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

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG HUỲNH TRUNG PHÚC NGHIÊN CỨU VÀ LỰA CHỌN CÁC TIÊU CHUẨN CHO MẠNG CUNG CẤP DỊCH VỤ IPTV CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2010 2 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: TS. HOÀNG ỨNG HUYỀN Phảnbiện 1: …………………………………………………… …………………………………………………… Phảnbiện 2: …………………………………………………… …………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 3 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 4 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 5 + 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 - Hệ thống Headend - Hệ thống Middleware - Hệ thống phân phối nội dung - Hệ thống quản lý bản quyền (DRM) - Mạng truy nhập - Set-top-Box (STB) - Hệ thống quản lý mạng và tính cước 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. 6 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 vụ IPTV - Mạng truy cập cáp quang - Mạng DSL - Mạng cáp truyền hình HFC - Mạng Internet 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. 7 Mã hóa và nén Video Giải mã giãn và nén Video Giải mã và giãn Video Giải mã và giãn Video Mã hóa và nén Audio Mã hóa và nén Data Video Video Data Data Audio Audio MUX DE - MUX 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 8 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 9 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. 10 + 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. + Lượng tử hóa các hệ số DCT Qúa trình lượng tử hoá và mã hoá các hệ số DCT chính là các quá trình làm giảm tốc độ bít. + Quét các hệ số DCT Dòng số là dòng truyền tải các bit nối tiếp theo thời gian. Do vậy cần một quá trình sắp xếp các hệ số DCT đã lượng tử trong ma trận hai chiều thành dãy một chiều nối tiếp nhau. Quá trình đó gọi là quét 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 [...]... việc lựa chọn thiết bị và đề xuất đầu tư cho mạng mới một cách hiệu quả nhất Mặc dù đã hết sức cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu các vấn đề liên quan đến các tiêu chuẩn của dịch vụ IPTV để ứng dụng cho hệ thống cung cấp dịch vụ IPTV tại Việt Nam, nhưng do thời gian có hạn và phạm vi nghiên cứu về công nghệ là rất rộng, nên luận văn chưa thể đi sâu chi tiết vào các nội dung liên quan Hướng nghiên cứu tiếp... cho dịch vụ multicast - Giao thức IGMP 17 - 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. .. TRÚC, TIÊU CHUẨN CUNG CẤP DỊCH VỤ IPTV TẠI THÀNH PHỐ ĐẦ NẴNG 3.2.1 Phân tích và đánh giá tình hình triển khai dịch vụ IPTV Hiện nay IPTV là dịch vụ mới nên còn chưa phát triển được như CATV * Phân tích nguyên nhân: + Về mặt khách hàng: + Về mặt kỹ thuật: + Chọn chuẩn mã hóa: + Về thiết bị đầu cuối: 3.2.2 Một số đề xuất để triển khai có hiệu quả mạng cung cấp dịch vụ IPTV - Phân loại ưu tiên lưu lượng IPTV. .. khi so sánh các chuẩn nén tín hiệu đã lựa chọn tiêu chuẩn cho tín hiệu IPTV là MPEG-4 H264/AVC để đề xuất áp dụng cho tiêu chuẩn IPTV Việc đầu tư và phát triển dịch vụ IPTV là công việc cần thiết đối với mạng băng rộng của Viễn thông Đà Nẵng, có thể tận dụng được cơ sở hạ tầng và cũng đáp ứng được nhu cầu sử dụng dịch vụ của khách hàng, vừa nâng cao năng lực quản lý, giảm chi phí đầu tư và phù hợp với... tận dụng triệt để mạng cáp đồng thì cần phải qui hoạch lại mạng cho hợp lý và đồng thời nâng cao chất lượng mạng - Cần sớm xây dựng lộ trình triển khai mạng IPTV NGN và đưa thiết bị IP STB vào sử dụng 22 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Với các nội dung đã trình bày, luận văn đã giới thiệu tổng quan về dịch vụ IPTV Đồng thời cũng nghiên cứu những vấn đề chủ yếu của việc mã hoá và giải mã Video,... IPTV: - Các chức năng kết cuối bộ thu 19 - 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. .. 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... 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 20 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... 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 14... Chuẩn nén MJPEG và Wavelet 14 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 . 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. 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