Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV

áp dụng những kỹ thuật nén tiên tiến như MPEG-4, H.264, hệ thống IPTV cho phép các nhà khai thác tổ chức, quản lý và truyền tải hàng ngàn các kênh truyền hình quảng bá, các nội dung truy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ðẶNG VĂN TUYÊN

ðề tài:

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MẠNG CUNG CẤP DỊCH VỤ IPTV

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: ðIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN CHẤN HÙNG

HÀ NỘI - 2008

Lời mở đầu

Sự đột phá trong việc cải thiện băng thông của hệ thống mạng phân phối

đ mở ra một thời kỳ mới của dịch vụ cung cấp và chia sẻ nội dung số Với đường truyền dẫn sử dụng công nghệ ADSL, VDSL, công nghệ truyền dẫn quang… cho phép nhà khai thác viễn thông có thể mở rộng và cung cấp các dịch vụ đa phương tiện tới khách hàng Một trong những dịch vụ đang được thu hút sự quan tâm đó là IPTV áp dụng những kỹ thuật nén tiên tiến như MPEG-4, H.264, hệ thống IPTV cho phép các nhà khai thác tổ chức, quản lý và truyền tải hàng ngàn các kênh truyền hình quảng bá, các nội dung truyền hình trực tiếp (Live TV), các nội dung phim ảnh theo yêu cầu với chất lượng cao, đảm bảo các tiêu chuẩn truyền hình SDTV, HDTV… Ngoài ra IPTV còn là một hệ thống hứa hẹn cho phép tích hợp nhiều ứng dụng chia sẻ nội dung số, các hình thức thông tin tiên tiến như truyền hình tương tác, mua bán hàng tại nhà qua màn ảnh TV… Với khả năng tích hợp nhiều dịch vụ, công nghệ tiên tiến và đặc biệt là khả năng cá nhân hóa sở thích người sử dụng, khả năng quản lý bản quyền nội dung số, IPTV đ và

đang được nhiều nhà phát triển sản xuất nghiên cứu, chuẩn hóa và từng bước triển khai ở nhiều nơi

Nhằm tìm hiểu, nghiên cứu cấu trúc hệ thống của mạng cung cấp dịch vụ IPTV, được sự chỉ bảo của Thầy TS Nguyễn Chấn Hùng, tôi đ chọn đề tài làm luận văn tốt nghiệp là “Nghiên cứu hệ thống mạng cung cấp dịch vụ IPTV” Nội dung cơ bản của luận văn là nghiên cứu tổng thể cấu trúc của mạng cung cấp dịch vụ IPTV từ phía nhà cung cấp dịch vụ tới phía khách hàng, nghiên cứu kiến trúc hệ thống Open IPTV, một chuẩn chung đ được các nhà phát triển thống nhất và là cơ sở phát triển cho các hệ thống IPTV sau này Ngoài ra nội dung của luận văn còn tìm hiểu các vấn đề của kỹ thuật nén video, cấu trúc chuẩn nén video H.264, tìm hiểu và ứng dụng kỹ thuật nén video m nguồn mở JM của Joint Video Team (JVT) Luận văn được cấu trúc thành 4 chương:

- Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền hình IPTV: Trình bày các vấn đề tổng quát về dịch vụ IPTV, hệ thống mạng và các vấn đề kỹ thuật cơ bản của mạng cung cấp dịch vụ IPTV

- Chương 2: Mô hình kiến trúc hệ thống Open IPTV: Tìm hiểu kiến trúc, mô hình chức năng của các thực thể, các giao diện giữa các thực thể của chuẩn Open IPTV

- Chương 3: Cơ sở các kỹ thuật nén video: Trình bày những vấn đề cơ bản, cơ sở lý thuyết của kỹ thuật nén video, các chuẩn nén video

- Chương 4: Kỹ thuật nén Video MPEG-4 AVC/H.264: Tìm hiểu cấu trúc của bộ chuẩn nén video MPEG-4 AVC/H.264, tìm hiểu nghiên cứu khả năng ứng dụng sản phẩm phần mềm nén video m nguồn mở JM

Để hoàn thành bản luận văn này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS Nguyễn Chấn Hùng, người đ tận tình định hướng, chỉ bảo cho tôi những kiến thức quý báu trong quá trình nghiên cứu

Mặc dù bản thân đ cố gắng nhưng do năng lực, kinh nghiệm còn hạn chế, vấn đề nghiên cứu rộng nên bài luận văn chắc chắn còn nhiều thiếu sót Vì vậy tôi kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến, chỉ bảo của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi ngày càng hoàn thiện hơn vốn kiến thức của mình

Hà Nội, tháng 10 năm 2008

Đặng Văn Tuyên

1 mục lục

danh mục những từ viết tắt 4

danh mục các bảng 8 danh mục các hình vẽ 9 chương 1: tổng quan về hệ thống Iptv 11 1.1 Khái niệm về hệ thống IPTV 11

1.1.1 Khái niệm chung 11

1.1.2 Một số đặc điểm của IPTV 12

1.1.3 Dịch vụ truyền hình theo yêu cầu (VoD) và truyền hình tương tác (Interactive Television) 13

1.2 Kiến trúc tổng quát của hệ thống IPTV 15

1.3 Mạng truy nhập của IPTV và giao thức IP 19

1.3.1 Tổng quan về mạng IP và giao thức IP 19

1.3.2 Giao thức tầng giao vận và ứng dụng truyền video cho hệ thống IPTV 21

1.3.3 Truyền tin đa hướng Multicast và ứng dụng multicast trong IPTV 24

1.3.4 Công nghệ truyền dẫn trong mạng truy nhập IPTV 26

1.4 Đảm bảo chất lượng và quản lý quyền truy nhập 32

1.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng video trong hệ thống IPTV 32

1.4.2 Quản lý quyền truy nhập 36

1.5 Tổ chức và quản lý các máy chủ video trong hệ thống IPTV 38

1.5.1 Phân loại máy chủ video 39

1.5.2 Máy chủ dịch vụ Video theo yêu cầu (VoD Server) 41

1.5.3 Máy chủ dịch vụ quảng cáo (Advertising Server) 43

1.6 Thiết bị đầu cuối người sử dụng 43

1.6.1 Cấu trúc của IPTV Set-top box 44

1.6.2 Các phần mềm trung gian Midleware 47

chương 2: mô hình kiến trúc hệ thống open iptv 47

2.1 Mô hình hệ thống Open IPTV 49

2.1.1 Mô hình hệ thống 49

2.1.2 Sự hình thành chuỗi dịch vụ trong hệ thống IPTV 51

2.2 Kiến trúc hệ thống Open IPTV 52

2.2.1 Định danh điểm tham chiếu 52

2.2.2 Kiến trúc hệ thống phía cung cấp dịch vụ 53

2.2.3 Kiến trúc hệ thống phía khách hàng 63

2.3 Các giao thức, thủ tục xử lý cơ bản 66

2.3.1 Kết nối thiết bị khách hàng 67

2

2.3.3 Định danh và xác nhận đăng nhập người dùng 67

2.3.4 Thiết lập và quản lý các phiên Unicast 67

2.3.5 Các thủ tục quản lý phiên đối với nội dung đZ có kế hoạch 68

2.3.6 Các thủ tục thiết lập dịch vụ 68

2.3.7 Quản lý thông tin người dùng (User Profile Management) 68

2.3.8 Các thủ tục điều khiển đối với nội dung CoD 68

2.3.9 Các thủ tục bảo vệ dịch vụ và nội dung 69

2.4 Kết nối giữa IPTV và các dịch vụ truyền thông khác 69

2.4.1 Dịch vụ hiển thị Caller ID 69

2.4.2 Dịch vụ tin nhắn (Messaging) 70

2.4.3 Dịch vụ chat 70

2.5 Kết nối giữa IPTV và các thiết bị chuẩn DLNA 70

chương 3: cơ sở các kỹ thuật nén video 71 3.1 tính tương quan trong luồng tín hiệu video và mô hình nén video 74

