Thành phần trung tâm hạ tầng IPTV là Headend, Headend bao gồm một số thành phần nhận nội dung, chuyển đổi và phân phối lại nội dung tới thuê bao. Headend có thể được triển khai bằng cách sử dụng một headend trung tâm và các Headend khu vực, phương thức này sẽ làm cho công việc phân phối nội dung broadcast dễ dàng hơn, các Headend khu vực gần thuê bao hơn và làm giảm các nguy cơ tiềm ẩn.
Headend hoạt động như điểm tập trung của hạ tầng. Nó nhận tất cả các yêu cầu từ thuê bao và cung cấp nội dung tới các STB phù hợp. Thêm nữa, tất cả các ứng dụng liên kết công việc được sử dụng để cung cấp, lập hóa đơn và quản trị khách hàng đều được giữ hoặc liên kết tới Headend.
Headend nhận các dữ liệu liên tiếp trong các định dạng và phương tiện khác nhau, bao gồm trực tiếp từ studio nội bộ, nội dung từ bên cung cấp thứ ba, các truyền dẫn phát lại, nội dung từ vệ tinh và thông tin video nội bộ. Do có các nguồn khác nhau, một số nội dung là tín hiệu tương tự nên không thể truyền tới mạng IP. Sau đó nội dung được mã hóa và đóng gói để có thể truyền trên mạng dựa trên giao thức TCP/IP. Các thành phần thêm vào còn có ứng dựng DRM và các hệ thống quản lý nội dung. Tất cả thông tin liên lạc với thuê bao đều được sắp xếp bởi Middleware server nhận các yêu cầu từ các STB khác nhau. Hình 3.2 trình bày các thành phần dịch vụ của hệ thống IPTV.
Hình 3.2 Cấu trúc trung tâm Headend IPTV 3.2.1 Thiết bị tiếp nhận dữ liệu đầu vào
Nội dung được tiếp nhận tại Headend của nhà cung cấp dịch vụ bao gồm: nộidung thu từ vệ tinh, nội dung mất phí, nội dung được mã hóa trước và nội dung thu từ hệ thống vô tuyến nội bộ. Để thu được các dạng nội dung trên, Headend cần có các thiết bị chuyên dụng cho từng loại.
• Nội dung từ vệ tinh: Nội dung được tiếp nhận bằng các thiết bị thu vệ tinh được gọi chung là bộ giải mã đầu thu tích hợp IRD (Integrated Receiver Decoder). Nội dung được phát broadcast bởi các vệ tinh dịch vụ cố định với công suất tương đối thấp và yêu cầu ăngten vệ tinh lớn cho việc tiếp nhận. Headend nhận các tín hiệu vô tuyến và sử dụng IRD để điều chỉnh và khuếch đại tín hiệu. Một khi tín hiệu đã được khuếch đại, IRD có thể tiến lên giải mã tín hiệu. IRD có thể nhận cả tín hiệu tương tự và tín hiệu số. Các tín hiệu tương tự sẽ được gửi tới bộ mã hóa video MPEG, và tín hiệu số có thể được gửi tới bộ chuyển đổi mã để kết hợp với thông tin quảng cáo nội bộ.
Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Các công nghệ truyền hình trên IPTV
• Nội dung mất phí: Nội dung này là các nội dung mất phí pay-per-view trong các định dạng tương tự và cần được mã hóa bởi bộ mã hóa MPEG trước khi được gửi tới bộ đóng gói IP.
• Nội dung đã được mã hóa trước: Đây là nội dung đã được mã hóa trong các loại mã có thể chấp nhận, được hỗ trợ bởi các bộ STB và các phần mềm client. Nội dung này có thể được gửi trực tiếp tới bộ đóng gói IP.
• Nội dung thu từ hệ thống vô tuyến nội bộ: Đây là nội dung được phát broadcast bởi các trạm nội bộ và đã gửi tới các bộ thu PAL/NTSC trước khi nó có thể được sử dụng.
Tất cả nội dung sẽ được xử lý tuần tự bởi các thiết bị: bộ mã hóa video MPEG, bộ đóng gói IP và bộ chuyển đổi mã video.
3.2.2 Bộ mã hóa video MPEG
Bộ mã hóa video MPEG (hay getway tiếp nhận) là nhiệm vụ của hệ thống ghi nhận, quản lý ghi nhận và server nhận/phân phối được sử dụng để nhận dữ liệu và tạo nội dung được định dạng chính xác.
