1. Cấu trúc hệ thống IPTV trên nền WiMAX
Sơ đồ cấu trúc một hệ thống phân phối IPTV trên WiMAX (đến một thuê bao cố định) minh họa trong hình 1.6.
Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc dịch vụ IPTV trên WiMAX (cho thuê bao cố định)
Hình 3.2: Phân bố dịch vụ IPTV trên WiMAX cho thuê bao cố định và di động
Từ nhà cung cấp dịch vụ (tính từ trạm WiMAX BS) các dòng truyền IPTV được đóng gói vào các frame OFDM. Trước đó, một link trung gian sẽ được thiết lập giữa nhà cung cấp dịch vụ đến trạm WiMAX. Link này thường được thiết lập dựa trên mạng SONET, vì thế cần bộ SONET-WiMAX mapping ở phía nhà cung cấp dịch vụ và một bộ SONET-WiMAX demaping ở trạm WiMAX Base Station. Sau đó, các frame OFDM được trạm WiMAX phát theo các link không dây đến thuê bao. Tại trạm thuê bao (WiMAX CPE) các frame sẽ được thu nhận và tái tạo lại các dòng truyền. Các dòng truyền này sẽ được gửi đến client IPTV để hiển thị.
IPTV trên WiMAX như đã trình bày ở trên chỉ mới đáp ứng vai trò phân phối dịch vụ cố định Tuy nhiên, vấn đề hướng đến ở đây là khả năng hỗ trợ di động. Hình 1.7 sẽ mô tả hệ thống mà IPTV được phân phối từ nhà cung cấp dịch vụ đến nhiều mạng khác nhau, từ mạng cố định đến mạng không dây…
Bộ thich nghi chịu trách nhiệm chuyển đổi dịch vụ IPTV băng rộng thành dịch vụ băng rộng trên WiMAX, và thực hiện phân giải lại các gói IP sau đó chuyển thành các dòng truyền video. Quá trình thích nghi phụ thuộc vào loại mạng và chia thành 2 bước như sau:
• Chuyển đổi thích nghi về mặt tốc độ
• Chuyển đổi thích nghi, phù hợp về dạng thức nội dung.
2. Mô hình đề nghị
Mô hình đề nghị cho ứng dụng IPTV gồm sơ đố khối cho trong hình 1.8, và hình 1.9 là ngăn xếp giao thức của dịch vụ IPTV. Mô hình này chú trọng đến phân loại lưu lượng ở lớp MAC, điều chế và mã hóa thích nghi ở lớp vật lý nhằm cung cấp sự cải thiện về tiêu chí trải nghiệm multimedia cho người dùng IPTV.
Ở headend video, các dòng truyền video được mã hóa và nén từ các chương trình trực tiếp và lưu trữ. Các kênh MPEG được đóng gói theo giao thức RTP và truyền theo dòng truyền UDP hoặc TCP đến lớp IP.
Hình 3.3: Mô hình hệ thống đề nghị cho các ứng dụng IPTV trên WiMAX
Hình 3.4: Ngăn xếp để truyền dịch vụ IPTV trên WiMAX
Các gói IP được đóng gói vào các frame Ethernet sau đó gửi trên mạng thông qua lớp vật lý. WiMAX BS nhận dữ liệu này và giải đóng gói chúng vào lớp IP, sau đó đóng gói trở lại chúng cho phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật của MAC và PHY PDU. Lớp vật lý thực hiện sửa lỗi tiến FEC, ánh xạ symbol và điều chế, bộ phát vô tuyến sẽ truyền
các tín hiệu kết quả đến các node di động. Từ đó, các dòng video được gửi đến bộ giải mã của STB hoặc PC để tái tạo lại nội dung video.
