Modem cáp và dịch vụbăng rộng trên mạng truyền hình cáp hữu tuyến

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG I ------o0o------- CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -------o0o-------- ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ và tên : Phạm Thị Thủy Lớp : D99VT Khoá: 1999 - 2003 Ngành: Viễn thông Tên đề tài : Modem cáp và dịch vụ băng rộng trên mạng truyền hình cáp hữu tuyến Nội dung đồ án : I: Tổng quan các phương thức truy nhập băng rộng . II: Truy nhập băng rộng qua mạng truyền hình cáp hữu tuyến. Sự phát triển của mạng CATV. Kiến trúc và hoạt động mạng CATV hai chiều. Dịch vụ băng rộng trên mạng CATV hai chiều. III: Modem cáp Một số khái niệm liên quan. Cấu trúc và hoạt động của modem cáp và CMTS. Một số vấn đề liên quan đến hoạt động của modem. So sánh với modem ADSL. Một số nghiên cứu phát triển tương lai cho modem cáp. IV: Truy nhập băng rộng qua mạng CATV ở Việt Nam Tình hình phát triển các mạng truyền hình ở Việt Nam. Các mạng truyền hình cáp hữu tuyến ở Việt Nam: ( hiện trạng và dự án phát triển truy nhập băng rộng hai chiều ) Ngày giao đề tài : 11/8/2003 Ngày nộp đồ án : 31/10/2003 Ngày.......... tháng............ năm ......... Giáo viên hướng dẫn MỤC LỤC Mục lục .............................................................................................................. i Danh sách các hình và bảng ............................................................................ iv Mở đầu .............................................................................................................. 1 Chương I: TỔNG QUAN TRUY NHẬP BĂNG RỘNG 1.1. Nhu cầu về dịch vụ băng rộng ..................................................................... 3 1.2. Các giải pháp truy nhập băng rộng .................................................................. 4 1.2.1 Mạng truy nhập đôi dây đồng xoắn .............................................................. 4 1.2.2 Mạng truy nhập đường dây điện lực ............................................................ 5 1.2.3 Mạng truy nhập vô tuyến ............................................................................ 6 1.2.4 Mạng truy nhập quang ................................................................................. 7 1.2.5 Mạng truy nhập băng rộng truyền hình cáp .................................................. 8 1.3. Tình hình phát triển và ứng dụng các giải pháp này .......................................... 9 Chương II: TRUY NHẬP BĂNG RỘNG QUA MẠNG CATV HAI CHIỀU 2.1 Sự phát triển của mạng CATV ................................................................... 10 2.2 Kiến trúc và hoạt động của mạng CATV hai chiều .................................... 12 2.2.1 Sơ đồ khối và hoạt động của mạng CATV hai chiều .................................. 12 2.2.2 Các thành phần cơ bản mạng CATV hai chiều ......................................... 14 * Bộ khuếch đại hai chiều .......................................................................... 15 * Cáp quang và cáp đồng trục trong mạng ................................................... 16 * Cầu rẽ ( Tap) ............................................................................................. 16 * Node quang ............................................................................................... 17 * Thiết bị kết cuối truyền hình-STB ............................................................. 18 * Modem cáp-CM ........................................................................................ 19 * Hệ thống kết cuối modem cáp- CMTS ...................................................... 19 * Một số server trong mạng modem cáp ....................................................... 20 * Hệ thống IP phone: .................................................................................. 21 * Hệ thống quản lý thuê bao và tính cước dịch vụ ....................................... 