Truyền hình qua mạng IP (IPTV)

theo yêu cầu nPVR Network Personal Video Recorder: Dịch vụ ghi hình cá nhân trên mạng TSTv Time Shifted Tv: Dịch vụ xem truyền hình trễ hơn so với kênh truyền hình trực tiếp một khoảng

Bộ giáo dục Và đào tạo TrƯờng đại học bách khoa hà nội

Luận văn thạc sỹ khoa học TRUYỀN HèNH QUA MẠNG IP (IPTV)

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS HỒ ANH TUí

học viên : BÙI THỊ HOA

Hà nội - 2010

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG IPTV 9

1.1 IPTV là gì 9

1.2 IPTV và Internet TV 10

1.3 Các dịch vụ IPTV 11

1.3.1 Dịch vụ truyền hình trực tiếp: Live TV 11

1.3.2 Dịch vụ theo yêu cầu: Video on Demand 11

1.3.3 Dịch vụ tương tác: Interactive 13

1.3.4 Dịch vụ thông tin: Information 13

1.4 Kiến trúc cơ bản của một hệ thống IPTV 13

CHƯƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CỦA IPTV 15

2.1 Giải pháp chung cho IPTV 15

2.1.1 Headend 15

2.1.2 Video-on-Demand – VoD 16

2.1.3 Hệ thống điều khiển truy nhập và DRM – CAS/DRM 20

2.1.4 Hệ thống Middleware 29

2.1.5 Set-Top-Box – STB 31

2.2 Công nghệ nén hình ảnh 34

2.2 Các chuẩn giao thức sử dụng trong IPTV 41

2.3 Mạng truyền tải IPTV 48

2.4 Đảm bảo QoE trong IPTV 53

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG IPTV 61

3.1 Phương pháp thiết kế 61

3.1.1 Quan điểm thiết kế 61

3.1.2 Mô hình mạng đề xuất 63

3.2 Thiết kế hệ thống thực tế 67

3.2.1 Thiết kế phân hệ Headend 67

3.2.2 Thiết kế Middleware 70

3.2.3 Thiết kế phân hệ CA/DRM 74

3.2.4 Hệ thống VoD 76

3.2.5 Thiết bị giải mã nhà khách hàng STB 79

3.2.6 Hệ thống giám sát, đo kiểm đảm bảo chất lượng 81

CHƯƠNG IV ĐÁNH GIÁ TƯƠNG LAI PHÁT TRIỂN CỦA IPTV 84

4.1 Hiện trạng thị trường IPTV 84

4.2 Nhu cầu dịch vụ IPTV tại Việt Nam 87

4.3 Khả năng đáp ứng dịch vụ tại Việt Nam 88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

IPTV Internet Protocol TeleVision: Truyền hình bằng giao thức IP

HDTV High Definition TV: Truyền hình độ phân giải cao (1920x1080) SDTV Standard Definition TV: Truyền hình độ phân giải tiêu chuẩn

(720x480) MPEG

Moving Picture Experts Group: là chuẩn nén hình ảnh của ISO/IEC, hiện nay có các phiên bản MPEG-2, MPEG-4, trong đó MPEG-4 AVC part 10 tương đương với chuẩn H.264 của ITU-T

VoD Video on Demand: Dịch vụ xem phim (video clip, karaoke ) theo

yêu cầu nPVR Network Personal Video Recorder: Dịch vụ ghi hình cá nhân trên mạng TSTv Time Shifted Tv: Dịch vụ xem truyền hình trễ hơn so với kênh truyền hình trực tiếp một khoảng thời gian định trước LiveTV Dịch vụ xem truyền hình trực tiếp

GameTV Dịch vụ chơi Game trực tuyến trên truyền hình

MobileTV Dịch vụ truyền hình triển khai trên mạng di động 3G

Headend Là thuật ngữ để sử dụng cho hệ thống thu, xử lý và mã hóa hình

ảnh Middleware

Là hệ thống trung tâm của truyền hình IPTV có chức năng giao tiếp với người dùng, nhận thực, tính cước, điều phối các hoạt động của

hệ thống EPG Electronic Program Guide: Giao diện chương trình của truyền hình

IPTV CA/DRM Conditional Access/Digital Right Management: Hệ thống điều khiển quyền truy nhập và quản lý bản quyền số CSM Content Security Manager: quản lý bảo mật nội dung, là chức năng chính của CA/DRM

Digital Video Broadcasting: Chuẩn truyền hình quảng bá kỹ thuật

số, có nhiều phiên bản như DVB-T: truyền hình kỹ thuật số mặt đất, DVB-S: truyền hình kỹ thuật số vệ tinh, DVB-C: truyền hình kỹ thuật số (trên mạng cáp quang và cáp đồng trục), DVB-H: truyền

hình kỹ thuật số (quảng bá) di động MPLS Chuyển mạch nhãn đa giao thức

RTSP Real Time Streaming Protocol: Giao thức truyền tải thời gian thực Unicast Là phương thức truyền dẫn từ điểm tới điểm, dùng cho dịch vụ

VoD Multicast Là phương thức truyền dẫn từ điểm tới đa điểm, dùng cho kênh trực

tiếp STB

Set to Box: là thiết bị đầu cuối nhà khách hàng có chức năng giao tiếp với mạng truyền hình IPTV, giải mã và giải nén tín hiệu truyền hình

SDI

Serial Digital Interface: giao diện số nối tiếp dùng để truyền tải tín hiệu truyền hình băng gốc dạng số (tốc độ 270Mbps), là chuẩn trong kỹ thuật truyền hình, SD-SDI chỉ tín hiệu SDTV truyền qua giao diện SDI

L-Band Tín hiệu băng L dùng trong thông tin vệ tinh có tần số 950-2100 MHz LNB Low-noise Blockdown converter: Khối dịch tần tạp âm thấp thường

được tích hợp cùng khối khuếch đại LNA: Low Noiser Amplifier QPSK

Quadature Phase Shift Keying: Điều chế pha trực giao, thường được sử dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến, ở đây được dùng cho truyền hình vệ tinh, ngoài ra còn sử dụng đến 8PSK…

IRD

Integrated Receiver Decoder: Bộ thu giải mã tích hợp, được dùng trong hệ thống Headend để giải điều chế (QPSK), giải mật mã (descrambler) và giải nén để cung cấp tín hiệu ra băng gôc dạng số SDI

Encoder Là thiết bị nén tín hiệu truyền hình băng gốc (dạng số hoặc tương tự) theo chuẩn MPEG-2, MPEG-4/H.264… SSL Secure Sockets Layer: giao thức dùng để kết nối (bảo mật) giữa STB và CA để thực hiện việc trao đổi khóa mã SOAP

Simple Object Access Protocol: Giao thức truy nhập đối tượng đơn giản, được sử dụng trong kỹ thuật máy tính để trao đối thông tin cấu trúc dữ liệu

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 So sánh Internet TV và IPTV……… 11

Bảng 2.1 Các profile của MPEG -2……… 37

Bảng 2.2 Các level của MPEG -2……… 37

Bảng 2.3 So sánh LDP và RSVP……… 53

Bảng 2.3 Ví dụ kết quả test plan thời gian chuyển kênh……… 59

Bảng 3.1 Kết quả tính toán hệ thống Headend……… 70

Bảng 3.2 Các giao thức sử dụng giữa Middleware và các phần tử……… 72

Bảng 3.3 Kết quả tính toán hệ thống Middleware……… 73

Bảng 3.4 Kết quả tính toán hệ thống CA/DRM……… 76

Bảng 3.5 Kết quả tính toán hệ thống VoD……… 80

Bảng 3.6 Tiêu chuẩn kỹ thuật của STB……… 81

Bảng 3.7 Danh mục thiết bị hệ thống giám sát, đo kiểm……… 83

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống IPTV……… 13

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quan một hệ thống IPTV……… 15

Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế Headend……… 15

Hình 2.3 Tổ chức tập trung các máy chủ VOD……… 19

Hình 2.4 Tổ chức phân tán các máy chủ VOD……… 19

Hình 2.5 Các thành phần chính của một hệ thống CA……… 21

Hình 2.6 Hệ thống CA tại máy khách……… 22

Hình 2.7 Hệ thống CA không smartcard……… 24

Hình 2.8 Hoạt động của một CA phần mềm……… 26

Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống middleware……… 30

Hình 2.10 Mô hình khối cấu tạo của một STB cơ bản ……… 31

Hình 2.11 Hoạt động của một Demultiplexer……… 32

Hình 2.12 Tổ chức theo bậc của các thành phần trong MPEG………… 36

Hình 2.13 Kích thước block trong H.264……… 40

Hình 2.14 Hệ thống tham khảo khung hình trong H.264……… 40

Hình 2.15 Nhiều người dùng unicast cho một kênh TV ……… 41

Hình 2.16 Phương pháp truyền multicast đến nhiều người dùng……… 42

Hình 2.17 Mô hình kết nối Client/Server của RTSP……… 48

Hình 2.18 IPTV jitter……… 55

Hình 2.19 Ảnh hưởng của jitter đến việc nhận packet……… 55

Hình 2.20 Sự thay đổi MDI trên đường truyền……… 57

Hình 2.21 Thời gian chuyển kênh……… 58

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống IPTV……… 64

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống Headend……… 67

Hình 3.3 Sơ đồ kết nối Middleware với các phần tử……… 70

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống CA/DRM……… 74

Hình 3.5 Sơ đồ kết nối STB và VoD server……… 76

Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống giám sát, đo kiểm……… 81

Hình 4.1 Lợi ích từ dịch vụ IPTV (nguồn: Yankee Group)……… 85

Hình 4.2 Tổng số thuê bao IPTV của VNPT theo tuần……… 86

MỞ ĐẦU

Hiện nay, các công nghệ truyền hình phát triển rất đa dạng và phổ biến như:

− Truyền hình quảng bá tương tự (analogue broadcast), sử dụng băng tần UHF/VHF

− Truyền hình cáp CATV, sử dụng băng tần UHF/VHF

− Truyền hình kỹ thuật số mặt đất (DVB-T), băng tần UHF/VHF

− Truyền hình kỹ thuật số di động mặt đất (DVB-H, dùng máy thu cầm tay di động), băng tần UHF/VHF

− Truyền hình vệ tinh (DVB-S/DVB-S2), băng tần C, Ku

− Truyền hình bằng giao thức Internet (IPTV): dùng giao thức IP để truyền tải tín hiệu truyền hình

− Tính tương tác: người dùng có thể sử dụng các dịch vụ tương tác như xem

phim theo yêu cầu VoD, TSTv, nPVR mà các công nghệ truyền hình khác không có khả năng cung cấp

− Tính cá thể hóa: có thể tối ưu hóa dịch vụ cho từng nhóm khách hàng (ví dụ

cung cấp kênh thời sự nước ngoài cho người nước ngoài ở Việt Nam)

− Cung cấp số lượng kênh truyền hình không hạn chế

Mặt khác các xu thế phát triển công nghệ truyền hình trên thế giới đang bộc lộ những đặc điểm phù hợp với sự phát triển của IPTV như:

− Xu thế số hóa truyền hình (lộ trình đến năm 2015 loại bỏ truyền hình tưong tự)

− Xu hướng hội tụ về công nghệ: truyền hình, viễn thông, internet và hội tụ cố định, di động

− Và xu thế sử dụng dịch vụ có tính cá thể hóa và tính tương tác cao

Tại Việt Nam cũng có những động thái phù hợp với xu hướng phát triển của IPTV:

Về chính sách:

− Chính phủ đã có quy hoạch về truyền dẫn phát sóng phát thanh truyền hình đến năm 2020 theo hướng số hóa và hội tụ dịch vụ, hạ tầng giữa truyền hình, viễn thông và Internet Rõ ràng IPTV đáp ứng được yêu cầu về số hóa và hội tụ (dùng chung) hạ tầng giữa truyền hình, viễn thông và Internet theo quy hoạch này

− Việt Nam quan tâm đến phát triển dịch vụ Internet băng rộng, phát triển công nghệ thông tin và truyền thông (ICT - Information Communication Technology) và mục tiêu trở thành cường quốc về công nghệ thông tin, trong bối cảnh đó truyền hình là phương tiện hữu ích nhất để truyền tải cũng như tiêu dùng thông tin

− Bộ Thông tin Truyền thông đã chính thức cấp phép 3G cho các nhà khai thác mạng góp phần thúc đẩy các dịch vụ băng rộng (trong đó có MobileTV/3G)

bộ phương pháp thiết kế một hệ thống truyền hình qua mạng IP (IPTV) có thể được

áp dụng trong thực tế

Nội dung luận văn gồm:

− Chương I: Tổng quan hệ thống IPTV

− Chương II: Các vấn đề kỹ thuật của IPTV

− Chưowng III: Thiết kế hệ thống IPTV

− Chương IV: Đánh giá sự phát triển của IPTV tại Việt Nam

− Kiến nghị và đề xuất

CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG IPTV

Từ khi ra đời vào năm 1927 cho đến nay, truyền hình (TV) đã trở thành một phương tiện truyền thông rộng rãi và phổ biến nhất Bắt đầu với công nghệ truyền thông tương tự, truyền hình đã gắn bó với nó trong vòng trên 60 năm Trong giai đoạn này công chúng đã chứng kiến cuộc chuyển đổi giữa truyền hình đen-trắng sang truyền hình màu Sự chuyển đổi này yêu cầu người xem phải thay bộ phận thu hình mới, người phát hành phải nâng cấp thiết bị phát hình mới và các trang bị khác Sau công nghệ truyền hình tương tự, với sự ra đời của truyền hình số (Digital Television – Digital TV) Truyền hình số là một bước phát triển vượt bậc của nền công nghệ truyền hình Ngày nay, công nghiệp truyền hình đang dần chuyển qua một kỷ nguyên mới Đã có nhiều nhà cung bắt đầu nâng cấp hệ thống mạng và phát triển một nền tảng số để kéo dần khách hàng của họ ra khỏi công nghệ truyền hình tương tự truyền thống để đến với một dịch vụ số tinh vi hơn – dịch vụ truyền hình qua mạng IP (IPTV) Như cái tên đã mô tả, IPTV là một phương pháp truyền tải một dòng nội dung video (video stream) trên một mạng IP

Trước khi đi vào các công nghệ được áp dụng để tạo nên một hệ thống IPTV, chương này sẽ được dùng để định nghĩa về IPTV và các ưu điểm của nó so với các công nghệ truyền hình khác

1.1 IPTV là gì

IPTV, còn được gọi là Internet Protocol Television hay Truyền Hình Băng Rộng là một công nghệ cho phép truyền đi một cách an toàn nội dung truyền hình hoặc nội dung theo yêu cầu trên một mạng băng rộng Thông thường IPTV được dùng để nhắc đến một phương pháp truyền các kênh truyền hình, phim và video theo yêu cầu trên một mạng riêng

IPTV có một số các đặc điểm :

− Hỗ trợ truyền hình tương tác: cho phép người dùng có thể tương tác với

chương trình Ví dụ các dịch vụ như trò chơi trực tuyến, lướt web, truyền hình độ phân giải cao…

− Cho phép người dùng có thể ghi lại các chương trình truyền hình và xem lại

khi muốn

− Cá thể hóa: cho phép người dùng tùy biến chương trình của mình Người

dùng có thể quyết định nội dung phát và thời gian phát

− Tiết kiệm băng thông: thay vì truyền tất cả các kênh đến tất cả người dùng,

công nghệ IPTV cho phép nhà cung cấp có thể chỉ truyền đến người xem nội dung họ muốn xem

− Có thể xem được trên nhiều thiết bị: để có thể sử dụng được dịch vụ, người

dùng có thể dùng các thiết bị khác nhau ngoài TV như máy tính hay các thiết bị di động

Vì sao IPTV là xu hướng xem truyền hình của thời đại mới?

