Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ IPTV/VOD trên hạ tầng mạng truyền hình cáp HFC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM NGỌC HƯNG NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ IPTV/VOD TRÊN HẠ TẦNG MẠNG TRUYỀN HÌNH CÁP HFC LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM NGỌC HƯNG NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ IPTV/VOD TRÊN HẠ TẦNG MẠNG TRUYỀN HÌNH CÁP HFC Ngành: Cơng nghệ thơng tin Chuyên ngành: Truyền liệu mạng máy tính Mã số: 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Lê Nhật Thăng Hà Nội - 2011 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ IPTV, CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG IPTV 1.1 Giới thiệu IPTV 1.1.1 Khái niệm IPTV 1.1.2 Đặc trƣng IPTV 1.1.3 Sự khác biệt IPTV truyền hình Internet 1.1.4 Ƣu điểm IP lựa chọn IP cho IPTV 1.1.5 Sơ đồ, cấu trúc hạ tầng IPTV 1.1.5.1 Sơ đồ mạng IPTV 1.1.5.2 Cấu trúc chức dịch vụ IPTV 1.1.6 Các dịch vụ IPTV 1.1.6.1 Các dịch vụ video IPTV 10 1.1.6.2 Các dịch vụ IPTV audio 11 1.1.6.3 Các dịch vụ IPTV gaming 12 1.1.6.4 Các dịch vụ thơng tin tích hợp 12 1.1.6.5 Các dịch vụ quảng cáo 13 1.2 Các công nghệ phân phối mạng IPTV 14 1.2.1 Phân phối IPTV mạng truy cập cáp quang 14 1.2.2 Phân phối IPTV mạng DSL 14 1.2.2.1 ADSL 15 1.2.2.2 ADSL2 16 1.2.2.3 VDSL 16 1.2.3 Phân phối IPTV mạng Internet 18 1.2.3.1 Các kênh truyền hình Internet streaming 19 1.2.3.2 Download Internet 20 1.2.3.3 Chia sẻ video ngang hàng 21 1.2.4 Phân phối IPTV mạng truyền hình cáp 21 1.2.4.1 Tổng quan kỹ thuật HFC 21 1.2.4.2 IPTV phân phối mạng truyền hình cáp 22 1.3 Chuẩn nén liệu sử dụng IPTV 24 1.3.1 Tổng quan nén MPEG 24 1.3.2 ITU-T H.264/AVC 25 1.3.2.1 Giới thiệu 25 1.3.2.2 Phạm vi ứng dụng điểm tiêu biểu H.264/AVC 26 1.3.2.3 Ƣu điểm H.264/AVC 28 1.4 Một số giao thức sử dụng mạng IPTV 29 1.4.1 Truyền dẫn Multicast 29 1.4.2 Truyền dẫn Unicast 30 1.4.3 Các giao thức khác 30 1.5 Kết luận chƣơng 31 CHƢƠNG 32 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ IPTV 32 2.1 Giới thiệu chung chất lƣợng dịch vụ IPTV 32 2.1.1 Khái niệm QoS, QoE 32 2.1.1.1 Khái niệm QoS 32 2.1.1.2 Khái niệm QoE 32 2.1.2 Quan hệ QoS QoE 33 2.1.3 Sự cần thiết QoS, QoE mạng IPTV 36 2.1.4 Các yêu cầu chất lƣợng dịch vụ IPTV 37 2.2 Các tham số đánh giá chất lƣợng dịch vụ QoS chất lƣợng trải nghiệm QoE 37 2.2.1 Tham số đánh giá chất lƣợng dịch vụ QoS 37 37 2.2.1.2 Băng thông – Bandwidth 38 2.2.1.3 Độ trễ - Delay 39 2.2.1.4 Độ biến thiên trễ - Delay variation/Jitter 39 2.2.1.5 Mất gói – Packet loss 40 2.2.1.6 Nghẽn server 40 2.2.1.7 Mạng lõi, mạng truy nhập mạng thuê bao 41 2.2.2 Tham số đánh giá chất lƣợng dịch vụ QoE 41 2.3 Các tiêu chuẩn áp dụng cho chất lƣợng dịch vụ IPTV 43 2.3.1 Tiêu chí chất lƣợng tín hiệu video/audio 43 2.3.2 Tiêu chí truyền dẫn 44 2.3.3 Tiêu chí thời gian tƣơng tác 45 2.3.4 Tiêu chí đồng tín hiệu hình tiếng 45 2.3.5 Các tiêu chí chất lƣợng phục vụ 46 2.3.5.1 Độ khả dụng dịch vụ 46 2.3.5.2 Thời gian thiết lập dịch vụ 46 2.3.5.3 Thời gian khắc phục dịch vụ 47 2.4 Kết luận chƣơng 47 CHƢƠNG 48 CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ IPTV/VOD TRÊN MẠNG TRUYỀN HÌNH CÁP HFC VCTV 48 3.1 Giới thiệu mạng Truyền hình Cáp VCTV 48 3.1.1 Giới thiệu chung VCTV 48 3.1.1.1 Lịch sử dịch vụ VCTV 48 3.1.1.2 Cơ cấu tổ chức 50 3.1.2 Phân tích trạng mạng VCTV 50 3.1.2.1 Tổng quan hệ thống mạng truyền hình cáp VCTV 51 3.1.2.2 Thực trạng hệ thống truyền hình cáp VCTV 55 3.2 Case Study: Triển khai hệ thống IPTV mạng Cáp VCTV 57 3.2.1 Sơ đồ, cấu trúc hệ thống 57 3.2.2 Kết đo tham số 58 3.2.3 Nhận xét, đánh giá chất