3.2 Nén trong miền thời gian 76

3.2.1 Tạo ảnh dự đoán từ ảnh liền trước 77

3.2.2 Tạo ảnh dự đoán và bù chuyển dịch theo khối (Block based) 77

3.2.3 Nội suy điểm ảnh trong xác định hướng chuyển dịch 80

3.2.4 Phân loại ảnh và cấu trúc nhóm ảnh 85

3.3 Nén trong miền không gian 87

3.3.1 MZ hóa dự đoán ảnh 88

3.3.2 MZ hóa chuyển đổi 89

3.4 MV hóa Entropy 95

3.5 Mô hình mV hóa video kết hợp DPCM/DCT 97

3.5.1 Bộ mZ hóa 98

3.5.2 Bộ giải mZ 100

3.6 Các chuẩn nén video 101

chương 4: kỹ thuật nén video mpeg4 avc/h.264 101 4.1 Tổng quan về H.264 104

4.1.1 Sơ đồ tổng quát cấu trúc bộ mZ hóa và giải mZ H.264 104

4.1.2 Cấu trúc tiêu chuẩn H.264 104

4.1.3 Định dạng tín hiệu video 105

4.2 Một số vấn đề cơ bản của H.264 106

4.2.1 ảnh tham chiếu và quản lý ảnh tham chiếu trong H.264 106

4.2.2 Macroblock(MB) và mảnh (slice) 106

4.3 Cấu trúc Baseline Profile của H.264 108

4.3.1 Độ phân giải trong xác định vector chuyển dịch 108

3

4.3.2 Dự đoán vector chuyển dịch 110

4.3.3 Dự đoán trong ảnh (Intra Prediction) 112

4.3.4 Bộ lọc giảm hiện tượng hình thành khối (Deblocking filter) 113

4.3.5 Biến đổi và Lượng tử hóa 113

4.3.6 Sắp xếp các hệ số 116

4.3.7 MZ hóa Entropy 117

4.4 Main Profile và Extended Profile 122

4.4.1 Mảnh loại B và danh sách ảnh tham chiếu 122

4.4.2 Dự đoán có trọng số 123

4.4.3 MZ hóa số học nhị phân thích nghi CABAC 123

4.4.4 Mảnh SP và mảnh SI 124

4.5 Bộ công cụ nén video mV nguồn mở của Joint Video Team 125

4.5.1 Cấu trúc sản phẩm mZ nguồn mở nén video H.264 JM 126

4.5.2 Cách sử dụng phần mềm mZ nguồn mở JM 126

4.5.3 Định hướng tham gia phát triển 132

KếT LUậN Và KIếN NGHị 130 TàI LIệU THAM KHảO

4 Danh mục Những từ viết tắt ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line – Đường dây thuê bao bất đối xứng

AG Application Gateway – Gateway ứng dụng

AON Active Optical Network – Mạng quang tích cực

API Application Programming Interface – Giao diện lập trình ứng dụng

AS Application Server – Máy chủ ứng dụng

ASM Authentication and Session Management – Quản lý phiên và xác thực A/V Audio and Video

BPON Broadband Passive Optical Network – Mạng quang thụ động băng rộng BTF Basic Transport Function – Chức năng giao vận cơ bản

CAS Conditional Access System – Hệ thống truy nhập có điều kiện

CC Cluster Controller – Bộ điều khiển Cluster

CD Content Delivery – Phân phối nội dung

CDC Connected Device Configuration – Cấu hình thiết bị đZ được kết nối CDF Content Delivery Function – Chức năng phân phối nội dung

CDN Content Delivery Network – Mạng phân phối nội dung

CDNC CDN Controller – Bộ điều khiển mạng phân phối nội dung

CE Consumer Equipment – Thiết bị phía khách hàng

CoD Content on Demand – Nội dung theo yêu cầu

CP Content Provider – Nhà cung cấp nội dung

CPI Content Provider Interface – Giao diện nhà cung cấp nội dung

CSP Content and Service Protection – Bảo vệ nội dung và dịch vụ

DLNA Digital Living Network Alliance - Khối liên minh mạng chia sẻ nội

DOS Denial of Service – Từ chối dịch vụ

DRM Digital Rights Management – Quản lý bản quyền số

5

DSLAM Digital subscriber line access multiplexer – Thiết bị truy nhập đường

truyền thuê bao số

DTCP-IP

Digital Transmission Content Protection over Internet Protocol – Bảo

vệ nội dung truyền dẫn số trên mạng IP

DTT Digital Terrestrial Television – Truyền hình số mặt đất

DVB-IP Digital Video Broadcasting Internet Protocol – Truyền hình số quảng

bá qua mạng IP

EPG Electronic Program Guide – Hướng dẫn lựa chọn, sử dụng chương trình

FE Functional Entity – Thực thể chức năng

FTTH Fiber To The Home – Mạng truyền dẫn quang tới từng khu nhà

FTTRO Fiber To The Regional Office – Mạng truyền dẫn quang tới văn phòng

khu vực

GPON Gigabit Ethernet Passive Optical Network – Mạng quang thụ động kiến

trúc Ethernet

GUI Graphical User Interface – Giao diện Đồ họa người sử dụng

HD High Definition – Độ phân giải cao

HDMI High Definition Multimedia Interface – Giao diện đa phương tiện phân

giải cao

HN Home Network – Mạng phía khách hàng

HTTP Hypertext Transfer Protocol - Giao thức truyền dữ liệu siêu văn bản IAI Internet Access Interface – Giao diện truy nhập Internet

IG IMS Gateway – Cổng dịch vụ IMS

IGMP Internet Group Management Protocol – Giao diện quản lý nhóm trên

IMS IP Multimedia System – Hệ thống đa phương tiện trên nền IP

IP Internet Protocol – Giao thức Internet

IPTV Internet Protocol Television – Truyền hình trên nền giao thức IP

ISIM IMS Subscriber Identity Module – Module thực thể thuê bao hệ thống

IMS

6

ISP Internet Service Provider – Nhà cung cấp dịch vụ Internet

ITF

IPTV Terminal Function – Chức năng đầu cuối IPTV

LAN Local Area Network – Mạng cục bộ

MDTF Multicast Data Terminating Function – Chức năng đầu cuối dữ liệu

truyền tin đa hướng

NAT Network Address Translation – Chuyển đổi địa chỉ mạng

nPVR Network Personal Video Recorder – Máy ghi video cá nhân trực tiếp

trên mạng

OIF Open IPTV Forum – Diễn đàn hệ thống IPTV mở

OMA Open Mobile Alliance – Liên minh hệ thống di động mở

PAE Procedural Application Environment – Môi trường ứng dụng theo hướng

thủ tục

P2P Peer-to-Peer – Mô hình mạng ngang hàng

PC Personal Computer – Máy tính cá nhân

PLMN Public Land Mobile Network – Mạng di động công cộng mặt đất

POTS Telephone Service – Dịch vụ điện thoại

PON Passive Optical Network – Mạng quang thụ động

PVR Personal Video Recorders – Máy ghi video cá nhân

QoS Quality of Service – Chất lượng dịch vụ

RTP Real Time Protocol – Giao thức thời gian thực

RTCP Real Time Control Protocol – Giao thức điều khiển thời gian thực

RTSP Real Time Streaming Protocol – Giao thức truyền dẫn luồng dữ liệu thời

gian thực

RMS Remote Management System – Hệ thống quản lý từ xa

RUI Remote User Interface – Giao diện người dùng từ xa

SAA Service Access Authentication – Xác nhận truy nhập dịch vụ

SD Standard Definition – Độ phân giải tiêu chuẩn

7

SD&S DVB Service Discovery and Selection – Duyệt và lựa chọn dịch vụ DVB SDP Session Description Protocol – Giao thức

SLA Service Level Agreement – Sự thỏa thuận mức ứng dụng

SIM Subscriber Identity Module – Khối thực thể thuê bao

SIP Session Initial Protocol Giao thức thiết lập phiên

SMS Short Message Service – Dịch vụ nhắn tin ngắn

SP Service Provider – Nhà cung cấp dịch vụ

SPI Service Provider Interface – Giao diện nhà cung cấp dịch vụ

SPDF Service-based Policy Decision Function – Chức năng quyết định chính

sách theo hướng dịch vụ

SPP Service Platform Provider – Nhà cung cấp hạ tầng dịch vụ

SSO Single Sign-on – Truy nhập một lần duy nhất

STB Set Top Box – Thiết bị điều khiển đầu cuối phía khách hàng

TCI Transport and Control Interface – Giao diện điều khiển và truyền dẫn TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol – Giao thức điều khiển

truyền/ Giao thức Internet

UDP User Datagram Protocol – Giao thức dữ liệu người sử dụng

UE User Entity – Thực thể người dùng

UI User Interface – Giao diện người dùng

UNI User Network Interface – Giao diện mạng người sử dụng

URI Uniform Resource Identifier – Định danh tài nguyên thống nhất

URL Uniform Resource Locator – Bộ xác định tài nguyên thống nhất

VoD Video on Demand – Dịch vụ video theo yêu cầu

VDSL Very Hight Rate Digital Subcriber Line – Đường dây thuê báo số tốc độ

cao

WLAN Wireless LAN – Mạng cục bộ không dây

WG WAN Gateway – Gateway của mạng WAN

WAN Wide Area Network – Mạng diện rộng

XML eXtensible Markup Language – Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng

XHTML eXtensible Hypertext Markup Language – Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn

bản mở rộng

8 danh mục các bảng

Bảng 1.1 Một số dạng của dịch Video theo yêu cầu VoD 13

Bảng 1.2 Các chuẩn tín hiệu và độ phân giải 34

Bảng 2.1 Chức năng các điểm tham chiếu UNI 60

Bảng 2.2 Chức năng các điểm tham chiếu NP 61

Bảng 2.3 Chức năng của thực thể ITF và thiết bị DLNA trong các trường hợp sử dụng kết nối thiết bị DLNA với hệ thống IPTV 71

