Tài liệu Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng dịch vụ iptv vod trên hạ tầng mạng truyền hình cáp hfc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM NGỌC HƯNG NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ IPTV/VOD TRÊN HẠ TẦNG MẠNG TRUYỀN HÌNH CÁP HFC LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ PHẠM NGỌC HƯNG NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ IPTV/VOD TRÊN HẠ TẦNG MẠNG TRUYỀN HÌNH CÁP HFC Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính Mã số: 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Lê Nhật Thăng Hà Nội - 2011 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................... DANH MỤC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ............................................................ MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1................................................................................................................. 3 TỔNG QUAN VỀ IPTV, CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG IPTV .................. 3 1.1. Giới thiệu IPTV ................................................................................................. 3 1.1.1 Khái niệm IPTV ........................................................................................... 3 1.1.2 Đặc trƣng của IPTV ..................................................................................... 3 1.1.3 Sự khác biệt giữa IPTV và truyền hình Internet ........................................... 4 1.1.4 Ƣu điểm của IP và sự lựa chọn IP cho IPTV ................................................ 5 1.1.5 Sơ đồ, cấu trúc hạ tầng IPTV ....................................................................... 6 1.1.5.1 Sơ đồ mạng IPTV ................................................................................. 6 1.1.5.2 Cấu trúc chức năng dịch vụ IPTV .......................................................... 7 1.1.6 Các dịch vụ IPTV ........................................................................................ 9 1.1.6.1 Các dịch vụ video IPTV ...................................................................... 10 1.1.6.2 Các dịch vụ IPTV audio ...................................................................... 11 1.1.6.3 Các dịch vụ IPTV gaming ................................................................... 12 1.1.6.4 Các dịch vụ thông tin tích hợp ............................................................. 12 1.1.6.5 Các dịch vụ quảng cáo ......................................................................... 13 1.2 Các công nghệ phân phối mạng IPTV .............................................................. 14 1.2.1 Phân phối IPTV trên mạng truy cập cáp quang .......................................... 14 1.2.2 Phân phối IPTV trên mạng DSL ................................................................ 14 1.2.2.1 ADSL .................................................................................................. 15 1.2.2.2 ADSL2 ................................................................................................ 16 1.2.2.3 VDSL .................................................................................................. 16 1.2.3 Phân phối IPTV trên mạng Internet ............................................................ 18 1.2.3.1 Các kênh truyền hình Internet streaming.............................................. 19 1.2.3.2 Download Internet ............................................................................... 20 1.2.3.3 Chia sẻ video ngang hàng .................................................................... 21 1.2.4 Phân phối IPTV trên mạng truyền hình cáp ................................................ 21 1.2.4.1 Tổng quan về kỹ thuật HFC ................................................................. 21 1.2.4.2 IPTV phân phối trên mạng truyền hình cáp ......................................... 22 1.3 Chuẩn nén dữ liệu sử dụng trong IPTV ............................................................ 24 1.3.1 Tổng quan nén MPEG ............................................................................... 24 1.3.2 ITU-T H.264/AVC .................................................................................... 25 1.3.2.1 Giới thiệu ............................................................................................ 25 1.3.2.2 Phạm vi ứng dụng và các điểm tiêu biểu của H.264/AVC.................... 26 1.3.2.3 Ƣu điểm của H.264/AVC .................................................................... 28 1.4 Một số giao thức sử dụng trong mạng IPTV ..................................................... 29 1.4.1 Truyền dẫn Multicast ................................................................................. 29 1.4.2 Truyền dẫn Unicast .................................................................................... 