21 2.3 Các dịch vụ băng rộng trên mạng CATV hai chiều ................................ 23 2.3.1. Các ứng dụng băng rộng trên cơ sở truyền hình ....................................... 23 a) PPV và IPPV ............................................................................................ 23 b) VOD và NVOD ....................................................................................... 23 2.3.2 Các ứng dụng băng rộng trên cơ sở Internet .............................................. 24 a) Web Browser trên STB ............................................................................. 24 b) Email ........................................................................................................ 25 c) Thương mại điện tử ................................................................................... 25 d) Các dịch vụ tại nhà: Ngân hàng, giáo dục, game ....................................... 26 2.3.3 Ứng dụng truyền thoại trên mạng cáp ........................................................ 27 2.4 Tiêu chuẩn hoá modem cáp ......................................................................... 28 Chương III: MODEM CÁP 3.1 Một số khái niệm liên quan ............................................................................. 31 3.1.1 Tiêu chuẩn DOCSIS ............................................................................... 31 3.1.2 Lớp giao thức DOCSIS MAC .................................................................. 34 3.1.3 Mã khoá liên kết dữ liệu ........................................................................... 39 3.1.4 Kĩ thuật nén ảnh động MPEG .................................................................... 39 3.1.5 Kĩ thuật điều chế ...................................................................................... 44 3.1.6 Kĩ thuật xử lý lỗi........................................................................................ 41 3.2 Cấu trúc và hoạt động của modem cáp và CMTS ............................................ 44 3.2.1 Cấu trúc của modem cáp ........................................................................... 44 3.2.2 Cấu trúc của CMTS ................................................................................... 46 3.2.3 Hoạt động của modem cáp và CMTS......................................................... 47 * Giai đoạn khởi động modem ...................................................................... 47 * Truyền tải lưu lượng đường lên .................................................................. 49 * Truyền tải lưu lượng đường xuống ............................................................. 50 3.3 Một số vấn đề liên quan đến hoạt động modem .............................................. 51 3.3.1 Nhiễu và biện pháp xử lý ........................................................................... 51 * Nhận xét chung về nhiễu trong môi trường cáp .......................................... 51 * Tạp âm nhiệt .............................................................................................. 52 * Tạp âm tích luỹ quang ................................................................................ 53 * Nhiễu đầu vào ............................................................................................ 54 * Méo đường chung ...................................................................................... 54 * Nhiễu xung, nhiễu cụm .............................................................................. 55 * Điều chế Hum ............................................................................................ 56 3.3.2 Quản lý modem ......................................................................................... 57 3.3.3 An toàn thông tin ...................................................................................... 58 3.4 So sánh với modem ADSL ....................................................................... 