Triển khai dịch vụ IPTV trên công nghệ Wimax

Triển khai dịch vụ IPTV trên công nghệ Wimax

III.Cấu trúc hệ thống triển khai IPTV trên WiMAX 60

Hình 3.2: Phân bố dịch vụ IPTV trên WiMAX cho 61

thuê bao cố định và di động 61

Hình 3.3: Mô hình hệ thống đề nghị cho các ứng dụng IPTV trên WiMAX 62

Hình 3.4: Ngăn xếp để truyền dịch vụ IPTV trên WiMAX 62

Hình 3.5: Lớp MAC hỗ trợ QoS 63

Hình 3.6: Cấu trúc lớp vật lý 64

Hình 3.7: Sơ đồ thu phát vô tuyến 65

Hình 3.8: Tín hiệu video điều chế 16QAM nhận được ở một số kênh có trạng thái tốt (SS1, SS2, SS4, SS7, SS9 ) và không thu được ở các SS khác (SS3, SS5, SS8, SS10 ) 67

Chương 1: GIỚI THIỆU IPTV

Như vậy IPTV đóng vai trò phân phối các dữ liệu, kể cả hình ảnh, âm thanh, văn bản qua mạng sử dụng giao thức Internet Điều này nhấn mạnh vào việc Internet không đóng vai trò chính trong việc truyền tải thông tin truyền hình hay bất kì loại nội dung truyền hình nào khác Thay vào đó, IPTV sử dụng IP là cơ chế phân phối mà theo đó có thể sử dụng Internet, đại diện cho mạng công cộng dựa trên IP, hay có thể sử dụng mạng riêng dựa trên IP.

Có thể thấy, IPTV là một dịch vụ số mà có khả năng cung cấp những tính năng vượt trội hơn khả năng của bất kì cơ chế phân phối truyền hình nào khác Ví dụ, set – top box IPTV có thể thông qua phần mềm để cho phép xem đồng thời 4 chương trình truyền hình trên màn hiển thị, hay có thể nhận tin nhắn sms, e – mail…

2 Một số đặc tính của IPTV

♦ Hỗ trợ truyền hình tương tác

Khả năng hai chiều của hệ thống IPTV cho phép nhà cung cấp dịch vụ phân phối toàn bộ các ứng dụng TV tương tác Các loại hình dịch vụ được truyền tải thông qua một dịch vụ IPTV có thể bao gồm truyền hình trực tiếp chuẩn, truyền hình chất lượng HDTV, trò chơi tương tác va 2internet tốc độ cao.

Thay vì phân phối trên mọi kênh để tới mọi người dùng, công nghệ IPTV cho phép nhà cung cấp dịch vụ chỉ truyền trên một kênh mà người dùng yêu cầu Đặc điểm hấp dẫn này cho phép nhà điều hành mạng có thể tiết kiệm băng thông của mạng.

♦ Có thể truy xuất qua nhiều thiết bị

Việc xem nội dung IPTV bây giờ không chỉ giới hạn ở việc sử dụng TV Người dùng có thể sử dụng máy PC hay thiết bị di động để truy xuất vào các dịch vụ IPTV.

3 Sự khác biệt giữa IPTV và truyền hình Intrenet

Do đều được truyền trên mạng dựa trên giao thức IP, người ta đôi lúc hay nhầm IPTV là truyền hình Internet Tuy nhiên, 2 dịch vụ này có nhiều điểm khác nhau:

Truyền hình Internet sử dụng mạng Internet công cộng để phân phát các nội dung video tới người sử dụng cuối IPTV sử dụng mạng riêng để truyền các nội dung video đến khách hàng Các mạng riêng này thường được tổ chức và vận hành bởi nhà cung cấp dịch vụ IPTV

♦ Về mặt địa lý

Các mạng do nhà cung cấp dịch vụ viễn thông sở hữu và điều khiển không cho phép người sử dụng Internet truy cập Các mạng này chỉ giới hạn trong các khu vực địa lí cố định.Trong khi mạng Internet không có giới hạn về mặt địa lí, người dùng Internet nào cũng có thể xem truyền hình Internet ở bất kì đâu trên thế giới.

Khi nội dung video được gửi qua mạng Internet công cộng, các gói sử dụng giao thức Internet mạng nội dung video có thể bị trễ hoặc mất khi nó di chuyển trong các mạng khác nhau tạo nên mạng Internet công cộng Do đó, nhà cung cấp các dịch vụ truyền hình ảnh qua mạng Internet không đảm bảo chất lượng truyền hình như với truyền hình mặt đất, truyền hình cáp hay truyền hình vệ tinh Thực tế là các nội dung video truyền qua mạng Internet khi hiển thị trên màn hình TV có thể bị giật và chất lượng hình ảnh thấp.

Trong khi, IPTV chỉ được phân phối qua một hạ tầng mạng của nhà cung cấp dịch vụ Do đó người vận hành mạng có thể điều chỉnh để cung cấp hình ảnh với chất lượng cao.

Một set-top box số thường được sử dụng để truy cập và giải mã nội dung video được phân phát qua hệ thống IPTV , trong khi PC thường được sử dụng để truy cập các dịch vụ Internet Các loại phần mềm được sử dụng trong PC thường phụ thuộc vào loại nội dung truyền hình Internet Ví dụ như, để download các chương trình truyền hình từ trên mạng Internet, đôi khi cần phải cài đặt các phần mềm media cần thiết để xem được nội dung đó Hay hệ thống quản lí bản quyền cũng cần để hỗ trợ cơ chế truy cập.

Phần trăm nội dung chương trình được phân phát qua mạng Internet công cộng tự do thay đổi Điều này khiến các công ty truyền thông đưa ra các loại dịch vụ dựa trên mức giá thành Giá thành các loại dịch vụ IPTV cũng gần giống với mức phí hàng tháng

của truyền hình truyền thống Các nhà phân tích mong rằng truyền hình Internet và IPTV có thể hợp lại thành 1 loại hình dịch vụ giải trí.

4 Cơ sở hạ tầng mạng IPTV

Hình 1.1 mô hình hệ thống IPTV

Cũng được biết đến như là “đầu cuối - headend” Trung tâm dữ liệu IPTV nhận nội dung từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm truyền hình địa phương, các nhà tập hợp nội dung, nhà sản xuất, qua đường cáp, trạm số mặt đất hay vệ tinh Ngay khi nhận được nội dung, một số các thành phần phần cứng khác nhau từ thiết bị mã hóa và các máy chủ video tới bộ định tuyến IP và thiết bị bảo mật giành riêng được sử dụng để chuẩn bị nội dung video cho việc phân phối qua mạng dựa trên IP Thêm vào đó, hệ thống quản lý thuê bao được yêu cầu để quản lý hồ sơ và phí thuê bao của những người sử dụng Chú ý rằng, địa điểm thực của trung tâm dữ liệu IPTV được yêu cầu bởi hạ tầng cơ sở mạng được sử dụng bởi nhà cung cấp dịch vụ.

Việc truyền dẫn dịch vụ IPTV yêu cầu kết nối điểm – điểm Trong trường hợp triển khai IPTV trên diện rộng, số lượng 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 lượng lớn yêu cầu độ rộng băng thông mạng Hạ tầng truyền hình cáp dựa trên cáp đồng trục lai cáp quang và các mạng viễn thông dựa trên cáp quang rất phù hợp để truyền tải nội dung IPTV.

Thiết bị người dùng IPTV (IPTVCD) là thành phần quan trọng trong việc cho phép mọi người 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 video dựa trên IP gửi đến Thiết bị người dùng hỗ trợ công nghệ tiên tiến để có thể tối thiểu hóa hay loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của lỗi, sự cố mạng khi đang xử lý nội dung IPTV

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, như là tiếng nói, âm thanh, dữ liệu, giải trí, giữa những thiết bị khác nhau trong nhà Với mạng gia đình, người dùng có thể tiết kiệm tiền và thời gian bởi vì các thiết bị ngoại vi như là máy in và máy scan, cũng như kết nối Internet băng rộng, có thể được chia sẻ một cách dễ dàng

Việc đóng gói các chương trình video bao gồm việc chèn và tổ chức các dữ liệu video thành các gói riêng biệt.

1.1 Tổng quan về mô hình truyền thông IPTV (IPTVCD)

Mô hình truyền thông trong IPTV có 7 lớp (và một lớp tùy chọn) được xếp chồng lên nhau.

Các dữ liệu video ở phía thiết bị gửi được truyền từ lớp cao xuống lớp thấp trong mô hình IPTV, và được truyền đi trong mạng băng rộng bằng các giao thức của lớp vật lí Ở thiết bị nhận, dữ liệu nhận được chuyển từ lớp thấp nhất đến lớp trên cùng trong mô hình IPTV.

Hình 1.2: Mô hình truyền thông IPTV

Do đó, nếu một bộ mã hóa gửi chương trình video 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 được thực hiện, dữ liệu video được 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 video 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 thường được định dạng như các header hoặc trailer Bên cạnh việc truyền thông giữa các lớp, còn có các liên kết ảo giữa các tầng cùng mức 7 lớp và 1 lớp bổ sung trong mô hình IPTV có thể được chia làm 2 loại: các lớp cao và lớp thấp các tầng cao hơn thì quan tâm nhiều hơn tới các ứng dụng của IPTV và các định dạng file, trong khi các tầng thấp hơn thì quan tâm tới việc truyền tải các nội dung.

Mô hình IPTV và truyền tải các nội dung MPEG:

Quá trình truyền thông bắt đầu ở lớp mã hóa, các tín hiệu tương tự hoặc số được nén Tín hiệu lối ra của bộ nén là các dòng MPEG cơ bản Các dòng MPEG cơ bản được định nghĩa là các tín hiệu số liên tục thời gian thực Có nhiều loại dòng cơ bản VD, âm thanh được mã hóa sử dụng MPEG được gọi là “dòng âm thanh cơ bản” Một dòng cơ bản thực ra chỉ là tín hiệu thô ra từ bộ mã hóa Các dòng dữ liệu được tổ chức thành các khung tại lớp này Các thông tin chứa trong một dòng cơ bản có thể bao gồm:

Do bản chất của mạng, thứ tự hay chuỗi các khung video từ lối ra của trung tâm dữ liệu IPTV có thể khác thứ tự các khung do các thiết bị của người dùng nhận được Do đó, để giúp đỡ quá trình đồng bộ, các hệ thống dựa trên MPEG thường dán nhãn các gói PES khác nhau trong chuỗi video.

Có 2 loại nhãn thời gian được sử dụng đối với mỗi gói PES: nhãn thời gian trình diễn (PTS), và nhãn thời gian giải mã (DTS):

+ PTS - nhãn thời gian trình diễn có giá trị thời gian 33 bit, được đặt trong trường PES header Mục đích của việc sử dụng PTS cho mỗi gói là để xác định xem khi nào và theo trật tự nào thì gói đó được xem (bởi người xem).