a) Lớp MAC
WiMAX là hệ thống điểm – đa điểm kết nối định hướng. Giao thức lớp MAC là một giao thức biên tập dịch vụ động gồm các chức năng: cộng thêm, thay đổi, xóa, hủy các dịch vụ nhằm cho phép việc quản lý định dạng payload thông điệp. Một trong những ưu điểm lớn nhất là nó hỗ trợ chất lượng QoS linh hoạt. Hình 1.10 Trình bày một lớp MAC điển hình. BS nhận lưu lượng IP có thể chứa các loại dữ liệu khác nhau. Tùy theo loại dịch vụ, dữ liệu được gán lưu lượng (đạt chất lượng QoS) phân loại theo dịch vụ sử dụng: UGS, rtPS, nrtPS hoặc BS (ví dụ dòng truyền video dùng phân loại dịch vụ rtPS).
Bộ phân loại lưu lượng có qui luật sắp xếp lưu lượng đến theo mức độ ưu tiên của chất lượng QoS yêu cầu. Trước tiên, nó trích thông tin header từ các gói IP và gửi đến khối quản lý kết nối.
Hình 3.5: Lớp MAC hỗ trợ QoS
Dựa trên thông tin header, khối quản lý kết nối gán một Flow ID duy nhất cho mỗi gói. Flow ID sẽ chứa thông tin về loại dịch vụ, loại kết nối cho mỗi gói và sẽ được gán theo giao thức quy định chất lượng QoS trong cơ sở dữ liệu QoS. Với các dịch vụ IPTV, giao thức này đã được gán với các thông số sau: Minimum / Maximum Delay, Minimum / Maximum Data Rate, RetransmiSSion and Requests Policy,… Bộ phân loại lưu lượng căn cứ trên FlowID của gói IP packet và chức năng Scheduling/Queuing để sắp xếp lưu lượng IP tương ứng. Trong trường hợp này, dòng IPTV video có mức độ ưu tiên cao nhất. Công đoạn cuối sẽ tạo WiMAX MAC PDU gửi đến lớp vật lý. Quá trình tương tự sẽ được thực thi theo chiều ngược lại.
b) Lớp vật lý (PHY).
Hình 3.6: Cấu trúc lớp vật lý
Hình 3.6 trình bày sơ đồ khối của quá trình thực thi ở lớp vật lý. Theo chuẩn WiMAX, ở lớp vật lý, các gói đến từ lớp MAC trước hết được mã hóa kênh và điều chế. Mã kênh bao gồm các quá trình: ngẫu nhiên hóa, sửa lỗi tiến, mã (RS), chèn (interleaving). Lớp vật lý hỗ trợ các loại điều chế khác nhau (như: QAM, BPSK, và QPSK). Trong thiết kế đề nghị người ta hay dùng kỹ thuật điều chế thích nghi để tối ưu tốc độ mã hóa, nhờ đó tối đa hiệu quả băng thông mà vẫn đảm bảo chất lượng kênh truyền. Sau điều chế, IFFT biến đổi tính hiệu từ miền tần số sang miền thời gian, sau quá trình xử lý trong miền thời gian (như spectral shaping, nội suy). Cuối cùng, các frame được hình thành và gửi đến giao diện vô tuyến (gồm cả IF và RF). Hướng ngược lại hoàn toàn tương tự. Nó bao gồm: đồng bộ thời gian/ tần số, ước tính kênh, cân bằng, giải điều chế, giải mã và chuyển tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số.
Sơ đồ khối bộ thu WiMAX BS cho trong hình 3.7, gồm phần số và analog. Một chú ý ở đây là giải thuật quản lý nguồn để điều chỉnh các thông số của bộ thu (như độ lợi khuyếch đại, mức công suất, tần số sóng mang) để đạt được tín hiệu có chất lượng tối ưu.
Từ lớp vật lý, tín hiệu số với các thành phần I và Q được đưa đến bộ Up- Converter. Sau đó, tín hiệu được chuyển đổi sang analog bởi bộ ADC, qua hai bước chuyển tần số (IF và RF) để “cõng” tín hiệu lên tần số vô tuyến chọn lựa. Tín hiệu được khuyếch đại ở bộ Power Amplifier rồi đưa đến anten để phát xạ. Thông thường, tín hiệu sau khuyếch đại thường đi qua bộ chuyển mạch hoặc bộ ghép phụ thuộc vào phương pháp ghép kênh TDD hoặc FDD.