30 1.4.3 Các giao thức khác ..................................................................................... 30 1.5 Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................ 31 CHƢƠNG 2............................................................................................................... 32 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ IPTV .......................................................... 32 2.1 Giới thiệu chung về chất lƣợng dịch vụ IPTV ................................................... 32 2.1.1 Khái niệm QoS, QoE ................................................................................. 32 2.1.1.1 Khái niệm QoS .................................................................................... 32 2.1.1.2 Khái niệm QoE .................................................................................... 32 2.1.2 Quan hệ giữa QoS và QoE ........................................................................ 33 2.1.3 Sự cần thiết của QoS, QoE trong mạng IPTV............................................. 36 2.1.4 Các yêu cầu đối với chất lƣợng của các dịch vụ IPTV ................................ 37 2.2 Các tham số đánh giá chất lƣợng dịch vụ QoS và chất lƣợng trải nghiệm QoE . 37 2.2.1 Tham số đánh giá chất lƣợng dịch vụ QoS ................................................ 37 ................................... 37 2.2.1.2 Băng thông – Bandwidth ..................................................................... 38 2.2.1.3 Độ trễ - Delay ...................................................................................... 39 2.2.1.4 Độ biến thiên trễ - Delay variation/Jitter .............................................. 39 2.2.1.5 Mất gói – Packet loss ........................................................................... 40 2.2.1.6 Nghẽn trên server ................................................................................ 40 2.2.1.7 Mạng lõi, mạng truy nhập và mạng tại thuê bao .................................. 41 2.2.2 Tham số đánh giá chất lƣợng dịch vụ QoE ................................................ 41 2.3 Các tiêu chuẩn áp dụng cho chất lƣợng dịch vụ IPTV ...................................... 43 2.3.1 Tiêu chí chất lƣợng tín hiệu video/audio .................................................... 43 2.3.2 Tiêu chí về truyền dẫn ................................................................................ 44 2.3.3 Tiêu chí thời gian tƣơng tác ....................................................................... 45 2.3.4 Tiêu chí đồng bộ giữa tín hiệu hình và tiếng .............................................. 45 2.3.5 Các tiêu chí chất lƣợng phục vụ ................................................................. 46 2.3.5.1 Độ khả dụng của dịch vụ ..................................................................... 46 2.3.5.2 Thời gian thiết lập dịch vụ ................................................................... 46 2.3.5.3 Thời gian khắc phục dịch vụ ................................................................ 47 2.4 Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................ 47 CHƢƠNG 3............................................................................................................... 48 CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ IPTV/VOD TRÊN MẠNG TRUYỀN HÌNH CÁP HFC VCTV ............................................................... 48 3.1 Giới thiệu mạng Truyền hình Cáp VCTV ......................................................... 48 3.1.1 Giới thiệu chung về VCTV ........................................................................ 48 3.1.1.1 Lịch sử và các dịch vụ của VCTV ....................................................... 48 3.1.1.2 Cơ cấu tổ chức..................................................................................... 50 3.1.2 Phân tích hiện trạng mạng VCTV .............................................................. 50 3.1.2.1 Tổng quan về hệ thống mạng truyền hình cáp VCTV .......................... 51 3.1.2.2 Thực trạng hệ thống truyền hình cáp VCTV ........................................ 55 3.2 Case Study: Triển khai hệ thống IPTV trên mạng Cáp VCTV .......................... 57 3.2.1 Sơ đồ, cấu trúc hệ thống ............................................................................. 57 3.2.2 Kết quả đo các tham số chính ..................................................................... 58 3.2.3 Nhận xét, đánh giá chất lƣợng dịch vụ ....................................................... 64 3.3 Một số giải pháp nâng cao chất lƣợng dịch vụ IPTV/VOD trên mạng truyền hình cáp HFC của VCTV ............................................................................................... 65 3.3.1 Nâng cao hiệu năng quản lý, theo dõi, giám sát hệ thống ........................... 