Nếu mạng truyền hình cáp có thể sử dụng trên các vùng đặc thù thì khách hàng có thể truy cập IPTV từ mạng dựa trên kỹ thuật cáp quang, cáp đồng trục hỗn hợp HFC (Hybrid Fiber/Coax). Kỹ thuật HFC nói đến một số cấu hình mạng hỗn hợp của cáp quang và cáp đồng trục đƣợc sử dụng để phân phối lại các dịch vụ truyền hình kỹ thuật số. Các mạng xây dựng dựa trên kỹ thuật HFC có một số đặc tính thuận lợi chuyển giao cho các dịch vụ thế hệ mới nhƣ sau:
- Mạng HFC có khả năng truyền dẫn đồng thời cả tín hiệu số và tín hiệu tƣơng tự. Đây là đặc tính rất quan trọng cho các nhà khai thác mạng.
- Mạng HFC có thể chung hòa giữa việc tăng dung lƣợng và các yêu cầu tin cậy của một hệ thống IPTV. Đặc điểm tăng đƣợc dung lƣợng của hệ thống HFC cho phép các nhà khai thác mạng triển khai thêm các dịch vụ mà không cần phải thay đổi toàn bộ cấu trúc mạng.
- Đặc tính vật lý của cáp đồng trục và cáp quang hỗ trợ mạng hoạt động ở tốc độ vài Gbps.
Hình 1.4 cho ta thấy cấu trúc của mạng HFC gồm có đƣờng trục chính là cáp quang kết nối theo các node quang tới mạng cáp đồng trục. Node quang hoạt động nhƣ một giao tiếp, nó kết nối các tín hiệu upstream và downstream đi ngang qua mạng cáp quang và cáp đồng trục. Phần mạng cáp đồng trục của mạng HFC sử dụng topology cây - phân nhánh, các thuê bao truyền hình kết nối tới mạng HFC theo một thiết bị đặc biệt gọi là bộ chia cáp Tap. Tín hiệu truyền hình số đƣợc phát từ trung tâm dữ liệu tới các node quang. Node quang phân phối tín hiệu thông qua cáp đồng trục, bộ khuếch đại và bộ chia cáp Tap tới khách hàng.
Hình 1.4 Mạng HFC end-to-end 1.2.4.2 IPTV phân phối trên mạng truyền hình cáp
Những cuộc thảo luận trong lĩnh vực công nghiệp truyền hình cáp về vấn đề truyền tải lƣu lƣợng qua một mạng dựa trên nền IP đã và đang diễn ra. Do sự cạnh tranh về thị trƣờng kinh doanh truyền hình thu phí từ các nhà cung cấp viễn thông và những hiệu quả lớn về băng thông khi sử dụng kỹ thuật phân phối IP, dẫn tới các nhà khai thác mạng truyền hình cáp phải hƣớng tới sử dụng mô hình mạng IP để phân phối nội dung tới ngƣời dùng.
Việc chuyển một mạng dựa trên tần số vô tuyến RF (Radio Frequency) sang mạng chuyển mạch video số SDV (Switched Digital Video) trên nền IP, dù bằng cách nào thì vẫn cần phải lắp đặt một số thiết bị mới từ các router tới bộ giải mã IP STB (Set- Top Box) và các switch tốc độ cao. Một số ƣu thế của việc triển khai sang mạng chuyển mạch SDV:
- Một số lƣợng lớn băng thông của mạng sẽ đƣợc dự trữ bởi vì nhà khai thác chỉ nhận đƣợc yêu cầu phát một kênh truyền hình đơn lẻ tới bộ giải mã STB.
Đây rõ ràng là sự trái ngƣợc với các hệ thống cũ mà ở đó tất cả các kênh đều đƣợc phát quảng bá trên mạng và các kênh không sử dụng vẫn chiếm giữ băng thông.
- Băng thông dƣ thừa cho phép các nhà khai thác mạng cáp truyền hình có thể phân phối các dịch vụ và nội dung IPTV tới thuê bao của họ.