60 3.5 Một số nghiên cứu phát triển tương lai cho modem cáp ................................. 63 Chương IV: TRUY NHẬP BĂNG RỘNG VỚI MẠNG CATV Ở VIỆT NAM 4.1 Tình hình phát triển các mạng truyền hình ở Việt Nam ............................ 65 4.2 Các mạng truyền hình cáp hữu tuyến ở Việt Nam ........................................ 68 4.2.1 Mạng truyền hình cáp hữu tuyến Đài truyền hình Việt Nam ..................... 68 4.2.2 Mạng truyền hình cáp hữu tuyến Đài truyền hình Hà Nội ......................... 70 Kết luận ........................................................................................................... 78 Phụ lục ............................................................................................................ 79 Phụ lục A-1 Ví dụ danh mục cho dịch vụ IPPV ................................................. 79 Phụ lục A-2 Các hình thức thanh toán trong giao dịch điện tử ....................... 80 Phụ lục A-3 So sánh Euro-DOCSIS và DVB-RCC ..................................... 81 Phụ lục B-1: Mô hình các phần tử nhiễu ................................................... 82 Phụ lục B-2: Tạp âm nền tương ứng băng tần tạp âm đường lên .................... 82 Phụ lục C: Danh sách khu vực đã có truyền hình cáp ....................................... 83 Các thuật ngữ viết tắt ...................................................................................... 87 Tài liệu tham khảo .......................................................................................... 91 Danh sách các hình và bảng Hình 1-1 Cấu trúc hệ thống ADSL Trang 4 Hình 1-2 Mạng truy nhập PLC Trang 6 Hình 1-3 Mạng truy nhập quang kiểu FTTC Trang 7 Hình 1-4 Mạng truy nhập HFC hai chiều băng rộng Trang 8 Hình 2-1 Mạng CATV một chiều đồng trục Trang 10 Hình 2-2 Sơ đồ phân bố phổ tần trên cáp Trang 11 Hình 2-3 Cấu trúc HFC dạng sao Trang 11 Hình 2-4 Cấu trúc HFC dạng vòng Trang 12 Hình 2-5 Sơ đồ khối hoạt động mạng CATV hai chiều Trang 13 Hình 2-6 Sơ đồ khối mô tả thành phần mạng CATV hai chiều Trang 14 Hình 2-7 Sơ đồ khối mô tả bộ khuếch đại hai chiều Trang 15 Hình 2-8 Đáp ứng tần số của bộ duplexer Trang 15 Hình 2-9 Đáp ứng đầu ra của bộ khuếch đại theo tần số Trang 16 Hình 2-10 Sơ đồ khối của cầu rẽ 4 cổng 20 dB Trang 17 Hình 2-11 Sơ đồ khối của node quang Trang 18 Hình 2-12 Vị trí của Modem tại nhà thuê bao Trang 19 Hình 2-13 Các loại modem cáp Trang 19 Hình 2-14 Vị trí CMTS trong mạng Trang 20 Hình 2-15 Một số các server trong mạng modem cáp Trang 20 Hình 2-16 Hệ thống quản lý truy nhập có điều kiện Trang 22 Hình 2-17 Ví dụ truyền hình tương tác AOL Trang 23 Hình 2-18 Trình duyệt web trên TV Trang 24 Hình 2-19 Tiêu chuẩn hoá cho các hệ thống cáp Trang 29 Hình 3-1 Định nghĩa ngăn giao thức DOCSIS trên giao diện RF Trang 31 Hình 3-2 Cấu trúc của gói MPEG chứa dữ liệu DOCSIS Trang 32 Hình 3-3 Cấu trúc khung MAC theo giao thức DOCSIS Trang 34 Hình 3-4 Tìm kiếm kênh đồng bộ Trang 35 Hình 3-5 Bản tin đồng bộ Trang 36 Hình 3-6 Bản tin UCD Trang 36 Hình 3-7 Bản tin MAP Trang 36 Hình 3-8 Quá trình điều chỉnh phạm vi Trang 36 Hình 3-9 Yêu cầu kết nối IP Trang 38 Hình 3-10 Yêu cầu đáp ứng ToD Trang 38 Hình 3-11 Truyền các tham số hoạt động Trang 38 Hình 3-12 Bản tin yêu cầu đăng kí Trang 38 Hình 3-13 Bản tin đáp ứng REG-RSP Trang 39 Hình 3-14 Sơ đồ khối 4 lớp mã hóa sửa lỗi FEC Trang 42 Hình 3-15 Cấu trúc khung FEC đối với điều chế 64-QAM Trang 43 Hình 3-16 Sơ đồ khối đơn giản một modem cáp Trang 44 Hình 3-17 Cấu trúc của CMTS Trang 46 Hình 3-18 Quá trình khởi động modem cáp Trang 47 Hình 3-19a) Ánh xạ ký hiệu QPSK Trang 50 Hình 3-19b) Ánh xạ ký hiệu 16 QAM Trang 50 Hình 3-20 Mô hình ảnh hưởng của nhiễu với đường xuống Trang 52 Hình 3-21 Mô hình ảnh hưởng của nhiễu với đường lên Trang 52 Hình 3-22 Ảnh hưởng của yếu tố tạp âm tích luỹ quang Trang 53 Hình 3-23 Một số nguồn nhiễu đầu vào phổ biến