Hình 3.7: Sơ đồ thu phát vô tuyến
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng IPTV trên WiMAX
Ảnh hưởng bởi hệ thống mã hóa/giải mã: Dữ liệu Video trong các ứng dụng đa phương tiện hiện nay thường được mã hóa và nén bằng MPEG2, MPEG4 Part 10/H.264, Microsoft WMV9/VC1 và một số chuẩn nén khác. Các bộ mã hóa video thường hỗ trợ một khoảng khá rộng tốc độ nén, điều này cho phép những lựa chọn khác nhau giữa chất lượng và băng thông. Phần lớn các phương pháp nén video đều dựa vào việc mã khác nhau giữa các frame (inter-frame). Điều này có nghĩa là, thay vì phải gửi đi tất cả các frame, thì chỉ gửi đi sự sai khác của một frame với frame trước đó. Phương pháp mã hóa này làm việc tốt với những video có những thay đổi hình ảnh ít, tuy nhiên sẽ là ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng hình ảnh và băng thông nếu có sự thay đổi lớn giữa các frame hình ảnh. Đa số các chuẩn mã hóa vừa cho phép mã hóa với tốc độ bít cố định hay tốc bít thay đổi. Các phương pháp mã hóa video nói chung thường kết hợp cả kiểu mã hóa intra-frame và inter-frame. Trong kiểu mã hóa intra-frame, một frame ảnh được chia thành các khối, mỗi khối này được biến đổi thành tập các hệ số thông qua biến đổi Cosin rời rạc. Một nhóm các khối được kết hợp lại thành một thực thể duy nhất (slice) và đôi khi được đóng gói vào một gói. Nếu có lỗi trên đường truyền xảy ra thì có thể cả một nhóm các khối sẽ bị mất, tạo nên “sọc” trong các ảnh giải mã. Điều này xảy ra bởi vì các hệ số của biển đổi Cosin rời rạc trong mỗi khối được tính toán dựa trên khối đầu tiên trong slice, nếu lỗi làm mất thông tin của khối đầu tiên thì tất cả các khối còn lại trong slice là không xác định. Một vài lỗi có thể làm hỏng cấu trúc của frame, do đó không có khả năng tái tạo lại frame. Với kiểu mã hóa inter-frame các vector chuyển động được xác định và mã hóa cho mỗi khối. Trong các hệ thống mã hóa kiểu inter- frame, việc mất một frame có thể làm cho các frame theo sau nó trở nên không sử dụng được cho đến khi I-frame tiếp theo được nhận, kết quả là có thể thu được hình ảnh video trắng hay hình ảnh bị đông cứng, chất lượng video bị suy giảm đáng kể. Trong hầu hết các trường hợp các tiêu chuẩn mã hóa video đều cung cấp khả năng linh động ở cả bộ mã hóa và giải mã cho việc cân bằng giữa chất lượng và tốc độ. Việc hiểu biết rõ ràng về
ảnh hưởng của các bộ mã hóa và giải mã video là yếu tố quan trọng góp phần vào việc đánh giá chính xác các ảnh hưởng của mạng đến chất lượng truyền video trên mạng.
Giới hạn về băng thông: Sự giới hạn về băng thông thường xảy ra tại lớp truy nhập. Nếu băng thông dành sẵn không đủ để truyền một stream video thì sẽ xảy ra mất gói tại các bộ đệm của bộ định tuyến, dẫn đến việc suy giảm chất lượng video. Một vấn đề khá tinh tế cũng xảy ra khi mã hóa video với tốc độ bít thay đổi. Trong trường hợp này, sự thay đổi hình ảnh hay sự thay đổi các frame là đáng kể sẽ làm tăng yêu cầu về băng thông trong một khoảng thời gian ngắn, điều này có thể gây lên hiện tượng mất gói và do đó làm suy giảm chất lượng hình ảnh.