- Những nhà khai thác mạng cáp truyền hình có thể đo đạc và giám sát một cách chính xác nội dung đã xem của mỗi thuê bao. Đây là một đặc tính quan trọng cho các nhà khai thác muốn tạo thêm doach thu bằng quảng cáo.
Hình 1.5 mô tả một cấu trúc mạng IPTV cáp đƣợc tạo thành từ sự kết hợp các thiết bị của công nghệ RF và công nghệ IP.
Một số thiết bị phần cứng đƣợc mô tả trên hình 1.5 bao gồm:
- Switch hay Router GigE: GiE (Gigabit Ethernet) nổi lên nhƣ là một giao thức vận chuyển đƣợc lựa chọn để kết nối các thành phần mạng IP. GigE thƣờng đƣợc sử dụng cho các ứng dụng đòi hỏi dung lƣợng cao, ví dụ nhƣ VoD. Router GigE tập hợp lƣu lƣợng IPTV và cung cấp các kết nối tới mạng truy cập lõi.
- Mạng truyền dẫn quang: mạng lõi cung cấp đƣờng mạng giữa video server trong trung tâm nội dung và các bộ điều chế tại các biên của mạng. Mạng lõi có thể là mạng quang đồng bộ SONET, mạng ATM và mạng ghép kênh phân chia theo mật độ bƣớc sóng DWDM.
Bộ điều chế biên: các bộ điều chế đƣợc đặt tại các tổng đài khu vực nhận nội dung IPTV từ mạng lõi, chuyển đổi nội dung từ các gói IP sang RF và phân phối trên mạng HFC tới bộ giải mã STB.
Trong mô hình trên tất cả nội dung đều đƣợc điều chế thành các sóng mang RF và đƣợc biên dịch thành RF băng rộng ngõ ra, thƣờng nằm trong dải từ 50 cho tới 860 MHz. Một số hệ thống hoạt động với tần số lên tới 1 GHz, với các tần số cao thƣờng đƣợc dành riêng cho các dịch vụ thoại và dữ liệu.
Từ trung tâm dữ liệu của nhà cung cấp, một đƣờng trung kế lớn đƣợc sử dụng để phân phối tín hiệu băng rộng tới các Hub phân phối. Từ Hub phân phối, tín hiệu băng thông rộng đƣợc gửi tới mạng truyền dẫn quang, thông qua mạng HFC, các tín hiệu băng rộng đƣợc gửi tới các bộ STB trong nhà khách hàng.
Hình 1.5 Mô hình triển khai cấu trúc mạng IPTV cáp kết hợp IP và RF 1.3 Chuẩn nén dữ liệu sử dụng trong IPTV
Nén cho phép các nhà cung cấp dịch vụ truyền các kênh hình và tiếng với chất lƣợng cao qua mạng IP băng rộng. Do mắt ngƣời không thể phân biệt đƣợc toàn bộ các phần của hình ảnh, việc nén sẽ làm giảm độ lớn của tín hiệu ban đầu bằng cách bỏ bớt các phần của hình ảnh.
1.3.1 Tổng quan nén MPEG
MPEG là một chuẩn nén đƣợc sử dụng rộng rãi trong thông tin vệ tinh, truyền hình cáp và trong các hệ thống truyền hình mặt đất. MPEG (Moving Pictures Expert Group) đƣợc thành lập nhằm phát triển các kĩ thuật nén cho phù hợp với việc truyền hình ảnh.
Hiện nay các chuẩn nén MPEG đang đƣợc sử dụng phổ biến và đƣợc các tổ chức ISO/IEC, ITU (International Telecommunication Union) công nhận là chuẩn nén quốc tế, áp dụng cho các hệ truyền hình tại Hoa Kỳ, Nhật Bản, Châu Âu.
Từ khi đƣợc thành lập, MPEG đã đƣa ra các chuẩn nén nhƣ: MPEG-1, MPEG- 2, MPEG4- (Part 2 và part 10), MPEG-7, và MPEG-21. Trong các chuẩn này, MPEG- 2 và MPEG-4 Part 10 đƣợc sử dụng rộng rãi trong IPTV.