lƣợng dịch vụ 64 3.3 Một số giải pháp nâng cao chất lƣợng dịch vụ IPTV/VOD mạng truyền hình cáp HFC VCTV 65 3.3.1 Nâng cao hiệu quản lý, theo dõi, giám sát hệ thống 65 3.3.1.1 Các biện pháp đảm bảo QoS IPTV Head-end 65 3.3.1.2 Các biện pháp đảm bảo QoS mạng quản lý 66 3.3.1.3 Các biện pháp đảm bảo QoS Home network 66 3.3.1.4 Các biện pháp đảm bảo QoS mạng truyền dẫn 66 3.3.2 Tối ƣu thiết kế mạng đáp ứng chất lƣợng dịch vụ IPTV 70 3.3.2.1 Thiết kế hệ thống mạng cáp Hà Nội 70 3.3.2.2 Sự cần thiết phải đầu tƣ cải tạo, nâng cấp mạng cáp quang 71 3.3.2.3 Phân tích lựa chọn phƣơng án kỹ thuật công nghệ 71 3.3.3 Triển khai DOCSIS 3.0 74 3.3.3.1 Giới thiệu tổng quan DOCSIS 74 3.3.3.2 DOCSIS 3.0 79 3.3.3.3 Triển khai DOCSIS 3.0 82 3.4 Kết luận chƣơng 86 KẾT LUẬN 87 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH 88 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt ADSL AON AQM ATM BPON CATV CMTS CPU CWDM DHCP DF DOCSIS DRM DSL DSLAM DWDM EPON EQAM ETSI FEC FTP FTTC FTTH FTTN GPON HD HDTV HFC HUB Nghĩa Tiếng Anh Asymmetric Digital Subscriber Line Active Optical Network Active Queue Management Asynchronnuos Transfer Mode Broadband Passive Optical Network Collective Antenna Television/ Community Antenna Television Cable Modem Termination System Central Processing Unit Coarse Wavelength Division Multiplexing Dynamic Host Configuration Protocol Delay Factor Data Over Cable Service Interface Specification Nghĩa Tiếng Việt Đƣờng dây thuê bao số bất đối xứng Mạng quang tích cực Quản lý hàng đợi tích cực Mode truyền dẫn bất đồng Mạng quang thụ động băng rộng Truyền hình cáp hữu tuyến Hệ thống kết cuối modem cáp Đơn vị xử lý trung tâm Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng mật độ thấp Giao thức cấu hình địa Host động Độ trễ Chuẩn viễn thông quốc tế cho phép truyền liệu tốc độ cao mạng CATV Quản lý quyền nội dung số Đƣờng dây thuê bao số Bộ ghép kênh truy cập đƣờng dây thuê bao số Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng mật độ cao Mạng quang thụ động Ethernet Digital Rights Management Digital Subscriber Line Digital Subscriber Line Access Multiplexer Dense Wavelength Division Multiplexing Ethernet PON Edge quadrature amplitude modulation European Telecommunications Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Standard Institute Âu Forward Error Correcting Mã sửa sai File Transfer Protocol Giao thức vận chuyển file Fiber To The Curd Cáp quang tới lề đƣờng Fiber To The Home Cáp quang tới hộ gia đình Fiber To The Neighbourhood Cáp quang tới vùng lân cận Gigabit PON Mạng quang thụ động Gigabit High Definition Định dạng chất lƣợng cao High Definition Television Truyền hình chất lƣợng cao Hybrid Fiber Coaxial Hỗn hợp cáp quang/đồng trục Một đơn vị đƣợc chia mạng CATV với đầy đủ thiết bị giống nhƣ mơ hình tổng thể IP IPTV IPTVCD IRD ISP ITU-T Internet Protocol Giao thức Internet Internet Protocol Television Truyền hình giao thức Internet IPTV Cunsumer Device Thiết bị khách hàng IPTV Integrated Receiver Decoder Bộ giải mã đầu thu tích hợp Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet International Tổ chức viễn thông quốc tế Telecommunications Union – tiêu chuẩn viễn thông Telecommunication LSR Label Switch Router Chuyển mạch nhãn MDI Media Delivery Index Tham số truyền liệu media Middleware Các phần mềm chức dịch vụ liên kết thành phần đặc biệt (ví dụ nhƣ server ứng dụng, VoD server STB) thành phần ứng dụng (ví dụ nhƣ giám sát truy cập có điều kiện, hệ thống tính cƣớc dịch vụ tƣơng tác, ) MIB Base Information Management Cơ sở thông tin quản lý MLR Media Loss Rate Tỷ lệ nội dung MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm chuyên gia ảnh động MPLS Multi-Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức NTSC National Television System Ủy ban hệ thống truyền hình quốc Committee gia (Mỹ) OC Optical Carrier Sóng mang quang OSS Operational Support System Hệ thống hỗ trợ hoạt động OSI Open Systems Interconnection Liên kết hệ thống mở PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động PSTN Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch Network công cộng PSNR Peak Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu nhiễu QAM Quadrature amplitude Điều chế biên độ trực giao modulation QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ QoE Quality of Experience Chất lƣợng trải nghiệm RED Random Early Detection Kỹ thuật loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực RTSP Real Time Streaming Protocol Giao thức streaming thời gian thực SD Standard Definition Định dạng chất lƣợng chuẩn SDV Switched Digital Video Chuyển mạch video số SLA Service Level Agreement Hợp đồng thống mức dịch vụ SNMP Simple Network Management Giao thức quản lý mạng đơn giản Protocol SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng STB Set Top Box Bộ giải mã Streaming Phƣơng thức để phân phối video nội dung khác mạng luồng nối tỷ lệ phù hợp với tốc độ liệu đƣợc sử dụng thiết bị hiển thị TCP/IP VCTV VoD VTV WDM WRED Transmission Control Protocol / Internet Protocol Viet Nam Cable Television Video on Demand Viet Nam Television Wavelength Division Multiplexing Weight Random Early Detection Giao thức điều khiển vận chuyển IP Truyền hình cáp Việt Nam Video theo yêu cầu Đài Truyền hình Việt Nam Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng Kỹ thuật loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên theo trọng số DANH MỤC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ DANH MỤC HÌNH VẼ Danh mục hình vẽ Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản hệ thống IPTV Hình 1.2 Các thành phần cấu trúc chức hệ thống IPTV Hình 1.3 Cấu trúc mạng kênh truyền hình Internet 19 Hình 1.4 Mạng HFC end-to-end 22 Hình 1.5 Mơ hình triển khai cấu trúc mạng IPTV cáp kết hợp IP RF 24 Hình 1.6 Minh hoạ cho truyền dẫn Multicast 29 Hình 1.7 Minh hoạ cho truyền dẫn Unicast 30 Hình 2.1 Đánh giá theo hệ thị giác chủ quan ngƣời dùng 34 Hình 2.2 Mạng trƣớc sau hội tụ 36 2.3 Ảnh hƣởng tỉ lệ gói tỉ lệ lỗi/mất khung MPEG 40 Hình 2.4 Mơ hình MPQM 43 Hình 2.5 Mơ hình V-factor 43 Hình 3.1 Hiện tƣợng bóng mờ TV analog Broadcast 51 Hình 3.2 Nguyên nhân xảy tƣợng bóng mờ 51 Hình 3.3 Sơ đồ tổng quan mạng truyền hình cáp HFC VCTV 52 Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống Master Head End VCTV 53 Hình 3.5 Băng tần theo chuẩn quốc tế 55 Hình 3.6 Băng tần VCTV 55 Hình 3.7 Phổ tần mạng cáp VCTV đo máy phân tích phổ Techtronix 56 2714 Hình 3.8 Phổ tần kênh VTV3 56 Hình 3.9 Sơ đồ hệ thống IPTV triển khai VCTV 57 Hình 3.10 Biểu đồ thể thay đổi delay 24 59 Hình 3.11 Biểu đồ thể thay đổi băng thông 24 59 Hình 3.12 Biểu đồ thể thay đổi packet lost 24 59 Hình 3.13 Ảnh hƣởng số client băng thơng (down) dịch vụ VoD 61 đƣờng truyền Hình 3.14 Ảnh hƣởng số client RAM (server) 61 Hình 3.15 Giao diện quản lý thiết bị SNMP 62 Hình 3.16 Giao diện quan sát thơng số CMTS 62 Hình 3.17 Giao diện quan sát thơng số server (1) 63 Hình 3.18 Giao diện quan sát thơng số server (2) 63 Hình 3.19 Các thành phần IPTV 65 Hình 3.20 Băng thơng mạng truyền dẫn 67 Hình 3.21 Các loại trễ 68 Hình 3.22 Mất gói tràn đệm hàng đợi 68 Hình 3.23 Dải bƣớc sóng sử dụng cho viễn thơng (1) 72 Hình 3.24 Dải bƣớc sóng sử dụng cho viễn