65 3.3.1.1 Các biện pháp đảm bảo QoS IPTV ở Head-end ................................... 65 3.3.1.2 Các biện pháp đảm bảo QoS ở mạng quản lý ....................................... 66 3.3.1.3 Các biện pháp đảm bảo QoS ở Home network ..................................... 66 3.3.1.4 Các biện pháp đảm bảo QoS ở mạng truyền dẫn .................................. 66 3.3.2 Tối ƣu thiết kế mạng đáp ứng chất lƣợng dịch vụ IPTV ............................. 70 3.3.2.1 Thiết kế hiện tại của hệ thống mạng cáp tại Hà Nội ............................. 70 3.3.2.2 Sự cần thiết phải đầu tƣ cải tạo, nâng cấp mạng cáp quang .................. 71 3.3.2.3 Phân tích lựa chọn phƣơng án kỹ thuật và công nghệ .......................... 71 3.3.3 Triển khai DOCSIS 3.0 .............................................................................. 74 3.3.3.1 Giới thiệu tổng quan về DOCSIS......................................................... 74 3.3.3.2 DOCSIS 3.0 ........................................................................................ 79 3.3.3.3 Triển khai DOCSIS 3.0 ....................................................................... 82 3.4 Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................ 86 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 87 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH ...................................................... 88 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt ADSL AON AQM ATM BPON CATV CMTS CPU CWDM DHCP DF DOCSIS DRM DSL DSLAM DWDM EPON EQAM ETSI FEC FTP FTTC FTTH FTTN GPON HD HDTV HFC HUB Nghĩa Tiếng Anh Asymmetric Digital Subscriber Line Active Optical Network Active Queue Management Asynchronnuos Transfer Mode Broadband Passive Optical Network Collective Antenna Television/ Community Antenna Television Cable Modem Termination System Central Processing Unit Coarse Wavelength Division Multiplexing Dynamic Host Configuration Protocol Delay Factor Data Over Cable Service Interface Specification Nghĩa Tiếng Việt Đƣờng dây thuê bao số bất đối xứng Mạng quang tích cực Quản lý hàng đợi tích cực Mode truyền dẫn bất đồng bộ Mạng quang thụ động băng rộng Truyền hình cáp hữu tuyến Hệ thống kết cuối modem cáp Đơn vị xử lý trung tâm Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng mật độ thấp Giao thức cấu hình địa chỉ Host động Độ trễ Chuẩn viễn thông quốc tế cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao trên mạng CATV Quản lý quyền nội dung số Đƣờng dây thuê bao số Bộ ghép kênh truy cập đƣờng dây thuê bao số Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng mật độ cao Mạng quang thụ động Ethernet Digital Rights Management Digital Subscriber Line Digital Subscriber Line Access Multiplexer Dense Wavelength Division Multiplexing Ethernet PON Edge quadrature amplitude modulation European Telecommunications Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Standard Institute Âu Forward Error Correcting Mã sửa sai File Transfer Protocol Giao thức vận chuyển file Fiber To The Curd Cáp quang tới lề đƣờng Fiber To The Home Cáp quang tới hộ gia đình Fiber To The Neighbourhood Cáp quang tới vùng lân cận Gigabit PON Mạng quang thụ động Gigabit High Definition Định dạng chất lƣợng cao High Definition Television Truyền hình chất lƣợng cao Hybrid Fiber Coaxial Hỗn hợp cáp quang/đồng trục Một đơn vị đƣợc chia của mạng CATV với đầy đủ thiết bị giống nhƣ mô hình tổng thể. IP IPTV IPTVCD IRD ISP ITU-T Internet Protocol Giao thức Internet Internet Protocol Television Truyền hình giao thức Internet IPTV Cunsumer Device Thiết bị khách hàng IPTV Integrated Receiver Decoder Bộ giải mã đầu thu tích hợp Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet International Tổ chức viễn thông quốc tế về các Telecommunications Union – tiêu chuẩn viễn thông Telecommunication LSR Label Switch Router Chuyển mạch nhãn MDI Media Delivery Index Tham số truyền dữ liệu media Middleware Các phần mềm chức năng hoặc dịch vụ liên kết các thành phần đặc biệt (ví dụ nhƣ server các ứng dụng, VoD server và STB) và các thành phần ứng dụng (ví dụ nhƣ giám sát truy cập có điều kiện, hệ thống tính cƣớc và các dịch vụ tƣơng tác, ...) MIB Base Information Management Cơ sở thông tin quản lý MLR Media Loss Rate Tỷ lệ mất nội dung MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm chuyên gia về ảnh động MPLS Multi-Protocol Label Switching Chuyển mạch nhãn đa giao thức NTSC National Television System Ủy ban hệ thống truyền hình quốc Committee gia (Mỹ) OC Optical Carrier Sóng mang quang OSS Operational Support System Hệ thống hỗ trợ hoạt động OSI Open Systems Interconnection Liên kết hệ thống mở PON Passive Optical Network Mạng quang thụ động PSTN Public Switched Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch Network công cộng PSNR Peak Signal to Noise Ratio Tỷ lệ giữa tín hiệu và nhiễu QAM Quadrature amplitude Điều chế biên độ trực giao modulation QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ QoE Quality of Experience Chất lƣợng trải nghiệm RED Random Early Detection Kỹ thuật loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực RTSP Real Time Streaming Protocol Giao thức streaming thời gian thực SD Standard Definition Định dạng chất lƣợng chuẩn SDV Switched Digital Video Chuyển mạch video số SLA Service Level Agreement Hợp đồng thống nhất mức dịch vụ SNMP Simple Network Management Giao thức quản lý mạng đơn giản Protocol SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ STB Set Top Box Bộ giải mã Streaming Phƣơng thức để phân phối video hoặc nội dung khác trên mạng trong các luồng nối tiếp nhau theo một tỷ lệ phù hợp với tốc độ dữ liệu đƣợc sử dụng bởi thiết bị hiển thị. TCP/IP VCTV VoD VTV WDM WRED Transmission Control Protocol / Internet Protocol Viet Nam Cable Television Video on Demand Viet Nam Television Wavelength Division Multiplexing Weight Random Early Detection Giao thức điều khiển vận chuyển trên nền IP Truyền hình cáp Việt Nam Video theo yêu cầu Đài Truyền hình Việt Nam Ghép kênh phân chia theo bƣớc sóng Kỹ thuật loại bỏ gói sớm ngẫu nhiên theo trọng số DANH MỤC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ DANH MỤC HÌNH VẼ Danh mục hình vẽ Trang Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống IPTV 6 Hình 1.2 Các thành phần của cấu trúc chức năng hệ thống IPTV 7 Hình 1.3 Cấu trúc mạng các kênh truyền hình Internet 19 Hình 1.4 Mạng HFC end-to-end 22 Hình 1.5 Mô hình triển khai cấu trúc mạng IPTV cáp kết hợp IP và RF 24 Hình 1.6 Minh hoạ cho truyền dẫn Multicast 29 Hình 1.7 Minh hoạ cho truyền dẫn Unicast 30 Hình 2.1 Đánh giá theo hệ thị giác chủ quan của ngƣời dùng 34 Hình 2.2 Mạng trƣớc và sau hội tụ 36 2.3 Ảnh hƣởng của tỉ lệ mất gói đối với tỉ lệ lỗi/mất khung MPEG 40 Hình 2.4 Mô hình MPQM 43 Hình 2.5 Mô hình V-factor 43 Hình 3.1 Hiện tƣợng bóng mờ trên TV analog Broadcast 51 Hình 3.2 Nguyên nhân xảy ra hiện tƣợng bóng mờ 51 Hình 3.3 Sơ đồ tổng quan mạng truyền hình cáp HFC VCTV 52 Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống Master Head End VCTV 53 Hình 3.5 Băng tần theo chuẩn quốc tế 55 Hình 3.6 Băng tần hiện tại của VCTV 55 Hình 3.7 Phổ tần mạng cáp VCTV đo bằng máy phân tích phổ Techtronix 56 2714 Hình 3.8 Phổ tần kênh VTV3 56 Hình 3.9 Sơ đồ hệ thống IPTV triển khai tại VCTV 57 Hình 3.10 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của delay trong 24 giờ 59 Hình 3.11 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của băng thông trong 24 giờ 59 Hình 3.12 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của packet lost trong 24 giờ 59 Hình 3.13 Ảnh hƣởng giữa số client và băng thông (down) dịch vụ VoD 61 của đƣờng truyền Hình 3.14 Ảnh hƣởng giữa số client và RAM (server) 61 Hình 3.15 Giao diện quản lý thiết bị của SNMP 62 Hình 3.16 Giao diện quan sát các thông số của CMTS 62 Hình 3.17 Giao diện quan sát các thông số của server (1) 63 Hình 3.18 Giao diện quan sát các thông số của server (2) 63 Hình 3.19 Các thành phần của IPTV 65 Hình 3.20 Băng thông của mạng truyền dẫn 67 Hình 3.21 Các loại trễ 68 Hình 3.22 Mất gói do tràn bộ đệm hàng đợi 68 Hình 3.23 Dải bƣớc sóng sử dụng cho viễn thông (1) 72 Hình 3.24 Dải bƣớc sóng sử dụng cho viễn thông (2) 72 Hình 3.25 Sơ đồ tổng quát đƣợc triển khai nâng cấp mạng 74 Hình 3.26 Kiến trúc DOCSIS 78 Hình 3.27 Cấp phát tần số động với DOCSIS 2.0 80 Hình 3.28 Cấp phát tần số động với DOCSIS 3 .0 80 Hình 3.29 Hệ thống vẫn tiếp tục hoạt động bình thƣờng nếu một thiết bị hỏng Hình 3.30 Tự động phát hiện và cô lập nhiễu hệ thống Hình 3.31 DOCSIS 3.0 Channel Bonding Hình 3.32 Cấu trúc Modular CMTS Hình 3.33 Cấu trúc logic của Modular CMTS Hình 3.34 Kiến trúc Modular CMTS DANH MỤC BẢNG BIỂU Danh mục bảng biểu Bảng 1.1 Các dịch vụ IPTV Bảng 1.2 So sánh các công nghệ DSL Bảng 2.1 So sánh QoS và QoE Bảng 2.2 Kiểu lƣu lƣợng và các vấn đề khi không thực thi QoS Bảng 2.3 Các chỉ tiêu truyền dẫn đối với dịch vụ SDTV, VoD mã MPEG-2 Bảng 2.4 Các chỉ tiêu truyền dẫn đối với dịch vụ SDTV, VoD mã MPEG4 AVC hay VC-1 Bảng 2.5 Các chỉ tiêu truyền dẫn đối với dịch vụ HDTV mã MPEG-2 Bảng 2.6 Các chỉ tiêu truyền dẫn đối với dịch vụ HDTV mã MPEG-4 AVC hay VC-1 Bảng 2.7 Chỉ tiêu thời gian tƣơng tác Bảng 2.8 Chỉ tiêu đồng bộ giữa tín hiệu hình và tiếng Bảng 3.1 Kết quả đo lƣờng tham số tại server Bảng 3.2 Bảng thống kê khách hàng trên các node thuộc vòng 1 Bảng 3.3 So sánh lƣu lƣợng các chuẩn DOCSIS Bảng 3.4 So sánh tốc độ truyền các chuẩn DOCSIS 81 81 82 83 83 84 Trang 9 18 35 37 44 44 44 45 45 45 60 70 77 79 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Hiện nay sự phát triển của các dịch vụ truyền hình vệ tinh, sự tăng trƣởng của dịch vụ truyền hình cáp số, và đặc biệt là sự ra đời của HDTV đã để lại dấu ấn to lớn đối với lĩnh vực truyền hình. Tuy nhiên, trên thế giới đã xuất hiện một phƣơng thức cung cấp dịch vụ mới đó là IPTV (Internet Protocol