đề tài công nghệ IPTV
i Đồ án tốt nghiệp Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ vi NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ......................................................vii NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT ..................................................... viii BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ...................................................... ix DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. xv DANH MỤC BẢNG ...............................................................................................xvii LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................... xviii CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IPTV ........................................ 1 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của IPTV ................................................... 1 1.2 Khái niệm IPTV ............................................................................................ 2 1.3 Các phƣơng pháp phân phối nội dung trong IPTV ....................................... 4 1.3.1 Phân phối nội dung IPTV theo kiểu Unicast ..................................... 4 1.3.2 Phân phối nội dung IPTV theo kiểu Broacast ................................... 6 1.3.3 Phân phối nội dung IPTV theo kiểu Multicast .................................. 6 1.4 Các dịch vụ của IPTV ................................................................................... 8 1.4.1 Các dịch vụ hình ảnh IPTV ............................................................... 9 1.4.1.1 Các dịch vụ quảng bá hình ảnh ................................................... 9 1.4.1.2 Các dịch vụ lƣu trữ hình ảnh ...................................................... 9 1.4.2 Các dịch vụ âm thanh IPTV ............................................................. 11 1.4.2.1 Dịch vụ quảng bá phát thanh bằng vô tuyến ............................ 11 1.4.2.2 Dịch vụ quảng bá âm nhạc........................................................ 11 SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 ii Đồ án tốt nghiệp Mục lục 1.4.2.3 Dịch vụ âm nhạc theo yêu cầu .................................................. 11 1.4.2.4 Dịch vụ thuê bao âm nhạc ........................................................ 12 1.4.3 Các dịch vụ trò chơi IPTV ............................................................... 12 1.4.4 Các dịch vụ thông tin tích hợp ......................................................... 12 1.4.4.1 Dịch vụ thoại tích hợp .............................................................. 12 1.4.4.2 Các dịch vụ Internet tích hợp .................................................... 13 1.4.5 Các dịch vụ quảng cáo ..................................................................... 13 1.5 Kết luận ....................................................................................................... 14 CHƢƠNG 2 CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA IPTV ................................ 15 2.1 Cấu trúc IPTV ............................................................................................. 15 2.1.1 Mạng nội dung ................................................................................. 15 2.1.2 Mạng truyền tải ................................................................................ 16 2.1.3 Mạng đầu cuối ................................................................................. 17 2.1.4 Bộ quản trị quản lý........................................................................... 18 2.2 Cơ sở hạ tầng một mạng IPTV ................................................................... 18 2.2.1 Trung tâm dữ liệu IPTV................................................................... 19 2.2.2 Mạng truyền dẫn băng thông rộng ................................................... 19 2.2.3 Thiết bị ngƣời dùng IPTV................................................................ 20 2.2.4 Mạng gia đình .................................................................................. 20 2.3 Hoạt động của IPTV ................................................................................... 20 2.3.1 Tổng quan về mô hình truyền thông IPTV ...................................... 20 2.3.2 Phƣơng pháp truyền đa tín hiệu ....................................................... 22 2.3.2.1 Phát quảng bá ............................................................................ 22 2.3.2.2 Phát theo yêu cầu ...................................................................... 23 SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 iii Đồ án tốt nghiệp Mục lục 2.4 Ƣu điểm của IPTV ...................................................................................... 24 2.5 Kết luận ....................................................................................................... 25 CHƢƠNG 3 KỸ THUẬT NÉN TÍN HIỆU TRONG IPTV .............................. 26 3.1 Tổng quan về kỹ thuật nén tín hiệu trong IPTV ......................................... 26 3.2 Tổng quan về chuẩn nén MPEG ................................................................. 27 3.2.1 Các thành phần cơ bản trong chuẩn nén MPEG .............................. 27 3.2.2 Phân loại ảnh trong MPEG .............................................................. 29 3.2.3 Quá trình nén MPEG ....................................................................... 31 3.3 Chuẩn MPEG-2........................................................................................... 33 3.3.1 Khái niệm ......................................................................................... 33 3.3.2. Cấu trúc dòng bít video MPEG-2 ................................................... 34 3.3.3. Khả năng co giãn của MPEG-2 ...................................................... 34 3.3.4. Hệ thống ghép kênh và phân kênh MPEG-2 .................................. 35 3.3.4.1 Mã hóa ...................................................................................... 36 3.3.4.2 Giải mã ...................................................................................... 36 3.3.4.3 Đồng bộ..................................................................................... 37 3.3.5 Cấu trúc dòng cơ sở ES ................................................................... 37 3.3.6 Dòng cơ sở đóng gói PES ................................................................ 38 3.3.7 Ghép kênh dòng chƣơng trình ......................................................... 41 3.3.8 Ghép kênh dòng truyền tải ............................................................... 41 3.4 Chuẩn MPEG-4........................................................................................... 43 3.5 Chuẩn nén H.264/AVC ............................................................................... 46 3.5.1 Giới thiệu chung .............................................................................. 46 3.5.2 Tính kế thừa của chuẩn nén H.264 .................................................. 47 SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 iv Đồ án tốt nghiệp Mục lục 3.5.3 Mã hóa H.264 .................................................................................. 48 3.5.4 Nén hình ảnh .................................................................................... 49 3.5.4.1 Nén theo miền thời gian ............................................................ 49 3.5.4.2 Nén theo miền không gian ........................................................ 50 1. Biến đổi Cosine rời rạc (DCT) ..................................................... 50 2. Lƣợng tử hoá ................................................................................. 50 3. Mã hoá Entropy ............................................................................ 51 3.5.5 Bộ lọc tách khối ............................................................................... 51 3.5.6 Giải mã hình ảnh .............................................................................. 52 3.5.7 Ƣu điểm của H.264/AVC ................................................................ 53 3.5.8 Các ứng dụng của H.264/AVC ........................................................ 54 3.6 Kết luận ....................................................................................................... 54 CHƢƠNG 4 CÁC GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI MẠNG IPTV ........................... 55 4.1 Các loại mạng truy nhập băng rộng ............................................................ 55 4.2 IPTV phân phối trên mạng truy cập cáp quang .......................................... 55 4.2.1 Mạng quang thụ động ...................................................................... 56 4.2.1.1 Mạng quang thụ động băng rộng BPON .................................. 59 4.2.1.2 Mạng quang thụ động EPON .................................................... 59 4.2.1.3 Mạng quang thụ động GPON ................................................... 59 4.2.2 Mạng quang tích cực........................................................................ 60 4.3 Phân phối IPTV trên mạng DSL ................................................................. 60 4.3.1 Đƣờng dây thuê bao kỹ thuật số bất đối xứng ADSL ..................... 60 4.3.2 ADSL2 ............................................................................................. 63 4.3.3 Đƣờng dây thuê bao số tốc độ cao VDSL ....................................... 63 SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp v Mục lục 4.4 Phân phối IPTV trên mạng truyền hình cáp ............................................... 65 4.4.1 Tổng quan về kỹ thuật HFC............................................................. 65 4.4.2 Phân phối IPTV trên mạng truyền hình cáp .................................... 66 4.5 Phân phối IPTV trên hệ thống Wimax ....................................................... 68 4.5.1 Đặc điểm .......................................................................................... 68 4.5.2 Cấu trúc hệ thống Wimax ................................................................ 72 4.5.3 Mô hình đề nghị ............................................................................... 74 4.5.3.1 Lớp MAC (Medium Access Control) ....................................... 75 4.5.3.2 Lớp vật lý (PHY) ...................................................................... 76 4.6 Kết luận ....................................................................................................... 78 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 81 SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp vi Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Ngô Thế Anh, ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn và giúp đỡ cho em trong suốt thời gian em làm đồ án này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trƣờng Đại Học Giao Thông Vận Tải cơ sở II, đặc biệt là quý thầy cô khoa Điện – Điện Tử đã nhiệt tình giảng dạy và trang bị cho em nhiều kiến thức quý báu. Cuối cùng em muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, và ngƣời thân, những ngƣời đã luôn động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và làm đồ án này. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 vii Đồ án tốt nghiệp Nhận Xét NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... Tp. HCM, Ngày…… Tháng…… Năm 2012 SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 viii Đồ án tốt nghiệp Nhận Xét NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... Tp. HCM, Ngày…… Tháng…… Năm 2012 SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 ix Đồ án tốt nghiệp Các thuật ngữ viết tắt BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT A ADSL/ Asymmetric Digital Subscriber Đƣờng dây thuê bao số không ADSL2 Line đối xứng AON Active Optical Network Mạng quang tích cực ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền bất đối xứng B Broadband Passive Optical Mạng quang thụ động băng Network rộng BPSK Binary Phase-Shift Key Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BPON C CDN CPE Cache-Content Distribution Mạng phân phối nội dung lƣu Network trữ Customer Premises Equipment Thiết bị phía khách hàng D DCT Discrete Cosin Transform Biến đổi cosin rời rạc DPCM Differentia pulse-code modulation Điều xung mã vi phân DRM Digital Rights Management Quản lý quyền về kỹ thuật số DSL/ Digital Subscriber Line/ Digital Đƣờng dây thuê bao số/Bộ DSLAM Subscriber Line Access ghép kênh truy cập đƣờng dây SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 x Đồ án tốt nghiệp DWDM Các thuật ngữ viết tắt Multiplexer thuê bao số Dense Wave Length Division Bộ ghép kênh phân chia chiều Multipexing dài bƣớc sóng dày đặc E ES Elementary Stream Dòng cơ sở EPG Electronic Program Guide Chỉ dẫn chƣơng trình điện EPON Ethernet Passive Optical Network Mạng quang thụ động Ethernet F FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin FTTC Fiber To The Curd Cáp quang tới lề đƣờng FTTH Fiber To The Home Cáp quang tới nhà khách hàng FTTN Fiber To The Neighbourhood Cáp quang tới vùng lân cận FTTRO Fiber To The Regional Office Cáp quang tới tổng đài khu vực G GOP Group Picture Nhóm ảnh GIE Gigabit Ethernet Giao thức Gigabit Ethernet H H.264/ Advanced Video Coding SVTH: Võ Hoàng BaRi Mã hình ảnh nâng cao Lớp: KTVT – K48 xi Đồ án tốt nghiệp Các thuật ngữ viết tắt AVC HD High Definition Định dạng chất lƣợng cao HDTV High Definition Television Truyền hình chất lƣợng cao HFC Hybrid Fiber/Coax Lai cáp quang/cáp đồng trục HTTP HyperText Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản I IM Instant Messaging Tin nhắn tức thời IP Internet Protocol Giao thức Internet IPTV Internet Protocol Television Truyền hình giao thức Internet IPTVCD Internet Protocol Television Customer Device Thiết bị ngƣời dùng IPTV L LAN Local Area Network Mạng nội hạt M Điều khiển truy cập môi MAC Media Access Control MPEG The Moving Picture Experts Group trƣờng Hội phim ảnh thế giới O OFDM Orthogonal Freqency Division Ghép kênh phân chia theo Multiplexing phân số trực giao SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 xii Đồ án tốt nghiệp Các thuật ngữ viết tắt OLT Optical Line Termination Kết cuối đƣờng quang ONT Optical Network Termination Kết cuối mạng quang OSI Open System Interconnection Kết nối các hệ thống mở P PC Private Computer Máy tính cá nhân PES Packetized Elementary Stream Dòng cơ sở đóng gói PHY Physical Layer Lớp vật lý PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động PVR Personal Video Recorder Ghi lại nội dung hình ảnh theo yêu cầu cá nhân Q QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phƣơng QPSK Quadrature Phase-Shift Keying Khóa dịch pha cầu phƣơng QOS Quality of service Chất lƣợng dịch vụ R RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RLC Run Length Coding Mã hóa loạt dài RTCP Real Time Control Protocol RTP Real Time Transport Protocol SVTH: Võ Hoàng BaRi Giao thức điều khiển thời gian thực Giao thức truyền tải thời gian thực Lớp: KTVT – K48 xiii Đồ án tốt nghiệp Các thuật ngữ viết tắt S SD Standard Definition Quảng bá tiêu chuẩn SDV Switched Digital Video Mạng chuyển mạch hình ảnh số SDTV Standard Definition Television Truyền hình quảng bá tiêu chuẩn SNR Singal To Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SONET The Synchronous Optical Network Mạng quang đối xứng STB Set-top Box Bộ chuyển đổi tín hiệu U UDP Giao thức gói dữ liệu ngƣời User Datagram Protocol dùng T TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn V Very High Speed Digital Đƣờng dây thuê bao số tốc độ Subscriber Line cao VLC Variable Length Coding Mã hóa sự thay đổi chiều dài VOD Video On Demand Hình ảnh theo yêu cầu VOIP Voice Over Internet Protocol Thoại qua giao thức Internet VDSL W SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp WDM WIMAX xiv Các thuật ngữ viết tắt Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng Worldwide Interoperability of Khả năng tƣơng tác toàn cầu Microwave Access cho truy cập viba SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp xv Danh mục hình DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Các kết nối Unicast cho nhiều ngƣời dùng Unicast sử dụng với duy nhất một kênh quảng bá IPTV. ........................................................................................... 5 Hình 1.2: Các kết nối đƣợc sử dụng trong kỹ thuật Multicast .................................... 7 Hình 2.1: Mạng IPTV ............................................................................................... 15 Hình 2.2: Điểm kết nối dịch vụ ................................................................................. 17 Hình 2.3: Sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống IPTV............................................ 19 Hình 2.4: Mô hình truyền thông IPTV ...................................................................... 21 Hình 2.5: Phƣơng thức phát quảng bá....................................................................... 23 Hình 2.6: Phƣơng thức phát theo yêu cầu ................................................................. 23 Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát quá trình nén và giải nén................................................. 26 Hình 3.2: Cấu trúc khối macro của các dạng lấy mẫu .............................................. 27 Hình 3.3: Cấu trúc nhóm ảnh trong MPEG .............................................................. 28 Hình 3.4: Cấu trúc dòng dữ liệu hình ảnh MPEG ..................................................... 29 Hình 3.5: Cấu trúc dòng MPEG hình ảnh ................................................................. 30 Hình 3.6: Cấu trúc dòng bít MPEG-2 ....................................................................... 34 Hình 3.7: Cấu trúc gói dữ liệu ................................................................................... 35 Hình 3.8: Cú pháp dòng cơ sở ES ............................................................................. 38 Hình 3.9: Cú pháp dòng cơ sở đóng gói PES............................................................ 39 Hình 3.10: Ghép kênh dòng chƣơng trình................................................................. 41 Hình 3.11: Dòng chƣơng trình .................................................................................. 41 Hình 3.12: Ghép kênh dòng truyền tải ...................................................................... 42 Hình 3.13: Dòng truyền tải........................................................................................ 42 SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp xvi Danh mục hình Hình 3.14: Chia các gói PES thành các gói TS ......................................................... 43 Hình 3.15: Cấu trúc bộ mã hóa và giải mã MPEG-4 ................................................ 44 Hình 3.16: Mã hóa và tổng hợp khung hình trong MPEG-4 .................................... 45 Hình 3.17: Sơ đồ mã hoá hình ảnh của H264/MPEG Part 10 .................................. 48 Hình 3.18: Sơ đồ giải mã Video H264/MPEG-4 Part 10 .......................................... 52 Hình 4.1: Mạng IPTV FTTH sử dụng công nghệ PON ............................................ 58 Hình 4.2: IPTV trên cấu trúc mạng ADSL ............................................................... 61 Hình 4.3: Mạng HFC end-to-end .............................................................................. 66 Hình 4.4: Mô hình triển khai cấu trúc mạng cáp IPTV kết hợp IP và RF ................ 67 Hình 4.5: Sơ đồ cấu trúc IPTV trên WiMax ............................................................. 72 Hình 4.6: Phân phối các dịch vụ IPTV cho thuê bao cố định và di động ................. 73 Hình 4.7: Mô hình hệ thống đề nghị cho các ứng dụng IPTV trên WiMax ............. 74 Hình 4.8: Ngăn xếp giao thức IP để truyền IPTV ..................................................... 75 Hình 4.9: Lớp MAC hỗ trợ chất lƣợng QoS ............................................................. 