Đề tài Những nguyên lý sáng tạo ứng dụng trong mạng truyền hình cáp hybrid dvb-C/ip

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN ---------------  --------------- BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TRONG TIN HỌC Đề tài: NHỮNG NGUYÊN LÝ SÁNG TẠO ỨNG DỤNG TRONG MẠNG TRUYỀN HÌNH CÁP HYBRID DVB-C/IP Giáo viên hướng dẫn: GS.TSKH. Hoàng Kiếm Học viên: Phạm Vĩnh Thành MSHV: CH1101135 Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2012 1 LỜI NÓI ĐẦU Chúng em xin chân thành cảm ơn GS.TSKH.Hoàng Kiếm đã truyền đạt những kiến thức quý báu từ những kinh nghiệm sống đến những vấn đề khoa học mới nhất trong bộ môn Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học. . Sau khi học xong môn Phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học, em đã có rất nhiều kiến thức về sáng tạo khoa học được áp dụng trong khoa học và trong đời sống.Qua thời gian làm việc tại công ty truyền hình cáp, em đã tìm hiểu về công nghệ IPTV và nghiên cứu ứng dụng vào hệ thống truyền hình cáp hiện tại. Ứng dụng những điều đã học vào công việc, em nhận ra được những phương pháp mà các kỹ sư, các nhà khoa học, nhà sản xuất đã áp dụng để phát triển hệ thống DVB-C hiện tại, bổ sung các tính năng mới để gia tăng cạnh tranh. Trong phạm vi đề tài này, em muốn chia sẽ những khái quát và những hiểu biết bản thân về mạng truyền hình cáp Hybrid DVB-C/IP và những nguyên tắc được ứng dụng của 40 nguyên tắc sáng tạo cơ bản mà em nhận ra. 2 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................. 1 1. Giới thiệu mạng truyền hình Hybrid DVB-C / IP ................................. 3 1.1. Giới thiệu công nghệ truyền hình cáp DVB-C ............................... 3 1.1.1. Giới thiệu chuẩn DVB-C ........................................................... 3 1.1.2. Các thành phần trong mạng truyền hình cáp .............................. 4 1.1.3. Dịch vụ cộng thêm trên mạng truyền hình cáp .......................... 7 1.2. Sự phát triển lên mạng truyền hình Hybrid DVB-C / IP ................ 9 1.2.1. Tổng quan về IPTV ................................................................... 9 1.2.2. IPTV trên nền Internet của CATV ............................................. 9 1.2.3. Hệ thống IPTV lai trên mạng CATV (Hybrid DVB-C / IP) ..... 11 2. Những nguyên lý sáng tạo được ứng dụng ......................................... 12 2.1. Nguyên lý phân nhỏ .................................................................... 12 2.2. Nguyên lý tách khỏi đối tượng .................................................... 13 2.3. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ ...................................................... 13 2.4. Nguyên tắc kết hợp ..................................................................... 13 2.5. Nguyên tắc vạn năng ................................................................... 14 2.6. Nguyên tắc chứa trong ................................................................ 14 2.7. Nguyên tắc sử dụng trung gian .................................................... 14 Tài liệu tham khảo ...................................................................................... 