Với xu thế phát triển của truyền hình trên thế giới là loại bỏ dần truyền hình tương tự, đưa truyền hình số dần đến và thay thế hoàn toàn công nghệ truyền hình truyền thống, IPTV được xem như một lựa chọn lý tưởng trong thời điểm hiện tại Với khả năng tận dụng cơ sở hạ tầng của mạng viễn thông, internet các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông có thể đầu tư cho IPTV như một dịch vụ phụ thêm đồng thời

có thể kích thích được tiêu dùng và ứng dụng nhiều dịch vụ mới (cá thể hóa, tương tác với người dùng, dịch vụ truyền hình theo yêu cầu và dịch vụ truyền hình chất lượng cao…)

1.2 IPTV và Internet TV

Hai khái niệm Internet TV và IPTV thường hay bị nhầm lẫn với nhau, tuy hai công nghệ này đều sử dụng cùng một công nghệ truyền dẫn nhưng hướng tiếp cận của hai công nghệ có những khác nhau cơ bản sau đây

Dịch vụ Internet TV có thể được truy

cập ở mọi nơi trên thế giới

Mạng IPTV không thể truy cập được từ internet và thường chỉ được đặt trong một vùng địa lý nhất định

Nhà cung cấp dịch vụ không có quyền

sở hữu đối với mạng internet

Mạng truyền dẫn được sở hữu và vận hành bởi chính nhà cung cấp

Máy tính cá nhân gần như luôn được sử

Nội dung được cung cấp trên Internet

TV thường được tạo bởi người dùng

IPTV thường cung cấp các chương trình truyền hình truyền thống hoặc các phim được sản xuất bởi các nhà cung cấp lớn

Bảng 1.1 So sánh Internet TV và IPTV

1.3 Các dịch vụ IPTV

1.3.1 Dịch vụ truyền hình trực tiếp: Live TV

Ngoài việc cung cấp kênh truyền hình giống như dịch vụ truyền thống, người dùng có thể sử dụng những tính năng ưu việt như: tạm dừng và xem lại chương trình

trước đó (TSTV: Time Shift Tivi), lưu trữ chương trình yêu thích (NPVR: Network

Personal Video Recorder), khóa kênh chương trình không dành cho trẻ em…

1.3.2 Dịch vụ theo yêu cầu: Video on Demand

Truyền hình theo yêu cầu (TvoD: Tivi on Demand): Dịch vụ này cho phép

người dùng lựa chọn xem lại các chương trình đã phát trước đó Với dịch vụ Truyền hình theo yêu cầu, bạn không phải phụ thuộc vào thời gian phát sóng của các đài truyền hình và không bao giờ bỏ lỡ bất cứ một chương trình truyền hình yêu thích nào

Xem phim theo yêu cầu (VOD: Video on Demand): Người dùng có thể xem

bất cứ phim nào yêu thích tại bất kể thời điểm nào Trong khi xem phim người dùng

có thể tạm dừng, xem nhanh, quay lại cảnh cũ hoặc nhớ lại thời điểm dừng để xem tiếp vào thời gian khác (bookmark)

Karaoke theo yêu cầu (KoD): mang đến cho khách hàng những bài hát được

ưa chuộng trong nước và quốc tế Lời bài hát xuất hiện dưới dạng chữ (text) trên màn hình TV, Karaoke là một dịch vụ đặc biệt hấp dẫn

Âm nhạc theo yêu cầu (MoD): Dịch vụ này cho phép khách hàng lựa chọn và

nghe, xem các clip, video clip ca nhạc từ thư viện của nhà cung cấp

Game (GoD): Người dùng có thể chơi các game từ danh sách đã được cài đặt

trước trên chính thiết bị giải mã (STB) tại nhà khách hàng hoặc chơi Game trực tuyến qua màn hình Tivi

1.3.3 Dịch vụ tương tác: Interactive

Tiếp thị truyền hình (Tele-Marketing hoặc TVshopping): Mang đến cho

khách hàng thông tin về sản phẩm, dịch vụ để lựa chọn và mua sắm Với mục đích giới thiệu sản phẩm, dịch vụ này giúp khách hàng có thể đưa ra quyết định mua sắm chính xác hơn cho mình Khách hàng cũng có thể chọn mua (đặt hàng) thông qua Tivi và hàng sẽ được chuyển đến tận nhà khách hàng

Voting: Người dùng có thể trực tiếp tham gia vào các trò chơi trên truyền hình

như bình chọn cho ca sỹ yêu thích, trả lời câu hỏi của các chương trình như Ai là

triệu phú, Hãy chọn giá đúng…

E-learning: Trẻ em có thể học Tiếng Anh thông qua các đoạn video vui nhộn,

phim hoạt hình… và làm bài kiểm tra, biết kết quả trực tiếp qua Tivi

1.3.4 Dịch vụ thông tin: Information

Người dùng có thể dễ dàng xem trực tiếp (online) thông tin về dự báo thời tiết, giá vàng, thông tin thị trường chứng khoán, đọc báo và các dịch vụ tra cứu thông tin tiện dụng như Danh bạ, địa chỉ quán ăn ngon, khách sạn

1.4 Kiến trúc cơ bản của một hệ thống IPTV

Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống IPTV

Trung tâm dữ liệu: thường được gọi là headend Headend thu nhận dữ liệu từ

các nguồn khác nhau (video nội bộ, nhà sản xuất nội dung, cáp, vệ tinh, ) Các nội dung trên sẽ được xử lý qua các thiết bị mã hóa, định dạng trước khi được phát ra trên mạng IP

Mạng băng rộng: Việc truyền tải nội dung truyền hình đòi hỏi một băng thông

khá cao Sự phát triển trong công nghệ mạng trong thời gian vừa qua cho phép nhà cung cấp dịch vụ viễn thông có thể đáp ứng được yêu cầu này

Thiết bị tiếp nhận IPTV (IPTV consummer device – IPTVCD): là một thiết bị

quan trọng cho phép người dùng tiếp cận được đến các dịch vụ của IPTV IPTVCD

có nhiệm vụ nhận giải mã và xử lý tín hiệu video

Mạng gia đình: cho phép người dùng có thể chia sẻ các nội dung số cho các

thành viên khác trong gia đình Mục đích của mạng là cung cấp thông tin như âm thanh, hình ảnh, dữ liệu và các dịch vụ giải trí đến các thiết bị số khác nhau trong nhà

CHƯƠNG II: CÁC VẤN ĐỀ KỸ THUẬT CỦA IPTV

2.1 Giải pháp chung cho IPTV

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quan một hệ thống IPTV

2.1.1 Headend

Headend là trung tâm tiếp nhận và chuyển mã dữ liệu Thành phần này bao gồm các thiết bị thu nhận, chuyển mã và phát tán nội dung video theo các mẫu và gói cước kinh doanh Headend có thể được bố trí theo mô hình headend trung tâm và headend vùng để giảm được độ trễ tín hiệu tại các phân vùng xa trung tâm

Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế Headend

Headend có thể nhận một số lớn các tín hiệu truyền hình với các định dạng khác nhau Các tín hiệu này có thể là tín hiệu tương tự, do vậy không thể truyền đi trên mạng IP Các tín hiệu này cần phải được mã hóa thành tín hiệu số để truyền đi Các tín hiệu số khác có thể vẫn phải được xử lý thay đổi định dạng (transcode) để đồng

bộ định dạng tín hiệu trên mạng Trong thời điểm hiện tại, định dạng H.264 được lựa chọn nhiều nhất bởi các nhà cung cấp dịch vụ IPTV

2.1.2 Video-on-Demand – VoD

Video-on-Demand là một trong những dịch vụ chìa khóa của IPTV Nó thay đổi cách người dùng xem và tương tác với TV.Với VOD, người dùng có thể duyệt qua thư viện các chương trình hay bộ phim, lựa chọn và xem nó ngay lập tức Thêm nữa, VOD cho phép người cùng có thể lập một lịch chiếu của riêng mình thay vì phải phụ thuộc vào lịch của nhà cung cấp dịch vụ Dịch vụ này đã được triển khai trên các mạng truyền hình cáp và vệ tinh

Với sự xuất hiện của đường truyền băng rộng, dịch vụ VOD trên mạng IP đã phát triển một cách đáng kể

Cấu trúc của một hệ thống VOD

Ngoài mạng băng rộng, để triển khai một hệ thống VOD cần phải có các thành phần khác:

− Máy chủ VOD Streaming

− Khả năng streaming: hiệu quả của việc lấy và phát tán dữ liệu

− Khả năng phục hồi: khả năng phục hồi của phần cứng và phần mềm là đặc

điểm cốt lõi của một máy chủ Do vậy hệ thống dự phòng đĩa cứng, cáp và

vi xử lý cần được chú ý

− Khả năng lưu trữ: một máy chủ cần có khả năng lưu trữ cao và đồng thời

phải có khả năng mở rộng để đáp ứng sự lớn lên của nội dung cần lưu trữ

− Khả năng đa truy nhập: máy chủ phải có khả năng đáp ứng được yêu cầu

của nhiều người dùng đồng thời

− Khả năng hỗ trợ các định dạng dữ liệu: máy chủ có thể hỗ trợ một hay

nhiều định dạng dữ liệu khác nhau

− Khả năng tích hợp: máy chủ streaming phải có khả năng tích hợp với các

thành phần khác trong hệ thống IPTV (hệ thống hóa đơn, CAS/DRM,…)

− Khả năng nhập liệu thời gian thực: máy chủ phải hỗ trợ việc ghi lại các

chương trình truyền hình và lưu vào hệ thống lưu trữ

Hệ thống lưu trữ

Hệ thống lưu trữ cần phải có khả năng chứa được một số lượng lớn dữ liệu, đồng thời phải đảm bảo tính liên tục của dịch vụ (tính chịu lỗi) RAID level 5 (Redundant Array of Independent Disks) thường được sử dụng để đảm bảo các yêu cầu này RAID được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp IT để cải thiện tốc độ I/O

và bảo vệ các hệ thống nhạy cảm Sử dụng RAID còn cho phép việc mở rộng khả năng lưu trữ dễ dàng bằng cách thêm ổ đĩa vào hệ thống

Công nghệ xử lý và bộ nhớ

Các chíp xử lý mạnh được sử dụng để đáp ứng được yêu cầu về đa truy nhập và phát tán dữ liệu RAM cũng là một yếu tố quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả hoạt động của máy chủ streaming

Kết nối mạng

Kết nối giữa máy chủ streaming và mạng IP đòi hỏi một băng thông rất lớn Thông thường một kết nối GigE hoặc 10 GigE là cần thiết Kết nối GigE có khả

năng truyền đi 1000Mbps, tương đương với 240 stream với tốc độ bit trung bình 3.8Mbps

Phần mềm quản lý

Nhiều máy chủ VOD tập hợp lại thành một cluster Để tối ưu hóa hoạt động của cluster cần sử dụng một phần mềm quản lý Phần mềm quản lý thông thường phải

có các chức năng sau:

Quản lý Stream: tạo, hủy và điều khiển các phiên streaming là các chức năng

chính của phần mềm quản lý Khi stream đang được truyền trên mạng, phần mềm quản lý phải đảm bảo rằng nếu có lỗi xuất hiện việc truyền stream vẫn không bị ngắt đoạn

Cập nhập nội dung số: Phần mềm quản lý phải có chức năng tự cập nhập nội

dung số có trên máy chủ và đảm bảo tất cả các nội dung số có trong thư viện VOD

là chính xác

Quản lý Metadata: Metadata được sử dụng để lưu các thuộc tính khác nhau của

nội dung số Metadata được lưu dưới dạng XML Phần mềm quản lý có nhiệm vụ đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu này đối với mỗi nội dung số

Khả năng tìm kiếm: việc đánh index các nội dung số cho phép người dùng cuối

có thể thực hiện tìm kiếm trên các máy chủ VOD

Quản lý truy nhập: sử dụng các thành phần khác của mạng để điều khiển việc

truy nhập của người dùng vào cơ sở dữ liệu của máy chủ

Giao diện với IPTVCD: phần mềm quản lý cũng phải có nhiệm vụ giao tiếp với

IPTVCD để cung cấp các thông tin về nội dung số sẵn sàng để giao dịch đến phần mềm khách được cài trên nhiều loại IPTVCD

Kiến trúc máy chủ Video

Sự gia tăng số yêu cầu VOD theo thời gian dẫn đến việc một máy chủ VOD không thể hỗ trợ hết các yêu cầu Do vậy cần thiết phải có thêm các máy chủ khác

để các yêu cầu được phân về các máy chủ khác nhau nhằm đảm bảo tất cả các yêu cầu của người dùng được xử lý theo cách tốt nhất Vị trí của các máy chủ mới này

có thể nằm ở trung tâm hay được phân về các cùng khác nhau gần với IPTVCD hơn

Hình 2.3 Tổ chức tập trung các máy chủ VOD

Việc tập trung các máy chủ tại trung tâm giúp cho quản lý dữ liệu trên toàn mạng dễ dàng hơn Thêm vào đó trong một vài trường hợp có thể tiết kiệm được chi phí cho nhà cung cấp do không phải mua thêm nhiều máy chủ Trong khi đó, phân

và lắp đặt các máy chủ theo vùng cho phép tiết kiệm băng thông cho mạng lõi IP Tuy nhiên chi phí để lắp đặt thêm các trạm và khó khăn trong việc đồng bộ dữ liệu

là các mặt yếu của phương pháp này

Hình 2.4 Tổ chức phân tán các máy chủ VOD

Giao thức vận chuyển

Máy chủ streaming sử dụng RTP (Real-time Transport Protocol) và RTCP (Real-time Control Protocol) để đưa nội dung số đến người dùng đầu cuối Giao thức RTSP (Real-time Streaming Protocol) được sử dụng thêm để điều khiển các dòng dữ liệu

Ứng dụng tương tác VOD tại máy khách

Ứng dụng tại máy khách cung cấp cho IPTVCD khả năng giao tiếp với trung tâm dữ liệu dựa trên mô hình Client/Server Ứng dụng này sẽ giới thiệu cho người dùng một danh sách các nội dung cung cấp lên màn hình TV Nội dung được giới thiệu phụ thuộc vào gói cước mà người sử dụng đăng ký XML thường được sử dụng để tạo ra danh sách nội dung này

2.1.3 Hệ thống điều khiển truy nhập và DRM – CAS/DRM

Để bảo vệ nội dung số cung cấp trên mạng IPTV, nhà cung cấp dịch vụ cần đảm bảo rằng một hệ thống an ninh được cài đặt và sẽ cung cấp đầy đủ thông tin của từng người dùng truy cập vào mạng Ngoài định danh, hệ thống an ninh này còn phải bảo vệ nội dung số ở mọi bước trong quá trình vận chuyển trên mạng Thêm nữa các thông tin riêng tư của người dùng cũng phải cần được bảo vệ

Có nhiều phương pháp an ninh cho một mạng IPTV được đưa ra Các phương pháp đó hầu hết rơi vào các loại chính: Conditional Acess (CA) và Digital Right Management (DRM) CA bảo vệ hệ thống khỏi các truy cập bất hợp pháp, trong khi DRM bảo đảm quyền đọc thông tin của người dùng

Conditional Access – CA

Để có thể đạt được lợi ích tối đa từ dịch vụ IPTV, nhà cung cấp dịch vụ cần một

hệ thống CA để bảo vệ nội dung dịch vụ khỏi các truy cập bất hợp pháp CA hoạt động như một gateway có chức năng đảm bảo việc phát tán nội dung TV đến người dùng, ngăn những người dùng không có hợp đồng hợp pháp sử dụng dịch vụ Có hai phân loại chính cho một hệ thống CA: phần cứng, phần mềm và hybrid

CA dựa trên phần cứng

Nhìn chung các hệ thống CA dựa trên phần cứng hoạt động theo nguyên tắc chủ

và khách

Hình 2.5 Các thành phần chính của một hệ thống CA

Hệ thống xác thực người dùng – CAS

Hệ thống xác thực người dùng thông thường bao gồm một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin về dịch vụ (VOD, multicast TV), ID của cạc thông minh (smartcard), thông tin người dùng và thông tin về lịch chiếu CAS cộng tác với OBSS để quản lý người dùng theo các mô hình kinh doanh khác nhau

