3.2.1 Sơ đồ, cấu trúc hệ thống
Giới thiệu chung
Hệ thống thử nghiệm IPTV đƣợc triển khai lắp đặt hệ thống IPTV thử nghiệm tại VCTV - 844 Đê La Thành.
Hệ thống đƣợc thiết kế thử nghiệm cung cấp dịch vụ Live TV và VoD.
Với dịch vụ VOD: Chất lƣợng Video trung bình, tốc độ bit khoảng 300- 500Kbps.
Với dịch vụ Live TV: tốc độ streaming của server là 2MB.
Sơ đồ hệ thống IPTV triển khai tại VCTV đƣợc thể hiện trên hình 3.9 nhƣ sau:
Mô tả danh sách thiết bị:
(i) Server IBM x3650_MKM
- Vai trò:
Streaming server: live streaming và VoD Encoder: encode file tạo kênh quảng bá IP public: 125.214.1.30 / 255.255.255.0 Default Gateway: 125.214.1.1
DNS: 208.67.222.222 / 208.67.220.220
(ii) Server IBM x336_VCTV
- Vai trò:
DHCP server, TFTP server, ToD
(iii) CMTS CUDA 3000_VCTV
- Vai trò:
Vai trò của CMTS - Cable Modem Terminator System là làm trung gian chuyển tiếp tín hiệu từ mạng truyền hình cáp HFC sang hạ tầng mạng IP.
(iv) PC đo
- Vai trò:
Chạy thử dịch vụ IPTV trên mạng HFC Đo đạc tham số mạng
(v) Cable modem:
Đây là nhóm thiết bị gắn trực tiếp với thuê bao đầu cuối. Mỗi 1 Cable Modem đều có sẵn cổng giao tiếp RF với mạng HFC và cổng RJ-45 để giao tiếp với thiết bị máy tính kết cuối cục bộ, hay IP STB (gọi tắt là CPE)
(vi) IP STB:
Các User sử dụng IP STB để kết nối giữa cable modem và TV. TV giao tiếp với STB qua đƣờng HDMI hay AV.
3.2.2 Kết quả đo các tham số chính
(i) Đo các tham số mạng
Truy cập vào địa chỉ http://125.214.1.30:8080/da/ để xem kết quả đo đạc chất
lƣợng đƣờng truyền của hệ thống. GUI Web của hệ thống có khả năng hiện thị kết quả đo đạc thời gian thực và cho phép truy vấn kết quả đo đạc trong quá khứ.
Kết quả đo đạc đƣợc hiển thị dƣới dạng biểu đồ, thay đổi liên tục trong thời gian 24h các tham số nhƣ sau:
Sự thay đổi Delay
Sự thay đổi BW của hệ thống Sự thay đổi của Packet loss
Hình 3.10 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của delay trong 24 giờ
Hình 3.11 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của băng thông trong 24 giờ
(ii) Kết quả đo lường năng lực xử lý của hệ thống (phần mềm NET LIMITER)
Bảng 3.1 Kết quả đo lƣờng tham số tại server
Số client BW server (down) kB RAM (server) KB Chất lƣợng video, audio
3 VOD 142 - 150 16,556 Hình ảnh rất tốt, âm thanh trung thực
6 VOD 254 - 292 27.820 Hình ảnh rất tốt, âm thanh trung thực
9 VOD 437 - 442 29,152 Hình ảnh rất tốt, âm thanh trung thực
12 VOD 540 - 585 29,812 Hình ảnh rõ nét, âm thanh trung thực
15 VOD 726 – 732 30,128 Hình ảnh rõ nét, âm thanh trung thực
18 VOD 865 – 886 30,568 Hình ảnh rõ nét, âm thanh trung thực
21 VOD 1000 – 1014 31,180 Hình ảnh rõ nét, âm thanh trung thực
24 VOD 1100 – 1140 32,20 Hình ảnh rõ nét, âm thanh trung thực
27 VOD 1430 – 1470 33,9 Delay 2s
30 VOD 1590 – 1610 35,892 Delay 5s 30- live TV 5970-6210 55,572 Delay 6s
Hình 3.13 Ảnh hƣởng giữa số client và băng thông (down) dịch vụ VoD của đƣờng truyền
(iii) Kết quả đo đạc SNMP
Hình 3.15 Giao diện quản lý thiết bị của SNMP
Hình 3.17 Giao diện quan sát các thông số của server (1)
3.2.3 Nhận xét, đánh giá chất lƣợng dịch vụ
Với chất lƣợng mạng HFC tốt thì:
- Chất lƣợng tín hiệu SD – VOD khá tốt, với băng thông khoảng 2Mpbs chạy không giật, thời gian đáp ứng nhanh (từ lúc bấm chọn phim đến xem đƣợc phim chỉ khoảng 2s), có thể tua đi tua lại bình thƣờng.