thơng (2) 72 Hình 3.25 Sơ đồ tổng quát đƣợc triển khai nâng cấp mạng 74 Hình 3.26 Kiến trúc DOCSIS 78 Hình 3.27 Cấp phát tần số động với DOCSIS 2.0 80 Hình 3.28 Cấp phát tần số động với DOCSIS 80 Hình 3.29 Hệ thống tiếp tục hoạt động bình thƣờng thiết bị hỏng Hình 3.30 Tự động phát lập nhiễu hệ thống Hình 3.31 DOCSIS 3.0 Channel Bonding Hình 3.32 Cấu trúc Modular CMTS Hình 3.33 Cấu trúc logic Modular CMTS Hình 3.34 Kiến trúc Modular CMTS DANH MỤC BẢNG BIỂU Danh mục bảng biểu Bảng 1.1 Các dịch vụ IPTV Bảng 1.2 So sánh công nghệ DSL Bảng 2.1 So sánh QoS QoE Bảng 2.2 Kiểu lƣu lƣợng vấn đề không thực thi QoS Bảng 2.3 Các tiêu truyền dẫn dịch vụ SDTV, VoD mã MPEG-2 Bảng 2.4 Các tiêu truyền dẫn dịch vụ SDTV, VoD mã MPEG4 AVC hay VC-1 Bảng 2.5 Các tiêu truyền dẫn dịch vụ HDTV mã MPEG-2 Bảng 2.6 Các tiêu truyền dẫn dịch vụ HDTV mã MPEG-4 AVC hay VC-1 Bảng 2.7 Chỉ tiêu thời gian tƣơng tác Bảng 2.8 Chỉ tiêu đồng tín hiệu hình tiếng Bảng 3.1 Kết đo lƣờng tham số server Bảng 3.2 Bảng thống kê khách hàng node thuộc vòng Bảng 3.3 So sánh lƣu lƣợng chuẩn DOCSIS Bảng 3.4 So sánh tốc độ truyền chuẩn DOCSIS 81 81 82 83 83 84 Trang 18 35 37 44 44 44 45 45 45 60 70 77 79 75 Vào cuối năm 2011, dự án triển khai áp dụng DOCSIS 3.0 nhanh Bắc Mỹ dự kiến đƣợc thực công ty Shaw Cable, cơng bố đạt tới tốc độ download : 250 Mbit/s upload :15 Mbit/s đƣợc triển khai nhiều giai đoạn download : 120 Mbit/s upload : 20 Mbit/s với Videotron Ủy ban viễn thông liên bang Mỹ (FCC) kêu gọi nhà cung cấp dịch vụ cung cấp tốc độ liệu chuẩn lên tới 100 Mbit/s tới 100 triệu hộ gia đình vào cuối thập kỉ Ở Anh, nhà cung cấp dịch vụ mạng Virgin Media tuyên bố bắt đầu thử nghiệm với tốc độ download lên đến 1.5 Gbit/s upload 150 Mbits/s dựa DOCSIS 3.0 vào 20 /4/2011 (ii) Sự biến đổi theo khu vực Do việc phân phối băng tần cho kênh nhà cung cấp dịch CATV Châu Âu Mỹ Tiêu chuẩn DOCSIS đƣợc chỉnh sửa để sử dụng Châu Âu đƣợc xuất với tên gọi ―EuroDOCSIS‖ Sở dĩ có khác băng tần các nhà cung cấp dịch vụ CATV Châu Âu (Việt Nam theo chuẩn Châu Âu) tuân theo chuẩn PAL với băng tần kênh truyền hình cáp MHz, cịn Bắc Mỹ tuân theo chuẩn ATSC băng tần kênh kênh có MHz Băng thơng rộng EuroDOCSIS cho phép nhiều băng tần đƣợc cấp cho đƣờng downstrean Phần lớn nhà cung cấp dịch vụ CATV Nhật Colombia sử dụng phiên DOCSIS Bắc Mỹ (iii) Tiêu chuẩn quốc tế Liên minh viễn thông quốc tế ITU-T phê duyệt phiên khác DOCSIS nhƣ tiêu chuẩn quốc tế DOCSIS 1.0 đƣợc phê chuẩn khuyến nghị ITU-T J.112 Annex B [18] Sau DOCSIS 1.1 đƣợc phê chuẩn khuyến nghị ITT-T J.122 [22] Gần DOCSIS 3.0 đƣợc phê chuẩn khuyến nghị J.222 (J.222.0, J.222.1, J.222.2, J.222.3) Trong khuyến nghị ITU-T J.112 Annex B tƣơng ứng với EuroDOCSIS 1.1, Annex A mô tả hệ thống Cable Morden cũ Châu Âu dựa chuẩn truyền ATM Annex C mô tả biến thể DOCSIS 1.1 đƣợc thiết kế để hoạt động hệ thống CATV Nhật Khuyến nghị ITU-T J.122 tƣơng ứng với DOCSIS 2.x J.122 Annex F tƣơng đứng với EuroDOCSIS 2.0 J.1222 Annex J mô tả biến thể DOCSIS 2.0 Nhật (iv) Các tính DOCSIS cung cấp thay đổi lớn lựa chọn mơ hình OSI lớp lớp 2, lớp vật lý lớp liên kết liệu Lớp vật lý-Physical Layer: 76 Độ rộng kênh: Tất phiên DOCSIS sử dụng kênh MHz (Bắc Mỹ) MHz (EuroDOCSIS) để truyền liệu Downstream Với đƣờng Upstream, DOCSIS 1.0/1.1 xác định sử dụng kênh với độ rộng từ 200 KHz đến 3.2 MHz DOCSIS 2.0 sử dụng 6.4 MHz, sử dụng kênh có độ rộng hẹp tƣơng ứng với version 1.0/1.1 Điều chế: Tất phiên DOCSIS sử dụng 64 QAM hay 256 QAM làm phƣơng thức điều chế liệu đƣờng Downstream, chuẩn ITU-T J.83AnnexB với kênh MHz chuẩn DVB-C với kênh MHz (EuroDOCSIS) Dữ liệu đƣờng