+ DTS - nhãn giải mã để sử dụng giúp bộ giải mã ở thiết bị của người sử dụng biết khi nào xử lí gói đó.

Như đã chỉ ra ở trên, thứ tự các gói được truyền đi qua mạng khác với thứ tự các gói nhận được ở thiết bị của người sử dụng Thiết bị người sử dụng IPTV sẽ dùng các

nhãn PTS và DTS để tái tạo lại nội dung video gốc Bên cạnh việc gửi đi các nội dung nén MPEG-2, PES còn có khả năng truyền tải các khối H.264/AVC qua mạng IPTV.

Hình 1.3: Ứng dụng nhãn thời gian với các gói MPEG PES

♦ Lớp cấu trúc dòng truyền tải

Lớp tùy chọn này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau Lớp này hoạt động như một lớp trung gian giữa các nội dung được nén MPEG-2, H.264/AVC ở lớp cao hơn và các lớp thấp hơn trong mô hình IPTV Giao thức RTP chính là lõi của lớp này và thường là block cơ sở hỗ trợ truyền dòng nội dung theo thời gian thực qua mạng IP.

Chú ý rằng, kĩ thuật RTP thường được triển khai trong các mạng không đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS để truyền các dịch vụ IPTV Mặc dù RTP giúp làm tăng khả năng các dòng tới đích trong trật tự đúng, nhưng không được thiết kế để đảm bảo các mức chất lượng dịch vụ Do đó, trách nhiệm của nhà cung cấp dịch vụ là đảm bảo video luôn được ưu tiên khi chúng được truyền đi trong hạ tầng mạng.

♦ Lớp giao thức truyền tải thời gian thực

Lớp tùy chọn này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau Lớp này hoạt động như một lớp trung gian giữa các nội dung được nén MPEG-2, H.264/AVC ở lớp cao hơn và các lớp thấp hơn trong mô hình IPTV Giao thức RTP chính là lõi của lớp này và thường là block cơ sở hỗ trợ truyền dòng nội dung theo thời gian thực qua mạng IP.

Chú ý rằng, kĩ thuật RTP thường được triển khai trong các mạng không đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS để truyền các dịch vụ IPTV Mặc dù RTP giúp làm tăng khả năng các dòng tới đích trong trật tự đúng, nhưng không được thiết kế để đảm bảo các mức chất lượng dịch vụ Do đó, trách nhiệm của nhà cung cấp dịch vụ là đảm bảo video luôn được ưu tiên khi chúng được truyền đi trong hạ tầng mạng.

TCP và UDP là 2 giao thức quan trọng nhất được sử dụng ở lớp này.

a) Sử dụng TCP để định tuyến các gói IPTV

TCP là giao thức cốt lõi của bộ giao thức internet và được xếp vào loại định hướng kết nối Điều này cơ bản có nghĩa là kết nối được thiết lập giữa đầu cuối nhà cung cấp và thiết bị IPTV của người sử dụng để truyền các chương trình qua mạng.

TCP có khả năng điều khiển lỗi xảy ra trong quá trình truyền các chương trình qua mạng Các lỗi như mất gói, mất trật tự gói,hoặc lặp gói thường gặp trong môi trường truyền IPTV Để xử lí các tình huống này, TCP sử dụng hệ thống các số liên tục để cho phép thiết bị gửi có thể gửi lại các dữ liệu hình ảnh bị mất hoặc hỏng Hệ thống số liên tục này là trường có độ dài 32 bit trong cấu trúc gói Trường đầu tiên chứa chuỗi số bắt đầu của dữ liệu trong gói và trường thứ hai chứa giá trị của chuỗi số tiếp theo mà video server đang đợi (mong) nhận trở lại từ IPTVCD.

Hình 1.4: Cơ chế điều khiển luồng của TCP

Bên cạnh việc sửa các lỗi có thể xảy ra trong quá trình truyền nội dung video qua mạng IP băng rộng, TCP còn có điều khiển luồng dữ liệu Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng trường kích thước cửa sổ, với thuật toán được gọi là cửa sổ trượt Giá trị trong trường này xác định số các byte có thể truyền đi qua mạng trước khi nhận được xác nhận từ phía thiêt bị nhận.

Trong môi trường IPTV, giá trị trường kích thước cửa sổ chính là kích thước vùng đệm trong IPTVCD trừ đi lượng nội dung đã có trong vùng đệm tại một thời điểm Dữ liệu này sẽ được giữ cho tới khi bản tin thông báo đã nhận được gửi về từ IPTVCD.

Khi giá trị của trường này bằng 0, IPTVCD ở phía đầu thu sẽ không đủ khả năng xử lí các dữ liệu IPTV ở tốc độ đủ lớn Khi đó, TCP sẽ chỉ thị cho video server dừng hoặc làm chậm lại tốc độ gửi các gói dữ liệu tới IPTVCD Điều này sẽ đảm bảo rằng IPTVCD sẽ không bị tràn các gói dữ liệu tới Khi IPTVCD đã xử lí xong các các gói dữ liệu trong vùng đệm và video server đã biết được điều đó thì giá trị tại vùng đệm sẽ tăng lên, và video server sẽ bắt đầu truyền tiếp các nội dung Trong môi trường IPTV lí tưởng, số của cửa số được báo về từ IPTVCD sẽ báo cho server biết không gian vùng đệm còn trống chính là tốc độ mà tại đó các nội dung video được gửi đi từ video server.

Các cổng TCP và Socket: Mỗi điểm cuối của một liên kết IPTV thì có một địa chỉ IP và một giá trị cổng liên quan Vì thế mỗi liên kết có 4 thành phần khác nhau:

+ Địa chỉ IP của video server.+ Số của cổng của video server + Địa chỉ IP của IPTVCD.+ Số của cổng của IPTVCD.

Việc kết hợp địa chỉ IP và số của cổng cho phép một tiến trình trên IPTVCD có thể liên lạc trực tiếp với tiến trình đang chạy trên một trong các máy server được đặt ở trung tâm dữ liệu IPTV

Socket cũng là một thành phần quan trọng khác trong mô hình truyền thông IP Một socket về cơ bản là một giao diện ứng dụng chương trình (API), được sử dụng để làm việc liên lạc giữa các tiến trình đang chạy trên một thiết bị IP Một socket được thiết lập bằng cách kết hợp địa chỉ IP với số của cổng.

Hình 1.5: Quá trình truyền thông trong mạng IPTV

Để hiểu hơn về mối liên hệ giữa địa chỉ IP và socket xét các bước để thiết lập một kênh truyền thông giữa một tiến trình chạy trên IPTVCD và một tiến trình chạy trên trung tâm cung cấp dữ liệu IPTV Bước được mô tả như sau:

(1) Chuẩn bị dữ liệu: Tiến trình gửi chạy trên hệ thống server dòng IPTV chuẩn bị nội dung và gọi module truyền thông TCP/IP để truyền các dữ liệu tới một tiến trình đang chạy trên một IPTVCD Các tiến trình truyền thông bắt đầu và thông tin header được thêm vào nội dung khi truyền qua các lớp trong IPTVCD.

(2) Thiết lập kết nối logic TCP: Cả 2 đầu kết nối đều được định nghĩa bởi một địa chỉ IP và một số cổng, kết hợp giữa địa chỉ IP và số cổng gọi là socket Hệ thống địa chỉ đối với liên kết truyền thông bao gồm các thành phần sau:

+ Giao thức.

+ Địa chỉ IP của máy chủ IPTV.

+ ID của tiến trình chạy trên máy chủ IPTV + Địa chỉ IP của IPTVCD.

+ ID của tiến trình chạy trên IPTVCD.

(3) Truyền dữ liệu: Truyền thông bắt đầu thông qua socket giữa 2 tiến trình từ phía IPTV server đến IPTVCD.

(4) Quản lí các dòng nội dung IPTV:Giao thức TCP quản lí các dòng IPTV trong khi kết nối được thiết lập.

(5) Hủy bỏ kết nối: Khi hoàn thành việc truyền các nội dung IPTV, IPTVCD hoặc trung tâm dữ liệu sẽ hủy bỏ socket và kết nối mạng.

b) Sử dụng UDP để định hướng các gói IPTV:

UDP là giao thức thuộc về bộ giao thức Internet UDP cho phép máy chủ kết nối với mạng băng rộng để gửi tới các IPTVCD dịch vụ truyền hình quảng bá có chất lượng hài lòng người dùng UDP giống với TCP nhưng là phiên bản sơ lược hơn, đưa ra cho số lượng tối thiểu các dịch vụ truyền tải UDP là giao thức không liên kết, điều đó có nghĩa là kết nối giữa video server và IPTVCD không cần phải thiết lập trước khi dữ liệu được truyền đi Video server đơn giản chỉ thêm vào địa chỉ IP đích và số cổng vào datagram và gửi tới cơ sở mạng để phân phát tới địa chỉ IP đích Khi trên mạng, UDP sử dụng cách tốt nhất để cố gắng thu được dữ liệu về điểm đích của nó Chú ý rằng UDP sử dụng các khối dữ liệu được gọi là các datagram để truyền nội dung qua mạng

Ưu điểm và nhược điểm của UDP:+ Ưu điểm của UDP:

Không có ngắt trong quá trình truyền nội dung video: không có trễ trong quá trình phân phối ngay cả khi trong mạng có các gói bị trễ hoặc bị hỏng Ngược lại, khi sử dụng TCP, có thể xảy ra sự ngắt quãng khi phải chờ các gói bị trễ và các khung hình tới hoặc phải chờ các gói bị hỏng được thay thế.

Dung lượng thấp: Kích thước header của UDP chỉ bao gồm có 8 byte trong khi TCP header chiếm tới 20 byte.

Tốc độ thiết lập kết nối: thời gian thiết lập và hủy bỏ kết nối giữa IPTVCD và các thiết bị ở trung tâm dữ liệu IPTV ngắn Do đó, việc phân phối các gói sử dụng giao thức UDP thường nhanh hơn so với sử dụng giao thức TCP.

Hỗ trợ truyền một chiều: UDP không yêu cầu đường về, do đó cho phép các công ty sử dụng vệ tinh có thể truyền nội dung IPTV truyền đa điểm tới khách hàng của mình.

+ Nhược điểm của UDP:

Mặc dù UDP là nhanh chóng và hiệu quả đối với các ứng dụng cần thời gian, và sẽ là không hiệu quả trong trường hợp:

Tính toàn vẹn của dữ liệu: Tính toàn vẹn của dữ liệu khi sử dụng UDP là không được bảo đảm khi UDP chỉ cung cấp một dịch vụ duy nhất là kiểm tra tổng và multiplexing thông qua số cổng Bất kì vấn đề nào cũng có thể xảy ra trong quá trình truyền thông ở tại đầu cuối nào cần được điều khiển độc lập với các ứng dụng Các vấn đề thường gặp như là phát lại, đóng gói và lắp ráp lại, truyền lại các gói bị mất, sự tắc nghẽn, và điều khiển luồng nằm ngoài khả năng sửa lỗi của UDP.