- Có thể phát chất lƣợng HD 720p với băng thông mạng HFC 4Mbps. - Film 3D chỉ chạy đƣợc trên đƣờng truyền Internet tốc độ cao > 4Mbps.
- Với số lƣợng ngƣời dùng thử nghiệm 30 User cùng truy cập một lúc tại cùng 01 node quang, chất lƣợng Video theo yêu cầu (VoD) khá tốt.
- Chất lƣợng kênh live TV phụ thuộc nhiều vào chất lƣợng bộ mã hóa Encoder, với độ phân giải chất lƣợng DVD (PAL): 720*576*25fps, tốc độ 1 - 2Mbps có thể xem đƣợc bình thƣờng.
- Băng thông down của hệ thống tăng tỷ lệ thuận, tăng gần nhƣ tuyến tính với số lƣợng client. RAM của server tiêu tốn không đáng kể khi số lƣợng client tăng lên.
- Năng lực phần cứng của hệ thống hiện tại hoàn toàn có thể đáp ứng đƣợc khi số lƣợng user tăng lên cao hơn nữa.
Chất lƣợng dịch vụ IPTV chủ yếu bị ảnh hƣởng bởi tín hiệu mạng cáp HFC. Tuy nhiên chất lƣợng mạng HFC thay đổi theo giờ, phụ thuộc vào giờ cao điểm, có nhiều nguyên nhân gây nhiễu mạng khiến cho tín hiệu IP trên mạng không ổn định. Khi mạng không ổn định thì tín hiệu IPTV không thể hoạt động bình thƣờng.
Mạng IPTV đang đƣợc triển khai trên nền mạng HFC tiềm ẩn rất nhiều nguy cơ rủi ro gây ra hiện tƣợng rớt mạng, chất lƣợng mạng thấp ảnh hƣởng tới ngƣời dùng. Các nguyên nhân thƣờng gặp nhƣ:
- Đứt kết nối do đƣờng dây vật lí (cáp quang hỏng,..).
- Nhiễu vật lí đối với cáp đồng.
- Năng lực đáp ứng của hệ thống tỉ lệ nghịch với số lƣợng thuê bao do tất cả
thuê bao dùng chung 1 đƣờng tín hiệu lên và xuống .
Đặc thù của mạng IPTV là số lƣợng khách hàng sử dụng dịch vụ thay đổi theo thời gian trong ngày, hiệu quả sử dụng đƣờng truyền của khách hàng không đồng nhất. Điều này gây ra hiện tƣợng lãng phí băng thông hoặc quá tải hệ thống mạng. Do đó với hệ thống mạng HFC hiện tại chƣa thể cung cấp dịch vụ IPTV với chất lƣợng cao, cần có các giải pháp nâng cao hơn nữa hạ tầng để có thể cung cấp dịch vụ này.
3.3 Một số giải pháp nâng cao chất lƣợng dịch vụ IPTV/VOD trên mạng truyền hình cáp HFC của VCTV hình cáp HFC của VCTV
3.3.1 Nâng cao hiệu năng quản lý, theo dõi, giám sát hệ thống
Để đảm bảo QoS cho IPTV cần phải dựa vào các yêu cầu chất lƣợng của dịch vụ này. Nhƣ đã nói ở trên, đối với IPTV trong thời điểm hiện tại, chất lƣợng IPTV chủ yếu là chất lƣợng các dịch vụ liên quan đến video.
Cấu trúc mạng cung cấp dịch vụ IPTV gồm 4 phần (chƣơng 1): mạng nội dung (head-end), mạng truyền tải (network), mạng gia đình (home network) và mạng quản lý (Middle ware).