Để thu được nội dung phù hợp, tín hiệu tương tự phải đi qua các bộ mã hóa video MPEG để tạo ra nội dung trong định dạng số sẵn sàng được sửa đổi và phát broadcast. Tiến trình này được đảm bảo bởi bộ nén/giải nén, và tiến trình này là cầu nối giữa dữ liệu và bộ điều chế cho truyền dẫn. Thông tin siêu dữ liệu (metadata) sẽ bao gồm các header, dữ liệu mật mã và dữ liệu được yêu cầu khác để đảm bảo truyền dẫn chính xác. Các thuật toán sử dụng để thực hiện việc mã hóa sẽ quyết định việc cân bằng giữa chất lượng video, tốc độ dữ liệu cần để truyền video, tình trạng mất và lỗi dữ liệu, các yêu cầu về băng thông, các bộ nhớ đệm được sử dụng và các đặc tính khác nữa. Các nhà cung cấp dịch vụ IPTV quyết định các mã phù hợp nhất dựa trên hoàn cảnh, băng thông sẵn sàng sử dụng và các đặc điểm phần cứng của bộ STB được triển khai. Một số mã chuẩn được các nhà cung cấp dịch vụ IPTV sử dụng như sau:
• MPEG-2: mã này cũng được ITU đưa ra với tên là H.262. MPEG-2 được sử dụng cho phát broadcast video số, các hệ thống phân phối cáp và mã hóa DVD (Digital Video Disc).
• MPEG-4: được biết tới với tên là H.264. MPEG-4 thích hợp với các tiến bộ trong kỹ thuật nén so với các mã đã có trước đây.
Đầu ra của bộ mã hóa video MPEG là video số sẵn sàng để đóng gói IP, mật mã hoặc lưu trữ.
3.2.3 Bộ đóng gói IP
Chức năng của bộ đóng gói IP là nhận các luồng video đã được mã hóa và chuẩn bị truyền broadcast trên mạng IP. Nó cho phép luồng IP đã mã hóa được đóng thành các gói IP có thể vận chuyển qua mạng. Một số chuẩn hỗ trợ truyền dẫn video, ví dụ như giao thức truyền dẫn thời gian thực RTP. RTP được tạo ra để hỗ trợ các truyền
dẫn ứng dụng thời gian thực như audio và video. Nó không đảm bảo chất lượng của dịch vụ hoặc việc phân chia tài nguyên mạng, nhưng nó bao gồm một số chức năng như định lại thời gian, phát hiện sự mất mát, bảo an và nhận dạng nội dung.
Bộ đóng gói IP nhận lưu lượng từ ba nguồn chính: nội dung được mã hóa trước được gửi trực tiếp, nội dung được mã hóa từ các bộ mã hóa video MPEG và từ đầu ra bộ truyền đổi mã video. Đầu ra bộ đóng gói IP gửi tới video streaming server. Các gói có thể truyền broadcast hoặc gửi tới DRM và cơ sở dữ liệu nội dung. Trong một số trường hợp, nội dung tới bộ đóng gói IP đã được mã hóa bởi DRM, và một số giải pháp có thể lưu trữ của bộ đóng gói IP trong kho lưu trữ video.
3.2.4 Bộ chuyển đổi mã video
Bộ chuyển đổi mã video nhận dữ liệu từ máy thu vệ tinh và dữ liệu nội bộ được gán vào các server. Chức năng chính của bộ chuyển mã video là làm phiên dịch giữa các loại mã khác nhau. Server này có thể chuyển đổi các dạng nội dung từ một số mã được xác định trước và cho nội dung đầu ra là MPEG-2, MPEG-4 hoặc một mã riêng do các nhà cung cấp dịch vụ IPTV lựa chọn. Tiến trình chuyển đổi mã sẽ nhận các luồng nội dung đã được mã hóa và chuyển chúng thành một luồng mã khác với tốc độ bit thấp hơn hoặc loại định dạng mà chất lượng không giảm nhiều.
Với bộ chuyển đổi mã này, các luồng khác nhau từ vệ tinh hoặc thông tin quảng cáo nội bộ có thể được gửi tới bộ đóng gói IP dưới dạng các luồng mã hóa theo các chuẩn được ưu tiên hơn. Một số giải thuật được sử dụng để khôi phục lại nội dung gốc, gỡ bỏ một số dữ liệu mà không tốn quá nhiều năng lực xử lý trong tiến trình và tạo ra một luồng nội dung có chất lượng với một chuẩn mã hóa khác.
3.2.5 Server quản lý nội dung
Server quản lý nội dung sẽ điều khiển luồng thông tin từ bộ đóng gói IP và video streaming server, việc lưu trữ tất cả video thích hợp vào kho video hoặc gửi dữ liệu tới hệ thống DRM. Các yêu cầu từ Middleware server có thể được phục vụ bởi server quản lý nội dung. Đây sẽ là dữ liệu yêu cầu hoặc chỉ dẫn phục vụ để giảm bớt khi đi qua video streaming server.