upstream sử dụng QPSK hay QAM 16 với DOCSIS 1.x QPSK QAM 16 QAM 32 QAM 64 QAM với DOCSIS 2.0 & 3.0 DOCSIS 3.0 hỗ trợ 128 QAM (S-CDMA) Lớp liên kết liệu- Data link layer:  DOCSIS sử dụng số phƣơng pháp đa truy nhập xác định cho đƣờng upstrean, TDMA với DOCSIS 1.x TDMA, S-CDMA với DOCSIS 2.0 3.0  Với DOCSIS 1.1 trở lên, MAC layer bao gồm tính mở rộng chất lƣợng dịch vụ QoS để trợ giúp cho ứng dụng với yêu cầu cụ thể truyền liệu nhƣ độ trễ thấp…  DOCSIS 3.0 hỗ trợ Channel Bonding cho phép nhiều kênh downstream upstream đƣợc sử dụng thời điểm thuê bao Lớp mạng-Network Layer:  DOCSIS Modem đƣợc quản lý thơng qua địa chi IP  DOCSIS 3.0 thêm tính quản lý IPv6  DOCSIS 2.0 cho phép hỗ trợ IPv6 DOCSIS 2.0 CM thông qua việc update firmware 77 (v) Lưu lượng Bảng 3.3 So sánh lƣu lƣợng chuẩn DOCSIS Dowsnstream Upstream Cấu hình kênh Cấu hình kênh Số kênh nhỏ chọn Số kênh nhỏ phần cứng cần phải hỗ trợ Số kênh đƣợc chọn Số kênh lớn 1.x 1 2.0 1 3.0 Version Số kênh nhỏ chọn Số kênh nhỏ phần cứng cần phải hỗ trợ Số kênh đƣợc chọn Số kênh lớn 55.62(50) Mbit/s 1 1 10.24(9) Mbit/s 42.88 (38) Mbit/s 55.62 (50) Mbit/s 1 1 30.72(27) Mbit/s m x 42.88 (38)Mbits/s m x 55.62 (50)Mbits/s n Không định nghĩa n x 30.72 (27)Mbit/s Lƣu lƣợng DOCSIS Lƣu lƣợng Euro DOCSIS 42.88 (38) Mbit/s 1 m Không định nghĩa Lƣu lƣợng Số lƣợng kênh mà hệ thống hỗ trợ đƣợc xác định phụ thuộc vào hệ thống đƣợc cấu hình nhƣ Ví dụ băng thông hai chiều downstream upstream phụ thuộc vào độ rộng kênh đƣợc chọn, phần cứng hạn chế số lƣợng kênh hƣớng truyền (downstream upstream) 78 (vi) Thiết bị: Hình 3.26 Kiến trúc DOCSIS Kiến trúc DOCSIS bao gồm thành phần là: Cable Modem (CM) đặt thuê bao Cable Modem Termination System (CMTS) đặt CATV headend CMTS đƣợc sử dụng để cung cấp dịch vụ liệu tốc độ cao nhƣ Internet hay VoIP over HFC CMTS cung cấp nhiều tính giống nhƣ DSLAM hệ thống DSL CMTS đƣợc kết nối với mạng Internet Back bone CMTS đƣợc kết nối với số server khác nhƣ Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) server, Time of Day (ToD) server CMTS có cổng downstream upstream riêng biệt Tuy hai đƣờng kết nối downstream đƣờng upstream chạy đƣờng cáp đồng trục mạng HFC tới thuê bao Để hạn chế nhiễu đƣờng upstream cổng upstream thƣờng đƣợc kết nối tới node quang nhất, cổng downstream thƣờng đƣợc chia sẻ cho số lƣợng nhỏ node quang Vì thƣờng có nhiều cổng upstream cổng downstream CMTS Thông thƣờng CMTS thƣờng có hay cổng upstream ứng với cổng downstream Trƣớc triển khai DOCSIS 1.1 hay cao nhà cung cấp dịch vụ CATV cần phải nâng cấp mạng HFC thành mạng hai chiều hỗ trợ đƣờng upstream Nếu khơng có đƣờng upstream tiêu chuẩn cũ DOCSIS 1.0 cho phép truyền liệu HFC Internet cách sử dụng đƣờng upstream đƣờng day điên thoại truyền thống Nếu mạng HFC mạng chiều, khả cao DOCSIS 1.x hay cao triển khai đƣợc Tại nhà khách hàng máy tính hay thiết bị ngoại vi khác viết tắt CPE đƣợc kết nối tới CM, CM đƣợc kết nối với CMTS thông qua mạng HFC CMTS sau định tuyến HFC Internet 79 3.3.3.2 DOCSIS 3.0 DOCSIS 3.0 mở rộng DOCSIS 1.x 2.0 tăng thêm dung lƣợng cách thêm công nghệ Channel bonding cho DOCSIS downstream upstream DOCSIS 3.0 đƣợc cơng nhận lực truyền tải tăng nhanh với luồng liệu IP dowmstream upstream, gấp lần so với DOCSIS 2.0 12 lần so với DOCSIS 1.x Trong DOCSIS 1.x 2.0, CMTS truyền liệu tới Cable Modem sử dụng kênh QAM downstream (gọi tắt kênh DS) DOCSIS 3.0 đƣợc phát triển vài phƣơng thức phép kiến trúc CMTS giao tiếp với DOCSIS 3.0 Cable Mordem sử dụng kênh DS Vì kênh QAM 256 truyền đƣợc 38 Mbps kênh truyền đƣợc 152Mbps Tƣơng tự, DOCSIS 1.x/2.0 CM truyền liệu tới CMTS sử dụng kênh