Người dùng chỉ có thể sử dụng dịch vụ sau khi đã giao dịch được quyền tương ứng Sau khi quyền xem được trao đổi, OBSS sẽ cung cấp thông tin này cho hệ thống CA Từ các thông tin này hệ thống CA sẽ tạo ra một thông điệp gọi là Entitlement Management Message(EMM) và gởi đến smartcard ở đầu STB EMM cho phép người dùng có thể xem được một nội dung TV nhất định

Hệ thống CA cũng tạo một EMM mới khi có sự thay đổi của thông tin người dùng Việc gởi EMM được thực hiện trên một kết nối độc lập so với nội dung IPTV

và thường sử dụng kết nối TCP

Mã hóa khóa

Để bảo vệ nội dung truyền IPTV sử dụng một giải thuật mã hóa khóa Ở phía đầu thu, người nhận sẽ phải sử dụng giải thuật giải mã tương ứng cùng với khóa để giải mã nội dung truyền Việc mã hóa khóa chỉ áp dụng cho phần tải tin của gói tin, phần header vẫn được giữ nguyên trạng Điều này giúp cho STB có thể nhận dạng gói tin và ghép nó cùng với các thành phần khác của luồng tin

Các khóa khác nhau được dùng cho các kênh nội dung khác nhau Khóa được gửi đến IPTVCD dưới đạng đã mã hóa trong thông điệp Entitlement Control Message (ECM) ECM được sinh ra bởi một máy chủ trong hệ thống IPTV và được thay đổi sau mỗi một khoảng thời gian nhất định Khác với EMM, được gán cho mỗi người dùng, ECM được gán cho mỗi kênh multicast hay unicast Hệ thống CA gởi thông điệp ECM đến người dùng sử dụng giao thức UDP

để lấy thông tin về các khóa mã

Hình 2.6 Hệ thống CA tại máy khách

Khóa mã, cùng với dòng dữ liệu TV mã hóa được đưa đến chip giải mã để thực hiện việc giải mã tín hiệu TV thành các định dạng chuẩn Tín hiệu TV được giải mã

và đưa đến các bộ đọc để hiển thị lên màn hình

Hệ thống CA có thể được tích hợp trong IPTVCD hoặc tách riêng thành một smartcard

Để giảm thiểu nguy cơ về an ninh, nhà cung cấp dịch vụ sử dụng một phương pháp liên kết giữa smartcard và IPTVCD Phương pháp này được gọi là ghép đôi và được thực hiện trong lần đầu tiên smartcard được nhận thực Ở giai đoạn này, ID của IPTCVD sẽ được lưu lại trên smartcard Sau khi quá trình này kết thúc, các nội dung IPTV chỉ có thể được xem trên hệ thống IPTVCD sử dụng smartcard đã được ghép đôi Trong trường hợp smartcard bị sao chép hoặc bị khóa, người sử dụng phải yêu cầu một smartcard mới từ nhà cung cấp dịch vụ để thay thế cho smartcard cũ

CA dựa trên phần mềm

Hệ thống CA đựa trên phần mềm là một cách tiếp cận khác của hệ thống CA cho IPTV, nó còn được gọi là CA không smartcard CA không smartcard thường có các tính chất sau:

− Không cần thiết bị đọc card: thiết bị đọc card không cần phải tích hợp trên

IPTVCD

− Có thể hồi phục nhanh sau vấn đề về an ninh: do không cần thay thế phần

cứng nên việc hồi phục nhanh

− Có thể áp dụng cho nhiều dịch vụ IPTV: có thể áp dụng cho mạng vệ tinh,

cáp hay mang mặt đất

− Sử dụng chứng chỉ số: hệ thống này sử dụng các chứng chỉ số để nhận diện

từng thành phần trong mạng IPTV

− Có thể hoạt động song song với CA phần cứng

Để có thể hoạt động liên tục, một hệ thống hỗ trợ là cần thiết Hệ thống hỗ trợ bao gồm các thành phần:

− Máy chủ mã hóa khóa

− Máy chủ quản lý khóa và nhận thực (KMAS)

− Modun bảo mật trên IPTVCD

Hình 2.7 Hệ thống CA không smartcard

Máy chủ quản lý khóa và nhận thực (KMAS)

Các chức năng chính của một KMAS:

− Tạo, lưu và quản lý các khóa dùng để mã hóa các kênh trực tiếp hoặc các nội dung VOD

− Phân phát một cách an toàn các khóa đến người dùng

− Cung cấp các thông tin giao dịch cho OBSS

Ngoài các chức năng trên, KMAS còn có chức năng thay đổi khóa mã hóa thường xuyên

Modun bảo mật tại máy khách

Modun phần mềm tại máy khách có chức năng tương tự như chip giải mã trong

CA phần cứng Phần mềm này có chức năng giải mã nội dung video trong thời gian thực Nó thường được tích hợp vào IPTVCD và dễ dàng nâng cấp bằng việc tải về

từ trung tâm dữ liệu của nhà cung cấp dịch vụ

Public Key Infrastructure – PKI

CA dựa trên phần mềm sử dụng công nghệ Puplic Key Infrastructure (PKI) Trong công nghệ này, mỗi cá nhân được đại diện bởi một cặp khóa: một khóa công cộng và một khóa cá nhân Để thực hiện định danh người dùng IPTV sử dụng chữ

ký số Một chữ ký số có tác dụng như là một chữ ký trên giấy Chữ ký số được tạo

ra bằng cách sử dụng một thuật toán cùng với khóa cá nhân của người ký để tạo ra một đoạn mã Đoạn mã này sẽ được gởi đi cùng với dữ liệu Tại đầu nhận, khóa công cộng của người gởi sẽ được sử dụng để giải mã đoạn mã đính kèm Kết quả sẽ được so sánh với dữ liệu đính kèm, nếu chúng khác nhau, nghĩa là dữ liệu đã bị thay đổi và do đó sẽ bị bỏ đi Chuẩn chữ ký số được sử dụng nhiều nhất trong IPTV là X.509 được đưa ra bởi ITU

Hoạt động của một CA không có smartcard

Hoạt động của một CA bao gồm các bước:

Bước 1: Khi STB được bật lên, nó sẽ thực hiện quét tìm máy chủ CA Thông

thường, thông tin về địa chỉ IP của máy chủ CA đã được cấu hình sẵn trong STB

Bước 2: Sau khi tìm được máy chủ CA, STB sẽ thông báo cho máy chủ sự có

mặt của nó trong mạng và gởi đi một yêu cầu khóa giải mã

Hình 2.8 Hoạt động của một CA phần mềm

Bước 3: Máy chủ bắt đầu quá trình định danh người dùng bằng cách gởi yêu

cầu định danh đến STB

Bước 4: Phần mềm trong STB khi nhận được yêu cầu sẽ tải lên máy chủ thông

tin định danh của mình

Bước 5: Máy chủ nhận được thông tin định danh và tiến hành kiểm tra Nếu

STB là hợp lệ, máy chủ thực hiện gởi khóa mã đến STB

CA hybrid

CA hybrid là sự kết hợp giữa phần mềm và phần cứng Trong loại CA này, việc giải mã tín hiệu được tích hợp sẵn vào IPTVCD dưới dạng chip Trong khi đó, việc thực hiện chứng thực được thực hiên như CA phần mềm

Digital Right Management – DRM

Dù đã có sự bảo vệ bằng cách định danh người dùng Việc lưu và phát tán lại nội dung video có thể dễ dàng thực hiện được tại STB nếu không có một phương pháp bảo vệ đủ mạnh DRM được đưa ra nhằm đáp ứng nhu cầu này của các nhà cung cấp nội dung cũng như cung cấp dịch vụ Đối với hai dịch vụ cơ bản của IPTV – VOD và TV, mỗi dịch vụ có các yêu cầu về DRM khác nhau

Đối với VOD, nội dung video sẽ được phân mảnh và đối với mỗi mảnh sẽ sử dụng một khóa mã đối xứng khác nhau để mã hóa Việc thay đổi khóa mã nhiều lần trong quá trình truyền sẽ giúp nâng cao được độ an toàn Các khóa được sử dụng để

mã hóa có thể được truyền đến IPTVCD sử dụng cơ chế PKI hoặc trong bản tin EMM Đối với TV, cũng tương tự như đối với VOD Tuy nhiên do việc truyền các kênh TV theo thời gian thực nên việc thay đổi các khóa mã được thực hiện theo một tần số nhất định Các nhà cung cấp nội dung luôn yêu cầu một cơ chế bảo mật tốt nhất cho dữ liệu của họ, bao gồm cả việc ứng dụng các thuật toán mã hóa tốt nhất (ví dụ AES) Một yêu cầu khác cho DRM là nội dung được bảo vệ sẽ phải được phát đi dưới dạng không đọc được và chỉ được giải mã tại đích của nó