Bảng 3.1 Bảng giá trị mẫu ví dụ mZ hóa Huffman 95

Bảng 3.2 Bảng mZ hóa mZ Huffman cho các giá trị mẫu ở bảng 3.1 96

Bảng 3.3 Trích bảng mZ hóa TCOEF của chuẩn MPEG4 Visual 97

Bảng 3.4 Các giá trị mẫu của một macroblock phần dư 99

Bảng 3.5 Các hệ số sau khi thực hiện chuyển đổi DCT và các hệ số sau khi lượng tử hóa 99

Bảng 3.6 Chuỗi mZ hóa TCOEF của macroblock phần dư 100

Bảng 3.7 Các hệ số của macroblock phần dư sau khi được sắp xếp lại và giải lượng tử 101

Bảng 3.8 Macroblock phần dư được giải mZ IDCT 101

Bảng 4.1 Các loại mảnh được định nghĩa trong H.264 107

Bảng 4.2 Bước lượng tử hóa của H.264 CODEC 115

Bảng 4.3.Bảng mZ hóa Exp-Golomb 117

Bảng 4.4 Lựa chọn bảng mZ dựa vào hệ số coeffs token 119

Bảng 4.5 Xác định giá trị ngưỡng theo chiều dài level_suffix 120

Bảng 4.6 Ví dụ quá trình thực hiện mZ hóa VLC 121

9 danh mục các hình vẽ

Hình 1.1 Sơ đồ kiến trúc tổng quát của hệ thống IPTV 15

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống IPTV sử dụng kênh truyền dẫn vệ tinh 18

Hình 1.3 Kiến trúc phân tầng mô hình OSI của giao thức IP 20

Hình 1.4 Vị trí các giao thức của tầng giao vận 21

Hình 1.5 Cấu trúc phần tiêu đề của gói tin RPT 23

Hình 1.6 Mô hình truyền tin đơn hướng và đa hướng 24

Hình 1.7 Phương thức truyền đơn hướng và đa hướng trong mạng IPTV 25

Hình 1.8 cấu trúc mạng truy nhập IPTV sử dụng PON 27

Hình 1.9 Mô hình quản lý quyền truy nhập trong mạng IPTV 38

Hình 1.10 Mô hình tổ chức máy chủ dịch vụ VoD 42

Hình 1.11 Sơ đồ khối cấu trúc của IPTV Set-top box 45

Hình 1.12 Tách luồng tín hiệu ở bộ Tách/ghép kênh 46

Hình 2.1 Mô hình hệ thống Open IPTV 50

Hình 2.2 Sự hình thành chuỗi giá trị dịch vụ trong hệ thống Open IPTV 52

Hình 2.3 ánh xạ thực thể chức năng tới các điểm tham chiếu giao diện UNI 53

Hình 2.4 Mô hình kiến trúc chức năng hệ thống Open IPTV 55

Hình 2.5 Mô hình kiến trúc chức năng hệ thống phía khách hàng 64

Hình 2.6 Mô hình kiến trúc chi tiết hệ thống mạng phía khách hàng 66

Hình 2.7 Quan hệ trao đổi dữ liệu giữa thiết bị DLNA, thực thể ITF và các thực thể quản lý nội dung của mạng nhà cung cấp dịch vụ IPTV 72

Hình 3.1 Vị trí và vai trò của nén video 74

Hình 3.2 Sự tương quan trong miền thời gian và trong miền không gian trong chuỗi tín hiệu video 74

Hình 3.3 Sơ đồ khối tổng quát của bộ mZ hóa video 75

Hình 3.4 Cấu trúc macroblock của các dạng lấy mẫu Mỗi ô vuông trong hình ứng với kích thước 8x8 mẫu điểm ảnh 78

Hình 3.5 Xác định hướng chuyển dịch trên cơ sở tìm kiếm vùng ảnh giống nhất so với macroblock hiện tại 79

Hình 3.6 ảnh giá trị phần chênh lệch trong các trường hợp không dự đoán và xử lý MB kích thước 16x16 80

Hình3.7 Phần chênh lệch với cấu trúc xử lý kích thước khối khác nhau 81

Hình 3.8 Cấu trúc điểm ảnh của một macroblock trước khi nội suy và sau khi nội suy độ phân giải 1/4điểm ảnh 82

Hình 3.9 Quan hệ giữa các mẫu cơ bản và nội suy trong tìm kiếm xác định hướng dịch chuyển 82

Hình 3.10 a) Vector chuyển dịch ở độ phân giải nguyên 83

Hình 3.10 b) Vector chuyển dịch ở độ phân giải 1/4 điểm ảnh 84

Hình 3.11 Kết quả phần chênh lệch xử lý theo khối 4x4 85

Hình 3.12 Cấu trúc nhóm ảnh và thứ tự truyền dẫn các ảnh trong nhóm 87

Hình 3.13 MZ hóa dự đoán điểm ảnh X từ các điểm ảnh lân cận A, B, C 88

10

Hình3.15 Thứ tự quét các hệ số DCT 94

Hình 3.16 Cây mZ Huffman cho bảng giá trị mẫu ở bảng 3.1 96

Hình 3.17 Sơ đồ cấu trúc bộ mZ hóa video DPCM/DCT 98

Hình 3.18 Sơ đồ cấu trúc bộ giải mZ video DPCM/DCT 98

Hình 3.19.Quá trình phát triển các chuẩn nén video 102

Hình 4.1 Cấu trúc bộ mZ hóa và giải mZ H.264 104

Hình 4.2 Cấu trúc và quan hệ giữa các profile của tiêu chuẩn H.264 105

Hình 4.3 Các phần MB và các phần MB con sử dụng trong H.264 107

Hình 4.4 Nội suy các điểm ảnh ở độ phân giải 1/2 điểm ảnh 109

Hình 4.5 Nội suy các giá trị ở độ phân giải 1/4 điểm ảnh 110

Hình 4.6 Nội suy các giá trị ở độ phân giải 1/8 điểm ảnh 110

Hình 4.7 Các khối MB lân cận của MB hiện thời 111

Hình 4.8 Ví dụ về một khung hình sử dụng kỹ thuật dự đoán trong ảnh 112

Hình 4.9 Các chế độ dự đoán nội suy tín hiệu chói của khối điểm ảnh 4x4 112

Hình 4.10 Các chế độ dự đoán nội suy tín hiệu chói của khối điểm ảnh 16x16 113

Hình 4.11 Thứ tự quét và truyền đi các hệ số trong MB 113

Hình 4.12 Thứ tự quét các hệ số 117

Hình 4.13 Chuyển đổi giải mZ luồng video từ Stream A sang Stream B 125

Hình 4.14 Hiển thị các tham số mZ hóa trong quá trình thực thi chương trình 130

Hình 4.15 Trích màn hình kết quả thực hiện với dữ liệu thử nghiệm 131

11

CHƯƠNG 1 Tổng quan về hệ thống truyền hình IPTV

1.1 Khái niệm về hệ thống IPTV

1.1.1 Khái niệm chung

IPTV là tên viết tắt của cụm từ Tiếng Anh Internet Protocol Television - Truyền hình qua giao thức Internet

Theo nhóm nghiên cứu ITPV của tổ chức ITU (ITU-T FG IPTV) định nghĩa: IPTV là các dịch vụ đa phương tiện như truyền hình ảnh, tiếng nói, văn bản, dữ liệu được phân phối trên các mạng dựa trên nền công nghệ IP được cung cấp và quản lý đảm bảo chất lượng dịch vụ, tính bảo mật, tính tương tác, tính tin cậy theo yêu cầu Với quan điểm như vậy, IPTV là hệ thống đóng vai trò phân phối các dữ liệu, bao gồm hình ảnh, âm thanh, văn bản… qua mạng sử dụng giao thức Internet (IP) Điều đó cũng nhấn mạnh IPTV chỉ sử dụng công nghệ IP để truyền tải, phân phối nội dung truyền hình chứ không phải sử dụng mạng Internet làm mạng truyền dẫn

IPTV là dịch vụ truyền hình số, do đó nó mang tất cả những ưu điểm của công nghệ truyền hình số Ngoài ra, do được phân phối trên hệ thống mạng sử dụng công nghệ IP nên IPTV là cơ sở để có thể triển khai các dịch vụ có tính cá nhân hóa, hướng đến người sử dụng như dịch vụ Video theo yêu cầu (Video on Demand - VoD), truyền hình tương tác (Interactive TV), dịch vụ thông tin multimedia như gửi nhận email, xem hàng, mua sắm qua TV v.v…

Với sự phát triển mạnh mẽ của mạng băng rộng, IPTV nhanh chóng được quan tâm và phát triển Cho đến nay đZ có nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông triển khai thành công hệ thống IPTV Các tổ chức nghiên cứu, các nhà sản xuất cũng không ngừng đẩy mạnh ứng dụng các công nghệ mới vào sản xuất và chuẩn hóa các hệ thống thiết bị Số lượng khách hàng sử dụng dịch vụ IPTV cũng không ngừng tăng trưởng