upstream RF sử dụng số cách điều chế số khác dạng TDMA hay (S-CDMA) Trong DOCSIS 3.0, đặc tính kĩ thuật cho phép kênh upstream đƣợc ghép nối (bond) với Bảng sau cho thấy tốc độ truyền đạt đƣợc channel bonding đƣợc sử dụng, bảng đồng thời cho thấy DOCSIS 3.0 Downstream với kênh đƣợc đƣợc ghép với (bonded), nâng dung lƣợng liệu lên 343.04 Mbps Hãng Broadcom số nhà sản xuất chipset cho Cable Modem Chip có chip hỗ trợ liên kết kênh downstream Nhiều nhà cung cấp dịch vụ có xu hƣớng mong đợi sử dụng nhiều kênh Bảng 3.4 So sánh tốc độ truyền chuẩn DOCSIS (i) Những đặc điểm đặc biệt DOCSIS 3.0 so với 1.x 2.0 - Tốc độ Upstream DownStream cao tính năng: Hỗ trợ cấu trúc Modular CMTS Channel Bonding Mở rộng băng thông upstream từ 5-42 MHz thành 5-85 MHz để cung cấp thêm băng thông cho chiều Upstream Tăng thêm 200Mbps lực băng thơng Có tỉ lệ down stream/ upstream đối xứng cho phép dịch vụ thƣơng mại 80 - Dynamic Frequency Assignment – Cấp phát tần số động: Hoạt động với channel bonding để tăng tốc độ upstream down stream Hình 3.27 Cấp phát tần số động với DOCSIS 2.0 Với DOCSIS 2.0 tần số CMTS (đồng nghĩa với băng thông) từ CMTS đƣợc cố định cho khách hàng, nghĩa khách hàng có tần số băng thông tần số cố định dành cho họ Ngƣợc lại với DOSIS 3.0 tần số đƣợc gán cách động, điều cho phép nhiều băng thơng đƣợc cung cấp tới nhà khách hàng thông qua việc gán tần số cần thiết Hình 3.28 Cấp phát tần số động với DOCSIS - Nâng cao tính bảo mật Có giao thức để phát truy nhập không hợp lệ, ăn cắp dịch vụ từ chối dịch vụ 81 Khả mã hóa tốt - Độ trễ thấp giảm mát gói liệu - Hỗ trợ Ipv6 Hỗ trợ mở rộng khoảng địa IP rộng Hỗ trợ VPN - DOCSIS 3.0 cung cấp vài lợi cho nhà cung cấp dịch vụ: Nếu thiết bị hỏng hệ thống tiếp tục hoạt động bình thƣờng khơng có thiết bị thích hợp thay Hình 3.29 Hệ thống tiếp tục hoạt động bình thƣờng thiết bị hỏng Khi khách hàng sinh nhiễu vào hệ thống, tần số allocate cho khách hàng bị reclaim Hình 3.30 Tự động phát cô lập nhiễu hệ thống - Channel Bonding Cable Lab thiết lập nên DOCSIS 3.0 Channel Bonding Mục đích sáng kiến phát triển cách tiếp cận tiêu chuẩn hóa để liên kết nhiều kênh vật lý vào kênh đơn, ảo băng thông cao Điều đạt đƣợc cách ghép kênh nghịch đảo nhiều kênh RF để tạo kênh logic đơn 82 Khoảng 40 Mbps băng thông downstream kênh RF MHz hay (8 MHz) Với DOCSIS 3.0 nhiều kênh RF đƣợc sử dụng để tăng tổng băng thông Tuy nhiên với tiêu chuẩn tại, CM truy nhập nhât kênh, khơng thể nhận đƣợc nhiều 40 Mbps Hình 3.31 DOCSIS 3.0 Channel Bonding Với mục đích cạnh tranh với dịch vụ DSL, nhà cung cấp dịch vụ cáp tìm kiếm chế cho phép họ cung cấp băng thông lớn 40Mbps tới khách hàng Channel Bonding cho phép điều cách tạo kênh logic hay ―logical channel‖ xếp nhiều kênh (8 MHz) Channel Bonding truyền liệu đồng thời nhiều kênh để thu đƣợc tốc độ bit cao (downstream): kênh, 160 Mbps kênh, 120 Mbps kênh, 80 Mbps - Chuẩn đoán lỗi tốt - Hỗ trợ Multicast 3.3.3.3 Triển khai DOCSIS 3.0 Thế hệ mạng cáp đƣợc định nghĩa hai tiêu chẩn M-CMTS DOCSIS 3.0 Tiêu chuẩn M-CMTS định nghĩa cấu trúc, chia thành phần CMTS truyền thống thành hai thành phần: M-CMTS core kết nối thông qua giao diện tới edge QAM (EQAM) 83 DOCSIS 3.0 cung cấp số cải tiến với tiêu chuẩn DOCSIS hành, đáng ý channel bonding, hỗ trợ IPv6 hỗ trợ IPTV Channel bonding cung cấp cho nhà cung cấp dịch vụ cáp cách linh hoạt đề làm tăng đáng kể tốc độ downstream tối thiểu 160 Mbps, tốc độ upstream tối thiểu 120 Mbps tới khách hàng Hình 3.32 Cấu trúc Modular CMTS Hình 3.33 Cấu trúc logic Modular CMTS Không nhƣ CMTS truyền thống, Modular CMTS có nhiều khối chức đƣợc tách rời cell