Khó khăn trong việc vượt qua các tường lửa: Nhiều loại tường lửa trên mạng chặn các thông tin UDP gây ra các lỗi trong quá trình truyền thông Đây không phải là vấn đề lớn đối với các nhà cung cấp dịch vụ IPTV, tuy nhiên nó cũng ảnh hưởng tới các công ty cung cấp dịch vụ Internet TV.

Đối với IPTV, UDP tỏ ra hữu ích khi trung tâm dữ liệu cần gửi các nội dung video IP tới nhiều IPTVCD và là giao thức mức truyền tải phổ biến nhất mà các nhà cung cấp dịch vụ IPTV.

c) Sự khác biệt giữa TCP và UDP

Khi các nhà cung cấp dịch vụ phát các nội dung IPTV tới các thuê bao, điều quan trọng là các nội dung này phải đến thiết bị của người dùng đúng lúc và trong dạng đúng Nói cách khác, các gói video phải không bị ngắt quãng Do đó, các nhà cung cấp dịch vụ cần chắc chắn sử dụng giao thức hỗ trợ khả năng phân phối qua hạ tầng mạng.

Mặc dù TCP cung cấp các ứng dụng với nhiều đặc trưng về mạng so với UDP, nhưng các nhà cung cấp dịch vụ IPTV không thường chọn TCP là giao thức truyền tải Điều này chỉ ra một thực tế rằng IPTV là ứng dụng thời gian thực và không có trễ TCP có thể đưa ngầm vào sự phân phối nội dung video IP do thực tế rằng giao thức sử dụng cơ chế điều khiển dòng

Đặc điểm và hạn chế cuả TCP đối với phân phối chương trình thời gian thực:

o Cân bằng giữa độ nhạy và độ trễ IPTV ít nhạy với mất hoặc ngắt gói hơn là với độ trễ Việc truyền lại các gói nâng cao độ tin cậy của kết nối giữa máy chủ và thiết bị truy cập IPTV Tuy nhiên, khi việc truyền lại diễn ra nhiều thì sẽ làm độ trễ tăng lên.

o TCP là giao thức kết nối liên kết Như đã trình bày ở trên TCP yêu cầu thiết lập kết nối logic giữa máy chủ và IPTVCD trước khi truyền các nội dung IPTV Khi người xem chuyển từ kênh này sang kênh khác cũng sẽ gây ra độ trễ đối với môi trường truyền hình trực tiếp của IPTV.

o Hỗ trợ sửa lỗi TCP cung cấp nhiều tính năng, đáng chú ý là khả năng sửa lỗi và điều khiển luồng Tuy nhiên, việc sửa lỗi trong mạng IP video có thể làm giảm chất lượng dịch vụ tới khách hàng

o Đặc điểm của truyền video: video bao gồm một chuỗi các ảnh liên tiếp, bất cứ khi nào xảy ra ngắt với tốc độ mà tại đó các hình ảnh này được xử lí và hiển thị trên IPTVCD cũng làm giảm chất lượng hình ảnh hiển thị và ảnh hưởng tới người sử dụng Thời gian xử lí mỗi ảnh riêng biệt chỉ mất khoảng một phần của giây

o Nếu sử dụng TCP để sửa lỗi do ngắt, cơ chế sửa lỗi như sau:

 IPTVCD sẽ báo gói dữ liệu bị lỗi bằng việc đặt cờ

 Một bản tin sẽ được gửi tới máy chủ IPTV để thông báo cho ứng dụng biết một trong các gói nhận được bị ngắt.

 Dưới sự quản lí của TCP, máy chủ cần phải tìm ra và gửi lại gói bị ngắt.

 IPTVCD nhận được gói mới trong vùng đệm và hiển thị nội dung video trong gói đó.

 Trong khi TCP thực hiện các bước ở trên, IPTVCD phải chờ gói bị lỗi được truyền lại và phải để trống luồng video hoặc bỏ qua gói truyền lại khi nhận được, Do đó kĩ thuật sửa lỗi của TCP là không cần thiết

o Mất gói IP - quá trình xử lí mất các gói IPTV nhiều hay ít cũng giống như quá trình sửa ngắt gói IPTV Các gói bị mất cũng cần được truyền lại, gây ra ảnh hưởng bất lợi tới dịch vụ phân phối IPTV.

o Hỗ trợ điều khiển luồng Bên cạnh vấn đề sửa lỗi và thiết lập kết nối logic, giao thức TCP còn hỗ trợ điều khiển tốc độ bit luồng dữ liệu gửi đi, có thể gây ra nhiều trở ngại trong việc truyền và nhận nội dung IPTV Trở ngại này xảy ra khi vùng đệm IPTV bắt đầu tràn các gói IPTV hoặc mạng bị nghẽn Khi xảy ra trường hợp này, máy chủ nhận được yêu cầu giảm tốc độ gửi các gói tin lên mạng Nếu máy chủ thực hiện yêu cầu giảm tốc độ, có một khả năng đó là: khi tốc độ giảm xuống hình ảnh sẽ không thể hiển thị được Nếu bản tin dừng được thực hiện, dịch vụ IPTV sẽ bị tắt hoàn toàn.

o Không hỗ trợ đa truyền thông TCP không hoạt động hiệu quả trong môi trường đa truyền thông, Do đó, UDP là lựa chọn tốt hơn TCP đối với các dịch vụ truyền thông như các ứng dụng đa truyền thông IPTV và truyền quảng bá.

Đây là những nguyên nhân chính TCP ít được sử dụng trong IPTV trực tiếp TCP được dùng trong các ứng dụng khác như e-mail, download các chương trình Internet TV Mặc dù, độ tin cậy và khả năng sửa lỗi của UDP không bằng TCP nhưng UDP là giao thức được lựa chọn để phân phát các dịch vụ IPTV

UDP có các nhược điểm sau: không có khả năng tìm và sửa lỗi Vấn đề này được khắc phục bằng cách gắn các hàm sửa lỗi vào các ứng dụng IPTV chạy trên các mạng hoặc trong chính các dòng video.

Sau lớp truyền tải là lớp IP (còn được gọi là lớp liên mạng ) Nhiệm vụ chính của lớp này là đưa các dữ liệu tới các vị trí mạng riêng biệt thông qua nhiều mạng độc lập được liên kết với nhau được gọi là liên mạng Lớp này được sử dụng để gửi các dữ liệu thông qua các đường khác nhau tới đích IP là giao thức tốt nhất được sử dụng trong lớp liên mạng, giao thức này cung cấp dịch vụ phân phát gói cơ bản cho tất cả các dịch vụ IPTV Các loại dịch vụ này với hệ thống truyền đơn điểm, nơi các gói được truyền từ nguồn tới một IPTVCD đích, khác với hệ thống truyền đa điểm nơi mà các gói được truyền từ máy chủ tới nhiều IPTVCD.

IPv4 là giao thức phổ biến nhất được sử dụng trong mạng IPTV ngày nay Nhiệm vụ chính của IP là phân phát các bit dữ liệu trong các gói từ nguồn tới đích IP sử dụng kĩ thuật có hiệu quả cao nhất để phân phát dữ liệu Nói cách khác không có tiến trình nào đảm bảo quá trình phân phát chính xác thông tin qua mạng Các khối cơ sở của giao thức IP là các đoạn bit dữ liệu được đặt trong các gói và được định địa chỉ

Gói IP là đơn vị dữ liệu bao gồm dữ liệu video thực và các thông tin của việc nhận video từ trung tâm cung cấp dữ liệu IPTV tới đích IPTVCD.

Cách đánh địa chỉ IP: trong môi trường IPTV, địa chỉ IPv4 thường được dùng để định nghĩa IPTVCD và trung tâm cung cấp dữ liệu Địa chỉ IPv4 là chuỗi 4 số được ngăn cách với nhau bằng các dấu chấm để định nghĩa một cách chính xác vị trí vật lí của một thiết bị, ví dụ như set-top box, trong mạng Địa chỉ IPv4 gồm 32 bit trong hệ nhị phân Các số nhị phân này được chia thành 4 octet, mỗi octet 8 bit, mỗi octet được đại diện bởi

1 số hệ thập phân nằm trong khoảng từ 0 đến 255 Mỗi octet được ngăn cách bởi 1 dấu chấm trong hệ thâp phân Địa chỉ IP được tổ chức thành 2 phần:

(1) Địa chỉ mạng dùng để định nghĩa mạng băng rộng mà IPTVCD kết nối tới.(2) Địa chỉ host dùng để định nghĩa các thiết bị IPTV.

Một điểm đáng chú ý là một vài bit đầu tiên của địa chỉ sẽ định nghĩa các bit còn lại của trường địa chỉ sẽ được phân chia thế nào cho host và mạng Để thuận lợi cho việc sư dụng và quản lí, địa chỉ IP được chia thành các lớp khác nhau.

Bên cạnh việc chia thành các lớp, một số địa chỉ IP được dành riêng cho các mạng tư nhân Các địa chỉ này nằm trong dải:

10.0.0.0 to 10.255.255.255172.16.0.0 to 172.31.255.255 192.168.0.0 to 192.168.255.255

Hình 1.6: Các lớp địa chỉ IP

a) Mạng con IPTV

Trong các mạng lớn IPTV với hàng ngàn IPTVCD trải rộng trên một khu vực địa lí rộng, mạng dựa trên IP này cần được chia thành các mạng nhỏ hơn gọi là mạng con Mạng con của mạng IPTV cho phép nhà cung cấp dịch vụ định nghĩa và giám sát các phần riêng biệt trong mạng mà không cần địa chỉ IPv4 mới Người điều hành mạng cũng sử dụng địa chỉ mạng con để giấu đi cấu trúc mạng nội bộ để tránh bị tấn công từ mạng Internet công cộng Người quản trị mạng IPTV sử dụng các số riêng biệt được gọi là địa chỉ subnet mask để tạo các mạng con trong môi trường IPTV Subnet mask là địa chỉ IP 32 bit Giá trị mặc định của subnet mask của lớp A, B, C là:

Class A - 255.0.0.0Class B - 255.255.0.0Class C -255.255.255.0

Các tiến trình chạy trên mạng con thường được quản lí bởi thiết bị phần cứng gọi là router Một router có thể nối với nhiều mạng và quyết định thông tin sẽ được gửi đến đâu trong mạng.

b) Tương lai của địa chỉ IP

Khi cấu trúc địa chỉ IP của mạng Internet mới được phát triển trong những năm đầu của thập kỉ 80, người ta đã cho rằng nó đáp ứng được nhu cầu của người dùng hiện tại và trong tương lai Địa chỉ IP 32 bit trong vesion IPv4 có thể đánh địa chỉ cho hơn 4 tỉ máy trạm trong khoảng 16,7 triệu mạng khác nhau.Địa chỉ IPv4 không đáp ứng được nhu cầu tốc độ phát triển của mạng Internet như hiện nay.Tốc độ phát triển của mạng Internet đã nằm ngoài dự đoán của những người phát triển giao thức IP và số lượng mạng kết nối với mạng Internet tăng lên từng tháng

Để tìm giải pháp cho hạn chế của địa chỉ IPv4, Nhóm Kĩ Sư mạng Internet đã đưa ra version mới IPv6 với 128 bit địa chỉ IPv6 có thể cung cấp lượng địa chỉ gấp hàng tỉ lần số địa chỉ IPv4 IPv6 có cả các khả năng cung cấp hỗ trợ việc xác thực, tính toàn vẹn QoS, mã hóa và bí mật Việc sử dụng IPv6 trên mạng IPTV là thích hợp bởi vì cơ chế QoS bên trong nó và có khả năng hỗ trợ số lượng không giới hạn các IPTVCD.Từ 5 tới 10 năm tới, IPv6 sẽ dần thay thế IPv4.

