Hỡnh 5.1. Mụ hỡnh tổng quan IPTV Cơ bản gồm 3 khối chớnh:
Content Provider:
- Cung cấp cỏc chương trỡnh truyền hỡnh cho cỏc nhà khai thỏc IPTV. - Cỏc nhà cung cấp chương trỡnh phim truyện như HBO, StarMovie… - Cỏc chương trỡnh truyền hỡnh trực tiếp như: ESPN, UBC, StarSport…
Head-End: (bao gồm cỏc thiết bị server, MGW, và hệ thống lưu trữ…)
- Tập hợp hoặc tạo ra cỏc tớn hiệu video số trước khi chuyển tới mạng IP - Off-line Encoding: Lựa chọn nguồn nội dung, lựa chọn Codec cho
Audio và Video, lựa chọn cỏc tham số mó húa…
Networks: Truyền tải lưu lượng cỏc luồng dữ liệu bao gồm từ 2-3 loại
mạng khỏc nhau:
- Mạng lừi: thường được tạo bởi cỏc router cú hỗ trợ IGMP. - Mạng truy nhập : ADSL, VDSL, FTTH…
- Mạng client: LAN, Wireless.
Hỡnh 5.2. Mụ hỡnh mạng cơ bản 5.2. Sơ lược hoạt động của hệ thống
Trong hệ thống IPTV cú 2 phương thức truyền tớn hiệu cú thể núi là cơ bản đó dự định trước (scheduled programs). Đú là:
- Phỏt quảng bỏ (broadcasting), truyền phỏt tới mọi nơi. - Phỏt đến địa điểm theo yờu cầu (on demand).
Nguyờn lý hoạt động của hệ thống quảng bỏ, cỏc chương trỡnh được vẽ trờn hỡnh 5.3. Trong đú MBone (mạng xương sống của hệ thống đa điểm) chớnh là đường trục Internet. Tuy nhiờn người sử dụng chỉ theo lệnh của bộ quản lý nội dung (content manager) để được giới thiệu nội dung chương trỡnh hữu quan. Chương trỡnh cụ thể do rất nhiều bộ IPTV server thu thập được hoặc cựng do cỏc server của mạng MBone cung cấp
Hỡnh 5.4 minh họa sự hoạt động của hệ thống IPTV phục vụ theo yờu cầu (VoD) được gọi là IPTV đơn điểm. Trong đú cỏc server của bộ quản lý nội dung được tổ chức thành cụm server (server cluster) tổng hợp kho dữ liệu (database) của cỏc chương trỡnh.
Cỏch bố trớ cụm server để phục vụ được cỏc user được hiệu quả sẽ được núi rừ trờn sơ đồ tổng thể ở dưới đõy. Cỏc bước thực hiện VOD như sau:
Hỡnh 5.4. Mụ hỡnh IPTV VOD.
1. Một thuờ bao được chứng nhận nhập mạng và chịu sự quản lý của bộ chỉ dẫn chương trỡnh EPG (Electronic Program Guide).
2. Thuờ bao muốn yờu cầu một nội dung nào đú. Thuờ bao gửi yờu cầu đến EGP
3. EGP cho biết địa chỉ của server cần tỡm 4. Thuờ bao gửi yờu cầu tới server đú.
Như đó đề cập ở phần Cấu trỳc mạng IPTV, hệ thống IPTV hoàn chỉnh cú 6 yếu tố, cỏc bộ phận của một hệ thống IPTV tương tỏc với nhau để truyền phỏt cỏc chương trỡnh trực tiếp hoặc thu trước, cỏc chương trỡnh theo yờu cầu hoặc kết hợp cả hai loại.
Hỡnh 5.5 cho thấy dũng số liệu giữa cỏc bộ phận trong hệ thống IPTV trong trường hợp phỏt chương trỡnh trực tiếp:
Hỡnh 5.5. Dũng số liệu giữa cỏc bộ phận trong hệ thống IPTV trong khi phỏt trực tiếp
- Tớn hiệu truyền hỡnh trực tiếp được đưa vào Content Creator nơi chỳng được mó hoỏ/chuyển mó thành dạng MPEG và gửi đến Streaming Server.
- Streaming Server chuyển tiếp cỏc dũng tớn hiệu đến mạng IP băng rộng và lưu lại trong ổ cứng.