khác đƣợc cấu hình nhƣ CMTS 84 Hình 3.34 Kiến trúc Modular CMTS 85 Nhƣ hình 3.35, kiến trúc M-CMTS phân chia CMTS thông thƣờng thành hai thành phần Phần đầu thành phần vật lý đƣờng downstream (PHY) (đƣợc biết đến với DOCSIS EQAM) phần thứ bao gồm mạng IP chức DOCSIS MAC (đƣợc biết đến với tên M-CMTS Core) M-CMTS Core chứa toàn chức CMTS thời, bao gồm MAC timing framing, phân loại gói, quản lý dịch vụ bảo mật Thiết bị EQAM thực chức truyền tải RF nhƣ điều chế chuyển đổi tần số để truyền gói liệu mạng HFC Kiến trúc M-CMTS bao gồm DOCSIS Timing Server (DTI) để trì thời gian tham chiếu phù hợp M-CMTS Core EQAM, để giảm thiểu trễ truyền hai phận DOCSIS Timing Interface (DTI) chạy DTI server M-CMTS EQAM Thiết bị EQAM, nhƣ đƣợc định nghĩa DOCSIS M-CMTS thiết bị Video QAM ―thích nghi‖ đƣợc sử dụng cho VOD Là hệ thống với nhiều giao diện Gigabit Ethernet đầu vào nhiều điều chế QAM Upconverter phía đầu Để tối ƣu hóa việc phân bố tài nguyền kênh DOCSIS QAM cho DOCSIS dịch vụ VOD, kiến trúc M-CMTS định nghĩa Resource Manager để điều khiển tài nguyên dự trữ QAM Edge Resource Manager (ERM) quản lý việc phân bố tài nguyền kênh QAM cho CMTS MAC domain, cung cấp truy nhập tin cậy tối ƣu tới tài nguyên thiết bị EQAM Giao diện ERM đƣợc thiết kế để quản lý phân bố tài nguyên nhiều EQAM cho hoạt động DOCSIS VoD Thêm vào thiết bị EQAM hỗ trợ giao diện đăng kí (Registration Interface) tới ERM với mục đích trì kiểm sốt xác nguồn tài ngun có sẵn thiết bị EQAM Nếu khơng có mặt ERM, hay q trình chuyển tiếp từ việc có VOD EQAM sang VOD DOCSIS QAM, kiến trúc M-CMTS cung cấp tùy chọn để cấu hình phân bố tài nguyên EQAM thông qua M-CMTS core cách sử dụng diện Downstream External PHY (DEPI) DEPI đóng gói Layer2 gói truyền tải DOCSIS với mục đích truyền từ M-CMTS đến thiết bị EQAM Các DRFI đƣợc định nghĩa kiến trúc M-CMTS với mục đích thu thập toàn đặc điểm kĩ thuật yếu cầu từ DOCSIS vào đặc điểm kỹ thuật độc lập để tham khảo M-CMTS hay I-CMTS triển khai tƣơng lai Các hệ cầu hệ thống hỗ trợ hoạt động kiến trúc M-CMTS bao gồm thông tin quản lý sở (MIB), đặt Module M-CMTS nhƣ M-CMTS core, thiết bị EQAM DTI server, với mục đích cung cấp chức cấu hình, giám sát, quản lý cố giao diện kỹ thuật M-CMTS 86 Kiến trúc M-CMTS tạo có lợi ích sau: Cho phép nhà cung cấp dịch vụ triển khai độc lập mở rộng số lƣợng kênh Downstream DOCSIS mà không thay đổi miền MAC hay số lƣợng kênh upstream DOCSIS Hạ thấp giá thành truyền video DOCSIS để cạnh tranh với dịch vụ MPEG Video on Demand cách triển khai hệ card downstream CMTS có Các card CMTS kết hợp kênh downstream upstream, buộc nhà cung cấp thêm kênh upstream cho kênh downstream mà họ triển khai, kiến trúc M-CMTS loại bỏ không cần thiết Tuy nhiên triển khai cần khắc phục hạn chế sau: - Cần phải hạn chế số lƣợng kênh tƣơng tự thay toàn kênh số - Cần phải nâng cấp node Quang khuếch đại - Cần phải sử dụng lọc để bảo vệ thiết bị CPE nhà khách hàng 3.4 Kết luận chƣơng QoS công việc phức tạp, biện pháp để đảm bảo QoS có nhiều đƣợc nghiên cứu phát triển, biện pháp đƣợc nêu phần nhỏ khơng thể mang tính đầy đủ Trong trình triển khai thực tế cần phải kết hợp giải pháp cách chủ động, sở tận dụng sở hạ tầng sẵn có mà đạt đƣợc mục đích đề nâng cao chất lƣợng đáp ứng dịch vụ 87 KẾT LUẬN IPTV có ƣu bật, vƣợt trội so với cơng nghệ truyền hình khác Đây dịch vụ hứa hẹn mở kỷ nguyên truyền hình mới, đem lại khoảng lợi nhuận khổng lồ cho nhà cung cấp dịch vụ Tuy nhiên, để IPTV thật phát triển, cạnh tranh đƣợc với dịch vụ truyền hình tại, chất lƣợng dịch vụ vấn đề cần phải quan tâm hàng đầu Xã hội phát triển, cạnh tranh lớn địi hỏi khách