16 3 1. Giới thiệu mạng truyền hình Hybrid DVB-C / IP 1.1. Giới thiệu công nghệ truyền hình cáp DVB-C 1.1.1. Giới thiệu chuẩn DVB-C DVB-C được viết tắt bởi Digital Video Broadcasting – Cable (truyền hình kỹ thuật số qua mạng cáp), là chuẩn của các tập đoàn DVB Châu Âu. Hệ thống truyền các luồng âm thanh và hình ảnh kỹ thuật số nén theo chuẩn MPEG-2 hoặc MPEG-4 qua mạng cáp bằng cách sử dụng điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Chuẩn này được công bố đầu tiên bởi ETSI (European Telecommunications Standards Institute) năm 1994 và sau đó trở thành hệ thống truyền tải được sử dụng rộng rãi nhất cho truyền hình cáp kỹ thuật số ở Châu Âu. Nó được triển khai trên toàn thế giới trong các hệ thống khác nhau, từ mạng truyền hình cáp (CATV – Cable television) xuống những hệ thống nhỏ hơn là truyền hình dùng ăng-ten bắt sóng vệ tinh để truyền ra mạng lưới cáp (SMATV – Satellite Master Antenna Television). DVB-C cũng tích hợp chuẩn truyền dữ liệu qua mạng cáp của Châu Âu (DOCSIS – Data Over Cable Service Interface Specification). Tháng 02/2008, DVB-C2 được công bố là chuẩn mới và phát triển tiếp đến tháng 04/2010 mới được công bố các đặc điểm kỹ thuật. DVB-C2 sử dụng điều chế và các kỹ thuật mã hóa cho phép sử dụng có hiệu quả cao đối với những mạng cáp sử dụng công nghệ cũ đang gặp giới hạn băng thông chiều quảng bá xuống khách hàng (downstream). Bằng cách sử dụng các kỹ thuật mã hóa và điều chế, nó cung cấp hiệu suất phổ cao hơn 30% trong cùng điều kiện triển khai DVB-C như ngày nay. Sau khi tín hiệu tương tự (analog) được tắt thì khả năng chiều quảng bá xuống khách hàng sẽ tăng hơn 60%. DVB-C2 ban đầu sẽ được sử dụng cho việc cung cấp các dịch vụ mới, như là Truyền hình theo yêu cầu (VOD – Video On Demand) và truyền hình 4 độ nét cao (HDTV), giúp nhà khai thác duy trì khả năng cạnh tranh và cũng để đáp ứng các yêu cầu truyền lại. 1.1.2. Các thành phần trong mạng truyền hình cáp 1.1.2.1. Trung tâm CATV Headend (Tầng Core) Truyền hình cáp dân dẫn (Cable Television – CATV), thường được gọi là truyền hình cáp hữu tuyến là một mạng truyền hình trong đó tín hiệu được truyền qua những dây dẫn để đến tivi.Dây dẫn được đề cập ở đây có thể là cáp quang hoặc cáp đồng trục, trong thực tế mạng CATV là một mạng lai giữa cáp đồng trục và cáp quang (Hybrid Fiber Coaxial – HFC).Mạng cáp CATV-HFC khái quát : Trung tâm truyền hình cáp Headend là nơi tập hợp , chọn lọc và quytụ các kênh truyền hình trong nước và thế giới. Các kênh tín hiệu truyền hình có thể lấy từ nhiều nguồn khác nhau như: 5  Các kênh truyền hình độc quyền trong nước được biên tập từ các trung tâm sản xuất chương trình sau đó được đưa đến trung tâm truyền hình cáp bằng nhiều cách như bằng cáp quang,bằng viba MMDS , viba kỹ thuật số mặt đất.  Các kênh truyền hình địa phương lân cận có thể được thu lại bằng các anten Yagi băng tần VHF , UHF.  Còn các kênh truyền hình quốc tế thì được thu trực tiếp từ vệ tinh bằng các loại anten parapol băng tần C-band hay Ku-band. Tùy vào các nguồn thu khác nhau ta sử dụng các loại máy thu khác nhau như:  Thu trực tiếp vệ tinh ta có các máy thu vệ tinh.  Thu các kênh địa phương ta có thể sử dụng các máy De- modulator hay máy MMDS.  