III. Mô hình hệ thống cungcấp dịch vụ IPTV
1 Mô hình tham chiếu IPTV
Ở phía thu thực hiện ngƣợc lại với phía phát.
79
Hình 3.2 Xử lý tín hiệu IPTV
Lớp mãhoá (video encoding) thực hiện mã hoá luồng tín hiệu số/tƣơng tự đầu vào theo các chuẩn nén nhƣ MPEG thành luồng tín hiệu số liên tục, thời gian thực ở đầu ra. Tín hiệu đầu ra đƣợc tổ chức thành các video Frame. Các thông tin có trong luồng tín hiệu đầu ra gồm: Loại frame, tốc độ frame, tỉ số nén, vị trí dữ liệu thực trong luồng tín hiệu ra.
Lớp mã hoá đƣợc chia thành 2 lớp con: Lớp mã hoá Video VCL (Video Coding Layer) và lớp trừu tƣợng hoá mạng NAL (Network Abstraction Layer).Video sau khi đƣợc nén bởi VCL sẽ tạo thành một chuổi các mẩu ảnh đƣợc đƣa tới lớp NAL. Đầu ra của lớp NAL là các gói riêng biệt đƣợc gọi là các đơn vị NAL. Cấu tạo của các đơn vị NAL nhƣ hình 3.3
80
Hình 3.3 Cấu tạo của NAL unit
Lớp đóng gói video (Video Packetizing Layer)
Để truyền luồng tín hiệu âm thanh, hình ảnh trên mạng, cần chuyển luồng này thành các gói PES (Packetized Elementary Stream). Mỗi một lồng gói PES chỉ chứa một loại dữ liệu đƣợc truyền từ nguồn. Kích thƣớc mỗi gói PES cố định là 65536 byte, trong đó có 6 byte header. Cấu trúc gói PES nhƣ hình 3.4
Hình 3.4Cấu trúc gói PES
81
Lớp này liên quan việc đảm bảo các gói đƣợc truyền liên tục. Các gói PES khi truyền qua lớp này đƣợc chia thành các gói TS có kích thƣớc 188 byte. Mỗi gói TS chứa mô trong 3 dạng dữ liệu: video, audio, data.
- Lớp RTP (Tuỳ chọn)
Lớp tuỳ chọn này đƣợc sử dụng bởi một số ứng dụng yêu cầu tính thời gian thực của IPTV. UDP là giao thức chủ yếu trong lớp Transport để cung cấp IPTV, do UDP là giao thức truyền tải không tin cậy, do đó RTP đƣợc sử dụng để hổ trợ một số hạn chế của UDP. Giao thức truyền tải RTP là giao thức hoạt động chính trong lớp này. Mỗi gói tin trong lớp RTP gồm nhiều gói MPEG-TS.
Hình 3.5 gói tin lớp RTP
Lớp Transport
Lớp transport đƣợc thiết kế để khắc phục quá trình xử lý phức tạp ở các lớp trên, đảm bảo tính toàn vẹn, tin cậy cho kết nối end to end. Khi truyền không chính xác lớp này có thể thực hiện việc truyền lại tín hiệu. TCP và UDP là hai giao thức chính trong lớp này. Giao thức hƣớng kết nối TCP có nhiều chức năng về điều khiển, kiểm soát lỗi tuy nhiên UDP là giao thức hoạt động chính để cung cấp dịch vụ trong IPTV vì UDP đảm bảo truyền các gói nhanh, đảm bảo tính thời gian thực.
Lớp IP
Chức năng chính của lớp IP là định tuyến dữ liệu đi từ nguồn tới địa chỉ đích cụ thể. Để thực hiện điều đó, lớp IP thực hiện 2 nhiệm vụ: phân mãnh dữ liệu thành các gói tin IP và đánh địa chỉ cho các gói tin đó để định tuyến.
Lớp Data link
Lớp Data link liên quan các kỹ thuật truy nhập môi trƣờng. Lớp này chuyển đổi các gói tin IP từ lớp IP thành các dạng gói khác để phù hợp cho việc truyền trên môi trƣờng vật lý. Trong lớp Data link có thể sử dụng các công nghệ khác nhau nhƣng Ethernet là công nghệ phổ biến nhất trong IPTV. Trong công nghệ Etherner, lớp datalink thực hiện các chức năng: đóng gói IP thành frame lớp 2, chức năng địa chỉ vật lý MAC, chức năng kiểm tra lỗi sử dụng thuật toán CRC, chức năng điều khiển luồng.
82
Lớp này thực hiện các quy tắc, cấu trúc mạng để truyền các bits trên môi trƣờng vật lý.
