IPTV ARCHITECTURES FOR CABLE SYSTEMS

1. IPTV ARCHITECTURES FOR CABLE SYSTEMS Speaker:周楷傑 Chou Kai Chieh 指導教授：吳和庭老師

2. OUTLINE • Introduction • Cable Video Architecture • Cable IPTV Architecture • Cable IPTV Admission control (optional) • Conclusion • References

3. INTRODUCTION • In many regions of the world, cable is the incumbent subscription television service. • To effectively compete in the marketplace and introduce new services cost effectively, cable companies have focused on leveraging their investment in the existing infrastructure. • New technical and new competitor's appearance • Data Over Cable Service InterfaceSpecification (DOCSIS)

4. CABLE VIDEO ARCHITECTURE • Video Service Definition • Broadcast Service • On-Demand Service • Video Transport Architecture • Video System Architecture • Digital Broadcast Architecture • On-Demand Architecture • Switched Digital Video Architecture • Service/Architecture Integration

5. VIDEO SERVICE DEFINITION- BROADCAST SERVICE • Digital broadcast: • 當用戶播放電視時將編碼/壓縮軟體傳送至用戶的STB(Set –top Box)，使它們可以觀看節目 • 但無論用戶收看哪一台皆會把所有頻道發送過去，非常消耗頻寬。

6. VIDEO SERVICE DEFINITION- BROADCAST SERVICE • 數位視訊切換Switched digital video(SDV): • SDV是一種類似數位廣播的技術 (all programs areencoded/compressed.)它也是第一個實現雙向且可將廣播服務中特定的節目發送至用戶群中(the subscribergroup)。 • 一個用戶群可能擁有一個或多個 HFC(hybrid fiber-coaxial) node，一個用戶群可容納125-2000個用戶。

7. HYBRID FIBER-COAXIAL (HFC)光纖同軸混合架構(一) • 主幹線(trunk)部分採用光纖電纜而後以數條同軸電纜拉出 • 每條同軸電纜再利用樹枝狀（branch and tree）架構之方式拉至客戶家中，每個光纖節點約可服務500-2000個家庭左右。 • 此架構下一般路由皆可控制在只有4個以下的放大器，因此傳輸品質可以大幅改善。再加上雙向放大器等元件，HFC網路即可具有雙向傳輸能力。

8. HYBRID FIBER-COAXIAL (HFC)光纖同軸混合架構(二)

9. VIDEO SERVICE DEFINITION- ON-DEMAND SERVICE • 此服務將特定節目只傳送給發出需求的使用者，是一個一對一的模組 • Video on demand • 當兩個不同的用戶同時選擇收看相同的電影，他們會看到兩份不同的檔案，所有的隨選服務皆放在伺服器上讓各用戶選取 • Network-based personal video recorder(nPVR)個人錄影機 • 用戶將欲收看的節目利用STB將內容儲存起來，等到可以觀看時再重新放映。

10. VIDEO TRANSPORT ARCHITECTURE • Headend • 負責廣播以及按需服務，通常也是後端管理系統的所在。通常會有：billingsystems, asset management systems, authorizationsystems等系統 • IP transport network • 連接Headend與Hub之間，提供各種服務適當的QoS以及優先權判定 • Hub • 為一個控制大量的頻寬(bandwidth-intensive)以及HFC連接組件的應用程式 • HFC network • Subscriber site • 為具有coax receivers(如STB、cable modem)的商業區或住宅區

11. CABLE VIDEO ARCHITECTURE.

12. VIDEO SYSTEM ARCHITECTURE-DIGITAL BROADCAST ARCHITECTURE(1) • Stat-mux • 負責處理real-time 影像內容的分時多工 • Groomer • 控制最大頻寬與限制影像流量 • Splicer • 為了市場需求而在播出中負責穿插廣告

13. TDM 分時多工 (TIME-DIVISION MULTIPLEXING) • 多個通道訊息可依預定的時槽配置到單一纜線頻寬上的一種技術。不管工作站是否有資料要傳送，頻寬都會被配置到每一通道上。

14. VIDEO SYSTEM ARCHITECTURE-DIGITAL BROADCAST ARCHITECTURE(2) • 將轉發的內容通過 IP網路傳輸給具IP功能的quadratureamplitude modulator （QAM-正交振幅調變），其中的內容是已加密（需使用一個倒頻器），再轉送給STB做播放。另外，許多有線電視公司正在設法將加密的功能與QAM分開。 • Out-of-band (OOB) 頻道負責提供STB基本的通道訊息(例如channel map)、解密金鑰、軟體更新及其他服務