Television) dựa trên mạng viễn thông băng thông rộng. IPTV dễ dàng cung cấp nhiều hoạt động tƣơng tác hơn, tạo nên sự cạnh tranh mạnh mẽ hơn cho các doanh nghiệp kinh doanh dịch vụ truyền hình. Tại Việt Nam, hiện có nhiều nhà khai thác dịch vụ viễn thông lớn đang cạnh tranh nhau nhằm cung cấp cho khách hàng các dịch vụ băng rộng với chất lƣợng cao và giá rẻ. Họ cũng đã nhận ra xu hƣớng phát triển của truyền hình trực tuyến và video theo yêu cầu, và đang có những bƣớc đi mạnh mẽ. Tuy nhiên vấn đề khó khăn của các nhà cung cấp dịch vụ IPTV đó là đảm bảo chất lƣợng dịch vụ cho nhu cầu càng cao về dịch vụ IPTV của khách hàng. Do đó các nhà cung cấp dịch vụ đều tìm mọi cách để nâng cao chất lƣợng dịch vụ, chiếm đƣợc lòng tin của khách hàng. Đề tài tập trung nghiên cứu, phân tích các yếu tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng dịch vụ IPTV/VOD, từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao chất lƣợng dịch vụ, tập trung trên mạng Truyền hình Cáp HFC. Đề tài “Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lƣợng dịch vụ IPTV/VOD trên hạ tầng mạng Truyền hình Cáp HFC” hiện nay là đề tài hết sức thiết thực góp phần thúc đẩy sự phát triển dịch vụ truyền hình Cáp tại Đài Truyền hình Việt Nam nói riêng và các dịch vụ truyền hình trả tiền tại Việt Nam nói chung. 2. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu của đề tài Tổng quan về dịch vụ IPTV/VOD, các công nghệ triển khai IPTV trên mạng viễn thông và mạng HFC. Phân tích các yếu tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng dịch vụ IPTV/VOD, các tham số đánh giá chất lƣợng, các tiêu chí đánh giá dịch vụ IPTV/VOD. Giới thiệu Case Study về triển khai dịch vụ IPTV/VOD đang thực hiện tại VCTV, kết quả đo kiểm các tham số đánh giá chất lƣợng dịch vụ đang hoạt động. Đƣa ra nhận xét, so sánh, đánh giá. Sau đó đề xuất một số khuyến nghị, giải pháp nâng cao chất lƣợng dịch vụ IPTV/VOD trên hạ tầng mạng Truyền hình Cáp HFC. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu là dịch vụ IPTV/VOD trên mạng truyền hình Cáp 2 - Phạm vi nghiên cứu về không gian: Tập trung chính tại VCTV – Trung tâm Kỹ thuật Truyền hình Cáp Việt Nam - Đài Truyền hình Việt Nam. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu là vận dụng một cách tổng hợp nhiều phƣơng pháp nghiên cứu cơ bản nhƣ: Thống kê, tổng hợp và so sánh, đối chiếu và phân tích 5. Kết cấu luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, mục lục và danh mục tài liệu tham khảo, đề tài đƣợc kết cấu thành 3 chƣơng: - Chƣơng I: Tổng quan về IPTV, các công nghệ sử dụng trong IPTV. - Chƣơng II: Đánh giá chất lƣợng dịch vụ IPTV. - Chƣơng III: Các giải pháp nâng cao chất lƣợng dịch vụ IPTV/VOD trên mạng Truyền hình cáp HFC. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ IPTV, CÁC CÔNG NGHỆ SỬ DỤNG TRONG IPTV 1.1. Giới thiệu IPTV 1.1.1 Khái niệm IPTV IPTV là tên viết tắt của cụm từ Internet Protocol Television - truyền hình qua giao thức Internet. Thực chất tất cả các tên gọi đều đƣợc sử dụng để nói đến việc phân phối truyền hình băng rộng chất lƣợng cao hoặc nội dung âm thanh và hình ảnh theo yêu cầu trên một mạng băng rộng. IPTV là một định nghĩa chung cho việc áp dụng để phân phối các kênh truyền hình truyền thống, phim truyện, và nội dung video theo yêu cầu trên một mạng riêng. Từ góc nhìn của ngƣời sử dụng thì IPTV chỉ hoạt động nhƣ một chuẩn dịch vụ truyền hình trả tiền. Từ góc nhìn của nhà cung cấp thì IPTV bao gồm việc thu nhận, xử lý và phân phối chính xác nội dung truyền hình tới thuê bao thông qua một hạ tầng mạng sử dụng IP. Theo định nghĩa đƣợc đƣa ra bởi Liên minh viễn thông quốc tế tập trung vào nhóm IPTV thì IPTV là các dịch vụ đa phƣơng tiện (ví dụ nhƣ dữ liệu truyền hình, video, âm thanh, văn bản, đồ họa) đƣợc phân phối trên một mạng IP có sự quản lý để cung cấp các mức yêu cầu về chất lƣợng của dịch vụ, an toàn, có tính tƣơng tác và tin cậy. Có thể thấy, IPTV là một dịch vụ số mà có khả năng cung cấp những tính năng vƣợt trội hơn khả năng của bất kì cơ chế phân phối truyền hình nào khác. Ví dụ, Set – Top Box IPTV có thể thông qua phần mềm để cho phép xem đồng thời 4 chƣơng trình truyền hình trên màn hiển thị, hay có thể nhận tin nhắn SMS, E – mail… 1.1.2 Đặc trƣng của IPTV IPTV có một số điểm đặc trƣng sau:  Hỗ trợ truyền hình tương tác: khả năng của hệ thống IPTV cho phép các nhà cung cấp dịch vụ phân phối đầy đủ các ứng dụng của truyền hình tƣơng tác. Các dạng dịch vụ IPTV có thể đƣợc phân phối bao gồm chuẩn truyền hình trực tiếp, truyền hình hình ảnh chất lƣợng cao HDTV (High Definition Television), các trò chơi tƣơng tác và truy cập Internet tốc độ cao.  Dịch thời gian: IPTV kết hợp với một bộ ghi hình video số cho phép dịch chuyển thời gian để xem nội dung chƣơng trình, đây là một kỹ thuật ghi hình và lƣu trữ nội dung để có thể xem lại sau.  