Nghiên cứu và lựa chọn các tiêu chuẩn cho mạng cung cấp dịch vụ IPTV

MỞ ĐẦU Ngày nay, truyền hình dựa trên giao thức Internet IPTV đang phát triển mạnh mẽ và tiến tới vị trí chủ chốt trong công nghiệp truyền hình thu phí, đó cũng là dịch vụ thu hút được s

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam

Người hướng dẫn khoa học:

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Ngày nay, truyền hình dựa trên giao thức Internet IPTV đang phát triển mạnh mẽ và tiến tới vị trí chủ chốt trong công nghiệp truyền hình thu phí, đó cũng là dịch vụ thu hút được sự chú ý của rất nhiều các công ty viễn thông trên thế giới IPTV có thể cung cấp cả tín hiệu truyền hình, Video song song với các dịch vụ đa phương tiện khác trên cùng một kết nối Internet Cụ thể, IPTV sử dụng một kết nối băng rộng và một hệ thống mạng phân phối các chương trình truyền hình sử dụng giao thức IP

Tuy nhiên do công nghệ IPTV còn mới mẽ, các tổ chức trên thế giới nhất là ITU chưa đưa ra bộ tiêu chuẩn cho công nghệ IPTV Trong khi đó ở Việt Nam có nhiều nhà cung cấp dịch vụ IPTV có thể được triển khai trên nhiều mạng truy nhập khác nhau Do vậy cần phải có các tiêu chuẩn cho hệ thống IPTV phù hợp với các mạng Viễn thông hiện nay của Việt Nam Xuất phát từ ý tưởng đó, luận văn sẽ nghiên cứu các tiêu chuẩn tín hiệu cho hệ thống IPTV Đồng thời đề xuất tiêu chuẩn áp dụng cho hệ thống IPTV theo xu hướng thống nhất các tiêu chuẩn trên thế giới

Đề tài “Nghiên cứu và lựa chọn các tiêu chuẩn cho mạng cung cấp dịch vụ IPTV” Nội dung của báo cáo được trình bày trong 3 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống cung cấp dịch vụ IPTV Chương 2: Các tiêu chuẩn của hệ thống IPTV và đề xuất tiêu

chuẩn cho hệ thống IPTV ở Việt Nam

Chương 3: Nghiên cứu đề xuất giải pháp triển khai IPTV tại

Thành phố Đà Nẵng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CUNG CẤP

DỊCH VỤ IPTV

1.1 TỔNG QUAN VỀ IPTV

1.1.1 Khái niệm IPTV

IPTV được IEC định nghĩa là hệ thống được sử dụng để phân phối các dịch vụ truyền hình số tới người dùng đã đang kí thuê bao với hệ thống Việc phân phối tín hiệu truyền hình được thực hiện bằng giao thức IP qua kết nối băng rộng thường trong mạng được quản trị nhiều hơn so với mạng Internet công cộng để đảm bảo chất lượng dịch vụ

1.1.2 Các đặc trưng của dịch vụ IPTV

- Hỗ trợ truyền hình tương tác

- Dịch thời gian

- Tính cá nhân

- Yêu cầu băng thông thấp

1.2 MÔ HÌNH KIẾN TRÚC HỆ THỐNG CUNG CẤP DỊCH

VỤ IPTV

1.2.1 Mô hình mạng IPTV

Mô hình hệ thống IPTV end to end như trên hình 1.1

Hình 1.1: Mô hình hệ thống IPTV end to end

+ Trung tâm dữ liệu IPTV

+ Mạng truy cập băng thông rộng

+ Thiết bị khách hàng IPTVCD

+ Mạng gia đình

1.2.2 Cấu trúc chức năng cho dịch vụ IPTV

Hình 1.2: Mô hình kiến trúc hệ thống cung cấp dịch vụ IPTV

- Hệ thống cung cấp nguồn dữ liệu

1.2.3 Các hình thức phân phối IPTV

Hiện nay có ba phương thức dùng để phân phối nội dung IPTV qua mạng IP đó là: Unicast, Broadcast, Multicast