Trang 54 Hình 3-24 Một số điểm tiếp xúc gây méo đường chung Trang 55 Hình 3-25 Nhiễu corona và nhiễu khe do đường điện cao thế Trang 56 Hình 3-26 Cấu trúc truy nhập Internet từ HFC Trang 61 Hình 3-27 Cấu trúc truy nhập Internet từ mạng ADSL Trang 62 Hình 4-1 Cấu trúc mạng truyền hình cáp hữu tuyến Hà Nội Trang 76 Hình 4-2 Cấu trúc mạng HFC hai chiều Hà Nội Trang 76 Hình A-1 Ví dụ mô tả danh sách lựa chọn chương trình Trang 79 Bảng 1.1 Mô tả chung các công nghệ trong họ xDSL Trang 4 Bảng 2.1 So sánh kĩ thuật giữa các tiêu chuẩn Trang 30 Bảng 3.1 Các tốc độ ký hiệu với độ rộng băng tương ứng Trang 31 Bảng 3.2 Quá trình nhận các tham số đường lên Trang 36 Bảng 3.3 Quá trình thiết lập kết nối IP Trang 38 Bảng 3.4 Các thông số đường xuống 64/256-QAM theo chuẩn J.83B ITU-T và J.83A ITU-T Trang 38 Bảng 3.5 Các giá trị chuẩn Nnền ứng với (Bd) đường xuống Trang 41 Bảng 3.6 So sánh giữa modem cáp và modem ADSL Trang 53 Bảng 4.1 Các thông số kĩ thuật chính của mạng truyền hình cáp Hà Nội do Đài truyền hình Việt Nam thực hiện Trang 63 Bảng B-1 Mô hình toán học các phần tử nhiễu Trang 82 Bảng B-2 Các giá trị Nnền ứng với (Bu) đường lên Trang 82 Mở đầu Sự phát triển của các dịch vụ băng rộng ngày nay được đánh giá là bùng nổ trên toàn cầu: mạnh về quy mô và đa dạng về hình thức. Các phương thức truy nhập băng rộng ngày càng được giới thiệu nhiều hơn với những ưu nhược điểm riêng. Sự lựa chọn giải pháp nào là vấn đề quyết định đến khả năng cạnh tranh giữa các nhà cung cấp dịch vụ về chất lượng phục vụ, mở rộng mạng lưới và đa dạng hoá dịch vụ. Do đó sự phát triển của mỗi công nghệ phụ thuộc vào từng khu vực, địa hình phân bố, mức sống người sử dụng, cơ sở hạ tầng mạng lưới sẵn có và tiềm lực kinh tế của từng nhà khai thác và cung cấp dịch vụ viễn thông. Trước đây, thuật ngữ CATV được hiểu là Cable TV ( năm 1948, Mỹ thực hiện thành công hệ thống truyền hình cáp hữu tuyến). Sau 1949, Mỹ lắp đặt thành công hệ thống truyền hình cộng đồng sử dụng anten( gọi là Community Antenna Television), từ đó thuật ngữ CATV được dùng để chỉ chung cho hệ thống truyền hình cáp vô tuyến và hữu tuyến. Nhưng trong giới hạn đồ án này, thuật ngữ CATV chỉ được sử dụng với nghĩa mạng truyền hình cáp hữu tuyến. Phương thức truy nhập băng rộng qua mạng CATV hai chiều đang có nhiều hứa hẹn lợi ích trong tương lai cho các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình. Đây cũng đang là ưu thế cạnh tranh lớn của các công ty cung cấp dịch vụ truyền hình cáp ở Việt Nam: Trung Tâm DVKTTH Cáp( thuộc Đài truyền hình Việt Nam ) và công ty BTS ( thuộc Đài truyền hình Hà Nội) đối với các nhà cung cấp truy nhập băng rộng hiện có ở Việt Nam. Do đó, với mục tiêu mô tả phương thức truy nhập này, đề tài “Modem Cáp và dịch vụ băng rộng” trình bày các vấn đề: về truy nhập băng rộng, về mạng CATV( HFC) hai chiều, về thiết bị modem cáp. Cụ thể các nội dung này được phân tích theo các chương : Chương 1: Trình bày tổng quan về các phương thức truy nhập băng rộng: nhu cầu phát triển dịch vụ băng rộng, một số giải pháp truy nhập băng rộng phổ biến hiện nay và tình hình ứng dụng các giải pháp đó. Chương 2: Trình bày các vấn đề cơ bản trong phương thức truy nhập băng rộng thông qua mạng truyền hình cáp HFC: sự phát triển của mạng truyền hình cáp, kiến trúc hoạt động của mạng CATV hai chiều, các thành phần cơ bản của mạng, các dịch vụ băng rộng trên mạng, các vấn đề tiêu chuẩn hoá cho truyền số liệu trên mạng này. Chương 3: Mô tả modem cáp và CMTS với: mô hình phân lớp, kĩ thuật nén ảnh MPEG, điều chế,... ,cấu trúc, hoạt động, vấn đề nhiễu, an ninh, quản lý....Và một số ưu điểm của modem cáp so với modem ADSL hiện đang cạnh tranh trên thị trường. Chương 4: Trình bày về các mạng truyền hình cáp ở Việt Nam: hiện trạng và các dự án triển khai phương thức truy nhập băng rộng qua modem cáp cho các mạng này. Nội dung đồ án tốt nghiệp này là một vấn đề khá mới ở Việt Nam và được tham khảo