Các viba kỹ thuật số mặt đất ta sử dụng các Setup-box để thu chương trình. Các máy thu sẽ thu và giải mã cho ra tín hiệu Video-Audio. Ta có thểtách Video để chuyển đổi sang hệ PAL hay NTSC… Vì có những chương trình nước ngoài sử dụng hệ NTSC hay SECAM không thích hợp cho nhiều loại ti vi của ta. Để quản lý hệ thống được chặt chẽ hơn hay hạn chế kênh phát hoặc để dễ dàng quản lý các thuê bao , chống thu trộm tín hiệu ta đưa tín hiệu Video- Audio từ các máy thu vào bộ khóa mã kênh Encoder. Ta có thể mã hóa một vài chương trình đặc biệt hay mã hóa toàn bộ chương trình. Chương trình được mã hóa và quản lý bằng 1 số code cho từng nhóm kênh khác nhau để khi phân nhóm chương trình thuê bao được thực hiện dễ dàng. Tín hiệu Video-Audio từ các máy thu , Set-top box , Encorder được đưa qua bộ điều chế Modulator . Mỗi Modulator cho ra 1 tần số RF khác nhau sao cho mỗi kênh cách nhau khoảng 8Mhz. 6 Các kênh thu bằng anten Yagi UHF, VHF ta có thể thu lại bằng thiết bị De-modulator để điều chế cho ra 1 tần số RF khác với tần số RF ban đầu thu được. Sau khi điều chế tần số ta tổng hợp tất cả các kênh tín hiệu RF lại bằng các bộ trộn và ghép kênh Combiner nhằm mục đích cho ra 1 đường truyền tín hiệu RF duy nhất. Tín hiệu RF từ Combiner sẽ đưa vào máy phát quang Optical Transmitter để biến đổi nguồn tín hiệu từ điện sang quang nhằm mục đích truyền tải đi xa chống suy giảm nguồn tín hiệu vì cáp quang suy hao rất ít so với cáp đồng trục. 1.1.2.2. Các HUB và thuê bao (tầng Distribute, Access) Các Hub có nhiệm vụ thu tín hiệu từ Headend chuyển đến các Node quang hoặc chuyển tín hiệu quang tới các Hub khác. Ngược lại các Hub có thể truyền tín hiệu về trung tâm Headend nếu đây là một mạng truy cập khép kín. Node quang có nhiệm vụ chuyển tín hiệu quang từ các Hub sang điện RF. Tín hiệu RF được đưa vào bô khuếch đ̣ại Ampli Trunk dùng để khuếch đại đường truyền chính lên rất nhiều lần. Sau đó cho qua bộ chia không đều Coupler nhằm mục đích đưa ra những đường tín hiệu RF không giống nhau có thể mạnh hay yếu để cung cấp cho các khu vưc có nhiều thuê bao hoặc các khu vực có ít thuê bao. Tại cac con hẻm tín hiệu RF được Ampli line khuếch đại lại lần nữa khoảng 120 dBµV sau đó đưa vào bộ chia Splitter qua các bộ Taps để giảm tín hiệu xuống còn khoảng 60 dBµV sau đó đưa tới các ti vi thuê bao. Các hộ có nhu cầu thuê bao các nhóm chương trình đặc biệt ,phải trả thêm tiền thì có thể được trung tâm cho mượn các máy giải mã kênh Decoder. 7 1.1.3. Dịch vụ cộng thêm trên mạng truyền hình cáp 1.1.3.1. Dịch vụ Video OnDemand Một trong những ưu thế của truyền hình cáp hữu tuyến là có thể truyền tín hiệu theo cả hai chiều. Chúng ta hãy khai thác ưu thế này bằng dịch vụ truyền hình theo yêu cầu (Video on demand). “On demand” có nghĩa là người xem có thể xem danh sách các chương trình để lựa chọn chương trình muốn xem và không bị bó buộc về thời gian xem. Công nghệ truyền hình HD và dịch vụ “On demand” là hai vấn đề mà các nhà cung cấp dịch vụ hoàn toàn có thể triển khai trong thời sắp đến để nâng cao vị thế và sức cạnh tranh của mình. Công nghệ truyền hình cáp cho phép người dùng sử dụng chức năng Video On Demand bằng cách dành ra các tần số riêng để truyền hình ảnh theo yêu cầu của riêng từng người dùng. Một vài công nghệ VOD trên mạng CATV:  Subscription VOD: là dạng của cách tính cước trả tiền cho mỗi lần xem (pay-per-view). Vào thời điểm chương trình chạy, người dùng phải dò vào đúng tần số của chương trình do nhà cung cấp dịch vụ lên lịch trước. Với cách này, mỗi chương trình sẽ tốn một tần số riêng và người dùng sẽ phải lệ thuộc vào lịch phát sóng.  