75 Hình 4.10: Cấu trúc lớp vật lý ................................................................................... 76 Hình 4.11: Sơ đồ thu phát vô tuyến .......................................................................... 77 SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp xvii Danh mục bảng DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Các cờ của hai bit mang giá trị 1, 0 .......................................................... 40 Bảng 4.1: So sánh các công nghệ mạng PON: BPON, EPON và GPON ................. 60 Bảng 4.2: So sánh các công nghệ DSL ..................................................................... 64 SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp xviii Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Sự phát triển của mạng Internet toàn cầu nói riêng và công nghệ thông tin nói chung đã tác động rất lớn đến đời sống của con ngƣời. Internet không những đã rút ngắn khoảng cách về không gian và thời gian mà còn mạng lại cho mọi ngƣời ở tất cả các quốc gia trên thế giới những lợi ích to lớn trong mọi mặt của cuộc sống; từ giáo dục, y tế, khoa học kỹ thuật đến thông tin giải trí. Truyền hình là một trong những loại hình giải trí thông dụng và cũng đƣợc hƣởng nhiều lợi ích từ sự phát triển của Internet. Sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet băng rộng làm thay đổi cả về nội dung và kỹ thuật truyền hình. Hiện nay, truyền hình có nhiều dạng khác nhau nhƣ truyền hình số, truyền hình vệ tinh, truyền hình cáp, truyền hình Internet và IPTV. IPTV là loại đang đƣợc quan tâm và là công nghệ truyền hình của tƣơng lai. Sự vƣợt trội trong kỹ thuật truyền hình của truyền hình qua giao thức Internet IPTV (Internet Protocol Television) là tính năng tƣơng tác giữa hệ thống với ngƣời xem, cho phép ngƣời xem chủ động về thời gian và khả năng triển khai nhiều dịch vụ giá trị gia tăng tiện ích khác trên hệ thống nhằm đáp ứng nhu cầu của ngƣời sử dụng. Sự ra đời của IPTV giúp tầm nhìn của một nền tảng truyền thông đa năng đang nhanh chóng trở thành hiện thực. Tiến trình biến đổi các mạng phân phối nội dung đang diễn ra trong nhiều thị trƣờng, nơi công nghệ giao thức Internet và công nghệ nén tiên tiến đang dẫn đến các dịch vụ mới đầy tiện dụng nhờ việc hợp nhất hình ảnh, âm thanh, loại hình và các loại đa phƣơng tiện khác với truyền thông thoại, dữ liệu và Internet truyền thống thành một nền tảng đa năng đƣợc cả một cộng đồng rộng lớn chia sẻ nhằm làm phong phú các loại hình giải trí cho khách hàng của nó. Kết quả cuối cùng của sự hội tụ này là một thị trƣờng tăng trƣởng nhanh chóng để cung cấp các nội dung theo yêu cầu, các ứng dụng phong phú và các loại hình giải trí tƣơng tác cá nhân hoá tới các gia đình, các xe ô tô, và các thiết bị cầm tay, tất cả đều có thể thực hiện đƣợc nhờ giao thức Internet dựa trên các mạng truyền thông. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp xix Lời mở đầu Với những đặc tính kể trên của IPTV, em đã mong muốn lựa chọn lĩnh vực này cho đồ án tố nghiệp. Đƣợc sự đồng ý của giáo viên hƣớng dẫn, em đã thực hiện đề tài “CÔNG NGHỆ IPTV” cho thiết kế tốt nghiệp của mình. Đề tài sẽ tìm hiểu về tổng quan IPTV, cấu trúc và hoạt động của hệ thống IPTV, các kỹ thuật nén hình ảnh, và các giải pháp triển khai IPTV trên mạng băng rộng. Nội dung của đề tài sẽ đƣợc thực hiện qua các chƣơng sau: Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ IPTV Chƣơng này giới thiệu sơ lƣợc về lịch sử hình thành và phát triển của IPTV, nêu một cách tổng quát về khái niệm, các phƣơng pháp phân phối nội dung trong IPTV, và các dịch vụ của IPTV. Chƣơng 2: Cấu trúc và hoạt động của IPTV Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của IPTV, cơ sở hạ tầng của một mạng IPTV, và ƣu điểm của nó là những đặc điểm sẽ đƣợc đề cập trong Chƣơng 2. Chƣơng 3: Kỹ thuật nén hình ảnh trong IPTV Chƣơng này trình bày tổng quan về các chuẩn nén đƣợc sử dụng cho các hệ thống IPTV nhƣ là chuẩn MPEG, chuẩn MPEG-2, MPEG-4, và chuẩn nén H.264/AVC. Nội dung của chƣơng cũng so sánh và đánh giá ƣu nhƣợc điểm của các chuẩn này khi ứng dụng vào thực tế mạng IPTV. Chƣơng 4: Các giải pháp triển khai mạng IPTV Chƣơng này sẽ đƣa ra các giải pháp triển khai mạng IPTV. IPTV có thể triển khai trên các mạng nhƣ mạng cáp quang, mạng DSL, mạng truyền hình cáp, và hệ thống Wimax. Thời gian thực hiện đề tài là có hạn, khả năng của bản thân cũng hạn chế nên chắc chắn đề tài sẽ còn những chỗ chƣa hoàn thiện. Em rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp của quý Thầy, Cô cùng các bạn để nội dung đề tài đƣợc hoàn thiện hơn. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 1 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IPTV 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của IPTV Ngày nay, khái niệm truyền hình qua giao thức Internet IPTV (Internet Protocol Television) đã trở nên phổ biến. Kỹ thuật này cho phép các ứng dụng hình ảnh truyền đƣợc ngay cả trong các môi trƣờng truyền dẫn có băng thông hẹp nhƣ cáp đồng. Không kể đến các lợi ích khác về mặt kinh tế nhƣ giá thành, chất lƣợng, và chi phí xây dựng hệ thống, IPTV mang lại rất nhiều lợi ích về mặt kỹ thuật nhờ vào việc sử dụng các mạng ngoại vi cáp đồng để cung cấp các dịch vụ truyền hình tới các nhà thuê bao. Lịch sử hình thành của IPTV đƣợc coi nhƣ bắt đầu vào năm 1994, khi World News Now của ABC đã có buổi trình chiếu truyền hình quảng bá qua mạng Internet đầu tiên, sử dụng phần mềm CU-SeeMev videoconferencing. Sau đó, tổ chức liên quan đến IPTV đầu tiên xuất hiện vào năm 1995, với sự thành lập Precept Software bởi Judith Estrin và Bill Carrico. Họ đã thiết kế và xây dựng một sản phẩm hình ảnh qua mạng gọi là truyền hình trên giao thức Internet IPTV. IPTV là một mạng xƣơng sống với hệ thống đa điểm MBONE (Multi BackBone) tƣơng thích với các ứng dụng trên Windows và Unix, thực hiện việc truyền âm thanh, hình ảnh thông qua giao thức unicast và IP multicast giao thức truyền tải thời gian thực/giao thức điều khiển thời gian thực RTP/RTCP (Real Time Transport Protocol/ Real Time Control Protocol). Phần mềm này đƣợc viết bởi Stevel Casner, Karl Auerbach, và Cha Chee Kuan. Hệ thống này đã đƣợc Cisco System mua vào năm 1998 và hãng này đã giữ lại tên IPTV. AudioNet bắt đầu tiến hành nghiên cứu live webcasts với WFAA-TV trong tháng 5 năm 1998, và KCTULP vào 10 tháng 1 năm 1998. Kingston Communications, một nhà cung cấp dịch vụ thông tin ở UK, triển khai KIT (Kingston Interactive Television), và IPTV qua mạng băng rộng đƣờng dây thuê bao số DSL (Digital Subscriber Line) vào tháng 9 năm 1999 sau khi thử nghiệm dịch vụ truyền hình TV (Television) và dịch vụ hình ảnh theo yêu cầu VoD (Video on Demand). Nhà cung cấp này đã thêm dịch vụ VoD SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 2 Chương 1 vào hệ thống trong tháng 10 năm 2001 với hệ thống Yes TV. Kingston là một trong những công ty đầu tiên trên thế giới triển khai IPTV và IP VoD qua mạng đƣờng dây thuê bao số không đối xứng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line).[7] Hiện nay, IPTV đã phát triển hầu khắp các nơi trên thế giới, từ châu Mỹ, châu Âu, châu Á. Nhất là tại châu Á, với các thị trƣờng nhƣ Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc và cả Việt Nam, một trong những nƣớc đã và đang có nhiều công ty khai thác công nghệ IPTV, dịch vụ này ngày càng phát triển với lƣợng thuê bao ngày càng tăng. Tại thời điểm này ở Việt Nam có các nhà mạng cung cấp dịch vụ IPTV nhƣ công ty cổ phần FPT, tập đoàn Bƣu chính Viễn thông Việt Nam VNPT (Vietnam Posts and Telecommunications Group), tập đoàn Bƣu chính Viễn thông quân đội Viettel, tập đoàn truyền hình Việt Nam VTC (Vietnam Television Corporation). 1.2 Khái niệm IPTV IPTV là tên viết tắt của cụm từ Internet Protocol Television, đƣợc gọi là truyền hình trên giao thức Internet. Theo tổ chức Viễn thông quốc tế về các tiêu chuẩn Viễn thông ITU-T (International Telecommunication Union-Telecommunication) thì IPTV đƣợc hiểu là các dịch vụ đa phƣơng tiện nhƣ truyền hình, hình ảnh, âm thanh, văn bản, đồ họa, số liệu truyền tải trên các mạng dựa trên IP đƣợc kiểm soát nhằm cung cấp mức chất lƣợng dịch vụ và sự trải nghiệm, độ bảo mật, tính tƣơng tác cùng với độ tin cậy theo yêu cầu. Từ quan điểm của nhà cung cấp dịch vụ, IPTV bao gồm quá trình thu thập, xử lý, và truyền tải một cách an toàn nội dung hình ảnh trên hạ tầng mạng dựa trên công nghệ IP. Tham gia vào quá trình cung cấp dịch vụ IPTV gồm nhiều nhà cung cấp dịch vụ từ các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình cáp, truyền hình vệ tinh đến các công ty Viễn thông lớn và các nhà khai thác mạng riêng ở nhiều nơi trên thế giới. IPTV có các đặc điểm nhƣ hỗ trợ truyền hình tƣơng tác, không phụ thuộc thời gian, cá nhân hóa chƣơng trình, yêu cầu về băng thông thấp, và khả năng truy cập trên nhiều loại thiết bị. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 3 Chương 1 Hỗ trợ truyền hình tƣơng tác đƣợc hiểu là các khả năng hoạt động hai chiều của hệ thống IPTV cho phép nhà cung cấp dịch vụ đƣa ra một số lƣợng lớn các ứng dụng truyền hình tƣơng tác. Các loại hình dịch vụ đƣợc phân phối qua dịch vụ IPTV có thể bao gồm truyền hình trực tiếp tiêu chuẩn, truyền hình độ trung thực cao HDTV (High Definition Television), các trò chơi trực tuyến, và kết nối Internet tốc độ cao. Đặc tính không phụ thuộc thời gian của IPTV đƣợc thể hiện ở việc khi IPTV kết hợp với máy thu hình dạng số cho phép tạo chƣơng trình nội dung không phụ thuộc thời gian bằng cơ chế ghi và lƣu lại nội dung IPTV, và sau đó có thể xem lại các nội dung này. Ngƣời sử dụng các dịch vụ IPTV hoàn toàn có thể định nghĩa các chƣơng trình mà mình muốn xem, cũng nhƣ việc lựa chọn các loại hình dịch vụ đƣợc cung cấp tới đầu cuối để sử dụng. Một ví dụ đơn giản của đặc tính này là giả sử rằng có 1 gia đình đang sử dụng dịch vụ IPTV, trong đó các em bé thì thích các chƣơng trình ca nhạc thiếu nhi; những đứa lớn hơn ở tuổi thanh niên thích xem các chƣơng trình phim; trong khi cha mẹ chúng xem thời sự và ông bà thì xem các chƣơng trình dành cho ngƣời cao tuổi. Ví dụ này là một minh họa điển hình cho đặc tính cá nhân hóa của dịch vụ IPTV. Yêu cầu băng thông thấp của IPTV đƣợc hiểu là thay vì phải truyền tải tất cả các kênh cho mọi đối tƣợng sử dụng, công nghệ IPTV cho phép các nhà cung cấp dịch vụ chỉ cần phải phát các kênh mà đối tƣợng sử dụng yêu cầu. Tính năng hấp dẫn này cho phép nhà khai thác mạng tiết kiệm băng thông. Cuối cùng, đặc tính về khả năng truy nhập trên nhiều thiết bị thể hiện rõ ở việc xem nội dung IPTV không bị giới hạn là dùng cho các máy thu hình. Các khách hàng thƣờng sử dụng máy tính cá nhân và các thiết bị di động để truy cập tới các dịch vụ IPTV. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 4 Chương 1 1.3 Các phƣơng pháp phân phối nội dung trong IPTV Các kiểu lƣu lƣợng mạng IP thời gian thực khác nhau đƣợc tạo ra bởi các loại dịch vụ trên nền IP khác nhau nhƣ VoIP và truy cập Internet tốc độ cao. Với mỗi loại dịch vụ có những đặc điểm riêng về nội dung. Vì thế, cần phải có các phƣơng thức phân phối thích hợp. Hiện nay, có ba phƣơng pháp dùng để phân phối nội dung IPTV qua mạng IP là Unicast, Broadcast và Multicast. IP Unicast là phƣơng thức đƣợc sử dụng để truyền dữ liệu (hay một gói dữ liệu) từ một máy phát đến một máy thu đơn giản. Phƣơng thức IP Broadcast đƣợc sử dụng để gửi dữ liệu từ một máy phát đến toàn bộ một mạng con gồm nhiều máy thu. Phƣơng thức IP Multicast đƣợc sử dụng để cung cấp các dữ liệu từ một máy phát đến một nhóm các máy thu đƣợc cài đặt theo một cấu hình thống nhất, các thành viên của một nhóm này có thể thuộc các mạng phân tán khác nhau. Tuy nhiên, đối với vấn đề truyền dẫn hình ảnh trong môi trƣờng mạng, do yêu cầu phải phân phối dữ liệu từ một điểm đến nhiều điểm, trong đó dòng dữ liệu cần đƣợc truyền đi từ một máy phát đến nhiều máy thu có nhu cầu xem đồng thời, nhƣng lại không đƣợc phép đi đến toàn bộ các máy đƣợc kết nối trong cùng một mạng con (để giảm lƣu lƣợng lƣu thông trên mạng), nên giải pháp IP Broadcast thƣờng ít đƣợc sử dụng trong thực tế. Các ứng dụng truyền dẫn truyền hình trên mạng hiện nay thƣờng sử dụng phƣơng pháp IP Unicast và IP Multicast, trong đó IP Multicast là giải pháp hiện đang đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay. 1.3.1 Phân phối nội dung IPTV theo kiểu Unicast Một số ứng dụng truyền thông các chƣơng trình truyền hình trên mạng giai đoạn đầu đã sử dụng phƣơng pháp truyền dữ liệu IP Unicast. Trong kiểu truyền Unicast, mọi luồng hình ảnh IPTV đều đƣợc gửi tới một thiết bị ngƣời dùng IPTVCD (Internet Protocol Television Customer Device). Vì thế, nếu có nhiều hơn một ngƣời sử dụng IPTV muốn nhận đƣợc cùng một kênh hình ảnh thì IPTVCD sẽ cần đến một luồng Unicast riêng rẽ. Một trong các luồng đó sẽ truyền đến các điểm SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 5 Đồ án tốt nghiệp Chương 1 đích qua mạng IP tốc độ cao. Nguyên tắc để thực hiện kiểu Unicast trên mạng IP là dựa trên việc phân phối một luồng nội dung đƣợc định hƣớng tới cho mỗi ngƣời dùng cuối. Theo nguyên tắc nhƣ vậy thì cấu hình này khá dễ dàng để thực hiện, nhƣng các ứng dụng này có nhiều hạn chế và hiện nay ít đƣợc ứng dụng vì nhiều ly do nhƣ băng thông của mạng bị lãng phí, dịch vụ rất khó mở rộng khi số lƣợng máy thu tăng lên và không thể sử dụng trong các dịch vụ bị giới hạn thời gian, cuối cùng là do sự cung cấp đến mỗi máy thu phải theo trình tự xếp hàng. Hình 1.1 thể hiện về việc các kết nối IP đƣợc thiết lập nhƣ thế nào khi có năm thuê bao IPTV truy cập đến một kênh Broadcast IPTV đặc thù trên một mạng có tốc độ cao theo hai hƣớng. Hình 1.1: Các kết nối Unicast cho nhiều ngƣời dùng Unicast sử dụng với duy nhất một kênh quảng bá IPTV. Các thuật ngữ tiếng Anh trong Hình 1.1 đƣợc giải thích nhƣ sau đây: - IPTV data center: trung tâm dữ liệu IPTV - IPTV content server: máy chủ nội dung IPTV. - Distribution router: bộ định tuyến phân phối. - Router Edge: bộ định tuyến biên. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 6 Chương 1 - Regional office: tổng đài khu vực. - Last mile access equipment: thiết bị truy nhập băng rộng. - Residential gateways: cổng vào RG. Nhƣ trên Hình 1.1 khi nhiều ngƣời dùng IPTV truy cập cùng một kênh IPTV tại cùng một thời điểm, thì một số các kết nối định hƣớng đƣợc thiết lập qua mạng. Trong ví dụ này, máy chủ cần cung cấp kết nối tới mọi thuê bao có nhu yêu cầu truy cập Kênh 10, với tổng số là năm luồng riêng lẽ bắt đầu từ máy chủ nội dung và kết thúc tại bộ định tuyến đích. 1.3.2 Phân phối nội dung IPTV theo kiểu Broacast Các mạng IP cũng hỗ trợ chức năng truyền Broadcast, ở khía cạnh nào đó nó giống nhƣ kênh IPTV đƣợc đƣa tới mọi thiết bị truy cập đƣợc kết nối vào mạng băng rộng. Khi một máy chủ đƣợc cấu hình truyền Broadcast, một kênh IPTV gửi tới tất cả các thiết bị IPTVCD đƣợc kết nối vào mạng bất chấp thuê bao có yêu cầu kênh đó hay không. Đây sẽ là vấn đề chính, bởi vì, các tài nguyên IPTVCD bắt buộc phải hoạt động để xử lý các gói tin không mong muốn. Một vấn đề khác mà Broadcast không phù hợp cho các ứng dụng IPTV là trong thực tế kỹ thuật truyền thông tin này không hỗ trợ việc định tuyến. Từ lâu, hầu hết các mạng IP đã mở rộng việc sử dụng các bộ định tuyến, nhƣng nếu truyền Broadcast thì không sử dụng việc định tuyến. Đây là lý do làm mạng IP và các thiết bị IPTVCD khác bị tràn ngập khi tất cả các kênh đƣợc gửi tới tất cả mọi ngƣời. 1.3.3 Phân phối nội dung IPTV theo kiểu Multicast Trong phạm vi triển khai IPTV, mỗi nhóm Multicast đƣợc truyền Broadcast còn các kênh truyền hình và thành viên của nhóm tƣơng đƣơng với các thiết bị IPTVCD. Vì thế, mỗi kênh IPTV chỉ đƣợc đƣa tới bộ chuyển đổi tín hiệu STB (SetTop Box) muốn xem kênh đó. Đây là cách hạn chế đƣợc lƣợng tiêu thụ băng thông tƣơng đối thấp và giảm gánh nặng xử lý trên máy chủ. Hình 1.2 mô tả hoạt động của việc sử dụng kỹ thuật Multicast trong ví dụ phân phối cho năm thuê bao truy cập Kênh 10 IPTV cùng một lúc. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 7 Đồ án tốt nghiệp Chương 1 Hình 1.2: Các kết nối đƣợc sử dụng trong kỹ thuật Multicast Trên Hình 1.2 thể hiện rõ việc các bản sao chép đơn đƣợc gửi từ máy chủ nội dung tới bộ định tuyến phân phối. Bộ định tuyến này sẽ tạo ra hai bản sao chép của luồng thông tin tới và gửi chúng tới các bộ định tuyến đặt tại các tổng đài khu vực theo các kết nối IP định hƣớng. Sau đó, mỗi bộ định tuyến sẽ tạo ra các bản sao chép khác để cung cấp cho các thuê bao muốn xem. Vai trò quan trọng của phƣơng thức này là làm giảm kết nối IP và dung lƣợng dữ liệu đi ngang qua mạng. Đây là phƣơng thức thƣờng đƣợc các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng để phát quảng bá các chƣơng trình trực tiếp và là một kỹ thuật có hiệu suất cao cho hạ tầng mạng IP đang tồn tại. Phƣơng thức này không có lợi trong tuyến hƣớng lên luồng thông tin giữa các thiết bị IPTVCD và máy chủ quảng bá. Cần chú ý rằng, việc phát Multicast nội dung IPTV thƣờng phức tạp hơn nhiều nếu so sánh với mô hình thông tin Unicast và Broadcast. Với các đặc điểm của ba phƣơng thức đƣợc nêu nhƣ trên thì nên so sánh chúng với nhau để biết phƣơng thức nào có nhiều ƣu điểm mà ứng dụng vào thực tế. Thứ nhất là phân phối theo kiểu Unicast thì nhƣ đã trình bày ở trên, do các nhƣợc điểm lãng phí băng thông, khó mở rộng dịch vụ khi số lƣợng khách hàng tăng lên, nhất là trong các dịch vụ bị giới hạn về thời gian (nhƣ truyền hình online), SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 8 Chương 1 nên IP Unicast không thật sự thích hợp cho dịch vụ truyền hình trên môi trƣờng mạng. Thứ hai là phân phối theo kiểu Multicast thì so với IP Unicast việc truyền thông IP Multicast cho phép phân phối dữ liệu từ một điểm đến nhiều điểm với hiệu quả băng thông cao hơn rất nhiều, nhƣng vẫn tồn tại một số vấn đề đó là các bộ định tuyến trung gian (Router) cần phải có khả năng multicast, yêu cầu cao về các tính năng thiết bị và năng lực quản trị mạng, vấn đề độ tin cậy và khả năng kiểm soát lỗi truyền dữ liệu, và cuối cùng là các yêu cầu liên quan đến các máy thu nên có card mạng và phần mềm hỗ trợ IP Multicast. Nhƣ vậy, đối với các dịch vụ truyền hình trực tiếp trên môi trƣờng mạng có nhu cầu mở rộng không lớn lắm, thì IP Multicast vẫn là phƣơng thức truyền thông phổ biến nhất hiện nay. Cuối cùng, phƣơng thức phân phối theo kiểu Broadcast thì trong thực tế kỹ thuật truyền thông tin này không hỗ trợ việc định tuyến vì thế mà Broadcast không phù hợp cho các ứng dụng IPTV. 1.4 Các dịch vụ của IPTV IPTV không chỉ đơn thuần là IP hình ảnh. Trên thực tế, các nhà khai thác Viễn thông đang tập trung vào dịch vụ này để tạo ra sự khác biệt của dịch vụ mà họ cung cấp với các dịch vụ mà các nhà khai thác mạng truyền hình cáp hay vệ tinh cung cấp. Tất cả các lựa chọn về cấu trúc và công nghệ cơ sở tập trung vào việc phân phối nhiều loại dịch vụ hình ảnh theo yêu cầu và quảng bá hình ảnh, nhƣng với kinh nghiệm về các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ cao cho phép các nhà khai thác Viễn thông cung cấp cho khách hàng các dịch vụ tích hợp bổ xung là một phần của gói dịch vụ IPTV lớn. Các dịch vụ chính thƣờng đƣợc triển khai trƣớc là dịch vụ hình ảnh theo yêu cầu và quảng bá hình ảnh. Tuy nhiên, các nhà khai thác Viễn thông đều có kế hoạch bổ sung các dịch vụ này với các dịch vụ trò chơi, quảng cáo, âm thanh, thông tin. Điều cần biết là định nghĩa và phạm vi của các dịch vụ này sẽ liên tục đƣợc tiến triển theo thời gian. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 9 Chương 1 1.4.1 Các dịch vụ hình ảnh IPTV Các dịch vụ hình ảnh IPTV có thể phân thành hai nhóm là phát quảng bá và phát theo yêu cầu. 1.4.1.1 Các dịch vụ quảng bá hình ảnh Về cơ bản, các dịch vụ quảng bá hình ảnh không khác gì so với các dịch vụ hình ảnh mà các nhà khai thác truyền hình cáp, vệ tinh, mặt đất cung cấp ngày nay. Điều này, góp phần tạo thành tiêu chuẩn đối với dịch vụ truyền hình TV, không kể đến các cơ chế truyền tải nhƣ cáp đồng trục lai cáp quang, đƣờng dây thuê bao số DSL (Digital subscriber Line) hay FTTx (Fiber To The x). Các kênh quảng bá hình ảnh bao gồm các kênh truyền hình quốc gia, địa phƣơng và các kênh trả tiền (nhƣ HBO). Số các kênh quảng bá khu vực có thể thay đổi theo thị trƣờng, các kênh này thƣờng hỗ trợ các phiên bản theo khu vực của các mạng gốc (ABC, CBS, NBC và Fox). Một số trong các kênh quảng bá có định dạng chất lƣợng cao, điều đó có nghĩa các nhà khai thác Viễn thông có thể cung cấp cho khách hàng cả hai loại kênh quảng bá là kênh quảng bá tiêu chuẩn và kênh quảng bá chất lƣợng cao. Một phần nội dung quảng bá có thể đƣợc lƣu lại trong mạng và sử dụng sau đó. 1.4.1.2 Các dịch vụ lƣu trữ hình ảnh Các dịch vụ lƣu trữ hình ảnh có nhiều dạng và là nền tảng để phân biệt với các nội dung hình ảnh khác đƣợc truyền tải qua các mạng IP. Nội dung lƣu trữ hình ảnh đáp ứng đƣợc nhiều sở thích khác nhau của ngƣời xem. Tùy theo vị trí lƣu trữ, khách hàng có thể tận dụng đƣợc các ƣu điểm của nội dung hình ảnh lƣu tại thiết bị khách hàng hoặc mạng để điều khiển một cách linh hoạt khi sử dụng dịch vụ nhƣ tua nhanh, tua ngƣợc, tạm dừng nhƣ khi họ sử dụng VCDs/DVDs. Nội dung lƣu trữ hình ảnh là động lực chính thúc đẩy sự phát triển phần mềm lớp dịch vụ trong các mạng IPTV cũng nhƣ các tùy chọn của STB. Các tùy chọn nội dung lƣu trữ hình ảnh bao gồm VoD lƣu trữ cục bộ, VoD lƣu trên mạng, VoD thuê bao, ghi lại nội SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 10 Chương 1 dung hình ảnh theo yêu cầu cá nhân PVR (Personal Video Recorder), ghi lại nội dung hình ảnh và lƣu trên mạng (Network-based PVR). VoD lƣu trữ cục bộ thể hiện ở việc nội dung đƣợc xem là phổ biến rộng rãi sẽ phát quảng bá tới thiết bị phía khách hàng CPE (Customer Premises Equipment) qua mạng IP và lƣu cục bộ để khách hàng có thể xem theo yêu cầu. Các nội dung này thƣờng gắn với quá trình xác thực quyền sử dụng khi xem đối với từng thuê bao. VoD lƣu trên mạng có nghĩa là VoD lƣu trên mạng dành cho các nội dung đƣợc coi là không phổ biến cho nhiều thuê bao tại cùng thời điểm. Khách hàng có thể yêu cầu xem nội dung ngay lập tức và/hoặc sau khi yêu cầu. Nội dung có thể xem ngay đƣợc truyền tải dƣới dạng Unicast trên mạng IP, trong khi nội dung xem sau yêu cầu đƣợc tập hợp theo nhóm các thuê bao và có thể truyền tải dạng Broadcast hay Narrowcast dựa trên thứ tự tƣơng đƣơng đối với các thuê bao khác. Điều này, cho phép nhà cung cấp dịch vụ sử dụng tối ƣu các tài nguyên mạng một cách linh hoạt. VoD thuê bao đƣợc hiểu là biến thể của hai dịch vụ trên, cho phép khách hàng quyền xem một số nội dung đã đƣợc cho phép trƣớc đó trong một khoảng thời gian xác định, tận dụng ƣu điểm của cả hai nội dung hình ảnh lƣu trên mạng và cục bộ. Ghi lại nội dung hình ảnh theo yêu cầu cá nhân PVR (Personal Video Recorder) là cho phép ngƣời dùng quyền ghi lại các chƣơng trình quảng bá/theo yêu cầu để xem lại sau đó. Các quyền xem nội dung thay đổi tùy theo việc sử dụng một lần, nhiều lần hay không giới hạn nội dung và phần mềm quản lý bản quyền là yếu tố quan trọng trong các trƣờng hợp này để kiểm soát quá trình chia sẻ nội dung giữa các thiết bị trong nhà thuê bao. Ghi lại nội dung hình ảnh và lƣu trên mạng (Network-based PVR) thì tƣơng tự nhƣ dịch vụ PVR, sự khác nhau chủ yếu là vị trí lƣu nội dung, trong trƣờng hợp này là trên mạng thay vì sử dụng thiết bị của khách hàng. Dịch vụ này cho phép các thuê bao với STB đơn giản tận dụng đƣợc các ƣu điểm của các dịch vụ lƣu trữ hình ảnh SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 11 Chương 1 và cho phép các nhà cung cấp dịch vụ tập hợp các nội dung lƣu trữ trong mạng một cách tối ƣu nhờ đó giảm chi phí so với việc thuê bao phải sử dụng STB phức tạp. Dịch vụ này cũng cung cấp một cách tốt nhất cho thuê bao khả năng linh hoạt trong việc lựa chọn chƣơng trình vì mạng có khả năng lƣu nhiều nội dung hơn soa với STB của khách hàng. 1.4.2 Các dịch vụ âm thanh IPTV Nếu chỉ có dịch vụ âm thanh IPTV thì chắc chắn không đủ kích thích các thuê bao chuyển nhà cung cấp dịch vụ và cũng không đủ để nhà cung cấp dịch vụ đầu tƣ một lƣợng lớn tiền vào hạ tầng mạng để phân phối dịch vụ IPTV. Tuy nhiên, khi kết hợp với các tùy chọn khác nó sẽ nâng cao tính hấp dẫn của gói dịch vụ tổng thể. 1.4.2.1 Dịch vụ quảng bá phát thanh bằng vô tuyến Dịch vụ quảng bá phát thanh bằng vô tuyến cho phép khách hàng dò tìm bất kỳ đài phát nào trên thế giới và nghe qua lối ra âm thanh của TV hay hệ thống loa kèm theo. 1.4.2.2 Dịch vụ quảng bá âm nhạc Theo quan điểm dịch vụ âm thanh, dịch vụ này rất giống với dịch vụ quảng bá hình ảnh cơ bản, nghĩa là ngƣời dùng có thể sử dụng nhiều kênh âm nhạc khác nhau. Dịch vụ này đã khá phổ biến và đƣợc cung cấp bởi nhiều nhà cung cấp dịch vụ cáp. Dịch vụ âm nhạc này thƣờng đi kèm với thông tin đồ họa về nội dung nhạc hiển thị trên TV của khách hàng. Hƣớng dẫn chƣơng trình chọn kênh cũng tƣơng tự nhƣ đối với các kênh hình ảnh. 1.4.2.3 Dịch vụ âm nhạc theo yêu cầu Tƣơng tự nhƣ VoD, quyền yêu cầu và nghe tƣơng tự nhƣ đối với các dịch vụ VoD. Mối quan hệ giữa các nhà cung cấp nội dung và phƣơng tiện là yếu tố quan trọng nhƣ đối với dịch vụ VoD để đảm bảo có đƣợc thƣ viện lớn các tài liệu nhạc. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 12 Chương 1 1.4.2.4 Dịch vụ thuê bao âm nhạc Dịch vụ thuê bao âm nhạc cho phép thuê bao lƣu trữ và sắp xếp theo sở thích của mình. Dịch vụ âm nhạc theo yêu cầu sẽ đƣợc truyền tải qua mạng IP theo cách tƣơng tự nhƣ các dịch vụ VoD sử dụng các cơ cấu Broadcast hay Unicast, theo thời gian và mức độ tƣơng đƣơng với các thuê bao khác. 1.4.3 Các dịch vụ trò chơi IPTV Chơi trò chơi (một ngƣời hay nhiều ngƣời cùng lúc) trên truyền hình là dịch vụ riêng biệt mà các nhà khai thác Viễn thông đang xúc tiến tích hợp vào các gói dịch vụ IPTV của họ. Sẽ có nhiều loại chò trơi cho nhiều loại đối tƣợng khác nhau cũng nhƣ các trò chơi cho 1 ngƣời và nhiều ngƣời chơi cùng lúc. Khách hàng có thể lựa chọn ngƣời chơi cùng cũng nhƣ lên kế hoạch thời gian chơi với ngƣời khác. 1.4.4 Các dịch vụ thông tin tích hợp Dịch vụ thông tin IPTV tích hợp là lĩnh vực mà trong đó các nhà khai thác Viễn thông có ƣu thế hơn so với các nhà cung cấp đa dịch vụ/truyền hình cáp. Các dịch vụ thông tin tích hợp sẽ tận dụng các lợi thế về tài nguyên của các nhà cung cấp dịch vụ Viễn thông khi cung cấp các dịch vụ thoại và truy cập Internet tốc độ cao. Các ví dụ về dịch vụ thoại và Internet tích hợp đƣợc mô tả sau đây. 1.4.4.1 Dịch vụ thoại tích hợp Dịch vụ thoại tích hợp cho phép các thuê bao sử dụng TV của họ mở rộng các chức năng dịch vụ thoại di động và cố định. Ví dụ nhƣ dịch vụ thông báo cuộc gọi đến, dịch vụ thông báo bản tin, dịch vụ thiết lập kết nối, dịch vụ hội nghị thoại/hình ảnh và dịch vụ danh bạ. Dịch vụ thông báo cuộc gọi đến sẽ hiển thị biểu tƣợng trên TV, thông báo cho thuê bao có cuộc gọi thoại/ hình ảnh đến. Ngoài ra còn hỗ trợ các chức năng hiển thị số thuê bao và ghi lại cuộc gọi. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 13 Chương 1 Dịch vụ thông báo bản tin thì hiển thị biểu tƣợng trên TV, thông báo cho thuê bao có lời nhắn trong hộp thƣ kèm theo dịch vụ thoại cố định và/hoặc di động. Dịch vụ thiết lập kết nối cho phép thuê bao gọi thoại/hình ảnh từ TV của họ. Dịch vụ hội nghị thoại/hình ảnh cho phép thuê bao tham gia và/hoặc khởi tạo hội nghị thoại/hình ảnh. Dịch vụ danh bạ cung cấp cho thuê bao danh bạ điện thoại điện tử có thể truy cập qua TV. 1.4.4.2 Các dịch vụ Internet tích hợp Các dịch vụ Internet tích hợp sẽ cho phép dùng TV để sử dụng các ứng dụng Internet trƣớc đây phải dùng bằng máy tính cá nhân PC (Private Computer). Các dịch vụ này không nhằm để thay thế các ứng dụng Internet dựa trên PC mà chúng cung cấp các biện pháp thuận tiện hơn để truy cập thông tin trong những khu vực khác nhau trong nhà thuê bao hay ở các thời điểm khác nhau, chẳng hạn nhƣ duyệt web bằng TV, nhắn tin bằng TV, TV Email, và dịch vụ thƣơng mại từ xa. Duyệt web bằng TV cho phép thuê bao xem các trang web trên TV của họ. Nhắn tin bằng TV cho phép thuê bao thông tin qua hệ thống tin nhắn tức thời IM (Instant messaging) trong khi đồng thời sử dụng các dịch vụ hình ảnh/âm thanh hay trò chơi khác. TV Email cho phép thuê bao sử dụng các ứng dụng khách hàng trên TV để đọc, gửi và nhận thƣ điện tử. Dịch vụ thƣơng mại từ xa tƣơng tự nhƣ các dịch vụ thƣơng mại điện tử, các dịch vụ này đƣợc thiết kế để cho phép thuê bao sử dụng TV của mình để tìm kiếm và đặt mua hàng. 1.4.5 Các dịch vụ quảng cáo Các dịch vụ quảng cáo hỗ trợ các quảng cáo quảng bá truyền thống và xen vào cùng với quảng bá cục bộ tại các điểm khác nhau trong mạng IPTV. Khả năng SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 14 Chương 1 tƣơng quan giữa các STB và các mức ƣu tiên dịch vụ cho phép nhà cung cấp dịch vụ đƣa ra các dịch vụ quảng cáo có hƣớng đối tƣợng. Việc tích hợp các dịch vụ quảng cáo hƣớng vào đối tƣợng sử dụng với các dịch vụ mua bán từ xa cho phép nhà cung cấp dịch có thể giúp khách hàng của mình thực hiện đƣợc những thỏa thuận mua bán theo yêu cầu. Với bản chất hai chiều của mạng thông tin và các dịch vụ kết hợp, các thuê bao có thể cung cấp ý kiến đánh giá của mình đối với quảng cáo trên IPTV để làm cho dịch vụ quảng cáo này sát với đối tƣợng hơn, phù hợp hơn. 1.5 Kết luận Nhƣ vậy, với những đặc điểm và dịch vụ mà IPTV mang lại và các chƣơng trình hay nhất, hấp dẫn nhất, các tính năng hiện đại nhất đƣợc áp dụng sẽ giúp cho cuộc sống của các gia đình ngày một năng động hơn, hiện đại hơn. Bên cạnh đó, vấn đề chăm sóc khách hàng, sự đặc sắc về nội dung và những chiến lƣợc truyền thông phù hợp sẽ làm nên sự bứt phá của các dịch vụ này trong thời gian tới. Đó là những nội dung mà Chƣơng 1 mang lại, vậy còn Chƣơng 2 sẽ có nội dung gì và phân tích đặc điểm gì thì sang Chƣơng 2 sẽ rõ hơn khi đi sâu vào cấu trúc và sự hoạt động của công nghệ IPTV. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 2 15 Chương 2 CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA IPTV 2.1 Cấu trúc IPTV Mạng IPTV đƣợc cấu thành từ các thành phần cơ bản nhƣ mạng nội dung, mạng chuyển tải, mạng đầu cuối, và bộ quản lý nội dung. Các thành phần này đƣợc mô tả rõ trong Hình 2.1, và đƣợc phân tích cụ thể trong các ý sau. Hình 2.1: Mạng IPTV 2.1.1 Mạng nội dung Mạng nội dung cung cấp và giới thiệu nội dung gồm xử lý nội dung truyền hình trực tiếp, truyền hình VoD (theo điểm), và giới thiệu các ứng dụng gia tăng (phục vụ tin tức, điện thoại có hình, email, nhắn tin). Nguồn nội dung truyền hình trực tiếp, truyền hình VoD không thông qua hệ thống xử lý nội dung đƣợc mã hóa để phù hợp với luồng phƣơng tiện truyền thông theo yêu cầu qua mạng chuyển tải mà chỉ đƣa các luồng này cung cấp tới các ngƣời dùng đầu cuối. Trong mạng IPTV nhƣ biểu diễn trên Hình 2.1 có ba dạng luồng tín hiệu là luồng quảng bá BTV, luồng truyền đến địa điểm theo yêu cầu VoD và luồng phục SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 16 Chương 2 vụ giá trị gia tăng nội hạt. Nhƣ vậy, có ba phƣơng thức truyền là truyền trực tiếp hiện trƣờng, truyền quảng bá có định thời gian và truyền tới điểm VoD. Khi truyền hình trực tiếp đồng thời ta lấy nội dung này lƣu vào bộ nhớ để phát lại vào truyền hình quảng bá định thời gian hoặc làm nguồn các tiết mục cho truyền hình VoD. Đối với tiết mục quảng bá có định thời IPTV dùng phƣơng pháp truyền phát đa điểm IP có tiết kiệm băng tần tức là phƣơng thức Multicast. Dùng phƣơng thức này, mỗi tiết mục mạng cáp chỉ phát một luồng số liệu thời gian thực không liên quan tới số ngƣời xem tiết mục này. Phƣơng thức này có thể truyền phát cho hàng nghìn thuê bao. 2.1.2 Mạng truyền tải Mạng truyền tải là mạng cáp IP. Đối với luồng phƣơng tiện truyền thông có hình thức nghiệp vụ không giống nhau có thể dùng phƣơng thức chuyển đa hƣớng cũng có thể chuyển theo phƣơng thức đơn kênh. Thông thƣờng, truyền hình quảng bá BTV truyền đa hƣớng tới ngƣời dùng đầu cuối, truyền hình theo yêu cầu VoD thông qua mạng cáp phân phát nội dung CDN (Content Distribution Network) tới địa điểm ngƣời dùng đầu cuối. IPTV cung cấp đồng thời hình ảnh và âm thanh trên mạng cáp. Để đảm bảo chất lƣợng của hai loại tín hiệu trên IPTV dùng phƣơng pháp đồng bộ A/V thông qua một máy chủ duy nhất thu thập các dữ liệu tại hiện trƣờng, văn bản sử dụng theo khuyến nghị giao thức truyền tải thời gian thực RTP. IPTV dùng kỹ thuật nén thị tần có hiệu suất cao nên băng tần truyền dẫn tại 800 kbit/s có thể tiếp cận với băng tần thu DVD, Mạng chuyển tải CDN gồm nhiều máy chủ lƣu trữ phân bố tại các khu vực tập trung thuê bao. Khi có yêu cầu của thuê bao, máy chủ lƣu trữ chuyển lên máy chủ VoD trong mạng nguồn cung cấp, tìm nội dung phù hợp và chuyển tải cho thuê bao sự hoạt động của các máy chủ trong mạng chuyển tải. Trong quá trình truyền phát tín hiệu đa phƣơng tiện IPTV có thể dùng khóa mật mã đảm bảo độ an toàn của nội dung truyền dẫn. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 17 Đồ án tốt nghiệp Chương 2 2.1.3 Mạng đầu cuối Mạng ngƣời dùng gồm một cổng vào (có thể là modem DSL hay bộ định tuyến) giao tiếp với mạng của nhà cung cấp có nhiệm vụ nhận nguồn hình IPTV và phân phát đến các bộ chuyển đổi tín hiệu STB khác nhau. Thiết bị đầu cuối gồm STB, điện thoại cố định, điện thoại di động. Có thể dùng cáp đồng UTP hoặc vô tuyến (WiFi) để kết nối với cổng vào. Hình 2.2 thể hiện việc kết nối nhà cung cấp dịch vụ và thiết bị của nhà khách hàng. Cổng vào có khả năng nhận cấu hình tự động từ phía mạng của nhà cung cấp dịch vụ để thiết lập kênh hoạt động cho các thiết bị đầu cuối gắn thêm với cổng vào để đảm bảo tính linh hoạt và mở rộng dịch vụ. Hình 2.2: Điểm kết nối dịch vụ Thiết bị đầu cuối IPTV trong gia đình có hai loại, một là máy vi tính các nhân PC (Private Computer), hai là máy TV và hộp kết nối STB. Hộp STB thực hiện ba chức năng, thứ nhất là nối tiếp vào mạng băng tần rộng, thu phát và xử lý số liệu IP và luồng hình ảnh, thứ hai là tiến hành giải mã luồng hình ảnh MPEG-2, MPEG-4 đảm bảo hình ảnh VoD hiển thị lên màn hình ti vi các số liệu, thứ ba là các thuê bao chỉ cần có thiết bị đầu cuối là máy tính PC hoặc TV và STB là có thể thƣởng thức đƣợc các chƣơng trình truyền hình phong phú. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 18 Chương 2 Hoạt động của IPTV là hoạt động tƣơng tác trên mạng không chỉ có các chƣơng trình truyền hình quảng bá mà còn thực hiện truyền hình đến địa điểm theo yêu cầu VoD. IPTV còn có các dịch vụ tƣơng tác khác nhƣ truyền thoại có hình, email, du lịch trên mạng, học tập từ xa. 2.1.4 Bộ quản trị quản lý Mạng đa dịch vụ cần sử dụng băng thông mạng hiệu quả, độ tin cậy cao và đảm bảo chất lƣợng dịch vụ nên công cụ hỗ trợ quản lý, vận hành, khai thác, chuẩn đoán lỗi là vấn đề hết sức thiết thực cần quan tâm đúng mức và trang bị hệ thống tƣơng xứng. Hệ thống hỗ trợ vận hành, khai thác và quản lý mạng là ƣu tiên hàng đầu cần xem xét đầu tƣ khi triển khai đa dịch vụ trên hạ tầng mạng chung. Việc chọn lựa giải pháp quản lý tốt sẽ giúp nhà cung cấp dịch vụ giảm chi phí vận hành, khai thác hệ thống và chi phí chăm sóc, hỗ trợ khách hàng, nâng cao chất lƣợng dịch vụ, tạo điều kiện cho nhà cung cấp dịch vụ tập trung tiềm lực vào các vấn đề khác đem lại doanh thu nhiều hơn. Hệ thống phải có khả năng phát hiện nhận biết thiết bị (khi thiết bị đầu cuối kết nối vào mạng) và tự động cài đặt cấu hình cho đầu cuối khách hàng. Việc triển khai dịch vụ IPTV sẽ ảnh hƣởng rất lớn đến cấu trúc mạng của nhà cung cấp dịch vụ Viễn thông, đòi hỏi nhà cung cấp dịch vụ phải có kế hoạch triển khai nâng cấp hạ tầng mạng đáp ứng nhu cầu băng thông cho dịch vụ cả trong mạng trục, mạng kết tập và mạng truy cập. Việc tính toán băng thông cũng nhƣ dự báo nhu cầu dịch vụ là công tác cần xem xét trong quá trình xây dụng và triển khai dịch vụ. 2.2 Cơ sở hạ tầng một mạng IPTV Cơ sở hạ tầng một mạng IPTV đƣợc thể hiện nhƣ trong hình Hình 2.3, các thuật ngữ tiếng Anh trong hình đƣợc giải thích sau đây. - Service Provider’s IPTV Data Center: trung tâm dữ liệu IPTV. - Broadband Access Network: mạng truy cập băng rộng. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 19 Đồ án tốt nghiệp Chương 2 - IPTV Customer Device: các thiết bị ngƣời dùng IPTVCD. - Home Network: mạng gia đình. Hình 2.3: Sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống IPTV 2.2.1 Trung tâm dữ liệu IPTV Trung tâm dữ liệu IPTV đƣợc biết đến là “đầu cuối_headend”, nó nhâ ̣n n ội dung từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm truyền hình địa phƣơng, các nhà tập hợp nội dung, nhà sản xuất, qua đƣờng cáp, trạm số mặt đất hay vệ tinh. Ngay khi nhận đƣợc nội dung, một số các thành phần phần cứng khác nhau từ thiết bị mã hóa và các máy chủ hình ảnh tới bộ định tuyến IP và thiết bị bảo mật dành riêng đƣợc sử dụng để chuẩn bị nội dung về hình ảnh cho việc phân phối qua mạng dựa trên IP. Thêm vào đó, hệ thống quản lý thuê bao đƣợc yêu cầu để quản lý về hồ sơ và phí thuê bao của những ngƣời sử dụng. Chú ý rằng, địa điểm thực của trung tâm dữ liệu IPTV đƣợc yêu cầu bởi hạ tầng cơ sở mạng đƣợc sử dụng bởi nhà cung cấp dịch vụ. 2.2.2 Mạng truyền dẫn băng thông rộng Việc truyền dẫn dịch vụ IPTV yêu cầu kết nối điểm-điểm. Trong trƣờng hợp triển khai IPTV trên diện rộng, số lƣợng các kết nối điểm-điểm tăng đáng kể và yêu cầu độ rộng băng thông của cơ sở hạ tầng khá rộng. Sự tiến bộ trong công nghệ mạng trong những năm qua cho phép những nhà cung cấp Viễn thông thỏa mãn một lƣợng lớn yêu cầu độ rộng băng thông mạng. Hạ tầng truyền hình cáp dựa trên cáp SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 20 Chương 2 đồng trục lai cáp quang và các mạng Viễn thông dựa trên cáp quang rất phù hợp để truyền tải nội dung IPTV. 2.2.3 Thiết bị ngƣời dùng IPTV Thiết bị ngƣời dùng IPTVCD là thành phần quan trọng trong việc cho phép mọi ngƣời có thể truy xuất vào các dịch vụ IPTV. Thiết bị này kết nối vào mạng băng rộng và có nhiệm vụ giải mã và xử lý dữ liệu hình ảnh dựa trên IP gửi đến. Thiết bị ngƣời dùng hỗ trợ công nghệ tiên tiến để có thể tối thiểu hóa hay loại bỏ hoàn toàn ảnh hƣởng của lỗi, sự cố mạng khi đang xử lý nội dung IPTV. 2.2.4 Mạng gia đình Mạng gia đình kết nối với một số thiết bị kĩ thuật số bên trong một diện tích nhỏ. Nó cải tiến việc truyền thông và cho phép chia sẻ tài nguyên (các thiết bị) kĩ thuật số đắt tiền giữa các thành viên trong gia đình. Mục đích của mạng gia đình là để cung cấp việc truy cập thông tin, nhƣ là tiếng nói, âm thanh, dữ liệu, giải trí, giữa những thiết bị khác nhau trong nhà. Với mạng gia đình, ngƣời dùng có thể tiết kiệm tiền và thời gian bởi vì các thiết bị ngoại vi nhƣ là máy in và máy scan, cũng nhƣ kết nối Internet băng rộng, có thể đƣợc chia sẻ một cách dễ dàng. 2.3 Hoạt động của IPTV 2.3.1 Tổng quan về mô hình truyền thông IPTV Mô hình truyền thông trong IPTV có bảy lớp (và một lớp tùy chọn) đƣợc xếp chồng lên nhau đƣợc thể hiện rõ ở Hình 2.4. Các dữ liệu hình ảnh ở phía thiết bị gửi đƣợc truyền từ lớp cao xuống lớp thấp trong mô hình IPTV, và đƣợc truyền đi trong mạng băng rộng bằng các giao thức của lớp vật lí. Ở thiết bị nhận, dữ liệu nhận đƣợc chuyển từ lớp thấp nhất đến lớp trên cùng trong mô hình IPTV. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 21 Đồ án tốt nghiệp Chương 2 Hình 2.4: Mô hình truyền thông IPTV Các thuật ngữ tiếng Anh trong Hình 2.4 đƣợc giải thích sau đây. - Sending IPTV device: thiết bị IPTV bên gửi. - Receiving IPTV device: thiết bị IPTV bên nhận. - Video encoding: mã hóa hình ảnh. - Video packetizing: gói hình ảnh. - MPEG transport Stream contrustion: cấu trúc dòng truyền tải MPEG. - RTP (Optional): lớp tùy chọn. - Transport (UDP or TCP): lớp truyền tải. - IP: lớp giao thức Internet. - Data link layer: lớp liên kết dữ liệu. - Physical layer: lớp vật lý. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 22 Chương 2 Do đó, nếu một bộ mã hóa gửi chƣơng trình hình ảnh đến một thiết bị IPTV của khách hàng, thì phải chuyển qua các lớp trong mô hình IPTV ở cả phía thiết bị nhận và thiết bị gửi. Mỗi lớp trong mô hình IPTV độc lập với nhau và có chức năng riêng. Khi chức năng này đƣợc thực hiện, dữ liệu hình ảnh đƣợc chuyển đến lớp tiếp theo trong mô hình IPTV. Mỗi lớp sẽ thêm vào hoặc bỏ đi phần thông tin điều khiển của các gói hình ảnh trong quá trình xử lí. Thông tin điều khiển chứa các thông tin giúp thiết bị có thể sử dụng gói dữ liệu đúng chức năng của nó, và thƣờng đƣợc định dạng nhƣ các tiêu đề hoặc trailer. Bên cạnh việc truyền thông giữa các lớp, còn có các liên kết ảo giữa các tầng cùng mức. Với bảy lớp và một lớp bổ sung trong mô hình IPTV có thể đƣợc chia làm hai loại là các lớp cao và các lớp thấp. Các tầng cao hơn thì quan tâm nhiều hơn tới các ứng dụng của IPTV và các định dạng tập tin, trong khi các tầng thấp hơn thì quan tâm tới việc truyền tải các nội dung. 2.3.2 Phƣơng pháp truyền đa tín hiệu Trong hệ thống IPTV hình ảnh do các phần cứng thu thập theo thời gian thực, thông qua phƣơng thức mã hóa (nhƣ MPEG-2/ MPEG-4) tạo thành các luồng tín hiệu số. Sau đó, thông qua hệ thống phần mềm, IPTV phát truyền vào mạng cáp. Đầu cuối của các nhà sử dụng tiếp nhận, lựa chọn, giải mã và khuếch đại. Trong hệ thống IPTV có hai phƣơng thức truyền đa tín hiệu đã đƣợc dự định trƣớc đó là phát quảng bá, truyền phát tới mọi nơi và phát đến địa điểm theo yêu cầu. 2.3.2.1 Phát quảng bá Nguyên lý hoạt động của hệ thống quảng bá với mạng xƣơng sống của hệ thống đa điểm MBone (Multi Backbone) chính là đƣờng trục Internet. Tuy nhiên, ngƣời sử dụng chỉ theo lệnh của bộ quản lý nội dung để đƣợc giới thiệu nội dung chƣơng trình hữu quan. Chƣơng trình cụ thể do rất nhiều bộ máy chủ IPTV thu thập đƣợc hoặc cùng do các máy chủ của mạng MBone cung cấp. Hình 2.5 thể hiện rõ về phƣơng thức phát quảng bá. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 23 Đồ án tốt nghiệp Chương 2 Hình 2.5: Phƣơng thức phát quảng bá 2.3.2.2 Phát theo yêu cầu Hình 2.6: Phƣơng thức phát theo yêu cầu Hình 2.6 minh họa sự hoạt động của hệ thống IPTV phục vụ theo yêu cầu VOD đƣợc gọi là IPTV đơn điểm. Trong đó, các máy chủ của bộ quản lý nội dung đƣợc tổ chức thành cụm máy chủ tổng hợp kho dữ liệu của các chƣơng trình. Cách bố trí cụm máy chủ để phục vụ ngƣời sử dụng mang lại hiệu quả đã đƣợc nêu rõ trên sơ đồ cấu trúc mạng ở Hình 2.1. Các bƣớc thực hiện VoD nhƣ sau, trƣớc hết, SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 24 Chương 2 một thuê bao đƣợc chứng nhận nhập mạng và chịu sự quản lý của bộ quản lý EPG, tiếp đến, thuê bao muốn yêu cầu một nội dung nào đó và thuê bao gửi yêu cầu đến EGP, sau đó, EGP cho biết địa chỉ của máy chủ cần tìm, tiếp theo, thuê bao gửi yêu cầu tới máy chủ đó và cuối cùng, máy chủ dựa theo yêu cầu của thuê bao mà cung cấp nội dung. 2.4 Ƣu điểm của IPTV Truyền hình số đƣợc định thời một cách chính xác, là dòng dữ liệu liên tục có tốc độ bit không đổi, thƣờng hoạt động trên các mạng mà mỗi tín hiệu đƣợc truyền đều phục vụ cho mục đích truyền hình. Trái với truyền hình, mạng IP truyền những loại dữ liệu khác nhau từ rất nhiều nguồn trên một kênh chung, bao gồm thƣ điện tử, trang web, tin nhắn trực tiếp, tiếng nói qua IP (VoIP) mà nhiều loại dữ liệu khác. Để truyền đồng thời những dữ liệu này, mạng Internet phân thông tin thành các gói. Nhƣ vậy, rõ ràng là IP và truyền hình không phải là một sự kết hợp hoàn hảo về công nghệ. Việc chọn các mạng dựa trên IP để truyền tín hiệu truyền hình có thể thành sáu điểm sau. Một là, mạng IP băng rộng đã vƣơn tới rất nhiều gia đình ở nhiều nƣớc, các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình có thể sử dụng những mạng này để phát các dịch vụ truyền hình mà không cần xây dựng hệ thông mạng riêng của họ. Hai là, IP có thể đơn giản công việc phát các dịch vụ truyền hình mới, nhƣ là chƣơng trình tƣơng tác, truyền hình theo yêu cầu. Ba là, giá thành của mạng IP tiếp tục giảm do số thiết bị đƣợc sản xuất mỗi năm rất lớn và sự tồn tại của các chuẩn trên toàn thế giới. Bốn là, mạng IP có mặt trên toàn thế giới, và số ngƣời dùng mạng Internet tốc độ cao tiếp tục tăng rất nhanh. Năm là, IP là công nghệ hoàn hảo cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm sự trao đổi dữ liệu, mạng cục bộ, chia sẻ tệp tin, lƣớt web và nhiều nhiều nữa. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 25 Chương 2 Sáu là, IP cung cấp cơ chế để định hƣớng truyền gói giữa các thiết bị đƣợc liên kết trong mạng. IP là một giao thức phổ biến đƣợc sử dụng khắp các mạng Internet và hàng triệu các mạng khác có sử dụng IP. Với việc sử dụng các mạng IP để truyền dẫn tín hiệu truyền hình, việc xem truyền hình hiện đại sẽ rất khác so với xem truyền hình trƣớc đây. Các tín hiệu truyền hình bây giờ không khác gì những dữ liệu khác. Nhờ đó, ngoài các kênh truyền hình quảng bá truyền thống, chúng ta sẽ có thêm những kênh truyền hình riêng biệt, tƣơng tác để thỏa mãn nhu cầu của từng ngƣời. Những ƣu điểm nổi bật của IPTV nhƣ là ngƣời xem sẽ không bỏ lỡ bất kỳ phần nào của chƣơng trình ƣa thích thông qua chức năng tạm dừng, lƣu lại, lƣớt nhanh. IPTV cho phép bạn ghi lại các chƣơng trình yêu thích của bạn để bạn có thể xem chúng ở một thời điểm thuận tiện. Hơn nữa, bạn có thể ghi lại nhiều chƣơng trình cùng một lúc thông qua IPTV. IPTV đảm bảo chất lƣợng cao của âm thanh và hình ảnh, gần giống nhƣ khi một đĩa DVD. Ngƣời dùng có thể lựa chọn những bộ phim mình ƣa thích và xem bất cứ lúc nào họ muốn thông qua dịch vụ VoD. IPTV không bị ảnh hƣởng bởi những thay đổi trong thời tiết không giống nhƣ truyền hình cáp và DTH. Bên cạnh là một dịch vụ chất lƣợng cao, IPTV hầu nhƣ không bị gián đoạn đƣờng truyền do thời tiết xấu. 2.5 Kết luận Với những đặc điểm đã nêu ở Chƣơng này giúp ngƣời sử dụng hiểu rõ hơn về những đặc tính mà dịch vụ mang lại, từ đó, nắm rõ nguyên tắc và việc sử dụng sẽ dễ dàng hơn. Đồng thời, khách hàng cũng có thể tiết kiệm đƣợc chi phí. Để muốn biết tín hiệu muốn đƣợc truyền phát đến nơi cần tiêu thụ bằng cách nào và đi nhƣ thế nào thì ở Chƣơng 3 sẽ tìm hiểu về vấn đề này cụ thể hơn. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 26 Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 3 Chương 3 KỸ THUẬT NÉN TÍN HIỆU TRONG IPTV 3.1 Tổng quan về kỹ thuật nén tín hiệu trong IPTV Nén thực chất là quá trình sử dụng các phép biến đổi để loại bỏ các dƣ thừa và loại bỏ tính có nhớ của nguồn dữ liệu, tạo ra nguồn dữ liệu mới có lƣợng thông tin nhỏ hơn. Đồng thời, sử dụng các dạng mã hóa có khả năng tận dụng xác suất xuất hiện của các mẫu sao cho số lƣợng bit sử dụng để mã hóa một lƣợng thông tin nhất định là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo chất lƣợng theo yêu cầu. Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát quá trình nén và giải nén Quá trình nén và giải nén tín hiệu trong IPTV đƣợc thể hiện rõ trong Hình 3.1. Hai phần tử cơ bản của quá trình này là bộ biến đổi (biến đổi ngƣợc) và bộ mã hóa (giải mã) trong quá trình nén (giải nén). Bộ biến đổi đƣợc hiểu là một số phép biến đổi và kỹ thuật đƣợc sử dụng để loại bỏ tính có nhớ của nguồn dữ liệu ban đầu, tạo ra một nguồn dữ liệu mới tƣơng đƣơng chứa lƣợng thông tin ít hơn. Ví dụ, kỹ thuật tạo sai số dự báo trong công nghệ điều xung mã vi phân DPCM (Differential pulse-code modulation) hay phép biến đổi cosin rời rạc của công nghệ mã hóa chuyển đổi. Các phép biến đổi phải có tín thuận nghịch để có thể khôi phục tín hiệu ban đầu nhờ phép biến đổi ngƣợc. Bộ mã hóa thể hiện ở việc các dạng mã hóa đƣợc lựa chọn sao cho có thể tận dụng đƣợc xác suất xuất hiện của mẫu. Thông thƣờng sử dụng mã hóa loạt dài RLC (Run Length Coding) và mã hóa thay đổi loạt dài VLC (Variable Length Coding) SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 27 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 gắn cho mẫu có xác suất xuất hiện cao từ mã có độ dài ngắn sao cho chứa đựng khối lƣợng thông tin nhiều nhất với số bit truyền tải ít nhất mà vẫn bảo đảm chất lƣợng yêu cầu. 3.2 Tổng quan về chuẩn nén MPEG MPEG (Movie Picture Expert Group) là nhóm chuyên gia về hình ảnh, đƣợc thành lập để thực hiện nhiệm vụ xây dựng tiêu chuẩn cho tín hiệu âm thanh và hình ảnh số. Ngày nay, MPEG trở thành một kỹ thuật nén âm thanh và hình ảnh phổ biến nhất vì nó không chỉ là một tiêu chuẩn riêng biệt mà còn tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng thiết bị sẽ có một tiêu chuẩn thích hợp nhƣng vẫn trên cùng một nguyên lý thống nhất. 3.2.1 Các thành phần cơ bản trong chuẩn nén MPEG Các tiêu chuẩn nén MPEG cấu trúc dữ liệu dạng lớp bao gồm các thành phần cơ bản nhƣ khối, khối macro, lát, ảnh, nhóm ảnh, và chuỗi ảnh. Khối đƣợc hiểu là đơn vị cơ bản cho việc biến đổi cosin rời rạc DCT (Discrete Cosine Transform), bao gồm 8 nhân 8 điểm ảnh tín hiệu chói hoặc tín hiệu màu. Hình 3.2: Cấu trúc khối macro của các dạng lấy mẫu Khối macro là nhóm các khối biến đổi cosin rời rạc DCT tƣơng ứng với thông tin của một cửa sổ 16 nhân 16 điểm ảnh gốc. Có nhiều dạng khối macro khác nhau SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 28 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 phụ thuộc vào cấu trúc lấy mẫu đƣợc sử dụng. Cấu trúc của khối macro đƣợc thể hiện trong Hình 3.2. Lát thì đƣợc cấu thành từ một hay một số khối macro liên tiếp nhau. Phần tiêu đề của lát chứa thông tin về vị trí của nó trong ảnh và tham số quét lƣợng tử. Kích cỡ của lát quyết định bởi mức bảo vệ lỗi cần có trong ứng dụng vì bộ giải mã sẽ bỏ qua lát bị lỗi. Hệ số định vị một chiều DC đƣợc định vị tại điểm bắt đầu mỗi lát. Thành phần nữa là ảnh cho bên thu biết về loại mã hóa khung I, P, B. Phần tiêu đề mang thứ tự truyền tải của khung để bên thu hiển thị khung theo đúng thứ tự. Hình 3.3: Cấu trúc nhóm ảnh trong MPEG Nhóm ảnh trong chuẩn nén MPEG gồm cấu trúc của các ảnh I, B và P. Mỗi nhóm ảnh bắt đầu bằng ảnh I cung cấp điểm vào ra và tìm kiếm. Hình 3.3 là cấu trúc nhóm ảnh trong MPEG. Chuỗi ảnh là lớp chuỗi bao gồm phần tiêu đề, một hoặc một số nhóm ảnh và phần kết thúc chuỗi. Thông tin quan trọng nhất của phần tiêu đề là kích thƣớc (dọc ngang) của mỗi ảnh, tốc độ bit, tốc độ ảnh và dung lƣợng đòi hỏi bộ đệm bên thu. Thông tin chuỗi SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 29 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 ảnh và phần tiêu đề của mỗi chuỗi là dòng bit đã mã hóa, còn gọi là dòng hình ảnh cơ bản. Hình 3.4 mô tả cấu trúc dòng dữ liệu hình ảnh MPEG. Hình 3.4: Cấu trúc dòng dữ liệu hình ảnh MPEG 3.2.2 Phân loại ảnh trong MPEG Chuẩn nén MPEG có ba loại ảnh là khung ảnh bên trong I-frame (Intra-frame), khung dự đoán ảnh tiếp theo P-frame (forward predicted frame), và khung dự đoán hƣớng B-frame (Bi-directional predicted frame). Khung ảnh bên trong I-frame (Intra-frame) là khung đƣợc mã hóa riêng biệt không phụ thuộc các khung trƣớc đó hoặc tiếp theo.Mã hóa theo hệ thống đƣợc sử dụng gần giống nhƣ nén JPEG (Joint Photographic Experts). Đây là khung độc lập và đƣợc sử dụng để tạo ra các loại khung khác. Khung dự đoán ảnh tiếp theo P-frame (forward predicted frame) là khung dự đoán ảnh dựa trên các khung I trƣớc đó. MPEG không thực sự mã hóa ảnh mà chứa các thông tin về chuyển động cho phép IPTVCD có thể tái tạo lại khung. P-frame yêu cầu ít băng thông hơn I-frame, điều này là yếu tố quan trọng đối với mạng dựa trên IPTV. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 30 Chương 3 Khung dự đoán hƣớng B-frame (Bi-directional predicted frame ) là khung đƣợc tạo thành từ việc kết hợp các thông tin của cả I-frame và P-frame. Mã hóa Bframe thì tƣơng tự với P-frame, ngoại trừ các vectơ chuyển động phụ thuộc vào các vùng trong các khung tham khảo sau đó. B-frame chiếm ít dung lƣợng hơn là Iframe và P-frame. Vì thế, dòng MPEG hình ảnh gồm nhiều B-frame thì chiếm dung lƣợng thấp hơn so với dòng chứa các khung I và P. Thậm chí, B-frame giúp làm tối thiểu băng thông cần thiết đối với các dòng MPEG hình ảnh. Tuy nhiên, B-frame cũng có hạn chế đó là độ trễ do IPTVCD phải kiểm tra hai khung trƣớc và sau trƣớc khi tạo ra B-frame. Hình 3.5: Cấu trúc dòng MPEG hình ảnh Mỗi nhóm ảnh cần bắt đầu với một khung I, mặc dù kích thƣớc của mỗi nhóm ảnh là khác nhau, nhƣng trung bình mỗi nhóm ảnh trong IPTV có khoảng mƣời hai đến mƣời lăm khung. Mỗi cấu trúc của một nhóm ảnh thông thƣờng có thể đƣợc miêu tả bởi hai thông số N (số ảnh trong một nhóm) và M (khoảng cách giữa các khung). Các nhóm ảnh đƣợc chia thành hai loại là nhóm đóng và nhóm mở. Với nhóm đóng, khung B cuối cùng không yêu cầu khung I đầu tiên cho nhóm ảnh tiếp SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 31 Chương 3 theo để giải mã, trong khi với nhóm mở cần yêu cầu khung I cho nhóm ảnh tiếp theo. Các nhóm ảnh sau đó đƣợc kết hợp với nhau để tạo thành dòng hình ảnh. Mỗi dòng hình ảnh bắt đầu biết một đoạn mã, theo sau đó là một tiêu đề và kết thúc với một mã duy nhất. Thứ tự các khung đƣợc truyền đi trên mạng băng rộng thì khác với thứ tự các khung trong chuối bit đầu vào của bộ mã hóa. Bởi vì, bộ giải mã trong IPTVCD cần xử lý các khung I và P trƣớc khi tạo ra khung B. Mối quan hệ tổng thể giữa các chuỗi ảnh, ảnh, các lát, các khối macro, các khối và các điểm ảnh đƣợc minh họa ở Hình 3.5. 3.2.3 Quá trình nén MPEG Phần đầu tiên của nén bao gồm một quá trình tiền đồng bộ. Quá trình này cơ bản bao gồm việc làm giảm kích thƣớc của các khung. Làm giảm kích thƣớc của các khung chính là làm giảm số lƣợng bit, điều này cũng giúp giảm băng thông cần thiết để truyền tín hiệu. Tuy nhiên, quá trình này không phải không có trở ngại. Ví dụ, sự giảm kích thƣớc của khung có thể thƣờng xuyên gây ra những lỗi tỉ số cạnh (giống nhƣ sai tỉ lệ 4/3 hay 16/9) khi đƣợc thể hiện trên màn hình TV có độ phân giải thấp. Phần hai của quá trình nén tín hiệu là chia một khung ảnh ra thành các khối có kích thƣớc 8 nhân 8 điểm ảnh - khối mã hóa nhỏ nhất trong giải thuật của MPEG. Có ba loại khối là khối có độ chói Y, khối có thành phần màu đỏ Cr và khối có thành phần màu xanh Cb. Các loại khối thành phần màu mang thông tin về những màu khác nhau của hình ảnh, trong khi độ chói mang thông tin về những phần màu đen hoặc trắng của hình ảnh. Khi hoàn thành hai phần trên, MPEG sẽ thực hiện một hàm toán đƣợc gọi là biến đổi cosin rời rạc DCT (Discrete Cosin Transform) đối với mỗi khối riêng biệt. Kết quả thu đƣợc là một ma trận hệ số 8 nhân 8. DCT sẽ biến đổi sự khác nhau về không gian thành các tần số khác nhau, nhƣng không làm thay đổi các thông tin trong khối, các khối ban đầu sẽ đƣợc tái tạo lại một cách chính xác sử dụng biến đổi SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 32 Chương 3 ngƣợc. Nguyên tắc thực hiện hàm này bao gồm việc chia các khối thành các phần tùy theo mức độ quan trọng. Những phần quan trọng sẽ đƣợc giữ nguyên cho tới bƣớc tiếp theo trong khi các phần còn lại sẽ bị giảm bớt. Điều này sẽ đảm bảo rằng mắt ngƣời không chú ý tới việc những phần không quan trọng của khối bị bỏ bớt khi tốc độ bít bị hạn chế. Bƣớc tiếp theo trong MPEG là quá trình lƣợng tử hóa. Quá trình lƣợng tử hóa dữ liệu số là quá trình làm giảm số lƣợng bít của các khối. Mức lƣợng tử đối với mỗi tín hiệu hình ảnh là rất quan trọng. Khi tất cả các khối trong khung đều đã đƣợc nén lại, MPEG sẽ ngắt các khung thành một dạng mới gồm nhiều khối gọi là khối macro. Mỗi khối macro có kích thƣớc 16 nhân 16 chứa các khối có độ chói và khối thành phần màu. Nếu có sự khác biệt giữa khung cuối cùng và khung hiện tại, các thiết bị nén MPEG sẽ chuyển những khối mới này tới một vị trí mới trên khung hiện tại. Điều này giúp không phải gửi đi những hình ảnh mới hoàn toàn, do đó có thể tích kiệm băng thông. Có hai cách thực hiện điều đó. Thứ nhất, nén theo không gian là làm giảm các bít trên từng khung riêng biệt, điều này có thể đạt đƣợc do các điểm ảnh luôn đứng cạnh nhau trong các khung thƣờng có giá trị giống nhau. Do đó, thay về việc mã hóa từng điểm ảnh riêng biệt. Kĩ thuật nén theo không gian này mã hóa sự khác biệt giữa các điểm ảnh cạnh nhau. Số lƣợng bít cần thiết để mã hóa những khác biệt này ít hơn số lƣợng bít cần thiết để mã hóa từng điểm ảnh riêng biệt. Thứ hai, nén theo thời gian là làm giảm các bit giữa các khung liên tục. Trong quá trình sản xuất hình ảnh có những thông tin đƣợc lặp lại giữa những khung liên tiếp. Ví dụ: nếu trên hình có một bức tƣờng, bức tƣờng vẫn xuất hiện liên tục trong 30 hình tiếp theo, mà không thay đổi (bức tƣờng đó không thay đổi trong vòng 1 giây), thay vì mã hóa 30 lần liên tục trong 1 giây, nên thời gian chỉ gửi đi các thông tin dự đoán chuyển động giữa những khung hình, trong trƣờng hợp của bức tƣờng trong ví dụ trên, dự đoán chuyển động đƣợc đặt bằng không. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 33 Chương 3 Có nhiều phuơng thức khác nhau để nén một khung hình. Ví dụ, với một khung hình có độ phức tạp cao thì cần phƣơng pháp nén có yếu tố nén theo không gian thấp bởi vì chỉ có một phần rất nhỏ các điểm ảnh đƣợc lặp lại. Nếu tốc độ bit có sự thay đổi lớn thì khó có thể truyền đi trong mạng IP. Vì thế, nhiều bộ mã hóa bao gồm cả chức năng đệm để có thể điều khiển và quản lý tốc độ chung mà tại đó các bit đƣợc truyền đi tới tầng tiếp theo của hệ thống sản xuất hình ảnh. Bƣớc tiếp theo của quá trình nén MPEG là mã hóa các khối macro thành các lát. Lát là một chuỗi ảnh đặt nằm ngang cạnh nhau từ trái sang phải. Nhiều lát kết hợp với nhau tạo thành một hình. Mỗi lát đƣợc mã hóa độc lập với nhau để hạn chế lỗi. Trong hệ thống IPTV ngƣời ta sử dụng ba loại chuẩn nén MPEG (Moving Pictures Exert Group) phổ biến nhất đó là MPEG-2, MPEG-4, và H.264/AVC. 3.3 Chuẩn MPEG-2 3.3.1 Khái niệm MPEG-2 là một công nghệ đạt đƣợc thành công lớn và là một chuẩn nén có ƣu thế vƣợt trội dành cho truyền hình số đƣợc truyền qua nhiều mạng truyền thông băng rộng. MPEG-2 có khả năng mã hoá tín hiệu truyền hình ở tốc độ 3 Mbit/s đến 15 Mbit/s và truyền hình độ nét cao ở tốc độ tới 15 Mbit/s đến 30 Mbit/s. MPEG-2 cho phép mã hoá tín hiệu hình ảnh với nhiều mức độ phân giải khác nhau, chúng có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau. Nén hình với MPEG-2 là quá trình mà các hình ảnh ở dạng cơ bản là một chuỗi các ảnh liên tục. Một khung đƣợc định nghĩa với một chuỗi bit tiêu đề. Mắt ngƣời thƣờng thấy thoải mái khi xem TV với tốc độ 25 hình/giây. Sẽ không có lợi nếu phát với tốc độ nhanh hơn vì ngƣời xem không thể nhận ra sự khác biệt. Do đó, có thể biết đƣợc dung lƣợng của những hình ảnh bằng cách nén chúng lại. Các bộ nén hình đƣợc sử dụng với mỗi khung mà vẫn giữ chất lƣợng hình ảnh cao. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 34 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 3.3.2. Cấu trúc dòng bít video MPEG-2 Hình 3.6: Cấu trúc dòng bít MPEG-2 Hình 3.6 mô tả về cấu trúc dòng bít MPEG-2, trong đó, chuỗi hình ảnh đƣợc mã hóa bắt đầu bằng chuỗi tiêu đề, sau đó là chuỗi mở rộng (nếu có) và các nhóm ảnh. Nếu phần chuỗi mở rộng không đƣợc xác định (không có mã báo có thành phần mở rộng), các lớp tiếp theo khi đó sẽ thực hiện một quy trình giống nhƣ MPEG-1 và đó là tƣơng hợp thuận. Khi có thêm phần mở rộng thì phải có thêm các đặc tính mở rộng để mã hóa hữu hiệu hơn. Tiêu đề của nhóm ảnh GOP có chức năng tƣơng tự nhƣ tiêu đề của MPEG-1. Các thông số quan trọng dùng để mã hóa ảnh mở rộng đƣợc định nghĩa trong chuỗi tiêu đề mở rộng của ảnh. Vì có hai loại ảnh liên tục và xen kẻ nên cấu trúc ảnh cần phải đƣợc xác định rõ vùng trên hay vùng dƣới của khung. 