12

Do đặc điểm khác biệt so với các công nghệ truyền hình trước đây là sử dụng giao thức IP, cùng với xu hướng hội tụ các công nghệ viễn thông, dịch vụ truyền hình IPTV có thể được kết hợp với các dịch vụ viễn thông khác như điện thoại, số liệu Chính vì điều này, IPTV trở nên hấp dẫn đối với các nhà cung câp

và khai thác dịch vụ viễn thông, các khái niệm Triple Play (cung cấp đồng thời dịch vụ thoại, video, Internet) và Quardruple Play (gồm Triple Play có thêm wireless) cũng ra đời cùng với IPTV

1.1.2 Một số đặc điểm của IPTV

Hệ thống IPTV có một số đặc điểm cơ bản sau:

- Có khả năng hỗ trợ tương tác: Tính chất hai chiều trong truyền thông của mạng IP cho phép hệ thống IPTV cung cấp các dịch vụ có tính tương tác Ngoài các dịch vụ truyền hình truyền thống như truyền hình quảng bá (broadscast TV), truyền hình trực tiếp (live TV), IPTV còn có thể cung cấp dịch

vụ trò chơi tương tác (interactive game) hay duyệt internet (internet browsing)

Đặc tính tương tác cũng là cơ sở để triển khai các dịch vụ truyền hình theo yêu cầu (VoD) trên hệ thống IPTV

- Hỗ trợ ghi và xem lại: Với định dạng dữ liệu tín hiệu số, luồng tín hiệu video có thể dễ dàng ghi lại và cho phép người sử dụng xem lại các chương trình truyền hình nhờ một bộ ghi tích hợp sẵn trong thiết bị ở phía người sử dụng

- Cá nhân hóa: Công nghệ IP cho phép định danh và quản lý thông tin về thiết bị đầu cuối Điều này cho phép người sử dụng có thể thiết lập những thông tin mang tính cá nhân như các kênh truyền hình yêu thích, thời gian xem hàng ngày v.v Các thông tin này không những tạo sự thuận lợi cho người sử dụng mà còn hỗ trợ nhà quản lý khai thác dễ dàng thống kê, tạo nhóm dịch vụ phục vụ tới khách hàng

13

- Hỗ trợ nhiều loại thiết bị đầu cuối: IPTV không chỉ hỗ trợ màn hình tivi truyền thống mà còn cho phép người sử dụng có thể xem nội dung truyền hình ở nhiều thiết bị đầu cuối khác nhau như màn hình máy tính, thiết bị di động v.v… Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm vượt trội nói trên, IPTV cũng còn tồn tại một số vấn đề, điển hình là chất lượng không ổn định Trên mạng IP sử dụng nhiều dịch vụ, với băng thông hữu hạn, khi nhiều dịch vụ đồng thời cùng sử dụng, băng thông dành cho IPTV có thể ở dưới mức yêu cầu Điều này làm cho chất lượng hình ảnh suy giảm Mặt khác, IPTV sử dụng giao thức UDP không có cơ chế kiểm soát mất gói tin và sửa lỗi nên cũng là nguyên nhân gây nên những hiệu ứng không mong muốn như mất hình, dừng hình v.v…

1.1.3 Dịch vụ truyền hình theo yêu cầu (VoD) và truyền hình tương tác (Interactive Television)

Một trong những ưu thế nổi bật của IPTV so với các hệ thống truyền hình truyền thống đó là khả năng tích hợp tốt dịch vụ truyền hình theo yêu cầu và truyền hình tương tác

Dịch vụ truyền hình theo yêu cầu (Video on Demand) cho phép người sử dụng

có thể lựa chọn và xem các nội dung video theo yêu cầu CoD (Content of Demand) (bao gồm các chương trình truyền hình, phim, ca nhạc) bất cứ thời điểm nào họ muốn ý tưởng về dịch vụ này đZ có từ lâu nhưng cho đến nay vì còn nhiều giới hạn

về công nghệ nên VoD vẫn còn đang được phát triển, chuẩn hóa về công nghệ cũng như dịch vụ

Từ khi ra đời cho đến nay, nhiều chuẩn dịch vụ VoD đZ được triển khai, bảng 1.1 liệt kê một số dịch vụ này

Bảng 1.1 Một số dạng của dịch Video theo yêu cầu VoD

True VoD Đây là dạng thực nhất của VoD Người xem có thể lựa chọn, xem nội

14

hiệu video theo ý riêng của mình như điều khiển start, stop, rewind, fast forward nội dung video Bản chất của dịch vụ này là nhà cung cấp tạo các luồng tín hiệu video độc lập cho từng người sử dụng Near VoD Gần giống như True VoD trong đó người xem không thể điều khiển

luồng tín hiệu video theo ý riêng của mình Để lựa chọn nội dung video, người xem phải mất một khoảng thời gian chờ đợi nhỏ hơn 5 phút để bắt đầu Bản chất của dịch vụ này là luồng tín hiệu video được phục vụ cho một nhóm người, thời gian chờ đợi là khoảng thời gian để ghép những người cùng lựa chọn một nội dung cùng sử dụng luồng tín hiệu video đó

Giao thức IP cung cấp các cơ chế truyền tin mềm dẻo theo nhiều phương thức khác nhau giữa các trạm trong hệ thống Do đó, với thế mạnh sử dụng giao thức IP trong mạng phân phối nội dung video tới khách hàng, IPTV có thể tích hợp và cải tiến dịch vụ VoD trở thành một dịch vụ quan trọng của hệ thống

Dịch vụ truyền hình tương tác (Interactive Television - iTV) cho phép người sử dụng có thể tương tác với nội dung video đang xem Ví dụ:

15

- Người sử dụng có thể lựa chọn các phân đoạn khác nhau của nội dung video, thay đổi góc quay của camera Điều này cho phép triển khai dịch vụ mua bán hàng qua mạng Người sử dụng có thể xem sản phẩm qua truyền hình

- Người sử dụng có thể đóng góp ý kiến, bình chọn về nội dung video, đặt hàng qua truyền hình v.v

Nguyên lý chính của dịch vụ iTV là các hoạt động điều khiển của người sử dụng được set-top box ghi lại và chuyển về phía nhà cung cấp dịch vụ Tại đó máy chủ dịch vụ sẽ đáp ứng các lệnh điều khiển và trả về nội dung video kết quả Dịch vụ này cho phép xây dựng nhiều dịch vụ gia tăng như trò chơi qua truyền hình, mua hàng qua truyền hình v.v

1.2 Kiến trúc tổng quát của hệ thống IPTV

Hình 1.1 là sơ đồ kiến trúc tổng quan của một hệ thống IPTV

Hình 1.1 Sơ đồ kiến trúc tổng quát của hệ thống IPTV

Hệ thống IPTV bao gồm 5 phân hệ chính:

- Phân hệ tích hợp nội dung (Content Aggregator) : Thường nằm ở trung tâm của nhà cung cấp dịch vụ (Head end) Phân hệ này có vai trò quan trọng là tập hợp các nguồn tín hiệu video cung cấp cho khách hàng và chuyển về một định dạng tín hiệu thống nhất trên toàn hệ thống Các nguồn tín hiệu video

16

khác như truyền hình vệ tinh, truyền hình cáp, truyền hình mặt đất… Nguồn tín hiệu cũng có thể là từ các máy chủ lưu trữ video như máy chủ video theo yêu cầu (VoD servers), cũng có thể là từ máy quay trong chương trình truyền hình trực tiếp (live show)… Tín hiệu từ các nguồn video được mZ hóa hoặc chuyển mZ về một định dạng mZ thống nhất trước khi truyền đi tới các điểm cung cấp dịch vụ Thông thường, mỗi nhà cung cấp IPTV sẽ có một phân hệ tích hợp nội dung và ở trụ sở chính của nhà cung cấp, các điểm cung cấp dịch vụ có thể nằm ở nhiều nơi khác nhau ví dụ mỗi thành phố lớn có một điểm cung cấp dịch vụ (Local End Office) Dữ liệu được truyền tới các điêm cung cấp dịch vụ thông qua hệ thống mạng truyền dẫn thời gian thực chẳng hạn kênh truyền dẫn vệ tinh, kênh truyền dẫn quang v.v…

- Các điểm cung cấp dịch vụ IPTV (IPTV Service Node) làm nhiệm vụ tổ chức, quản lý cung cấp dịch vụ IPTV tới khách hàng Sau khi thu nhận được tín hiệu video từ trung tâm, điểm cung cấp dịch vụ sử dụng giao thức streaming data trên nền giao thức IP của mạng truy nhập để phân phối nội dung video tới thiết

bị đầu cuối của khách hàng

- Mạng truy nhập dịch vụ (Service Access Network): Đây là thành phần quan trọng nhất trong phân phối tín hiệu của hệ thống IPTV Mạng truy nhập dịch vụ hoạt động dựa trên giao thức IP làm nhiệm vụ truyền tải tín hiệu video thời gian thực từ điểm cung cấp dịch vụ tới khách hàng Các vấn đề kỹ thuật đảm bảo chất lượng video, quản lý người sử dụng, quản lý bản quyền nội dung đều

