Xác định băng thông cho mạng dịch vụ IPTV

1. Giới thiệu

IPTV: IP (Internet Protocol) + TV (Television), dùng phương thức IP để truyền một nguồn video (hình ảnh và âm thanh) đến người dùng thông qua hạ tầng mạng IP.

Nguồn video thu từ hệ thống vệ tinh hoặc cáp được mã hóa (encode) thành luồng (stream) video và đóng gói thành các gói tin (packet) IP, với địa chỉ đích là một địa chỉ IP phát đồng loạt ( multicast) xác định. Sau đó gói tin được đưa vào mạng IP, nhờ vào bảng định tuyến multicast trong các thiết bị mạng (router, switch) các gói tin này sẽ được phân phối đến đúng người dùng có yêu cầu. Tại đầu cuối khách hàng, bộ giải mã video (STB - Set Top Box) nhận luồng video (kênh truyền hình) và chuyển chúng sang tín hiệu tương tự (analog) hoặc số (digital) để hiện thị hình ảnh, âm thanh lên màn hình TV.

Hình 1. Mô hình mạng IPTV

Khi khách hàng chuyển kênh TV, một bản tin tham gia nhóm IGMP được gửi từ STB đến thiết bị mạng để yêu cầu một luồng video mới. Phần tử mạng (DSLAM hoặc bộ định tuyến biên của mạng IP) đáp ứng yêu cầu của STB và gửi luồng video mới.

Câu hỏi đặt ra là “Làm thế nào để có được chất lượng hình ảnh và âm thanh tốt nhất đến nhà khách hàng?”. Bởi các ứng dụng và dịch vụ sử dụng một hạ tầng mạng chung để truyền tải dịch vụ đến khách hàng, gói tin dịch vụ đi qua nhiều thành phần mạng khác nhau. Điều này đòi hỏi cần có giải pháp phù hợp cho từng thành phần mạng tương ứng để đảm bảo chất lượng dịch vụ từ nguồn dịch vụ cho đến khách hàng. Nói cách khác, trong môi trường đa dịch vụ, cần xem xét giải quyết 2 vấn đề lớn:

1. Đáp ứng đủ băng thông để cung cấp đa dịch vụ.

2. Đảm bảo chất lượng cho các dịch vụ khác nhau khi sử dụng hạ tầng mạng chung.

Câu trả lời cho vấn đề trên cần xem xét cụ thể từng thành phần mạng để chọn lựa, xây dựng hạ tầng mạng đảm bảo các yêu cầu đặt ra với một chi phí thấp nhất.

2. Các thành phần cơ bản của mạng IPTV

Các thành phầm cơ bản của mạng (Hình 1) gồm:

- Nguồn Video đầu mối: Head-end, máy chủ

- Phần mềm tương tác, quản lý, cung cấp dịch vu: Middleware

- Mạng trục/Phân phối: Core/Distribution network

- Mạng kết tập: Aggregation network

- Mạng truy cập: Access network

- Mạng khách hàng: Home Network.

Nguồn tạo Video đầu mối – Head end

Hình 2. Sơ đố khối dịch vụ IPTV

Các 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 mã tín hiệu vệ tinh (Satellite receivers)

3. Bộ số hóa tín hiệu hình (Digital encoders): mã hóa tín hiệu hình theo chuẩn nén video hoặc MPEG-2 hoặc H.264.

Việc chọn lựa kỹ thuật nén video quyết định rất lớn đến số lượng kênh truyền hình có thể phát quảng bá (multicast) trên mạng và việc dự trù băng thông mạng đủ để đáp ứng dịch vụ.

Phần mềm tương tác, quản lý, cung cấp dịch vụ – Middleware:

Middleware là hệ thống điều khiển trung tâm của dịch vụ IPTV, thực hiện chức năng giao tiếp với STB theo cơ chế chủ - khách (client-server) điều khiển, cung cấp nội dung và đáp ứng yêu cầu dịch vụ của STB.

Middleware thường được bán theo số lượng người dùng cuối và mỗi middleware chỉ làm việc tốt với một số STB nhất định, do đó nhà cung cấp dịch vụ viễn thông cần cân nhắc khi mua middleware. Bên cạnh đó nhà cung cấp dịch vụ cần tổ chức đội ngũ để xây dựng và tối ưu giao diện người dùng phù hợp nhu cầu cung cấp dịch vụ.