Tính cá nhân: một hệ thống IPTV end-to-end hỗ trợ thông tin có tính hai chiều và cho phép các user xem các chƣơng trình theo sở thích, thói quen…Hay cụ thể hơn là cho các user xem cái gì họ muốn vào bất kỳ lúc nào. 4  Yêu cầu băng thông thấp: để thay thế cho việc phân phối mọi kênh cho mọi user, công nghệ IPTV cho phép các nhà cung cấp dịch vụ chỉ phân phối các kênh mà user đã yêu cầu. Đây là đặc điểm hấp dẫn cho phép các nhà khai thác mạng bảo toàn đƣợc băng thông của họ.  Nhiều thiết bị có thể sử dụng được: việc xem nội dung IPTV không giới hạn cho Tivi. Khách hàng có thể sử dụng PC của họ và các thiết bị di động để truy cập các dịch vụ IPTV. 1.1.3 Sự khác biệt giữa IPTV và truyền hình Internet Do đều đƣợc truyền trên mạng dựa trên giao thức IP, ngƣời ta đôi lúc hay nhầm IPTV là truyền hình Internet. Tuy nhiên, 2 dịch vụ này có nhiều điểm khác nhau:  Các nền khác nhau: Truyền hình Internet sử dụng mạng Internet công cộng để phân phát các nội dung video tới ngƣời sử dụng cuối. IPTV sử dụng mạng riêng bảo mật để truyền các nội dung video đến khách hàng. Các mạng riêng này thƣờng đƣợc tổ chức và vận hành bởi nhà cung cấp dịch vụ IPTV.  Về mặt địa lí: Các mạng do nhà cung cấp dịch vụ viễn thông sở hữu và điều khiển không cho phép ngƣời sử dụng Internet truy cập. Các mạng này chỉ giới hạn trong các khu vực địa lí cố định. Trong khi, mạng Internet không có giới hạn về mặt địa lí, ngƣời dùng Interet nào cũng có thể xem truyền hình Internet ở bất kì đâu trên thế giới.  Quyền sở hữu hạ tầng mạng: Khi nội dung video đƣợc gửi qua mạng Internet công cộng, các gói sử dụng giao thức Internet, nội dung video có thể bị trễ hoặc mất khi nó di chuyển trong các mạng khác nhau trên mạng Internet công cộng. Do đó, nhà cung cấp các dịch vụ truyền hình ảnh qua mạng Internet không đảm bảo chất lƣợng truyền hình nhƣ với truyền hình mặt đất, truyền hình cáp hay truyền hình vệ tinh. Thực tế là các nội dung video truyền qua mạng Internet khi hiển thị trên màn hình TV có thể bị giật và chất lƣợng hình ảnh thấp. Trong khi, IPTV chỉ đƣợc phân phối qua một hạ tầng mạng của nhà cung cấp dịch vụ. Do đó ngƣời vận hành mạng có thể điều chỉnh để có thể cung cấp hình ảnh với chất lƣợng cao.  Cơ chế truy cập: Một Set-Top Box số thƣờng đƣợc sử dụng để truy cập và giải mã nội dung video đƣợc phân phát qua hệ thống IPTV, trong khi PC thƣờng đƣợc sử dụng để truy 5 cập các dịch vụ Internet. Các loại phần mềm đƣợc sử dụng trong PC thƣờng phụ thuộc vào loại nội dung truyền hình Internet. Ví dụ nhƣ, để download các chƣơng trình TV từ trên mạng Internet, đôi khi cần phải cài đặt các phần mềm media cần thiết để xem đƣợc nội dung đó. Hay hệ thống quản lí bản quyền cũng cần để hỗ trợ cơ chế truy cập.  Giá thành: Nội dung chƣơng trình đƣợc phân phát qua mạng Internet công cộng tự do thay đổi. Điều này khiến các công ty truyền thông đƣa ra các loại dịch vụ dựa trên mức giá thành. Giá thành các loại dịch vụ IPTV cũng gần giống với mức phí hàng tháng của truyền hình truyền thống. Các nhà phân tích mong rằng truyền hình Internet và IPTV có thể hợp lại thành một loại hình dịch vụ giải trí. 1.1.4 Ƣu điểm của IP và sự lựa chọn IP cho IPTV Truyền hình số đƣợc định thời một cách chính xác, là dòng dữ liệu liên tục có tốc độ bit không đổi, thƣờng hoạt động trên các mạng mà mỗi tín hiệu đƣợc truyền đều phục vụ cho mục đích truyền hình. Trái với truyền hình, mạng IP truyền những loại dữ liệu khác nhau từ rất nhiều nguồn trên một kênh chung, bao gồm thứ điện tử, trang web, tín nhắn trực tiếp, tiếng nói qua IP (VoIP) mà nhiều loại dữ liệu khác. Để truyền đồng thời những dữ liệu này, Mạng Internet phân thông tin thành các gói. Nhƣ vậy, rõ ràng là IP và truyền hình không phải là một sự kết hợp hoàn hảo (lý tƣởng) về công nghệ. Mặc dù không tƣơng thích về căn bản, nhƣng thị trƣờng IPTV vẫn bùng nổ. Vậy lý do tại sao lại chọn các mạng dựa trên IP để truyền tín hiệu truyền hình? Câu trả lời cho câu hỏi này có thể tóm tắt thành năm điểm sau: Mạng IP băng rộng đã vƣơn tới rất nhiều gia đình ở nhiều nƣớc, các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình có thể sử dụng những mạng này để phát các dịch vụ truyền hình mà không cần xây dựng hệ thông mạng riêng của họ. IP có thể đơn giản công việc phát các dịch vụ truyền hình mới, nhƣ là chƣơng trình tƣơng tác, truyền hình theo yêu cầu… Giá thành của mạng IP tiếp tục giảm do số thiết bị đƣợc sản xuất mỗi năm rất lớn và sự tồn tại của các chuẩn trên toàn thế giới. Mạng IP có mặt trên toàn thế giới, và số ngƣời dùng mạng Internet tốc độ cao tiếp tục tăng rất nhanh. IP là công nghệ hoàn hảo cho nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm sự trao đổi dữ liệu, mạng cục bộ, chia sẻ tệp tin, lƣớt web và nhiều nhiều nữa… IP cung cấp cơ chế để định hƣớng truyền gói giữa các thiết bị đƣợc liên kết trong mạng. IP là một giao thức phổ biến đƣợc sử dụng khắp các mạng Internet và hàng triệu các mạng khác có sử dụng IP. Không có IP, mọi việc sẽ hỗn loạn bởi vì không có cách nào để một thiết bị gửi dữ liệu một cách riêng biệt tới một thiết bị khác. 6 Với việc sử dụng các mạng IP để truyền dẫn tín hiệu truyền hình, việc xem truyền hình hiện đại sẽ rất khác so với xem truyền hình trƣớc đây. Các tín hiệu truyền hình bây giờ không khác gì những dữ liệu khác. Nhờ đó, ngoài các kênh truyền hình quảng bá truyền thống, chúng ta sẽ có thêm những kênh truyền hình riêng biệt, tƣơng tác để thỏa mãn nhu cầu của từng ngƣời. 