Tại sao lại sử dụng IPv6 khi triển khai IPTV ? IPv6 có tính năng vượt trội hơn so với IPv4 Các nguyên nhân chính khiến các nhà cung cấp dịch vụ xem xét việc sư dụng IPv6:

Quy mô được tăng lên: IPv4 dùng địa chỉ 32 bit trong khi IPv6 dùng địa chỉ 128 bit, lớn hơn gấp 4 lần Điều này cho phép nhà cung cấp dịch vụ IPTV mở rộng số lượng thiết bị có thể quản lý

Cấu trúc header đơn giản: IPv6 giảm kích thước header xuống còn 40 byte cố định và đơn giản cấu trúc của trường header

Tăng mức độ bảo vệ: IPv6 có 2 đặc điểm giúp tăng mức độ bảo vệ:

(1) Bao gồm header xác thực - bao gồm các bản tin xác nhận và kiểm tra người gửi gói.

(2) Payload bảo mật được đóng gói - đặc điểm này đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu IPTV và bảo mật giữa các máy chủ trung tâm dữ liệu IPTV và các IPTVCD khác.

Lưu lượng thời gian thực tốt hơn: khả năng dán nhãn luồng của IPv6 cho phép nhà cung cấp dịch vụ đánh dấu các gói riêng, phụ thuộc vào từng loại dịch vụ Trong môi trường triple-play, các router có thể coi các gói IP được dán nhãn với một nhận dạng video là các gói IP được dán nhãn khi mang nội dung web.

Tự động cấu hình: Khả năng plug and play của IPv6 giúp giảm bớt độ phức tạp khi cài đặt dịch vụ IPTV tại nhà của khách hàng.

Vì những ưu điểm kể trên IPv6 được xem như giải pháp lâu dài để hỗ trợ triển khai các thiết bị số ở quy mô lớn, có thể sử dụng nhiều loại ứng dụng dựa trên IP

Nhược điểm chính khi sử dụng giao thức IP là không có gì đảm bảo rằng khi nào các gói tới đúng đích hay gói có đến đúng lúc không, ngay cả thứ tự các gói được chuyển đến cũng không được xác định Do đó, lớp IP làm việc cùng với giao thức lớp truyền tải để đảm bảo rằng các gói đến IPTVCD đúng lúc và theo trật tự đúng IP cũng làm cho quá trình phân phát nội dung video bị trễ.

♦ Lớp liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu lấy các dữ liệu thô từ lớp IP và định dạng chúng thành các gói phù hợp để truyền qua mạng vật lí Chú ý, lớp liên kết dữ liệu khác với các giao thức mạng Kĩ thuật Ethetnet là một trong những kĩ thuật phổ biến hơn được sử dụng trong hệ thống IPTV Lớp liên kết dữ liệu bao gồm các chức năng dành cho các mạng dựa trên Ethernet:

Encapsulation Lớp này thêm vào các gói IPTV một header Ethernet header là loại Encapsulation phổ biến nhất dùng trong lớp liên kết dữ liệu của IPTVCD.

Định địa chỉ Lớp liên kết dữ liệu xử lí các địa chỉ vật lí của mạng người sử dụng và các thiết bị chủ Hệ thống địa chỉ khác nhau với các topo mạng Ví dụ, địa chỉ MAC được sử dụng trong mạng Ethernet Mỗi thiết bị kết nối với mạng IPTV thì có 1 địa chỉ MAC Độ dài của địa chỉ MAC là 48 bit và thường được biểu diễn bằng 12 số trong hệ 16 Trong 12 số hệ 16 này, 6 số đầu tiên để dành cho nhà sản xuất thiết bị IPTV và các số còn lại được dùng để định nghĩa giao diện mạng ảo.

Kiểm tra lỗi - chức năng kiểm tra lỗi được dùng trong vài lớp của mô hình IPTV, bao gồm cả lớp liên kết dữ liệu Các gói bị ngắt là lỗi thường gặp trong quá trình truyền các nội dung video qua mạng dựa trên IP Phương pháp sửa lỗi thường dùng là kiểm tra dư thừa vòng (CRC) trong IPTV để tìm và loại bỏ các gói bị ngắt Sử dụng kĩ thuật CRC thiết bị gửi IPTV thực hiện việc tính toán trên các gói và lưu trữ kết quả trong gói Các phép tính toán tương tự cũng được thực hiện trên thiết bị nhận khi nhận được các gói Nếu kết quả tính toán là như nhau, thì các gói được xử lí bình thường Tuy nhiên, nếu kết quả này là khác nhau, thì gói bị lỗi sẽ bị loại bỏ.Thiết bị gửi sẽ tạo một gói mới và gửi lại nó Thông báo với lớp trên trong mô hình IPTV khi có lỗi xảy ra là nhiệm vụ chính của lớp liên kết dữ liệu trong kĩ thuật kiểm tra lỗi mà các hệ thống IPTV end to end.

Điều khiển luồng Điều khiển luồng là một trong chức năng của lớp truyền tải Trong mạng IPTV, điều khiển luồng cho thiết bị IPTV của người sử dụng không bị tràn bởi các nội dung Lớp liên kết dữ liệu cùng với lớp truyền tải thực hiện bất kì yêu cầu điều khiển luồng nào.

Lớp vật lí quy định luật lệ truyền các bit số qua mạng Nó đề cập đến việc đưa các dữ liệu qua các mạng vật lí riêng biệt như xDSL, và không dây Lớp này định nghĩa cấu hình mạng vật lí, thông số kĩ thuật, điện trong môi trường truyền.

Khi dòng bit được truyền qua mạng, các gói được chuyển từ lớp thấp đến lớp cao trong mô hình truyền thông IPTV Ví dụ lớp liên kết dữ liệu sẽ kiểm tra các gói và loại bỏ đi phần header Ethernet và trường sửa lỗi CRC Tiếp đó sẽ kiểm tra trường kiểu mã của Ethernet header và xác định gói cần được xử lí bởi giao thức IP Do đó gói dữ liệu được chuyển lên lớp mang Lớp mạng kiểm tra và loại bỏ đi phần IP header và chuyển

gói đó lên lớp truyền tải Phương pháp bỏ đi phần header khi qua các lớp khác nhau gọi là bóc gói Quá trình này tiếp tục đươc thực hiện cho tới khi gói dữ liệu lên đến tầng trên cùng trong mô hình Hình ảnh gốc được thể hiện trên màn hình TV của người xem.

Nén cho phép các nhà cung cấp dịch vụ truyền các kênh hình và tiếng với chất lượng cao qua mạng IP băng rộng Do mắt người ko thể phân biệt được toàn bộ các phần của hình ảnh Do đó việc nén sẽ làm giảm độ lớn của tín hiệu ban đầu bằng cách bỏ bớt các phần không ảnh hưởng nhiều đến chất lượng của hình ảnh.

Một hệ thống nén video tiêu biểu (hay bộ mã hoá nguồn) bao gồm: bộ chuyển đổi, bộ lượng tử hoá, bộ mã hoá.

Hình 1.7: Sơ đồ khối hệ thống nén ảnh tiêu biểu.

+ Bộ chuyển đổi: thường dùng phép biến đổi Cosin rời rạc để tập trung năng lượng tín hiệu vào một số lượng nhỏ các hệ số khai triển để thực hiện phép nén hiệu quả hơn là dùng tín hiệu nguyên thủy.

+ Bộ lượng tử hoá: tạo ra một lượng ký hiệu giới hạn cho ảnh nén với hai kỹ thuật: lượng tử vô hướng (thực hiện lượng tử hoá cho từng phần dữ liệu) và lượng tử vectơ (thực hiện lượng tử hoá một lần một khối dữ liệu) Quá trình này không thuận nghịch.

+ Bộ mã hoá: gán một từ mã, một dòng bit nhị phân cho mỗi ký hiệu.