Hệ thống DRM giao tiếp với các phần tử khác dựa trên chuẩn XML Các ứng dụng DRM thường phải hỗ trợ được các chuẩn được lựa chọn bởi nhà cung cấp dịch

vụ IPTV (ví dụ MGEP-2, MPEG-4…) Để có thể cung cấp được một mức an toàn chấp nhận được, giải thuật băm SHA-1 được sử dụng để bảo vệ toàn vẹn dữ liệu và AES để mã hóa dữ liệu Các tập tin XML giao tiếp giữa DRM và các phần tử khác thường phải được bảo vệ bởi SHA-1

Có nhiều cách để DRM giao tiếp với STB Thông thường giao tiếp này được thực hiện thông qua trung gian là middleware Trong trường hợp này, middleware

sẽ là thành phần duy nhất có thể nhận các yêu cầu từ STB, bao gồm cả các yêu cầu

về khóa DRM DRM cũng còn có thể được cho phép giao tiếp trực tiếp với STB để thực hiện việc giao chuyển khóa

DRM áp dụng cho VOD

Để đảm bảo độ an toàn cho dữ liệu đồng thời giảm tải trong thời gian thực cho máy chủ Nội dung VOD thông thường được mã hóa trước và được lưu sẵn trên hệ thống lưu trữ Quá trình chuẩn bị và cung cấp nội dung VOD bao gồm:

− Mã hóa nội dung gốc

− Lưu trữ nội dung đã mã hóa

− Yêu cầu khóa từ STB

− Phân quyền người dùng (middleware) và cung cấp khóa (KMAS)

− Giải mã nội dung tại STB

Mã hóa nội dung gốc: Khi nhận được nội dung VOD từ nhà cung cấp nội dung

(file hoặc stream), DRM sẽ yêu cầu khóa mã hóa và giải thuật mã hóa từ KMAS KMAS thông thường đã được cấu hình trước một thuật toán nhất định và sẽ tạo ra một khóa sau đó gởi cho DRM Sử dụng thuật toán và khóa được gởi từ KMAS, DRM thực hiện mã hóa nội dung VOD và gởi đến trung tâm lưu trữ đễ lưu lại nội dung đã mã hóa

Lưu trữ nội dung mã hóa: Nội dung đã được mã hóa sẽ được lưu trên máy chủ

lưu trữ và sẵn sàng để gởi đến người dùng Ở đây, nội dung sẽ được bảo vệ khỏi các truy cập bất hợp pháp Thậm chí ngay cả khi đã được gởi đến người dùng nội dung

số vẫn còn ở dạng mã hóa

Việc cập nhập nội dung sẽ được thông báo đến Content Management Server (CMS)

và middleware

STB yêu cầu khóa: Khi người dùng chọn xem một chương trình và gởi yêu cầu

đến middleware Người dùng tiếp theo cần phải được định danh trước khi có thể truy cập được vào nội dung yêu cầu

Phân quyền người dùng (ở middleware) và cung cấp khóa (ở KMAS): Khi nhận

được yêu cầu của người dùng, middleware thực hiện chứng thực và phân quyền cho người dùng dựa trên các quy luật kinh doanh Nếu người dùng vượt qua được bước chứng thực, yêu cầu sẽ được gởi đến DRM sau đó khóa mã sẽ được gởi đi đến STB

Giải mã nội dung tại STB: Nhận được khóa mã, STB đủ điều kiện để giải mã

luồng tin đến

DRM áp dụng cho TV

Do đặc trưng thời gian thực của các kênh TV, việc áp dụng DRM cho các kênh

TV có một số khác biệt so với VOD Quá trình mã hóa và cung cấp các kênh TV bao gồm:

− Mã hóa nội dung kênh TV

− Gửi nội dung mã hóa đến máy chủ streaming

− Máy chủ DRM đăng ký nội dung đã mã hóa với CMS và middleware

− STB yêu cầu khõa mã cho kênh TV nhất định

Mã hóa nội dung kênh TV: Tương tự như DRM cho VOD, khóa mã sẽ được yêu

cầu từ KMAS và dùng để mã hóa luồng tin Khóa mã có thể giống nhau cho tất cả các kênh hoặc mỗi kênh sẽ sử dụng một khóa mã riêng Tất cả các khóa mã sẽ được thay đổi theo chu kỳ

Gởi nội dung mã hóa đến máy chủ streaming: Sau khi đã được mã hóa, nội

dung sẽ được gởi đến máy chủ streaming để phát lên mạng IP

Máy chủ DRM đăng ký nội dung đã mã hóa với CMS và middleware: Nội dung

được mã hóa phải được đăng ký với middleware để cung cấp cho người dùng

STB yêu cầu khõa mã cho kênh TV nhất định: Khi người dùng chọn xem một

kênh nhất định người dùng sẽ yêu cầu khóa đến middleware Dựa trên thời gian có hiệu lực của khóa mã, quá trình này có thể được lặp lại nhiều lần trong quá trình xem

2.1.4 Hệ thống Middleware

Middleware là một hệ thống phần mềm kết nối các phần mềm và ứng dụng khác nhau Phần mềm này bao gồm một số các dịch vụ cho phép nhiều quy trình có thể chạy trên một hoặc nhiều máy và tương tác với nhau trên mạng Middleware sử dụng các giao diện chuẩn khác nhau để thực hiện giao tiếp giữa các phần tử Việc

sử dụng các giao diện chuẩn cho phép dễ dàng tích hợp các thành phần khác nhau của các nhà sản xuất khác nhau đồng thời dễ dàng mở rộng dịch vụ

Đối với một hệ thống IPTV, middleware thường phải giao tiếp với các thành phần: CAS/DRM, VOD, BSS/OSS, các máy chủ EPG, các máy chủ ứng dụng và hệ thống quản lý kiểm soát

Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống middleware Giao diện với CAS/DRM: Middleware có chức năng điều khiển và quản lý quá

trình mã hóa khóa và phân khóa của CAS/DRM Việc điều khiển này được thực hiện bằng giao thức SOAP Đối với các hệ thống IPTV việc cung cấp nội dung cho VOD được thực hiện thông qua middleware hai kết nối FTP với DRM là cần thiết (một để đưa nội dung chưa mã hóa đến DRM, một để đưa nội dung đã mã hóa từ DRM thông qua middleware đến máy chủ lưu trữ ở VOD)

Giao diện với VOD: Thông thường các máy chủ VOD không được phép giao

tiếp trực tiếp với các nhà cung cấp nội dung Nội dung cung cấp trước tiên sẽ được

mã hóa tại DRM và sau đó được middleware chuyển đến máy chủ VOD Việc ghi nội dung này được thực hiện bằng giao tiếp FTP giữa middleware và máy chủ VOD Để có thể yêu cầu danh sách các nội dung có trên máy chủ VOD, middleware

sử dụng giao thức http

Giao diện với BSS/OSS: Để giao tiếp với hệ thống BSS/OSS giao thức thường

được sử dụng là SOAP Các chức năng chính của BSS/OSS gồm: đồng bộ thông tin

về dịch vụ và sản phẩm, hệ thống chăm sóc khách hàng, quản lý người dùng Một

số giao thức khác có thể được sử dụng để có thể đáp ứng được các chức năng khác

Giao diện với Hệ thống quản lý: Giao thức SNMP được sử dụng để quản lý và

điểu khiển các thành phần trong hệ thống mạng

2.1.5 Set-Top-Box – STB

Set-Top-Box là một thiết bị chìa khóa trong một hệ thống IPTV STB cho phép người sử dụng có thể truy cập và sử dụng các dịch vụ IPTV STB một phía được kết nối với mạng IPTV, phía kia được kết nối đến TV của người sử dụng để chiếu nội dung IPTV Một STB đòi hỏi phải thực hiện được ba chức năng cơ bản: nhận luồng

dữ liệu IPTV, giải mã luồng dữ liệu và hiển thị nội dung lên màn hình Việc chuyển đổi và hiển thị nội dung IP được thực hiện bởi các phần cứng chuyên biệt