Mất gói tin: Sự mất gói tin trên mạng có thể gây ra bởi nhiều nguyên nhân: sự nghẽn mạng, mất liên kết, không đủ băng thông hay lỗi trên đường truyền, v.v… Sự mất gói thường xảy ra bùng phát, mức độ tắc nghẽn mạng cao gây lên độ mất gói cao. Sự suy giảm chất lượng video gây ra bởi hiện tượng mất gói tùy thuộc vào giao thức được sử dụng để truyền tải video:
- Khi giao thức UDP được dùng để truyền tải dữ liệu video, khi xảy ra hiện tượng mất gói thì một vài phần của video stream có thể bị mất.
- Khi giao thức TCP được dùng để truyền tải dữ liệu video, khi một gói bị mất thì sẽ có yêu cầu truyền lại gói đã bị mất, điều này làm sự thiếu hụt bộ đệm tại set- top-box, gây lên hiện tượng dừng hình. Khi truyền video bằng giao thức UDP, hiện tượng mất gói có thể làm hỏng một phần hay thậm chí hoàn toàn các frame.
Nghẽn tại máy chủ:Không hẳn mọi yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng video đều gây ra bởi mạng, nếu máy chủ cung cấp dịch vụ VoD phải phục vụ tối đa số người dùng theo khả năng của nó, điều này sẽ gây ra sự tắc nghẽn tại máy chủ cung cấp dịch vụ. Sự tắc nghẽn này gây ra hiện tượng dừng hình quá lâu tại phía đầu cuối. Để giảm tải cho máy chủ dịch vụ có thể dùng các giao thức phù hợp như UDP Multicast. Nhưng giao thức này chỉ phù hợp khi có một số lượng lớn người dùng xem cùng một nội dung tại cùng một thời điểm.
Jitter và Timing drift: Jitter là khái niệm dùng để mô tả sự khác nhau của khoảng thời gian đi từ nguồn đến đích của các gói tin. Jitter càng lớn khi xảy ra nghẽn mạng hay tắc nghẽn tại máy chủ dịch vụ. Jitter có thể gây ra tràn bộ đệm tại set-top-box, gây lên hiện tượng dừng hình tại đầu cuối. Hiện tượng Timing drift xảy ra khi đồng hồ tại đầu gửi và đầu nhận có sự sai khác nhau về tốc độ, gây ra sự tràn vùng đệm tại đầu nhận. Để hạn chế sự ảnh hưởng của hiện tượng này, yêu cầu phía đầu nhận phải
hiệu chỉnh lại tốc độ của đồng hồ cho phù hợp để tránh hiện tượng tràn bộ đệm.
Thách thức về fading khi dùng multicasting: Để đảm bảo hoạt động thành công của IPTV trên WiMAX, hệ thống phải khắc phục được sự phân tán kênh fading trong quá trình phân phối multicasting video. Trong WiMAX, tốc độ bit truyền tối ưu và chiến lược để đạt được chất lượng video tốt nhất có thể được xác định nhờ BS dựa vào các thông số hệ thống theo thời điểm. Tuy nhiên, khi truyền multicasting một gói video được gửi từ BS đến nhiều trạm thuê bao, gói video có thể được nhận ở tất cả các trạm thuê bao kết hợp nhưng có thể khác nhau về tỉ kệ lỗi bit do điều kiện kênh truyền khác nhau.