Mạng trục (Core Network):

Có 2 vấn đề cần quan tâm:

1. Băng thông đủ truyền tải luồng dữ liệu VoD, lên đến vài chục Gbps.

2. Chọn lựa giao thức định tuyến Multicast thích hợp.

Công nghệ Ethernet với khả năng xử lý dữ liệu ngày càng cao, chi phí cổng rẻ cho phép nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đầu tư hạ tầng mạng dễ dàng. Tuy nhiên, vấn đề tính toán đảm bảo băng thông cho mạng trục là cực kỳ quan trọng và phức tạp (xem tính toán băng thông mạng) đòi hỏi công tác dự báo nhu cầu chính xác và thực tế khai thác.

IGMP snooping Thiết bị chuyển mạch nhận bản tin tham gia nhóm (IGMP join) multicast đến từ một cổng xác định, nhờ vào thông tin này thiết bị Switch sao chép dữ liệu đến đúng cổng có yêu cầu. Nói cách khác, trên hướng kết nối DSLAM và Switch (mạng kết tập) chỉ dữ liệu multicast của những kênh truyền hình đang được khách hàng thuộc DSLAM đó xem thì đó mới được gởi xuống DSLAM. IGMP snooping tối ưu băng thông cho hướng xuống.

Giao thức định tuyến Multicast có thể là: PIM-SSM hoặc PIM-SM dựa trên giao thức định tuyến trong (IGP) hoặc P2MP LSP (Point To Multipoint Lable Switched Path). Trong đó, PIM-SM thường được khuyến cáo áp dụng khi số lượng nguồn dữ liệu multicast trong mạng lớn hoặc địa chỉ IP của nguồn multicast thường xuyên thay đổi hay không xác định trước. Vì vậy, dịch vụ thoại, hội nghị truyền hình và chơi game qua mạng thường dùng giao thức muticast PIM-SM. Trong khi giao thức PIM-SSM hoặc P2MP LSP được khuyến cáo sử dụng cho dịch vụ IPTV.

Nhà cung cấp dịch vụ viễn thông khi triển khai dịch vụ Triple Play phải đối mặt với sự thay đổi cả hình thức kinh doanh và hạ tầng mạng. Trong đó, việc chuyển đổi mạng kết tập và mạng truy cập từ công nghệ ATM sang công nghệ Ethernet là xu hướng không thể tránh khỏi.

Mạng kết tập (Aggregation Network):

Mạng kết tập hoạt động ở lớp 2 (mô hình OSI), không nhận biết luồng dữ liệu IP multicast. Vì vậy, tùy công nghệ sử dụng ở mạng kết tập việc truyền tải luồng dữ liệu multicast tới đầu cuối thuê bao có thể dùng:

-   Kỹ thuật quảng bá (thường được gọi là “Drop & Continue”) trong mạng kết tập SDH.

-   Kỹ thuật thiết lập kênh ảo điểm nối đa điểm cho mạng ATM.

-   IGMP snooping trên mạng Ethernet.

Vấn đề đặt ra cho mạng kết tập sử dụng công nghệ Ethernet đó là: hiệu suất sử dụng băng thông, độ tin cậy cao, chất lượng dịch vụ đảm bảo (QoS) và tính hiệu quả trong vận hành, khai thác mạng.

Độ tin cậy của mạng Ethernet chủ yếu dựa vào giao thức cây bắc cầu STP (Spanning Tree Protocol) để khôi phục hoạt động mạng. Tuy nhiên, thời gian hội tụ của STP là quá lớn (15 giây), không thể chấp nhận được đối với dịch vụ IPTV. Đòi hỏi mạng phải có thời gian hội tụ mạng dưới 1 giây, yêu cầu thiết bị mạng hỗ trợ giao thức RSTP (Rapid STP).

Triển khai cả IGMP snooping và IGMP proxy để giúp tối ưu băng thông cho mạng Ethernet.

IGMP proxy DSLAM đại điện cho tất cả các thuê bao kết nối đến nó gởi bản tin tham gia nhóm multicast đến bộ định tuyến biên IP. Nhờ vậy làm giảm các bản tin IGMP join trên mạng, đồng thời giảm tải xử lý và đáp ứng của bộ định tuyến biên IP. Một đặc điểm nổi bật của IGMP proxy đó là làm tăng thời gian đáp ứng kênh (zapping time - thời gian từ lúc thuê bao nhấn chọn kênh cho đến lúc nội dung kênh xuất hiện trên màn hình TV). Do việc xử lý bản tin IGMP ngay tại DSLAM gần thuê bao hơn bộ định tuyến biên IP rất nhiều.