STB unicast và multicast

Mô hình khối cấu tạo của một STB cơ bản hỗ trợ unicast và multicast như hình vẽ:

Hình 2.10 Mô hình khối cấu tạo của một STB cơ bản

Bộ xử lý lõi: Bộ xử lý lõi là một chip vi xử lý có các chức năng như khởi tạo các

phần cứng của STB, đọc các gói tin IPTV, chạy hệ điều hành trên STB, đọc và ghi

dữ liệu trên bộ nhớ, theo dõi hoạt động của các thiết bị phần cứng, và thực hiện các dịch vụ phụ thêm khác Bộ xử lý lõi, về mặt vật lý có thể có các hình thù, cấu trúc khác nhau và do vậy tốc độ xử lý cũng khác nhau Hiện nay, bộ xử lý lõi có thể

được xây dựng trên các công nghệ vi mạch tiên tiến cho ta tốc độ xử lý cao và có thể thực hiện một lúc nhiều ứng dụng khác nhau trên STB

Bộ nhớ: Cũng như một máy tính STB cũng cần có bộ nhớ để hoạt động Bộ nhớ

của STB được chia làm 2 loại RAM và ROM RAM là một hệ thống lưu trữ tạm thời được sử dụng để lưu trữ dữ liệu của một phiên làm việc, các dữ liệu sẽ mất đi khi ta tắt STB Có nhiều loại RAM trên một STB, bao gồm: Video RAM, Dynamic RAM và NVRAM ROM là vùng bộ nhớ dùng để lưu các dữ liệu quan trọng của STB như cấu hình mạng, hệ điều hành…Người dùng không thể xóa hay thay đổi dữ liệu chứa trong ROM, và dữ liệu đó không mất đi khi ta tắt STB

Demultiplexer: Mỗi gói tin đi vào đầu vào của demultiplexer sẽ được phân loại

nhờ vào một giá trị PID Một PID có thể mang ba giá trị khác nhau, định danh ba loại gói tin khác nhau: gói tin video, gói tin audio và gói tin dữ liệu Đối với mỗi loại gói tin, demultiplexer sẽ chuyển đến bộ đệm và tiếp theo là bộ giải mã tương ứng Bộ đệm được sử dụng để lưu các bit dùng để xây dựng lại các khung hình và

để đảm sự đồng bộ của các tín hiệu

Hình 2.11 Hoạt động của một Demultiplexer

Hệ thống bảo mật: Là một thành phần quan trọng khác của một STB Hệ thống

này cho phép nhà cung cấp dịch vụ có thể quản lý và điều khiển nội dung và thời

gian cung cấp dịch vụ cho người xem Mục đích chính của chip này là sử dụng khóa được cung cấp từ nhà cung cấp dịch vụ để giải mã các nội dung video and audio

Bộ giải mã Video: Bộ giải mã video đảm nhận trách nhiệm xử lý các dòng dữ

liệu IPTV Thông thường nó hỗ trợ giải nén các chuẩn nén thông dụng như

MPEG-2, MPEG-4…Chức năng này có thể được cung cấp dựa trên phần mềm (sử dụng chip Digital Signal Processor - DSP) hoặc một hệ thống các phần cứng chuyên dụng Chú ý rằng bộ giải mã video có thể được tích hợp vào bộ xử lý lõi

Bộ giải mã Audio: Tương tự như bộ giải mã video, bộ giải mã audio đảm nhận

việc xử lý các tín hiệu âm thanh từ dòng dữ liệu chính IPTV Để có thể đạt được các tiêu chuẩn chất lượng, bộ giải mã audio thường phải hỗ trợ các chuẩn âm thanh như MPEG Layer I, II, III, Dolby Digital 5.1 Surround Sound, Dobly Digital Plus, WMA và WMA Pro Thông thường việc giải mã tín hiệu audio được thực hiện trên một chip DSP

Hầu hết các thành phần cơ bản của STB unicast multicast cơ bản đều có trong Stand-Alone DVR STB Ngoài các thành phần cơ bản đó ra, Stand-Alone DVR STB còn có thêm một đĩa cứng với các chức năng như lưu các phần mềm quan trọng của STB, lưu các thông tin hệ thống và người dùng và lưu nội dung VOD

Multiroom DVR STB

Với loại STB này, người dùng IPTV có thể nhận và xem các nội dung đã lưu trên đĩa cứng tại các phòng khác nhau trong nhà Mỗi phòng cần có một STB để có thể truy cập vào DVR STB

2.2 Công nghệ nén hình ảnh

Việc nén dữ liệu video cho phép truyền tín hiệu video and audio chất lượng cao trên một mạng IP băng rộng Nguyên lý cơ bản của việc nén dữ liệu dựa trên sự thật

là mắt chúng ta không thể nhận biết được tất cả các thành phần của một hình ảnh

Do vậy, các phương pháp nén sẽ giảm kích thước của ảnh bằng cách bỏ đi các thành phần không thể nhận biết Các phương pháp nén được chia ra thành hai loại : nén không mất dữ liệu và nén mất dữ liệu

Nén không mất dữ liệu cho phép đầu cuối có thể tạo lại một hình ảnh hoàn hảo trên màn hình Các phương pháp nén này thường không được sử dụng nhiều trong IPTV

Phần lớn các phương pháp nén được sử dụng trong IPTV là nén mất dữ liệu Phương pháp nén này cho phép tỉ lệ nén lớn hơn tuy nhiên một số thông tin sẽ bị mất đi Các phương pháp nén hiện đại cho phép tỉ lệ dữ liệu mất đi ở mức chấp nhận được

Trong thời điểm hiện tại, các phương pháp nén MPEG được sử dụng hầu hết trên các hệ thống IPTV

MPEG

MPEG là một chuẩn nén được sử dụng rộng rãi bởi truyền hình vệ tinh, truyền hình cáp và các loại truyền hình kỹ thuật số MPEG là viết tắt của Moving Picture Expert Group Từ khi thành lập đến nay MPEG đã đưa ra một số lớn các chuẩn nén khác nhau – MPEG -1, MPEG -2, MPEG -4, MPEG -7, MPEG -21

MPEG -2 và MPEG -4 Part 10 (H.264) là hai chuẩn được sử dụng nhiều nhất trong công nghệ IPTV

Nén MPEG - 2

MPEG -2 là một chuẩn nén thống trị trong công nghiệp truyền hình số Chuẩn nén MPEG -2 được phân chia thành hai loại : nén video và nén âm thanh

Nén Video

Video trong định dạng tự nhiên là một chuỗi các hình tĩnh được phát ra theo một thứ tự nhất định Mỗi một hình tĩnh được gọi là một khung hình Mắt người có thể nhìn thoải mái với tốc độ khung hình là 25 hình trong một giây

Từ tín hiệu tương tự chuyển sang tín hiệu số, các khung hình được số hóa thành mảng các thành phần được gọi là pixel Mỗi pixel được biểu diễn bởi ba giá trị, một giá trị độ sáng (Y) và hai giá trị màu (Cb và Cr) Để giảm kích thước của mỗi khung hình, một phương pháp thông dụng là xóa bớt các giá trị độ màu Có thể áp dụng phương pháp này do mắt người nhận biết độ sáng rõ hơn là chi tiết về độ màu Với định dạng màu 4:2:2, một nửa các giá trị độ màu đã bị xóa; 4:2:0, ba phần tư giá trị

độ màu bị xóa Nếu không có giá trị độ màu nào bị xóa, định dạng màu sẽ là 4:4:4 Trong MPEG -2, các khung hình trong định dạng tự nhiên sẽ tiếp tục được nén thành các khung hình I (intra-coded frame – I-frame), khung hình P (predictive-coded frame – P-frame) và khung hình B (bidirectionally-predictive-coded frame – B-frame)