Hình 3.19 Các thành phần của IPTV
Về lý thuyết các biện pháp nhằm đảm bảo chất lƣợng dịch vụ cho IPTV cần đƣợc thực hiện trên tất cả các thành phần của của mạng này, tuy nhiên thực tế, kỹ thuật QoS thƣờng tập trung ở mạng truyền tải, và đôi khi, ngƣời ta xem QoS chỉ gồm các kỹ thuật nhằm cải thiện khả năng của mạng.
3.3.1.1 Các biện pháp đảm bảo QoS IPTV ở Head-end
Việc đảm bảo chất lƣợng ở video head-end phải xuất phát từ chất lƣợng video và audio nguồn. Chất lƣợng video là vấn đề mang tính thƣơng mại nhiều hơn kỹ thuật, đòi hỏi nhà cung cấp dịch vụ phải liên kết với đài truyền hình, nhà sản xuất nội dung để có đƣợc chất lƣợng đầu vào tốt nhất. Các source này sau đó đƣợc chuyển thành các định dạng chuẩn (SDTV, HDTV…) với các tỉ lệ màn hình khác nhau (4:3 hoặc 16:9) để tƣơng thích với TV của khách hàng.
Sử dụng các kỹ thuật nén là phƣơng pháp quan trọng đƣợc sử dụng ở head-end, vừa đảm bảo chất lƣợng video, vừa đảm bảo lƣu lƣợng luồng video/audio không quá lớn. Nhà cung cấp dịch vụ cần lựa chọn kỹ thuật nén và cấu hình phù hợp với yêu cầu dịch vụ cũng nhƣ khả năng của mạng truyền dẫn. Kỹ thuật nén thƣờng đƣợc sử dụng đối với video là MPEG-4 part 2 và H.264. Với ƣu thế có tỉ lệ nén cao, nhiều cấu hình lựa chọn, H.264 đang là giải pháp đƣợc sử dụng rộng rãi. Về nén audio, các kỹ thuật có thể đƣợc sử dụng bao gồm: Dolby Digital (AC-3) cho HDTV và AAC cho SDTV.
Trong gói PES của video và audio có trƣờng sync code (3 bit) nhằm phục vụ mục đích đồng bộ video và audio.
Sử dụng RTP/RTCP cho phép quản lý phát hiện mất mát dữ liệu.
3.3.1.2 Các biện pháp đảm bảo QoS ở mạng quản lý
Middle ware là một phần vô cùng quan trọng để đảm bảo chất lƣợng dịch vụ của khách hàng, middle ware phải cung cấp các tính năng bảo mật, xác nhận, tính cƣớc, giám sát hệ thống, đồng thời phải cung cấp một EPG đầy đủ tiện ích và thân thiện với ngƣời dùng. Mạng quản lý còn phải đảm bảo cung cấp đa dịch vụ và khả năng mở rộng. Sử dụng các software thích hợp để là biện pháp hữu hiệu nhất để đạt đƣợc các yêu cầu này. Các software thƣờng đƣợc sử dụng bao gồm: MHP, GEM. OCAP, ACAP, ARIB B23.
3.3.1.3 Các biện pháp đảm bảo QoS ở Home network
Yếu tố ảnh hƣởng lớn nhất đến chất lƣợng IPTV trong mạng gia đình là STB. Chất lƣợng STB sẽ quyết định cái mà khách hàng đƣợc xem. Một STB có chất lƣợng tốt phải có khả năng xử lý nhanh, chạy mƣợt, ít lỗi, có thể giải mã đƣợc các chuẩn video khác nhau, hỗ trợ giải các kỹ thuật giải nén, cung cấp khả năng sửa lỗi, hoạt động ổn định, ngoài ra, còn phải có khả năng đáp ứng EPG, dễ sử dụng, dễ điều khiển…
Mã sửa lỗi FEC đƣợc xem là một biện pháp rất hữu hiệu nhằm giảm tác động của lỗi truyền dẫn đối với dữ liệu thời gian thực IPTV, nơi mà TCP không thể dùng đƣợc. Nguyên tắc của FEC là thêm vào dữ liệu một chuỗi số ―thừa‖, bằng các tính toán thích hợp ngƣời ta có thể khôi phục lại bit lỗi trong một giới hạn lỗi nào đó. Mã FEC có thể là các mã truyền thống nhƣ Reed-Solomon, mã vòng CRC… Để sử dụng FEC đòi hỏi STB phải có khả năng hỗ trợ giải mã FEC.
