d) Các dịch vụ tại nhà: Ngân hàng, giáo dục, game
3.1.2Lớp giao thức DOCSIS MAC
CMTS cấp phát các khe mini đến CM cho đường lên
Kết hợp động giữa tranh chấp và hạn chế trên cơ sở các cơ hội phát đường lên .
Sử dụng hiệu quả băng tần thông qua việc hỗ trợ các gói độ dài thay đổi Mở rộng cung cấp bảo an tại lớp liên kết dữ liệu .
Hỗ trợ một dải rộng các loại tốc độ dữ liệu Mở rộng hỗ trợ cho các gói ATM PDU
Cấu trúc khung MAC:
Khung MAC là các gói có độ dài thay đổi, là đơn vị cơ bản để trao đổi dữ liệu tại lớp liên kết dữ liệu giữa CM và CMTS trong mạng HFC.
- Phần đầu khung MAC có thể là :
+ PMD header: Dùng cho truyền dẫn đường lên
+ MPEG TC header: Dùng cho truyền dẫn đường xuống.
- Phần khung MAC gồm : + MAC header.
+Gói PDU: độ dài thay đổi tùy chọn.
PMD header MAC header Dữ liệu PDU (tùy chọn) Khung MAC MPEG TC header
Hình 3-3: Cấu trúc khung MAC theo
Có 4 loại gói PDU được hỗ trợ: A. Các gói có độ dài thay đổi (18-1518 byte ). Các gói ATM (nx53 byte ).
MAC header đặc biệt (Không chứa PDU nào). PDU dự phòng sử dụng cho tương lai.
b ) Các đặc điểm cơ bản của DOCSIS MAC
+ Dữ liệu người dùng và các yêu cầu đòi quyền phát dữ liệu được gửi trong các khe thời gian.
+ Các gói có độ dài thay đổi có thể được gửi bằng cách nhận nhiều khe thời gian cho một yêu cầu.
+ Dùng mã CRC phát hiện các gói lỗi nhưng không sửa lỗi tại lớp MAC .
+ Các yêu cầu phát chứa trong các gói đặc biệt hoặc trong các gói dữ liệu người dùng, bằng cách này giảm nhu cầu đối với các gói đặc biệt và giảm băng tần sử dụng.
+ Các token phải đảm bảo rằng CMTS phải cung cấp quyền truy nhập cho thuê bao đủ nhanh để giữ cho băng tần được dùng hiệu suất cao. Nếu quá chậm, modem thuê bao sẽ dừng truyền, kết quả là đường lên được dùng không đúng mức.
+ Khi các thuê bao xung đột, họ không tự nhận biết được trừ khi được headend thông báo. Khi được thông báo, CM thực hiện thoát (backoff) và thử vào lại.
+ MAC có một số chức năng quản lý sau:
- Điều khiển công suất: Headend liên tục giám sát mức công suất của mỗi CM và ra lệnh cho chúng tăng hoặc giảm mức phát khi cần thiết.
- Thay đổi các kênh đường lên: Nếu xuất hiện mức nhiễu băng hẹp cao trong đường lên, headend sẽ ra lệnh các CM đang dùng đường lên kém chất lượng đó để chuyển sang tần số khác. Thông tin này được gửi trong mô tả kênh đường lên
- Thay đổi các thông số đường lên: Nếu đường lên hoạt động tốt, headend có thể tăng sử dụng đường lên ( ví dụ ra lệnh cho CM tăng tốc độ ký hiệu).
c ) Một số hoạt động tiêu biểu của lớp MAC: Tìm kiếm kênh:
Khi mới khởi động, CM sẽ quét tìm kênh đường xuống, đồng bộ tín hiệu QAM, đồng bộ khung MPEG 2 với PID phổ biến của DOCSIS, giải mã các khung MPEG 2, tháo bỏ khuôn
dạng MPEG trả về dạng khung MAC đưa đến lớp MAC xử lý tiếp.