- Mạng IP băng rộng phỏt cỏc luồng tớn hiệu này đến thiết bị cơ sở của khỏch hàng, cỏc thiết bị này nhận cỏc tớn hiệu và gửi chỳng đến set-top box (STB)
- STB giải mó cỏc tớn hiệu và phỏt lại trờn tivi
Nếu bất cứ khi nào khỏch hàng đỏp ứng lại cỏc điều khiển như PVR của TVoIP, vớ dụ như PAUSE, dũng tương tỏc như sau: (xem hỡnh 5.6)
- Khỏch hàng gửi một yờu cầu qua điều khiển từ xa đến STB
- Set-top box nhận yờu cầu trước và chuyển lại nú đến Media Switch - Media Switch xỏc định streaming server với media được yờu cầu, hướng yờu cầu đến cỏc streaming server đú và điều khiển hoạt động của cỏc thiết bị này.
Streaming server đỏp ứng lại yờu cầu bằng cỏch ngừng cung cấp dũng stream
- Cỏc yờu cầu tiếp theo của khỏch hàng được gửi trực tiếp đến streaming server và được xử lý tại đú cho đến khi một thao tỏc chuyển tiếp đến một điểm truyền hỡnh trực tiếp được thực hiện hoặc khỏch hàng chuyển sang kờnh khỏc.
Hỡnh 5.6. Dũng tương tỏc giữa cỏc bộ phận ở trạng thỏi PAUSE trong quỏ trỡnh truyền hỡnh trực tiếp
Một dũng tương tỏc điển hỡnh của streaming video theo yờu cầu như sau (xem hỡnh 5.7):
- Khỏch hàng lựa chọn xem một nội dung đó được lưu
- Media Switch xỏc định streaming server với nội dung được yờu cầu và gửi yờu cầu đến cỏc Streaming server đú đồng thời phối hợp cỏc thao tỏc
- Streaming server đỏp ứng lại yờu cầu, gọi ra nội dung được lưu và gửi đến mạng băng rộng nơi nội dung được truyền đến khỏch hàng.
- Cỏc yờu cầu tiếp theo của khỏch hàng được gửi trực tiếp đến streaming server và được đỏp ứng tại đú cho đến khi khỏch hàng chuyển sang chương trỡnh khỏc.
Hỡnh 5.7. Dũng tương tỏc giữa cỏc bộ phận khi phỏt chương trỡnh video theo yờu cầu Trờn đõy chỉ là những vớ dụ đơn giản nhất. Hiện nay cỏc nhu cầu nghiệp vụ của IPTV rất đa dạng nờn cấu trỳc mạng phức tạp hơn nhiều.
5.3. Xỏc định băng thụng cho hệ thống
5.3.1. Kiến trỳc IPTV và cỏc vấn đề cần quan tõm khi triển khai
Nguồn video thu từ hệ thống vệ tinh hoặc cỏp được mó húa (encode) thành luồng (stream) video và đúng gúi thành cỏc gúi tin (packet) IP, với địa chỉ đớch là một địa chỉ IP phỏt đồng loạt ( multicast) xỏc định. Sau đú gúi tin được đưa vào mạng IP, nhờ vào bảng định tuyến multicast trong cỏc thiết bị mạng (router, switch) cỏc gúi tin này sẽ được phõn phối đến đỳng người dựng cú yờu
cầu. Tại đầu cuối khỏch hàng, bộ giải mó video (STB - Set Top Box) nhận luồng video (kờnh truyền hỡnh) và chuyển chỳng sang tớn hiệu tương tự (analog) hoặc số (digital) để hiện thị hỡnh ảnh, õm thanh lờn màn hỡnh TV.
Hỡnh 5.8. Mụ hỡnh kiến trỳc mạng IPTV
Khi khỏch hàng chuyển kờnh TV, một bản tin tham gia nhúm IGMP được gửi từ STB đến thiết bị mạng để yờu cầu một luồng video mới. Phần tử mạng (DSLAM hoặc bộ định tuyến biờn của mạng IP) đỏp ứng yờu cầu của STB và gửi luồng video mới.