MPEG-1: Đƣợc phát triển vào năm 1988-1992, là tiêu chuẩn đầu tiên của MPEG. Chuẩn MPEG-1 đƣợc sử dụng chủ yếu để nén tín hiệu VCD và các luồng tốc độ thấp khoảng 1.5Mbps.
MPEG-1 hỗ trợ nén các tín hiệu có độ phân giải thấp 352x240(60Hz) và 352x288(50Hz), sử dụng biến đổi cosin rời rạc (DCT) để loại bỏ dƣ thừa không gian, có dự đoán và bù chuyển động.
Điểm nổi bật của MPEG-1 khi đó là có hỗ trợ nén các hình ảnh quét liên tục.
MPEG-2: Đƣợc xây dựng từ năm 1991 đến 1994 và vẫn đang đƣợc sử dụng rộng rãi đến tận bây giờ.
MPEG-2 có thuật toán nén tƣơng tự nhƣ MPEG-1, song đã đƣợc phát triển lên tầm cao hơn, hoàn chỉnh hơn với hệ thống công cụ và cấp đa dạng (Profile & Level), hỗ trợ nén cho rất nhiều định dạng tín hiệu.
MPEG-2 gồm có 10 phần (Part 1 đến Part 10), trong đó Part 2 là về video, part 3 là về audio. MPEG-2/Part 2 tƣơng tự nhƣ MPEG-1 song đã có hỗ trợ nén hình ảnh quét xen kẽ. Chính vì vậy, MPEG-2 đƣợc sử dụng rộng rãi và chính thức trong các tiêu chuẩn truyền hình DVB, ITSC, ISDB.
MPEG-3: Đƣợc phát triển vào năm 1992 với mục đích áp dụng cho HDTV, tuy
nhiên nó bị huỷ bỏ vào năm 1993 do nhận thấy rằng: MPEG-2 hoàn toàn có thể thực hiện cho HDTV.
- MPEG-4: Đƣợc bắt đầu vào năm 1993, nhằm nâng cao hiệu quả nén cho HDTV. MPEG-4 vẫn đang đƣợc phát triển đến hiện nay.
- MPEG-7: Đƣợc đƣa ra không phải là để cho nén, mà là các mô tả về đối tƣợng số và metadata.
- MPEG-21: MPEG-21 là một khung chuẩn mở để phân phối và sử dụng dịch
vụ đa phƣơng tiện. MPEG-21 đƣợc đƣa ra với mục đích nhằm cho phép sử dụng các tài nguyên đa phƣơng tiện trên một phạm vi rộng các mạng và các thiết bị khác nhau.
1.3.2 ITU-T H.264/AVC [8] 1.3.2.1 Giới thiệu 1.3.2.1 Giới thiệu
Sự gia tăng của các loại dịch vụ và số lƣợng TV độ phân giải cao đã thúc đẩy nhu cầu có một công cụ nén hiệu quả hơn.
Vào năm 2001, VCEG và MPEG cộng tác với nhau thành nhóm JVT (Join Video Team) để phát triển một chuẩn mã hoá video mới. Kết quả ra đời chuẩn nén ITU-T H.264/AVC, tƣơng đƣơng với tiêu chuẩn MPEG-4 Part 10/AVC về mã hoá video tiên tiến (Advance Video Coding), đƣợc cả ITU và ISO phát hành năm 2003.
Nhằm không ngừng nâng cao hiệu quả mã hoá, rất nhiều kỹ thuật đƣợc áp dụng vào trong MPEG-4/AVC nhằm khai thác tối đa sự tƣơng quan giữa các khung hình video và xử lý linh hoạt các tham số theo nội dung của cảnh video cần nén. MPEG- 4/AVC cũng đã áp dụng rất nhiều công cụ đã đƣợc giới thiệu trong MPEG-4 Visual.