II.1Khái quát, cấu trúc dòng bit MPEG

Cấu trúc dòng MPEG gồm 6 lớp: lớp dãy ảnh (sequence), lớp nhóm ảnh (GOP), lớp ảnh (picture), lớp cắt lát dòng bit (slice), lớp macroblock, lớp khối (Block).

a) Khối : Khối 8x8 các điểm ảnh tín hiệu chói và tín hiệu màu dùng cho phương

pháp nén DCT.

b) Tổ hợp cấu trúc khối (macroblock): một cấu trúc khối là một nhóm các

khối tương ứng với lượng thông tin chứa đựng trong kích thước 16x16 điểm trên bức ảnh Cấu trúc khối này cũng xác định lượng thông tin chứa trong đó sẽ thay đổi tùy theo cấu trúc mẫu được sử dụng Thông tin đầu tiên trong cấu trúc khối mang dạng của nó (là cấu trúc khối Y hay Cr, Cb) và các vector bù chuyển động tương ứng.

c) Mảng (Slice): mảng bao gồm một vài cấu trúc khối kề nhau Kích thước lớn

nhất của mảng có thể bao gồm toàn bộ bức ảnh và kích thước nhỏ nhất của mảng là một cấu trúc khối Thông tin đầu của mảng chứa đựng vị trí của mảng trong toàn bộ ảnh, và hệ số cân bằng lượng tử.

d) Ảnh (Picture): lớp ảnh cho phép bộ giải mã xác định loại của ảnh được mã

hóa là ảnh P, I hay ảnh B Thông tin đầu dùng để chỉ thứ tự truyền khung để bộ giải mã có thể sắp xếp các ảnh lại theo một thứ tự đúng Trong thông tin đầu của ảnh còn chứa các thông tin về đồng bộ, độ phân giải và phạm vi của vector chuyển động.

e) Nhóm ảnh (GOP): nhóm ảnh là tổ hợp của nhiều các khung I, P và B Cấu

trúc nhóm ảnh được xác định bằng hai tham số m và n Mỗi một nhóm ảnh bắt đầu bằng một khung I cho phép xác định điểm bắt đầu để tìm kiếm và biên tập Thông tin đầu gồm 25 bit chứa mã định thời và điều khiển.

f) Đoạn (chương trình) video: đoạn video bao gồm thông tin đầu, một số nhóm

ảnh và thông tin kết thúc đoạn Thông tin đầu của đoạn video chứa đựng kích thước mỗi chiều của ảnh, kích thước của điểm ảnh, tốc độ bit của dòng video số, tần số ảnh và bộ đệm tối thiểu cần có Đoạn video và thông tin đầu tạo thành một dòng bit được mã hóa gọi là dòng cơ bản (Elementary Stream)

Hình 1.8: Kiến trúc dòng dữ liệu MPEG2.2 Nguyên lý nén MPEG

Cơ sở của công nghệ nén video MPEG là sự kết hợp giữa nén trong ảnh (Intra -Frame Compression) và công nghệ nén liên ảnh ( Inter-Frame Compression) Trong đó:

Hình 1.9: Nén MPEG

Nén trong ảnh (Intra -Frame Compression): là loại nén nhằm giảm bớt thông tin dư thừa trong miền không gian Nén trong ảnh sử dụng cả hai quá trình có tổn hao và không có tổn hao để giảm bớt dữ liệu trong ảnh Quá trình này không sử dụng thông tin của các ảnh trước và sau ảnh đang xét

Nén liên ảnh (Intra -Frame Compression): Trong tín hiệu video có chứa thông tin dư thừa trong miền thời gian Nghĩa là với một chuỗi liên tục các ảnh, lượng thông tin chứa đựng trong mỗi ảnh thay đổi rất ít từ ảnh này sang ảnh khác Tính toán sự dịch chuyển vị trí của nội dung ảnh là một phần rất quan trọng trong kỹ thuật nén liên ảnh Trong thuật nén MPEG, quá trình xác định Vector chuyển động được thực hiện bằng cách chia hình ảnh thành các Macro-Block, mỗi Macro-Block có 16 x 16 phần tử ảnh (tương đương với 4 Block, mỗi Block có 8 x 8 phần tử ảnh) Để xác định chiều chuyển động, người ta tìm kiếm vị trí của Macro-Block trong ảnh tiếp theo, kết quả của sự tìm kiếm sẽ cho ta Vector chuyển động của Macro-Block

Nguyên lý nén MPEG:

Dạng thức đầu vào là Rec- 601 4:2:2 hoặc 4:2:0 Ảnh hiện tại được so sánh với ảnh trước tạo ra ảnh khác biệt Ảnh này sau đó lại được nén trong ảnh qua các bước : biến đổi DCT, lượng tử hóa, mã hoá Dữ liệu của ảnh khác biệt và vector chuyển động (được xác định như trên ) mang thông tin về ảnh sau nén liên ảnh được đưa đến bộ đệm ở đầu ra

Tốc độ bít của tín hiệu video được nén không cố định, phụ thuộc vào nội dung ảnh đang xét (ví dụ một phần nén ít hơn hoặc nhiều hơn), nhưng tại đầu ra bộ mã hoá dòng bít phải cố định để xác định tốc độ cho dung lượng kênh truyền.

2.3 Nguyên lý giải nén MPEG

Hình 1.10: Giải nén MPEG

Nguyên lý giải nén MPEG:

- Đầu tiên là giải mã Entropy, sau đó tách dữ liệu ảnh (hệ số biến đổi DCT) ra khỏi các vector chuyển động Dữ liệu ảnh sẽ được giải lượng tử hoá và biến đổi DCT ngược

- Nếu ảnh là ảnh loại I bắt đầu ở mỗi nhóm ảnh trong chuỗi, ở đầu ra sẽ nhận được ảnh hoàn chỉnh bằng cách trên ( vì ảnh loại I chỉ là nén trong ảnh, không có bù chuyển động, không dùng dữ liệu của ảnh khác) Nó được lưu trữ trong bộ nhớ ảnh và được và được dùng để giải mã các ảnh tiếp theo

- Nếu ảnh là ảnh loại P thì cũng thực hiện giải lượng tử hóa và biến đổi DCT ngược kết hợp với việc sử dụng vector chuyển động và lưu vào bộ nhớ ảnh sớm hơn Trên cơ sở đó xác định được dự đoán ảnh đang xét Ta nhận đựơc ảnh ra sau khi cộng dự đoán ảnh (ảnh dự đoán) và kết quả biến đổi DCT ngược Ảnh này cũng được lưu vào bộ nhớ để có thể sử dụng như là chuẩn khi giải mã các ảnh tiếp theo

2.4 Chuẩn MPEG-4

Chuẩn MPEC-4 là một chuẩn động dễ thay đổi Với MPEG-4, các đối tượng khác nhau trong một khung hình có thể được mô tả, mã hoá và truyền đi một cách riêng biệt đến bộ giải mã trong các dòng cơ bản ES (Elementary Stream) khác nhau Cũng nhờ xác định, tách và xử lý riêng các đối tượng (như nhạc nền, âm thanh xa gần, đồ vật, đối tượng ảnh video như con người hay động vật, nền khung hình …), nhờ vậy người sử dụng có thể thực hiện các hoạt động tương tác riêng với từng đối tượng (thay đổi tỷ lệ, di chuyển, kết nối, loại bỏ, bổ xung các đối tượng …) ngay tại vị trí giải mã hay mã hoá Sự tổ hợp lại thành khung hình chỉ được thực hiện sau khi giải mã các đối tượng này.

Hình 4.2: Cấu trúc của bộ mã hoá và giải mã video MPEG-4

Hình 4.3 là một ví dụ về mã hoá và tổng hợp khung hình video sử dụng trong MPEG-4 Nhiều đối tượng, như người, xe ô tô, nhà cửa, được tách ra khỏi video đầu vào Mỗi đối tượng video sau đó được mã hoá bởi bộ mã hoá đối tượng video VO (video object) và sau đó được truyền đi trên mạng Tại vị trí thu, những đối tượng này được giải mã riêng rẽ nhờ bộ giải mã VO và gửi đến bộ tổ hợp compositor Người sử dụng có thể tương tác với thiết bị để cấu trúc lại khung hình gốc (a), hay để xử lý các đối tượng tạo ra một khung hình khác (b) Ngoài ra, người sử dụng có thể download các đối tượng khác từ các thư 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 tượng có trong khuôn hình gốc (c).

Để có thể thực hiện việc tổ hợp khung hình, MPEG-4 sử dụng một ngôn ngữ mô tả khung hình riêng, được 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 tượng xuất hiện trong khung hình, nó cũng mô tả cách thức hoạt động của đối tượng (làm cho một đối tượng xoay tròn hay chồng mờ hai đối tượng lên nhau) và cả điều kiện hoạt động đối tượng và tạo cho MPEG-4 có khả năng tương tác Trong MPEG-4, tất cả các đối tượng có thể được mã hoá với sơ đồ mã hoá tối ưu riêng của nó – video được mã hoá theo kiểu video, text được mã hoá theo kiểu text, các đồ hoạ được mã hoá theo kiểu đồ hoạ - thay vì việc xử lý tất cả các phần tử ảnh pixels như là mã hoá video ảnh động Do các quá trình mã hoá đã được tối ưu hoá cho từng loại dữ liệu thích hợp, nên chuẩn MPEG-4 sẽ cho phép mã hoá với hiệu quả cao tín hiệu ảnh video, audio và cả các nội dung tổng hợp như các bộ mặt và cơ thể hoạt hình.

Hình 4.3: Mã hóa và tổng hợp khung hình trong MPEG-4

2.5 MPEG-4 Part10

Với đối tượng để truyền dẫn video là mạng Internet thì ứng cử viên hàng đầu là chuẩn nén MPEG-4AVC hay còn gọi là H.264/MPEG-4 Part 10 Mục tiêu chính của chuẩn nén H.264 đang phát triển nhằm cung cấp Video có chất lượng tốt hơn nhiều so với những chuẩn nén Video trước đây Điều này có thể đạt được nhờ sự kế thừa các ưu điểm của các chuẩn nén video trước đó và một số ưu điểm như sau:

- Phân chia mỗi hình ảnh thành các Block bao gồm nhiều điểm ảnh, do vậy quá trình xử lý từng ảnh có thể được tiếp cận tới mức Block

- Khai thác triệt để sự dư thừa về mặt không tồn tại giữa các hình ảnh liên tiếp bởi một vài mã của những Block gốc thông qua dự đoán về không gian, phép biến đổi, quá trình lượng tử và mã hoá Entropy

- Khai thác sự phụ thuộc tạm thời các Block của hình ảnh liên tiếp, do đó chỉ cần mã hoá những chi tiết thay đổi giữa các ảnh liên tiếp Việc này được thực hiện thông qua dự đoán và bù chuyển động Với bất kỳ Block nào cũng có thể được thực hiện từ một hoặc vài ảnh mã hoá trước đó hay ảnh được mã hoá sau đó để quyết định Vector chuyển động, các Vector được sử dụng trong bộ mã hoá và giải mã để dự đoán các loại Block

- Khai thác tất cả sự dư thừa về không gian còn lại trong ảnh bằng việc giải mã các Block dư thừa Ví dụ như sự khác biệt giữa các Block gốc và Block dự đoán sẽ được mã hoá thông qua quá trình biến đổi, lượng tử hoá và mã hoá Entropy.

♦ Ưu điểm của MPEG-4 part 10

+ Chất lượng hình ảnh tốt: H.264 là chuẩn nén sử dụng công nghệ âm thanh, hình ảnh mới khả năng nén tôt hơn so với các chuẩn nén trước đó Do đó, chuẩn nén cung cấp dịch vụ phân phát hình ảnh chất lượng cao qua mạng băng thông giới hạn.

+Yêu cầu băng thông thấp: Chất lượng hình ảnh của H.264 gần giống với

MPEG-2 nhưng H.264 cần ít băng thông để truyền tải tín hiệu với cùng chất lượng Đặc điểm này rất phù hợp để sử dụng trong hệ thống IPTV.

+ Có khả năng kết hợp với các thiết bị xử lí video có sẵn như MPEG-2 và hạ tầng mạng dựa trên IP đã có sẵn.

+ Hỗ trợ truyên hình độ phân giải cao: Khi sử dụng tối ưu chuẩn nén 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 chương trình video độ phân giải cao qua mạng sẵn có.