Near VOD: Các bản sao chép của chương trình sẽ được phát lặp lại khoảng 10-20 phút. Lúc này, người xem sẽ coi được chương trình mà không cần phải lên lịch trước. Với cách này, người sử dụng sẽ linh động hơn giờ giấc xem chương trình.  Push VOD: Đây là dịch vụ mà nhà cung cấp dịch vụ lưu trữ hộ các kênh chương trình mà người dùng yêu cầu và sẽ được xem lại với khoảng thời gian do người dùng định trước. 8 1.1.3.2. Dịch vụ Internet Việc cung cấp tín hiệu truyền hình cáp đến từng thuê bao, đó là việc cung cấp tín hiệu một chiều, từ Headend đến khách hàng.Với những thiết bị phù hợp, mạng CATV có thể cung cấp các dịch vụ tương tác hai chiều, từ khách hàng có thể gửi các yêu cầu, gửi các thông tin đến headend. Một trong những ứng dụng tương tác hai chiều đã triển khai ở nước ta là internet băng thông rộng trên mạng truyền hình cáp. Để thực hiện được điều này thì các thiết bị trên mạng truyền hình cáp phải đảm bảo truyền được thông tin hai chiều. Ngoài ra tại đầu cuối, thuê bao cần có modem cáp để chuyển đổi dữ liệu theo chuẩn truyền dữ liệu trên mạng cáp (theo chuẩn DOCSIS - Data Over Cable Service Interface Specification) và tại headend phải có bộ CMTS (Cable Modem Termination System) để kết nối với nhà cung cấp dịch vụ Internet. Tín hiệu hai chiều trên mạng CATV phân biệt được với nhau dựa vào tần số. Việc phân chia dải tần tùy thuộc vào chuẩn được sử dụng là DOCSIS hay Euro-DOCSIS. Với chuẩn Euro-DOCSIS dải tần upstream và downstream được phân chia như sau. 9 1.2. Sự phát triển lên mạng truyền hình Hybrid DVB-C / IP 1.2.1. Tổng quan về IPTV IPTV là tên viết tắt của cụm từ Internet Protocol Television: truyền hình qua giao thức Internet.IPTV được định nghĩa là các dịch vụ đa phương tiện như truyền hình ảnh, tiếng nói, văn bản, dữ liệu được phân phối qua các mạng dựa trên IP mà được quan lý để cung cấp các mức chất lượng dịch vụ, bảo mật, tính tương tác, tính tin cậy theo yêu cầu. Có thể thấy, IPTV là một dịch vụ số có khả năng cung cấp những tính năng vượt trội hơn khả năng của bất kì cơ chế phân phối truyền hình nào khác. Ưu điểm của IPTV:  Hỗ trợ truyền hình tương tác: trò chơi trương tác, kênh mua bán  Sự dịch thời gian (time-shifted): lưu lại chương trình đang coi để sau này có thể xem lại  Cá nhân hóa: lưu giữ thói quen của người dùng  Hỗ trợ nhiều loại thiết bị đầu cuối (Multi-screen): TV, Thiết bị cầm tay, …  Chuẩn nén hình ảnh đa dạng  Video với tốc độ bit thay đổi (VBR – Variable Bit Rate) 1.2.2. IPTV trên nền Internet của CATV Phần lớn những kiến thức liên quan để có thể triển khai IPTV trên mạng cáp đã được các nhà điều hành cáp biết đến khi họ triển khai các hệ thống DVB-C trong thập kỷ qua.Tuy nhiên, một số kỹ thuật khác đã được 10 tích hợp vào trong các hệ thống IPTV cáp để thiết kế các giải pháp tối ưu về hiệu quả và chi phí, đồng thời cải tiến những trải nghiệm video cho thuê bao. Mô hình triển khai IPTV trên nền Internet của CATV như sau: Với mô hình này, tín hiệu IPTV được tách biệt hẳn so với mạng DVB-C, giống