15. 正交振幅調變（QUADRATURE AMPLITUDE MODULATION） • QAM是一種高效率的資料傳輸技術，其可分為QAM-16、QAM-64、QAM-256，QAM在資料傳輸密度上高於某些調變方法。 • QAM-16與QAM-64資料傳輸率上分別為4-bit/symbol及6-bit/symbol，現今有線寬頻網路cable modem 所使用的調變方式即是 • QAM在cable modem標準規格中只使用其中4.5MHz的頻寬

16. 圖：QAM信號群集

17. VIDEO SYSTEM ARCHITECTURE-ON-DEMAND ARCHITECTURE • 為一對一的服務(如前所述之nPVR服務）內文從衛星和地面資源傳給 headend。 獲得的內文先被送到一個groomer，隨後轉送到VODserver。 • 預先撰寫的內文如VOD資料也可以透過介面直接傳送到VODserver，如FTP。 • 一旦發出請求，內文即通過 IP網路傳送到一個session-based的加密器。經過加密後再將內容轉送給IP-enabled的QAM和後方的STB進行播放。 • 因為只有“要求”的內容會被發送到用戶端，所以將“session”這一概念引入按需架構。 • 一個session是將相關於同一主題的一群訊息,包含原始佈告和後續消息，交付給客戶的一個臨時標識。

18. VIDEO SYSTEM ARCHITECTURE-ON-DEMAND ARCHITECTURE(CONT’D) • STB利用軟體與會話管理者（SM- session manager ）進行通訊。 • SM與VOD後台設備（如VOD應用伺服器，應用程序管理系統等）做溝通，授權並確定使用請求的內容。 • SM為session建立所需的加密和QAM資源，然後回覆STB要求的調整和解密的資料，讓STB接收，解碼和播放內文。 • OOB頻道提供STB一個SM的IP地址、軟體更新，以及其他通信。

19. VIDEO SYSTEM ARCHITECTURE-SWITCHED DIGITAL VIDEO ARCHITECTURE • Cable 和 wire line delivery networks有些差異， HFC網路是一個共享介質，在用戶群連接一個分支同軸電纜。 • 用戶群共享下載和上傳的頻寬，而Wire-linenetworks 傳統上是點對點的 • SDV技術為只傳送需要觀看的頻道於HFC網路，有效節省網路頻寬 • SDV技術可讓寬頻DOCSIS與VOD服務交互共用，讓數位電視與寬頻共同分享數位調變(QAM)資源

20. SERVICE/ARCHITECTURE INTEGRATION • 在與SDV做整合之後，我們可以得到新的優勢 • DOCSIS3.0 -頻道綑綁 • – 增加傳輸頻寬係利用RF頻道綑綁技術，讓原來1個RF載波作下行之數據傳輸，在DOCSIS 3.0可利用channel bonding技術將幾個頻道結合，作數據傳輸使用 • 支援各種IP接收器(例如PC、IP-STB 接收器) • Fig 2為將服務與SDV整合之後的示意圖

21. INTEGRATED VIDEO SERVICE ARCHITECTURE

22. CABLE IPTV ARCHITECTURE • 介紹為增加IPTV服務所增設的硬體設備 • QAM and HFCsharing • Channel bonding • Modular CMTS architecture

23. 增設的硬體設備 • IPTV的架構可以直接實現在傳統的有線電視架構上，只需增加三種新的組件 • Cable modem(CM) • 有線數據機終端系統Cable modem termination system(CMTS) • 負責管理網路中所有的CM • 當CM要傳送資料時，均須先向CMTS傳送Request PDU請求保留傳送data PDU的頻寬 • 纜線封包多媒體Packet Cable Multimedia(PCMM)伺服器

24. CABLE MODEM TERMINATION SYSTEM(CMTS) AND CM • CM與CMTS在HFC網路中提供雙向的DOCSIS(Data Over Cable Service Interface Specification)服務，CMTS同時可保證DOCSIS 頻道中的QoS與Quadrature Amplitude Modulation（QAM）正交振幅調變之資源。

25. MODULAR CMTS ARCHITECTURE • Fig3. Modular CMTS Reference Architecture

26. M-CMTSTECHNICAL OVERVIEW(1) • 上圖表示將傳統的CMTS系統分割成兩部分：M-CMTS 核心與EQAM 硬體 • 其中M-CMTS核心有傳統DOCSIS CMTS的所有函式，包含了MAC層的timing 和 framing、packet的分類， service flow 的管理及安全。 • 而EQAM device負責執行RF transmission functions，例如在HFC上傳輸的Data 封包之modulation和frequency up-conversion (升頻率轉換)

27. M-CMTSTECHNICAL OVERVIEW(2) • M-CMTS利用DOCSIS Timing server來負責M-CMTS Core 和 EQAM之間統一的時間參考以及減輕這兩個組件的傳輸延遲差異 • EQAM device也負責VideoQAM devices 的VoD服務，為了控制資源的利用所以M-CMTS制定了Resource Manager 來控制QAM得資源