được thực hiện trên phân hệ mạng này Để đảm bảo chất lượng dịch vụ, mạng truy nhập có sử dụng nhiều công nghệ truyền dẫn tiên tiến như ADSL, FTTH,v.v…

- Phân hệ Thiết bị người sử dụng (Customer Premise Equipment): Để sử dụng được dịch vụ truyền hình IPTV, khách hàng phải có thiết bị đầu cuối phù hợp, cụ thể là ngoài màn hình TV cần phải có thiết bị giải mZ tín hiệu truyền

18

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống IPTV sử dụng kênh truyền dẫn vệ tinh Trung tâm tích hợp nội dung thu các nguồn tín hiệu video của các hZng truyền hình khác nhau (Content Providers) thông qua các trạm thu vệ tinh Các nguồn tín hiệu video này có thể ở các định dạng khác nhau ví dụ MPEG2, tín hiệu truyền hình tương tự v.v… tất cả đều phải được chuyển về một định dạng chung duy nhất của hệ thống, ở đây là H.264 Khối H.264 Encoding thực hiện

mZ hóa hoặc chuyển mZ các nguồn tín hiệu video về định dạng H.264

19

Tín hiệu video tiếp đó được xử lý và truyền đi tới các trạm cung cấp dịch

vụ IPTV thông qua mạng thống truyền dẫn vệ tinh

Các điểm cung cấp dịch vụ IPTV được quản lý bởi các công ty khai thác

và cung cấp IPTV Tại đây, tín hiệu video được thu lại nhờ trạm thu vệ tinh, sau

đó thông qua hệ thống mạng truy nhập là mạng riêng của nhà cung cấp dịch vụ, các luồng tín hiệu video được truyền đến các DSLAM Dịch vụ ADSL làm nhiệm

vụ kết nối thiết bị đầu cuối của người sử dụng với DSLAM Mạng truy nhập sử dụng giao thức truyền dẫn IP

Tại nhà người sử dụng, thiết bị đầu cuối ADSL cung cấp tín hiệu tới top box Màn hình TV của người dùng được kết nối tới set-top box Mọi thao tác

set-điều khiển của người sử dụng được set-top box ghi nhận gửi về hệ thống set-điều khiển của nhà cung cấp dịch vụ Khi người sử dụng chọn một kênh truyền hình nào đó, luồng tín hiệu video của kênh tương ứng sẽ được truyền theo giao thức streaming trên hệ thống mạng IP của nhà cung cấp dịch vụ tới set-top box của người dùng ở đây, luồng tín hiệu video được giải mZ chuyển về định dạng tín hiệu video phù hợp và trình diễn trên màn hình TV

1.3 Mạng truy nhập của IPTV và giao thức IP

Ban đầu, mạng IP và giao thức IP được xây dựng áp dụng cho các ứng dụng truyền dữ liệu, phi thời gian thực Ngày nay với các công nghệ truyền dẫn

Gói tin là đơn vị dữ liệu nhỏ nhất truyền trên mạng IP Nó là một chuỗi các bytes có kích thước cố định và có cấu trúc bao gồm phần thông tin header

và phần chứa thông tin Phần header bao gồm địa chỉ trạm nguồn, địa chỉ trạm

đích và các thông tin điều khiển khác Giao thức IP cung cấp nhiều chức năng

đảm bảo truyền dữ liệu phù hợp với từng loại ứng dụng khác nhau của gói tin

Tầng ứng dụng

đọc tài liệu, nghe nhạc, xem phim v.v

(Transport Layer) Tạo dịch vụ truyền tin tin cậy hoặc không tin cậy

giữa các trạm trên mạng bằng kết nối end to end

Tầng mạng

đích trên hệ thống mạng theo yêu cầu dịch vụ cụ thể

Tầng liên kết dữ liệu

đặc tính của phương tiện truyền dẫn, m2 sửa lỗi v.v

Tầng Vật lý

Hình 1.3 Kiến trúc phân tầng mô hình OSI của giao thức IP Giao thức IP được xây dựng dựa trên mô hình hệ thống phân tầng OSI Với mô hình này, quá trình trao đổi thông tin từ một trạm này tới một trạm khác trên

hệ thống mạng được thực hiện thông qua 7 lớp như trong hình 1.3 Giữa các tầng

có giao thức trao đổi dữ liệu Hoạt động trao đổi dữ liệu ở cùng một tầng trên hai trạm được thực hiện thông qua giao thức trao đổi dữ liệu với tầng dưới nó

21

Các hoạt động của tầng dưới là trong suốt đối với tầng trên Chính vì vậy, giao thức IP rất mềm dẻo, có thể áp dụng cho các mạng có hạ tầng và công nghệ truyền dẫn khác nhau Một trong những công nghệ phổ biến cho hạ tầng mạng IP

là Ethernet, thường được dùng cho mạng cục bộ Các công nghệ khác cũng có thể

hỗ trợ mạng IP như dial-up modem, Wi-Fi, DSL, SONET, ATM

Mỗi trạm trong hệ thống mạng IP được định danh bằng một địa chỉ duy nhất, gọi là địa chỉ IP, gồm 4 số nguyên có giá trị từ 0-255 phân cách bởi dấu chấm Ngày nay, để tăng cường số lượng trạm tham gia vào mạng Internet, người

ta mở rộng chuẩn địa chỉ IP với 6 số nguyên (IPv6) Nhờ tính định danh duy nhất bằng địa chỉ IP, các trạm có thể truyền các gói tin một cách an toàn, chính xác

Hình 1.4 Vị trí các giao thức của tầng giao vận 1.3.2 Giao thức tầng giao vận và ứng dụng truyền video cho hệ thống IPTV

Trong mô hình OIS, ba tầng dưới tương đương với kiến trúc phần cứng của hạ tầng hệ thống mạng, ba tầng trên tương ứng với các ứng dụng Tầng giao vận làm nhiệm vụ trung gian, cung cấp các dịch vụ của hệ thống mạng cho các ứng dụng, đảm bảo truyền dữ liệu phù hợp với tính chất và yêu cầu của ứng dụng

ứng dụng

Hạ tầng mạng

RTP

UDP TCP

TCP: Transmission Control Protocol

UDP: User Datagram Protocol

RTP: Realtime Transport Protocol

22

Tầng giao vận hỗ trợ các ứng dụng truyền dữ liệu trên mạng thông qua hai giao thức chính: TCP và UDP Giao thức TCP được sử dụng cho hầu hết các ứng dụng trên mạng như www, ftp, telnet Nó là một giao thức hướng liên kết (connection-oriented protocol) với các tính năng như điều khiển xử lý lỗi, điều khiển luồng, điều khiển lưu thông Khi thực hiện trao đổi dữ liệu, nó hình thành một kết nối (connection) giữa hai trạm Các gói tin được truyền thông qua các thông báo (messages) trao đổi trên kết nối đó Nếu một gói tin bị lỗi, nó sẽ được truyền lại cho đến khi trạm đích xác nhận đZ nhận gói tin chính xác thì mới tiếp tục truyền các gói tin kế tiếp Do phải xử lý điều khiển lỗi, trao đổi qua lại giữa trạm nguồn và trạm đích nên thời gian trung bình để truyền một gói tin theo giao thức TCP sẽ lớn hơn các giao thức không liên kết Đối với các ứng dụng phi thời gian thực, tính an toàn, tin cậy của giao thức TCP là một ưu điểm Chính vì vậy,

nó được sử dụng cho hầu hết các ứng dụng trên mạng internet Tuy nhiên đối với các ứng dụng thời gian thực (realtime) thì giao thức TCP nhiều khi không đáp ứng được yêu cầu về thời gian đáp ứng dịch vụ Ví dụ đối với truyền dữ liệu video thời gian thực qua mạng, thông thường băng thông của mạng không đủ lớn tới mức kể cả truyền lại các gói tin lỗi, luồng tín hiệu video vẫn đến kịp để bộ giải

mZ video xuất tín hiệu hiển thị một cách đều đặn trên màn hình

Giao thức UDP khác cơ bản so với TCP ở chỗ nó là giao thức hướng không liên kết (connectionless-oriented protocol), nó không thiết lập liên kết giữa trạm nguồn và trạm đích, không có cơ chế sửa điều khiển lỗi, điều khiển luồng Vì vậy thời gian trung bình để truyền một gói tin ngắn hơn nhiều so với giao thức TCP Nó được sử dụng cho các ứng dụng thời gian thực với yêu cầu về kiểm soát lỗi không quá khắt khe Giao thức UDP là nền tảng để xây dựng các giao thức hỗ trợ dịch vụ thời gian thực