với những mô hình IPTV đã được triển khai trên các nhà điều hành mạng Internet ADSL, FTTH. Tín hiệu hình ảnh từ hệ thống DVB-C được chuyển sang tín hiệu IP, rồi phát lại cho các IP Set-top box. Như vậy, vấn đề băng thông Downstream sẽ tăng lên cao và tín hiệu Internet Data bị chia sẽ với tín hiệu IPTV. Giải quyết vấn đề băng thông, chuẩn DOCSIS 3.0 được thiết kế để hỗ trợ thế hệ mới của các dịch vụ IP trên mạng DOCSIS.Mục đích là nhằm cải thiện tính mở rộng, hiệu suất và chi phí của mạng DOCSIS, và quan trọng là đảm bảo hỗ trợ được những dịch mới của IPTV cáp. Các đặc điểm mới và quan trọng của DOCSIS 3.0 hầu hết liên quan đến các dịch vụ IPTV gồm: downstream channel boanding, IP multiscat, RF spanning, cân bằng tải (QoS) tốt hơn chuẩn DOCSIS 1.x/2.0. Mỗi lần nâng cấp hệ thống lên chuẩn DOCSIS mới, nhà điều hành cáp phải nâng cấp các thiết bị CMTS và Cable Modem hàng loạt, dẫn tới chi phí đầu tư cao. 11 Người sử dụng phải dùng IP Set-top box đằng sau Cable Modem để xem được tín hiệu IPTV. Như vậy, người dùng phải dùng được hai lựa chọn trong việc mua thiết bị đầu cuối Set-top box:  DVB-C Set-top box: xem được broadcast TV và VOD phát ra từ hệ thống DVB-C, nhưng không xem được tín hiệu IPTV.  IPTV Set-top box: xem được các kênh TV được phát Multicast qua luồng IP và các kênh VOD linh hoạt hơn. Như vậy, triển khai IPTV trên mạng Internet của CATV gặp các vấn đề khó khăn sau:  Thiết bị đầu cuối cho người dùng rời rạc  Chi phí đầu tư hệ thống IPTV và CMTS nhiều  Tối ưu băng thông chưa được tốt 1.2.3. Hệ thống IPTV lai trên mạng CATV (Hybrid DVB-C / IP) Mô hình hệ thống IPTV lai trên mạng CATV như sau: Các vấn đề khó khăn trong mô hình triển khai IPTV trên mạng Internet của CATV đã được giải quyết: 12  Thiết bị đầu cuối: Người dùng chỉ dùng một thiết bị Hybrid DVB-C/IP Set-top box để vừa có thể xem tín hiệu Broadcast TV trên DVB-C, đồng thời tận dụng được khả năng linh hoạt của dịch vụ VOD trên nền IP so với VOD trên DVB-C như trước đây. Ngoài ra, Hybrid DVB-C/IP Set-top box còn kế thừa những tính năng linh hoạt của IP Set-top box như: VoD, Email, News, Timeshift, network PVR, Interactive Game, …  Tối ưu băng thông: Do việc xem tín hiệu Broadcast TV đã được tích hợp trong Hybrid DVB-C/IP Set-top box nên không cần phải chuyển đổi Broadcast TV sang IP để truyền đi. Điều này giúp giảm tải rất nhiều băng thông cho mạng Internet.  Chi phí đầu tư hệ thống IPTV và CMTS: Nhà điều hành cáp tận dụng được hệ thống CMTS cũ vì băng thông vẫn đáp ứng đủ. Đồng thời, nhà điều hành mạng không cần đầu tư hệ thống VOD trên mạng DVB-C và chưa cần thiết đầu tư hệ thống chuyển đổi tín hiệu Broadcast TV ra IP. Hệ thống IPTV lúc này chỉ cần đầu tư VOD. 2. Những nguyên lý sáng tạo được ứng dụng 2.1. Nguyên lý phân nhỏ Nội dung:  Chia đối tượng thành các phần độc lập.  