Khung hình I là các khung hình được nén lại từ các khung hình tự nhiên (khung hình thô) Việc nén tạo thành khung hình I được thực hiện bằng các phương pháp nén phổ (xóa bớt các phổ mà mắt thường không nhận biết được) I-frame không phụ thuộc vào khung hình trước hay sau nó Khung hình thô sẽ được chia ra thành các khối (block) kích thước 8x8 pixel Mỗi khối sẽ được chuyển qua miền tần số bằng các phép biến đổi cosin Các giá trị trong miền tần số này sẽ được lượng tử hóa và sau đó sẽ được nén lại bằng các thuật toán nén “run-length codes” và sau đó là

“Huffman coding” Kết quả cuối cùng thu được là một dãy số có kích thước nhỏ hơn kích thước ban đầu Dãy số này chính là khung hình I sẽ được truyền đi đến đầu cuối

Thông thường cứ mỗi 15 khung hình lại có một khung hình I Các khung hình P

và B sẽ nối tiếp khung hình I để tạo thành một nhóm ảnh (Group-of-Pictures - GOP) Tuy nhiên số lượng khung hình trong một GOP có thể thay đổi Một GOP thường có cấu trúc như sau :

[I B B B P B B B P B B B P B B B P]

Khung hình P là loại khung hình có độ nén cao hơn khung hình I vì nó lợi dụng các dữ liệu đã có trong khung hình ở trước nó (có thể là khung hình I hay là một khung hình P khác) Để tạo ra môt khung hình P, khung hình thô tại đó sẽ được nén lại như một khung hình I Đồng thời khung hình trước nó được xây dựng lại giống như là nó sẽ được xây dựng lại ở đầu thu Khung hình đã được nén sẽ được chia tiếp tục ra thành các marcroblock có kích thước 16x16 Đến lượt các marcroblock này sẽ được so sánh với khung hình đã được dựng lại để tìm ra vị trí khớp nhất của nó trong khung hình được dựng lại Sự di chuyển này của marcroblock sẽ được lưu lại như là một vector chuyển động (motion vector) Sự trùng khớp này thường là không hoàn hảo, do vậy cần thêm các hiệu số điều chỉnh để bù đắp lại sự khác nhau này Các hiệu số điều chỉnh sẽ được tính toán và ghép vào sau vector chuyển động và tất

cả các dữ liệu này sẽ được lưu lại cho mỗi marcroblock trong khung hình P Nếu không có sự trùng khớp nào được tìm thấy, khung hình này sẽ được xử lý như là một khung hình I

Quá trình để tạo ra khung hình B cũng tương tự như khung hình P nhưng khung hình B sử dụng cả khung hình ngay trước và ngay sau nó để nén dữ liệu Kết quả là khung hình B thông thường có tỉ lệ nén cao hơn khung hình P và I

Chú ý rằng thứ tự các khung hình được truyền đi thường không giống với thứ tự

mà các khung hình được chiếu lên màn hình do thiết bị giải mã cần phải xây dựng lại các khung hình I và P trước khi có thể xây dựng lại khung hình B

Hình 2.12 Tổ chức theo bậc của các thành phần trong MPEG

MPEG -2 hỗ trợ một số lớn các ứng dụng từ di động cho đến các loại video

có độ nét cao Cho một vài ứng dụng, việc hỗ trợ hoàn toàn chuẩn này trở nên đắt

và không hợp lý Do vậy các profile và mức (level) được định nghĩa

Mỗi profile định nghĩa một tập các đặc trưng ví dụ như giải thuật nén, định dạng màu,…Level định nghĩa tập các năng lực về số lượng ví dụ như bit rate lớn nhất, kích cỡ khung hình lớn nhất,…

Tỷ lệ khung hình

Chế độ scalable

SP Simple profile I, P 4:2:0 Pixel vuông, 4:3,

MPEG-4 là một sự kế thừa từ MPEG-2 Ngoài các chuẩn nén MPEG-4 còn đưa

ra một số lớn các đặc trưng hỗ trợ xử lý một mảng rộng các định dạng truyền thông

đa phương tiện MPEG-4 bao gồm các chuẩn khác nhau có thể được dùng riêng rẽ hoặc đồng thời

Tính đến thời điểm hiện tại (08/2009), MPEG-4 bao gồm 22 chuẩn Các phần

cơ bản được định nghĩa trong chuẩn 1 (hệ thống), chuẩn 2 (hình ảnh), chuẩn 3 (âm thanh) Chuẩn 6 DMIF (Delivery Multimedia Integration Framework) tiêu chuẩn hóa giao diện giữa ứng dụng và hệ thống lưu trữ Chuẩn 4 hướng dẫn cách kiểm tra

và ứng dụng MPEG-4, chuẩn 5 đưa ra một mô hình phần mềm mẫu ứng dụng MPEG-4

Chuẩn 7 định nghĩa bộ mã hóa tối ưu cho MPEG-4 Chuẩn 8 chuẩn hóa cách truyền MPEG-4 trên mạng IP Chuẩn 9 đưa ra các chú thích cho phần cứng Chuẩn

10 – Mã hóa video tiên tiến (Advanced Video Coding) hiện đang là chuẩn MPEG-4 được sử dụng rộng rãi nhất, chi tiết về MPEG-4 Part 10 sẽ được nói tới ở sau

Các chuẩn 12, 14, 15 định nghĩa các định dạng file MP4, AVC

Các chuẩn MPEG-4 tiếp theo (16, 17,…22) hiện tại vẫn chưa được ứng dụng nhiều

MPEG -4 Part 10 (H.264)

Để đáp ứng được nhu cầu của người sử dụng về các dịch vụ chất lượng cao như HDTV hay VoD MPEG đã đưa ra một chuẩn nén video mới gọi là MPEG-4 part

10, hay H.264 vào năm 2002 Những ưu điểm cơ bản của MPEG-4 Part 10 gồm :

− Hiệu suất cao: H.264 có tỉ lệ nén cao hơn so với các chuẩn nén trước đó Do

vậy nó cho phép truyền đi dịch vụ chất lượng cao trên một mạng băng thông gới hạn

− Tương thích với các hệ thống mạng hiện có: cho phép các nhà cung cấp dịch

vụ sử dụng lại hệ thống mạng IP có sẵn

− Hỗ trợ HDTV: với tỉ lệ nén cao của H.264 việc truyền đi các nội dung video

với chất lượng DVD trở nên dễ dàng hơn

− Được lựa chọn bởi nhiều nhà sản xuất thiết bị: sự thật là MPEG-4 là một

chuẩn mở nên nó đã được hỗ trợ rộng rãi Nhiều nhà sản xuất khuyên nên dùng H.264 trên các thiết bị của họ

− Giảm không gian lưu trữ: độ nén cao cho phép giảm không gian cần thiết để

lưu trữ các nội dung video trên server

− Được sử dụng rộng rãi trên các ứng dụng

− Độc lập với lớp vận chuyển: nội dung nén H.264 có thể được chuyển đi trên

hầu hết các mạng (ATM, RTP, TCP, UDP)

− Thích ứng dễ dàng vào mạng chất lượng thấp: chức năng sửa và dấu lỗi

được tích hợp sẵn cho phép H.264 hoạt động tốt trên các mạng tốc độ thấp

Cấu trúc kỹ thuật của H.264

Việc mã hóa của H.264 khá giống mã hóa của MPEG-2 Tất nhiên có thêm nhiều cải tiến đáng kể

Giống như MPEG-2, H.264 sử dụng việc mã hóa và đoán trước để giảm kích thước của từng khung hình Tuy nhiên, trong H.264 các phép chuyển qua miền tần

số được áp dụng cho các macroblock cạnh nhau Sự tiếp cận này dựa trên giả thuyết rằng sự khác nhau giữa các macroblock gần nhau là bé nhất Do vậy, việc xây dựng lại một macroblock được thực hiện bằng cách dựa trên một macroblock khác kề nó Phương pháp này giảm số bit đáng kể so với việc áp dụng phép chuyển trực tiếp lên từng macroblock

Việc chia một ảnh ra thành các macroblock cũng được thay đổi trong H.264 Macroblock kích thước 16x16 của MPEG-2 có thể được chia nhỏ đến kích thước nhỏ nhất 4x4 Việc chia nhỏ này cho phép việc mã hóa có thể làm việc với các chuyển động chi tiết hơn