Một trong những giao thức điển hình xây dựng trên nền tảng giao thức UDP là RTP (Real Time Protocol) RTP ra đời nhằm hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực như đàm thoại qua mạng, hội nghị truyền hình qua mạng v.v Giao

23

thức này được thiết kế làm việc độc lập với các giao thức tầng dưới, luồng tín hiệu thời gian thực được đóng gói thành các gói tin RTP và truyền qua các đơn vị dữ liệu UDP datagram với cùng một số hiệu cổng dịch vụ (UDP port) Tại phía client, các gói tin RTP với cùng số hiệu UDP port được ghép lại và tạo thành luồng (streaming) tín hiệu dịch vụ thời gian thực Giao thức RTP xây dựng cấu trúc khung dữ liệu, trong đó định ra các thông tin điều khiển phù hợp với các ứng dụng thời gian thực như thứ tự gói tin, định danh phần tải tin v.v Hình 1.5 mô tả cấu trúc phần header của gói tin RTP bao gồm 12 bytes cố định Trường kiểu tải tin (PT - payload type) hiện diện ở tất cả các gói tin giúp cho các ứng dụng multimedia dễ dàng chuyển đổi các định dạng mZ hóa khác nhau trong quá trình truyền Trường số thứ tự chỉ ra vị trí của tải tin trong luồng tín hiệu multimedia

Hình 1.5 Cấu trúc phần tiêu đề của gói tin RPT Ngoài giao thức RTP, còn có nhiều giao thức hỗ trợ dịch vụ thời gian thực khác được xây dựng trên nền tảng giao thức TCP/UDP như RTSP (Real Time Streaming Protocol), RTCP (Real Time Control Protocol) v.v Các giao thức này đZ được cộng đồng phát triển ứng dụng internet quan tâm và hỗ trợ, phát triển Tuy nhiên với các ứng dụng sản phẩm cụ thể, nhiều tính năng quan trọng

được bổ xung như tính năng mZ hóa đa tốc độ (multi-rate encoded)

Để đảm bảo truyền luồng tín hiệu video liên tục từ hệ thống mạng cung cập tới set-top box của khách hàng, hệ thống IPTV có nhiều sản phẩm hỗ trợ nhiều giao thức video streaming khác nhau tùy theo từng hZng sản xuất Tuy nhiên các giao thức này cũng đều dựa trên nền tảng các giao thức truyền dữ liệu thời gian thực kể trên đặc biệt là giao thức RTP

24

1.3.3 Truyền tin đa hướng Multicast và ứng dụng multicast trong IPTV Truyền tin đa hướng là một tính năng nổi bật của mạng IP phù hợp với

đặc điểm của dịch vụ truyền hình

Hình 1.6 Mô hình truyền tin đơn hướng và đa hướng Giao thức IP định nghĩa ba loại truyền tin: đơn hướng (unicast), quảng bá (broadcast) và đa hướng (muticast) Truyền tin đơn hướng là truyền tin từ một trạm tới một trạm duy nhất khác trong hệ thống mạng Truyền tin quảng bá là truyền tin từ một trạm tới tất cả các trạm còn lại trên hệ thống mạng Khác với truyền tin đơn hướng và quảng bá, truyền tin đa hướng cho phép một trạm có thể

đồng thời truyền tin tới một vài trạm trên hệ thống mạng Tính năng này rất phù hợp với loại hình dịch vụ truyền hình Tại một thời điểm có rất nhiều người xem các kênh truyền hình khác nhau nhưng tồn tại trong số đó những nhóm người

đang cùng xem một kênh truyền hình hoặc cùng yêu cầu xem một nội dung phim

ảnh nào đó Nếu sử dụng multicast, một máy chủ có thể phục vụ một số lượng lớn người cùng xem và nếu có sự phân cấp của mạng truyền dẫn, sẽ tiết kiệm rất lớn băng thông ở đoạn mạng cấp cao Hình 1.7 so sánh việc truyền dữ liệu từ mạng nhà cung cấp dịch vụ tới khách hàng theo mô hình đơn hướng và đa hướng

25

Hình 1.7 Phương thức truyền đơn hướng và đa hướng trong mạng IPTV

Tuy nhiên, để hỗ trợ truyền tin đa hướng, cần một loạt các giao thức hỗ trợ khác Các điều kiện đảm bảo bao gồm:

- Các thiết bị hỗ trợ truyền tin đa hướng ví dụ máy chủ video, set-top box, các bộ định tuyến

- Các trạm được định danh theo cấu trúc địa chỉ multicast

- Các thiết bị phải được hỗ trợ các giao thức truyền tin multicast như giao thức quản lý nhóm (IGMP), giao thức phân phối multicast (MDP)

Các trạm truyền tin multicast phải được địa chỉ hóa bằng địa chỉ IP lớp D

có giá trị nằm trong khoảng 224.0.0.0 đến 239.255.255.255

Một trong những giao thức quan trọng trong multicast là IGMP (Internet Group Management Protocol) Giao thức này đảm bảo sự hình thành các nhóm bao gồm các trạm cùng nhận dữ liệu từ một server Nó cung cấp các phương thức cho phép một trạm bất kỳ trong hệ thống mạng gia nhập nhóm, thoát khỏi nhóm

Giao thức MDP (Multicast Distribution Protocol) bao gồm nhiều giao

1.3.4 Công nghệ truyền dẫn trong mạng truy nhập IPTV

Một trong những vấn đề cơ bản đặt ra đối với mạng truy nhập IPTV là yêu cầu băng thông lớn Để đáp ứng yêu cầu cung cấp dịch vụ truyền video chất lượng cao như HDTV tới một số lượng lớn người sử dụng với tính cá nhân hóa cao đòi hỏi băng thông của hệ thống mạng rất lớn Mạng truy nhập IPTV được phát triển dựa trên cơ sở hạ tầng của các mạng sẵn có và những mạng công nghệ mới nên trong quá trình phát triển có nhiều hệ thống và công nghệ khác nhau

được sử dụng Dưới đây là một số công nghệ điển hình

1.3.4.1 Sử dụng mạng truy nhập quang (Fiber Optical Network)

Mạng truy nhập sử dụng sợi quang là mạng đảm bảo chất lượng băng thông tốt nhất cho các dịch vụ số liệu tốc độ cao nói chung và dịch vụ IPTV nói riêng Với những ưu điểm vượt trội, giá thành ngày càng rẻ, mạng truy nhập quang đang được phát triển mạnh mẽ, dần thay thế các hệ thống mạng truy nhập

sử dụng cáp đồng

Trong quá trình xây dựng hệ thống truyền dẫn quang, tùy theo cấp độ quang hóa khác nhau tính từ trung tâm dịch vụ cho đến thiết bị đầu cuối người sử dụng, người ta chia ra làm nhiều loại như FTTRO (Fiber To the Regional Office) – Hệ thống truyền dẫn quang tới văn phòng khu vực, FTTC (Fiber To the Curb) -

27

Hệ thống truyền dẫn quang tới điểm phân phối FTTH (Fiber To the Home) Hệ thống truyền dẫn quang được áp dụng cho tới từng khu nhà Trong đó hệ thống FTTH là mô hình mạng truy nhập đang được triển khai ở nhiều nơi và là cơ sở để cung cấp đầy đủ các dịch vụ băng rộng trong đó có IPTV

Công nghệ mạng truyền dẫn quang bao gồm hai loại: PON (Passive Optical Network) – mạng quang thụ động và AON (Active Optical Network) – mạng quang tích cực Mạng truy nhập được phát triển chủ yếu dựa trên công nghệ PON theo cấu trúc hình sao (điểm - đa điểm) theo tiêu chuẩn G.983 của ITU

Hình 1.8 cấu trúc mạng truy nhập IPTV sử dụng PON Theo tiêu chuẩn G.983, trên PON chỉ bao gồm các phần tử quang thụ

động như sợi quang, bộ chia tách quang (optical spliter) vv Tín hiệu quang

được ghép kênh theo kỹ thuật phân chia theo bước sóng WDM ở phía thuê bao

có thiết bị đầu cuối mạng quang ONT (Optical Network Termination), ở phía mạng của nhà cung cấp dịch vụ có thiết bị đầu cuối đường dây quang OLT(Optical Line Termination) được ghép nối theo mô hình như trong hình 1.8

28

Có nhiều chuẩn PON khác nhau bao gồm:

- BPON (Broadband PON): được phát triển dựa trên ITU-T G 983 hỗ trợ tốc độ bất đối xứng 622Mbps download và 155Mbps upload BPON sử dụng công nghệ truyền dẫn ATM hỗ trợ nhiều dịch vụ băng rộng tốc độ bit không đổi CBR và các dịch vụ tốc độ bit biến đổi VBR vì vậy BPON rất phù hợp với kiến trúc mạng IPTV