Cõu hỏi đặt ra là “Làm thế nào để cú được chất lượng hỡnh ảnh và õm thanh tốt nhất đến nhà khỏch hàng?”. Bởi cỏc ứng dụng và dịch vụ sử dụng một hạ tầng mạng chung để truyền tải dịch vụ đến khỏch hàng, gúi tin dịch vụ đi qua nhiều thành phần mạng khỏc nhau. Điều này đũi hỏi cần cú giải phỏp phự hợp cho từng thành phần mạng tương ứng để đảm bảo chất lượng dịch vụ từ nguồn dịch vụ cho đến khỏch hàng. Núi cỏch khỏc, trong mụi trường đa dịch vụ, cần xem xột giải quyết 2 vấn đề lớn:
1) Đỏp ứng đủ băng thụng để cung cấp đa dịch vụ.
2) Đảm bảo chất lượng cho cỏc dịch vụ khỏc nhau khi sử dụng hạ tầng mạng chung.
Cõu trả lời cho vấn đề trờn cần xem xột cụ thể từng thành phần mạng để chọn lựa, xõy dựng hạ tầng mạng đảm bảo cỏc yờu cầu đặt ra với một chi phớ thấp nhất.
5.3.2. Cỏc vấn đề cần quan tõm với từng thành phần cơ bản của mạng IPTV: IPTV:
Hỡnh 5.9. Sơ đố khối dịch vụ IPTV Cỏc thành phần cơ bản của mạng (Hỡnh 5.8) gồm: - Nguồn Video đầu cuối: Head-end, mỏy chủ
- Phần mềm tương tỏc, quản lý, cung cấp dịch vu: Middleware - Mạng trục/Phõn phối: Core/Distribution network
- Mạng kết tập: Aggregation network - Mạng truy cập: Access network - Mạng khỏch hàng: Home Network.
Cỏc thành phần của một Head-End:
1) Chảo thu vệ tinh và anten mặt đất (Satellite dishes and off-air antennas).
2) Bộ nhận và giải mó tớn hiệu vệ tinh (Satellite receivers)
Việc chọn lựa kỹ thuật nộn video quyết định rất lớn đến số lượng kờnh truyền hỡnh cú thể phỏt quảng bỏ (multicast) trờn mạng và việc dự trự băng thụng mạng đủ để đỏp ứng dịch vụ.
Phần mềm tương tỏc, quản lý, cung cấp dịch vụ – Middleware:
Middleware là hệ thống điều khiển trung tõm của dịch vụ IPTV, thực hiện chức năng giao tiếp với STB theo cơ chế chủ - khỏch (client-server) điều khiển, cung cấp nội dung và đỏp ứng yờu cầu dịch vụ của STB.
Middleware thường được bỏn theo số lượng người dựng cuối và mỗi middleware chỉ làm việc tốt với một số STB nhất định, do đú nhà cung cấp dịch vụ viễn thụng cần cõn nhắc khi mua middleware. Bờn cạnh đú nhà cung cấp dịch vụ cần tổ chức đội ngũ để xõy dựng và tối ưu giao diện người dựng phự hợp nhu cầu cung cấp dịch vụ.
Mạng trục (Core Network):
Cú 2 vấn đề cần quan tõm:
1) Băng thụng đủ truyền tải luồng dữ liệu VoD, lờn đến vài chục Gbps. 2) Chọn lựa giao thức định tuyến Multicast thớch hợp.
Mạng tập kết (Aggregation Network):
Mạng tập kết hoạt động ở lớp 2 (mụ hỡnh OSI), khụng nhận biết luồng dữ liệu IP multicast. Vỡ vậy, tựy cụng nghệ sử dụng ở mạng kết tập việc truyền tải luồng dữ liệu multicast tới đầu cuối thuờ bao cú thể dựng:
- Kỹ thuật quảng bỏ (thường được gọi là “Drop & Continue”) trong mạng kết tập SDH.
- Kỹ thuật thiết lập kờnh ảo điểm nối đa điểm cho mạng ATM. - IGMP snooping trờn mạng Ethernet.
Vấn đề đặt ra cho mạng kết tập sử dụng cụng nghệ Ethernet đú là: hiệu suất sử dụng băng thụng, độ tin cậy cao, chất lượng dịch vụ đảm bảo (QoS) và tớnh hiệu quả trong vận hành, khai thỏc mạng.
Độ tin cậy của mạng Ethernet chủ yếu dựa vào giao thức cõy bắc cầu STP (Spanning Tree Protocol) để khụi phục hoạt động mạng. Tuy nhiờn, thời gian hội tụ của STP là quỏ lớn (15 giõy), khụng thể chấp nhận được đối với dịch vụ
IPTV. Đũi hỏi mạng phải cú thời gian hội tụ mạng dưới 1 giõy, yờu cầu thiết bị mạng hỗ trợ giao thức RSTP.