3.3.3. Khả năng co giãn của MPEG-2 Một trong những đặc điểm quan trọng của MPEG-2 là sự phù hợp với nhiều ứng dụng hình ảnh. Có thể sử dụng MPEG-2 cho phân phối truyền hình tiêu chuẩn, truyền hình có độ phân giải cao hoặc cho truyền dẫn tín hiệu truyền thông qua các mạng truyền thông. Tính co giãn của dòng bit MPEG-2 là khả năng giãi mã đƣợc một phần dòng bit MPEG-2 độc lập với phần còn lại của dòng bit đó nhằm khôi phục hình ảnh với SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 35 Chương 3 chất lƣợng hạn chế (hạn chế độ phân giải không gian, độ phân giải thời gian hoặc hạn chế về tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR (Singal To Noise Ratio)). Dựa theo tính co giãn, dòng bit đƣợc phân thành hai hay nhiều lớp. Tập con nhỏ nhất của cú pháp dòng bit có thể giải mã một cách độc lập đƣợc gọi là lớp cơ bản. Các lớp còn lại đƣợc gọi là các lớp nâng cao. Có nhiều loại co giãn khác nhau nhƣ co giãn không gian, co giãn SNR, co giãn thời gian, co giãn phân chia số liệu. Co giãn không gian là việc co giãn khi mà dòng bit gồm hai hay nhiều lớp hình ảnh có độ phân giải không gian khác nhau. Co giãn SNR là loại co giãn mà dòng bit gồm hai hay nhiều lớp hình ảnh có cùng độ phân giải không gian nhƣng tỉ số tín hiệu trên nhiễu là khác nhau. Co giãn thời gian đƣợc hiểu là dòng bit gồm hai hay nhiều lớp hình ảnh có cùng độ phân giải không nhƣng có độ phân giải thời gian khác nhau. Cuối cùng, co giãn phân chia số liệu là loại co giãn có dòng bit hình ảnh đƣợc chia làm hai phần là phần ƣu tiên cao (lớp cơ bản) gồm các hệ số DCT tần số thấp, và phần ƣu tiên thấp (lớp nâng cao) gồm các hệ số DCT tần số cao. Co giãn phân chia số liệu chính là một phần của co giãn tần số. Tiêu chuẩn MPEG-2 qui định chính thức hai loại co giãn là co giãn không gian và co giãn SNR. Các dạng co giãn khác chỉ mới ở dạng dự thảo. 3.3.4. Hệ thống ghép kênh và phân kênh MPEG-2 Hệ thống MPEG-2 sử dụng cấu trúc dữ liệu dạng gói nhƣ dữ liệu của các mạng truyền thông. Các gói dữ liệu luôn bao gồm phần tiêu đề và phần truyền tải nhƣ mô tả trong Hình 3.7. Phần tiêu đề chứa thông tin cần thiết để xử lý dữ liệu ở phần truyền tải (ví dụ thông tin phân loại ảnh trong phần tiêu đề gói ảnh). Kích thƣớc phần truyền tải có thể cố định hoặc thay đổi. Hình 3.7: Cấu trúc gói dữ liệu SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 36 Chương 3 Trong tiêu chuẩn MPEG-2, dòng bit tại đầu ra bộ mã hóa hình ảnh/âm thanh đƣợc gọi là dòng cơ sở ES (Elementary Stream) có đơn vị truy cập là một ảnh. Các dòng ES sẽ đƣợc đóng gói thành các gói PES (Packetized Elementary Stream). Cũng nhƣ mọi dạng gói thông tin khác, PES bao gồm phần tiêu đề và phần truyền tải. Phần truyền tải của PES có độ dài thay đổi. Các gói PES sau đó đƣợc chia thành các gói nhỏ hơn có độ dài cố định gọi là gói truyền tải TSP (Transport Steam Packet). 3.3.4.1 Mã hóa Tín hiệu hình ảnh số dạng thức CCIR-601 sau khi nén MPEG-2 có dạng một dòng dữ liệu hình ảnh cơ sở ES với chiều dài gần nhƣ vô tận và chỉ chứa những thông tin cần thiết để có thể khôi phục lại hình ảnh ban đầu. Tƣơng tự, bộ mã hóa âm thanh mã hóa tín hiệu âm thanh số dạng thức AES/ABU (Tần số lấy mẫu 48 KHz, số bit mẫu 24 bit và tốc độ bit là 1152 Kbit/s) thành dòng âm thanh cơ sở có chiều dài tùy ý. Để có thể truyền với độ tin cậy cao, các dòng cơ sở hình ảnh, âm thanh đƣợc đóng gói lại thành các dòng cơ sở đóng gói PES (Packetized ES) tƣơng ứng với các gói có độ dài thay đổi. Mỗi gói PES gồm một tiêu đề và số liệu của các dòng cơ sở. Các gói PES này đƣợc ghép kênh với nhau tạo ra dòng truyền tải TS (Transport Stream) hoặc dòng chƣơng trình. 3.3.4.2 Giải mã Giải mã gồm các quy trình ngƣợc lại. Dòng chƣơng trình hay dòng truyền tải đƣợc phân kênh để trả lại các dòng gói cơ sở đóng gói, rồi đƣợc mở gói để trả lại các dòng cơ sở hình ảnh, âm thanh, dữ liệu. Các dòng cơ sở ES này sau đó đƣợc giải mã để trả lại tín hiệu hình ảnh số, âm thanh số. Việc phát lại các dòng hình ảnh, âm thanh cũng đƣợc kiểm soát bởi các “nhãn thời gian trình diễn” PTS. Các nhãn thời gian trình diễn này đƣợc truyền đi trong dòng ghép kênh MPEG-2. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 37 Chương 3 3.3.4.3 Đồng bộ Trong hệ thống ghép kênh MPEG-2, đồng bộ đƣợc thực hiện thông qua các nhãn thời gian và các chuẩn đồng hồ. Chuẩn đồng hồ thể hiện ở việc đồng hồ đƣợc sử dụng tại bộ ghép kênh và bộ giải mã không đo thời gian theo giờ, phút, giây mà đo thời gian theo đơn vị của 27 MHz, đƣợc biểu diễn theo số nhị phân 42 bit. Trong dòng chƣơng trình, thông tin về đồng bộ đƣợc truyền đi tối thiểu 0.7 giây một lần, đƣợc gọi là chuẩn đồng hồ hệ thống. Còn trong dòng truyền tải, thông tin về đồng bộ đƣợc truyền đi tối thiểu 0.1 giây một lần và đƣợc gọi là chuẩn đồng hồ chƣơng trình. Các chƣơng trình trên cùng một dòng truyền tải có thể sử dụng các chuẩn đồng hồ chƣơng trình khác nhau. Nhãn thời gian đƣợc hiểu là một giá trị nhị phân 32 bit, đƣợc biểu diễn theo đơn vị của 90 KHz. Có hai nhãn thời gian là nhãn thời gian trình diễn PTS (Presentation Time Stamps) là loại nhãn thời gian cơ bản dùng để chỉ định thời điểm mà khi đó một đơn vị truy cập sẽ đƣợc trích ra khỏi bộ đệm phía giải mã, đƣợc giải mã và đƣợc trình diễn cho ngƣời xem. Nhãn thời gian giải mã DTS (Decoding Time Stamps) chỉ định thời điểm mà khi đó một đơn vị truy cập sẽ đƣợc trích ra từ bộ đệm phía giải mã, đƣợc giải mã nhƣng chƣa đƣợc trình chiếu cho ngƣời xem. Hình ảnh đã đƣợc giải mã này sẽ đƣợc lƣu trữ tạm thời trong bộ nhớ tạm để trình chiếu sau đó một thời gian ngắn. 3.3.5 Cấu trúc dòng cơ sở ES Dòng cơ sở về cơ bản là tín hiệu gốc tại đầu ra của bộ mã hóa và chỉ chứa những thông tin cần thiết giúp bộ giải mã tái tạo lại hình ảnh hoặc âm thanh ban đầu. Cú pháp dòng cơ sở đƣợc biểu diễn trong Hình 3.8. Đơn vị cơ sở của một hình ảnh là khối DCT, mỗi khối có 8 nhân 8 phần tử ảnh. Hệ số ứng với thành phần một chiều đƣợc gửi đi trƣớc tiên với độ chính xác cao hơn các hệ số khác. Mã cuối cùng của khối đƣợc gửi đi sau cùng. Các khối đƣợc tập hợp thành các khối macro, mỗi khối macro có một vector chuyển động hai SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 38 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 chiều. Các khối macro đƣợc tập hợp lại để tạo thành các lát. Lát luôn biểu thị các sọc ngang của hình ảnh từ trái sang phải. Lát có thể bắt đầu từ bất kỳ điểm nào và có kích thƣớc tùy ý. Tuy nhiên, đối với tiêu chuẩn của Ủy ban hệ thống truyền hình tiên tiến ATSC (Advanced Television Systems Committee) quy định lát phải bắt đầu từ phía mép trái của hình ảnh. Hình 3.8: Cú pháp dòng cơ sở ES Nhiều lát tập hợp lại tạo nên một ảnh hoặc một mành tích cực. Dữ liệu bắt đầu của ảnh xác định ảnh đó là I, P hoặc B. Một vài ảnh tập hợp lại tạo thành nhóm ảnh GOP. Nhóm ảnh bắt đầu bằng một ảnh I, giữa hai ảnh I là một số ảnh P và/hoặc ảnh B. Nhóm ảnh có thể mở hoặc đóng. Nhiều nhóm ảnh GOP tập hợp lại thành chuỗi dữ liệu hình ảnh. 3.3.6 Dòng cơ sở đóng gói PES Do nhu cầu thực tế, dòng dữ liệu cơ sở ES mang thông tin hình ảnh và âm thanh từ mạch nén cần đƣợc chia thành nhiều gói. Những gói này đƣợc nhận diện bởi tín hiệu bắt đầu và chứa nhãn thời gian phục vụ cho việc đồng bộ. Trong dòng cơ sở đóng gói PES dòng dữ liệu cơ sở ES có chiều dài vô tận đƣợc chia thành các gói có kích thƣớc phù hợp cho từng ứng dụng. Chiều dài của SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 39 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 gói có thể tới vài trăm Kbytes và thay đổi tùy theo nhu cầu, chiều dài cực đại của gói PES là 216 bytes. Cú pháp dòng cơ sở đóng gói đƣợc cho trong Hình 3.9. Hình 3.9: Cú pháp dòng cơ sở đóng gói PES Dòng cơ sở đóng gói bao gồm dữ liệu bắt đầu và dòng dữ liệu cơ sở có ích. Dữ liệu bắt đầu bao gồm bốn byte trong đó có ba bytes dùng cho mã khởi đầu gói dữ liệu PES và một byte nhận diện dòng cũng nhƣ chỉ thị loại dòng ba bytes (24 bit) mã khởi đầu gói PES gồm 23 bit mang giá trị 0, tiếp theo sau là 1 bit mang giá trị 1. Một byte (8 bit) nhận diện dòng có giá trị từ 0xBD đến 0xFE, ví dụ: từ 0xC0 đến 0xDF – dòng âm thanh; 0xE0 đến 0xEF – dòng hình ảnh. Dữ liệu tiêu đề có thể phân biệt đƣợc 16 chƣơng trình hình ảnh và 32 chƣơng trình âm thanh. Từng chƣơng trình trong số 48 chƣơng trình (hình ảnh và âm thanh) đều có thể kèm theo dữ liệu về ngƣời dùng. PES - Chiều dài tiêu đề gói dữ liệu cho thông tin về số bytes có trong dữ liệu tiêu đề tùy chọn trƣớc khi bắt đầu dòng dữ liệu có ích. Các cờ chỉ rõ vùng tùy chọn tồn tại hay không tồn tại, thông tin đƣợc mã hóa hay không mã hóa, yêu cầu về bản quyền, sự có mặt hay không có mặt của PTS và SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 40 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 DTS. Hai thông tin sau cùng đƣợc sử dụng để đảm bảo sự đồng bộ ở mạch giải mã, DTS đảm bảo thứ tự ảnh khi giải mã còn PTS đảm bảo thứ tự khi hiển thị ảnh. Bảng 3.1 nói về đặc điểm các cờ của hai bít mang giá trị 1, 0 trong Hình 3.9. Bảng 3.1: Các cờ của hai bit mang giá trị 1, 0 Số thứ tự 1 2 Đặc điểm Cờ PES kiểm soát sự xáo trộn (2 bit) PES ƣu tiên (1 bit) Giá trị 1 chỉ sự xáo trộn nếu có. Chỉ sự ƣu tiên của gói. Giá trị 1 chỉ thị một trƣờng tải trọng bắt đầu 3 Chỉ số liên kết dữ liệu (1 bit) với một mã mở đầu hình ảnh hay từ đồng bộ âm thanh. 4 Sao chép phía phải (1 bit) 5 Bản gốc hoặc sao chép (1 bit) Giá trị 1 chỉ thị trƣờng tải trọng gói PES đƣợc bảo vệ bản quyền. Giá trị 1 chỉ thị trƣờng tải trọng gói PES là nguyên gốc Giá trị 10 và 11 chỉ thị có PTS hiện diện phía 6 Các cờ PTS-DTS (2bit) sau, ngay trong tiêu đề này, giá trị 11 chỉ thị có DTS hiện diện còn giá trị 00 chỉ thị không có cả PTS và DTS. 7 Cờ ES CR (1 bit) 8 Cờ tỷ lệ ES (1 bit) 9 DSM Trick Mode Flag (1 bit) 10 11 Giá trị 1 chỉ thị chuẩn đồng hồ hiện diện trong tiêu đề gói PES. Giá trị 1 chỉ thị tốc độ bit hiện diện trong tiêu đề gói PES. Giá trị 1 chỉ sự hiện diện của trƣờng chế độ kỹ xảo dài 8 bit phía sau. Cờ sao chép bổ sung thông tin Giá trị 1 chỉ thị sự hiện diện của thông tin bản (1 bit) Cờ PES phát hiện lỗi CRC (Cyclic Redundancy Check) (1 bit) SVTH: Võ Hoàng BaRi quyền. Giá trị chỉ thị CRC xuất hiện trong gói PES. Lớp: KTVT – K48 41 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 3.3.7 Ghép kênh dòng chƣơng trình Mô hình hệ thống ghép kênh dòng chƣơng trình đƣợc chỉ ra trong Hình 3.10. Một dòng chƣơng trình nhƣ trên Hình 3.11 là kết quả ghép kênh một vài dòng cơ sở đóng gói PES sử dụng cùng một hệ thống xung nhịp thời gian. Dòng chƣơng trình có thể là một dòng hình ảnh có kèm âm thanh hoặc một chƣơng trình nhiều kênh âm thanh. Video PES Ghép kênh dòng chƣơng trình Audio PES Dòng chƣơng trình Hình 3.10: Ghép kênh dòng chƣơng trình Dòng hình ảnh cơ sở đƣợc chia thành các đơn vị truy cập AU (Access Units). Mỗi AU chứa dữ liệu đã đƣợc nén của một ảnh. Các ảnh này phân biệt bởi ảnh I, P hoặc B. Mỗi hình ảnh AU là một gói chƣơng trình, các gói này thay đổi về kích thƣớc. Ví dụ, gói ảnh I lớn hơn nhiều so với gói ảnh B. Tuy nhiên, đối với các đơn vị truy cập âm thanh số DAA (Digital Audio Access) thƣờng có cùng kích thƣớc và vài DAA tạo thành một gói dòng chƣơng trình. Hình 3.11: Dòng chƣơng trình Tóm lại, dòng chƣơng trình đƣợc thiết kế để truyền trong môi trƣờng không có tạp nhiễu và sai sót. 3.3.8 Ghép kênh dòng truyền tải Mô hình hệ thống ghép kênh dòng truyền tải TS chỉ ra trong Hình 3.12. Nếu chia các gói PES có độ dài khác nhau thành các gói TS có độ dài không đổi (mỗi SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 42 Chương 3 gói TS đƣợc bắt đầu bằng TS tiêu đề và thƣờng có chiều dài 188 bytes) và truyền các gói này đi sau khi đã cộng với dòng bit điều khiển dùng để mô tả chƣơng trình (cũng đƣợc đóng gói thành các gói truyền tải), ta sẽ có dòng truyền tải TS nhƣ ở Hình 3.13. Hình 3.12: Ghép kênh dòng truyền tải Trong dòng truyền tải, các gói PES từ các dòng gói sơ cấp khác nhau đƣợc phân nhỏ và gán vào phần tải trọng của gói TS. Quy trình này phải thỏa mản hai điều kiện là byte đầu tiên của mỗi gói PES phải trở thành byte đầu tiên của phần tải trọng của gói TS, và bất kỳ gói TS nào cũng chỉ mang phần dữ liệu lấy từ cùng một gói PES. Hình 3.13: Dòng truyền tải Mỗi gói PES không thể phân chia dữ liệu của nó một cách chính xác vào một số nguyên gói TS. Thƣờng gặp trƣờng hợp không đủ số liệu để lấp đầy vào tải trọng của gói TS cuối cùng. Để thỏa mãn hai điều kiện trên, ngƣời ta độn thêm phần thích ứng với độ dài thích hợp. Có thể giảm thiểu độ dài phần thích ứng này bằng cách lựa chọn chiều dài gói PES hợp lý. Gói PES cũng thƣờng đƣợc chọn đủ dài để đa số SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 43 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 các gói TS đƣợc lấp đầy bởi số liệu có ích lấy từ các gói PES. Hình 3.14 mô tả việc chia các gói PES thành các gói TS. Hình 3.14: Chia các gói PES thành các gói TS Mặc dù, MPEG-2 đƣợc sử dụng trong truyền hình cáp và vệ tinh, nhƣng MPEG-2 có những hạn chế đối với các mạng có băng thông giới hạn. Do đó, một công nghệ nén mới với nhiều tính năng đã đƣợc phát triển trong những năm gần đây với mục đích truyền hình ảnh qua mạng băng thông giới hạn. MPEG-4 part 10 đƣợc sử dụng trong hạ tầng mạng IPTV. 3.4 Chuẩn MPEG-4 Chuẩn MPEG-4 là một chuẩn động dễ thay đổi với MPEG-4, các đối tƣợng khác nhau trong một khung hình có thể đƣợc mô tả, mã hoá và truyền đi một cách riêng biệt đến bộ giải mã trong các dòng cơ bản ES khác nhau. Cũng nhờ vào việc xác định, tách và xử lý riêng các đối tƣợng (nhƣ nhạc nền, âm thanh xa gần, đồ vật, đối tƣợng ảnh, hình ảnh nhƣ con ngƣời hay động vật, nền khung hình), nên ngƣời sử dụng có thể loại bỏ riêng từng đối tƣợng khỏi khuôn hình. Sự tổ hợp lại thành khung hình chỉ đƣợc thực hiện sau khi giải mã các đối tƣợng này. Đặc điểm chính của MPEG-4 là mã hóa hình ảnh và âm thanh với tốc độ bit rất thấp. Thực tế tiêu chuẩn đƣa ra với ba dãy tốc độ bit là dƣới 64 Kbps, 64 Kbps đến 384 Kbps, và 384 Kbps đến 4Mbps. Đặc điểm quan trọng của chuẩn MPEG-4 là cho phép khôi phục lỗi tại phía đầu thu. Vì vậy, chuẩn nén đặc biệt thích hợp với môi trƣờng dễ xảy ra lỗi nhƣ truyền dữ liệu qua các thiết bị cầm tay. MPEG-4 là chuẩn quốc tế đầu tiên dành cho mã hóa SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 44 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 các đối tƣợng hình ảnh. Với độ linh động và hiệu quả do mã hóa từng đối tƣợng hình ảnh, MPEG-4 đạt ứng dụng cho các dịch vụ nội dung hình ảnh có tính tƣơng tác và các dịch vụ truyền thông hình ảnh trực tiếp hay lƣu trữ. Trong MPEG-4, khung cảnh của một đối tƣợng hình ảnh đƣợc mã hóa riêng lẽ. Sự cách ly các đối tƣợng hình ảnh nhƣ vậy mang đến độ mềm dẻo hơn cho việc thực hiện mã hóa thích nghi làm tăng hiệu quả nén tín hiệu. Mặc dù, tập trung vào những ứng dụng tốc độ bit thấp nhƣng MPEG-4 cũng bao gồm cả phòng thu âm chất lƣợng cao và HDTV. Hình 3.15: Cấu trúc bộ mã hóa và giải mã MPEG-4 Các bộ phận chức năng chính trong các thiết bị MPEG-4 bao gồm bộ mã hoá hình dạng ngoài dùng để nén đoạn thông tin, giúp xác định khu vực và đƣờng viền bao quanh đối tƣợng trong khung hình scene. Bộ dự đoán và tổng hợp động để giảm thông tin dƣ thừa theo thời gian. Bộ mã kết cấu mặt ngoài dùng để xử lý dữ liệu bên trong và các dữ liệu còn lại sau khi đã bù chuyển động. Hình 3.16 là một ví dụ về mã hóa và tổng hợp khung hình hình ảnh sử dụng trong MPEG-4. Nhiều đối tƣợng, ngƣời, xe, nhà cửa, đƣợc tách ra khỏi hình ảnh đầu vào. Mỗi đối tƣợng hình ảnh sau đó đƣợc mã hóa bởi bộ mã hóa đối tƣợng hình ảnh VO (video object) và sau đó đƣợc truyền đi trên mạng. Tại đầu thu, những đối tƣợng này đƣợc giải mã riêng rẽ nhờ bộ giải mã VO và gửi đến bộ tổ hợp. Ngƣời sử dụng có thể tƣơng tác với thiết bị để cấu trúc lại khung hình gốc (a), hay để xử lý các đối tƣợng tạo ra một khung hình khác (b). Ngoài ra, ngƣời sử dụng có thể tải các đối tƣợng khác từ các thƣ viện cơ sở dữ liệu (có sẵn trên thiết bị hay từ xa thông qua mạng LAN, WAN hay Internet) để chèn thêm vào hay thay thế các đối tƣợng SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 45 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 có trong khuôn hình gốc (c). Trƣờng hợp (a), (b), và (c) đƣợc đánh dấu nhƣ trong Hình 3.16. Hình 3.16: Mã hóa và tổng hợp khung hình trong MPEG-4 Để có thể thực hiện việc tổ hợp khung hình, MPEG-4 sử dụng một ngôn ngữ mô tả khung hình riêng, đƣợc gọi là định dạng nhị phân cho các khung hình BiFS (Binary Format for Scenes). BiFS không chỉ mô tả ở đâu và khi nào các đối tƣợng xuất hiện trong khung hình, mà nó còn mô tả cách thức hoạt động của đối tƣợng (làm cho một đối tƣợng xoay tròn hay chồng mờ hai đối tƣợng lên nhau) và cả điều kiện hoạt động đối tƣợng và tạo cho MPEG-4 có khả năng tƣơng tác. Trong MPEG4, tất cả các đối tƣợng có thể đƣợc mã hoá với sơ đồ mã hoá tối ƣu riêng của nó hình ảnh đƣợc mã hoá theo kiểu hình ảnh, văn bản đƣợc mã hoá theo kiểu văn bản, các đồ họa đƣợc mã hóa theo kiểu đồ họa - thay vì việc xử lý tất cả các phần tử ảnh nhƣ là mã hoá hình ảnh ảnh động. Do các quá trình mã hoá đã đƣợc tối ƣu hoá cho từng loại dữ liệu thích hợp, nên chuẩn MPEG-4 sẽ cho phép mã hoá với hiệu quả cao tín hiệu ảnh hình ảnh, âm thanh và cả các nội dung tổng hợp nhƣ các bộ mặt và cơ thể hoạt hình. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 46 Chương 3 3.5 Chuẩn nén H.264/AVC 3.5.1 Giới thiệu chung Kể từ khi mới xuất hiện, chuẩn nén hình ảnh MPEG-2 đã hoàn toàn thống lĩnh thế giới truyền thông. Cũng trong thời gian này, chuẩn nén MPEG-2 đã đƣợc cải tiến về nhiều mặt. Bây giờ, nó có tốc độ bit thấp hơn và việc ứng dụng nó đƣợc mở rộng hơn nhờ có các kỹ thuật nhƣ đoán chuyển động, tiền xử lý, xử lý đối ngẫu và phân bổ tốc độ bit tùy theo tình huống thông qua ghép kênh thống kê. Tuy nhiên, chuẩn nén MPEG-2 cũng không thể đƣợc phát triển một cách vô hạn định. Thực tế hiện nay cho thấy chuẩn nén này đã đạt đến hết giới hạn ứng dụng của mình trong lĩnh vực truyền truyền hình từ sản xuất tiền kỳ đến hậu kỳ và lƣu trữ hình ảnh số. Bên cạnh đó, nhu cầu nén hình ảnh lại đang ngày một tăng cao kèm theo sự phát triển mạnh mẽ của mạng IP mà tiêu biểu là mạng Internet. Khối lƣợng nội dung mà các công ty truyền thông cũng nhƣ các nhà cung cấp dịch vụ thông tin có thể mang lại ngày càng lớn. Ngoài ra, họ còn có thể cung cấp nhiều dịch vụ theo yêu cầu thông qua hệ thống cáp, vệ tinh và các hạ tầng Viễn thông đặt biệt là mạng Internet. Các tiêu chuẩn mã hoá hình ảnh ra đời và phát triển với mục tiêu cung cấp các phƣơng tiện cần thiết để tạo ra sự thống nhất giữa các hệ thống đƣợc thiết kế bởi những nhà sản xuất khác nhau đối với mọi loại ứng dụng hình ảnh. Nhờ vậy, thị trƣờng hình ảnh có điều kiện tăng trƣởng mạnh. Chính vì lý do này nên những ngƣời sử dụng bộ giải mã cần có một chuẩn nén mới để đi tiếp chặng đƣờng mà MPEG-2 đã bỏ dở. Hiệp hội Viễn thông quốc tế (ITU) và tổ chức tiêu chuẩn quốc tế, Uỷ ban kỹ thuật điện tử quốc tế (ISO/IEC) là hai tổ chức phát triển các tiêu chuẩn mã hoá hình ảnh. Theo ITU-T, các tiêu chuẩn mã hoá hình ảnh đƣợc coi là các khuyến nghị gọi tắt là chuẩn H.26x (H.261, H.262, H.263 và H.264). Với tiêu chuẩn ISO/IEC, chúng đƣợc gọi là MPEG-x (nhƣ MPEG-1, MPEG-2 và MPEG-4). SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 47 Chương 3 Những khuyến nghị của ITU đƣợc thiết kế dành cho các ứng dụng truyền thông hình ảnh thời gian thực nhƣ hội thảo hình ảnh hay điện thoại truyền hình. Mặt khác, những tiêu chuẩn MPEG đƣợc thiết kế hƣớng tới mục tiêu lƣu trữ hình ảnh chẳng hạn nhƣ trên đĩa quang DVD, quảng bá hình ảnh số trên mạng cáp, đƣờng truyền số DSL, truyền hình vệ tinh hay những ứng dụng truyền dòng hình ảnh trên mạng Internet hoặc thông qua mạng không dây. Với đối tƣợng để truyền dẫn hình ảnh là mạng Internet thì ứng cử viên hàng đầu là chuẩn nén MPEG-4 AVC, còn đƣợc gọi là H.264, MPEG-4 part 10, H.26L hoặc JVT. 3.5.2 Tính kế thừa của chuẩn nén H.264 Mục tiêu chính của chuẩn nén H.264 đang phát triển nhằm cung cấp hình ảnh có chất lƣợng tốt hơn nhiều so với những chuẩn nén hình ảnh trƣớc đây. Điều này có thể đạt đƣợc nhờ sự kế thừa các lợi điểm của các chuẩn nén hình ảnh trƣớc đây. Không chỉ thế, chuẩn nén H.264 còn kế thừa phần lớn lợi điểm của các tiêu chuẩn trƣớc đó là MPEG-4 bao gồm 4 đặc điểm chính nhƣ phân chia mỗi hình ảnh thành các khối (bao gồm nhiều điểm ảnh). Do vậy, quá trình xử lý từng ảnh có thể đƣợc tiếp cận tới mức khối.Thứ hai là đặc điểm khai thác triệt để sự dƣ thừa về mặt không gian tồn tại giữa các hình ảnh liên tiếp bởi một vài mã của những khối gốc thông qua dự đoán về không gian, phép biến đổi, quá trình lƣợng tử và mã hoá Entropy (hay mã có độ dài thay đổi VLC).Tiếp theo là đặc điểm khai thác sự phụ thuộc tạm thời của các khối của các hình ảnh liên tiếp. Bởi vậy, chỉ cần mã hoá những chi tiết thay đổi giữa các ảnh liên tiếp. Việc này đƣợc thực hiện thông qua dự đoán và bù chuyển động. Với bất kỳ khối nào cũng có thể đƣợc thực hiện từ một hoặc vài ảnh mã hoá trƣớc đó hay ảnh đƣợc mã hoá sau đó để quyết định véc tơ chuyển động, các véc tơ này đƣợc sử dụng trong bộ mã hoá và giải mã để dự đoán các loại Khối. Cuối cùng, đặc điềm về khai thác tất cả sự dƣ thừa về không gian còn lại trong ảnh bằng việc mã các Khối dƣ thừa. Ví dụ, nhƣ sự khác biệt giữa khối gốc và khối dự đoán sẽ đƣợc mã hoá thông qua quá trình biến đổi, lƣợng tử hoá và mã hoá Entropy. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 48 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 3.5.3 Mã hóa H.264 Hình 3.17: Sơ đồ mã hoá hình ảnh của H264/MPEG Part 10 Hình 3.17 là sơ đồ về mã hóa hình ảnh của H264/MPEG Part 10. Lớp mã hoá hình ảnh của H264/MPEG Part 10 là sự kết hợp của mã hoá không gian, mã hoá thời gian và mã chuyển vị. Ảnh đƣợc tách thành các khối, ảnh đầu tiên của dãy hoặc điểm truy cập ngẫu nhiên thì đƣợc mã hoá Intra-mã hoá trong ảnh, có nghĩa là không dùng thông tin của các ảnh khác mà chỉ dùng thông tin chứa trong ảnh đó. Mỗi mẫu của một khối trong một khung mã hóa bên trong ảnh đƣợc dự đoán nhờ dùng các mẫu không gian bên cạnh của các khối đã mã hoá trƣớc đó. Đối với tất cả các ảnh còn lại của dãy hoặc giữa các điểm truy cập ngẫu nhiên, mã hoá “Inter” đƣợc sử dụng, dùng dự đoán bù chuyển động từ các ảnh đƣợc mã hoá trƣớc đó.Quá trình mã hoá cho dự đoán liên ảnh (bù chuyển động) gồm việc lựa chọn dữ liệu chuyển động, các ảnh tham chiếu và sự dịch chuyển không gian đƣợc ứng dụng cho tất cả việc lấy mẫu của khối. Bộ mã hoá có thể lựa chọn giữa mã hoá Intra và Inter cho miền hình dạng khối của mỗi ảnh. Mã hoá Intra có thể chỉ ra điểm truy cập của chuỗi đƣợc mã hoá. Tại đó, việc giải mã có thể bắt đầu và tiếp tục một cách chính xác. Mã hoá Intra sử dụng SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 49 Chương 3 các mẫu dự đoán không gian riêng rẽ để làm giảm độ dƣ thừa không gian trong tín hiệu gốc của mỗi ảnh đơn. Mã hoá Inter (dự đoán một chiều hay nhiều chiều) thì việc sử dụng dự đoán liên ảnh hiệu quả hơn cho mỗi khối của giá trị lấy mẫu từ một vài ảnh đƣợc giải mã trƣớc đó. Mã hoá Inter sử dụng các vector chuyển động cho các khối cơ sở dự đoán liên ảnh để làm giảm sự dƣ thừa thời gian giữa các ảnh khác nhau. Việc dự đoán đƣợc thu đƣợc từ tín hiệu đã lọc tách khối của các ảnh đƣợc thiết lập lại trƣớc đó. Bộ lọc tách khối làm giảm sự nhiễu khối tại các đƣờng biên của khối. Các vector chuyển động và các mẫu dự đoán trong ảnh có thể (theo lý thuyết) làm biến đổi kích thƣớc khối trong ảnh. Sự dự đoán thặng dƣ đƣợc nén tốt hơn bằng việc sử dụng một phép biến đổi để loại bỏ sự tƣơng quan theo không gian trong một khối trƣớc khi đƣợc lƣợng tử hoá. Cuối cùng, vector chuyển động hay các mẫu dự đoán liên ảnh đƣợc liên kết với thông tin của hệ số biến đổi lƣợng tử hóa và đƣợc mã hoá sử dụng mã Entropy nhƣ mã hoá chiều dài biến đổi thích ứng theo tình huống CAVLC (context-adaptive variable length code) hay mã hoá theo số học nhị phân thích ứng theo tình huống CABAC (context-adaptive binary arithmetic coding). 3.5.4 Nén hình ảnh 3.5.4.1 Nén theo miền thời gian Những dƣ thừa về mặt thời gian là những hình ảnh giống nhau lặp đi lặp lại từ khung này sang khung khác.Ví dụ, nhƣ khung nền không chuyển động của một chƣơng trình đối thoại trên truyền hình. Vì vậy, để giảm bớt độ dƣ thừa này ta phải tiến hành nén theo miền thời gian. Khi bộ mã hoá đang hoạt động ở chế độ “giữa khối”, khối này sẽ phải qua công đoạn hiệu chỉnh chuyển động. Quá trình này sẽ phát hiện ra bất kỳ chuyển động nào diễn ra giữa khối đó và một khối tƣơng ứng ở một hoặc hơn một ảnh tham chiếu đã đƣợc lƣu trữ từ trƣớc, sau đó, tạo ra khối “chênh lệch” hoặc “lỗi”. Thao tác này làm giảm bớt dữ liệu trong mỗi khối một cách hiệu quả do chỉ phải biểu diễn SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 50 Chương 3 chuyển động của nó mà thôi. Tiếp đến là công đoạn biến đổi Cosine rời rạc DCT để bắt đầu nén theo miền không gian. Khi bộ mã hoá hoạt động ở chế độ “trong khối”, khối này sẽ bỏ qua công đoạn hiệu chỉnh chuyển động và tới thẳng công đoạn DCT. 3.5.4.2 Nén theo miền không gian Dƣ thừa về mặt không gian là các khối có chứa các điểm ảnh tƣơng tự nhau hoặc giống hệt nhau. Trong nhiều trƣờng hợp các điểm ảnh thƣờng không thay đổi nhiều. Điều đó có nghĩa là tần số thay đổi giá trị điểm ảnh trong khối này là rất thấp. Những khối nhƣ thế đƣợc gọi là khối có tần số không gian thấp. Bộ lập mã lợi dụng đặc điểm này bằng cách chuyển đổi các giá trị điểm ảnh của khối thành các thông tin tần số trong công đoạn biến đổi Cosine rời rạc. 1. Biến đổi Cosine rời rạc (DCT) Biến đổi Cosine là một hàm mà làm biến đổi dữ liệu hỉnh ảnh đƣợc thể hiện trong hệ tọa độ X-Y sang miền tần số. Công đoạn DCT biến đổi các giá trị điểm ảnh của khối thành một mạng lƣới gồm các hệ số ngang dọc đặt trong không gian tần số. Khi khối ban đầu có tần số không gian thấp, DCT sẽ tập hợp năng lƣợng tần số vào góc tần số thấp của mạng lƣới. Nhờ vậy, những hệ số tần số thấp ở góc đó sẽ có giá trị cao hơn. Một số lƣợng lớn các hệ số khác còn lại trên mạng lƣới đều là các hệ số có tần số cao, năng lƣợng thấp và có giá trị thấp. Tại đây, hệ số DC và một vài hệ số tần số thấp sẽ hàm chứa phần lớn thông tin đƣợc mô tả trong khối ban đầu. Có nghĩa là bộ lập giải mã có thể loại bỏ phần lớn hệ số tần số cao còn lại mà không làm giảm chất lƣợng hình ảnh của khối. Bộ lập mã chuẩn bị các hệ số cho công đoạn này bằng cách quét chéo mạng lƣới theo đƣờng zig-zag, bắt đầu từ hệ số DC và qua vị trí của hệ số ngang dọc tăng dần. Do vậy, nó tạo ra đƣợc một chuỗi hệ số đƣợc sắp xếp theo tần số. 2. Lƣợng tử hoá Quá trình lƣợng tử hoá là quá trình biến đổi có mất thông tin, làm giảm bớt số lƣợng bít cần thiết để biểu diễn các hệ số. Dựa trên một hệ số tỷ lệ xích (có thể điều chỉnh bởi bộ mã hoá), bộ lƣợng tử hoá sẽ cân đối tất cả các giá trị hệ số. Do phần SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 51 Chương 3 lớn các hệ số đi ra từ DCT đều mang năng lƣợng cao nhƣng giá trị thấp nên bộ lƣợng tử hoá bắt đầu bằng một số giá trị cao ở đầu chuỗi, theo sau là một hàng dài các hệ số đã đƣợc lƣợng tử hoá về 0. Bộ lập mã Entropy có thể theo dõi số lƣợng các giá trị 0 liên tiếp trong một chuỗi mà không cần mã hoá chúng, nhờ vậy giảm bớt đƣợc khối lƣợng dữ liệu trong mỗi chuỗi. Để lƣợng tử hóa các hệ số biến đổi, H264/MPEG Part 10 dùng phƣơng pháp lƣợng tử hóa vô hƣớng. Các bộ lƣợng tử hoá đƣợc lựa chọn cho mỗi khối macro là dựa vào các tham số lƣợng tử hoá QP (Quantization Parameter). Các bộ lƣợng tử hoá đƣợc sắp xếp sao cho có sự tăng khoảng 12.5% trong kích thƣớc bƣớc lƣợng tử hoá khi QP tăng một đơn vị. Nhìn chung, các hệ số biến đổi đƣợc lƣợng tử hoá của khối đƣợc quét zig-zag và đƣợc truyền đi nhờ dùng phƣơng pháp mã hoá Entropy. 3. Mã hoá Entropy Mã hoá Entropy trong các tiêu chuẩn trƣớc đó nhƣ MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.261, và H.263 thì cơ bản là trên các bảng cố định mã hoá biến đổi theo chiều dài (VLC). Các tiêu chuẩn đó xác định các bộ mã hoá từ là cơ bản trên sự phân bố xác suất của các hình ảnh chung thay cho mã Huffman chính xác đến các chuỗi hình ảnh. Tuy nhiên, H.264 sử dụng các VLC để mà khớp với một biểu tƣợng đƣợc mã hoá cơ bản trên các đặc trƣng của ngữ cảnh. Tất cả các phần tử cú pháp, ngoại trừ các dữ liệu dƣ thừa, đƣợc mã hoá bằng mã Exp-Golomb. Để đọc đƣợc các dữ liệu dƣ thừa (các hệ số biến đổi đã lƣợng tử hoá) thì ta sử dụng phƣơng pháp quét Zig-Zag (xen kẽ nhau) hay quét lần lƣợt (không xen kẽ hay phân trƣờng). 3.5.5 Bộ lọc tách khối Một đặc trƣng riêng của mã hoá dựa trên cơ sở khối là có thể nhìn thấy các cấu trúc khối. Các mép của khối đƣợc cấu trúc lại với độ chính xác kém hơn các phần tử ảnh bên trong và nhìn chung dạng khối đƣợc xem là một trong những nhiễu “artifact” dễ nhìn thấy nhất với các phƣơng pháp nén hiện tại. Do nguyên nhân này mà H.264/MPEG-4 Part 10 sử dụng bộ lọc tách khối để làm giảm hiện tƣợng tách khối, ngăn chặn việc truyền của tạp âm mã hoá đƣợc tích luỹ. Tại bộ lọc này, cƣờng độ lọc đƣợc điều khiển bởi giá trị của nhiều phần tử cấu trúc. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 52 Đồ án tốt nghiệp Chương 3 Các chuẩn nén trƣớc đó đã không sử dụng bộ lọc tách khối bởi vì việc bổ sung rất phức tạp. Mặt khác, việc chia các nhiễu khối có thể đƣợc làm giảm bằng việc sử dụng MC chính xác một nửa phần tử ảnh. Một nửa phần tử ảnh thu đƣợc bằng cách lọc tuyến tính của các phần tử ảnh nguyên vẹn bên cạnh đã phát huy vai trò làm “nhẵn” của mã hóa tạp âm trong miền phần tử ảnh nguyên vẹn. H.264 sử dụng bộ lọc tách khối để thực hiện việc mã hoá cao hơn mặc dù việc thực hiện rất phức tạp. Việc lọc đƣợc áp dụng cho các mép của các khối 4 nhân 4 trong một khối macro. Quá trình điều khiển bộ lọc tách khối thành phần chói đƣợc thực hiện trên 4 cạnh của mẫu 16 nhân 16 và quá trình xử lý bộ lọc tách khối cho mỗi thành phần màu đƣợc thực hiện trên hai cạnh của mẫu 8 nhân 8. 3.5.6 Giải mã hình ảnh Hình 3.18: Sơ đồ giải mã Video H264/MPEG-4 Part 10 Quá trình giải mã của chuẩn H264/MPEG-4 Part 10 đƣợc mô tả nhƣ trong Hình 3.18. Cũng tƣơng tự nhƣ trong các hệ thống khác, quá trình giải mã trong hình này thực hiện các nội dung ngƣợc lại của mã hóa để nhận đƣợc thông tin hình ảnh ban đầu. Căn cứ vào nội dung các khối đã đƣợc phân tích ở Hình 3.17, các khối trong Hình 3.18 có chức năng và hoạt động hoàn toàn tƣơng tự. Do đó, việc phân tích các khối này có thể đƣợc tham khảo từ Mục 3.5.3. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 53 Chương 3 3.5.7 Ƣu điểm của H.264/AVC Các ƣu điểm của H.264/AVC thể hiện rõ ở các đặc điểm nhƣ chất lƣợng hình ảnh tốt, yêu cầu băng thông thấp, hỗ trợ truyền hình độ phân giải cao, hỗ trợ nhiều ứng dụng, có thể truyền độc lập, và dễ dàng thích ứng với các mạng có chất lƣợng kém. Chất lƣợng hình ảnh tốt thể hiện ở việc H.264 là chuẩn nén sử dụng công nghệ âm thanh, hình ảnh mới khả năng nén tốt hơn so với các chuẩn nén trƣớc đó. Do đó, chuẩn nén cung cấp dịch vụ phân phát hình ảnh chất lƣợng cao qua mạng băng thông giới hạn. Về ƣu điểm yêu cầu băng thông thấp thì chất lƣợng hình ảnh của H.264 gần giống với MPEG-2 nhƣng H.264 cần ít băng thông để truyền tải tín hiệu với cùng chất lƣợng. Đặc điểm này rất phù hợp để sử dụng trong hệ thống IPTV. H.264/AVC có khả năng kết hợp với các thiết bị xử lí hình ảnh có sẵn nhƣ MPEG-2 và hạ tầng mạng dựa trên IP đã có sẵn . Ƣu điểm nữa của H.264/AVC là hỗ trợ truyền hình độ phân giải cao, tức là, khi sử dụng tối ƣu chuẩn nén thể làm có thể làm tăng khả năng truyền dữ liệu của mạng. Do đó, các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông có thể sử dụng chuẩn nén này để cung cấp chƣơng trình hình ảnh độ phân giải cao qua mạng sẵn có. H.264/AVC có khả năng hỗ trợ nhiều ứng dụng có nghĩa là chuẩn nén H.264 đƣợc sử dụng trong nhiều ứng dụng, với nền khác nhau thì có những yêu cầu riêng. Ví dụ, ứng dụng truyền đa điểm trong IPTV yêu cầu phải hiện thị hình ảnh ở dạng chuẩn truyền hình, trong khi, đối với các ứng dụng giải trí di động, hình ảnh phải hiển thị đƣợc trên các thiết bị di động. Để phù hợp với mọi ứng dụng, chuẩn nén H.264 có rất nhiều cấu hình và mức.Đặc điểm của cấu hình profile và mức level là tốc độ bit và kích thƣớc ảnh. Với ƣu điểm có thể truyền độc lập thì chuẩn nén H.264 có thể truyền qua nhiều giao thức nhƣ ATM, RTP,UDP, TCP và các dòng MPEG-2. Mặt khác, H.264/AVC cũng dễ dàng thích nghi với các mạng chất lƣợng kém nhờ cơ chế sửa lỗi. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 54 Chương 3 3.5.8 Các ứng dụng của H.264/AVC Chuẩn nén này đƣợc thiết kế cho các ứng dụng nhƣ truyền hình quảng bá qua vệ tinh, cáp, mặt đất; truyền hình tƣơng tác, hình ảnh theo yêu cầu VoD (Video on Demand); lƣu trữ đĩa quang, băng từ, DVD; tích hợp dịch vụ qua ISDN, LAN, DSL, mạng không dây, mạng di động, modem; nhắn tin đa phƣơng tiện MMS qua ISDN, DSL, LAN mạng di động. Còn nhiều ứng dụng khác đƣợc phát triển trên mạng hiện tại nhƣ điện thoại hình ảnh, và mạng tƣơng lai. 3.6 Kết luận Với các nhƣợc điểm của các chuẩn MPEG, MPEG-2, và MPEG-4, thì chuẩn MPEG-4 AVC ra đời đã cung cấp hình ảnh có chất lƣợng tốt hơn nhiều. Tuy nhiên, để có đƣợc điều đó thì chuẩn nén này lại nhờ vào sự kế thừa các lợi điểm của các chuẩn nén hình ảnh trƣớc đây. Nhƣ vậy, với những đặc điểm và ƣu điểm của MPEG-4 AVC đánh dấu một bƣớc ngoặt trong lĩnh vực nén hình ảnh, áp dụng các kỹ thuật tiên tiến nhằm mục đích sử dụng băng thông hiệu quả hơn và đem lại chất lƣợng ảnh cao hơn. Với các kỹ thuật này, MPEG-4 AVC có thể giảm tốc độ bit xuống hơn 50% so với chuẩn MPEG-2. Do đó, MPEG-4 Part 10 đƣợc lựa chọn để ứng dụng trong IPTV. Đó cũng là những đặc điểm đƣợc đề cập đến trong Chƣơng 3. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 55 Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 4 Chương 4 CÁC GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI MẠNG IPTV Hiện nay, IPTV đƣợc nhìn nhận nhƣ là con đƣờng tốt nhất trên quan điểm đầu tƣ để phân phối các dịch vụ truyền hình kỹ thuật số cho khách hàng. Bản chất của IPTV là một mạng phân phối tốc độ cao dựa trên giao thức IP để cung cấp các nội dung truyền hình đến các khách hàng. Nói một cách khác, mục đích của mạng này là truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị khách hàng IPTVCD (Internet Protocol Television Customer Divice) và trung tâm dữ liệu của các nhà cung cấp dịch vụ. Việc truyền dẫn và cung cấp này cần phải đƣợc thực hiện mà không ảnh hƣởng đến chất lƣợng của luồng hình ảnh đƣợc phân phối tới thuê bao. Đồng thời, nó cũng quyết định cấu trúc mạng và độ phức tạp đƣợc yêu cầu để hỗ trợ các dịch vụ IPTV. Cấu trúc một mạng IPTV gồm có hai phần chính là mạng truy cập băng rộng và mạng tập trung. Ngoài ra, các loại mạng mở rộng khác bao gồm các hệ thống cáp điện thoại, cáp đồng, mạng không dây, cáp quang và vệ tinh có thể đƣợc sử dụng để phân phối các dịch vụ mạng IPTV tiên tiến. 4.1 Các loại mạng truy nhập băng rộng Các nhà cung cấp khác nhau lựa chọn các hệ thống phân phối tùy thuộc vào điều kiện tài nguyên mạng và nhu cầu thực tế. Có bốn loại mạng truy cập băng rộng khác nhau có khả năng cung cấp đủ các yêu cầu về băng thông của dịch vụ IPTV là mạng truy cập cáp quang, mạng DSL, mạng truyền hình cáp, và hệ thống Wimax. Các đặc điểm này sẽ đƣợc phân tích trong các ý tiếp theo. 4.2 IPTV phân phối trên mạng truy cập cáp quang Đối với IPTV thì yêu cầu về băng thông lớn nhƣng chi phí hoạt động phải thấp và tránh đƣợc các can nhiễu. Do đó, ngƣời ta quan tâm tới việc sử dụng mạng cáp quang đang có sẵn để triễn khai các dịch vụ IPTV. Các liên kết cáp quang cung cấp cho khách hàng đầu cuối một kết nối chuyên dụng tốt nhất để thuận tiện cho việc tiếp nhận nội dung IPTV. Các công nghệ về sản xuất sợi quang gần đây cho khả năng băng thông lớn hơn, từ đó, có thể thực thi một trong các cấu trúc mạng nhƣ các ý sau. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 56 Chương 4 Cáp quang tới khu vực văn phòng FTTRO (Fiber To The Regional Office) thể hiện rõ ở việc sợi quang từ trung tâm dữ liệu IPTV tới khu vƣc văn phòng một cách gần nhất đƣợc lắp đặt bởi các công ty Viễn thông hoặc công ty cáp. Sau đó, sợi cáp đồng sẽ đƣợc sử dụng để truyền tín hiệu đến ngƣời dùng đầu cuối IPTV trong khu vực văn phòng đó. Cáp quang tới vùng lân cận FTTN (Fiber To The Neighborhood) thì sợi quang đƣợc tập trung tại các điểm nối, FTTN đòi hỏi thiết lập sợi quang từ trung tâm dữ liệu IPTV tới bộ chia “vùng lân cận”. Đây là vị trí điểm có khoảng cách nhỏ hơn 1,5 km tính từ nhà thuê bao. Việc triển khai FTTN cho phép ngƣời dùng nhận một gói các dịch vụ trả tiền bao gồm truyền hình IPTV, truyền hình chất lƣợng cao và hình ảnh theo yêu cầu. Cáp quang tới lề đƣờng FTTC (Fiber To The Curd) thì sợi quang đƣợc lắp đặt từ trung tâm dữ liệu IPTV tới các tủ cáp đƣợc đặt tại lề đƣờng. Từ đó, một sợi dây cáp đồng hoặc cáp đồng trục đƣợc sử dụng để nối từ đầu cuối cáp quang trong tủ cáp đến vị trí thiết bị IPTV của thuê bao. Cáp quang tới nhà khách hàng FTTH (Fiber To The Home) đƣợc hiểu là với sợi quang tới nhà khách hàng, toàn bộ các định tuyến từ trung tâm dữ liệu IPTV tới nhà khách hàng đều đƣợc kết nối bởi sợi quang này. FTTH dựa trên mạng quang có khả năng phân phối dung lƣợng dữ liệu cao tới ngƣời sử dụng trong hệ thống. FTTH là hệ thống thông tin song kênh và hỗ trợ tính năng tƣơng tác của các dịch vụ IPTV. Việc phân phối những cấu trúc mạng này thƣờng đƣợc triển khai bằng hai loại mạng khác nhau một vài đặc điểm đó là mạng quang thụ động và mạng quang tích cực. Tiến hành phân tích mô hình mạng IPTV FTTH sử dụng công nghệ PON nhƣ Hình 4.1. 4.2.1 Mạng quang thụ động Mạng quang thụ động PON (Passive Optical Network) là công nghệ mạng kết nối điểm-đa điểm. Mạng này sử dụng các bƣớc sóng khác nhau để truyền dữ liệu từ SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 57 Chương 4 trung tâm dữ liệu IPTV tới các điểm đích mà không có các thành phần điện. Mạng quang thụ động đƣợc xây dựng dựa trên các mạng FTTx theo các tiêu chuẩn quốc tế G.983 của ITU là tiêu chuẩn đang đƣợc sử dụng hiện nay. Trong mạng quang thụ động có hai thành phần không thể thiếu đó là cáp quang và bộ chia quang. Cáp quang đƣợc hiểu rõ ở vấn đề là với truyền dẫn bằng cáp quang thì can nhiễu thấp và băng thông cao. Theo tiêu chuẩn G.983 cho phép mạng PON truyền các tín hiệu ánh sáng đƣợc số hóa với khoảng cách tối đa là 20 km mà không sử dụng bộ khuếch đại. Bộ chia quang thì đƣợc sử dụng để chia tín hiệu tới thành những tín hiệu đơn lẻ mà không thay đổi trạng thái của tín hiệu, không biến đổi quang-điện hoặc điệnquang. Bộ chia quang cũng đƣợc sử dụng để kết hợp nhiều tín hiệu quang thành một tín hiệu quang đơn. Bộ chia quang cho phép 32 hộ gia đình chia sẻ băng thông của mạng FTTx. Cáp quang và bộ chia quang là các thiết bị thụ động, việc sử dụng các thiết bị thụ động để truyền dẫn các bƣớc sóng qua mạng mà không cần cung cấp nguồn từ xa để giảm chi phí vận hành và bảo dƣỡng. Mạng PON theo tiêu chuẩn G.983 bao gồm một kết cuối đƣờng quang OLT (Optical Line Terminal) đƣợc đặt tại trung tâm dữ liệu IPTV và một số các kết cuối mạng quang ONT (Optical Network Terminal) đƣợc lắp đặt tại thiết bị đầu cuối ngƣời dùng. Mục đích chính của ONT là cung cấp cho các thuê bao IPTV một giao diện với mạng PON. Nó nhận luồng tín hiệu dạng ánh sáng, giám sát địa chỉ đƣợc gán trong các gói tin và chuyển đổi thành tín hiệu điện, sau đó, chuyển đổi dữ liệu thành các tín hiệu quang để truyền trên mạng PON. Kết cuối đƣờng quang OLT bao gồm cáp quang và các bộ chia quang để định tuyến lƣu lƣợng mạng tới các kết cuối mạng quang ONT. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 58 Đồ án tốt nghiệp Chương 4 Hình 4.1: Mạng IPTV FTTH sử dụng công nghệ PON Hình 4.1 miêu tả cấu trúc mạng PON cơ bản đƣơc xây dựng để hỗ trợ phân phối các dịch vụ IPTV và Internet tốc độ cao cho sáu hộ gia đình khác nhau. Bƣớc sóng đầu tiên đƣợc sử dụng để mang lƣu lƣợng Internet tốc độ cao. Bƣớc sóng thứ hai đƣợc chỉ định mang các dịch vụ IPTV và bƣớc sóng thứ ba có thể đƣợc sử dụng để mang lƣu lƣợng tƣơng tác từ nhà thuê bao trở lại nhà cung cấp dịch vụ. Trên Hình 4.1 cũng mô tả thiết bị ghép kênh theo bƣớc sóng WDM (Wavelength Division Multiplexing), WDM đƣợc lắp đặt tại trung tâm dữ liệu IPTV và bên trong kết cuối OLT cho phép mạng PON hỗ trợ truyền dẫn nhiều kênh song song hoặc nhiều bƣớc sóng trên một sợi quang. Nhƣ vậy, sẽ tạo một số kênh quang ảo trên một sợi quang đơn. Trong WDM, dung lƣợng của mạng đƣợc tăng lên bằng việc gán bƣớc sóng bắt đầu từ nguồn quang đến các bƣớc sóng riêng biệt. Có ba công nghệ mạng PON là mạng thụ động băng rộng BPON (Broadband Passive Optical Network), mạng quang thụ động EPON (Ethernet PON), và mạng quang thụ động GPON (Gigabit PON) hỗ trợ cả truyền hình vô tuyến truyền thống và IPTV. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 59 Chương 4 4.2.1.1 Mạng quang thụ động băng rộng BPON Mạng quang thụ động băng rộng BPON (Broadband Passive Optical Network) sử dụng chuyển mạch kiểu truyền dẫn bất đồng bộ ATM (Asynchronnuosn Transfer Mode) nhƣ là giao thức vận chuyển. Các mạng dựa trên nền ATM hầu hết đều phân phối các ứng dụng dữ liệu, thoại và hình ảnh ở tốc độ cao. Chuyển mạch ATM chia tất cả thông tin truyền đi thành các khối nhỏ gọi là các ô.Vì thế, nó là công nghệ có tốc độ rất cao. Các ô đƣợc cố định kích thƣớc, mỗi ô có 5 byte tiêu đề và trƣờng thông tin chứa 48 byte dữ liệu. Trƣờng thông tin của ô ATM mang nội dung IPTV, ngƣợc lại tiêu đề chứa thông tin tích hợp để thực hiện chức năng là giao thức ATM. ATM đã đƣợc phân loại nhƣ là giao thức định hƣớng kết nối, các kết nối giữa đầu thu và đầu phát đã đƣợc thiết lập trƣớc để truyền dữ liệu hình ảnh IP trên mạng. Khả năng giữ trƣớc băng thông để cho các ứng dụng nhạy với độ trễ là một đặc tính khác của mạng ATM. Đây là đặc tính thƣờng đƣợc sử dụng để phân phối các dịch vụ IPTV. Việc phân phối các kênh riêng biệt cho các dịch vụ khác nhau giúp loại bỏ đƣợc các can nhiễu. 4.2.1.2 Mạng quang thụ động EPON Mạng quang thụ động EPON (Ethernet PON) là mạng PON sử dụng Ethernet làm cơ chế truyền dẫn. Các tốc độ hỗ trợ phụ thuộc vào khoảng cách giữa OLT và ONT. Lƣu ý rằng các mạng EPON chỉ hỗ trợ lƣu lƣợng mạng Ethernet. 4.2.1.3 Mạng quang thụ động GPON Mạng quang thụ động GPON (Gigabit PON) là hệ thống truy nhập dựa trên tiêu chuẩn G.894 của ITU-T. GPON về cơ bản là nâng cấp cho BPON, GPON hỗ trợ cho các tốc độ truyền dẫn hƣớng xuống cao hơn, cụ thể là 2,5 Gbits hƣớng xuống và 1,5 Gbits hƣớng lên, đây là các tốc độ đạt đƣợc cho khoảng cách lên tới 20 km. Ngoài ra, GPON còn hỗ trợ các giao thức nhƣ Ethernet, ATM, mạng quang đồng bộ SONET (Synchronous Optical Network), và các đặc tính bảo an đƣợc cải tiến. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 60 Đồ án tốt nghiệp Chương 4 Bảng 4.1: So sánh các công nghệ mạng PON: BPON, EPON và GPON PON Tiêu chuẩn ITU-T BPON G.893 GPON G.894 EPON P802.3ah Tốc độ Giao thức truyền dẫn Up: 155 Mps Chủ yếu là ATM và IP trên Down: 622 Mps Ethernet cũng đƣợc sử dụng Up: 1,5 Gps Down: 2,5 Gps Up: 1,25 Gps Down: 1,25 Gps Ethernet và SONET Gigabit Ethernet 4.2.2 Mạng quang tích cực Mạng quang tích cực AON (Active Optical Network) sử dụng các thành phần điện giữa trung tâm dữ liệu IPTV và đầu cuối ngƣời dùng. Trong thực tế, cấu trúc mạng AON sử dụng các chuyển mạch Ethernet đặt tại vị trí giữa trung tâm dữ liệu IPTV và điểm kết cuối của mạng cáp quang. 4.3 Phân phối IPTV trên mạng DSL Băng thông là một vấn đề quan trọng trong việc phân phối các dịch vụ IPTV thế hệ mới. Một số mạng băng rộng dựa trên DSL hiện có đƣợc kế thừa từ các chuẩn DSL. Chú ý rằng DSL là công nghệ cho phép các nhà cung cấp Viễn thông phân phối các dịch vụ băng thông lớn trên sợi quang cáp đồng đang dùng chỉ để truyền thoại. Nó làm biến đổi hạ tầng mạng cáp điện thoại đang tồn tại giữa tổng đài nội hạt và điện thoại nhà khách hàng thành đƣờng dây số tốc độ cao. Trong một số trƣờng hợp nó không thể gửi tín hiệu truyền chất lƣợng chuẩn trên mạng truy cập DSL.Việc tăng quá trình thực hiện đƣợc yêu cầu cho IPTV có thể đạt đƣợc bằng cách triển khai các công nghệ DSL nhƣ ADSL, ADSL2+, và VDSL. 4.3.1 Đƣờng dây thuê bao kỹ thuật số bất đối xứng ADSL Đƣờng dây thuê bao kỹ thuật số bất đối xứng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) là kỹ thuật trong họ xDSL đƣợc sử dụng rộng rãi nhất hiện nay trên các mạng Viễn thông thế giới. ADSL là công nghệ kết nối điểm-điểm, nó cho SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 61 Đồ án tốt nghiệp Chương 4 phép các nhà cung cấp Viễn thông phân phối các dịch vụ băng thông rộng trên đƣờng dây cáp đồng điện thoại đang tồn tại. Bằng việc sử dụng các kỹ thuật đặc trƣng, ADSL cho phép tốc độ đƣờng xuống là 8 Mbps và tốc độ đƣờng lên 1,5 Mbps. Bởi vậy, một kết nối ADSL chỉ đủ cho đồng thời hai kênh truyền hình quảng bá theo chuẩn MPEG-2 và kết nối Internet tốc độ cao. Điểm trở ngại chính của ADSL là phụ thuộc vào khoảng cách tính từ trung tâm dữ liệu của nhà cung cấp tới nhà khách hàng. Dịch vụ ADSL giới hạn khoảng cách trên 18.000 ft hay 5,5 km. Các thiết bị ADSL cung cấp một kết nối kỹ thuật số trên mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN (Public Switched Telephone Network). Tuy nhiên, tín hiệu truyền là tín hiệu tƣơng tự. Do đó, các mạch ADSL phải sử dụng tín hiệu tƣơng tự vì mạng mạch vòng nội hạt không có khả năng truyền các tín hiệu mã hóa dạng số. Hình 4.2: IPTV trên cấu trúc mạng ADSL Hình 4.2 mô tả hệ thống IPTV trên cấu trúc mạng ADSL. Các thiết bị đƣợc sử dụng để triển khai dịch vụ IPTV trên mạng ADSL nhƣ trên Hình 4.2 bao gồm modem ADSL, bộ lọc dịch vụ điện thoại truyền thống POTS (Plain Old Telephone Service), bộ ghép kênh truy cập đƣờng dây thuê bao số DSLAM (Digital Subscriber SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 62 Chương 4 Line Access Multiplexer). Ngoài ra, mạng ADSL còn có các đặc tính nhƣ đặc tính về tốc độ dữ liệu và tính tƣơng tác. Thiết bị modem ADSL thì tại nhà thuê bao có một bộ thu phát ADSL hoặc modem. Modem thƣờng kết nối bằng cổng USB hoặc giao tiếp Ethernet từ mạng gia đình hoặc PC tới đƣờng line DSL. Đa số modem hiện nay đều đƣợc tích hợp chức năng định tuyến để hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu và truy nhập Internet tốc độ cao. Với thiết bị là một bộ lọc POTS thì ngƣời dùng đƣợc kết nối với Internet bằng kết nối băng thông rộng ADSL sẽ sử dụng một thiết bị gọi là bộ lọc POTS để lọc tín hiệu dữ liệu từ các tín hiệu thoại. Bộ lọc sẽ lọc tín hiệu tới thành tín hiệu tần số thấp đƣa tới điện thoại và tần số cao đƣa tới mạng gia đình. Bộ ghép kênh truy cập đƣờng dây thuê bao số DSLAM đƣợc đặt tại mỗi tổng đài khu vực của nhà cung cấp dịch vụ IPTV, DSLAM nhận các kết nối của thuê bao trên đƣờng dây cáp đồng, tập hợp chúng lại và kết nối trở lại trung tâm dữ liệu IPTV bằng cáp quang tốc độ cao dựa trên mạng đƣờng trục. DSLAM chịu trách nhiệm trong việc phân phối nội dung IPTV từ tổng đài khu vực tới các thuê bao IPTV. DSLAM có hai loại là DSLAM lớp 2 và DSLAM nhận biết IP. DSLAM lớp 2 hoạt động tại lớp 2 trong mô hình kết nối các hệ thống mở OSI (Open System Interconnection) và thực hiện các chức năng nhƣ chuyển mạch lƣu lƣợng giữa Ethernet và ATM, chuyển tiếp các lƣu lƣợng mạng ngƣợc dòng (up - stream) và ngăn ngừa can nhiễu giữa các thuê bao IPTV. DSLAM nhận biết IP thì hỗ trợ các giao thức IP hoạt động tại lớp 3 trong mô hình OSI. Các chức năng tiên tiến đƣợc tích hợp trong các DSLAM nhận biết IP là tái tạo các kênh truyền hình quảng bá và kênh thực hiện theo lệnh. Đặc tính về tốc độ dữ liệu đƣợc hiểu nhƣ tốc độ tối đa của ADSL là 8 Mbps chỉ hỗ trợ sử dụng tốt cho hai kênh truyền hình chất lƣợng cao và một số lƣu lƣợng Internet. Tuy nhiên, nó sẽ không thể đáp ứng đƣợc cho các nhà cung cấp IPTV khi phân phối các chƣơng trình lớn tới thuê bao của họ. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 63 Chương 4 Đặc tính về tính tƣơng tác thì vì công nghệ ADSL có tốc độ tải xuống thấp hơn tốc độ truyền lên, do vậy, nó sẽ hạn chế trong việc cung cấp các dịch vụ ngang hàng P2P (peer-to-peer) yêu cầu băng thông tải xuống và truyền lên bằng nhau. 4.3.2 ADSL2 Các chuẩn của họ ADSL đƣợc đƣa ra để đáp ứng các yêu cầu về băng thông, hỗ trợ cho các ứng dụng yêu cầu băng thông lớn nhƣ IPTV. Có ba loại khác nhau của họ ADSL2 là ADSL2, ADSL2+, và ADSL (Reach). ADSL2 bao gồm một số cải tiến so với chuẩn ADSL gốc là đặt tên khác, các tốc độ tải xuống cao hơn và khoảng cách từ tổng đài trung tâm tới modem của thuê bao xa hơn. ADSL2+ đƣợc xây dựng trên ADSL2 và cho phép các nhà cung cấp dịch vụ mạng đƣa ra các tốc độ lên tới 20 Mbps và hoat động tốt trong khoảng 1,5 km tính từ tổng đài trung tâm đến modem nhà thuê bao. ADSL (Reach) đƣơc gọi là ADSL mở rộng hay viết tắt là RE-ADSL2 (ADSL-Reach). RE-ADSL2 cho phép các nhà cung cấp dịch vụ IPTV tăng khoảng cách lên tới 6 km tính từ trung tâm gần nhất tới nhà thuê bao. Nó là công nghệ tốt nhất thực hiện đƣợc trong giới hạn về khoảng cách và tốc độ trên các sợi cáp đồng. 4.3.3 Đƣờng dây thuê bao số tốc độ cao VDSL Đƣờng dây thuê bao số tốc độ cao VDSL (Very High Speed Digital Subscriber Line) dựa trên các nguyên lý cơ bản nhƣ công nghệ ADSL2+. Nó là công nghệ DSL mới nhất và phức tạp nhất tại thời điểm này, và nó đã đƣợc phát triển để khắc phục các khuyết điểm của các phiên bản công nghệ truy nhập ADSL trƣớc đây. Nó loại bỏ đƣợc hiện tƣợng tắc nghẽn băng rộng và hỗ trợ khả năng tốc độ rất lớn cho phép các nhà cung cấp dịch vụ đủ điều kiện để đƣa ra cho các thuê bao IPTV rất nhiều dịch vụ để lựa chọn bao gồm cả VoD và truyền hình quảng bá định dạng HD. VDSL cũng đƣợc thiết kế để hỗ trợ các truyền dẫn của chuyển mạch ATM và lƣu lƣợng IP trên cáp đồng. Một số thành viên trong hộ gia đình VDSL gồm VDSL1, VDSL2, VDSL2 (Long Reach), và VDSL2 (Short Reach). VDSL1 hoạt động tại tốc độ giới hạn cao hơn 55 Mbps cho kênh hƣớng xuống và 15 Mbps cho kênh hƣớng lên. Tuy nhiên, nó chỉ hoạt động trong khoảng cách ngắn. VDSL2 là một cải tiến từ SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 64 Đồ án tốt nghiệp Chương 4 VDSL1 và đƣợc định nghĩa trong kiến nghị G.993.2 của ITU-T. Nó có thể đƣợc chia nhỏ thành VDSL2 (Long Reach) và VDSL2 (Short Reach). VDSL2 (Long Reach) là VDSL với các cải tiến về khoảng cách có thể cung cấp cho các thuê bao IPTV tốc độ truy cập băng rộng là 30 Mbps cách tổng đài trung tâm từ 1,2 km đến 1,5 km. VDSL2 (Short Reach) cho biết chuẩn VDSL2 sử dụng kỹ thuật ghép kênh cho phép nó hoạt động ở tốc độ cao gấp 12 lần so với chuẩn ADSL, tốc độ đó là 100 Mbps cho kênh hƣớng xuống trong khoảng cách 350 m. Mặc dù, tốc độ kênh hƣớng lên không đạt đƣợc 100 Mbps, nhƣng các tốc độ đó đã vƣợt trội hơn so với các tốc độ kênh hƣớng lên của ADSL2+. Các đặc tính mới của VDSL2 nhƣ cải thiện chất lƣợng dịch vụ QoS và cải tiến kỹ thuật mã hóa tất cả đều thích hợp để phân phối các ứng dụng triple-play. Có hai phƣơng thức chính đƣợc các nhà cung cấp dịch vụ IPTV sử dụng để tích hợp VDSL2 vào hạ tầng mạng đang có. Phƣơng thức thứ nhất là thêm các thiết bị VDSL2 mới tại các tổng đài khu vực và cho phép DSLAM chạy song song với hệ thống DSLAM ADSL đang có. Phƣơng thức thứ hai là đặt thiết bị VDSL2 gần thuê bao IPTV. Bảng 4.2: So sánh các công nghệ DSL Công nghệ DSL Downstream Upstream Khoảng Các dịch vụ (Mbps) (Mbps) cách đƣợc hỗ trợ Một kênh hình ảnh SD nén MPEG-2, ADSL 8 1 5,5 km truy nhập Internet tốc độ cao và các dịch vụ VoIP. Hai kênh hình ảnh SD nén MPEG-2, ADSL2 12 1 5,5 km hoặc một kênh HD, truy nhập Internet tốc độ cao và các dịch vụ VoIP. Năm kênh hình ảnh SD MPEG-2 hoặc ADSL+ 25 1 6 km hai kênh HD MPEG-4, truy nhập Internet tốc độ cao và các dịch vụ VoIP. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 65 Đồ án tốt nghiệp Chương 4 Năm kênh hình ảnh SD MPEG-2 hoặc ADSL – Reach 25 1 6 km hai kênh HD MPEG-4, truy nhập Internet tốc độ cao và các dịch vụ VoIP. Mƣời hai kênh hình ảnh SD MPEG-2 VDSL1 55 15 Vài trăm hoặc năm kênh HD MPEG-4, truy nhập mét Internet tốc độ cao và các dịch vụ VoIP. Bảy kênh hình ảnh SD MPEG-2 hoặc VDSL2 (Long - 30 30 Reach) 1,2-1,5 mƣời kênh HD MPEG-4, truy nhập km Internet tốc độ cao và các dịch vụ VoIP. Mƣời hai kênh hình ảnh SD MPEG-2 VDSL2 (Short - 100 100 Reach) 350 m hoặc mƣời kênh HD MPEG-4, truy nhập Internet tốc độ cao và các dịch vụ VoIP. 4.4 Phân phối IPTV trên mạng truyền hình cáp 4.4.1 Tổng quan về kỹ thuật HFC Mạng HFC (Hybrid fiber/Coax) là mạng kết hợp cáp quang và cáp đồng trục, sử dụng đồng thời cáp quang và cáp đồng trục để truyền và phân phối tín hiệu. Việc truyền tín hiệu từ trung tâm đến các điểm quang là cáp quang, còn từ các điểm quang đến thuê bao là cáp đồng trục. Các mạng xây dựng dựa trên kỹ thuật HFC có một số đặc tính thuận lợi chuyển giao cho các dịch vụ thế hệ mới nhƣ mạng HFC có khả năng truyền dẫn đồng thời cả tín hiệu số và tín hiệu tƣơng tự. Đây là đặc tính rất quan trọng cho các nhà khai thác mạng. Mạng HFC có thể dung hòa giữa việc tăng dung lƣợng và các yêu cầu tin cậy của một hệ thống IPTV. Đặc điểm tăng dung lƣợng của hệ thống HFC cho phép các nhà khai thác mạng triển khai thêm các dịch vụ mà không cần phải thay đổi toàn bộ cấu trúc mạng. Đặc tính vật lý của cáp đồng trục và cáp quang hỗ trợ mạng hoạt động ở vài Gbps. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 66 Chương 4 Hình 4.3: Mạng HFC end-to-end Hình 4.3 cho thấy cấu trúc của mạng HFC bao gồm đƣờng trục chính là cáp quang kết nối theo các điểm quang tới mạng cáp đồng trục. Điểm quang hoạt động nhƣ một giao tiếp, nó kết nối các tín hiệu hƣớng lên và hƣớng xuống đi ngang qua mạng cáp quang và cáp đồng trục. Phần mạng cáp đồng trục của mạng HFC sử dụng cấu hình cây-phân nhánh, các thuê bao truyền hình kết nối tới mạng HFC theo một thiết bị đặc biệt gọi là bộ chia cáp phân nhánh. Tín hiệu truyền hình số đƣợc phát từ trung tâm dữ liệu tới các điểm quang. Điểm quang phân phối tín hiệu thông qua cáp đồng trục, bộ khuếch đại và bộ chia cáp phân nhánh tới khách hàng. 4.4.2 Phân phối IPTV trên mạng truyền hình cáp Do sự cạnh tranh về thị trƣờng kinh doanh truyền hình thu phí từ các nhà cung cấp Viễn thông và những hiệu quả lớn về băng thông khi sử dụng kỹ thuật phân phối IP, dẫn tới các nhà khai thác mạng truyền hình cáp phải hƣớng tới sử dụng mô hình mạng IP để phân phối nội dung đến ngƣời dùng. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 67 Chương 4 Việc chuyển một mạng dựa trên tần số vô tuyến RF (Radio Frequency) sang mạng chuyển mạch hình ảnh số SDV (Switched Digital Video) trên nền IP, dù bằng cách nào thì vẫn cần phải lắp đặt một số thiết bị mới từ các bộ định tuyến tới bộ giải mã IP STB (Set-top box) và các switch tốc độ cao. Một số ƣu thế của việc triển khai sang mạng chuyển mạch SDV là một số lƣợng lớn băng thông của mạng sẽ đƣợc dự trữ bởi vì nhà khai thác chỉ nhận đƣợc yêu cầu phát một kênh truyền hình đơn lẻ tới bộ giải mã STB. Băng thông dƣ thừa cho phép các nhà khai thác mạng cáp truyền hình có thể phân phối các dịch vụ và nội dung IPTV tới thuê bao của họ. Những nhà khai thác mạng cáp truyền hình có thể đo đạt và giám sát một cách chính sát nội dung đã xem của mỗi thuê bao. Đây là một đặc tính quan trọng cho các nhà khai thác muốn tạo thêm doanh thu bằng quảng cáo. Hình 4.4: Mô hình triển khai cấu trúc mạng cáp IPTV kết hợp IP và RF Hình 4.4 Mô tả một cấu trúc mạng cáp IPTV đƣợc tạo thành từ sự kết hợp các thiết bị của công nghệ RF và công nghệ IP. Một số thiết bị phần cứng đƣợc mô tả trên Hình 4.4 bao gồm Switch hay Router GigE (Gigabit Ethernet), mạng truyền dẫn quang, và bộ điều chế biên. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 68 Chương 4 Switch hay Router GigE (Gigabit Ethernet) với GigE đƣợc xem nhƣ là một giao thức vận chuyển đƣợc lựa chọn để kết nối các thành phần mạng IP. GigE thƣờng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi dung lƣợng cao, ví dụ nhƣ VoD. Router GigE tập hợp lƣu lƣợng IPTV và cung cấp các kết nối tới mạng truy cập lõi. Mạng truyền dẫn quang là mạng lõi cung cấp con đƣờng mạng giữa máy chủ hình ảnh trong trung tâm nội dung và các bộ điều chế tại các biên của mạng. Mạng lõi có thể là mạng quang đồng bộ SONET, mạng ATM và mạng ghép kênh phân chia theo mật độ bƣớc sóng DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Bộ điều chế biên bao gồm các bộ điều chế đƣợc đặt tại các tổng đài khu vực nhận nội dung IPTV từ mạng lõi, chuyển đổi nội dung từ các gói IP sang RF và phân phối trên mạng HFC tới bộ giải mã STB. Trong mô hình trên tất cả nội dung đều đƣợc điều chế thành các sóng mang RF và đƣợc biên dịch thành RF băng thông ngõ ra, thƣờng nằm trong dải từ 50 MHz cho tới 860 MHz. Một số hệ thống hoạt động với tần số lên tới 1 GHz, với các tần số cao thƣờng đƣợc dành riêng cho các dịch vụ thoại và dữ liệu. Từ trung tâm dữ liệu của nhà cung cấp dịch vụ, một đƣờng trung kế lớn đƣợc sử dụng để phân phối tín hiệu băng rộng tới các Hub phân phối. Từ Hub phân phối, tín hiệu băng thông rộng đƣợc gửi tới mạng truyền dẫn quang, thông qua mạng HFC, các tín hiệu băng thông đƣợc gửi tới bộ STB trong nhà khách hàng. 4.5 Phân phối IPTV trên hệ thống Wimax 4.5.1 Đặc điểm Wimax (Worldwide Interoperability of Microwave Access) là diễn đàn tƣơng tác toàn cầu cho truy cập vi ba. Nó là phiên bản không dây đƣợc chuẩn hóa của Ethernet để thay thế các công nghệ có dây (nhƣ các modems cáp, DSL, và các liên lết T1/E1). Wimax có một số các đặc điểm nhƣ khả năng truyền multicasting, chuyển kênh tức thời, sự chuyển động Jitter, thông tin cộng thêm vào dữ liệu, thiết kế máy thu phát, tiêu thụ nguồn, khả năng hệ thống, khả năng di động, tối đa số thuê bao, SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 69 Chương 4 phát triển nhanh mạng truy cập băng rộng không dây, và hỗ trợ các xu hƣớng tƣơng lai. Khả năng truyền multicasting là ƣu điểm lớn nhất của WiMAX. Kỹ thuật multicasting cho phép trạm cơ sở BS (Base Station) gởi các gói hình ảnh đến một tập các trạm. Ví dụ, trực tiếp một chƣơng trình với một số lớn ngƣời xem có thể xem đƣợc chƣơng trình đồng thời. Dùng đặc điểm multicasting của WiMAX, tất cả ngƣời sử dụng đều đƣợc phục vụ chƣơng trình mà chỉ cần một băng thông nhỏ. Điều này, có thể ứng dụng mở rộng cho bất kỳ chƣơng trình TV nào muốn phục vụ cho nhiều ngƣời xem. Đặc điểm chuyển kênh tức thời đƣợc hiểu là trên mạng IP, việc chuyển kênh gặp nhiều thách thức hơn vì tại một thời điểm chỉ một dòng truyền hình ảnh đƣợc truyền đến TV. Khi ngƣời xem TV muốn thay đổi kênh, họ nhấn điều khiển để gửi tín hiệu đến bộ định tuyến trên mạng. Sau đó, bộ định tuyến dừng gửi dòng truyền đang thực thi để gửi dòng truyền mới dựa trên yêu cầu kênh. Điều này, tạo ra một thời gian trễ giữa thời gian bộ định tuyến dừng gửi kênh cũ và sau đó bắt đầu gửi kênh yêu cầu mới. Điều này, sẽ thực sự tồi tệ khi bộ định tuyến nhận nhiều yêu cầu chuyển kênh ở cùng thời điểm. Sự chuyển động Jitter trong Wimax là một vấn đề khác xảy ra khi mạng IP xử lý hình ảnh nhƣ cách thức xử lý dữ liệu bất kỳ trên mạng. Trong mạng IP, dữ liệu đƣợc chia thành các gói nhỏ và sau đó gửi tách biệt. Ở đích đến, tất cả các gói dữ liệu đƣợc tập hợp, lắp ráp lại. Khi truyền hình ảnh trên mạng IP, dữ liệu hình ảnh cũng phải trải qua các quá trình tƣơng tự. Đối với các tập tin dữ liệu thông thƣờng, hệ thống này hoạt động tốt, nhƣng với dữ liệu hình ảnh thì lại xảy ra vấn đề. Các tập tin hình ảnh có dung lƣơng rất lớn và để gửi hoàn tất một tập tin sẽ mất nhiều thời gian có thể lên đến vài giờ. Giải pháp là cho phép hình ảnh hoạt động ngay khi nhận đƣợc các gói dữ liệu hình ảnh. Tuy nhiên, do các yếu tố nhƣ thay đổi định tuyến, nghẽn mạng hoặc trôi thời gian, các gói không đến đích theo một tốc độ giống nhau hoặc thậm chí sai thứ tự gói. Vấn đề này gọi là sự chuyển động Jitter. Giải pháp cho vấn đề này là dùng một bộ đệm Jitter. Bộ đệm Jitter lƣu các gói khi chúng đƣợc gửi SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 70 Chương 4 đến. Những gói này đƣợc tập hợp và sắp xếp lại trong bộ đệm,vì thế, có thể chèn đƣợc các gói đến trễ. Thông tin cộng thêm vào dữ liệu, tức là, trong hệ thống làm việc theo gói thì mỗi lớp đƣợc cộng thêm một lƣợng thông tin đáng kể vào đầu gói nên làm giảm hiệu quả băng thông của dữ liệu chính nằm trong phần tải trọng. WiMAX phải đóng gói các khung ở lớp điều khiển truy nhập phƣơng tiện MAC (Media-access Control). Do đó, nó có thể loại bỏ thông tin tải trọng tiêu đề và kỹ thuật nén theo thứ tự sẽ giảm số lƣợng thông tin cộng thêm ở lớp vật lý và lớp MAC. Với đặc điểm về việc thiết kế máy thu phát thì các hệ thống WiMAX dùng máy thu phát vô tuyến có hiệu suất cao. Các thông số của máy thu phát có độ ổn định cao, nhiễu thấp, mức tuyến tính cao và dải động rộng. Bên cạnh đó, để hỗ trợ IPTV và các ứng dụng hình ảnh thì yêu cầu băng thông rộng cũng đƣợc đáp ứng. Tiêu thụ nguồn là một vấn đề quan trọng khác trong thiết kế hệ thống WiMAX nhằm hỗ trợ các dịch vụ IPTV. Một chƣơng trình TV có thể diễn ra trong vài giờ, do đó hệ thống phân phối sẽ tiêu thụ nguồn nhiều. Một cách tốt để giảm tiêu thụ nguồn là thực thi các chế độ hoạt động khác nhau thay đổi theo yêu cầu (ví dụ, chế độ không sử dụng, chế độ ngủ). Một cách khác để tiết kiệm năng lƣợng là dùng máy thu có độ nhạy cao. Khả năng của hệ thống Wimax, tức là, hệ thống phải có khả năng hỗ trợ nhiều ngƣời sử dụng. Cách tốt để gia tăng khả năng của hệ thống là dùng anten có độ lợi cao có thể phân phối trên nhiều hƣớng đến một lƣợng lớn khách hàng. Khả năng di động thể hiện ở việc IPTV đƣợc kỳ vọng cung cấp khả năng truy cập mọi nơi với khả năng hỗ trợ di động. Việc cung cấp các dịch vụ đến ngƣời dùng di động luôn gặp nhiều thách thức, đặc biệt là với các dịch vụ đa phƣơng tiện. Tuy nhiên, với ƣu điểm của WiMAX là hỗ trợ truyền dữ liệu ở tốc độ di chuyển cao, đặc điểm mà các hệ thống truyền hình cáp không có đƣợc đã tạo ra ƣu thế lớn cho WiMAX. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 71 Chương 4 Tối đa số thuê bao trong hệ thống Wimax đòi hỏi rõ ràng, sự thành công của việc triển khai các dịch vụ IPTV đƣợc xác định theo thời gian phát triển và của các hoạt động mang lại lợi nhuận. Việc đạt đƣợc số thuê bao tối đa sớm nhất có thể với chƣơng trình, dịch vụ IPTV triển khai mới là đích đến cho bất kỳ nhà cung cấp dịch vụ nào. Trong thực tế, việc truy cập dựa trên mạng xDSL và cáp băng rộng không phải luôn sẵn sàng đáp ứng nhất là trong một số vùng có khoảng cách địa lý lớn hoặc mật độ ngƣời sử dụng thƣa. Nhƣ một giải pháp mới hiệu quả về kỹ thuật để triển khai mạng truy cập, WiMAX có khả năng phát triển mạng dễ dàng tƣơng tự nhƣ các kỹ thuật mạng không dây khác, nhƣng WiMAX có vùng phủ sóng dịch vụ lớn hơn và băng thông rộng. Chi phí cho phát triển cơ sở hạ tầng và cung cấp dịch vụ có thể giảm đến mức kinh ngạc. Việc phân phối các dịch vụ IPTV trên WiMAX bổ sung cho khả năng cung cấp IPTV hiện nay đó là khả năng cung cấp dịch vụ cho số lƣợng tối đa các thuê bao trên cùng một cơ sở hạ tầng, và đặc biệt là cung cấp khả năng truy cập tốt hơn đến nguốn tài nguyên nội dung hình ảnh cho ngƣời sử dụng di động. Phát triển nhanh mạng truy cập băng rộng không dây, ở đây, các công ty Viễn thông đã và đang nỗ lực tìm cách để hỗ trợ các dịch vụ ba trong một triple-play hoặc dịch vụ di động quadruple-play. WiMAX đƣợc xem nhƣ một giải pháp để cung cấp các dịch vụ mới nhƣ truy cập mạng băng rộng không dây và thoại di động trên nền IP. Việc triển khai IPTV trên WiMAX có thể đạt đƣợc hiệu quả cao nhƣ giảm chi phí khi cung cấp đƣợc nhiều dịch vụ hơn so với các dịch vụ hiện có trên cùng một cơ sở hạ tầng. Hỗ trợ các xu hƣớng tƣơng lai nhƣ hỗ trợ di động, cung cấp khả năng truy cập đến các nội dung không đƣợc quản lý, hỗ trợ hình ảnh chất lƣợng cao HDTV. Về kỹ thuật, WiMAX đƣợc hỗ trợ về cấp phát băng thông dành riêng, và hỗ trợ nghiêm ngặt QoS cho bốn loại dịch vụ là UGS (Unsolicited Service), rtPS (real-time Polling Service), lƣu lƣợng BE (Best Effort). Việc hỗ trợ rtPS trong truy cập băng rộng không dây sẽ đảm bảo các yêu cầu về băng thông đối với các nội dung đƣợc quản lý của các nhà cung cấp dịch vụ IPTV, đặc biệt là đối với các kênh truyền hình chất SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 72 Đồ án tốt nghiệp Chương 4 lƣợng cao HDTV (High Definition Television) và các kênh truyền hình quảng bá tiêu chuẩn SDTV (Standard Definition Television) có trả tiền. Hiện nay, ngày càng nhiều cổng thông tin trên mạng Internet cung cấp phong phú nguồn nội dung và hình ảnh theo yêu cầu miễn phí, sức thu hút sẽ rất lớn khi cho phép không chỉ các thuê bao IPTV mà còn các ngƣời dùng di động truy cập đến nguồn nội dung không đƣợc quản lý này mà không ảnh hƣởng đến chất lƣợng và hiệu năng của các nội dung có trả tiền khác. Sự kết hợp của các dịch vụ RTPS và BE có thể đƣợc tính toán để hỗ trợ các yêu cầu này nhằm đạt đƣợc sự linh hoạt và kinh tế nhất mà không làm ảnh hƣởng chất lƣợng của hệ thống phân phối. Việc mở rộng khả năng hỗ trợ các xu hƣớng tƣơng lai của dịch vụ IPTV trên cơ sở hạ tầng mạng truy cập WiMAX tạo ra viễn cảnh phát triển lâu dài hứa hẹn mang đến hiệu quả kinh tế cho hoạt động IPTV. 4.5.2 Cấu trúc hệ thống Wimax Sơ đồ cấu trúc một hệ thống phân phối IPTV trên WiMAX (đến một thuê bao cố định) minh họa trong Hình 4.5. Hình 4.5: Sơ đồ cấu trúc IPTV trên WiMax Nhƣ trên Hình 4.5 thì từ nhà cung cấp dịch vụ (tính từ trạm WiMAX Base Station) các dòng truyền IPTV đƣợc đóng gói vào các khung ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Freqency Division Multiplexing). Trƣớc đó, một liên kết trung gian sẽ đƣợc thiết lập giữa nhà cung cấp dịch vụ đến trạm SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 73 Chương 4 WiMAXBS. Liên kết này thƣờng đƣợc thiết lập dựa trên mạng quang đối xứng SONET (The Synchronous Optical Network), vì thế, cần bộ ánh xạ mapping SONET-WiMAX ở phía nhà cung cấp dịch vụ và một bộ tái ánh xạ demaping SONET-WiMAX ở trạm WiMAX BS. Sau đó, các khung OFDM đƣợc trạm WiMAX phát theo các liên kết không dây đến thuê bao. Tại trạm thuê bao (WiMAX CPE) các khung sẽ đƣợc thu nhận và tái tạo lại các dòng truyền. Các dòng truyền này sẽ đƣợc gửi đến khách hàng IPTV để hiển thị. IPTV trên WiMAX nhƣ đã trình bày ở trên chỉ mới đáp ứng vai trò phân phối dịch vụ cố định (mà thực ra không cần WiMAX thì các nhà cung cấp dịch vụ cũng đã phát triển dịch vụ qua mạng có dây). Tuy nhiên, vấn đề hƣớng đến ở đây là khả năng hỗ trợ di động. Hình 4.6 sẽ mô tả hệ thống mà IPTV đƣợc phân phối từ nhà cung cấp dịch vụ đến nhiều mạng khác nhau, từ mạng cố định đến mạng không dây. Hình 4.6: Phân phối các dịch vụ IPTV cho thuê bao cố định và di động Bộ thích nghi Content/Rate Adapter nhƣ trên Hình 4.6 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 hình ảnh. Quá trình thích nghi phụ thuộc vào loại mạng và chia thành hai bƣớc là chuyển đổi thích nghi về mặt tốc độ và chuyển đổi thích nghi, phù hợp về dạng thức nội dung. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 74 Chương 4 4.5.3 Mô hình đề nghị Mô hình đề nghị cho ứng dụng IPTV gồm sơ đố khối cho trong Hình 4.7, và Hình 4.8 là ngăn xếp giao thức của dịch vụ IPTV. Mô hình này chú trọng đến phân loại lƣu lƣợng 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 đa phƣơng tiện cho ngƣời dùng IPTV. Ở hình ảnh đầu cuối, các dòng truyền hình ảnh đƣợc mã hóa và nén (ví dụ MPEG-2/ MPEG-4) từ các chƣơng trình trực tiếp và lƣu trữ. Các kênh MPEG đƣợc đóng gói theo giao thức truyền tải thời gian thực RTP (Real-time Transport Protocol) và truyền theo dòng truyền giao thức gói tin ngƣời sử dụng UDP (User Datagram Protocol) hoặc truyền theo dòng truyền giao thức điều khiển truyền dẫn TCP (Transmission Control Protocol) đến lớp IP. Hình 4.7: Mô hình hệ thống đề nghị cho các ứng dụng IPTV trên WiMax Các gói IP đƣợc đóng gói vào các khung Ethernet, sau đó, gửi trên mạng thông qua lớp vật lý. Trạm 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 biểu tƣợng và điều chế, bộ phát vô tuyến sẽ truyền các tín hiệu kết quả đến các điểm di động. Từ đó, các dòng hình ảnh đƣợc gửi đến bộ giải mã của STB hoặc PC để tái tạo lại nội dung hình ảnh. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 75 Đồ án tốt nghiệp Chương 4 Hình 4.8: Ngăn xếp giao thức IP để truyền IPTV 4.5.3.1 Lớp MAC (Medium Access Control) WiMAX là hệ thống điểm-đa điểm (point-to-multipoint), kết nối định hƣớng. Giao thức lớp MAC là một giao thức biên tập dịch vụ linh hoạt gồm các chức năng cộng thêm, thay đổi, hủy bỏ các dịch vụ nhằm cho phép việc quản lý định dạng tải trọng thông điệp. Một trong những ƣu điểm lớn nhất là nó hỗ trợ chất lƣợng QoS linh hoạt. Hình 4.9: Lớp MAC hỗ trợ chất lƣợng QoS Hình 4.9 trình bày về một lớp MAC điển hình. BS nhận lƣu lƣợng IP có thể chứa các loại dữ liệu khác nhau (dữ liệu internet, thoại, hình ảnh). Tùy theo loại dịch vụ, dữ liệu đƣợc gán lƣu lƣợng (đạt chất lƣợng QoS) phân loại theo dịch vụ sử dụng là UGS, rtPS, nrtPS hoặc BS (ví dụ, dòng truyền hình ảnh dùng phân loại dịch vụ RTPS). SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 76 Đồ án tốt nghiệp Chương 4 Bộ phân loại lƣu lƣợng có quy luật sắp xếp lƣu lƣợng đến theo mức độ ƣu tiên của chất lƣợng QoS yêu cầu. Trƣớc tiên, nó trích thông tin tiêu đề từ các gói IP và gửi đến khối quản lý kết nối. Dựa trên thông tin tiêu đề, khối quản lý kết nối gán một FlowID duy nhất cho mỗi gói. FlowID sẽ chứa thông tin về loại dịch vụ, loại kết nối cho mỗi gói và sẽ đƣợc gán theo giao thức quy định chất lƣợng QoS trong cơ sở dữ liệu QoS. Với các dịch vụ IPTV, giao thức này đã đƣợc gán với các thông số nhƣ độ trễ ít nhất/độ trễ nhiều nhất, tỉ lệ dữ liệu nhỏ nhất/tỉ lệ dữ liệu lớn nhất, chế độ phát lại và dịch vụ yêu cầu. Bộ phân loại lƣu lƣợng căn cứ trên FlowID của gói IP và chức năng lên lịch/xếp hàng để sắp xếp lƣu lƣợng IP tƣơng ứng. Trong trƣờng hợp này, dòng IPTV hình ảnh có mức độ ƣu tiên cao nhất. Công đoạn cuối sẽ tạo WiMAX MAC PDU (Protocol Data Unit-đơn vị số liệu giao thức) gửi đến lớp vật lý. Quá trình tƣơng tự sẽ đƣợc thực thi theo chiều ngƣợc lại. 4.5.3.2 Lớp vật lý (PHY) Hình 4.10: Cấu trúc lớp vật lý Hình 4.10 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 trƣớc hết đƣợc mã hóa kênh và điều chế. Mã hóa kênh bao gồm các quá trình nhƣ ngẫu nhiên hóa, sửa lỗi tiến, mã (RS), chèn. Lớp vật lý hỗ trợ các loại điều chế khác nhau (nhƣ điều chế biên độ cầu phƣơng QAM (Quadrature Amplitude Modulation), khóa dịch pha nhị phân BPSK SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 77 Chương 4 (Binary Phase-Shift Key), và khóa dịch pha cầu phƣơng QPSK (Quadrature PhaseShift Keying)). Trong thiết kế đề nghị ngƣời ta hay dùng kỹ thuật điều chế thích nghi để tối ƣu tốc độ mã hóa, nhờ đó tối đa hiệu quả băng thông mà vẫn đảm bảo chất lƣợng kênh truyền. Sau điều chế, IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) biến đổi tính hiệu từ miền tần số sang miền thời gian, sau quá trình xử lý trong miền thời gian (nhƣ tạo hình quang phổ, nội suy). Cuối cùng, các khung đƣợc hình thành và gửi đến giao diện vô tuyến (gồm cả IF và RF). Hƣớng ngƣợc lại hoàn toàn tƣơng tự. Nó bao gồm đồng bộ thời gian/ tần số, ƣớc tính kênh, cân bằng, giải điều chế, giải mã và chuyển tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số. Hình 4.11: Sơ đồ thu phát vô tuyến Sơ đồ khối cho bộ thu WiMAX BS cho trong Hình 4.11, gồm phần số (Digital Domain) và tƣơng tự (Analog Domain). Một chú ý ở đây là giải thuật quản lý nguồn để điều chỉnh các thông số của bộ thu (nhƣ độ lợi khuyếch đại, mức công suất, tần số sóng mang) để đạt đƣợc tín hiệu có chất lƣợng tối ƣu. Từ lớp vật lý, tín hiệu số với các thành phần I và Q đƣợc đƣa đến bộ UpConverter. Sau đó, tín hiệu đƣợc chuyển đổi sang tín hiệu tƣơng tự bởi bộ ADC, qua hai bƣớc chuyển tần số (IF và RF) để đƣa tín hiệu lên tần số vô tuyến chọn lựa. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 78 Chương 4 Tín hiệu đƣợc khuyếch đại ở bộ khuếch đại công suất rồi đƣa đến anten để phát xạ. Thông thƣờng, tín hiệu sau khuyếch đại thƣờng đi qua bộ chuyển mạch hoặc bộ ghép phụ thuộc vào phƣơng pháp ghép kênh song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplexing) hoặc song công phân chia theo tần số FDD (Frequency Division Duplexing ). 4.6 Kết luận Nhƣ vậy, với những giải pháp đƣợc triển khai đã trình bày trong Chƣơng 4 thì mô hình phát triển của dịch vụ sẽ càng đƣợc mở rộng và sẽ có nhiều nhà cung cấp dịch vụ muốn đầu tƣ để nâng cao và phát triển hình thức này ở nhiều vùng từ thành phố xuống tới vùng nông thôn và vùng sâu vùng xa. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 79 Kết luận KẾT LUẬN Sau thời gian thực hiện nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp, đến nay đề tài “CÔNG NGHỆ IPTV” đã hoàn thành đúng thời hạn. Đề tài đã thực hiện đƣợc các nội dung nhƣ tổng quan về công nghệ IPTV, cấu trúc và hoạt động của IPTV, kỹ thuật nén hình ảnh trong IPTV, và các giải pháp triển khai mạng IPTV. Các nội dung này đã đƣợc trình bày thông qua các chƣơng của đề tài. Chƣơng 1 đã nêu lên đƣợc một cách tổng quát về các dịch vụ của IPTV và các phƣơng pháp phân phối nội dung trong IPTV, giúp ngƣời đọc có thể hình dung đƣợc các dịch vụ truyền hình mà nhà cung cấp dịch vụ truyền hình sẽ cung cấp để có thể đáp ứng đƣợc nhu cầu về vấn đề thông tin và giải trí của khách hàng đang ngày càng tăng. Chƣơng 2 cung cấp các nội dung về cấu trúc và hoạt động của IPTV. Các nội dung đã thực hiện ở chƣơng này giúp các nhà sản xuất dịch vụ cùng với các nhà cung cấp dịch vụ hiểu rõ các đặc tính của các thiết bị để dễ dàng hơn trong vấn đề sản xuất, lắp đặt, và cấu hình. Đồng thời, thông qua chƣơng này, ngƣời đọc cũng có thể hình dung đƣợc các phần tử cơ bản nhất cấu tạo nên hệ thống IPTV, và những thông tin cơ bản về hoạt động của hệ thống này. Một trong những kỹ thuật quyết định để thực hiện IPTV đó là nén hình ảnh. Đó cũng là các nội dung mà Chƣơng 3 đã đƣợc trình bày. Các dòng dữ liệu hình ảnh cần phải đƣợc xử lý để tƣơng thích với giao thức IP, và để có thể truyền đƣợc trong các môi trƣờng khác nhau. Các chuẩn nén MPEG-2, MPEG-4 đƣợc khuyến nghị để sử dụng trong IPTV do đã đƣợc ứng dụng trong hầu hết các công nghệ truyền hình số hiện đại nhƣ truyền hình số mặt đất, truyền hình số vệ tinh, truyền hình cáp, truyền hình di dộng đến truyền hình phân giải cao HDTV và các chuẩn này đã tƣơng thích chặt chẽ với các hệ thống này. Chƣơng 4 đã đƣa ra đƣợc các giải pháp triển khai mạng IPTV trên các mạng cáp quang, cáp đồng, mạng truyền hình cáp, và hệ thống Wimax. Nhờ vào các phƣơng thức truy nhập đa dạng nhƣ vậy, đặc biệt là việc hoàn toàn có thể triển khai IPTV trên đôi SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp 80 Kết luận cáp đồng truyền thống mà các hệ thống IPTV ngày càng đƣợc phát triển rộng rãi và triển khai một cách rộng khắp tới hầu hết mọi đối tƣợng khách hàng. Mặt khác, do IPTV yêu cầu truyền dẫn dữ liệu thời gian thực và sử dụng giao thức Internet, nên nó nhậy cảm với sự tổn hao gói và trễ khi kết nối IPTV không đủ nhanh hay hình ảnh bị nứt vỡ hoặc bị mất nếu dòng dữ liệu không đảm bảo. Nhƣợc điểm này của IPTV đƣợc cải thiện về cơ bản khi dòng IPTV đƣợc truyền tải thông qua các kết nối không dây. Sự phát triển của công nghệ không dây hiện nay đã bắt đầu cung cấp các thiết bị để giải quyết triệt để tồn tại này. IPTV đƣợc xem nhƣ một cuộc cách mạng trong ngành truyền thông truyền hình với việc truyền tải nội dung trên mạng Viễn thông và truyền hình băng rộng, nó còn có khả năng tập hợp và lƣu trữ các nội dung điện ảnh, truyền hình dƣới dạng tƣ liệu số ở quy mô lớn, hiệu quả nhƣng chi phí lại thấp, rất tiện lợi cho công việc tra cứu, tìm kiếm, nên với chi phí thấp trong việc sản xuất nội dung cho phép các nhà cung cấp IPTV đƣa ra nhiều chƣơng trình từ thể thao, thời sự cho tới các chƣơng trình đào tạo từ xa trên TV và nhiều chƣơng trình khác nữa. SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 81 Đồ án tốt nghiệp Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Thanh Bình, Ths Võ Nguyễn Quốc Bảo, (2007), Sách Hướng Dẫn Xử Lý Âm Thanh và Hình Ảnh, Học viện Công Nghệ Bƣu Chính Viễn Thông TP HCM. [2] Gerard O’ Driscoll, (2008), Next Generation IPTV Services and Technologies, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. [3] Glibert Help, Understanding IPTV, Auerbach Publictions. [4] Wes Simpson, (2008), Video Over Ip: IPTV, Internet Video, H.264, P2P, Web TV, and Streaming: A Complete Guide to Understanding the Technology, Published by Elsevier Inc. All Rights reserved. Tài liệu trực tuyến: [5] http://www.tapchibcvt.gov.vn [6] http://tailieu.vn [7] http://wikipedia.org SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 [...]... tất cả đều có thể thực hiện đƣợc nhờ giao thức Internet dựa trên các mạng truyền thông SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp xix Lời mở đầu Với những đặc tính kể trên của IPTV, em đã mong muốn lựa chọn lĩnh vực này cho đồ án tố nghiệp Đƣợc sự đồng ý của giáo viên hƣớng dẫn, em đã thực hiện đề tài “CÔNG NGHỆ IPTV cho thiết kế tốt nghiệp của mình Đề tài sẽ tìm hiểu về tổng quan IPTV, cấu... hoạt động của hệ thống IPTV, các kỹ thuật nén hình ảnh, và các giải pháp triển khai IPTV trên mạng băng rộng Nội dung của đề tài sẽ đƣợc thực hiện qua các chƣơng sau: Chƣơng 1: Tổng quan về công nghệ IPTV Chƣơng này giới thiệu sơ lƣợc về lịch sử hình thành và phát triển của IPTV, nêu một cách tổng quát về khái niệm, các phƣơng pháp phân phối nội dung trong IPTV, và các dịch vụ của IPTV Chƣơng 2: Cấu trúc... 4.1: Mạng IPTV FTTH sử dụng công nghệ PON 58 Hình 4.2: IPTV trên cấu trúc mạng ADSL 61 Hình 4.3: Mạng HFC end-to-end 66 Hình 4.4: Mô hình triển khai cấu trúc mạng cáp IPTV kết hợp IP và RF 67 Hình 4.5: Sơ đồ cấu trúc IPTV trên WiMax 72 Hình 4.6: Phân phối các dịch vụ IPTV cho thuê bao cố định và di động 73 Hình 4.7: Mô hình hệ thống đề nghị cho các ứng dụng IPTV trên... điểm của các chuẩn này khi ứng dụng vào thực tế mạng IPTV Chƣơng 4: Các giải pháp triển khai mạng IPTV Chƣơng này sẽ đƣa ra các giải pháp triển khai mạng IPTV IPTV có thể triển khai trên các mạng nhƣ mạng cáp quang, mạng DSL, mạng truyền hình cáp, và hệ thống Wimax Thời gian thực hiện đề tài là có hạn, khả năng của bản thân cũng hạn chế nên chắc chắn đề tài sẽ còn những chỗ chƣa hoàn thiện Em rất mong... thiện Em rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp của quý Thầy, Cô cùng các bạn để nội dung đề tài đƣợc hoàn thiện hơn SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 1 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ IPTV 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của IPTV Ngày nay, khái niệm truyền hình qua giao thức Internet IPTV (Internet Protocol Television) đã trở nên phổ biến Kỹ thuật này cho phép các ứng... những công ty đầu tiên trên thế giới triển khai IPTV và IP VoD qua mạng đƣờng dây thuê bao số không đối xứng ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line).[7] Hiện nay, IPTV đã phát triển hầu khắp các nơi trên thế giới, từ châu Mỹ, châu Âu, châu Á Nhất là tại châu Á, với các thị trƣờng nhƣ Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc và cả Việt Nam, một trong những nƣớc đã và đang có nhiều công ty khai thác công nghệ IPTV, ... thế nào khi có năm thuê bao IPTV truy cập đến một kênh Broadcast IPTV đặc thù trên một mạng có tốc độ cao theo hai hƣớng Hình 1.1: Các kết nối Unicast cho nhiều ngƣời dùng Unicast sử dụng với duy nhất một kênh quảng bá IPTV Các thuật ngữ tiếng Anh trong Hình 1.1 đƣợc giải thích nhƣ sau đây: - IPTV data center: trung tâm dữ liệu IPTV - IPTV content server: máy chủ nội dung IPTV - Distribution router:... đó nó giống nhƣ kênh IPTV đƣợc đƣa tới mọi thiết bị truy cập đƣợc kết nối vào mạng băng rộng Khi một máy chủ đƣợc cấu hình truyền Broadcast, một kênh IPTV gửi tới tất cả các thiết bị IPTVCD đƣợc kết nối vào mạng bất chấp thuê bao có yêu cầu kênh đó hay không Đây sẽ là vấn đề chính, bởi vì, các tài nguyên IPTVCD bắt buộc phải hoạt động để xử lý các gói tin không mong muốn Một vấn đề khác mà Broadcast... sự hoạt động của công nghệ IPTV SVTH: Võ Hoàng BaRi Lớp: KTVT – K48 Đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 2 15 Chương 2 CẤU TRÚC VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA IPTV 2.1 Cấu trúc IPTV Mạng IPTV đƣợc cấu thành từ các thành phần cơ bản nhƣ mạng nội dung, mạng chuyển tải, mạng đầu cuối, và bộ quản lý nội dung Các thành phần này đƣợc mô tả rõ trong Hình 2.1, và đƣợc phân tích cụ thể trong các ý sau Hình 2.1: Mạng IPTV 2.1.1 Mạng nội... trong IPTV, và các dịch vụ của IPTV Chƣơng 2: Cấu trúc và hoạt động của IPTV Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của IPTV, cơ sở hạ tầng của một mạng IPTV, và ƣu điểm của nó là những đặc điểm sẽ đƣợc đề cập trong Chƣơng 2 Chƣơng 3: Kỹ thuật nén hình ảnh trong IPTV Chƣơng này trình bày tổng quan về các chuẩn nén đƣợc sử dụng cho các hệ thống IPTV nhƣ là chuẩn MPEG, chuẩn MPEG-2, MPEG-4, và chuẩn nén H.264/AVC ... đặc tính kể IPTV, em mong muốn lựa chọn lĩnh vực cho đồ án tố nghiệp Đƣợc đồng ý giáo viên hƣớng dẫn, em thực đề tài “CÔNG NGHỆ IPTV cho thiết kế tốt nghiệp Đề tài tìm hiểu tổng quan IPTV, cấu... trúc hoạt động hệ thống IPTV, kỹ thuật nén hình ảnh, giải pháp triển khai IPTV mạng băng rộng Nội dung đề tài đƣợc thực qua chƣơng sau: Chƣơng 1: Tổng quan công nghệ IPTV Chƣơng giới thiệu sơ... phát triển IPTV, nêu cách tổng quát khái niệm, phƣơng pháp phân phối nội dung IPTV, dịch vụ IPTV Chƣơng 2: Cấu trúc hoạt động IPTV Cấu trúc nguyên lý hoạt động IPTV, sở hạ tầng mạng IPTV, ƣu điểm