1.2.4 Các vấn đề kỹ thuật và công nghệ cho IPTV

- Vấn đề xử lý nội dung

- VoD và Video server

- Các hệ thống hỗ trợ hoạt động

1.3 CÁC DỊCH VỤ VÀ ỨNG DỤNG IPTV

1.3.1 Truyền hình quảng bá kỹ thuật số

Chức năng của truyền hình quảng bá thông thường, truyền hình cáp và vệ tinh là cung cấp tất cả các kênh đồng thời tới nhà thuê bao Tuy nhiên, IPTV chỉ phân phối các kênh mà khách hàng muốn xem và nó có khả năng cung cấp không giới hạn số kênh này

1.3.2 Video theo yêu cầu VoD

VoD là dịch vụ cung cấp các chương trình truyền hình dựa trên các yêu cầu của thuê bao

1.3.3 Quảng cáo có địa chỉ

Thông tin, tin nhắn đặc biệt hoặc nội dung đa phương tiện giữa thiết bị và khách hàng dựa trên địa chỉ của họ gọi là quảng cáo có địa chỉ

1.4 SỬ DỤNG HẠ TẦNG MẠNG VIỄN THÔNG ĐỂ TỔ CHỨC MẠNG IPTV

1.4.1 Các loại mạng truy nhập băng rộng dùng triển khai dịch

1.4.2 Các công nghệ mạng lõi IPTV

Có 2 loại công nghệ truyền dẫn mạng lõi chính được sử dụng làm hạ tầng mạng IPTV là: IP trên MPLS và Metro Ethernet

Chuyển mã (mã chập,

mã xoắn)

Mã hóa kênh

Điều chế phát

Giải

mã kênh

Giải mã

Thu

Chương 2 CÁC TIÊU CHUẨN CỦA HỆ THỐNG IPTV VÀ LỰA CHỌN TIÊU CHUẨN HỆ THỐNG IPTV Ở VIỆT NAM

2.1 LÝ DO XÂY DỰNG CÁC TIÊU CHUẨN CHO DỊCH VỤ IPTV

- Chuẩn nén Video của ITU-T

- Chuẩn nén Video của MPEG

- Một số yêu cầu đối với cơ chế mã hóa video

- Lý do xây dựng các tiêu chuẩn cho dịch vụ IPTV

2.2 MÃ HÓA VÀ GIẢI MÃ TÍN HIỆU VIDEO VÀ AUDIO 2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống truyền hình số

Hình 2.2: Quá trình mã hóa và giải mã tín hiệu truyền hình

Quá trình mã hóa tín hiệu video và audio trong truyền hình số thực chất là quá trình nén tín hiệu ở thiết bị phát, giải mã tín hiệu video và audio là quá trình giải nén được thực hiện ở thiết bị thu

2.2.2 Nén tín hiệu video

Nén ảnh thực chất là quá trình sử dụng các phép biến đổi để loại bỏ đi các sự dư thừa và loại bỏ tính có nhớ của nguồn dữ liệu, tạo ra nguồn dữ liệu mới có lượng thông tin nhỏ hơn, đồng thời sử dụng các dạng mã hoá có khả năng tận dụng xác suất xuất hiện của các mẫu sao cho số lượng bít sử dụng để mã hoá một lượng thông tin nhất định là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo chất lượng theo yêu cầu

2.2.2.1 Nén video bằng phương pháp điều xung mã vi sai

Nguyên lý cơ bản của nó là: Chỉ truyền tải tín hiệu vi sai giữa mẫu đã cho và trị dự báo được tạo ra từ các mẫu trước đó

+ Xử lý giải tương hỗ trong kỹ thuật DPCM

+ Kỹ thuật tạo dự báo

Trong kỹ thuật nén điều xung mã vi sai DPCM, quá trình giải tương hỗ được thực hiện bằng một bộ lọc có đáp ứng đầu ra là hiệu

số giữa các mẫu điểm liên tiếp đầu vào và một giá trị dự báo của mẫu điểm đó tạo được dựa trên giá trị các mẫu lân cận theo một qui luật nhất định

+ Sai số dự báo (Prediction error)

Sai số dự báo chỉ là sự chênh lệch giữa giá trị dự báo và giá trị thực

+ Khái niệm bù chuyển động (motion compensation) và vecto chuyển động

Trong dòng tín hiệu Video thông thường, các khung liền nhau thường giống nhau Do vậy trong dự báo Interframe một chiều tức là lấy khung liền trước làm ảnh dự báo cho khung liền sau, giá trị dự

báo rất gần giá trị ảnh thực tế dẫn tới sai số dự báo nhỏ, tốc độ dòng bit dữ liệu nhỏ