Triển khai cả IGMP snooping và IGMP proxy để giỳp tối ưu băng thụng cho mạng Ethernet.
IGMP snooping
Thiết bị chuyển mạch nhận bản tin tham gia nhúm (IGMP join) multicast
đến từ một cổng xỏc định, nhờ vào thụng tin này thiết bị Switch sao chộp dữ liệu
đến đỳng cổng cú yờu cầu.
Núi cỏch khỏc, trờn hướng kết nối DSLAM và Switch (mạng kết tập) chỉ
dữ liệu multicast của những kờnh truyền hỡnh đang được khỏch hàng thuộc DSLAM đú xem thỡ đú mới được gởi xuống DSLAM. IGMP snooping tối ưu băng thụng cho hướng xuống.
IGMP proxy
DSLAM đại điện cho tất cả cỏc thuờ bao kết nối đến nú gởi bản tin tham gia nhúm multicast đến bộ định tuyến biờn IP. Nhờ vậy làm giảm cỏc bản tin IGMP join trờn mạng, đồng thời giảm tải xử lý và đỏp ứng của bộ định tuyến biờn IP. Một đặc điểm nổi bật của IGMP proxy đú là làm tăng thời gian đỏp ứng kờnh (zapping time - thời gian từ lỳc thuờ bao nhấn chọn kờnh cho đến lỳc nội dung kờnh xuất hiện trờn màn hỡnh TV). Do việc xử lý bản tin IGMP ngay tại DSLAM gần thuờ bao hơn bộđịnh tuyến biờn IP rất nhiều.
Chất lượng dịch vụ (QoS): thường dựng Ethernet 802.1p, Ethertype, DSCP (DiffServ Code Points) để phõn biệt cỏc gúi dịch vụ khỏc nhau và xỏc định phương thức chuyển tải lưu lượng khỏc nhau.
Mạng truy cập (Access Network):
Cú 3 yếu tố ảnh hưởng đến nhu cầu tăng băng thụng cho mạng truy cập: - Sự gia tăng số lượng TV trong một hộ gia đỡnh. Ngày nay, trung bỡnh mỗi hộ gia đỡnh tại Mỹ cú 2.7 TV trong khi chõu Âu là 1.5 [7].
- Dịch vụ truyền hỡnh độ phõn giải cao (HDTV - High Definition TV) ngày càng phổ biến. Băng thụng cần thiết cho một kờnh HDTV phụ thuộc rất nhiều vào chuẩn mó húa, một kờnh HDTV sẽ chiếm băng thụng từ 8-20Mbps.
- Sự thu hỳt của truyền hỡnh theo yờu cầu ngày càng cao so với truyền hỡnh quảng bỏ.
Để đỏp ứng nhu cầu sử dụng đa dịch vụ của khỏch hàng, nhà cung cấp dịch vụ cần tỏi thiết lại hạ tầng mạng truy cập của mỡnh nhằm cung cấp băng thụng rộng hơn đến nhà khỏch hàng 10Mbps (nếu khụng cú kờnh HDTV) và 20 Mbps (cú HDTV). Việc chọn lựa điểm kết nối dịch vụ (injection point) hợp lý giỳp nhà khai thỏc xỏc định đỳng cỏc đối tượng mạng cần xem xột để thực hiện nõng cấp mạng thỏa món nhu cầu dịch vụ. Vớ dụ: Head-End quốc gia kết nối vào mạng trục IP quốc gia. Do đú, triển khai IPTV với nguồn hỡnh cấp quốc gia cần xem xột nõng cấp cỏc thành phần: mạng truc IP, mạng kết tập và mạng truy cập. Với nguồn hỡnh nội hạt, điểm kết nối dịch vụ ngay tại cỏc bộ định tuyến biờn IP hoặc bộ chuyển mạch (Switch) của mạng kết tập (Hỡnh 11) vấn đề nõng cấp mạng chỉ tập trung ở mạng kết tập và mạng truy cập.