Hình 3-4 Tìm kiếm kênh đồng bộ
Nhận các tham số đường lên: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
CM tìm kiếm theo thứ tự ba bản tin MAC được gửi lặp đi lặp lại bởi CMTS trên tất cả các kênh đường xuống DOCSIS như mô tả ở bảng 3.2 :
Thứ tự Mô tả
1
Hình 3-5 Bản tin đồng bộ
Bản tin đồng bộ hoá thời gian Được gửi từ CMTS
Cung cấp một tham chiếu thời gian chung cho tất cả các CM
2
Hình 3-6 Bản tin UCD
Bản tin mô tả kênh
Được phát định kì bởi CMTS Mô tả :
+ Cỡ khe mini + ID kênh đường lên + ID kênh đường xuống
+ Mô tả cụm( Burst descriptors)
3 Hình 3-7 Bản tin MAP
Bản tin sơ đồ cấp phát băng tần đường lên mà UCD mô tả
Được phát định kì bởi CMTS
Chứa các thông tin chỉ thị điểm bắt đầu và điểm kết thúc của cơ hội kết nối Bảng 3.2 Quá trình nhận các tham số đường lên
Điều chỉnh phạm vi:
Quá trình này gồm có ba công đoạn xử lý mà CM phải tuân theo: + Điều chỉnh tham chiếu thời gian.
+ Điều chỉnh tần số phát. + Điều chỉnh công suất phát.
Vì mỗi CM có một khoảng cách khác nhau đến CMTS nên mỗi CM sẽ có sự
thiết lập cho các tham số trên là khác nhau.
Hình 3-8 Quá trình điều chỉnh phạm vi Bắt đầu quá trình điều chỉnh phạm vi, CM phát bản tin yêu cầu điều chỉnh phạm vi đến CMTS trong khoảng “ cơ hội duy trì khởi tạo”( được mô tả bởi bản tin MAP) trên một kênh đường lên. Khi nhận được bản tin này CMTS gửi một bản tin đáp ứng yêu cầu đến CM đó.
Để soạn thảo bản tin đáp ứng, CMTS phải quan tâm đến các thông tin sau: Độ dịch thời giữa thời điểm nhận và thời điểm bắt đầu phát, tần số truyền dẫn chính xác, mức độ công suất đầu vào. Dựa vào những thông tin này CMTS sẽ quyết định các giá trị tham số cần điều chỉnh và gửi trả về cho CM.
Khi nhận được, CM sẽ dựa vào đó điều chỉnh theo, rồi phát bản tin yêu cầu điều chỉnh thứ hai đến CMTS với các tham số đã tự điều chỉnh. CMTS lại phát bản tin đáp ứng có các thông số đã sửa ban đầu. Quá trình này lặp lại cho đến khi CMTS thấy hài lòng với kết quả tự điều chỉnh của CM ( tức là sai số trong khoảng 1µs với thời gian đồng bộ, 10 Hz với tần số phát và 1/4 dB với công suất phát).
Nếu CM không nhận được bản tin đáp ứng từ CMTS trong một khoảng thời gian giới hạn thì nó sẽ tăng công suất phát và chờ đợi sau một số ngẫu nhiên lần cơ hội phát để phát bản tin yêu cầu điều chỉnh phạm vi khác.
Có thể có hai nguyên nhân dẫn đến việc CM không nhận được bản tin đáp ứng : Một là do cơ hôi phát này là khả dụng đối với bất kì một CM nào muốn phát do đó các bản tin này có thể bị mất do va chạm. Hai là do CM phát ở mức độ công suất quá thấp để CMTS có thể phát hiện được.