Làm đối tượng trở nên tháo lắp được  Tăng mức độ phân nhỏ của đối tượng Ứng dụng: Hệ thống IPTV được xây dựng từ nhiều loại server: Encoder, Broadcaster, VoD, Strorage, SMS, EPG, CA/DRM … Mỗi server có chức năng khác nhau. Trong mỗi loại server lại có nhiều Server có chức năng khác nhau. Ví dụ như: Để phục vụ tính năng Multi-screen (Nhiều loại 13 màn hình) thì hệ thống IPTV phải có các server Encoder phục vụ cho màn hình TV, hay màn hình của điện thoại, tablet, … 2.2. Nguyên lý tách khỏi đối tượng Nội dung: Tách phần gây "phiền phức" (tính chất "phiền phức") hay ngược lại, tách phần duy nhất "cần thiết" (tính chất "cần thiết") ra khỏi đối tượng. Ứng dung: Hệ thống IPTV có thể đầu tư từng phần. Trong mạng truyền hình cáp Hybrid DVB-C/IP nói trên, ban đầu, nhà điều hành cáp có thể đầu tư hệ thống VOD trên nền IP trước.Sau đó, khi cơ sở hạ tầng được nâng lên hỗ trợ DOCSIS 3.0, FTTH thì nhà điều hành cáp có thể đầu tư tiếp hệ thống Broadcaster để tận hưởng khả năng linh động của truyền hình trên nền IP. 2.3. Nguyên tắc phẩm chất cục bộ Nội dung:  Chuyển đối tượng (hay môi trường bên ngoài, tác động bên ngoài) có cấu trúc đồng nhất thành không đồng nhất.  Các phần khác nhau của đối tượng phải có các chức năng khác nhau.  Mỗi phần của đối tượng phải ở trong những điều kiện thích hợp nhất của công việc. Ứng dụng: Đối với hệ thống VOD trên nền DVB-C, nhà điều hành cáp cần sắp xếp các tần số cho các kênh VOD và số lượng VOD đồng thời là có hạn. Khi chuyển sang hệ thống Hybrid DVB-C/IP, VOD được kế thừa khả năng linh động hơn về thời gian xem và số lượng phim được xem đồng thời. 2.4. Nguyên tắc kết hợp Nội dung: 14  Kết hợp các đối tượng đồng nhất hoặc các đối tượng dùng cho các hoạt động kế cận.  Kết hợp về mặt thời gian các hoạt động đồng nhất hoặc kế cận. Ứng dụng: Trong Hybrid DVB-C/IP Set-top box, phần cứng là sự kết hợp của hai bộ giải mã tín hiệu: giải mã DVB-C và giải mã IP và phần mềm cũng là sự kết hợp của các module: module DVB-C để xem các luồng Broadcast TV và module IP để xem luồng VOD. 2.5. Nguyên tắc vạn năng Nội dung:Đối tượng thực hiện một số chức năng khác nhau, do đó không cần sự tham gia của đối tượng khác Ứng dụng: Trong hệ thống Headend, công nghệ mới sau này đã thay thế tín hiệu RF truyền giữa các thiết bị thành tín hiệu IP Multicast. Từ ý tưởng này, ta có thể tận dụng nguồn Broadcast TV bằng IP để phát multicast ra các IP Set-top box thay vì phải đầu tư thêm hệ thống Encoder, Broadcaster cho các kênh Live TV. Hệ thống này vừa giúp phát chương trình trên hệ thống DVB-C, vừa làm Broadcaster trên hệ thống IPTV. 2.6. Nguyên tắc chứa trong Nội dung:  Một đối tượng được đặt bên trong đối tượng khác và bản thân nó lại chứa đối tượng thứ ba ...  Một đối tượng chuyển động xuyên suốt bên trong đối tượng khác. Ứng dụng: Hybrid DVB-C/IP Set-top box có nhiều tính năng tiện dụng cho người sử dụng: xem tivi, VoD, Media Player để xem các tập tin phim ảnh, … 2.7. Nguyên tắc sử dụng trung gian Nội dung: Sử dụng đối tượng trung gian, chuyển tiếp. 15 Ứng dụng: Hệ thống Hybrid DVB-C/IP được triển khai trên thực tế là bước trung gian để chuyển đổi sang hệ thống hoàn toàn trên nền IP. Với hệ thống này, nhà điều hành cáp cung cấp thêm các dịch vụ cho người dùng và chuyển dần hệ thống lên nền IP khi cơ sở hạ tầng được nâng cấp để hỗ trợ chuẩn DOCSIS 3.0 hoặc FTTH. 16 Tài liệu tham khảo 1. DVB Standard and Specification, 2. DVB-C , 3. HFC, 4. Tương lai của ngành truyền hình cáp, hinh-cap 5. Triển khai IPTV trên hệ thống truyền hình cáp, 6. Verimatrix Secures Enhanced Hybrid DVB-C/IP Digital TV Services for TelstraClear, 7. DIY-BROADCAST: How-to-build-your-own-tv-channel-with-open-source- other-goodies,