+ Hỗ trợ nhiều ứng dụng:Chuẩn nén H.264 được 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 được trên các thiết bị di động Để phù hợp với mọi ứng dụng, chuẩn nén H.264 có rất nhiều profile và level Đặc điểm của profile và level là tốc độ bit và kích thước ảnh.

+ Có thể truyền độc lập: Chuẩn nén H.264 có thể truyền qua nhiều giao thức như ATM, RTP, UDP, TCP.

+ Dễ dàng thích nghi với các mạng chất lượng kém nhờ cơ chế sửa lỗi

MPEG -4 với nhiệm vụ là nhằm phát triển các chuẩn xử lý, mã hoá và hiển thị ảnh động, audio và các tổ hợp của chúng MPEG -4 khác so với MPEG -2 là trong một khung hình thì nó không mã hoá toàn bộ khung hình mà nó miêu tả từng đối tượng riêng rẽ và sau đó mới mã hoá từng đối tượng đó MPEG -4 chia các Macro-Block thành các Block nhỏ hơn Trong khi bù chuyển động trong MPEG-2 Part 2 được hạn chế đến nội suy hai chiều ½ pixel thì H264/MPEG Part 10 cho phép các Vector chuyển động chính xác đến ¼ pixel và sau đó dùng nội suy nhiều chiều(Bi-cubic) Và còn nhiều điểm ưu việt khác nữa Do đó hiệu quả nén của chuẩn nén MPEG -4 tốt hơn so với MPEG -2.

Qua quá trình thực nghiệm đã cho rằng sự tiết kiệm tốc độ bít trung bình của H264/MPEG Part 10 so với MPEG-2 là khoảng 65% Như vậy hiệu quả của nén H264/MPEG Part 10 tăng lên đáng kể so với các chuẩn nén khác Hiệu quả nén tăng của H264/MPEG Part 10 tạo ra các phạm vi ứng dụng và các cơ hội kinh doanh mới như: ứng dụng H264/MPEG Part 10 cho truyền hình số và di động hay có thể cải tạo chất lượng truyền hình qua giao thức Internet để đạt được chất lượng hình ảnh tốt như truyền hình số hiện nay.

Từ những đặc điểm và ưu điểm của MPEG-4 AVC đánh dấu một bước ngoặt trong lĩnh vực nén video, áp dụng các kỹ thuật tiên tiến nhằm mục đích sử dụng băng thông hiệu quả hơn và đem lại chất lượng 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 được lựa chọn để ứng dụng trong IPTV.

III.Kiến trúc và chức năng các thành phần của hệ thống IPTV

Hình 1.16: Cấu trúc hệ thống IPTV

1 Các thiết bị tích hợp IRD

Những thiết bị này được sử dụng để nhận các tài sản video từ một số mạng khác nhau như: các vệ tinh đến các đường video riêng và các ănten viba

Đây là một hệ thống nén nằm tại trung tâm dữ liệu IPTV, được dùng để tối thiểu hoá khả năng lưu trữ thông tin mà vẫn duy trì chất lượng của các luồng video và audio để truyền tải đến các người dùng, do đó băng thông mạng yêu cầu để truyền các luồng video này được giảm bớt Hệ thống nén này được tạo ra từ một số bộ mã hoá thời gian thực được dùng để số hoá và nén các kênh video, audio và data Nội dung video số hoặc tương tự chưa được nén được đưa vào thiết bị mã hoá để nén và sau đó được đóng gói vào trong các gói video được đưa ra ngoài đến các bộ định tuyến IPTV, hầu hết các bộ mã hóa hiện đại đều có cổng ngõ ra là cổng Ethernet.

Những máy chủ này được cấu hình vào trong các cụm máy chủ cho mục đích làm việc liên tục và chiệu trách nhiệm truyền nội dung IPTV sử dụng các giao thức đã được chọn tới các người dùng đầu cuối.

Hệ thống chuyển mã tại trung tâm dữ liệu IPTV phụ thuộc vào hai nhân tố sau:(1) Định dạng của nội dung video nguồn

(2) Chuẩn nén được sử dụng để triển khai trên mạng phân phối IP

Hệ thống chuyển mã bao gồm các thiết bị phần cứng đặc biệt được sử dụng để chuyển đổi luồng video MPEG-2, thậm chí là những nguyên liệu tương tự thành định dạng nén khác như: H.264/AVC hay VC-1.

5. Hệ thống quản lý và vận hành OBSS

Hệ thống OBSS còn được biết như hệ thống quản lý thuê bao SMS, được sử dụng để kết nối với các thành phần trong mạng IPTV khác để kích hoạt, thực thi và cung cấp các dịch vụ IPTV trong thời gian thực để phù hợp với các yêu cầu của khách hàng Các thông tin được xử lý bởi OBSS suốt quá trình cung cấp một dịch vụ mới bao gồm:

+ Địa chỉ và tên các thuê bao.+ Chi tiết về tính cước phí.

+ Các chương trình IPTV multicast được yêu cầu.+ Các tài sản VoD-IP được yêu cầu.

+ Băng thông mạng sử dụng được yêu cầu để cung cấp dịch vụ mới + Cấp địa chỉ IP cho một dịch vụ mới.

Để kích hoạt các dịch vụ mới và hỗ trợ quản lý vận hành hệ thống IPTV, OBSS có thể bao gồm một số hoặc là tất cả các chức năng sau:

+ Thu thập các thông tin sử dụng liên quan đến các loại dịch vụ IPTV.+ Theo dõi việc yêu cầu nội dung và cập nhật nội dung phù hợp.

+ Theo dõi và quản lý các kết nối RG qua mạng băng thông rộng đến các trung tâm dữ liệu IPTV.

+ Quản lý và hổ trợ cung cấp nội dung.

+ Quản lý các tài khoản, hoá đơn, thông tin về khách hàng.

+ Cung cấp một Web site, cho phép các thuê bao yêu cầu nội dung video.

+ Cung cấp một Web portal, cho phép các người sử dụng IPTV truy cập thông tin để giúp họ giải quyết các lỗi kỹ thuật thông thường.OBSS giao tiếp với các hệ thống con bên ngoài tại trung tâm dữ liệu, bao gồm hệ thống quản lý quan hệ khách hàng CRM.

Sử dụng một hệ thống CRM cung cấp cho các nhà điều hành viễn thông tính rõ ràng trong kinh doanh các gói dịch vụ đặc biệt Một CRM có thể bao gồm một số đặc trưng và có thể sắp xếp thành 3 module khác nhau:

CRM module

Mô tả chức năng

Giao diện với

các thuê bao hiện tại và quá khứ đều sẵn sàng để giúp cãi thiện hiệu Module này bảo đảm rằng các thông tin chi tiết của cả quả tương tác với các thuê bao Quản lý liên lạc và chăm sóc khách hàng là hai đặc trưng chính trong module này.Tiếp thị các

sản phẩm IPTV và các dịch vụ.

Module này quản lý các chiến dịch quảng cáo và tiếp thị Các chức năng điển hình trong module này là tổ chức việc phân phối tiếp thị kèm theo

Bán các sản phẩm IPTV và các dịch vụ.

Dùng để trợ giúp các nhà cung cấp dịch vụ IPTV bán sản phẩm, kết hợp với module tiếp thị để xác định các kênh bán hàng thích hợp và theo dõi kết quả từ các chiến dịch tiếp thị Phần up-selling cho phép các nhà cung cấp dịch vụ bán các dịch vụ IP kèm theo đến các thuê bao.

7. Hệ thống bảo mật IPTV

Đầu ra từ hệ thống mã hoá được dẫn đến một hệ thống bảo mật để bảo vệ nội dung Mục đích của hệ thống bảo mật IPTV là để giới hạn truy cập của các thuê bao và bảo vệ chống lại việc ăn cắp nội dung IPTV Hệ thống bảo mật bao gồm hai phần là: CA và DRM.

Các máy chủ video lưu trữ và đệm các file video Các máy chủ video thông thường được kết nối vào một cụm máy chủ, cung cấp các kết nối dư thừa trong trường hợp một máy chủ bị lỗi Các máy chủ VoD chạy một phần mềm ứng dụng để yêu cầu hỗ trợ việc quản lý dữ liệu VoD và các loại đa phương tiện khác

Middleware IPTV có hai loại là: phần mềm máy chủ và máy khách Phần mềm máy chủ middleware được thực thi trên các máy chủ tại trung tâm dữ liệu IPTV.

Middleware Headend và các máy chủ ứng dụng thể hiện các chức năng sau:+ Tương tác với hệ thống OBSS và CA

+ Hỗ trợ quản lý cung cấp thông tin tính cước, các thuê bao mới và quản lý tổng quan các tài sản video.

+ Tổ chức các ứng dụng phần mềm để giao tiếp với các middleware máy khách được nhúng vào trong các thiết bị truy cập IP.

+ Hỗ trợ người dùng tương tác với các dịch vụ VoD và IPTV multicast.

Middleaware máy khách nằm tại IPTVCD và được sử dụng để giữ các chương trình ứng dụng IPTV cách biệt khỏi mạng băng thông rộng.

10. Máy chủ thời gian mạng

Các trung tâm dữ liệu IPTV thông thường sử dụng máy chủ thời gian mạng để cho phép đồng bộ hoá thời gian giữa các thành phần trong mạng Việc kết nối với máy chủ này được dễ dàng thông qua giao thức thời gian mạng NTP.

Trung tâm dữ liệu IPTV sử dụng các thiết bị chuyển mạch băng thông rộng để định tuyến các tín hiệu video giữa các thiết bị nguồn nội dung khác nhau Các nhà cung cấp dịch vụ thường sử dụng các thiết bị mạng IP chuẩn như: các router, các switch để thực hiện việc định tuyến các tín hiệu Sử dụng các thiết bị mạng chuẩn cho phép các nhà cung cấp dịch vụ IPTV hợp nhất các tín hiệu data, video, audio trên một mạng Điều này cho phép giảm chi phí bảo dưỡng, quản lý mạng đơn giản và tăng tính linh hoạt của hệ thống chuyển mạch.

Kiến trúc hệ thống IPTV còn bao gồm bộ định tuyến phân phối tốc độ cao, thiết bị này nằm tại các headend của các nhà cung cấp dịch vụ và chiệu trách nhiệm truyền tải nội dung IPTV tương tác đến mạng phân phối Bộ định tuyến này kết nối trực tiếp tới mạng trục IPTV.

Mạng phân phối IP bao gồm hai phần như: mạng trục và mạng truy cập

(1) Mạng trục IP chiệu trách nhiệm cho việc tập hợp tất cả nội dung video IP để thêm các loại lưu lượng khác trong một môi trường triple-play.