2Mô hình kiến trúc hệ thống cung cấp dịch vụ IPTV
IPTV là công nghệ truyền dẫn hình ảnh kỹ thuật số tới ngƣời sử dụng (NSD) qua Internet băng rộng. Ngoài các dịch vụ truyềnhình quảng bá thông thƣờng, Video theo yêu cầu (Video on Demand – VoD), IPTV còn hỗ trợ sự tƣơng tác giữa ngƣời xem với chƣơng trình và đây cũng chính điểm đặc biệt và hấp dẫn nhất của IPTV. Không đơn thuần là truyền hình nhƣ truyền hình cáp truyền thống, IPTV là một tổng thể chuỗi các dịch vụ truyền hình có tính tƣơng tác. Ngoài việc tự do lựa chọn chƣơng trình truyền hình hay phim muốn xem, NSD có thể tham gia các cuộc hội thảo từ xa, chơi game, mua hàng qua TV hoặc viết blog video (vlog), nhắn tin qua TV…
Ta có thể chia hệ thống IPTV từ nguồn nội dung tới đầu cuối ngƣời dùng làm các khối chức năng cơ bản nhƣ sau: hệ thống cung cấp nội dung, hệ thống Head-end, hệ thống Middleware, hệ thống phân phối nội dung, hệ thống quản lý bản quyền số (DRM), mạng truyền tải, hệ thống quản lý mạng và tính cƣớc, Set-top Box (STB). Sơ đồ khối biểu thị thành phần đó nhƣ hình 3.6.
Hệ thống gồm các khối chức năng chính nhƣ sau:
Hệ thống cung cấp nội dung: cung cấp nguồn dữ liệu thu, nhận và xử lý các dữ liệu chƣơng trình từ các nguồn khác nhau nhƣ vệ tinh, truyền hình mặt đất và các nguồn khác để chuyển sang hệ thống Head-end.
Hệ thống Head-end: Thu, điều chế và giải mã nội dung hình ảnh và âm thanh từ các nguồn khác nhau và sử dụng các thiết bị mã hóa (encoder) để chuyển đổi nội dung này thành các luồng dữ liệu IP ở khuôn dạng mã hóa mong muốn. Hiện nay tín hiệu video chủ yếu đƣợc mã hóa MPEG-4/H.264 đảm bảo tốc độ khá thấp, cho phép triển khai tốt trên mạng truy nhập xDSL. Các chƣơng trình sau khi đƣợc mã hóa sẽ đƣợc phân phối tới khách hàng trên các luồng IP Multicast qua mạng truy nhập và mạng lõi IP. Các chƣơng trình này có thể đƣợc mật mã bởi các hệ thống bảo vệ nội dung. Tùy vào chƣơng trình đƣợc chọn, STB của khách hàng sẽ chuyển tới luồng multicast tƣơng ứng sử dụng giao thức Internet Group Management Protocol (IGMP). Đầu vào của hệ thống Video Headend là các chƣơng trình truyền hình quảng bá, các kênh truyền hình mua bản quyền thu từ vệ tinh, các kênh truyền hình cáp, các phim từ các nguồn khác nhƣ tự sản xuất, từ các thiết bị VCD/DVD player, v.v..
83
Hình 3.6 Mô hình kiến trúc hệ thống cung cấp dịch vụ IPTV
Hệ thống Middleware: Cung cấp khả năng quản lý thuê bao, nội dung và báo cáo hoàn chỉnh cùng với các chức năng quản lý EPG và STB, đồng thời vẫn duy trìtính mở cho việc tích hợp các dịch vụ trong tƣơng lai. Middleware là một giao diện của hệ thống cung cấp dịch vụ IPTV với ngƣời sử dụng, nó xác định danh tính cho ngƣời dùng. Hiển thị một danh sách các dịch vụ mà thuê bao đó có thể sử dụng và trợ giúp lựa chọn dịch vụ này sau khi đa xác thực danh tính của ngƣời dùng. Middleware lƣu lại một profile cho tất cả các dịch vụ. Middleware đảm bảo các hoạt động bên trong của dịch vụ truyền hình một cách hoàn hảo. Middleware sẽ không giới hạn bất kỳ hoạt động riêng rẽ nào trong hệ thống, nhƣng sẽ giao tiếp trực tiếp với mỗi thành phần đƣợc hệ thống hỗ trợ. Middleware hỗ trợ API cho phép mở rộng các chức năng mới và truyền dữ liệu giữa các hệ thống.
Hệ thống phân phối nội dung: Bao gồm các cụm máy chủ VoD và các hệ thống quản lý VoD tƣơng ứng, cho phép lƣu trữ các nội dung đa đƣợc mã hóa và thiết lập các chính sách phân phối nội dung một cách mềm dẻo. Hệ thống này thƣờng đƣợc thiết lập phân tán, cho phép nhà khai thác mở rộng một cách kinh tế, phù hợp với tải và yêu cầu dịch vụ của các thuê bao. Máy chủ VoD sẽ lƣu nội dung thực và cung cấp cho thuê bao khi nó nhận đƣợc sự xác thực danh tính từ Middleware. Nó cho phép các thuê bao đặt và xem những bộ phim chất lƣợng cao và chƣơng trình theo yêu cầu (chƣơng trình này đƣợc lƣu trên máy dịch vụ và
84
truyền tải theo yêu cầu). Hệ thống này cũng cung cấp những chức năng điều khiển VCR nhƣ fast-forward, pause, và rewind tƣơng tự nhƣ xem qua đầu DVD.