1.3.2.2 Phạm vi ứng dụng và các điểm tiêu biểu của H.264/AVC
Chuẩn này đƣợc thiết kế cho các giải pháp kỹ thuật của các lĩnh vực ứng dụng sau đây:
- Quảng bá trên các kênh vệ tinh, cáp, sóng mặt đất, DSL (Digital Subscriber Line)…
- Lƣu trữ nối tiếp hoặc tƣơng tác trên các thiết bị quang và từ, trên DVD… - Các dịch vụ hội nghị trên ISDL, Ethernet, LAN, DSL, không dây và mạng di động…
- Các dịch vụ đa phƣơng tiện hoặc video theo yêu cầu trên ISDL, cáp, DSL, LAN, mạng không dây…
- Các dịch vụ nhắn tin đa phƣơng tiện (Multimedia Messaging Service-MMS) trên ISDL, DSL, Ethernet, LAN, mạng di động và mạng không dây.
Hơn nữa, các dịch vụ mới cũng có thể đƣợc thực hiện trên các mạng hiện tại hoặc tƣơng lai. Điều này dẫn đến yêu cầu về việc làm thế nào để quản lý sự đa dạng trong ứng dụng và khai thác mạng.
Để thực hiện việc này, MPEG-4/H.264 đƣa ra lớp mã hoá video (Video Coding Layer-VCL), đƣợc thiết kế để trình diễn hiệu quả các nội dung video, và đƣa ra lớp mạng trừu tƣợng (Network Abstraction Layer-NAL) để định dạng sự trình diễn video của lớp VCL và cung cấp các thông tin mào đầu (Header) theo cách thích hợp cho việc truyền dữ liệu tại lớp truyền tải hoặc cho việc lƣu trữ dữ liệu.
Tƣơng quan với các giải pháp mã hoá trƣớc đây, ví dụ nhƣ MPEG-2, một số điểm tiêu biểu của MPEG-4/H.264 cho phép tăng hiệu quả nén, bao gồm cả khả năng dự đoán giá trị nội dung ảnh đƣợc trình bày sau đây:
1. Kích thƣớc Block bù chuyển động nhỏ hơn: Chuẩn này cho phép lựa
chọn kích thƣớc block bù chuyển động và hình dạng một cách mềm dẻo hơn tất cả các chuẩn trƣớc đó, với kích thƣớc block bù chuyển động tối thiểu đạt tới 4x4.
2. Bù chuyển động chính xác đến ¼ mẫu: các chuẩn trƣớc cho phép độ
chính xác bù chuyển động đến tối đa là ½ mẫu. Chuẩn mới cho phép điều này đạt đến mức ¼ mẫu, nhƣ có thế thấy ở MPEG-4 Visual. Tuy nhiên độ phức tạp trong xử lý việc này đã giảm đi với MPEG-4/H.264.
3. Vector chuyển động tại đƣờng bao ảnh: trong khi vector chuyển động tại
MPEG-2 cần phải chỉ đúng vào vùng ảnh đã đƣợc giải mã trƣớc đó thì MPEG-4/H.264 cho phép chỉ tới đƣờng bao của ảnh.
4. Bù chuyển động đa ảnh: các ảnh P trong MPEG-2 chỉ sử dụng 1 ảnh I
hoặc P trƣớc đó để dự đoán ảnh tiếp theo. Với MPEG-4/H.264, dự đoán bù chuyển động từ nhiều ảnh trƣớc đó đƣợc lƣu trong bộ nhớ. Tƣơng tự nhƣ vậy với ảnh B.
5. Tách riêng thứ tự mã hoá khỏi thứ tự trình diễn: trong MPEG-2, có một sự phụ thuộc chặt chẽ giữa thứ tự mã hoá và thứ tự trình diễn. MPEG-4/H.264 cho phép bộ mã hoá có thể lựa chọn thứ tự mã hoá hoàn toàn độc lập với thứ tự trình diễn, miễn là dung lƣợng bộ nhớ của bộ giải mã đủ lớn. Điều này sẽ giảm đƣợc thời gian trễ khi mã hoá các ảnh dự đoán 2 chiều.
6. Tách riêng các giải pháp trình diễn ảnh khỏi khả năng làm ảnh chuẩn:
trong các chuẩn trƣớc, các ảnh B là các ảnh đƣợc mã hoá từ việc dự đoán 2 chiều các ảnh khác, không thể đƣợc sử dụng nhƣ một ảnh chuẩn để dự đoán các ảnh khác trong chuỗi video. Chuẩn mới loại trừ việc này, do đó làm tăng tính mềm dẻo cho việc dự đoán chuyển động.