Hiện tượng này ảnh hướng đến việc cấp phát tài nguyên mạng và các giải pháp lập trình để tối ưu kênh truyền. Hình 1.13 minh họa trường hợp gửi tín hiệu multicasting dùng điều chế 16 QAM từ BS. Chỉ những SS có trạng thái kênh truyền tốt đủ để giải mã tín hiệu 16 QAM mới nhận được tín hiệu multicasting. Tuy nhiên, nếu tốc độ đường truyền thấp hơn (ví dụ dùng điều chế BPSK) nguồn tài nguyên kênh truyền sẽ sử dụng phí phạm đối với các kênh có trạng thái tốt…Tối thiểu việc chiếm dụng băng thông khi phân phối nội dung IPTV là một tiêu chuẩn quan trọng đối với hệ thống để có thể truyền đồng thời nhiều kênh TV. Do đó, việc khảo sát các giải pháp để tận dụng các ưu điểm nhằm khắc phục hiện tượng phân tán kênh fading là yếu tố phải quan tâm khi triển khai IPTV trên WiMAX.
Hình 3.8: Tín hiệu video điều chế 16QAM nhận được ở một số kênh có trạng thái tốt (SS1, SS2, SS4, SS7, SS9) và không thu được ở các SS khác (SS3, SS5, SS8, SS10)
IV. Mô hình phát triển Wimax của hãng Alcatel
Hình 3.8: Thành phần chính trong mạng Wimax Alcatel
Hình trên là các thành phần chính trong mô hình phát triển của hãng Alcatel.
Hình 3.9: Mô hình được xây dựng theo tiêu chuẩn 802.16e (tiêu chuẩn di động)
Hình 3.10: Các chuẩn giao diện kết nối trong mạng
7 giao diện kết nối tiêu chuẩn cho RAN Alcatel tương tác với các mạng khác được trình bày như hình trên:
1. Giao diện bảng địa chỉ IP cho người sử dụng (TCP/IP, RFC 1122).
2. Giao diện sử dụng cho quản lý QoS.
3. Giao thức SIP (RFC 3261).
4. Giao diện RADIUS hướng tới máy chủ AAA.
5. Giao diện hướng tới máy chủ DNS/DHCP.
6. Giao diện IP di động hướng tới HA.
7. Giao thức RTSP.
1. Cấu hình trạm BS của Alcatel
BS trong mô hình Wimax có nhiệm vụ kết nối máy di động với mạng thong qua giao diện vô tuyến.
Hình 3.11: Kết nối mạng truy cập vô tuyến RAN
Wimax BS cung cấp truy cập internet không dây tới MS, phù hợp với tiêu chuẩn 802.16e. BS truyền tải dữ liệu IP tới SS thông qua giao diện vô tuyến.
BS Alcatel dựa trên một sóng mang duy nhất được nhúng trên 4 antten trong hệ thống AAS cung cấp đầy đủ và linh hoạt các yêu cầu về hoạt động trong mạng:
• Nông thôn hay đô thị.
• Cấu hình mono sector hay đa sector (thường là 3).
Giải pháp Wimax của Alcatel dựa trên nền tảng IP, các site vô tuyến được xây dựng như mạng LAN.
Hình 3.12: Kết nối mạng BS của Alcatel Kiến trúc BS Wimax gồm 4 module chính:
• Module NEMO: mạng là module Modem, phụ trách truyền, O&M và xử lý dải nền.
• Module RFCO: 4 module chuyển đổi RF, có chức năng chuyển đổi tín hiện số thành tín hiệu RF và ngược lại.
• Module FEU: bao gồm các khối khuếch đại công suất (PA), lọc tạp âm thấp (LNA), và bộ lọc anten.
• Module cung cấp nguồn: có chức năng cung cấp nhiều nguồn DC tới các module bên trong.
Hình 3.13: Sơ đồ khối chức năng của BS
• Chức năng khối mạng và Modem: có 3 chức năng chính 802.16e MAC: dựa trên nền tảng xử lý mạng linh hoạt.
802.16e PHY: bao gồm tất cả các yêu cầu xử lý tín hiệu số, thực hiện trên sự kết hợp giữa DSP và FPGA.
Chức năng giám sát O&M.
Hình 3.14: Module NEMO
• Chức năng module RF