hàng ngày khắt khe Cần phải có kết hợp chặt chẽ nhà sản xuất chƣơng trình, nhà cung cấp dịch vụ công ty cung cấp hạ tầng mạng để đem đến cho khách hàng trải nghiệm tốt Có nhiều phƣơng pháp đảm bảo chất lƣợng dịch vụ IPTV, phƣơng pháp có ƣu điểm nhƣợc điểm riêng, kết hợp phƣơng pháp hƣớng tốt để đánh giá chất lƣợng IPTV Với đặc điểm cung cấp IPTV hạ tầng truyền hình Cáp cần phải phát huy mặt mạnh nhƣ băng thông lớn, nội dung nhiều để hạn chế mặt yếu nhƣ tín hiệu chƣa ổn định, khoảng cách truyền tín hiệu khơng cao Ở thời điểm tại, với lƣợng thuê bao IPTV chƣa nhiều, việc tranh giành tài nguyên chƣa gay gắt, chất lƣợng dịch vụ chủ yếu bị ảnh hƣởng chất lƣợng mạng truy nhập, nhiên, thời gian tới, IPTV vào giai đoạn phát triển nó, lƣu lƣợng mạng tăng nhanh khiến cho kỹ thuật QoS trở thành chìa khóa đảm bảo lợi nhuận cho IPTV 88 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH Tài Liệu Tham Khảo Tiếng Việt Ngơ Thái Trị (2001), Truyền hình số, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Bộ thông tin truyền thông, Học viện Cơng nghệ Bƣu Viễn thơng, Viện khoa học Kỹ thuật bƣu điện (2009), Chuyên đề: Tổng kết tiêu chuẩn cho IPTV, Hà nội Bộ thông tin truyền thông (2010), Thuyết minh dự thảo tiêu chuẩn “Dịch vụ IPTV mạng viễn thông công cộng – yêu cầu”, Hà Nội Tài Liệu Tham Khảo Tiếng Anh Cable Lab DOCSIS® Specifications — DOCSIS® 1.0 Interface, DOCSIS® 1.1 Interface, DOCSIS® 2.0 Interface Cable Lab CM-SP-SECv3.0-I13-100611 (2010), Data-Over-Cable Service Interface Specifications DOCSIS 3.0, Security Specification Cable Lab DOCSIS® Specifications — Modular Headend Architecture (MHA) Charles Poynton (2003), Digital video and HDTV Algorithms and Interfaces, Copyright 2003 by Elsevier Science (USA), Printed in United States of America Christina Holland, Dave Foote, Dan Mostert (January 20, 2009 ), ―IPTV QoS Monitoring & Assurance‖, Technical Committee Forum, 46th Annual Winter Convention 10 Gilbert Held (2007), Understanding IPTV, First edition, Auerbach Publications 11 Gerard O’Driscoll (2008), Next Generation IPTV Services and Technologies, First edition, John Wiley & Sons, Inc 12 ETSI TR 102 479 V1.1.1 (Feb, 2006), Review of available material on QoS requirements of multimedia services 13 IETF RFC 2330 (1998), Framework for IP Performance Metrics 14 IETF RFC 3357 (2002), One-way Loss Pattern Sample Metrics 15 ITU-R BT 500 (2009), Recommendation BT 500: Methodology for the subjective assessment of the quality of television pictures 16 ITU-T Y 1540/1541 (2002, 2006), IP packet transfer and availability performance parameters, Network performance objectives for IP-based services 89 17 ITU-T G.694.2 (2003), Spectral grids for WDM applications: CWDM wavelength grid 18 ITU-T J.112 Annex B (2001), Transmission systems for interactive cable television services, Data-over-cable service interface specifications: Radio-frequency interface specification 19 ITU-T J.144 rev.1 (2004), Objective perceptual video quality measurement techniques for digital cable television in the presence of a full reference 20 ITU-T Recommendation J.241 (2005), Quality of service ranking and measurement methods for digital video services delivered over broadband IP networks 21 ITU-T P.10/G.100 Amd (2007), New Appendix I, Definition of Quality of Experience (QoE) 22 ITU-T J.122 (2004), Second-generation transmission systems for interactive cable television services - IP cable modems 23 ITU-T G.1080 (2008), Quality of experience requiemets for IPTV services 24 TR-126 (2006), Triple-Play Services Quality of Experience (QoE) Requirements, DSL Forum