Chất lượng dịch vụ (QoS): thường dùng Ethernet 802.1p, Ethertype, DSCP (DiffServ Code Points) để phân biệt các gói dịch vụ khác nhau và xác định phương thức chuyển tải lưu lượng khác nhau.

Mạng truy cập (Access Network)

Có 3 yếu tố ảnh hưởng đến nhu cầu tăng băng thông cho mạng truy cập:

-   Sự gia tăng số lượng TV trong một hộ gia đình. Ngày nay, trung bình mỗi hộ gia đình tại Mỹ có 2.7 TV trong khi châu Âu là 1.5 [7].

-   Dịch vụ truyền hình độ phân giải cao (HDTV - High Definition TV) ngày càng phổ biến. Băng thông cần thiết cho một kênh HDTV phụ thuộc rất nhiều vào chuẩn mã hóa, một kênh HDTV sẽ chiếm băng thông từ 8-20Mbps.

-   Sự thu hút của truyền hình theo yêu cầu ngày càng cao so với truyền hình quảng bá.

Để đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dịch vụ của khách hàng, nhà cung cấp dịch vụ cần tái thiết lại hạ tầng mạng truy cập của mình nhằm cung cấp băng thông rộng hơn đến nhà khách hàng 10Mbps (nếu không có kênh HDTV) và 20 Mbps (có HDTV) bằng nhiều kỹ thuật khác nhau: Cáp quang (FTTH - Fiber To The Home), đường dây thuê bao số (DSL) : ADSL2+ (băng thông 20Mbps) hoặc VDSL (băng thông 50Mbps).

Việc chọn lựa điểm kết nối dịch vụ (injection point) hợp lý giúp nhà khai thác xác định đúng các đối tượng mạng cần xem xét để thực hiện nâng cấp mạng thỏa mãn nhu cầu dịch vụ. Ví dụ: Head-End quốc gia kết nối vào mạng trục IP quốc gia. Do đó, triển khai IPTV với nguồn hình cấp quốc gia cần xem xét nâng cấp các thành phần: mạng truc IP, mạng kết tập và mạng truy cập.

Với nguồn hình nội hạt, điểm kết nối dịch vụ ngay tại các bộ định tuyến biên IP hoặc bộ chuyển mạch (Switch) của mạng kết tập Hình 3) vấn đề nâng cấp mạng chỉ tập trung ở mạng kết tập và mạng truy cập.

Mạng người dùng (Home Network):

Mạng người dùng gồm một cổng vào (home gateway – có thể là modem DSL, bộ định tuyến) giao tiếp với mạng của nhà cung cấp có nghiệm vụ nhận nguồn hình IPTV và phân phát đến các STB khác nhau. Thiết bị đầu cuối (end point): STB, phone, mobile… có thể dùng cáp đồng UTP hoặc vô tuyến (WiFi, DECT) để kết nối vào Home Gateway.

Hình 3. Điểm kết nối dịch vụ

Home Gateway có khả năng nhận cấu hình tự động từ phía mạng nhà cung cấp dịch vụ (plug-and-play) để thiết lập kênh hoạt động cho các thiết bị đầu cuối gắn thêm vào Home gateway đảm bảo tính linh hoạt và mở rộng dịch vụ.

Mạng quản lý (Network Management):

Mạng đa dịch vụ cần sử dụng băng thông mạng hiệu quả, độ tin cậy cao và đảm bảo chất lượng dịch vụ nên công cụ hỗ trợ quản lý, vận hành, khai thác, chuẩn đoán lỗi là vấn đề hết sức thiết thực cần quan tâm đúng mức và trang bị hệ thống tương xứng.

Hệ thống hỗ trợ vận hành, khai thác và quản lý mạng là ưu tiên hàng đầu cần xem xét đầu tư khi triển khai đa dịch vụ trên hạ tầng mạng chung. Việc chọn lựa giải pháp quản lý tốt sẽ giúp nhà cung cấp dịch vụ giảm chi phí vận hành, khai thác hệ thống và chi phí chăm sóc, hỗ trợ khách hàng, nâng cao chất lượng dịch vụ. Tạo điều kiện cho nhà cung cấp dịch vụ tập trung tiềm lực vào các vấn đề khác đem lại doanh thu nhiều hơn.

Hệ thống phải có khả năng phát hiện nhận biết thiết bị (khi thiết bị đầu cuối kết nối vào mạng) và tự động cài đặt cấu hình cho đầu cuối khách hàng.