Hệ thống quản lý bản quyền số (DRM): DRM giúp nhà khai thác bảo vệ nộidung của mình, nhƣ trộn các tín hiệu truyền hình hay mã hóanội dung VoD, khitruyền đi trên mạng Internet và tích hợp với tính năng an ninh tại STB ở phía thuê bao.DRM dùng để bảo mật nội dung các khóa giải mã của các thuê bao. Những nội dungđƣợc tải trên những máy chủ nội dung sẽ đƣợc mã hóa trƣớc bằng hệ thống DRM vànó cũng chỉ mã hóa nội dung broadcast để bảo mật sự phân bố đến Set-top Box (STB).Hệ thống có khả năng hỗ trợ chức năng mã hoá trong các Headend tƣơng ứng và cungcấp khoá mật mã cho các Headend này. Hệ thống DRM chứa khoá cho phần nội dungcủa một cơ sở dữ liệu khoá đồng thời bí mật phân phối cơ sở dữ liệu này tới STB. Hệthống DRM cũng sẽ hỗ trợ thêm vào phần nội dung các chức năng thủ thuật trong khixem (tua nhanh, tua lại, v.v...). Hệ thống DRM sẽ dựa trên các khái niệm của hệ thốngcơ sở hạ tầng khoá công cộng (Public Key Infrastructure, PKI). PKI dùng các thẻ kỹthuật số X.509 để xác nhận mỗi thành tố trong hệ thống DRM đồng thời để mã hoá an toàn dữ liệu có dùng các khoá chung/riêng.
Mạng truyền tải: Mạng truyền dẫn đống vai trò quan trọng nhất trong toàn bộ hệ thống cung cấp dịch vụ IPTV. Khả năng đáp ứng về băng thông của mạng truyền tải sẽ quyết định đến sự thành công cho dịch vụ IPTV cung cấp. Hạ tầng mạng IP băng rộng để truyền dịch vụ từ nhà cung cấp dịch vụ IPTV đến khách hàng. Mạng truy nhập sẽ tận dụng phần hạ tầng mạng xDSL có sẵn. Để cung cấp dịch vụ với chất lƣợng tốt và tiêu thụ ít băng thông khi có đồng thời nhiều truy nhập đến hệ thống, mạng truy nhập băng rộng (B-RAS/MSS và DSLAM) cần phải đƣợc hỗ trợ multicast. Đối với DSLAM, ngoài hỗ trợ multicast, DSLAM còn cần hỗ trợ IGMP version 2. Ngoài ra, B-RAS/MSS và DSLAM cũng cần hỗ trợ các giao tiếp Ethernet chuẩn (FE, GE). Mạng cũng phải có khả năng hỗ trợ QoS từ đầu cuối đến đầu cuối, đảm bảo đƣợc băng thông cần thiết và độ ƣu tiên cho các kênh truyền hình quảng bá cũng nhƣ các phiên Video theo yêu cầu đang sử dụng (phải đạt đƣợc độ mất gói và jitter tối thiểu). Băng thông xDSL do các DSLAM cung cấp đến khách hàng phải có khả năng lên đến 4-5 Mbps.
Hệ thống quản lý mạng và tính cƣớc: Hỗ trợ quản lí mạng và tính cƣớc cho dịch vụ IPTV của khách hàng.
Set-top Box (STB): Thiết bị đầu cuối phía khách hàng, cho phép thu, giải mãvà hiển thị nội dung trên màn hình TV. STB cần hỗ trợ các chuẩn MPEG- 4/H.264. Ngoài ra, STB cũng có thể hỗ trợ HDTV, có khả năng kết nối với các thiết bị lƣu trữ bên ngoài, video phone, truy nhập web (Walled garden), v.v... STB cung cấp các ứng dụng truyền thông và giải trí. STB sẽ hỗ trợ kết nối giữa thiết bị tivi và mạng điện thoại, cũng nhƣ Internet và thƣ viện ảnh ảo của nhà cung cấp dịch vụ. Nó có thể giải mã những chuỗi dữ liệu và hình ảnh đến dựa vào địa chỉ IP, đồng thời thể hiện các hình ảnh này trên TV. STB sẽ hỗ trợ chuẩn H.264/MPEG-4 Part 10 và phần mềm client Middleware của nó sẽ đƣợc dựa trên một cấu trúc thick client, điều đó có nghĩa là ứng dụng và dữ liệu thể hiện sẽ lƣu trên STB. Đi kèm theo Bộ giải
85
mã là một thiết bị cầm tay remote control. Remote không chỉ thực hiện các chức năng điều khiển từ xa nhƣ thông thƣờng mà còn tích hợp các tính năng tƣơng tác chuyên biệt nhƣ: Xem lịch chƣơng trình truyền hình, đặt lịch xem theo sở thích, tạo album riêng, gửi tin nhắn (trò chuyện), voting (bình bầu), … Với thiết bị này chắc chắn khách hàng sẽ không còn cảm giác “thụ động” mỗi khi ngồi trƣớc màn hình TV.