Luận văn Nghiên cứu các công nghệ cơ bản và ứng dụng truyền hình di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -----oOo----- NGUYỄN ANH DŨNG Đề tài: NGHIÊN CỨU CÁC CÔNG NGHỆ CƠ BẢN VÀ ỨNG DỤNG TRUYỀN HÌNH DI ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. TRẦN QUỐC THỊNH Hà Nội 2011 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3GPP Third Generation Partnership Project Dự án hiệp hội thế hệ ba 3GPP2 Third Generation Partnership Project 2 Dự án 2 hiệp hội thế hệ ba AAC Advanced Audio Coding M ã hoá âm thanh tiên tiến ALC Asynchoronous Layered Coding M ã hoá phân lớp không đồng bộ AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMR Adaptive M ultirate Đa tốc độ thích nghi ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu phát lại tự động ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền tải không đồng bộ ATSC Advanced Television Systems Committee Standard Tiêu chuẩn uỷ ban các hệ thống truyền hình tiên tiến AVI Audio Video Interleaved Ghép xen Video âm thanh BCM CS Broadcast/M ulticast Service Dịch vụ broadcast/mult icast BICC Bearer Independent Call Control Điều khiển cuộc gọi độc lập phần mang BM-SC Broadcast/M ulticast Service Center Trung tâm dịch vụ broadcast multicast BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CIF Common Interface Format Khuôn dạng giao diện chung CMMB China M obile Multimedia Broadcasting Quảng bá đa phương tiện di động Trung Quốc COFDM Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao được mã hoá CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra dư chu trình CS Circuit Switched Chuyển mạch kênh CSCF Call State Control Function Chức năng điều khiển trạng thái cuộc gọi DAB Digital Audio Broadcasting Quảng bá âm thanh số DAB-IP Digital Audio Broadcasting-Internet Protocol Quảng bá âm thanh số dựa trên giao thức Internet DQPSK Differential Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha vuông góc vi sai DRM Digital Rights Management Quản lý bản quyền số DS-CDMA Direct Sequence Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ chuỗi trực tiếp DTX Discontinous Transmission Truyền dẫn không liên tục DVB Digital Video Broadcasting Quảng bá Video số DVB-H Digital Video Broadcasting-Handheld Quảng bá Video số tới máy cầm tay ECM Entitlement Control M essage Bản tin điều khiển được phép EDGE Enhanced Data Rates for Global Các tốc độ dữ liệu tiên tiến đối với phát triển toàn cầu ES Elementary Stream Dòng sơ cấp ESG Electronic Service Guide Hướng dẫn dịch vụ điện tử ETSI European Telecommunications Standards Institute Viện tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu EVDO Evolution Data Only Chỉ dữ liệu phát triển EVDV Evolution Data and Voice Thoại và dữ liệu phát triển FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập hướng đi FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDM Frequency Division M ultiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hướng đi FIC Fast Information Channel Kênh thông tin nhanh FLO Forward Link Only Chỉ liên kết hướng đi FTP File Transport Protocol Giao thức truyền tải tệp GERAN GSM EDGE Radio Access Network M ạng truy nhập vô tuyến GSM EDGE GGSN Gateway GPRS Support Node Node hỗ trợ GPRS cổng GMSC Gateway M SC M SC cổng GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng quát GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSPA High Speed Package Access Truy nhập gói tốc độ cao HSS Home Subscriber Server Server thuê bao thường trú HTML Hypertext Markup Language Ngôn ngữ lập trình siêu văn bản HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản IETF Internet Engineering Task Force Uỷ ban nhiệm vụ kỹ thuật Internet IMS IP M ultimedia System Hệ thống đa phương tiện IP IMT-2000 International M obile Telephone 2000 Điện thoại di động Quốc tế- 2000 