28. M-CMTSTECHNICAL OVERVIEW(3) • 在ERM中，或是在VODEQAM ，M - CMTS架構提供了Downstream External PHY Interface (DEPI) 來配置資源和分配EQAM給M - CMTS的下游核心使用 • DEPI是一個在第二層的DOCSIS封裝來負責傳輸EQAM device與M-CMTS Core • DRFI(Downstream RF interface)是一個在M-CMTS架構下定義負責收集所有規範要求，希望將來能成為獨立的DOCSIS規格，被引用在未來的模組化或是集合CMTS的實現

29. STB AND IPTV-CAPABLE DEVICES • 用戶端需使用IP STBs才能在IP網路上接收資料，IP STB同時支援VOD與SDV，而IP STB可單獨架設或置入CM中。這樣的做法增加了DOCSIS傳輸之外也同時保留直接以QAM/RF來傳輸的能力，節省成本。

30. PACKET CABLE MULTIMEDIA(PCMM)SERVER • PCMM的架構包含一個 policy server(用途為負責當決策與執行點，管理應用層與CMTS之間的關係。)一個應用層管理(即提供一個policy server介面使之可理解使用者或網路管理者的請求。) 一個CMTS、一個CM和CPE (Customer Premises Equipment，此指網路連結到用戶端的各種設備。)

31. QAMAND HFC BANDWIDTH SHARING • 在如此多的新應用和服務出現後，頻寬變成了一種稀少的資源，被數以百計的用戶分享於資料、聲音及影像應用，有幾種方法可以增加HFC的傳輸量或是頻寬使用率如： • 增加傳輸效率– 調變方式的改變 • 增加用戶可用頻寬– 光節點的分割 • 增加HFC網路頻寬– 750Mhz升級至860﹝870﹞Mhz或1Ghz • IP傳輸骨幹網路擴充 • 類比有線電視全面數位化，空出多於頻寬

32. QAMAND HFC BANDWIDTH SHARING(CONT’D) • DOCSIS的M-CMTS架構，它分開了DOCSIS 的MAC層與PHY層，使得PHY層可以動態分配或釋放資源。這樣的變更也可以讓許多種類的QAMs 如MPEG video QAMs 或是DOCSIS QAMs皆可以使用。 • 為了處理QAM分享的問題，在DOCSIS中增加了一個介面來做動態QAM的分享，叫做Edge Resource Management Interface(ERMI)，置於M-CMTS中

33. DYNAMIC QAM SHARING

34. QAMAND HFC BANDWIDTH SHARING(CONT’D) • 如圖所示，ERMI分成了三個部分，ERMI-1 是一個邊際設備與edge resource manager(ERM)之間的介面，邊際設備是用來暫存QAM的頻道及當QAM連線失敗或狀態改變時發送通知。 • ERMI-2為一個分配QAM得資源給邊際設備的處理介面。 • ERMI-3則是負責將ERM分配QAM頻道之頻寬給M-CMTS的介面。

35. CHANNEL BONDING • DOCSIS 3.0目前可作到上下行4 RF channel bonding • 以DOCSIS 3.0之頻寬已可提供SMB之相關服務

36. CABLE IPTV ADMISSION CONTROL • admission control can be applied to both the IP network from the video source to the CMTS, and the HFC network between the QAM and the CM • 在有線網路進入控制主要專注在光纖的部分，因為這是最常見的瓶頸。如下圖所示

37. CABLE IPTV ADMISSION CONTROL

38. CABLE IPTV ADMISSION CONTROL(CONT’D) • 進入控制信號可以被歸類為 off-path （控制路徑與數據路徑不同）， on-path（控制路徑與數據路徑相同），或 混合的組合。 • off-path直接傳送訊號至決策服務器，on-path的信號則利用data path數據做頻寬要求，一般選擇使用資源預約協議（RSVP）做資源保留。

39. 資源預約(RESOURCE RESERVATION PROTOCOL -RSVP)協定 • 為一整合性服務中的主流標準，屬於訊號式機制，利用訊號去預先保留一些資源，如頻寬、緩衝區等。 • 這協定提供保證每一個資料流的服務品質。 • 資源預約協定是利用信號機制去預約發送端和接收端之間的網路資源。假若在路徑上有一個網路元件(路由器)，沒有足夠資源可以預約，則資源預約協定的設定就會失效。 • 在大網路下，RSVP就必須經過較多的網路元件，因此RSVP的設定成功機率就會降低，為了得到較高的設定成功機率，我們使用簇集(cluster)的架構。在這架構中多條路徑及差異性服務的優先權將會拿來動態的組成差異性服務網路。