Khả năng của STB cũng tỉ lệ với giá thành, do đó, nhà cung cấp dịch vụ cần
phải lựa chọn STB sao cho đáp ứng đƣợc yêu cầu của hệ thống mà vẫn có tính kinh tế. Tuy nhiên, đôi khi, STB là do khách hàng tự lựa chọn, trong trƣờng hợp này, nhà cung cấp dịch vụ cần tiến hành tƣ vấn để khách hàng có sự lựa chọn tốt nhất.
3.3.1.4 Các biện pháp đảm bảo QoS ở mạng truyền dẫn
(i) Biện pháp cải thiện các tham số QoS
Các tham số QoS đƣợc quan tâm bao gồm: băng thông, trễ, biến động trễ (jitter) và mất gói.
Băng thông: IPTV đƣợc xem là một ứng dụng ―ngốn băng thông‖. Băng thông lớn nhất của tuyến đƣợc xác định bằng băng thông của đƣờng truyền có băng thông nhỏ nhất.
Hình 3.20 Băng thông của mạng truyền dẫn
Các biện pháp nhằm tăng băng thông có thể dùng cho một dịch vụ:
+ Nâng cấp đƣờng truyền: đây đƣợc xem là phƣơng pháp hiệu quả nhất nhƣng cũng là phƣơng pháp tốn kém nhất.
+ Sử dụng các QoS class để phân luồng ƣu tiên lƣu lƣợng. Đây đƣợc xem là biện pháp hữu hiệu nhất, nhiều cơ chế khác nhau đã đƣợc đƣa ra để thực hiện phƣơng pháp này: Hàng đợi ƣu tiên PQ (Priority Queuing), Hàng đợi tự chọn CQ (Custom Queuing), phân phối ToS trên cơ sở nhóm QoS hoặc trên cơ sở hàng đợi cân bằng trọng số WFQ (Weighted Fair Queuing), hàng đợi dựa theo lớp cân bằng trọng số CBWFQ (Class Base Weighted Fair Queuing), hàng đợi trễ thấp LLQ (Low Latency Queuing).
+ Nén frame dữ liệu ở layer 2: biện pháp này có hiệu quả tuy nhiên làm tăng thời gian trễ do tính phức tạp của các giải thuật nén.
+ Nén Header, đây cũng là một phƣơng pháp rất hiệu quả nhất là trong trƣờng hợp các gói tin có tỉ số dữ liệu/header nhỏ (RTP).
Trễ đầu cuối đến đầu cuối (end-to-end delay):
Trễ bao gồm trễ mạng cố định và trễ mạng biến đổi. Trễ có thể chia làm 4 loại: trễ xử lý (phụ thuộc vào tốc độ CPU, chế độ chuyển mạch IP, cấu trúc router, cấu hình của các giao diện vào và ra), trễ hàng đợi (phụ thuộc vào số lƣợng và kích thƣớc của các gói tin, băng thông của giao diện và cơ chế xếp hàng), trễ tuần tự (thời gian để frame có thể đƣợc đƣa vào đƣờng truyền vật lý), trễ lan truyền (thời gian để truyền gói tin qua môi trƣờng vật lý).
Hình 3.21 Các loại trễ
Các ứng dụng thời gian thực rất nhạy cảm với trễ, các dịch vụ nhƣ TV, VoD không quá nhạy cảm với trễ, tuy nhiên, trễ có ảnh hƣởng rất lớn đến thời gian chuyển kênh của TV và các các lệnh play/pause/stop của VoD.
Để giảm trễ thì ngƣời ta cũng dùng các biện pháp: nâng cấp đƣờng truyền, phân lớp lƣu lƣợng, nén frame và nén header.