(2) Mạng truy cập sử dụng một kỹ thuật ghép kênh như DSL để truyền các dịch vụ được yêu cầu đến người sử dụng IPTV.

IPTVCD là một thiết bị phần cứng mà để giới hạn một kết nối IPTV Trong hệ thống IPTV thì các IPTVCD chính là các RG và các IP set-top-box.Trong một mạng IPTV tất cả những thành phần này được kết hợp chặt chẽ để truyền các tài sản VoD và một số lượng lớn các kênh SD và HD.

Có ba phương pháp truyền nội dung IPTV đó là: truyền broadcast, truyền unicast và truyền multicast

1 Broadcast

Truyền broadcast sẽ truyền đến tất cả các thiết bị trong mạng kể cả những thiết bị không có yêu cầu, do đó làm tăng khả năng xử lý của các thiết bị và lãng phí băng thông mà không cần thiết, ngoài ra phương pháp này không được hỗ trợ định tuyến.

2 Unicast

Đối với truyền unicast mỗi thuê bao được thiết lập một luồng riêng tới máy chủ video, do đó nếu có nhiều thuê bao cùng muốn xem một kênh truyền hình thì các kết nối unicast được thiết lập do đó làm tốn băng thông mạng rất nhiều, phương pháp này chỉ được sử dụng khi thuê bao có nhu cầu riêng như trong dịch vụ video theo yêu cầu VoD.

Hình 1.17: Truyền unicast

3 Multicast

Để tiết kiệm băng thông trong quá trình truyền một luồng video đến đồng thời một nhóm các thuê bao, các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng phương pháp truyền multicast.

Hình 1.18: Truyền multicast

Trong đó đối với mạng băng thông rộng ADSL thì các thiết bị “Last mile access equipment” và thiết bị “RG” chính là các DSLAM và modem ADSL Còn đối với mạng truyền hình cáp hai chiều HFC thì đó chính là hệ thống CMTS và modem cáp.

Các nhóm và thành viên hình thành hoạt động cơ bản của kỹ thuật multicast, khi triển khai IPTV mỗi nhóm multicast là một kênh TV quảng bá và các thành viên trong một nhóm thì có quyền ngang bằng nhau khi xem kênh đó Với kỹ thuật truyền này thì mỗi kênh IPTV chỉ được truyền đến các IP set-top-box mà có yêu cầu xem kênh đó Điều này giữ cho việc tiêu thụ băng thông tương đối thấp và giảm gánh nặng xử lý trên các máy chủ Hình 2.3 miêu tả tác động của việc sử dụng công nghệ multicast trên ví dụ của năm thuê bao IPTV truy cập đồng thời kênh 10.

Chỉ một bản sao được gửi từ máy chủ nội dung đến bộ định tuyến phân phối Những bộ định tuyến này tạo ra hai bản sao và gửi chúng đến các bộ định tuyến tại các tổng đài khu vực qua kết nối IP riêng lẽ Mỗi bộ định tuyến sẽ tạo thành các bản sao để truyền tới cho các ngôi nhà số được kết nối tới các cổng giao tiếp của nó mà có yêu cầu xem kênh đó Do đó phương pháp này sẽ cắt giảm số lượng kết nối IP và các dòng video đi ngang qua mạng và được các nhà cung cấp dịch vụ sử dụng để quảng bả chương trình IPTV trực tuyến và là một kỹ thuật hiệu quả cho việc tận dụng hoá một hạ tầng IP hiện tại Việc truyền multicast nội dung IPTV thì phức tạp hơn so với việc sử dụng mô hình truyền thông unicast và broadcast.

Truyền multicast qua một mạng IPTV

Truyền multicast là kỹ thuật truyền một tín hiệu video đồng thời tới nhiều người sử dụng, tất cả người xem đều nhận cùng một tín hiệu tại cùng một thời điểm nhưng

không có phân các luồng cho mỗi người nhận Nó cung cấp một cách hiệu quả để hỗ trợ băng thông cao, một đến nhiều ứng dụng trên một mạng IP multicast còn được sử dụng rộng rãi trong các dịch vụ truyền hình quảng bá qua mạng IP bởi vì nó giảm đáng kể lượng băng thông yêu cầu để truyền nội dung IPTV chất lượng cao qua một mạng Multicast không chỉ giảm băng thông yêu cầu của mạng mà còn giữ cho việc xử lý của các máy chủ nội dung ở mức tương đối thấp bởi vì nó chỉ truyền một bản sao của một luồng IPTV tại cùng thời điểm.Tuy nhiên truyền multicast có vài bất lợi sau:

+ Các loại điều khiển VCR không được hổ trợ: multicast không cho phép các thuê bao tua lại, dừng, tua nhanh nội dung video theo mong muốn của họ.

+ Tính linh hoạt bị giới hạn: khi các thuê bao IPTV mở các TV của họ, họ chỉ có thể xem khi mà kênh đặc biệt đó đã được tiếp diễn.

+ Tăng yêu các yêu cầu xử lý và làm việc của các bộ định tuyến: để chuyển đến đúng các cổng đầu ra, các bộ định tuyến cần giải quyết thêm các việc như sao chép các luồng video và theo dõi các bản sao của các gói video do đó làm tăng thêm gánh nặng đáng kể lên khả năng làm việc của các bộ định tuyến.

+ Hỗ trợ từ nguồn đến đích: tất cả các thành phần giữa nguồn nội dung IPTV và IPTVCD phải được yêu cầu hỗ trợ công nghệ multicast.

+ Ngăn chặn lưu thông của IP multicast: các thiết bị bảo mật như tường lửa thường được cấu hình bởi các nhà quản trị mạng để ngăn chặn các ứng dụng IP multicast Điều này cần được quan tâm khi triển khai các dịch vụ IPTV qua mạng Internet công cộng.

Hội nghị truyền hình Thời gian thực

Học trực tuyến Thời gian thực và không thời gian thực

Cập nhật chứng khoán Thời gian thựcBản tin thời tiết trực tuyến Thời gian thực

Sao chép cơ sở dữ liệu Không thời gian thựcCập nhật giao thông Thời gian thực

VoD là kỹ thuật mà làm thay đỗi cách xem và tương tác của con người với TV VoD cho phép người dùng duỵệt đến một thư viện số lưu trữ các bộ phim, các chương trình truyền hình để lựa chọn và xem ngay các tựa đề VoD cho phép người sử dụng xem TV theo lịch trình của họ hơn là phụ thuộc vào lịch trình của các nhà cung cấp dịch vụ (Xem bất cứ cái gì và bất cứ khi nào họ muốn) Ngoài ra, VoD cho phép người xem: dừng hình, phát hình, tua tới, tua lui và xem lại nội dung video.

Trong hệ thống VoD, thư viện nội dung video được lưu trữ trên máy chủ VoD và được truy cập từ IPTVCD có hỗ trợ VoD Quá trình yêu cầu và xem một tài sản VoD được thực hiện qua các bước sau đây:

(1) Một thuê bao chọn một tựa đề VoD từ ứng dụng truyền hình tương tác.(2) IPTVCD nhận lệnh này và gửi những lệnh này đến trung tâm dữ liệu.

(3) Tại đây hệ thống truy cập có điều kiện CA kiểm tra chứng thực thuê bao.(4) Khi chứng thực đã hoàn thành, một luồng video unicast được chuyển đến tổng đài khu vực và chuyển tiếp đến IPTVCD có yêu cầu xem VoD.

(5) Sau đó, luồng IP này được điều khiển bởi thuê bao đó.

Với các đặc điểm của VoD thì chỉ có thể dùng phương pháp truyền unicast để

truyền nội dung VoD đến thuê bao Trong truyền đơn điểm, mỗi luồng video IPTV

unicast được gửi đến một IPTVCD có yêu cầu, mỗi IPTVCD sẽ cần một luồng unicast riêng lẽ, mỗi luồng này sẽ theo địa chỉ đích qua mạng IP đến đích.Việc cấu hình kỹ thuật này thì khá dễ để thực hiện, tuy nhiên phương pháp này chiếm lượng băng thông mạng rất lớn.

Tổng số kênh IPTV xác định tổng băng thông mạng cần để cung cấp dịch vụ Thông thường truyền hình trực tuyến sẽ chiếm một lượng băng thông cố định trên mạng, vì tất cả các kênh đều được các thuê bao sử dụng Với dịch vụ xem phim theo yêu cầu

Hình 1.30: Hệ thống VOD

(VoD), việc truyền tải luồng (stream) dữ liệu video đến người xem dùng unicast, mỗi người xem sẽ chiếm băng thông trên mạng tương một kênh IPTV Do đó, dịch vụ VoD sẽ chiếm tài nguyên mạng nhiều hơn: Thông thường để tính toán băng thông cho dịch vụ VoD, người ta đưa ra con số dự báo số khách hàng xem VoD bằng 10% tổng số thuê bao IPTV.

Như vậy công thức để tính băng thông cần để cung cấp dịch vụ với các kênh truyền hình được mã hóa H.264 như sau:

BW = {[Tổng kênh trực tuyến] + [Tổng số thuê bao] x 10%} x 2Mbps

Ví dụ: Nếu hệ thống có 100 kênh IPTV được mã hóa bằng H.264 (2Mbps/STV) và có 10.000 thuê bao IPTV thì băng thông cần để cung cấp dịch vụ là: (100 + 10.000 x 10%) x 2Mbps = 2.2Gbps.

Tóm lại khi tính toán băng thông mạng để triển khai cung cấp dịch vụ IPTV và VoD nhà cung cấp dịch vụ viễn thông cần quan tâm đến các vấn đề sau:

Chọn chuẩn mã hóa:

- MPEG-2: 3.5-5Mbps/kênh truyền hình chuẩn (STV)- H.264 (MPEG-4 part 10): 2Mbps/STV

8-12Mbps/kênh truyền hình phân giải cao (HDTV)

Như vậy, nếu dùng chuẩn mã hóa H.264 băng thông mạng sẽ được tiết kiệm hơn, nhưng giá STP/H.264 lại đắt hơn STP/MPEG-2 Lợi về băng thông cho nhà cung cấp dịch vụ, nhưng chi phí đầu tư ban đầu của khách hàng cao.

Để tối ưu băng thông mạng đáp ứng đủ băng thông mạng cung cấp dịch vụ IPTV, thiết bị mạng cần hỗ trợ tính năng Multicast (đối với mạng trục) và IGMP (đối với mạng kết tập và mạng truy cập, trong tương lai sẽ là mạng thuê bao).

Chương 2: TỔNG QUAN WIMAXI Giới thiệu tổng quan về Wimax

1 Giới thiệu

Trong những năm gần đây, nhu cầu truy cập băng thông rộng đang phát triển rất nhanh chóng WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là một công nghệ truy cập không dây băng rộng (WBA-Wireless Broadband Access) do Diễn đàn WiMAX xây dựng và hướng đến cung cấp các dịch vụ từ cố định đến di động WiMax có thể cung cấp tốc độ hàng Mbit/s tới người sử dụng (end-user) và trong khoảng cách hàng km.