IP Internet Protocol Giao thức Internet IPE IP Encapsulation Đóng gói IP ISDB-T Integrated Services Digital Broadcasting-Terrestrial Quảng bá số các dịch vụ tích hợp-mặt đất ISI Intersymbol Interference Xuyên nhiễu giữa các ký hiệu ITU International Telecommunications Union Hiệp hội Viễn thông Quốc tế LCT Layered Coding Transport Truyền tải mã hoá được phân lớp LIC Local-area Identification M ô tả vùng nội hạt LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic LOC Local Operation Center Trung tâm khai thác nội hạt MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MBMS Multimedia Broadcast and M ulticast Service Dịch vụ broadcast và multicast đa phương tiện MCCH MBMS point-to-multipoint Control Channel Kênh điều khiển điểm-tới-đa điểm MBMS MCI Multiplex Configuration Information Thông tin cấu hình ghép kênh ME Mobile Equipment Thiết bị di động MFN Multifrequency Network M ạng đa tần MGCF Media Gateway Control Function Chức năng điều khiển Gateway media MICH MBMS notification Indicator Channel Kênh chỉ thị thông báo MBM S MIDP Mobile Information Device Profile Profile thiết bị thông tin di động MLC Multicast Logical Channel Kênh logic multicast MOT Multimedia Object Transfer Truyền tải đối tượng đa phương tiện MPE Multiprotocol Encapsulation Đóng gói đa giao thức MPEG Motion Pictures Expert Group Nhóm chuyên gia hình ảnh động MM S Multimedia Messaging Service Dịch vụ bản tin đa phương tiện MRF Multimedia Resource Function Chức năng tài nguyên đa phương tiện MSC Main Service Channel Kênh dịch vụ chính MSC Mobile Switching Network M ạng chuyển mạch di động MSCH MBMS point to multipoint Scheduling Channel Kênh định trình điểm-tới-đa điểm MBMS MSK MBMS Senssion Keying Khoá phiên MBMS MTCH MBMS point-to-multipoint Traffic Channel Kênh lưu lượng điểm-tới-đa điểm MBMS MTK MBMS Traffic Keying Khoá lưu lượng MBM S MUK MBMS User Keying Khoá người sử dụng MBMS NMTS Nordic Mobile Phone Service Dịch vụ điện thoại di động Bắc Âu NOC National Operating Center Trung tâm khai thác Quốc gia NPAD Non-programme Associated Data Dữ liệu kết hợp không chương trình OIS Overhead Information Symbols Các ký hiệu thông tin mào đầu PAD Programme Associated Data Dữ liệu kết hợp chương trình PDA Personal Digital Assistant Hỗ trợ số cá nhân PDAN Packet Downlink Ack/Nack Ack/Nak đường xuống gói PDCH Packet Data Channel Kênh dữ liệu gói PID Particular Program Identifier Bộ mô tả chương trình đặc biệt PS Packet Switched Chuyển mạch gói PSS Packet-Switched Streaming Dòng chuyển mạch gói PSTN Public Switching Telephone Network M ạng điện thoại chuyển mạch công cộng PPC Positioning Pilot Channel Kênh hoa tiêu vị trí PTM Point-to-Multipoint Điểm-tới-đa điểm PTP Point-to-Point Điểm-tới-điểm QAM Quadrature Amplitude M odulation Điều chế biên độ vuông góc QCELP Qualcomm Code Excited Linear Predictive Coding M ã hoá dự đoán tuyến tính kích thích mã của Qualcomm QCIF Quater Common Interface Format Khuôn dạng giao diện chung một phần tư QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha vuông góc QVGA Quarter Video Graphics Array M ảng đồ hoạ Video một phần tư RAN Radio Access Network M ạng truy nhập vô tuyến RDP Real Data Package Protocol Giao thức gói dữ liệu thực RLC Radio Link Control Điều khiển liên kết vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNS Radio Network Subsystem Phân hệ mạng vô tuyến RS Reed-Solomon M ã Reed-Solomon R-SGW Roaming Signaling Gateway Gateway báo hiệu chuyển vùng RTCP Real Time Control Protocol Giao thức điều khiển thời gian thực RTSP Real Time Streaming Protocol Giao thức truyền tải dòng thời gian thực RTP Real Time Protocol Giao thức thời gian thực SAP Service Access Protection Bảo vệ truy nhập dịch vụ SC Synchronization Channel Kênh đồng bộ SDP Senssion Description Protocol Giao thức mô