- EPON (Ethernet PON): là mạng PON phát triển trên nền Ethernet thích hợp với đoạn mạng truy nhập tới mạng Ethernet gia đình Tốc độ của EPON tùy thuộc vào khoảng cách giữa OLT và ONT, có thể đạt tới 1.25Gbps download và 1.25Gbp upload

- GPON (Gigabit PON): được phát triển dựa trên ITU-T G.984, là phiên bản nâng cấp của BPON với khả năng hỗ trợ tốc độ cao hơn (2.5 Gbps download, 1.5 Gbps upload với cự ly lên đến 20km) và có thể hỗ trợ nhiều chuẩn truyền dẫn khác nhau bao gồm cả Ethernet, SONET và ATM

Mặc dù giá thành vẫn còn khá cao so với các công nghệ mạng truyền dẫn khác nhưng với những ưu điểm vượt trội của mình, PON đang là mục tiêu hướng

đến của hệ thống mạng truy nhập IPTV nói riêng và các mạng dịch vụ băng rộng nói chung

1.3.4.2 Sử dụng công nghệ truyền dẫn DSL (Digital Subcriber Line)

Tận dụng hệ thống mạng truy nhập sẵn có của mạng điện thoại cố định để

sử dụng công nghệ truyền dẫn tốc độ cao DSL đang được bùng nổ trong vòng thập niên trở lại đây Công nghệ DSL cho phép các nhà cung cấp dịch vụ có thể

đưa dịch vụ số liệu với tốc độ cao tới người sử dụng trên đôi cáp đồng thông thường sẵn có IPTV là một dịch vụ đòi hỏi băng thông cao theo hướng downstream (từ nhà cung cấp dịch vụ tới khách hàng), tốc độ upstream yêu cầu rất nhỏ so với downstream nên nó rất phù hợp với các công nghệ DSL Nhiều nhà cung cấp dịch vụ IPTV đZ kết hợp với các công ty điện thoại để phát triển hệ

29

thống mạng truy nhập IPTV dựa trên các công nghệ DSL Dưới đây là một số công nghệ DSL điển hình đZ được triển khai rộng rZi

a) ADSL (Asymmetric Digital Subcriber Line)

Công nghệ ADSL truyền dẫn bất đối xứng với tốc độ download có thể đạt

đến 8Mbps tùy theo khoảng cách từ trung tâm tới đầu cuối thuê bao Nguyên lý cơ bản của ADSL là điều chế số tín hiệu và truyền dẫn trên đôi dây điện thoại với băng tần cao hơn dải tần tín hiệu thoại ở phía tổng đài điện thoại, thiết bị

đầu cuối DSLAM (Digital Subcriber Line Access Multiplexer) thực hiện điều chế luồng tín hiệu số và ghép với luồng tín hiệu thoại và truyền đi trên đôi dây đồng Tại phía thu, bộ spliter tách riêng tín hiệu thoại ra khỏi tín hiệu ADSL Modem ADSL thực hiện giải điều chế để thu lại luồng tín hiệu số Quá trình thực hiện tương tự để upload luồng tín hiệu số từ thuê bao tới mạng nhà cung cấp dịch vụ

Công nghệ ADSL đZ phát triển và trở nên phổ biến đối với người dùng internet Trong giai đoạn quá độ của phát triển mạng băng rộng, ADSL là giải pháp phù hợp, giá thành rẻ đối với các dịch vụ internet Tuy nhiên, đối với dịch

vụ IPTV, ADSL vẫn còn hạn chế do tốc độ không đảm bảo, nhất là khi khoảng cách từ DSLAM tới thuê bao lớn

b) ADSL2

Chuẩn truyền dẫn ADSL2 được phát triển dựa trên công nghệ ADSL với khả năng hỗ trợ tốc độ truyền dẫn tốt hơn với khoảng cách truyền dẫn xa hơn nhằm đáp ứng yêu cầu băng thông cao của mạng truy nhập IPTV

Chuẩn ADSL2 gồm nhiều phiên bản, bao gồm:

- ADSL2: được phát triển bởi ITU năm 2003, nâng cấp tốc độ và khoảng cách truyền dẫn so với ADSL

30

- ADSL2+: điều chế và truyền dẫn tín hiệu số ở băng tần từ 138KHz đến 2.2MHz cho phép truyền ở khoảng cách 1.5km với tốc độ download có thể lên

đến 20Mbs

c) VDSL (Very High speed Digital Subcriber Line)

VDSL được phát triển dựa trên ADSL2+ Đây là phiên bản mới nhất của công nghệ DSL Nó hỗ trợ tốt các dịch vụ IPTV và VoD với khả năng đáp ứng về tốc độ truyền dẫn cao, quản lý chất lượng dịch vụ tiên tiến Có nhiều phiên bản VDSL khác nhau bao gồm:

-VDSL1 được phát triển năm 2004 với khả năng hỗ trợ tốc độ download lên đến 55Mbps và upload lên đến 15Mbps

- VDSL2 được chuẩn hóa từ VDSL1 và thành chuẩn G.993.2 với hai chuẩn con là VDSL2 Short Reach và VDSL2 Long Reach VDSL Long Reach sử dụng giải băng tần điều chế lên đến 30MHz để hỗ trợ truyền dữ liệu ở khoảng cách tới 1.5km với tốc độ download lên đến 30Mbps VDSL Short Reach sử dụng công nghệ điều chế tiên tiến có thể truyền dẫn ở cự ly vài trăm mét với tốc độ lên đến 100Mbps

Hiện nay, các nhà cung cấp dịch vụ IPTV đZ tận dụng công nghệ VDSL2, tích hợp cùng với mạng truyền dẫn quang làm mạng truy nhập dịch vụ Giải pháp này không những đảm bảo cung cấp tốt các dịch vụ IPTV trong giai đoạn trước mắt mà còn tận dụng cơ sở hạ tầng mạng hiện có, làm giảm giá thành dịch vụ

1.3.4.3 Phát triển trên mạng cáp truyền hình sẵn có

Mạng truy nhập của hệ thống IPTV cũng có thể được phát triển dựa trên nền cơ sở hạ tầng truyền dẫn của hệ thống truyền hình cáp sẵn có Tiêu chuẩn DOCSIS (Data over Cable Service Interface Specification) của châu Âu đZ cho phép xây dựng hệ thống truyền dẫn số liệu tốc độ cao qua hệ thống mạng cáp truyền hình Công nghệ này không những cho phép người dùng thực hiện kết nối

động Người sử dụng có thể xem nội dung truyền hình trên ô tô, hoặc các thiết bị cầm tay Hệ thống mạng truy nhập IPTV có thể được xây dựng trên nền tảng công nghệ mạng WiMax, tích hợp với mạng thông tin di động 3G

a) Mạng WiMax cố định

Mạng WiMax cố định (Fixed WiMax) đZ được chuẩn hóa theo IEEE 802.16 Hoạt động ở dải tần 3.4 - 3.6 GHz, sử dụng phương pháp điều chế OFDM với kiến trúc tương thích giao thức truyền dẫn TCP/IP hỗ trợ tốc độ cao lên đến 60Mbps trong phạm vi vùng phủ sóng 6-10km Công nghệ WiMax cố

định hoàn toàn có thể đáp ứng được các yêu cầu về băng thông đối với dịch vụ IPTV Với công nghệ này, nhà cung cấp dịch vụ IPTV có thể đưa tín hiệu truyền hình tới các vùng núi xa xôi, nơi khó triển khai hệ thống cáp hữu tuyến

c) Mạng 3G

1.4 đảm bảo chất lượng và quản lý quyền truy nhập

Đảm bảo chất lượng và quản lý quyền truy nhập là các vấn đề quan trọng

đối với các hệ thống cung cấp dịch vụ truyền hình Chất lượng dịch vụ là cơ sở tồn tại của hệ thống và được đánh giá bằng sự hài lòng của khách hàng Vấn đề bảo mật và quản lý quyền truy nhập đảm bảo không cho phép người xem xâm nhập vào những nội dung mà không thuộc phạm vi dịch vụ của họ, đồng thời không cho phép khách hàng tạo ra những bản sao nội dung video không hợp pháp

1.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng video trong hệ thống IPTV

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu video ở phía khách hàng Dưới đây là một số yếu tố cơ bản

1.4.1.1 Sự đồng bộ giữa hình ảnh và âm thanh (Audio/Video Synchronization)

Bình thường, âm thanh và hình ảnh phải được đồng bộ với nhau Các tiếng

động tạo ra từ loa của tivi phải khớp với hình ảnh thể hiện trên màn hình Tuy nhiên, các yếu tố kỹ thuật trong hệ thống có thể gây ra sự trượt đồng bộ (còn gọi

là mất đồng bộ) giữa hình ảnh và âm thanh, chẳng hạn tiếng động có trước hình

ảnh

Nguyên nhân gây nên hiện tượng mất đồng bộ có thể do kích thước vùng

đệm hoặc dữ liệu đệm ở bộ giải mZ chưa đủ lớn Set-top box hoặc PCs phải được

33

cấu hình để có thể nhận một số lượng gói tin đủ lớn ở vùng đệm và sắp xếp lại trước khi trình diễn trên màn hình Ngoài ra, các yếu tố khác như băng thông mạng không đủ lớn, máy chủ streaming video quá tải cũng có thể là nguyên nhân gây nên mất đồng bộ hình ảnh và âm thanh