1.1.5 Sơ đồ, cấu trúc hạ tầng IPTV 1.1.5.1 Sơ đồ mạng IPTV Sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống IPTV điển hình đƣợc minh họa ở hình vẽ dƣới đây: Hình 1.1 Sơ đồ khối đơn giản của một hệ thống IPTV (i) Headend - Trung tâm dữ liệu IPTV Cũng đƣợc biết đến là ―đầu cuối - headend‖. Trung tâm dữ liệu IPTV nhận nội dung từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm truyền hình địa phƣơng, các nhà tập hợp nội dung, nhà sản xuất, qua đƣờng cáp, trạm số mặt đất hay vệ tinh. Ngay khi nhận đƣợc nội dung, một số các thành phần phần cứng khác nhau nhƣ thiết bị mã hóa, các máy chủ video, bộ định tuyến IP và thiết bị bảo mật dành riêng đƣợc sử dụng để chuẩn bị nội dung video cho việc phân phối qua mạng dựa trên IP. Thêm vào đó, hệ thống quản lý thuê bao đƣợc yêu cầu để quản lý hồ sơ và phí thuê bao của những ngƣời sử dụng. (ii) Mạng truyền dẫn băng thông rộng Việc truyền dẫn dịch vụ IPTV yêu cầu kết nối điểm – điểm. Trong trƣờng hợp triển khai IPTV trên diện rộng, số lƣợng các kết nối điểm – điểm tăng đáng kể và yêu cầu độ rộng băng thông của cơ sở hạ tầng khá rộng. Sự tiến bộ trong công nghệ mạng trong những năm qua cho phép những nhà cung cấp viễn thông thỏa mãn một lƣợng lớn yêu cầu độ rộng băng thông mạng. Hạ tầng truyền hình cáp dựa trên cáp đồng trục lai cáp quang và các mạng viễn thông dựa trên cáp quang rất phù hợp để truyền tải nội dung IPTV. 7 (iii) Thiết bị người dùng IPTV Thiết bị ngƣời dùng IPTV (IPTVCD) là thành phần quan trọng trong việc cho phép mọi ngƣời có thể truy xuất vào các dịch vụ IPTV. Thiết bị này kết nối vào mạng băng rộng và có nhiệm vụ giải mã và xử lý dữ liệu video dựa trên IP gửi đến. Thiết bị ngƣời dùng hỗ trợ công nghệ tiên tiến để có thể tối thiểu hóa hay loại bỏ hoàn toàn ảnh hƣởng của lỗi, sự cố mạng khi đang xử lý nội dung IPTV. (iv) Mạng gia đình Mạng gia đình kết nối với một số thiết bị kĩ thuật số bên trong một diện tích nhỏ. Nó cải tiến việc truyền thông và cho phép chia sẻ tài nguyên (các thiết bị) kĩ thuật số đắt tiền giữa các thành viên trong gia đình. Mục đích của mạng gia đình là để cung cấp việc truy cập thông tin, nhƣ là tiếng nói, âm thanh, dữ liệu, giải trí, giữa những thiết bị khác nhau trong nhà. Với mạng gia đình, ngƣời dùng có thể tiết kiệm tiền và thời gian bởi vì các thiết bị ngoại vi nhƣ là máy in và máy scan, cũng nhƣ kết nối Internet băng rộng, có thể đƣợc chia sẻ một cách dễ dàng. 1.1.5.2 Cấu trúc chức năng dịch vụ IPTV Một mạng IPTV có thể bao gồm nhiều thành phần cơ bản, nó cung cấp một cấu trúc chức năng cho phép phân biệt và chuyên môn hoá các nhiệm vụ. Hình 1.2 trình bày sáu thành phần chính của cấu trúc chức năng đƣợc tạo thành bởi các chức năng sau: cung cấp nội dung, phân phối nội dung, điều khiển IPTV, truyền dẫn IPTV, thuê bao và bảo an. Hình 1.2 Các thành phần cấu trúc chức năng hệ thống IPTV 8 (i) Cung cấp nội dung Tất cả nội dung đƣợc sử dụng bởi dịch vụ IPTV, bao gồm VoD và truyền hình quảng bá sẽ phải thông qua chức năng cung cấp nội dung, ở đó các chức năng tiếp nhận, chuyển mã và mã hóa sẽ tạo nên các luồng video số có khả năng đƣợc phân phối qua mạng IP. (ii) Phân phối nội dung Khối phân phối nội dung bao gồm các chức năng chịu trách nhiệm về việc phân phối nội dung đã đƣợc mã hoá tới thuê bao. Thông tin nhận từ các chức năng vận chuyển và điều khiển IPTV sẽ giúp phân phối nội dung tới thuê bao một cách chính xác. Chức năng phân phối nội dung sẽ bao gồm cả việc lƣu trữ các bản copy của nội dung để tiến hành nhanh việc phân phối, các lƣu trữ tạm thời (cache) cho VoD và các bản ghi video cá nhân. Khi chức năng thuê bao liên lạc với chức năng điều khiển IPTV để yêu cầu nội dung đặc biệt, thì nó sẽ gửi tới chức năng phân phối nội dung để có đƣợc quyền truy cập nội dung. (iii) Điều khiển IPTV Các chức năng điều khiển IPTV là trái tim của dịch vụ. Chúng chịu trách nhiệm về việc liên kết tất cả các chức năng khác và đảm bảo dịch vụ hoạt động ở cấp độ thích hợp để thoả mãn nhu cầu của khách hàng. Chức năng điều khiển IPTV nhận yêu cầu từ thuê bao, liên lạc với chức năng phân phối và vận chuyển nội dung để đảm bảo nội dung đƣợc phân phối tới thuê bao. Một chức năng khác của điều khiển IPTV là cung cấp hƣớng dẫn chƣơng trình điện tử EPG (Electronic Program Guide), EPG đƣợc thuê bao sử dụng để chọn nội dung theo nhu cầu. Chức năng điều khiển IPTV cũng sẽ chịu trách nhiệm về quản lý quyền nội dung số DRM (Digital Rights Management) đƣợc yêu cầu bởi thuê bao để có thể truy