3.2.6 Kho video
Kho video được sử dụng để lưu trữ nội dung chuẩn bị cho các ứng dụng truyền broadcast. Kho lưu trữ bao gồm một thư viện video và thư viện đa phương tiện trên các server, đảm bảo truy cập nhanh chóng và tin cậy nội dung được yêu cầu. Kho video là thành phần lưu trữ tất cả tài sản số thuộc quyền sở hữu của nhà khai thác IPTV. Hầu hết tài sản số sẽ được lưu trữ tại đây, và những người xâm nhập sẽ cố gắng truy cập server này để ăn cắp nội dung. Nội dung thường được lưu trữ mà không có mật mã cơ sở dữ liệu hay bảo vệ DRM. Một số giải pháp DRM sẽ hỗ trợ việc mật mã nội dung trong khi được lưu trữ, và sau đó các key có thể được phân phối tới thuê bao.
Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Các công nghệ truyền hình trên IPTV
Có các phiên bản khác của DRM sẽ không hỗ trợ tùy chọn này, và nội dung sẽ được mật mã trước khi phát broadcast.
3.2.7 Video streaming server
Video streaming server làm theo các lệnh từ Middleware server và VoD server, và nó cũng nhận thông tin từ DRM và server quản lý nội dung với các mã là MPEG-2, MPEG-4 hoặc các mã tương tự được nhà cung cấp dịch vụ IPTV lựa chọn.
Video streaming server cung cấp các nội dung đã được mã hóa và được phân phối tới bộ STB thông qua giao thức TCP/IP. Các thành phần này hỗ trợ TCP và UDP, và tạo luồng multicast phụ thuộc vào dạng ứng dụng và giải pháp được triển khai bởi nhà cung cấp dịch vụ IPTV. Các server khác nhau sẽ có khả năng tạo luồng riêng biệt. Phụ thuộc vào năng lực xử lý, một số server có thể điều khiển vài ngàn thuê bao tại cùng một thời điểm.
3.2.8 Middleware server
Middleware server là mặt trước của hệ thống IPTV. Tất cả các bộ STB đều liên lạc với Middleware server để yêu cầu nội dung riêng biệt. Việc liên lạc thường sử dụng giao thức HTTP. Một chương trình trình duyệt bên trong STB sẽ liên lạc với Middleware server, download hướng dẫn chương trình EPG và gửi các yêu cầu tới Middleware server. Middleware server sẽ ra lệnh cho streaming server gửi nội dung tới đích. Các thuê bao có thể liên lạc thông qua STB và yêu cầu nội dung từ Middlewareclient. Một khi Middleware server đã ra lệnh cho VoD server cung cấp nội dung cho các thuê bao riêng lẻ, thì sau đó STB và VoD server cũng có thể liên lạc với nhau.
IPTV middleware hoạt động như một cầu nối giữa một số hệ thống và các ứng dụng. Chính xác hơn, nó tương tác với DSLAM, các server nội dung, các bộ STB, VoD server, DRM và các ứng dụng kinh doanh giữa các hệ thống khác. Hình 3.3 trình bày cấu trúc middleware và cách thức tương tác của nó với các thành phần lõi mạng IPTV.
Hệ thống IPTV Middleware có hai thành phần chính đó là các chức năng lõi và một số chức năng mạng dựa vào hệ điều hành chuẩn và cung cấp giao diện web để liên lạc với STB. Các chức năng lõi bao gồm quản lý, điều khiển các giao dịch và các phiên đang tồn tại, xác thực user và một số chức năng khác. Các chức năng lõi chịu trách nhiệm duy trì EPG và các chức năng cơ bản khác, cũng như sắp xếp các hoạt động với hệ thống bên ngoài, ví dụ như quản lý nội dung, DRM, VoD và các ứng dụng kinh doanh.
DSLAM SERVER STB VoD & DRM BUSINESS Nội dung Streaming
IPTV middleware
Các chức năng lõi
Các chức năng mạng
Hình 3.3 Cấu trúc hệ thống middleware IPTV
Một số hệ thống bên ngoài tương tác với hệ thống Middleware như sau:
• DSLAM: một số DSLAM cho phép middleware server chia sẻ dữ liệu xác thực với nó, làm thuận tiện cho tiến trình xác thực truy cập của thuê bao mới tới các VLAN nội dung cũng như trao đổi thông tin về vị trí vật lý của bộ STB được thuê bao sử dụng. Middleware cung cấp cho bộ STB thông tin về các VLAN đang tồn tại, STB cần phải gia nhập vào danh sách để truy cập nội dung.