7. Dự đoán có trọng số: bƣớc đột phá mới trong MPEG-4/H.264 là cho
phép tín hiệu dự đoán bù chuyển động đƣợc kết hợp với một giá trị trọng số đƣợc mô tả bởi bộ mã hoá. Chế độ dự đoán này là hỗ trợ cần thiết khi nén các cảnh có sự mờ đi (khi 1 cảnh đƣợc mờ đi vào cảnh khác), nhờ vậy mà tăng đƣợc hiệu quả nén.
8. Suy đoán chuyển động trực tiếp: với các chuẩn trƣớc, một khu vực bị bỏ
qua sẽ không chuyển động trong nội dung cảnh. Điều này sẽ có ảnh hƣởng không tốt khi mã hoá video có chứa chuyển động toàn thể. Thay vì suy luận vùng bị bỏ qua, MPEG-4/H.264 đƣa ra giải pháp suy đoán chuyển động mới, gọi là bù chuyển động trực tiếp (Direct).
9. Switching slices (còn đƣợc gọi là SP và SI): là chức năng cho phép bộ
mã hoá có thể chỉ thị cho bộ giải mã xâm nhập vào dòng bít để chuyển tốc độ bit hay có thể giải mã đƣợc ảnh tại đúng vị trí xâm nhập đó mà không cần sử dụng các ảnh khác.
10. Ảnh dự phòng (Redundant Picture): MPEG-4/H.264 có khả năng cho
phép bộ mã hoá gửi đi hình ảnh dự phòng của vùng ảnh đƣợc truyền, nhằm khôi phục lại vùng ảnh bị mất ở trên đƣờng truyền.
Nhằm cải tiến các giải pháp dự đoán, một số phần khác của chuẩn cũng đƣợc nâng cao để tăng hiệu quả nén.
11. Biến đổi với kích thƣớc block nhỏ: tất cả các chuẩn trƣớc đều sử dụng
kích thƣớc block biến đổi là 8x8, trong khi MPEG-4/H.264 dựa trên kích thƣớc 4x4. Do có kích thƣớc block nhỏ hơn nên sẽ độ sai khác giữa ảnh thật và ảnh dự đoán giảm đi, nhờ vậy tăng hiệu quả nén.
12. Thực hiện các biến đổi với kích thƣớc block phân cấp: cho phép kích
thƣớc block có thể tăng lên trong một số trƣờng hợp.
13. Phép biến đổi ngƣợc chính xác: trong các chuẩn mã hoá video trƣớc đây,
các phép biến đổi đƣợc sử dụng cho trình diễn video thƣờng có ngƣỡng chấp nhận lỗi cho phía thu, do không thể đạt đƣợc phép biến đổi ngƣợc lý tƣởng trên lý thuyết. Vì
thế, mỗi bộ giải mã sẽ có tín hiệu video khác một chút so với bộ mã hoá, điều này làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng video. MPEG-4/H.264 là tiêu chuẩn đầu tiên đạt đƣợc sự chính xác về chất lƣợng của tín hiệu video giải mã từ tất cả các bộ giải mã.
14. Mã hoá entropy số học: một phép mã hoá entropy tiên tiến đƣợc áp dụng
trong MPEG-4/H.264 là mã hoá số học nhị phân theo nội dung CABAC (Context Adaptive Binary Arithmetic Coding). Phƣơng pháp mã hoá này dựa trên khả năng chọn lựa các chế độ cho mỗi cú pháp dựa vào nội dung.
15. Mã hoá entropy theo nội dung: phƣơng pháp mã hoá entropy thứ 2 đƣợc
áp dụng trong MPEG-4/H.264 là mã hoá độ dài thay đổi theo nội dung (CAVLC- Context Adaptive Variable Length Coding). Phƣơng pháp này đƣợc thiết kế để mã hoá độ dƣ thừa các hệ số chuyển đổi của các khối 4x4 và 2x2.
Một số cải tiến nhằm nâng cao việc truyền dữ liệu trên các mạng cũng đƣợc