tả phiên SFN Single Frequency Network M ạng đơn tần SGSN Serving GPRS Support Node Node hỗ trợ GPRS phục vụ SI Service Information Thông tin dịch vụ SIM Subscriber Identity M odule M odule nhận dạng thuê bao SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi đầu phiên SNAP SubNetwork Attachment Point Điểm gán mạng con SMIL Synchronized Multimedia Integration Language Ngôn ngữ tích hợp đa phương tiện đồng bộ SMS Short M essage Service Dịch vụ bản tin ngắn SS7 Signaling System No 7 Hệ thống báo hiệu số 7 SVG Scalable Vector Graphics Đồ hoạ vector có thể định thang TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiplexing Access Truy nhập ghép kênh phân chia theo thời gian TPC Transition Pilot Channel Kênh hoa tiêu chuyển dịch TPS Transmitter Parameter Signaling Báo hiệu tham số máy phát TS Transport Stream Dòng truyền tải UDP User Datagram Protocol Giao thức datagram người sử dụng UE User Equipment Thiết bị người sử dụng UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao UMTS Universal Mobile Telecommunications Service Dịch vụ viễn thông di động toàn cầu USIM UMTS Subscriber Identity M odule M odule nhận dạng thuê bao UMTS UTRA Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network M ạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS VAD Voice Activity Detection Phát hiện kích hoạt thoại VHF Very High Frequency Tần số rất cao VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú WAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng vô tuyến WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WIC Wide-area Identification Channel Kênh mô tả diện rộng LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ truyền hình di động (Mobile TV) gần đây đã và đang được thử nghiệm và triển khai thành công ở nhiều Quốc gia trên thế giới. Mobile TV là công nghệ vô tuyến được thiết kế để có thể truyền tải được tín hiệu truyền hình trong môi trường vô tuyến di động có băng thông hạn chế và thường xuyên chịu ảnh hưởng của fading, nhiễu và tạp âm, trong khi phải đáp ứng được khả năng hiển thị tín hiệu tốt trên máy đầu cuối cầm tay di động có kích thước màn hình nhỏ, công suất pin tiêu thụ bị hạn chế. Các công nghệ truyền tải tín hiệu Mobile TV bao gồm: Mobile TV truyền tải qua mạng di động 3G, Mobile TV phát qua mạng quảng bá số mặt đất cho các máy cầm tay (DVB-H), Mobile TV phát qua mạng quảng bá đa phương tiện số (DMB), M obile TV phát qua mạng M ediaFLO, Mobile TV phát qua mạng quảng bá số các dịch vụ tích hợp-mặt đất (ISDB-T), M obile TV phát qua mạng quảng bá âm thanh số trên nền IP (DAB-IP) và Mobile TV phát qua các mạng WiFi, WiMAX. Trong đó, các công nghệ M obile TV truyền tải qua mạng 3G, DVB-H, DMB, và MediaFLO đã được nghiên cứu, tiêu chuẩn hoá và sử dụng phổ biến. Ở Việt Nam, công nghệ 3G đang được thử nghiệm, triển khai ở nhiều nhà cung cấp dịch vụ như Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam (VNPT), Tổng Công ty Viễn thông Quân đội (Viettel)…, Tổng Công ty Truyền thông đa phương tiện (VTC) đã tiến hành thử nghiệm công nghệ DVB-H những năm trước đây, trung tâm dịch vụ công nghệ truyền hình và đài truyền hình Việt Nam đã tiến hành thử nghiệm công nghệ DM B vào năm 2008. Sự phát triển của các công nghệ M obile TV thực sự đem lại những sự thay đổi lớn trong lĩnh vực truyền thông đa phương tiện số, khi mà người sử dụng có thể xem tín hiệu truyền hình ở bất kỳ địa điểm nào được phủ sóng truyền hình di động chỉ với một máy di động cầm tay có kích thước nhỏ. Với mong muốn nghiên cứu các công nghệ truyền hình di động cơ bản và qua đó có cơ sở so sánh, đánh giá từng công nghệ từ đó có những đề xuất hướng lựa chọn công nghệ phù hợp tình hình phát triển ở nước ta. Nội dung của đề tài được trình bày như sau: Chương 1: Tổng quan về Mobile TV và tình hình phát triển trên thế