Khi có chuyển động, ảnh dự báo không phải là ảnh kề trước đó

mà là ảnh có bù chuyển động Giá trị sai số dự báo:

P = khung trước đó - khung hiện hành + vecto chuyển động

* Hệ thống DPCM có bù chuyển động

Hình 2.4: Mã hóa/ Giải mã DPCM

2.2.2.2 Nén Video bằng phương pháp mã hoá chuyển đổi

+ Xử lý giải tương hỗ trong kỹ thuật TC

Phép biến đổi phù hợp nhất cho nén tín hiệu Video là phép biến đổi cosin rời rạc (Discrete Cosine Transform- DCT) Thay vì lượng tử hoá và mã hóa trực tiếp biên độ điểm ảnh, người ta sẽ lượng

tử hoá và mã hoá các hệ số DCT

+ Biến đổi Cosin rời rạc (Discrete cosine transform-DCT)

Bản thân DCT không nén dữ liệu, không làm giảm tốc độ bít Bởi vậy, để nén dữ liệu người ta phải lượng tử hoá các hệ số DCT theo một bảng trọng số nhất định sao cho số các hệ số khác 0 ứng với lượng thông tin trong một khối là nhỏ nhất Đồng thời, các hệ số DCT cũng được quét theo một cách đặc biệt để số hệ số 0 đi liền nhau nhiều nhất nhằm giảm số bít cần dùng cho mã hoá hệ số DCT

Có hai dạng thức quét cho số hệ số “0” đó là quét zig-zag và quét luân phiên (alternate)

Hình 2.6: Quét các hệ số DCT

Hình 2.8: Nén ảnh theo công nghệ mã hóa chuyển đổi

2.2.2.3 Sự kết hợp các phương pháp nén

Có thể hiểu một cách đơn giản, kết hợp các phương pháp nén

là tạo ra một quá trình nén nhiều bậc nhằm đạt được hiệu suất nén cao Tiêu chuẩn nén phổ biến hiện nay là MPEG, sử dụng kết hợp hai phương pháp nén: Điều xung mã vi sai và mã hoá chuyển đổi

tác dụng loại bỏ các mẫu không có giá trị cảm nhận các mẫu không nghe thấy

Có hai phương pháp nén cơ bản, đó là:

- Mã hoá dự báo miền thời gian: sử dụng mã hoá vi sai mã hoá các giá trị chêch lệch giữa các mẫu liên tiếp nhau để loại bỏ sự dư thừa thông tin nhằm thu được dòng bít tốc độ thấp

- Mã hoá chuyển đổi miền tần số: Công nghệ này sử dụng các khối mẫu PCM tuyến tính biến đổi từ miền thời gian thành một số nhất định các băng tần trong miền tần số

Hình 2.11: Bộ mã hóa tín hiệu audio

2.3 TIÊU CHUẨN CHO TÍN HIỆU VIDEO

Hiện nay có các chuẩn nén phổ biến là Motion JPEG (MJPEG), Wavelet, H.261/ H.263/ H.263+/ H.263++ và MPEG-1/ MPEG-2/ MPEG-4 Nhìn chung, có 02 nhóm tiêu chuẩn chủ yếu là nhóm 1 gồm định dạng nén MJPEG và Wavelet và nhóm 2 gồm các định dạng chuẩn còn lại

2.3.1 Chuẩn nén MJPEG và Wavelet

Trọng tâm của các nghiên cứu về nén ảnh là giảm bớt một số bit để biểu diễn ảnh bằng việc loại bỏ dư thừa trong miền không gian

và miền tần số càng nhiều càng tốt Các chuẩn nén MJPEG và Wavelet đều tuân theo nguyên tắc tìm ra các phần tử dư thừa miền không gian

2.3.2 Chuẩn nén MPEG-x và H.26x

2.3.3 Chuẩn nén MPEG-2

MPEG-2 bao gồm các phần chính sau:

- MPEG-2 Video part (Part 2): tương tự MPEG-1, nhưng chỉ hỗ trợ video xen kẽ là khuôn dạng được sử dụng cho các hệ thống truyền hình quảng bá