• Server nội dung: Middleware server sẽ nhận thông tin từ server nội dung đối với các nội dung sẵn sàng được sử dụng và sẽ sử dụng thông tin này để chuẩn bị EPG.
• STB : Có một số cấp độ tương tác khác nhau giữa Middleware server và các bộ STB. STB được cấu hình để kiểm tra VLAN tại mỗi thời điểm nó khởi động hệ điều hành của nó. VLAN này sẽ cung cấp các yêu cầu nâng cấp cho hệ điều hành. Một khi Middleware server đã được kiểm tra xong, STB có thể được chỉ dẫn để download các nâng cấp được yêu cầu. Hầu hết các bộ STB sẽ sử dụng trình duyệt web để download EPG và thông tin cơ sở từ Middleware server. Các key DRM và dữ liệu quan trọng khác có thể được cung cấp trực tiếp bởi Middleware server, hoặc STB có thể được hướng dẫn tới ứng dụng DRM để thu được key.
• VoD và streaming: Middleware sẽ nhận các yêu cầu từ STB trên các mục EPG bao gồm nội dung VoD và pay-per-view. Đây sẽ là một tương tác giữa Middleware và VoD để khởi động streaming nội dung unicast tới thuê bao. • Quản lý DRM: ứng dụng Middleware sẽ lấy lại các key và các giấy phép số
được sử dụng bởi STB, trong một số trường hợp STB sẽ tìm đến dữ liệu yêu cầu dữ liệu trực tiếp từ DRM server.
Đồ án tốt nghiệp Chương 3: Các công nghệ truyền hình trên IPTV
Các ứng dụng kinh doanh: middleware server sẽ tương tác với các ứng dụng kinh doanh để user được xác thực và có hiệu lực, các chức năng lập hóa đơn và thanh toán, và thông tin tài khoản được yêu cầu bởi thuê bao.
3.3 Thiết bị mạng gia đình
3.3.1 Mạng gia đình
Mạng gia đình bao gồm một thiết bị đầu cuối mạng, về cơ bản là điểm truy cập từ mạng. Thiết bị đầu cuối sẽ được kết nối tới modem, modem sẽ chuyển đổi thông tin thành các dạng IP, và trong một số trường hợp một bộ splitter sẽ được sử dụng để cung cấp các dịch vụ thoại nếu mạng điện thoại công cộng được sử dụng.
Một gateway sẽ được sử dụng để tách các dịch vụ IP (dữ liệu, video, thoại), và các gateway này thường có firewall, dịch vụ DHCP và các dịch vụ mạng khác được yêu cầu để cải thiện dịch vụ.
Khách hàng yêu cầu một bộ giải mã STB trong hầu hết các trường hợp, và nó sẽ được cung cấp bởi nhà cung cấp dịch vụ. Trong một số trường hợp, máy tính cá nhân sẽ được sử dụng để kết nối trực tiếp tới mạng mà không cần STB. Ngoài ra còn có các thiết bị khác như kết cuối thoại cho cả mạng PSTN và VoIP, các router truy cập không dây.
Mạng gia đình nằm ngoài phạm vi các cơ chế bảo an được thiết lập bởi nhà cung cấp dịch vụ IPTV.Nhưng sữ có một số thiết bị đứng giữa DSLAM và Tivi, nó chịu trách nhiệm mang lưu lượng an toàn tới STB và giữ liên lạc với nhà cung cấp dịch vụ IPTV để đảm bảo được cấu hình để tránh các truy cập không được xác thực.
3.3.2 Bộ giải mã IP-STB
Bộ giải mã STB dựa trên IP được sử dụng để kết nối IPTV Headend với Tivi. Chức năng chính của thiết bị này là để giải thích và biên dịch các yêu cầu từ thuê bao và gửi các bản tin (dựa trên IP) tới Headend, yêu cầu nội dung hoặc dịch vụ đặc biệt. STB sẽ nhận nội dung được mã hóa và sẽ phải giải mật mã và giải mã chúng để hiển thị trên màn hình Tivi.
Trên hình 3.4 trình bày cấu trúc thông thường của IP-STB, nó bao gồm các thành phần được tham khảo trên các STB tiên tiến hiện nay. Một số mô hình thay thế có thể được tìm thấy với các chức năng cơ bản tương tự. Các phát triển mới của công nghệ sẽ đem lại các thành phần rõ ràng hơn bên trong các bộ STB.
Các thành phần trên STB bao gồm:
• CPU: IP-STB có các chipset với năng lực xử lý và bộ nhớ bị giới hạn nếu so sánh với các chuẩn PC. Các nhà sản xuất lựa chọn các CPU cơ sở để cung cấp