Chuẩn IEEE 802.16 định nghĩa các đặc tính kỹ thuật giao thức viễn thông Diễn đàn Wimax tạo cơ hội tiềm lực để các thiết bị đang thử nghiệm của các nhà sản xuất khác nhau tương thích với nhau, cũng như thiết kế một nhóm công nghệ chuyên dụng để khuyến khích phát triển và thương mại hóa công nghệ Chẳng bao lâu nữa, Wimax sẽ được chấp nhận để trở thành công nghệ truy cập Internet vô tuyến ở mọi nơi trên thế giới.

2 Chuẩn IEEE 802.16 và WIMAX

Chuẩn IEEE 802.16 được hình thành từ năm 1998 dành cho những ứng dụng của wireless băng rộng Ban đầu nó tập trung vào phát triển cho việc truyền điểm – đa điểm cho đường truyền theo tầm nhìn thẳng LOS (Light Of Sight) của những hệ thống không dây băng rộng Đến năm 2004, một phiên bản sửa đổi được ra đời gọi là IEEE 802.16-2004 tạo nền tảng cơ bản cho giải pháp WiMAX Những giải pháp WiMAX đầu tiên này được đưa ra dành cho những ứng dụng cố định, được gọi là WiMAX cố định Vào tháng 12 năm 2005, nhóm IEEE hoàn thành và phê chuẩn cho IEEE 802.16e-2005, một sự bổ sung cho chuẩn IEEE 802.16-2004 để nó có thể hỗ trợ những ứng dụng di động, thường được gọi là WiMAX di động

Theo mô tả của IEEE 802.16, WiMAX có phạm vi phủ sóng đạt tới hơn 50km và sẽ hoạt động ở dải tần từ 2GHz đến 11GHz, kết hợp được với nhiều dạng Anten như Parabol, Panel, Yagi, Ommi Với dải tần số hoạt động này, WiMAX cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng LOS (Line on Sight), tránh được tác

động của các vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa Đây là một giải pháp lý tưởng cho việc truyền dữ liệu, hình ảnh, điện thoại IP Thiết bị WiMAX phải được thiết kế có thể hoạt động tốt trong các điều kiện nhiệt độ, độ ẩm của môi trường và sức gió Với băng tần như trên, dữ liệu truyền đi của WiMAX có thể đạt tới tốc độ 70Mbps, độ bảo mật cao và ổn định tuyệt đối.

Hai chế độ song công được áp dụng cho WiMax là song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplexing) và song công phân chia theo tần số (Frequency Division Duplexing) FDD cần có 2 kênh, một đường lên, một đường xuống Với TDD chỉ cần 1 kênh tần số, lưu lượng đường lên và đường xuống được phân chia theo các khe thời gian.

Hình 2.1: Chuẩn IEEE 802.16

Bảng 2.1: Mô tả WiMAX cố định và WiMAX di động

STT Băng tần

Băng thông

Kích thước

2.320GHz,

2.360GHz 10MHz 1,024 TDD 3 2.496GHz–

2.69GHz

10MHz 1,024 TDD 4 3.3GHz–

3.4GHz

5MHz 512 TDD 7MHz 1,024 TDD 10MHz 1,024 TDD

5

3.4GHz–3.8GHz, 3.4GHz–3.6GHz, 3.6GHz–3.8GHz

5MHz 512 TDD 7MHz 1,024 TDD 10MHz 1,024 TDD

Lớp vật lý dựa trên nền OFDM: chính vì lý do này mà WiMAX có thể khắc

phục tốt nhiễu đa đường, và có thể hoạt động tốt trong điều kiện không theo tầm nhìn thẳng (NLOS).

Tốc độ dữ liệu tối đa rất cao: WiMAX có khả năng hỗ trợ truyền dữ liệu ở tốc

độ rất cao Nếu sử dụng TDM với tỉ lệ uplink-to-downlink là 3:1 thì tốc độ có thể lên đến 25Mbps cho downlink và 6.7Mbps cho uplink.

Hỗ trợ băng thông và tốc độ dữ liệu linh động: sự linh động trong cấu trúc

lớp vật lý của WiMAX cho phép tốc độ dữ liệu dễ dàng thay đổi với băng thông sẵn có Tính linh động này được hỗ trợ trong chế độ OFDMA nơi bộ biến đổi FFT có thể thay đổi theo ý muốn tùy theo độ rộng băng thông.

AMC (Adaptive Modulation and Coding): WiMAX có thể sử dụng nhiều loại

mã hóa và điều chế khác nhau, cho phép thay đổi theo từng user hoặc từng frame, dựa trên điều kiện của kênh truyền.

Truyền lại ở lớp liên kết: với những kết nối đòi hỏi tăng cường độ tin cậy,

WiMAX sẽ hỗ trợ ARQ (Automatic retransmition requsets) ở lớp liên kết Những kết nối cho phép ARQ sẽ mỗi gói được phát đi phải được xác nhận bởi phía thu khi nhận được, gói nào không được xác nhận thì coi như là bị mất, và phía phát sẽ truyền lại.

Cấp phát tài nguyên động và tĩnh cho user: việc cấp phát tài nguyên cho

hướng lên và hướng xuống đều được điều khiển bởi một bộ điều khiển ở trạm gốc Tài nguyên có thể được cấp phát trong miền không gian cũng như bằng việc sử dụng hệ thống AAS (advanced antena system).

Hỗ trợ Quality-of-service: lớp MAC của WiMAX có một kiến trúc kết nối định

hướng được thiết kế hỗ trợ nhiều loại ứng dụng bao gồm thoại và các dịch vụ đa phương tiện Hệ thống có thể hỗ trợ dòng lưu lượng có tốc độ bit cố định, tốc độ bit thay đổi,

theo thời gian thực và không theo thời gian thực WiMAX MAC được thiết kế nhằm hỗ

trợ một số lượng lớn user, với đa kết nối và QoS cho mỗi đầu cuối.

Robust security: WiMAX hỗ trợ mã hóa rất mạnh, dùng AES (Advanced

Encryption Standard), có một robust riêng và có giao thức quản lý khóa Hệ thống cũng hỗ trợ nhận thực rất linh động dựa trên giao thức EAP (Extensible Authentication Protocol).

Kiến trúc nền IP: WiMAX Forum đã định nghĩa một cấu trúc mạng tham chiếu

dựa trên nền tảng của IP Tất cả các dịch vụ end-to-end đều được phân phối đựa trên giao thức IP với Qos, quản lý session, an ninh và tính di động.

II Kỹ thuật OFDM

Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường.

Hình 2.2: So sánh giữa FDMA và OFDM

Số lượng các sóng mang con phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ rộng kênh và mức độ nhiễu Con số này tương ứng với kích thước FFT Chuẩn giao tiếp vô tuyến 802.16d (2004) xác định 256 sóng mang con tương ứng FFT 256 điểm, hình thành chuẩn Fixed WiMAX, với độ rộng kênh cố định.Chuẩn giao tiếp 802.16e (2005) cho phép kích cỡ FFT từ 512 đến 2048 phù hợp với độ rộng kênh 5MHz đến 20MHz, hình thành chuẩn Mobile WiMAX (Scalable OFDMA ), để duy trì tương đối khoảng thời gian không đổi của các kí hiệu và khoảng dãn cách giữa các sóng mang với độ rộng kênh.

a) Tín hiệu OFDM

• OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng.• Cấu trúc máy thu đơn giản.

Tuy nhiên, bên cạnh đó, OFDM cũng có một số nhược điểm sau :

• Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường nhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng thông của đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền.

• Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM khá nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời

( time offset) do sai số đồng bộ.

• Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu.

1 Nguyên lý điều chế OFDM

1.1 Sự trực giao của hai tín hiệu

Nếu ký hiệu các sóng mang con được dùng trong hệ thống OFDM là si(t) và sj(t) Để đảm bảo tính trực giao cho OFDM, các hàm sin của sóng mang con phải thỏa mãn điều kiện sau :

( ) ( )

0, i≠j

(2.2)

sk (t) =

0 , k kháce(j2пk∆ft) , k=1,2,….,N

Xung cơ sở

Xung cơ sởXung cơ

X ejLωs t

ejnωs t

e- jLωs t

{ }al

Li

tín hiệu phức đa mức dn, , n là chỉ số song mang phụ, i là chỉ số khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời gian ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.Các mẫu tín hiệu phát d,n được nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằng việc nhân với hàm phức ejLωs t

, làm các tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau m’

1.3 Thực hiện bộ điều chế bằng thuật toán IFFT

Tín hiệu sau bộ giải điều chế OFDM khi chuyển đổi tương tự thành số, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số lấy mẫu

ta= B1 =

(2.5) Ở tại thời điểm lấy mẫu t=kT+lta,, S’(t-kT) =S0, do vậy (2.3) viết lại :

m’

k(kTs+lta) = S0∑+

(2.6)

Do ωSkTS = 2

SS 1 =2

, kết quả =1

e ω

Tương tự như vậy, với

(2.7) Phép biểu diễn (2.7) trùng với phép biến đổi IDFT Do vậy bộ điều chế OFDM có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT.

1.4 Chuỗi bảo vệ trong hệ thống OFDM

Ưu điểm của phương pháp điều chế OFDM không chỉ thể hiện ở hiệu quả sử dụng băng thông mà còn có khả năng làm giảm hay loại trừ nhiễu xuyên kí hiệu ISI (Inter Symbol Interference) nhờ sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval- GI ) Một mẫu tín hiệu có độ dài là TS, chuỗi bảo vệ tương ứng là một chuỗi tín hiệu có độ dài TG ở phía sau được sao chép lên phần phía trước của mẫu tín hiệu như hình vẽ sau:

Phần tín hiệu có íchPhần tín hiệu có íchGI

gạt bỏ chuỗi bảo vệ trước khi gửi tín hiệu đến bộ giải điều chế OFDM.Do đó, điều kiện cần thiết để cho hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng bởi ISI là:

TG ≥τ MAX (2.8)với τMAX là trễ truyền dẫn tối đa của kênh.

a ) Không có GI

b) Có GI

Hình 2.6 Tác dụng của chuỗi bảo vệ

Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao của các sóng mang con, do vậy đơn giản hoá cấu trúc bộ đánh giá kênh truyền, bộ cân bằng tín hiệu ở máy thu Tuy nhiên, do chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích nên tăng phổ của tốc độ truyền nên phổ tín hiệu sẽ tăng, tiêu tốn băng thông, làm giảm hiệu suất sử dụng băng thông một lượng là:

η (2.9)