40. CABLE IPTV ADMISSION CONTROL(CONT’D) • Fig.4說明了允入控制的信號流程，對於單播的IPTV服務，如VOD、nPVR • 首先STB發送請求給SM，SM藉由PCMM選擇一個獲得video source。SM為了影像服務保留DOCSIS頻寬，video source也可能利用RSVP協定在CMTS保留IP網路頻寬，最後再將結果回傳到SM。 • 另外一種混合的方法，則是video source被SM選擇後利用on-path訊號以及RSVP協定通過video source 到CMTS這段IP網路允入控制，而在IP網路和HFC網路之間使用off-path訊號送到決策伺服器來完成HFC的網路允入控制

41. CABLE IPTV ADMISSION CONTROL(CONT’D) • 群播允入控制，需要特殊考慮。因為交換群播影像服務(Switched multicast video service)頻道變化的要求會花費太多的信號。當所有的頻道同時發出更換請求給決策伺服器會造成控制信號的瓶頸，而解決辦法需要增加新的群播資源在DOCSIS MACdomain中 • Fig. 4利用了 Internet Group Management Protocol (IGMP)協定將PCMM 請求傳送至決策伺服器。當CMTS 接收到一個從STB傳來的IGMP 請求, 它可以決定是否這個PCMM請求是必要的

42. INTERNET GROUP MANAGEMENT PROTOCOL (IGMP) • Internet Group Management Protocol (IGMP)在 RFC 1112「網際網路群組管理通訊協定 (IGMP)」中，將 IP 多點傳送在 TCP/IP 網路中的使用定義為 TCP/IP 標準。 • 除了定義位址及 IP 主機如何支援多點傳送的主機延伸外，此 RFC 也定義「網際網路群組管理通訊協定 (IGMP)」版本 1。RFC 2236「網際網路群組管理通訊協定 (IGMP) 版本 2」則定義 IGMP 版本 2。每個版本的 IGMP 都會提供通訊協定，以交換及更新指定的多點傳送群組中主機成員的相關資訊。 • 此外，Windows Server 2003 系列支援 IGMP 版本 3，如標題的 Internet 草稿中所述。使用 IGMP 版本 3 之後，主機可指定要由指定的來源接收多點傳送的流量，或是由指定來源以外的所有來源接收多點傳送流量。

43. CONCLUSION • 有線電視運營商已經有數以百萬計的用戶使用傳統MPEG傳輸QAM來接收內容。在未來有線電視與IPTV應將共存，且IPTV需要盡量使用現有的基礎措施 • 而有線電視供應商為了與其他IPTV營運商競爭，勢必需要更高的突破性來維持競爭力，如DOCSIS 3.0的channel bonding能力來增加頻寬的使用率給使用者

44. FUTURE WORK • 會繼續探究cable IPTV的相關議題，剛好也有產學合作的計畫將執行，藉著這個機會可以在與同學及老師共同討論中更加了解IPTV • 了解規格與架構後，將繼續往QoS、QoE的議題邁進，與計畫中需完成的部分做接軌，研究cable IPTV如何能完成QoS與QoE相關的規定

45. REFERENCES • [1] 蒲冠志、林俊良著，電力線通訊(PLC)系統工程系列專刊 (四) ─ 電力線通訊調變傳輸技術，URL： http://www.communications.org.tw/upfiles/%E9%9B%BB%E5%8A %9B%E7%B7%9A%E9%80%9A%E8%A8%8A%28PLC%29%E7%B3 %BB%E7%B5%B1%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E7%B3%BB%E5%8 8%97%E5%B0%88%E5%88%8A%28%E5%9B%9B%29%EF%BC%9 A%E9%9B%BB%E5%8A%9B%E7%B7%9A%E9%80%9A%E8%A8% 8A%E8%AA%BF%E8%AE%8A%E5%82%B3%E8%BC%B8%E6%8A %80%E8%A1%93.pdf • [2] CableLabs , “DOCSIS 3.0 Interface Specification” , URL: http://www.cablelabs.com/cablemodem/specifications/specifications 30.html • [3] S. V. Vasudevan,Xiaomei Liu , and Kurt Kollmansberger , Cisco Systems ,IEEE , IEEE Communications Magazine , ’’IPTV Architectures for Cable Systems: An Evolutionary Approach” , pp.102-109 , May 2008. • [4] 鐘昆錚、朱國志、李維聰著，「在HFC網路上DOCSIS標準中碰撞解決演算法之效能研究」，URL： http://dspace.lib.fcu.edu.tw/bitstream/2377/464/1/NT_0322003206.p df • [5] 曾月娥著，「網際網路上提供服務品質保證之動態資源管理」，碩士論文，國立中央大學資訊工程系碩士班，中壢，2000。

46. Q&A