rất hạn chế về tài liệu trong nước. Do vậy, đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được sự góp ý để nội dung của đồ án được hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cám ơn tới THS. Lê Duy Tiến đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Em xin gửi lời cám ơn tới TS. Bùi Thiên Hà- Bưu Điện Hà Nội và anh Phạm Anh Đức – Đài truyền hình Hà Nội, đã giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án. Em xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo, nhà trường đã tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình. Sinh viên Phạm Thị Thuỷ Chương I: TỔNG QUAN VỀ TRUY NHẬP BĂNG RỘNG 1.1. Nhu cầu về dịch vụ băng rộng Các dịch vụ băng rộng ngày càng phát triển mạnh về quy mô và xuất hiện dưới nhiều hình thức: truy nhập Internet tốc độ cao, dịch vụ truyền hình VOD và NVOD, dịch vụ giải trí game trực tuyến nhiều người cùng chơi, dịch vụ thương mại điện tử,.... Sự phát triển của Internet băng rộng ngày nay được đánh giá là bùng nổ trên toàn cầu: Theo một dự báo mới của eMarketer: Cuối năm 2003, có khoảng 23,3 triệu gia đình ở Mỹ sử dụng Internet băng rộng( tăng 38% so với con số trong năm là 16,8 triệu ). Tốc độ phát triển này đủ hấp dẫn để các doanh nghiệp giải trí và truyền thông ở Mỹ đầu tư mạnh vào các dịch vụ trực tuyến: Cuối năm 2002, Công ty giải trí Disney đã tung ra Game trực tuyến Toontown nhằm vào các thuê bao băng rộng. AOL Timer Wanner cũng đưa lên mạng các dịch vụ truy nhập nội dung video và audio theo hình thức thuê bao hàng tháng. Điều này sẽ là một nhân tố thu hút số lượng thuê bao băng rộng tham gia vào mạng. Tại Châu Á, thị trường Internet băng rộng cũng phát triển rất nhanh( nếu con số của năm 1999 mới chỉ là 500 nghìn thuê bao thì con số dự báo của năm 2004 đã là 35 triệu thuê bao) và tập trung chủ yếu ở những nước phát triển, đứng đầu là Hàn Quốc: 3/2001 chỉ có 5,5 triệu thuê bao nhưng đến 10/2002 có tới 10 triệu thuê bao trên tổng số dân là 48 triệu người; Số lượng thuê bao băng rộng ở Châu Âu cũng đã tăng gần gấp đôi chỉ trong năm 2002 và trong một nghiên cứu mới công bố vào tháng 7/2003, Forrester dự đoán năm 2008 có khoảng 30% hộ gia đình ở Châu Âu sẽ kết nối Internet băng rộng trong đó sẽ có 71% thuê bao ADSL còn lại chủ yếu là thuê bao cáp. Triển khai truy cập Internet băng thông rộng tại Việt Nam cũng đang diễn ra rất thuận lợi. Theo mục điểm báo tin ngày 7 tháng 6 năm 2003 của trang tin www.saigonnet.vn: Tại diễn đàn viễn thông và công nghệ thông tin- ITC 2003( ngày 5 và 6 tháng 6 tại Hà Nội), việc sử dụng công nghệ truy cập Internet băng rộng ADSL được quan tâm nhiều nhất. Mới đầu dịch vụ này được triển khai thử nghiệm tại Hà Nội, TP HCM và Hải Phòng. Đến đầu tháng 7-2003 dịch vụ này chính thức khai thác tại ba thành phố trên và đến tháng 9 mở rộng phạm vi khai thác đến các tỉnh Hải Dương, Quảng Ninh, Đồng Nai, Bình Dương. Đến cuối năm 2003, 10 tỉnh khác sẽ được sử dụng dịch vụ VNN-ADSL và trong hai năm 2004-2005 sẽ triển khai tại các tỉnh còn lại. Thực tế cho thấy, ở những nơi mà việc truy nhập qua đường dây điện thoại quay số phải chịu rất nhiều hạn chế về băng thông, tốc độ và chất lượng dịch vụ. Người sử dụng phải mất nhiều thời gian chờ đợi để duyệt web, load một bản nhạc, một file ảnh... thậm chí còn có thể bị đứt liên kết khi mạng bị ùn tắc vào những giờ cao điểm. Để nâng cao chất lượng phục vụ và đáp ứng nhu cầu gia tăng về dịch vụ băng rộng, nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đang nỗ lực cố gắng tìm kiếm các giải pháp nâng cấp, thay thế phần mạng truy nhập áp dụng công nghệ mới phù hợp với những thế mạnh của mình. Trong đó việc tận dụng cơ sở hạ tầng có sẵn của mình để có mức giá mới được thuê bao dễ chấp nhận đang là giải pháp mà các công ty độc quyền sử dụng để phát triển, mở rộng mạng lưới và đa dạng hoá dịch vụ của mình. 1.2. Các giải pháp truy nhập băng rộng 1.2.1 Mạng truy nhập đôi dây đồng xoắn Đường dây điện t