network performance objectives for IP-based services) hoặc IETF RFC2330 (RFC 2330: Framework for IP Performance Metrics). Hình 5 mô tả mô hình V-Factor ở mức tổng quan.
Hình 5. Mô hình V-factor
Lời kết
Các nhà khai thác dịch vụ viễn thông trên nền mạng IP cần phải đảm bảo QoE ở mức tối ưu cho các khách hàng mới và cả các khách hàng đang có để giảm thiểu khả năng NSD đổi nhà cung cấp dịch vụ. Theo xu hướng đó, các nhà khai thác dịch vụ cần thiết lập/triển khai các phương pháp kiểm thử để đánh giá QoE của dịch vụ họ cung cấp. Ví dụ như trong lĩnh vực IPTV, hiện đang có khá nhiều các nhà cung cấp giải pháp đo kiểm và giám sát QoE bao gồm những tên tuổi như Agilent Technologies Inc., Bridge Technologies Co. AS, Spirent Communications plc, Symmetricom Inc., Witbe Inc.
Tuy nhiên cũng có nhiều nhận định từ giới chuyên môn cho rằng bức tranh toàn cảnh về QoE và sự chuẩn hóa, đồng nhất các nền tảng liên quan đến QoE trong cộng đồng viễn thông vẫn đang là mục tiêu cần hướng tới của cả giới nghiên cứu và các công ty phát triển sản phẩm, giải pháp, dịch vụ. Sự xuất hiện của khái niệm QoE và tầm quan trọng của nó nhiều khả năng sẽ dẫn đến những thay đổi nhất định trong cách tiếp cận thị trường của các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông. Thay vì chỉ tập trung vào QoS, những vấn đề có liên quan đến QoE sẽ được đặt vào tâm điểm chú trọng. Xây dựng và áp dụng SLA với khách hàng trên cơ sở QoE, phát triển và áp dụng các phương pháp tính cước dựa trên QoE, phát triển các biện pháp đo kiểm, giám sát QoE để điều chỉnh chất lượng dịch vụ, phát triển và áp dụng các chính sách điều chỉnh dịch vụ dựa trên QoE là một vài ví dụ đơn cử cho chiều hướng phát triển trong những năm tới.
TS. Trần Tuấn Hưng
Tài liệu tham khảo
[1] K. Kilkki, Next Generation Internet and Quality of Experience, EuroFGI IA.7.6 Workshop on Socio-Economic Issues of NGI, Santander, Spain, June, 2007
[2] S. Winkler, Quality of Experience (QoE): An Important Measure of Success for  IP-based Video Services, Symmetricom white paper, October, 2007
[3] D. Soldani, M. Li, R. Cuny, QoS and QoE Management in UMTS Cellular System, John Wiley & Sons Ltd., 2006
[4] IPTV QoE: Understanding and Interpreting MDI Values, White paper from Agilent Technologies, 2006.
[5] Delivering Quality of Experience to IPTV and TVoIP Customers, White paper from Symmetricom, June, 2007.
[6] Y. Cognet, Measuring IPTV QoS Performance at the Box, Network Systems DesignLine, November, 2006.

0 nhận xét:

Đăng nhận xét