- MPEG-2 Audio part (Part 3): cải tiến chức năng âm thanh của MPEG-1 bằng cách cho phép mã hóa các chương trình âm thanh với nhiều hơn hai kênh Part 3 cũng cũng tương thích với chuẩn trước, cho phép các bộ giải mã âm thanh MPEG-1 giải mã các thành phần

âm thanh nổi (stereo)

MPEG-2 được dùng để mã hóa hình ảnh động và âm thanh và

để tạo ra ba kiểu khung số liệu (intra frame, forward predictive frame

và bidirectional pridicted frame) có thể được sắp xếp theo một trật tự

cụ thể gọi là cấu trúc nhóm các hình ảnh GOP

2.3.4 Chuẩn nén MPEG-4

Chuẩn MPEG-4 cung cấp các phân bộ trong kết cấu logic và năng lực giải mã từng dòng bit riêng rẽ Mỗi profile là một phân bộ xác định trên toàn bit stream ví dụ: một độ phân giải của video sẽ xác định một số tiêu chí bắt buộc cho tham số của bức ảnh như kích thước ảnh, số lượng bit,

Mỗi bit stream hiển thị trong định dạng nén MPEG-4 cung cấp một mô tả mang tính phân tầng về hình ảnh hiển thị Từng lớp dữ

liệu được đưa vào luồng bit bởi những mật mã đặc biệt gọi là mật mã khởi nguồn

Các đối tượng MPEG-4

- Lớp đối tượng video (VOL)

- Mặt phẳng đối tượng video (VOP)

2.3.5 Chuẩn nén H.264/MPEG-4 Part 10/AVC

+ Giới thiệu về chuẩn nén H.264/MPEG-4 Part 10/AVC

+ Một số tính năng quan trọng của H.264/MPEG-4 Part 10

+ Yêu cầu về băng thông của các chuẩn nén

Bảng 2.4: So sánh hoạt động của chuẩn nén

chuẩn H.264 tại băng thông 1,5 Mbps tốt hơn so với chuẩn MPEG-2

ở băng thông 3 Mbps Sử dụng chuẩn nén H.264 có thể tiết kiệm được hơn một nửa băng thông

2.4 TIÊU CHUẨN CHO TÍN HIỆU AUDIO

Đặc tính kỹ thuật cơ bản của tiêu chuẩn nén audio MPEG-1 và MPEG-2 được trình bày tóm tắt trong Bảng 2.5

Bảng 2.5: Đặc tính kỹ thuật chuẩn nén audio MPEG-1 và MPEG-2

KHz

48 KHz – 44,312 KHz ;

24 KHz – 22,0516 KHz Tốc độ bit Tự do có thể lên

6 kênh : left, right, center, left surround, right surround và LFE

Khả năng co

giãn

Các kênh left, right có thể giải mã độc lập nhau

* Tiêu chuẩn AC-3

Bộ nén audio sốAC-3 có thể mã hóa từ các kênh 1 đến kênh 5,1 Sau khi qua bộ mã hóa AC3 thành dòng số liệu có tốc độ 384 Kbit/s

2.5 CÁC GIAO THỨC TRÊN MẠNG TRUYỀN TẢI IP

2.5.1 Giao thức cho dịch vụ multicast

- Giao thức IGMP

- Giao thức PIM

2.5.2 Giao thức cho dịch vụ unicast

Giao thức được sử dụng cho dịch vụ unicast là RTSP

2.5.3 Giao thức cho dịch vụ VoIP

Giao thức được sử dụng cho dịch vụ VOIP là giao thức SIP

2.6 TIÊU CHUẨN CHO MẠNG TRUY NHẬP

2.6.1 Công nghệ mạng truy nhập xDSL

Với công nghệ nén hiện nay, cả DSL hoặc ADSL đều có thể cung cấp dịch vụ IPTV VDSL có khả năng cung cấp băng thông lớn hơn cho thuê bao lên tới 50 Mbps đường download, băng thông của các loại XDSL được thể hiện ở bảng 2.6

Bảng 2.6: Các dạng chuẩn của ADSL

Common name Downstream rate Upstream rate

Hình 2.15: Sơ đồ triển khai IPTV trên ADSL

2.6.2 Công nghệ mạng truy nhập FTTx

FTTx được phân thành các loại chính như sau:

- FTTH - Fiber To The Home: Cáp quang đến tận nhà

- FTTB - Fiber To The Building: Cáp quang đến tòa nhà

- FTTC - Fiber To The Curb: Cáp quang đến vỉa hè

- FTTN - Fiber To The Node: Cáp quang tới tổng đài trung

- Hình 2.16: Công nghệ mạng truy nhập FTTx

2.7 CÁC TIÊU CHUẨN KHUYẾN NGHỊ TRÊN THẾ GIỚI

Hiện tại ITU đã và đang xúc tiến để tiến gần đến việc chuẩn hóa IPTV Ngoài ITU, một số tổ chức như DVB (Digital Video Broadcasting), ETSI (European Telecommunications Standards Insstitute), TV-Anytime Forum, ATSC (Advanced Television Standards Committee), ARIB (Association of Radio Industries and Businesses) cũng đang nghiên cứu các tiêu chuẩn về băng rộng liên quan đến IP

+ Các kỹ thuật được chuẩn hóa đối với IPTV:

- Các chức năng kết cuối bộ thu

- Mã hóa đa phương tiện

- Thông tin dịch vụ

- Siêu dữ liệu

- Điều khiển truy nhập và đặc điểm kỹ thuật của bộ thu

- Kênh truyền thông

- Mã hóa và truyền dẫn

- Bảo vệ nội dung

- Bảng 2.7: Một số khuyến nghị dự thảo của ITU về IPTV

2.8 ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN CÁC TIÊU CHUẨN CHO HỆ THỐNG IPTV VIỆT NAM

2.8.1 So sánh chuẩn nén MPEG-4/H264 AVC với các chuẩn nén khác

Chuẩn nén H.264/AVC giảm một nửa băng thông cần thiết để phân phối video số chất lượng DVB đầy màn hình đến khách hàng,

và giảm yêu cầu băng thông truyền dẫn truyền hình số chất lượng chuẩn (SDTV) xuống 700 kbps (kb/s)

2.8.2 Lựa chọn tiêu chuẩn tín hiệu cho hệ thống IPTV ở Việt Nam

Như đã so sánh ở trên chuẩn nén MPEG-4 hoặc H.264/AVC

có nhiều ưu điểm hơn về băng thông, nó phù hợp với môi trường truyền dẫn tín hiệu IP và mạng truy nhập Nhất là nó phù hợp với việc cung cấp dịch vụ IPTV kể cả kênh SDTV và HDTV

Do vậy để cung cấp dịch vụ IPTV chất lượng cao như kênh HDTV nên dùng chuẩn nén tín hiệu MPEG-4 hoặc H.264/AVC Tuy nhiên để tiết kiệm băng thông thì các kênh truyền hình thông thường như SDTV nên dùng chuẩn nén MPEG-2

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI IPTV TẠI THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG

3.1 ĐÁNH GIÁ HẠ TẦNG MẠNG VIỄN THÔNG ĐÀ NẴNG

VÀ KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI TÍN HIỆU IPTV

3.1.1 Mạng MANE và mô hình triển khai dịch vụ IPTV tại thành phố Đà Nẵng

Hình 3.1: Mạng MANE TP Đà Nẵng

Như vậy mạng MANE của VNPT Đà Nẵng gồm có 4 vòng Ring

3.1.2 Sơ đồ kết nối thuê bao MyTV tại Viễn thông Đà Nẵng

Hình 3.2: Mô hình kết nối thuê bao MyTV tại Viễn thông Đà Nẵng

- Hệ thống máy chủ nội dung của dịch vụ MyTV được kết nối trên Core VN do đó chỉ có những IP-DSLAM đã đấu chuyển sang MAN-

E mới triển khai được dịch vụ MyTV

3.1.3 Sơ đồ kết nối thuê bao SonghanTV tại Viễn thông Đà Nẵng

Hình 3.3: Mô hình kết nối thuê bao MyTV tại Viễn thông Đà Nẵng

Máy chủ nội dung SonghanTV được đấu nối trực tiếp vào CoreSwitch L3 của hệ thống IP-DSLAM nên có thể triển khai ngay dịch vụ SonghanTV

3.1.4 Sơ đồ đấu nối giữa VTC Headend và mạng MANE của VNPT Đà Nẵng

Hình 3.4: Sơ đồ đấu nối giữa VTC Headend và MANE Đà Nẵng

3.1.5 Quá trình triển khai

Xây dựng cấu hình như sau:

* Kết nối giữa VTC Router và PE