1.4.1.2 Chất lượng của nguồn tín hiệu (Source Image Quality)

Chất lượng tín hiệu từ nhà cung cấp nội dung và chuẩn tín hiệu sử dụng trong hệ thống quyết định chất lượng tín hiệu video ở phía khách hàng Để nâng cao chất lượng tín hiệu phục vụ, bên cạnh việc cải thiện, nâng cao chất lượng tín hiệu thu từ nhà cung cấp, chuẩn tín hiệu của hệ thống cũng phải được chọn phù hợp với khả năng đáp ứng của hạ tầng mạng đồng thời đảm bảo chất lượng dịch

vụ Ngoài ra các yếu tố kỹ thuật xử lý tín hiệu cũng được quan tâm để giảm nhiễu, tăng chất lượng tín hiệu

Để khắc phục hiện tượng này, có thể thực hiện một số giải pháp sau đây:

- Sử dụng thiết bị đồng bộ: Thiết bị mZ hóa ở phía nhà cung cấp dịch vụ

đồng bộ với thiết bị giải mZ set-top box của khách hàng Khi đó chip mZ hóa và giải mZ video là đồng bộ và sẽ giảm được tối đa khả năng gây hiệu ứng khối trên hình ảnh

- Sử dụng bộ lọc loại bỏ khối (deblocking filter) ở mạch giải mZ Tuy nhiên thiết bị mZ hóa ở nhà cung cấp và set-top box của khách hàng phải đồng bộ thì hiệu quả sử dụng bộ lọc mới đạt được yêu cầu mong muốn

34

- Sử dụng các chuẩn nén video tiên tiến, kích thước macroblock nhỏ hơn hoặc xử lý macroblock có tính thích nghi như chuẩn nén H.264 Kích thước macroblock nhỏ so với toàn bộ khung hình sẽ làm mất cảm giác hình thành khối

ở người xem

1.4.1.4 Độ phân giải hình ảnh (Resolution)

Độ phân giải hình ảnh là yếu tố khách hàng quan tâm nhất đối với các dịch vụ truyền hình số Một hệ thống IPTV thường cung cấp tín hiệu ở nhiều chuẩn định dạng với độ phân giải khác nhau Tuy nhiên, để cung cấp tín hiệu ở chuẩn định dạng độ phân giải cao sẽ đòi hỏi hạ tầng thiết bị có năng lực xử lý cao và băng thông của hệ thống mạng truy nhập và truyền dẫn lớn

Bảng 1.1 liệt kê các chuẩn tín hiệu truyền hình với các độ phân giải tương ứng

Bảng 1.2 Các chuẩn tín hiệu và độ phân giải

1.4.1.5 Các yếu tố do mạng IP gây ra (IP Artifacts)

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu video ở phía khách hàng như nhiễu, lỗi mZ hóa, lỗi suy hao cáp, lỗi truyền dẫn, lỗi giải mZ, v.v Với

đặc điểm truyền trên mạng IP, IPTV còn có những lỗi đặc trưng do mạng IP gây

ra

35 a) Sự mất gói tin (Packet Loss)

Có rất nhiều nguyên nhân gây mất gói tin trên mạng IP như: lỗi trường

địa chỉ, gói tin không thể đến trạm đích như mong muốn hoặc mất liên kết làm cho router không định tuyến được gói tin v.v Khi các hiện tượng này xảy ra, gói tin không thể đến set-top box, làm cho tín hiệu giải mZ bị lỗi Để khắc phục hiện tượng này, cần phải nâng cao độ tin cậy của hệ thống mạng truy nhập cũng như máy chủ phục vụ video

b) Sự trễ gói tin

Thời gian truyền gói tin trên hệ thống mạng chuyển mạch gói phụ thuộc rất nhiều vào lưu lượng thông tin trên mạng Khi một đoạn mạng có lưu lượng truyền dữ liệu cao, các gói tin qua đó sẽ phải mất thời gian lâu hơn so với các gói tin truyền qua đoạn mạng rỗi Điều đó làm cho các gói tin truyền từ máy chủ video tới set-top box đến không đều đặn, có gói tin đến quá sớm, có gói tin đến quá muộn Sự đến không đều đặn của gói tin cũng ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu video, có thể gây nên hiện tượng dừng hình vì phải đợi để giải mZ

Có hai cách chính để giải quyết vấn đề trễ gói tin là giảm thời gian trễ và tăng thời gian đệm ở bộ giải mZ

Để giảm thời gian trễ, ngoài tăng băng thông của hệ thống mạng, có thể thiết lập thời gian chờ đợi truy xuất ngẫu nhiên ở các nút mạng là nhỏ nhất có thể Ngoài ra, đặt thuộc tính ưu tiên cho các gói tin video cũng làm hạn chế thời gian trễ

Tăng dung lượng và thời gian vùng đệm dữ liệu ở bộ giải mZ cũng sẽ làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng trễ gói tin Tuy nhiên phương pháp này có nhược

điểm là đòi hỏi tốn tài nguyên vùng nhớ và tăng thời gian chờ đợi của người sử dụng khi chuyển kênh truyền hình

c) Lỗi bit

36

Lỗi bit sẽ làm cho tín hiệu video sau giải mZ sai khác so với tín hiệu ban

đầu Một số lỗi không làm ảnh hưởng lớn tới chất lượng video, chỉ gây biến dạng

ở một điểm ảnh Nhưng một số lỗi có ảnh hưởng tới một vùng điểm ảnh thậm chí biến dạng hình ảnh thu được

Để khắc phục hiện tượng lỗi bit người ta sử dụng mZ sửa lỗi để truyền tín hiệu Khi sử dụng mZ sửa lỗi đòi hỏi phải có sự thống nhất về kỹ thuật sửa lỗi giữa thiết bị phía cung cấp dịch vụ và set-top box Nhược điểm của phương pháp này là phải thêm phần mZ kiểm tra lỗi vào luồng tín hiệu làm cho tốc độ dòng số tăng lên và chiếm dụng băng thông

1.4.1.6 Tính sẵn sàng của tín hiệu

Tính sẵn sàng của tín hiệu IPTV được tính bằng tổng số thời gian xem

được trên tổng thời gian xem nội dung của video Ví dụ một chương trình kéo dài

100 phút trong đó mất 6 giây người sử dụng không xem được hoặc có lỗi xảy ra trên màn hình Khi đó độ sẵn sàng của tín hiệu sẽ là 99,9%

Một tham số quan trọng đối với dịch vụ IPTV khác là thời gian chuyển kênh Thời gian chuyển kênh là khoảng thời gian được tính từ khi người sử dụng bấm nút điều khiển chọn một kênh truyền hình nào đó đến khi tín hiệu của nó xuất hiện trên màn hình So với các hệ thống truyền hình truyền thống, IPTV có thời gian chuyển kênh lâu hơn, nhưng theo tiêu chuẩn phải nhỏ hơn 2 giây

Để nâng cao chất lượng dịch vụ IPTV, các kỹ thuật mới được ứng dụng để nâng cao tính sẵn sàng của tín hiệu và giảm thời gian chuyển kênh

1.4.2 Quản lý quyền truy nhập

Quản lý quyền truy nhập bao gồm các kỹ thuật đảm bảo chỉ cho phép người dùng tiếp cận và chỉ tiếp cận được những nội dung video mà họ đăng ký sử dụng Kỹ thuật đơn giản nhất để thực hiện chức năng này là mZ hóa Người sử dụng được cấp một khóa điều khiển set-top box hoặc máy tính để giải mZ tín hiệu

37

Giải pháp mZ hóa phải đảm bảo quá trình mZ hóa và giải mZ phải được thực hiện dễ dàng khi có khóa và ngược lại thực hiện khó khăn khi không có khóa Ngoài ra khóa phải được dễ dàng cung cấp, phân phối tới người sử dụng

bộ phận đọc thẻ Thiết bị đọc thẻ có thể dùng mặt tiếp xúc trực tiếp với thẻ, hoặc

sử dụng bộ đọc thẻ vô tuyến Một trong những tính năng quan trọng của thẻ thông minh là nó có thể lưu trữ thông tin bí mật của thẻ nhằm ngăn cấm sự sử dụng thẻ trái phép Khi cố tình sử dụng thẻ trái phép, thẻ sẽ bị khóa hoặc dữ liệu trong thẻ sẽ bị hủy

Server m2 hóa VoD

Server m2 hóa IPTV

M2 hóa video IPTV

Set-top box