+ Nâng cấp đƣờng truyền, nâng cao băng thông giúp giảm thời gian trễ tuần tự do gói tin không phải chờ đợi để đƣợc đƣa vào đƣờng truyền.
+ Phân lớp lƣu lƣợng: các ứng dụng nhạy cảm hơn với trễ sẽ đƣợc ƣu tiên truyền trƣớc.
+ Nén frame và nén header: giảm kích thƣớc file, kích thƣớc gói do đó thời gian truyền sẽ giảm xuống.
Mất gói (Packet Loss):
Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến mất gói, trong đó nguyên nhân chủ yếu là tràn bộ đệm của hàng đợi, ngoài ra, những nguyên nhân khác gồm có: bỏ gói ở hàng đợi đầu vào, router không nhận gói, overrun và lỗi frame.
Hình 3.22 Mất gói do tràn bộ đệm hàng đợi
Các dịch vụ của IPTV vô cùng nhạy cảm với mất gói. Mất gói sẽ dẫn đến suy giảm chất lƣợng video/audio nghiêm trọng.
Nghẽn là nguyên nhân chính gây mất gói, các biện pháp giảm mất gói chủ yếu tập trung ngăn chặn nghẽn:
+ Nâng cấp đƣờng truyền: băng thông đƣờng truyền càng tăng thì nghẽn càng ít xảy ra, mất gói giảm.
+ Sử dụng các pháp phân lớp lƣu lƣợng đảm bảo băng thông cho các dịch vụ nhạy cảm với mất gói.
+ Tăng kích thƣớc bộ đệm hàng đợi: giảm mất gói nhƣng lại làm tăng trễ.
+ Sử dụng phƣơng pháp quản lý hàng đợi tích cực AQM (Active Queue Management): bao gồm kỹ thuật loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên RED (Random Early Detection) và kỹ thuật loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên theo trọng số WRED (Weight Random Early Detection).
+ Định hình lƣu lƣợng (Traffic Shaping): tƣơng tự nhƣ WRED nhƣng gói tin không bị loại bỏ mà đƣợc gây trễ.
+ Chính sách lƣu lƣợng: giới hạn tốc độ của các dịch vụ ít quan trọng nhằm phục vụ tốt nhất cho các dịch vụ nhạy cảm với mất gói.
Biến động trễ (Jitter):
Jitter gây ra do các gói tin đi trên mạng theo những đƣờng khác nhau và đƣợc đối xử khác nhau, vì vậy mà thời gian trễ của chúng khi đến đầu thu cũng khác nhau.
Phƣơng pháp tốt nhất để giảm jitter là dùng bộ đệm giảm jitter, nơi mà các gói tin trễ ít hơn sẽ bị giữ lại để ―chờ‖ các gói tin bị trễ nhiều hơn. Kết quả của việc này là làm tăng thời gian trễ. Với biện pháp này, jitter hầu nhƣ không còn ảnh hƣởng đối với các dịch vụ không tƣơng tác, tuy nhiên, đối với một dịch vụ mang tính tƣơng tác, thời gian thực và cận thời gian thực nhƣ IPTV thì khi áp dụng phƣơng pháp này cần phải có sự cân nhắc giữa jitter và delay. Phải lựa chọn kích thƣớc bộ đệm sao cho cân bằng giữa hai giá trị này.
(ii) Biện pháp đảm bảo QoS liên quan đến xử lý lưu lượng
Các biện pháp đảm bảo QoS liên quan đến xử lý lƣu lƣợng là các biện pháp đƣợc xem là hiệu quả nhất và đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Đôi khi, khái niệm QoS còn đƣợc định nghĩa là: ―Khả năng phân biệt đối xử với các lƣu lƣợng khác nhau‖ (theo Cisco). Các biện pháp này còn đƣợc gọi là cơ chế QoS hay kỹ thuật QoS.
Quá trình thực hiện kỹ thuật QoS gồm 3 giai đoạn:
+ Xác định lƣu lƣợng và yêu cầu ứng với lƣu lƣợng đó: việc xác định có thể đƣợc xét trên mạng, mục đích kinh doanh và dựa vào SLA (Service Levels Agreement). + Chia lƣu lƣợng thành các lớp QoS: tƣơng ứng với các yêu cầu của từng loại lƣu