giới Chương 2: Nghiên cứu kỹ thuật Streaming và Mobile Multimedia Chương 3: Các công nghệ truyền hình di động cơ bản Chương 4: So sánh, đánh giá các công nghệ truyền hình di động Chương 5: Đề xuất hướng lựa chọn công nghệ, một số ứng dụng cho phát thanh số di động, kết luận, khuyến nghị và hướng phát triển Tóm lại, nghiên cứu các công nghệ truyền hình di động để đề xuất hướng lựa chọn cho phù hợp tình hình ở nước ta.. Tuy nhiên việc nghiên cứu các công nghệ truyền hình di động cũng là một vấn đề phức tạp, đòi hỏi quá trình nghiên cứu kỹ lưỡng và nghiêm túc. Do điều kiện nghiên cứu, thời gian và kiến thức còn hạn chế, trong khuôn khổ luận văn này, tác giả đã cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu và trình bày các vấn đề một cách tổng quan và cơ bản nhất, và chắc chắn rằng luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý quý báu của Quí Thầy và các bạn. Xin chân thành cảm ơn ! Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MOBILE TV VÀ TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Tổng quan về Mobile TV Truyền hình di động (Mobile TV) là công nghệ mã hoá và truyền dẫn các chương trình truyền hình hoặc video để có thể thu được trên các thiết bị di động như điện thoại di động, các thiết bị hỗ trợ số cầm tay (PDA), các thiết bị đa phương tiện vô tuyến, các máy điện thoại có khả năng thu tín hiệu truyền hình di động [1]. Đối với M obile TV, người xem có thể truy nhập các chương trình truyền hình trong khi di chuyển. Các chương trình truyền hình có thể được truyền tải dòng (streaming) tới máy di động để xem ở tốc độ giống như khi được phát hoặc các chương trình có thể được xem với trễ thời gian hoặc có thể được ghi lại toàn bộ giống như băng cassette video hoặc đĩa DVD. Mobile TV không chỉ cho phép truyền dẫn một chiều thông thường mà còn cho phép truyền tín hiệu truyền hình tương tác nhờ sử dụng các kênh phản hồi cung cấp bởi mạng tế bào. Các chương trình có thể được phát ở chế độ quảng bá (broadcast) trong một vùng phủ sóng hoặc phát tới một người sử dụng theo yêu cầu (chế độ unicast) hoặc có thể phát tới một nhóm người sử dụng (chế độ multicast). Các công nghệ truyền hình truyền thống được thiết kế đối với các máy thu cố định, có kích thước màn hình lớn trong đó công suất tiêu thụ không là vấn đề quan trọng. Trong khi đó các máy thu di động có công suất pin hạn chế, kích thước màn hình nhỏ, anten nhỏ được tích hợp ở bên trong máy và có bộ nhớ giới hạn, hơn nữa máy thu có thể chuyển động với tốc độ lên tới 200 km/h [1,5]. Do đó, Mobile TV là công nghệ được thiết kế để đáp ứng được các yêu cầu truyền dẫn tín hiệu truyền hình trong môi trường vô tuyến di động có băng thông hạn chế, máy thu đầu cuối di động có công suất pin tiêu thụ nhỏ kích thước màn hình nhỏ, và giới hạn về tốc độ làm tươi . Các ảnh hưởng quan trọng của môi trường vô tuyến di động bao gồm truyền dẫn đa đường, fading, và hiệu ứng Doppler; trong khi đó hạn chế của máy thu di động là công suất pin nhỏ và anten tích hợp bên trong có độ tăng ích nhỏ. Các công nghệ M obile TV đã được phát triển để khắc phục các hạn chế của môi trường truyền dẫn tín hiệu truyền hình di động cũng như các hạn chế của máy thu tín hiệu truyền hình di động nói trên. Các yêu cầu về mặt công nghệ hỗ trợ việc truyền dẫn tín hiệu truyền hình di động là [1]: - Truyền dẫn theo khuôn dạng lý tưởng phù hợp với các thiết bị truyền hình di động, ví dụ các độ phân giải QCIF (176 X 144 pixels), CIF (352 X 288 pixels), hoặc QVGA (320 X 240 pixels) với mã hoá hiệu quả cao; - Công nghệ tiêu thụ công suất thấp; - Thu nhận tín hiệu ổn định khi di động; - Chất lượng hình ảnh rõ nét mặc dù bị tổn hao tín hiệu do fading và hiệu ứng đa đường; - Hỗ trợ di động ở tốc độ lên tới 250 km/h hoặc cao hơn; - Có khả năng thu tín hiệu trong một vùng rộng khi