Quá trình điều chỉnh phạm vi này không chỉ diễn ra trong giai đoạn khởi động ban đầu của CM mà nó được lặp lại theo một khoảng thời gian nhất định để đảm bảo duy trì độ tin cậy truyền thông giữa các CM và CMTS
Thiết lập kết nối IP:
Quá trình n y có th à ể được tóm t t theo b ng 3.3 sau.ắ ả
Hình 3-9 Yêu cầu kết nối IP (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ CM gửi yêu cầu DHCP quảng bá qua Headend đến DHCP server .
+DHCP server trả lời : - Địa chỉ IP được “ mượn” - Tên file cấu hình modem cáp - Địa chỉ IP của TFTP server
- Dịch thời UTC thiết lập thời gian nội bộ. - Địa chỉ IP của ToD server
Hình 3-10 Yêu cầu và đáp ứng ToD
+ CM gửi yêu cầu đến ToD server + ToD server đáp ứng GMT
Hình 3-11 Truyền tham số hoạt động
+ CM sử dụng giao thức TFTP tải về file cấu hình từ TFTP server .
+ File cấu hình chứa:
- Độ lớn băng tần được sử dụng
- Tần số đường xuống và ID kênh đường lên. - Thiết lập cấu hình truy nhập mạng
- Khả năng của CM
- Những dịch vụ được cung cấp Bảng 3.3 Quá trình thiết lập kết nối IP
Đăng kí
Quá trình này có thể được tóm tắt như sau: + CM gửi một bản tin yêu cầu đăng kí
đến CMTS xác nhận file cấu hình vừa nhận
+ CMTS kiểm tra địa chỉ MAC của CM và chữ kí cấp phép trên các tham số.
+ cung cấp băng tần cho các loại dịch vụ CM yêu cầu
+ Gán SID
+ Gửi bản tin đáp ứng REG-RSP đến CM
Hình 3-13 Bản tin đáp ứng REG-RSP
3.1.3 Mã khoá liên kết số liệu
Khi CM đã được đăng kí và bắt đầu gửi số liệu thực sự của người sử dụng thì DOCSIS sẽ cung cấp chức năng BPI để mã khoá liên kết số liệu( luồng lưu lượng giữa CM và CMTS).
BPI cho phép bảo vệ cơ bản dịch vụ bằng cách: đảm bảo rằng một modem cáp ( có một địa chỉ MAC 48 bit duy nhất)chỉ có thể lấy các tài liệu khoá của các dịch vụ mà nó được phép truy nhập.
Vì BPI chỉ cung cấp một sự bảo mật đơn giản mà không cung cấp sự kiểm tra quyền của cả CM và CMTS nên giao thức phân bố khoá sẽ không có cơ chế kiểm tra quyền như là mật khẩu hay chữ kí số( digital signature). Vì thế, nó không thể chống lại sự thâm nhập của một modem giả quyền truy nhập.
BPI sử dụng chế độ mã khoá CBC (Cipher Block Chaining) của thuật toán tiêu chuẩn mã khoá số liệu (DES- Data Encryption Standard) để mã khoá số liệu ở các khung đường lên và đường xuống. Giao thức quản lý khoá sử dụng thuật toán mã khoá khoá công cộng RSA và chế độ ECB( Electronic Codebook) của DES để bảo vệ sự thay đổi khoá giữa CM và CMTS. Các CM phải được cài đặt sẵn cặp khoá RSA riêng và công cộng. Số lần thay đổi các khoá bí mật công cộng được quyết định bởi nhà vận hành. Những khoá này có thể được thiết lập cho một khoảng thời gian dài từ nhiều tháng đến hàng tuần hoặc có thể thường xuyên hơn là cách 30 giây một lần.
3.1.4 Kĩ thuật nén ảnh động MPEG
* Giới thiệu chung về MPEG:
MPEG là một tiêu chuẩn nén audio và video số được phát triển bởi nhóm MPEG ( Moving Picture Expert Group) theo tổ chức quốc tế ISO. Công nghệ MPEG bao gồm các phát minh khác nhau từ nhiều công ty và các cá nhân riêng lẻ trên toàn thế giới.
Một số chuẩn nén MPEG được biết đến là MPEG 1, MPEG 2, MPEG 3, MPEG 4, MPEG 7,...và một số chuẩn liên quan như chuẩn nén ảnh tĩnh JPEG, chuẩn nén ảnh nhị phân fax như JBIG, ngoài ra có một số chuẩn khác như là chuẩn ITU.H.261( 1993) và H263 (1995).
+ MPEG 1 là tiêu chuẩn nén một ảnh động kích thước 320x 240 có tốc độ bit từ 1 đến 1.5 Mb/s , được áp dụng cho ghi hình trên băng từ, đĩa CD và truyền dẫn trong mạng máy tính. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ MPEG 2 được sử dụng cho các ứng dụng cao hơn với tốc độ 10 Mb/s để truyền tín hiệu truyền hình số thông thường. Chuẩn này cũng cho phép mã hoá video với hàng loạt các ứng dụng đòi hỏi có thể phân tích ảnh theo các cách khác nhau. Chuẩn MPEG 3 nén tín hiệu số lên đến 50 Mb/s cho phép dùng để truyền tín hiệu truyền hình có độ phân giải cao. Năm 1992, hai chuẩn MPEG 2 và MPEG 3 được kết hợp chung lại với tên là MPEG 2.
+ MPEG 4 được hoàn thiện vào tháng 10/1998 nhằm mục đích phát triển các tiêu chuẩn mã hoá mới với tốc độ bit rất thấp, dành cho nén hình ảnh với ít khung hình và yêu cầu làm tươi chậm , tốc độ dữ liệu yêu cầu là 9 – 40 Kb/s .
+ MPEG-7: Chuẩn này được đề nghị vào tháng 10-1998 và kế hoạch trở thành chuẩn quốc tế. MPEG-7 sẽ là chuẩn mô tả thông tin của rất nhiều loại đa phương tiện. Mô tả này sẽ kết hợp với chính nội dung của nó cho phép khả năng tìm kiếm nhanh và hiệu quả theo yêu cầu người dùng. MPEG 7 được gọi chính thức là: “Giao thức mô tả nội dung đa phương tiện”.
* Phương pháp nén MPEG:
Tiêu chuẩn MPEG là sự kết hợp giữa nén trong ảnh và nén liên ảnh. Tức là phương pháp nén có tổn hao dựa trên biến đổi DCT và bù chuyển động. Công đoạn đầu tiên của hầu hết các quá trình nén là xác định lượng thông tin dư thừa trong miền không gian một mành hoặc một ảnh tín hiệu Video. Nén trong miền không gian được thực hiện bởi phép biến đổi cosin rời rạc-DCT( biến đổi dữ liệu dạng biên độ thành dạng tần số). Mục đích của quá trình biến đổi là tách liên kết pixel của từng ảnh con, hoặc gói năng lượng của ảnh con vào một phần nhỏ các hệ số hàm truyền. Việc mã hóa và truyền chỉ thực hiện đối với các hệ số năng lượng này và có thể cho kết quả tốt khi tái tạo lại tín hiệu Video có chất lượng cao. Các phép tính DCT được thực hiện trong phạm vi các khối 8x8 mẫu tín hiệu chói Y và các khối tương ứng của tín hiệu màu.
Một chuỗi Video là một chuỗi các hình ảnh tĩnh hiện ra với tốc độ nhanh cho cảm giác chuyển động liên tục. Mặc dù mỗi khung có sự khác nhau, nhưng cần phải có tốc độ khung cao để đạt được cảm giác chuyển động thực sự. Từ đó tạo ra nhiều độ dư thừa tạm thời giữa các khung kề nhau. Sự bù chuyển động chính là để loại bỏ phần dư thừa tạm thời này .
Khi các khung ảnh thay đổi từ khung này tới khung khác, do chuyển động của đối tượng mà cường độ sáng sẽ thay đổi nhiều. Trong mã bù chuyển động, khung hiện hành được dự báo từ khung trước bằng cách xấp xỉ chuyển động giữa hai khung và bù chuyển động đó. Sự khác nhau giữa khung hiện hành và dự báo của khung đó gọi là
phần dư thừa của bù chuyển động và phần dư này sẽ được mã hóa.
3.1.5 Kĩ thuật điều chế trong truyền hình cáp
Chức năng của việc điều chế M-QAM là chuyển đổi luồng bit băng gốc thành các điểm QAM trong băng tần sẵn có tại tần số trung tần IF.
Các thông số truyền dẫn đối với các phương thức điều chế 64/256-QAM dựa trên giao thức DOCSIS 1.1 và chuẩn J.83B ITU-T cho các hệ thống có độ rộng kênh 6 MHz và các thông số tương đương theo chuẩn J.83A ITU-T đối với kênh độ rộng 8 MHz ( Châu Âu) được tóm tắt trong bảng 3.4:
Thông số DOCSIS 1.1, ITU-T J.83B ITU-T J.83A
256-QAM 64-QAM 256-QAM 64-QAM
Băng thông kênh 6 MHz 6 MHz 8 MHz 8 MHz Tốc độ ký hiệu tổng 5,360 MBaud/s 5,056 MBaud/s 6,952 MBaud/s 6,952 MBaud/s Tốc độ bit kênh 42,884 Mb/s 30,341 Mb/s 55,616 Mb/s 41,712 Mb/s Tốc độ thông tin (gồm byte đồng bộ MPEG) 38,810 Mb/s 26,970 Mb/s 50,981 Mb/s 38,236 Mb/s Số bit/ký hiệu 8 bit 6 bit 8 bit 6 bit
Mã hóa TCM Tỷ lệ 19/20 Tỷ lệ 14/15 Mào đầu đồng bộ FEC
(Từ mã đồng bộ SYNC 42 bit) 78888/788 53802/53760 188/187 188/187 Tần số trung tần trung tâm IF 44 hoặc 43,75 MHz 44 hoặc 43,75 MHz 36,125 MHz 36,125 MHz
Bảng 3.4 : Các thông số truyền dẫn đường xuống đối với phương thức điều chế 64/256-QAM theo chuẩn J.83B ITU-T và chuẩn J.83A ITU-T
3.1.6 Kĩ thuật xử lý lỗi
Kĩ thuật sửa lỗi chia thành bốn lớp với các thuật toán sửa lỗi khác nhau như hình 3-14 mô tả:
* Lớp mã hoá Reed-Solomon(R-S):
lớp này thực hiện mã hoá, giải mã khối sửa tối đa 3 lỗi trong một khối R-S. Mã hoá R-S là dạng mã vòng đặc biệt có khả năng sửa lỗi ngẫu nhiên mạnh. Khác với bộ mã hoá cơ hai ở chỗ nó tác động lên nhiều bit chứ không phải các bit riêng lẻ.
Chẳng hạn, bộ mã hóa cho một mã R-S (n,k) trên cơ sở các ký hiệu m bit, Bộ mã hoá này nhóm các luồng số liệu cơ số hai thành các khối, mỗi khối có độ dài = k.m (bít). Mỗi khối được xử lý như k ký hiệu. Thuật toán mã hóa mở rộng k ký hiệu thành n ký hiệu bằng cách cộng n-k ký hiệu dư. Như vậy một từ mã chứa (n.m) bít.( Khi m là một số mũ nguyên của 2, các ký hiệu m bít trên gọi là các byte. Giá trị phổ biến của m là 8, tất nhiên các mã R-S 8 bit là các mã rất mạnh ).
Một mã R-S hiệu chỉnh t lỗi có các thông số sau :
Độ dài khối : n = 2m-1 các ký hiệu Kích thước bản tin : k ký hiệu