Mạng người dựng (Home Network):
Mạng người dựng gồm một cổng vào (home gateway – cú thể là modem DSL, bộ định tuyến) giao tiếp với mạng của nhà cung cấp cú nghiệm vụ nhận nguồn hỡnh IPTV và phõn phỏt đến cỏc STB khỏc nhau. Thiết bị đầu cuối (end point): STB, phone, mobile… cú thể dựng cỏp đồng UTP hoặc vụ tuyến (WiFi, DECT) để kết nối vào Home Gateway.
Home Gateway cú khả năng nhận cấu hỡnh tự động từ phớa mạng nhà cung cấp dịch vụ (plug-and-play) để thiết lập kờnh hoạt động cho cỏc thiết bị đầu cuối gắn thờm vào Home gateway đảm bảo tớnh linh hoạt và mở rộng dịch vụ.
Mạng quản lý (Network Management):
Mạng đa dịch vụ cần sử dụng băng thụng mạng hiệu quả, độ tin cậy cao và đảm bảo chất lượng dịch vụ nờn cụng cụ hỗ trợ quản lý, vận hành, khai thỏc, chẩn đoỏn lỗi là vấn đề hết sức thiết thực cần quan tõm đỳng mức và trang bị hệ thống tương xứng.
Hệ thống hỗ trợ vận hành, khai thỏc và quản lý mạng là ưu tiờn hàng đầu cần xem xột đầu tư khi triển khai đa dịch vụ trờn hạ tầng mạng chung. Việc chọn lựa giải phỏp quản lý tốt sẽ giỳp nhà cung cấp dịch vụ giảm chi phớ vận hành, khai thỏc hệ thống và chi phớ chăm súc, hỗ trợ khỏch hàng, nõng cao chất lượng dịch vụ. Tạo điều kiện cho nhà cung cấp dịch vụ tập trung tiềm lực vào cỏc vấn đề khỏc đem lại doanh thu nhiều hơn.
Hệ thống phải cú khả năng phỏt hiện nhận biết thiết bị (khi thiết bị đầu cuối kết nối vào mạng) và tự động cài đặt cấu hỡnh cho đầu cuối khỏch hàng.
Việc triển khai dịch vụ IPTV sẽ ảnh hưởng rất lớn đến cấu trỳc mạng của nhà cung cấp dịch vụ viễn thụng, đũi hỏi nhà cung cấp dịch vụ phải cú kế hoạch triển khai nõng cấp hạ tầng mạng đỏp ứng nhu cầu băng thụng cho dịch vụ cả trong mạng trục, mạng kết tập và mạng truy cập. Việc tớnh toỏn băng thụng cũng như dự bỏo nhu cầu dịch vụ là cụng tỏc cần xem xột trong quỏ trỡnh xõy dụng và triển khai dịch vụ.
Khi tớnh toỏn băng thụng mạng để triển khai cung cấp dịch vụ IPTV và VoD nhà cung cấp dịch vụ viễn thụng cần quan tõm đến cỏc vấn đề sau:
Chọn chuẩn mó húa:
- MPEG-2 : 3.5-5Mbps/kờnh truyền hỡnh chuẩn (STV) - H.264 (MPEG-4 part 10): 2Mbps/STV
8-12Mbps/kờnh truyền hỡnh phõn giải cao (HDTV)
Như vậy, nếu dựng chuẩn mó húa H.264 băng thụng mạng sẽ được tiết kiệm hơn, nhưng giỏ thành một bộ STB/H.264 lại đắt hơn STB/MPEG-2. Lợi về
băng thụng cho nhà cung cấp dịch vụ, nhưng chi phớ đầu tư ban đầu của khỏch hàng cao.
Ảnh hưởng của dịch vụ đến băng thụng mạng:
- Dịch vụ IPTV: ảnh hưởng chủ yếu đến băng thụng mạng kết tập và mạng truy cập đồng thời phụ thuộc vào số lượng kờnh IPTV phỏt trờn mạng.
- Dịch vụ VoD: ảnh hưởng rất lớn đến băng thụng mạng trục và phụ thuộc vào số lượng thuờ bao sử dụng dịch vụ VoD.
Với dịch vụ VoD, nhà cung cấp cần xem xột khả năng đầu tư cỏc thiết bị lưu trữ (storage) nguồn Video đặt phõn tỏn trong mạng kết tập hoặc mạng truy cập để lưu cỏc bộ phim mới, phim thụng dụng dự bỏo nhiều người xem nhằm giảm lưu lượng điểm – điểm (unicast) trờn mạng.