di chuyển. Hình 1.1: Mô hình chung thu phát đối với truyền hình di động Hình 1.1 mô tả mô hình chung thu phát đối với truyền hình di động. Ở đầu phát, các chương trình truyền hình di động trước tiên được mã hoá nguồn (khuôn dạng chuẩn H.264, MPEG-4, HE-AAC, AM R...), sau đó được mã hoá kênh (mã xoắn, mã turbo...), ghép xen, ghép kênh với chương trình khác, rồi đưa tới bộ điều chế, khuếch đại công suất và đưa tới anten phát ra mạng truyền dẫn vô tuyến. Ở đầu thu, máy cầm tay di động thu được tín hiệu truyền hình di động sẽ thực hiện các chức năng ngược với phần phát bao gồm: giải điều chế, giải ghép xen, giải mã kênh và giải mã nguồn để có thể xem các chương trình truyền hình trên máy di động. Hiện nay có hai phương pháp chính để phát tín hiệu truyền hình di động. Phương pháp thứ nhất là phát qua mạng tế bào hai chiều và phương pháp thứ hai là phát qua mạng quảng bá dành riêng, một chiều. Mỗi phương pháp có các ưu nhược điểm riêng: - Phát tín hiệu truyền hình qua mạng tế bào có ưu điểm là sử dụng được cơ sở hạ tầng mạng đã được thiết lập, do đó sẽ giảm chi phí triển khai. Đồng thời, nhà khai thác đã có sẵn thị trường truy nhập tới các thuê bao hiện tại, các thuê bao này chỉ cần đăng ký dịch vụ truyền hình di động mà họ muốn sử dụng. Nhược điểm chính khi phát tín hiệu truyền hình qua các mạng tế bào (2G hoặc 3G) là vấn đề băng thông hạn chế, điều này có thể làm giảm chất lượng các dịch vụ thoại truyền thống. Tốc độ dữ liệu cao của truyền hình di động có thể làm giảm dung lượng của mạng tế bào. Hơn nữa để thu được tín hiệu truyền hình di động máy đầu cuối cũng cần được thay thế và thiết kế lại (các vấn đề như kích thước màn hình, cường độ tín hiệu thu, công suất pin và khả năng xử lý là các vấn đề cần xem xét khi thiết kế máy thu). Nhiều nhà khai thác dịch vụ di động 2G và hầu hết các nhà cung cấp dịch vụ 3G đang cung cấp dịch vụ video theo yêu cầu và dòng truyền tải video. Các dịch vụ này phát ở chế độ unicast với dung lượng truyền dẫn giới hạn và được xây dựng trên nền các công nghệ sử dụng hệ thống tế bào như GSM , WCDMA hoặc CDMA2000. Một ví dụ về công nghệ được thiết kế trên nền mạng 3G là công nghệ phát dịch vụ broadcast và multicast đa phương tiện (M BM S), hệ thống này có thể hoạt động ở chế độ unicast hoặc multicast. MBMS được thiết kế bởi dự án hiệp hội 3G (3GPP) để phát các dịch vụ truyền hình di động qua mạng GSM và mạng WCDMA. M BMS hoạt động ở băng thông 5 M Hz WCDMA, hỗ trợ sáu dịch vụ truyền tải dòng quảng bá thời gian thực, song song, mỗi dịch vụ có tốc độ 128 kbit/s, trên kênh vô tuyến có băng thông 5 MHz. - Các hệ thống Mobile TV dành riêng được thiết kế để tối ưu hoá sự phân phát tín hiệu truyền hình di động. Các hệ thống này có thể phát trên mặt đất, phát qua vệ tinh hoặc kết hợp cả mặt đất và vệ tinh. Một trong những ưu điểm chính của các hệ thống Mobile TV dành riêng là nội dung Mobile TV có thể được phát quảng bá tới nhiều người sử dụng đồng thời. Nhược điểm của các hệ thống này là yêu cầu đầu tư đáng kể vào cơ sở hạ tầng mạng và các lựa chọn nội dung bị hạn chế. Các công nghệ Mobile TV cạnh tranh nhau để đạt được thị phần chia sẻ thị trường, chúng có nguồn gốc khác nhau và được phát triển với các mục đích khác nhau. Các công nghệ M obile TV được phân loại như trên Hình 1.2. Hình 1.2: Phân loại các công nghệ Mobile TV. Như vậy, Mobile TV được phân loại thành Mobile TV dựa trên các mạng 3G, các mạng quảng bá mặt đất và vệ tinh, và các mạng vô tuyến băng rộng. Đối với mạng 3G, các dịch vụ được chia thành chế độ quảng bá, multicast và chế độ unicast. Tất cả các công nghệ trên đều đang tiếp tục được phát triển do sự phát triển của các dịch vụ truyền hình di động. Hình 1.3 mô tả tổng quan về các công nghệ Mobile TV. Hình 1.3: Tổng quan về các công nghệ Mobile TV. 1.2 Các tiêu chuẩn