Việc triển khai dịch vụ IPTV sẽ ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc mạng của nhà cung cấp dịch vụ viễn thông, đòi hỏi nhà cung cấp dịch vụ phải có kế hoạch triển khai nâng cấp hạ tầng mạng đáp ứng nhu cầu băng thông cho dịch vụ cả trong mạng trục, mạng kết tập và mạng truy cập. Việc tính toán băng thông cũng như dự báo nhu cầu dịch vụ là công tác cần xem xét trong quá trình xây dụng và triển khai dịch vụ.

Khi tính toán băng thông mạng để triển khai cung cấp dịch vụ IPTV và VoD nhà cung cấp dịch vụ viễn thông cần quan tâm đến các vấn đề sau:

Chọn chuẩn mã hóa:

-   MPEG-2 : 3.5-5Mbps/kênh truyền hình chuẩn (STV)

-   H.264 (MPEG-4 part 10): 2Mbps/STV

                                 8-12Mbps/kênh truyền hình phân giải cao (HDTV)

Như vậy, nếu dùng chuẩn mã hóa H.264 băng thông mạng sẽ được tiết kiệm hơn, nhưng giá thành một bộ STB/H.264 lại đắt hơn STB/MPEG-2. Lợi về băng thông cho nhà cung cấp dịch vụ, nhưng chi phí đầu tư ban đầu của khách hàng cao.

Ảnh hưởng của dịch vụ đến băng thông mạng:

-   Dịch vụ IPTV: ảnh hưởng chủ yếu đến băng thông mạng kết tập và mạng truy cập đồng thời phụ thuộc vào số lượng kênh IPTV phát trên mạng.

-   Dịch vụ VoD: ảnh hưởng rất lớn đến băng thông mạng trục và phụ thuộc vào số lượng thuê bao sử dụng dịch vụ VoD.

Với dịch vụ VoD, nhà cung cấp cần xem xét khả năng đầu tư các thiết bị lưu trữ (storage) nguồn Video đặt phân tán trong mạng kết tập hoặc mạng truy cập để lưu các bộ phim mới, phim thông dụng dự báo nhiều người xem nhằm giảm lưu lượng điểm – điểm (unicast) trên mạng.

Với dịch vụ IPTV, cần tối ưu việc sử dụng băng thông bằng cách thiết kế mạng với điểm sao chép luồng multicast (leaf multicast) càng gần khách hàng càng tốt, hướng tới khả năng chỉ thực hiện sao chép nội dung multicast tại cổng vào nhà thuê bao.

3. Tính toán băng thông mạng

Băng thông mạng cần đáp ứng cho dịch vụ IPTV: Tổng số kênh IPTV xác định tổng băng thông mạng cần để cung cấp dịch vụ. Ví dụ: nếu có 100 kênh IPTV phát trên mạng được mã hóa bằng H.264 (2Mbps/STV), thì yêu cầu băng thông dành cho IPTV là 200Mbps.

Băng thông mạng cho dịch vụ VoD: Với dịch vụ xem phim theo yêu cầu (VoD), việc truyền tải luồng (stream) dữ liệu video đến người xem dùng unicast, mỗi người xem sẽ chiếm băng thông trên mạng tương một kênh IPTV. Do đó, dịch vụ VoD sẽ chiếm tài nguyên mạng nhiều hơn:

Thông thường để tính toán băng thông cho dịch vụ VoD, người ta đưa ra con số dự báo số khách hàng xem VoD bằng 10% tổng số thuê bao IPTV[2]. Ví dụ: hệ thống có 10.000 thuê bao IPTV thì lượng khách hàng xem VoD dự đoán là 1.000, với luồng video mã hóa chuẩn H.264 (2Mbps/STV) thì băng thông mạng cần để đáp ứng dịch vụ VoD là 2Gbps.

Băng thông yêu cầu cho cả IPTV và VoD sẽ tương đương: 2.2Gbps.

Bài toán tính lưu lượng dịch vụ cho toàn mạng là một bài toán phức tạp, đôi khi cần phải dựa vào thực tế khai thác, thói quen sử dụng dịch vụ của từng địa bàn dân cư, từng khu vực cụ thể để tính toán và có các điều chỉnh lưu lượng hợp lý trong quá trình khai thác.

Để tối ưu băng thông mạng đáp ứng đủ băng thông cung cấp dịch vụ IPTV, thiết bị mạng cần hỗ trợ tính năng Multicast đối với mạng trục và IGMP đối với mạng kết tập và mạng truy cập, trong tương lai sẽ là mạng thuê bao (TR-101).