cập nội dung. (iv) Chức năng vận chuyển IPTV Sau khi nội dung yêu cầu từ thuê bao đƣợc chấp nhận, chức năng vận chuyển IPTV sẽ chịu trách nhiệm truyền tải nội dung đó tới thuê bao, và cũng thực hiện truyền ngƣợc lại các tƣơng tác từ thuê bao tới chức năng điều khiển IPTV. (v) Chức năng thuê bao Chức năng thuê bao bao gồm nhiều thành phần và nhiều hoạt động khác nhau, tất cả đều đƣợc sử dụng bởi thuê bao để truy cập nội dung IPTV. Một số thành phần chịu trách nhiệm liên lạc thông tin với chức năng truyền dẫn, ví dụ nhƣ truy cập getway kết nối với DSLAM, hay trình STB sử dụng trình duyệt web để kết nối với Middleware server. Trong chức năng này, STB lƣu trữ một số các thành phần quan trọng nhƣ các key DRM và thông tin xác thực user. Khối chức năng thuê bao sẽ sử dụng EPG cho phép khách hàng lựa chọn hợp đồng để truy cập và yêu cầu nó từ các 9 chức năng điều khiển IPTV. Nó cũng nhận các giấy phép số và các key DRM để truy cập nội dung. (vi) Chức năng bảo mật Tất cả các chức năng trong mô hình IPTV đều đƣợc hỗ trợ các cơ chế bảo an tại các cấp độ khác nhau. Chức năng cung cấp nội dung sẽ có bộ phận mật mã đƣợc cung cấp bởi nhà cung cấp nội dung. Chức năng phân phối nội dung sẽ đƣợc đảm bảo thông qua việc sử dụng DRM. Các chức năng điều khiển và vận chuyển sẽ dựa vào các chuẩn bảo an để tránh các thuê bao không đƣợc xác thực có quyền sửa đổi và truy cập nội dung. Chức năng thuê bao sẽ bị giới hạn sử dụng các cơ chế bảo an đƣợc triển khai tại STB và Middleware server. Tóm lại, tất cả các ứng dụng và các hệ thống hoạt động trong môi trƣờng IPTV sẽ có các cơ chế bảo an luôn sẵn sàng đƣợc sử dụng để trách các hoạt động trái phép. 1.1.6 Các dịch vụ IPTV IPTV không chỉ đơn thuần là IP video. Trên thực tế, các nhà khai thác viễn thông đang tập trung vào dịch vụ này để tạo ra sự khác biệt của dịch vụ họ cung cấp với các dịch vụ mà các nhà khai thác mạng truyền hình cáp hay vệ tinh cung cấp. Tất cả các lựa chọn cấu trúc và công nghệ cơ sở tập trung vào việc phân phối nhiều loại dịch vụ video theo yêu cầu và video quảng bá, nhƣng với kinh nghiệm về các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ cao cho phép các nhà khai thác viễn thông cung cấp cho khách hàng các dịch vụ tích hợp bổ xung là một phần của gói dịch vụ IPTV lớn. Các dịch vụ chính thƣờng đƣợc triển khai trƣớc là dịch vụ video theo yêu cầu và video quảng bá, tuy nhiên các nhà khai thác viễn thông đều có kế hoạch bổ sung các dịch vụ này với các dịch vụ trò chơi, quảng cáo, âm thanh, thông tin… Điều cần biết là định nghĩa và phạm vi của các dịch vụ này sẽ liên tục đƣợc phát triển theo thời gian. Bảng 1.1 dƣới đây mô tả tổng quan các loại dịch vụ IPTV khác nhau hiện đang đƣợc triển khai [4,12]. Bảng 1.1 Các dịch vụ IPTV Live TV Entertainment  Digital TV  Gaming  Premium TV  Gambling  Pay-per-view  Karaoke  Near video-on-demand  Internet TV  Program guide Stored TV Commerce 10  Video on demand  Telecomerce  Subscription VoD  Targeted/interactive advesting  Time-dhifting PRV  Network PVR Communictaion ASP  Residental VoIP portal  Distance learning  SMS/MMS mesaging  Home automation portal  Instant messaging  Converged services  Mobile services portal  Hospitality  Video conferencing  Emergency alert system 1.1.6.1 Các dịch vụ video IPTV Các dịch vụ IPTV video có thể phân thành hai nhóm: phát quảng bá và phát theo yêu cầu. a) Các dịch vụ video quảng bá Về cơ bản, các dịch vụ video quảng bá không khác gì so với các dịch vụ video mà các nhà khai thác truyền hình cáp, vệ tinh, mặt đất cung cấp ngày nay. Điều này góp phần tạo thành tiêu chuẩn đối với dịch vụ TV, không kể đến các cơ chế truyền tải: lai cáp đồng/quang, DSL hay FTTx…Các kênh video quảng bá bao gồm các kênh truyền hình quốc gia, địa phƣơng và các kênh trả tiền (nhƣ HBO). Số các kênh quảng bá khu vực có thể thay đổi theo thị trƣờng, các kênh này thƣờng hỗ trợ các phiên bản theo khu vực của các mạng gốc (ABC, CBS, NBC và Fox..). Một số trong các kênh quảng bá có định dạng độ phân giải cao (HD), điều đó có nghĩa các nhà khai thác viễn thông có thể cung cấp cho khách hàng cả hai loại kênh quảng bá tiêu chuẩn (SD) và độ phân giải cao (HD). Một phần nội dung quảng bá có thể đƣợc lƣu lại trong mạng và sử dụng sau đó. b) Các dịch vụ video lưu trữ Các dịch vụ video lƣu trữ có nhiều dạng và là nền tảng để phân biệt với các nội dung video khác đƣợc truyền tải qua các mạng IP. Nội dung video lƣu trữ đáp ứng đƣợc nhiều các sở thích khác nhau của ngƣời xem. Tùy theo vị trí lƣu trữ, khách hàng có thể tận dụng đƣợc các ƣu điểm của nội dung video lƣu tại thiết bị khách hàng hoặc mạng để điều khiển một các linh hoạt khi sử dụng dịch vụ nhƣ: tua nhanh, tua ngƣợc, tạm dừng... nhƣ khi họ sử dụng VCDs/DVDs. Nội dung video lƣu trữ là động lực chính thúc đẩy sự phát triển phần mềm lớp dịch vụ trong các mạng IPTV cũng nhƣ các tùy chọn của Set-Top Box. Các tùy chọn nội dung video lƣu trữ bao gồm: