Tải bản đầy đủ

Tìm hiểu các chuẩn đóng gói SDI video qua IP

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO THỰC TẬP TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU CÁC CHUẨN ĐÓNG GÓI SDI VIDEO QUA IP

GVHD: Đặng Nguyên Châu
CBHD: Nguyễn Hữu Phong
SVTH:

TP. Hồ Chí Minh, 1
tháng 08 năm 2018


LỜI CẢM ƠN
Sau một mùa hè thực tập quý giá và đầy bổ ích, đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến
Bộ Môn Viễn Thông, Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, vì đã tạo cơ hội cho
em được đi thực tập, cùng với đó là giới thiệu cho em một đơn vị thực tập rất phù hợp là Trung tâm

Nghiên cứu ứng dụng KHKT truyền hình.
Tiếp theo em xin gửi lời cảm ơn đến Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng KHKT truyền hình
và đặc biệt là cán bộ hướng dẫn Nguyễn Hữu Phong. Mặc dù rất tất bật với công việc hằng ngày cũng
như công tác chuyển trụ sở công ty, nhưng anh Phong và các cán bộ khác vẫn luôn tận tình hướng dẫn
em. Sự hướng dẫn của anh chính là nguồn lực chính giúp em hoàn thành kỳ thực tập thú vị này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn Thầy Đặng Nguyên Châu – giáo viên hướng dẫn thực tập, đã nhiệt
tình giúp đỡ em trong việc sắp xếp thời gian thực tập và hướng dẫn những kinh nghiệm cho một sinh
viên lần đầu bước vào môi trường nghiên cứu chuyên nghiệp như Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng
KHKT truyền hình.
Xin chúc Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng KHKT truyền hình bộ môn và các Thầy luôn dồi
dào sức khỏe và thành công hơn nữa trong những dự án của mình.
TP.Hồ Chí Minh, tháng 8 năm2018
Sinh viên thực hiện

2


NHẬN XÉT CỦA ĐƠN VỊ THỰC TẬP

Đơn Vị Thực Tập:Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng KHKT truyền hình– Đài THVN.
Địa chỉ: 158, Nguyễn Hữu Thọ, xã Phước Kiển, Huyện Nhà Bè, TP.HCM.
Đề Tài Thực Tập: TÌM HIỂU CÁC CHUẨN ĐÓNG GÓI SDI VIDEO QUA IP.
Thời Gian Thực Tập: Từ ngày 26/6/2018 đến 12/8/2018.
Nhận Xét Của Đơn Vị Thực Tập:
………………………………………………………………………………………………………………..
………………………………................……………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………..………………..
……………………………………………………………………………………………….
……………………………………………….....
………………………………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………….
………………………………………...
………………………………………………………………………………………………………………………………………………....
...……………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………..……………………………………………………………………………………
Giám Đốc Trung Tâm

Cán Bộ Hướng Dẫn

3


4


Mục Lục

Danh Mục Hình Ảnh Và Bảng

Giới Thiệu
Việc đẩy mạnh chuyển đổi từ SDI video sang các tín hiệu IP đã tạo nên làn sóng phát triển hàng
loạt phương pháp tiếp cận mới. Từ đó việc triển khai bắt kịp với ý tưởng, khái niệm tư duy. Các
phương pháp tiêu chuẩn bắt đầu nổi lên như SMPTE 2022-6, TR-03 và TR-04... Hoặc các dịch vụ khác
như ASPEN và NDI. Khi các chi tiết cho giải pháp IP được xuất hiện thì các nhà khai thác cũng bắt đầu
xem xét đến các phương pháp quản lí mới và cấu trúc nhà máy trong môi trường mới. Bao gồm dây cáp
mới, thiết bị kết nối mới, cách quản lí mới cho nhà máy vận hành. Tuy nhiên các hoạt động công việc
tạm thời sẽ chưa thay đỗi ít nhất là trong ngắn hạn. Vậy câu hỏi đặt ra bây giờ là các nhà khai thác sẽ
điều hướng công nghệ IP và triển khai nó như thế nào trong các nhà đài SDI nhằm phục vụ tốt nhất có
thể. Bài viết này sẽ giới thiệu về tình trạng hiện tại cũng như cách giải quyết các vấn đề thực tế trong
quá trình chuyển đổi nhằm tương thích với hệ thống mới. Đồng thời là một số thành tựu đã đạt được
trong quá trình chuyển hóa từ SDI sang IP.

Chương 1. Tổng quan về SDI.
1.1 Khái niệm về SDI.
SDI là viết tắt của Serial Digital Interface [1] là một tiêu chuẩn video giao diện kĩ thuật số do
hiệp hội kĩ sư điện ảnh và truyền hình (SMPTE) nghiên cứu và phát triển. Một vài tiêu chuẩn đầu tiên
như SMPTE 292M đã có tốc độ lên đến 1.485 Gbit/s. Nhưng tiêu chuẩn này được giới thiệu nhằm hỗ

5


trợ cho việc gia tăng chất lượng, độ phân giải video hay tốc độ hình ảnh, độ đậm của màu sắc. Hiện tại
tiêu chuẩn này đã được sử dụng cho việc truyền tải các tín hiệu video không nén, không mã hóa (hoặc
được nhúng âm thanh theo thời gian). Mặt khác cũng có thể được sử dụng trong các gói thông tin dữ
liệu.

1.2 Tiêu chuẩn đường truyền.
1.2.1Tổng quan.
Hiện tại các mức tiêu chuẩn SDI đều đang sử dụng một hoặc nhiều cáp đồng trục có đầu nối
BNC với trở kháng đặc tính là 75Ω. Đây là loại cáp tương tự với thiết bị analog nhưng có nhiều tiềm
năng và dễ dàng nâng cấp hơn. Tín hiệu có biên độ nguồn khoản 800mV (± 10%) . khoản cách truyền
tải có từ từ 100m đến vài km đặc biệt với sợi quang khoản cách còn xa hơn thế có thể đạt đến 80km.

1.2.2Phân loại các tiêu chuẩn SDI.
a. SMPTE 259M.
• Phạm vi .
Tiêu chuẩn [2] này phù hợp cho các SDI thuộc thiết bị ti vi số hoạt động với các tín hiệu có
thành phần 4:2:2 hoặc các tần số 4fsc. Tiêu chuẩn này được ứng dụng trong các phòng thu truyền hình
có chiều dài vượt quá cáp đồng trục lúc mà tín hiệu bị mất do vượt quá chỉ định của nhà sản xuất máy
thu. Lượng tổn thất có thể tầm 20dB đến 30dB trong một nửa chu kì tần số với mức cân bằng thích hợp
của bộ thu. Bộ thu đã được thiết kế để hoạt động với độ suy giảm tín hiệu hơn được chấp nhận.

• Mức tín hiệu và thông số kĩ thuật.
Các thông số kĩ thuật [2] được xác định nhằm đo các ngõ ra nối tiếp của nguồn phát từ miền tín
hiệu song song về thời gian cũng như các đặc điểm khác phù hợp với thực hành ở phòng thu. Các thông
số kĩ thuật ở ngõ ra thiết bị được đặt ở nhiều vị trí khác nhau trong chuỗi kĩ thuật chứ không toàn bộ do
nhiều thành phần vẫn chưa đáp ứng được. Đồng hồ tần số là đồng hồ nối tiếp và bằng với tỉ lệ bit cho
từng hệ thống truyền hình.

- Đầu ra của nguồn phải được đo qua tải điện trở 75Ω được kết nối thông qua cáp đồng trục ngắn.
- Do nguồn điện sẽ không có mạch ngõ ra cân bằng với 75Ω nên trong quá trình sẽ mất khoản
-

15dB trên dải tần số từ 5MHz đến tần số đồng hồ của tín hiệu được truyền đi.
Biên độ tín hiệu từ đỉnh-đỉnh là 800 mV (±10%).
Độ lệch DC như định nghĩa trong điểm trung gian của tín hiệu theo lí thuyết là 0-0.5V.
Thời gian tăng giảm được xác định khoản giữa biên độ 20% đến 80% tức là không nhỏ hơn 0,4

-

ns cũng không lớn hớn 1.5 ns và không cách nhau quá 0,5 ns.
Vượt qua những ảnh hưởng biên độ lên xuống của các dạng sóng không được quá 10%.

6


- Độ méo trong thời gian chuyển tiếp tín hiệu phải được đo theo SMPTE RP 184. Các thông số
đo phải được xác định trong SMPTE RP 184 và những giá trị đó phải tuân theo những tiêu
chuẩn sau:
Bảng 1. Tham số tiêu chuẩn của SMPTE 259M. [2]
Méo thời gian thấp hơn băng thông
Méo điều chỉnh thấp hơn băng thông

10 Hz

B1

1 KHz

B2

Cạnh trên của băng thông

> 1/10 clock rate

B3

Méo thời gian

0.2 UI p-p

A1

Méo căn chỉnh

0.2 UI p-p

A2

Vạch màu kiểm tra tín hiệu

EG 1

Bộ chia đồng hồ nối tiếp

≠ 10

n

• Đầu nối và các loại cáp.
Đầu nối phải có đặc tính cơ học phù hợp với BNC 50Ω. Các kích thước cơ học của đầu nối có
thể tạo ra trở kháng 50Ω hoặc 75Ω theo lý thuyết nhằm có thể hoạt động ở tần số 850 MHz. Áp dụng
tiêu chuẩn này không yêu cầu một loại cáp đồng trục riêng biệt. Nó chỉ cần thiết cho việc đáp ứng các
tần số bị tổn thất từ cáp dựa trên tỉ lệ dB khoản 1/√f từ 1MHz đến tần số clock nhằm đảm bảo việc
truyền tín hiệu hoạt động chính xác với bộ cân bằng cáp tự động theo độ dài tối đa.


b.


Mã hóa kênh.
Mã hóa kênh được thực hiện theo NRZ-I.
Chiều dài dữ liệu tối đa là 10 bits.
SMPTE 292M.
Phạm vi.
Giao diện [3] này được định danh cho cáp đồng trục và cáp quang kĩ thuật số. Được sử dụng

cho các thành phần của HDTV và hoạt động ở tốc độ trên 1.485 Gb/s. Các bit dữ liệu song song có
nguồn gốc từ các nguồn chỉ định được ghép kênh và tuần tự hóa để tạo thành luồng dữ liệu nối tiếp.
Một định dạng dữ liệu chung và mã hóa kênh được sử dụng cho nguồn dữ liệu song song nhằm giúp
cho hệ thống truyền hình có độ phân giải cao tương đối.
Các giao diện của cáp đồng trục phải phù hợp với ứng dụng và chi phí của nhà sản xuất kể cả
khi mất tín hiệu. Lượng hao hụt này sẽ khoản 20 dB của một nửa tần số clock. Nếu sử dụng giao diện
cáp quang thì chiều dài của một sợi cáp có thể lên đến 200m. Một vài nguồn đã thành tham chiếu và
các định dạng khác được sử dụng ở tốc độ dữ liệu được sắp xếp theo kĩ thuật được xác định cho tiêu

7


chuẩn này. Các cơ chế vận chuyển dành cho các định dạng tốc độ dữ liệu thấp hơn cho giao diện này
khi được phát triển sẽ được thêm ở các tài liệu khác.

• Mức tín hiệu và thông số kĩ thuật.
- Nguồn dữ liệu phải được biểu thị bằng 10 bits trong đó mỗi bits là một định dạng dữ liệu song
song. Với giới hạn này tốc độ dữ liệu chỉ có thể đạt tới 1.5 Gb/s mặc dù định dạng nguồn dữ
liệu song song có thể đạt tốc độ cao hơn.

- Dữ liệu chho dòng TV được chia làm 4 khu vực: thời gian tham chiếu SAV(start of active
video), dòng hoạt động kỹ thuật số, thời gian tham chiếu EAV( end of active video) và xóa dòng
kỹ thuật số như hình sau. Số từ và dữ liệu trong mỗi khu vực được định dạng từ tài liệu nguồn.

Hình 1. Mô hình dữ liệu theo từng khu vực. [3]

- Vì không phải tất cả định dạng dữ liệu kĩ thuật số đều dùng bit song song đều có thời gian tham
chiếu đối ứng dữ liệu nên càn phải sữa đỗi trước khi ghép kênh và tuần tự hóa để đáp ứng các
yêu cầu kỹ thuật. Khi cần bổ sung thêm cho SAV và EAV thì các khoản trống kỹ thuật số sẽ
được sử dụng. Việc này sẽ được thực hiện bằng cách dùng bộ xử lý đồng bộ trong miền song

-

song.
Các tham số cho định dạng nguồn được thể hiện trong bảng sau:
Bảng 2. Tham số của định dạng nguồn. [3]

Tiêu
chuẩn
SMPTE
Kiểu

260M
A

B

295
M
C

274M
D

E

F

G

H

296M
I

J

K

L

M

Dòng mỗi
1125 1125 1150 1125 1125 1125 1125 1125 1125 1125 1125 750 750
khung
Từ mỗi
1920 1920 1920 1920 1920 1920 1920 1920 1920 1920 1920 1280 1280
dòng động

8


Tổng
1035 1035 1080 1080 1080 1080 1080 1080 1080 1080 1080 720 720
dòng động
Từ trên
2200 2200 2376 2200 2200 2640 2200 2200 2640 2750 2750 1650 1650
tổng dòng
Tỉ lệ
30/
30/
30/
24/
60/
30
25
30
25
30
25
24
60
khung
M
M
M
M
M
Vùng mỗi
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
1
khung
Tỉ lệ chia
1
M
1
1
M
1
1
M
1
1
M
1
M
dữ liệu


c.


Mã hóa kênh.
Lược đồ mã hóa kênh được thực hiện bằng NRZ-I.
Chiều dài dữ liệu tối đa 10 bits.
SMPTE 308.
Phạm vi.
ISO/IEC 13818-2 [4] thường được gọi là video MPEG-2 [4] bao gồm đặc tả cấu hình MPEG-2

4:2:2. Dựa trên ISO/IEC 13818-2 tiêu chuẩn này cung cấp đặc tả bổ sung cho cấu hình MPEG-2 4:2:2
ở mức cao. Nó được thiêt kế để sử dụng trong các ứng dụng phân phối, đóng góp truyền hình độ nét
cao. Như trong ISO/IEC 13818-2 tiêu chuẩn này định nghĩa các luồng bit bao gồm cú pháp và ngữ
nghĩa của chúng cùng với những yêu cầu cho bộ giải mã tương thích với cấu hình 4:2:2 ở mức cao
nhưng không chỉ định các tham số vận hành bộ mã hóa một cách cụ thể.

• Hồ sơ cao cấp MPEG-2.
Cấu hình MPEG-2 4:2:2 [4] ở cấp chính được xác định qua ISO/IEC 13818-2. Chỉ những tham
số bổ sung cần thiết như xác định cấu hình 4:2:2 ở mức cao được quy định trong quy chuẩn này. H ồ sơ
của 4:2:2 không quan hệ đến bất kì cấu hình nào khác .

1.2.3Tốc độ bit.
Đối với các ứng dụng tiêu chuẩn [1] được định nghĩa như SMPTE 259M thì có tốc độ bit khoản
270Mbit/s, 360Mbit/s, 143Mbit/s, 177Mbit/s trong đó 270Mbit/s được sử dụng phổ biến. Mặc dù tốc
độ 360Mbit/s đôi khi cũng gặp phải ở chuẩn màn hình rộng. Đối với các ứng dụng được nâng cấp chủ
yếu là 525p trở lên thì sử dụng giao diện có tốc độ 540Mbit/s hoặc giao diện có liên kết đôi như
270Mbit/s mặc dù rất hiếm gặp phải.
Đối với các thiết bị sử dụng chuẩn HDTV [1] thì giao diện kĩ thuật số được sử dụng thường là
SMPTE 292M. Có hai tốc độ tiêu chuẩn là 1.485 Gbit/s và 1.485/1.001 Gbit/s với hệ số 1.001 giúp hỗ
trợ định dạng video với tốc độ các khung hình là 59.94 Hz, 29.97 Hz ... nhằm tương thích với hệ thống
hiện có. Còn đối với tốc độ 1.485 Gbit/s thì được sử dụng rộng rãi hơn với các khung hình có tần số 60

9


Hz, 30 Hz, 24 Hz, 50 Hz... Đặc biệt đối với độ phân giải càng cao, khung hình lớn hơn ... thì yêu cầu về
tốc độ bit càng gia tăng gắn liền với các tiêu chuẩn cao hơn như HD-SDI với SMPTE 372M hay 3GSDI với SMPTE 424M.

1.3 Định dạng dữ liệu.
1.3.1Đồng bộ hóa dữ liệu.
Một gói tín hiệu được đồng bộ hóa (thường sử dụng tham chiếu thời gian thực) xảy ra ngay lập
tức trước khi việc lấy mẫu được thực hiện ở mỗi dòng và ngay sau khi hoạt động lấy mẫu kết thúc. Gói
đồng bộ hóa bao gồm bốn phần 10 bit. Trong đó ba phần đầu giống nhau đều bắt đầu bằng 0x3FF, phần
thứ tư bao gồm ba bit cờ và kiểm tra lỗi. Như vậy có thể có 8 khả năng đồng bộ hóa. Trong giao diện
HD-SDI và các giao diện kép việc đồng bộ hóa phải được thực hiện cùng lúc ở nhiều luồng dữ liệu.
Còn đối với SD-SDI do các giao diện được nâng cấp nên chỉ có một luồng dữ liệu vì vậy chỉ có một gói
tin được đồng bộ hóa tại một thời điểm. Trái ngược với vấn đề có bao nhiêu gói tin xuất hiện thì định
dạng của chúng luôn giống nhau ở tất cả các phiên bản của SDI. Các bit cờ được tìm thấy ở phần thứ tư
của gói tin được gọi là H, F và V. Trong đó H cho biết bắt đầu các khu trống ngang và các bit đồng bộ
hóa phải được thực hiện ngay trước vùng trống có được H. các gói tin như vậy được gọi là EAV. Tương
tự các gói tin xuất hiện ngay trước khi bắt đầu video được gọi là SAV. Còn bit V được sử dụng như biểu
hiện cho vùng trống dọc. Bits F được sử dụng để định dạng các khung định dạng phân đoạn xen kẽ để
cho biết các dòng nên xuất phát từ khi bắt đầu hay sau đó.

1.3.4Kiểm tra lỗi.
Bộ đếm dòng và CRC: trong các dòng tiêu chuẩn kĩ thuật số có độ nét cao cần thêm kiểm tra
các từ nhằm tăng mạnh độ tin cậy của giao diện. Trong các định dạng này bốn gói mẫu sau EAV chứa
một trường kiểm tra tuần hoàn dự phòng dùng để đếm dòng. Trường CRC cung cấp mã CRC cho dòng
trước và có thể được sử dụng để phát hiện lỗi bit trong giao diện. Còn trường đếm số dòng cho biết số
dòng của hiện tại. Ngoài ra mã CRC và bộ đếm dòng không được hỗ trợ cho gia o diện SD và ED mà
thay vào đó là một gói hỗ trợ dữ liệu đặc biệt được sử dụng nhằm thay CRC kiểm tra dữ liệu.
Dòng và lấy mẫu: mỗi mẫu trong một luồng dữ liệu gắn liền với một dòng duy nhất và số mẫu.
Trong tất cả các định dạng mẫu đầu tiên sau gói SAV là mẫu 0 tiếp theo là mẫu 1 ... điều này cũng
tương tự đối với các giao diện SD và HD. Các dòng này được đánh số liên tục với lượng dòng mỗi
khung được chỉ định. Việc xác định dòng một là tùy chọn nhưng cần phụ thuộc theo các tiêu chuẩn liên
quan.
Đánh số liên kết: là một vấn đề trong giao diện đa liên kết. Liên kết đầu tiên được đánh dấu là
liên kết số một các liên kết tiếp theo thì tăng lên. Số liên kết trong một giao diện cụ thể chỉ được xác
định bằng gói VPID nằn trong không gian dữ liệu phụ trợ dọc.

10


1.4 Dữ liệu bổ sung.
1.4.1Nhúng âm thanh.
Cả hai giao diện nối tiếp HD và SD đều cung cấp 16 kênh âm thanh nhúng. Tuy nhiên cả hai
giao diện này đều sử dụng các phương pháp đóng gói âm thanh khác nhau – SD sử dụng chuẩn SMPTE
272M còn HD sử dụng chuẩn 299M. Trong cả hai trường hợp tín hiệu SDI có thể chứa tối đa 16 kênh(8
cặp) được nhúng 48 KHz, kênh âm thanh 24 bit cùng với video. Thông thường âm thanh PCM 48 KHz,
24 bit được lưu trữ theo cách tương thích trực tiếp với giao diện âm thanh kĩ thuật số AES3. Chúng
được đặt trong các khoản thời gian trống ngang, khi tín hiệu SDI không mang lại hữu ích gì vì bộ thu
tạo ra các tín hiệu làm trống riêng của nó từ TRS. Trong các ứng dụng kép thì có đến 32 kênh âm thanh
vì mỗi liên kết có thể chứa đến 16 kênh. Mặc khác tiêu chuẩn SMPTE 299-2 : 2010 có thể mở rộng đến
giao diện 3G-SDI để có thể truyền 32 kênh âm thanh trong một liên kết duy nhất.

1.1.3Phát hiện và xử lí lỗi (EDH).
Do tiêu chuẩn các giao diện được định danh mà không có tổng kiểm tra, CRC, hoặc kiểm tra
tính toàn vẹn dữ liệu, thì gói EDH có thể được đặt tùy chọn trong khoản thời gian dọc của tín hiệu
video. Gói này bao gồm cả các giá trị CRC cho cả hoạt ảnh và toàn bộ trường mã. Thiết bị có thể tính
toán CRC của riêng mình và so sánh nó với CRC nhận được nhằm phát hiện lỗi. EDH thường chỉ được
sử dụng trong các giao diện tiêu chuẩn đã được xác định. Vì vậy sự có mặt của trường CRC trong giao
diện HD là cho EDH là không cần thiết.

1.1.4Định danh tải trọng video (VPID).
Hiện nay VPID ngày càng được sử dụng nhiều hơn để mô tả định dạng video. Trong các phiên
bản đầu của giao diện số serial cách duy nhất để xác định định dạng video là đếm số dòng và mẫu giữa
các chuyển tiếp H và V trong TRS. Với việc giới thiệu các giao diện có liên kết kép và các tiêu chuẩn
về phân đoạn trong khung thì cách trên không còn khả thi nữa. Do đó tiêu chuẩn VPID (được giới thiệu
ở SMPTE 325M) cung cấp một cách xác định duy nhất và rõ ràng về định danh tải trọng video.

11


Chương 2. Một số tiêu chuẩn về đóng gói SDI video qua
IP.
2.1 SMPTE 2022.
Với tiêu chuẩn SMPTE 2022 [5] tập trung rất nhiều vào việc cải thiện độ đồng bộ sẵn sàng cũng
như cấu trục liên kết mới trong việc chuyển đổi SDI video thông qua IP. Ngoài ra là một số lỗi, hạn chế
có thể gặp phải.

2.1.1Tổng quan về đồng bộ sẵn sàng(HA).
Độ sẵn sàng là sự đồng bộ về thời gian khi hệ thống hoạt động. Độ sẵn sàng của 1 bộ phận sẽ
khác và có thể nhỏ hơn toàn hệ thống miễn là hệ thống cung cấp các hành vi cần thiết. Đối với việc sản
xuất video qua IP, hệ thống sẽ bao gồm nhiều thành phần như thiết bị mạng IP, cấu trúc mạng IP, hệ
thống lưu trữ media, hàng loạt các thiết bị xử lí âm thanh, video ... Các lỗi về phần cứng lẫn phần mềm
có thể ảnh hưởng đến HA. Tuy nhiên các vấn đề như quá tải hệ thống, bảo mật có thể ảnh hưởng đến
HA cần được quan tâm hơn về việc thiết kế lẫn cấu trúc. Một thiết kế mạng phù hợp có thể làm giảm
thiểu các vấn đề trên đồng thời cải thiện độ sẵn sàng và hiệu suất hệ thống. Ba yếu tố tác động đến HA
chính là phát hiện lỗi, chuẩn đoán và sữa chữa. Thiết kế tốt có thể là giảm số lượng lỗi. Giảm thời gian
phát hiện lỗi giúp tăng thời gian chuẩn đoán và sữa lỗi.

2.1.2HA trong hệ thống SDI.
12


Về truyền thống một hệ thống SDI bao gồm lõi định tuyến, bộ khung, thiết bị kết nối. Mở rộng
cấu trúc lõi yêu cầu thêm nhiều dây trong mô hình sao. Sự thật là sẽ có nhiều hệ thống dư thừa, việc
phổ biến được ưa thích hơn tính phục hồi của hệ thống với phần dư trong cấu trúc. Các khối của hệ
thống SDI lõi định tuyến điển hình là vi xử lý điều khiển, thẻ I/O, mô-đun chuyển cấu trúc và hệ thống
phụ trợ như nguồn, quạt. Hệ thống SDI truyền thống làm việc với các nguồn trực tiếp như camera,,
những đầu ra với liên kết đa vị trí bao gồm cả lõi định tuyến thông qua phân phối khuyến đại. Cổng
định tuyến liên kết với các thiết bị xử lí thường xuyên nhập vào bộ định tuyến. Lỗi có thể sữa chữa tự
động thông qua việc dùng SNMP ngoại trừ việc báo cáo và hạ cấp các lệnh chấp hành. Cung cấp khả
năng phục hồi cho bộ định tuyến làm tăng khả năng HA với khả năng sữa lỗi tự động.

2.1.3HA trong chuyển đổi mạng.
Thành phần của bộ chuyển đỗi IP điển hình tương tự với SDI gồm bộ giám sát, thành phần cung
cấp giao diện, mô-đun cấu trúc chuyển đỗi, hệ thống phụ trợ như nguồn và quạt. Thường thì người thiết
kế bộ chuyển đỗi IP phải làm một lựa chọn thiết kế tương tự với SDI và các khối có tác động toàn hệ
thống là dư thừa, còn các khối được tập trung không dư thừa.
Bảng kiểm soát chuyển đổi vận hành trên một cặp mô-đun giám sát dư nhằm đảm bảo bất kì lỗi
trong một bộ giám sát nào sẽ không ảnh hưởng đến cả hệ thống chuyển đổi. Cấu trúc mô-đun bao gồm
m:n phần dư cho hoạt động không ngừng. Quạt, nguồn và các khối khác có thể ảnh hưởng toàn hệ
thống hoặc 1:1 hay m:n phần dư. Ngoài ra nguồn cấp có thể được kết nối với đầu vào riêng biệt để
cung cấp sự bảo vệ từ các nguồn cung cấp điện hỏng.

2.1.4Đề xuất cấu trúc liên kết IP.
Cấu trúc 2 tầng leaf và spine đươc đặt tên vì nó trong tương tự việc rời đi thân cây hoặc cành
cây.Mỗi chiếc là thường mang một kết nối với mỗi đốt sóng hoặc yếu tố của cột sống. Nếu hoàn toàn
kết nối theo cách này thì cấu trúc sẽ được gọi là một lưới thép kết nối 1 sang 1. Hầu như mỗi phát sóng
định tuyến truyền thống cung cấp 1 lưới thép kết nối 1 sang 1 trong khung gầm vận tải. Hơn cả I/O
hoặc thẻ cổng. Bộ định tuyến bao gồm những ngõ vào độc nhất và các cổng ngõ ra.
Cấu trúc đảm bảo các tín hiệu chuyễn đỗi qua ba yếu tố: hai card I/O và một card cấu trúc. Nó
cung cấp một số đo lớn dự đoán được về thời gian vận chuyển bởi thiết kế. Mỗi tín hiệu tại cạch biên
hoặc rời đi luôn luôn vận chuyển cùng đường dẫn hành vi. Kết quả là sự chậm trễ chung dựa trên công
nghệ trong yếu tố đó và một vài khác biệt được bù lại. Trong định tuyến SDI phần bù lại hoặc khác biệt
chậm trễ nhỏ hơn cùng gói định tuyến cũng như được cho thấy, phần đầu dòng của gói chập chờn là
chấp nhận được cho cấu trúc băng thông vừa đủ và cung cấp được.

13


Cho những thiết bị phát sóng yêu cầu lượng lớn băng thông như nhiều người xem hoặc máy chủ
sản xuất. Một kết nối có thể thực hiện tại spine giúp cải thiển băng thông hiệu quả. Ngoài ra một kết
nối giữa 2 yếu tố cột sống có thể được kết nối qua thân cây hoặc 1 tín hiệu tập trung để cung cấp nhiều
phiên bản mạnh mẽ của SDI nhiều dây nâng truyền thống. Các lợi ích khác được cung cấp từ “ kéo các
yếu tố ra khỏi khung” bổ sung thêm leave nhằm mở rộng tối ưu sức chứa và nâng cấp card dòng trên
spine với băng thông cao hơn cho mỗi cổng có thể mở rộng kích thước của hệ thống. Hệ thống có thể
mở rộng theo sức chứa băng thông cho một lương yếu tố vào cấu trúc liên kết hoặc cho toàn bộ liên
kết.
Việc giới hạn băng thông có thể được sử dụng cho điều khoản từng phân đoạn mạng. Cũng như
yêu cầu được nắm giữ động lực cơ hội trong số các kênh phát sóng hoặc hỗ trợ tập hợp thân cây để kết
nối được phân phối bởi mạng phụ. Khả năng của tất cả các kênh thuộc cấu trúc có thể mở rộng dựa trên
công nghệ định tuyến được dùng trong mỗi yếu tố, số lượng phân đoạn mạng trong lưới, tổng lượng
băng thông khả dụng và các điều khoản về phân bổ băng thông. Phân tích các khả năng cung cấp để
thiết kế phạm vi từ chặn thông kê đến Clos không chặn (tùy ý từ 1 đến 1) và đến hoàn toàn không chặn.
(tùy từ 1 đến rất nhiều). Việc đa chiều mở rộng là không phù hợp với truyền thông:một khung, một lõi
định tuyến. HA nghĩ là độ sẵn sàng với bộ phục hồi và bộ dư. Ý tưởng có 1+N bộ dư giống như phát
triển trở thành tốt nhất bao gồm toàn bộ 1+1 bộ dư. Cấu trúc liên kết leaf và spine hỗ trợ cho tất cả các
biến thể của các giới hạn ràng buộc. Giá trị thực sự sẽ bị thay đỗi dựa trên các khối của hệ thống nhưng
mối quan hệ về giá đã rõ ràng khi trình bày cấu trúc liên kết. Tính năng được cung cấp cho bộ dư dọc
các phần của toàn thể cấu trúc hoặc tất cả cấu trúc hoặc chỉ một góc cạnh rõ ràng đề nghị được thông
qua bởi cấu trúc spine và leaf và công nghệ IP. Và dĩ nhiên việc chia tỉ lệ tất cả các cách để đầy 1+1 bộ
dư là thực tế. Triển khai việc phân chia mạng với thiết kế chính xác các dòng vận chuyển gia tăng độ
sẵn sàng hơn nữa.
SMPTE 2022-7 liên kết với giải pháp cùng nhau tại góc biên hoặc để chính xác hơn là để thiết
bị đầu cuối kết nối với góc biên. SMPTE 2022-7 đã đăng kí phương pháp bởi gói RTP và khối lượng
của nó có thể bị căn chỉnh thông qua bộ đếm trình tự RTP. Bởi vì đa nguồn có thể phát ra với chung
SSRC, nó cần thiết vì header răng cưa bị ngăn chặn. Cuối cùng nó còn hữu ích khi bao gồm nguồn IP
và địa chỉ đưa đén phân khúc mạng. Sự thật là khi dùng công nghệ này cho phép cấu trúc định tuyến
cung cấp cấp cả 2 dòng cùng chung một phân đoạn mạng, cũng như bổ sung thêm dạng cho hệ thống
back up. Những kĩ thuật trên gia tăng độ sẵn sàng.

2.1.5Cấu trúc liên kết Spine và Leaf .
Trong cấu trúc liên kết mạng 1 hoạt động 1 bảo vệ là hoàn toàn phân chia mà không có sự chia
sẽ tài nguyên. Điểm kết thúc hoạt thiết bị đầu cuối quyết định luồng ngõ vào nào được sử dụng. Cấu

14


trúc liên kết này không yêu cầu hỗ trợ bổ sung trong các thiết bị mạng và cung cấp một điểm bắt đàu
cho triển khai.

2.1.6Cấu trúc liên kết Spine và Leaf với mạng dựa trên SMPTE 2022-7.
Trong cấu trúc liên kết [5] này chỉ có duy nhất một mạng với khối dư và dây kết nối nơi có ý
nghĩa. Nó cho phép các nhà phát sóng dùng tối ưu 1 + 1 bộ dư nơi mà họ cần nó. Nó còn cung cấp hỗ
trợ bộ dư tốt hơn cho các thiết bị không hỗ trợ SMPTE 2022-7 . Từ đó chỉ có 1 mạng và tất cả tài
nguyên được chia sẽ. Mạng có trách nhiệm duy trì việc phân chia các phần hoàn toàn mà không chia sẽ
tài nguyên cho một cặp luồng SMPTE 20022-7 bất kì. Dựa trên những sai lầm, cấu hình và khả năng
của mạng cho thời gian phát hiện lỗi dọc theo các cài đặt toán tử, những lỗi này có thể phục hồi trong
mạng mà không thể nhìn thấy ảnh hưởng ngoại hoặc tăng báo động cho nhà điều hành thực hiện nhưng
hoạt động cụ thể.

2.1.7Điều kiện lỗi, phát hiện và khôi phục.
Thiết kế HA cho hệ thống phát sóng IP với định tuyến spine và leaf cơ sở hạ tầng kết hợp với
nhiều thiết bị. Đảm bảo 99.99999 độ sẵn sàng yêu cầu phân tích ở cấp độ thành phần, cấp độ thiết bị và
dọc theo cả hệ thống. Phần này sẽ liệt kê những lỗi có thể phát sinh , cách phát hiện chúng và cách khôi
phục mà không ngừng hoạt động.

a. Lỗi thành phần thiết bị
Ảnh hưởng của một điểm lỗi cho nguồn điện, quạt, cấu trúc mô-đun và hệ thống điều khiển là
giảm thiểu bởi việc cung cấp 1:1 bộ dư hoặc 1:N bộ phục hồi như một phần của thiết bị. Có những
thành phần dùng tự động phát hiện, vượt qua lỗi nhằm đảm bảo sự tiếp tục hoạt động không bị gián
đoạn. Những lỗi bị phát hiện và báo cáo ngay lập tức. Nghĩa là thời gian sữa chữa có thể tính bằng
phút.
Card dòng hoặc lỗi cổng khôi phục dựa trên giao thức truyền và cấu trúc liên kết mạng được
dùng. SMPTE 2022-7 có khả năng dùng điểm cuối thiết bị tiếp tục mà không bị gián doạn luồng từ
luồng đôi hoặc mạng gây lỗi kết nối mạng. Với hai trường hợp có thể lỗi kết nối

• Lỗi giữa một điểm cuối và góc biên thiết bị phát hiện dùng Ethernet thông thường lỗi và phát
hiện cơ chế vận chuyển. SMPTE 2022-7 có khả năng cho thiết bị tiếp tục nhận luồng thứ 2 mà
không có ảnh hưởng gì nhìn từ bên ngoài.
• Lỗi kết nối giữa 2 bộ chuyển đỗi có ảnh hưởng lớn và nên được phát hiện sớm nhất có thể. Phát
hiện chuyển tiếp hai chiều(BFD) là một kĩ thuật mạng chung nhằm để phát hiện các link lỗi
nhanh chóng bằng việc gửi các gói keep-alive giữa hai thiết bị. Nó làm giảm lỗi phát hiện

15


xuống còn 10’s của ms. Một lỗi được phát hiện, thiết bị có thể gửi tín hiệu cho nhà điều hành
cân thiệp hoặc có thể tự động tìm một phần nối chồng khác cho luồng SMPTE 2022-7.
b. Lỗi suy giảm chất lượng hình ảnh.
Suy giảm chất lượng hình ảnh có thể có nguyên nhân là mất gói hoặc độ méo cao trong mạng.
Mất gói có thể phát hiện tại các thiết bị mạng dựa trên các lớp vật lí hoặc các bộ đếm cổng cao hơn.
Điểm cuối có thể phát hiện mất gói từ mất tích số thứ tự RTP.Gói bị méo chỉ làm việc phát hiện nó
trong mạng khó hơn. Một vài bộ vi xử lý mạng có khả năng đo lường thời gian đến giữa các gói RTP,
nhưng nói chung là đây không phải dặc tính chung. Các thiết bị mạng có thể dự đoán được méo dựa
trên độ tin cậy hàng chờ ở đầu ra.
Các gói có thể trôi thông qua bổ sung chuẩn đoán thăm dò và được cài đặt như một phần của
mạng cung cấp một cách đo lường về vận chuyển toàn vẹn. Do đó bảo vệ được chất lượng hình ảnh. Có
thể thăm dò giá cả và bổ sung độ trễ làm tạo ra nhiều vấn dề bổ sung trong môi trường sản xuất. Thăm
dò phân tích được ảnh video thực sự chính nó. Thường rất đắt tiền.
Điểm cuối là nơi tốt nhất để đo lường độ méo và nhưng dữ liệu vận chuyển suy yếu khác có thể
ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh. Chuẩn đoán dữ liệu có thể được cung cấp cho thông báo lỗi, góc
biên của dấu hiệu lỗi và trạng thái hoạt động bình thường. Điểm cuối có thể phân tích các nội dung của
gói sâu hơn. Nó cung cấp nhưng điểm giá trị hiệu quả trong các phần đơn để phân tích truyền thông
chính nó.

c. Lỗi thời gian.
Với mạng IP, thời gian được mang dọc với data như một phần của luồng. Việc phục hồi kế
hoạch và cấu trúc liên kết từng dùng cung cấp dòng dữ liệu tiếp diễn và được áp dụng trực tiếp cho việc
bảo vệ thời gian. Do đó nó chỉ có ý nghĩa khi mang thời gian trong mạng. Trong trường hợp phân chia
mạng, các mạng sẽ được kết nối cùng một bộ thời gian chính, trong trường hợp của IEEE 1588 nhằm
đảm bảo mạng được đồng bộ. IEEE 1588 đã phòng ngừa để bảo vệ chống lại các lỗi, suy giảm, của
đồng hồ chính. Đặc tính IEEE 1588 như là thuật toán đồng hồ chủ tốt nhất (BMC) , luân phiên chủ và
cụm chủ cung cấp một đồng hồ mạng manh mẽ không ngừng. SMPTE 2059-1 và -2 cung cấp khả
năng tương thích phương pháp về thời gian phát sóng với tiêu chuẩn IEEE 1588

2.2 TR-03, TR-04 và IEEE 1588.
Đây chính là bản dự thảo cho SMPTE 2110. Đặt nền móng cho việc chuyển đỗi sang IP một
cách trọn vẹn. Ngoài ra chúng tôi cũng giới thiệu thêm về cách thực đồng bộ thời gian thực chính xác
theo phương thức Precision Time Protocol (PTP) một cách chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE 1588

2.2.1TR-03 và TR-04.
16


Vào tháng 11 năm 2015 ủy ban VSF về video qua IP đã công bố khuyến nghị kỹ thuật 3 (TR03) [6]. Tác động chính của tài liệu này cực điểm của đầu vào ngành công nghiệp phát sóng nhằm tạo
ra tiêu chuẩn chỉ dựa trên IP. Hơn nữa ủy ban nhận thấy rằng các bản 2022-5,6 không giải quyết được
vấn đề phân tách dễ dàng giưa các luồng video, âm thanh và dữ liệu. Còn trong môi trường phòng thu
sử dụng trực tiếp SDI thì có các ràng buộc tiềm ẩn giữa video và âm thanh. Việc ngắt kết nối đa cấp độ
tạo thành nhu cầu nhúng liên tục nhất là nhúng âm thanh nhưng đây không phải biện pháp lí tưởng. Do
đó ủy ban VSF đã đặt mục tiêu là xác định các định dạng IP mà có thể quản lí được sự phân tách. Điều
này được thực hiện bằng cách xử lí video, âm thanh và dữ liệu dưới dạng các luồng IP riêng biệt sử
dụng các địa chỉ đa hướng tách biệt.

2.2.2PTP.
a. Giới thiệu
Một khái niệm chung [7], đáng tin cậy với độ chính xác cao về thời gian là yêu cầu bắt buộc với
mọi ứng dụng phát sóng. Để xử lý nội dung đa phương tiện được quay chụp bởi nhiều camera, máy ghi
âm thì tất cả nhưng thiết bị sản suất này phải được đồng bộ chặt chẽ, đáng tin về lí thuyết là mãi mãi.
Miễn là SDI được dùng trong truyền tải phương tiện thì việc truyền tần số tín hiệu là cố định. Vì SDI
vốn dĩ đã được đồng bộ với phương tiện truyền thông. Mỗi thiết bị đầu cuối nhất thiết phải đồng bộ hóa
dao động cục bộ của nó với tần số giao động được cung cấp bởi liên kết SDI, đồng bộ hóa 2 cấp độ
hoặc 3 cấp độ thông qua một PLL phù hợp. Tuy nhiên việc tính toán độ trễ do chiều dài cáp trong các
phòng thu thường được yêu cầu kiểm tra thường xuyên theo các quy trình hiệu chuẩn thủ công nhằm
cung cấp sự chính xác. Cuối cùng việc chuyển đỗi thời gian thực tuyệt đối phải thực hiện thông qua các
mã thời gian được nhúng trong video. Tùy vào loại tiêu chuẩn SMPTE được dùng mà có các loại giải
mã khác nhau. Với một cơ sở dùng để tạo mẫu đồng bộ dùng cho tham chiếu về cả tần số lẫn thời gian
thì cần có liên kết với GPS để dược cung cấp tín hiệu thời gian thực.
Vì cả tần số lẫn thời gian đều là các dịch vụ quan trọng trong môi trường sản xuất. Nên các quy
định cần phải được thực hiện nhằm đảm bảo tính liên tục của chúng. Một trong các thiết bị tạo mẫu
đồng bộ dự phòng sẽ được tự động kích hoạt khi thiết bị đang hoạt động bị hỏng.
Mặc dù SDI là một công nghệ nổi tiếng được chứng minh ở tất cả các khía cạnh với nền tảng
cài đặt khổng lồ trên thế giới. Nhưng nó lại có một giới hạn băng thông nghiêm ngặt đang dần lộ rõ khi
xuất hiện các dịnh dạng video có độ phân giải cao. Do đó sự tiếp cận của ngành công nghiệp phát thanh
truyền hình đối với phòng thu IP đang ngày càng tăng vì nó có thể cung cấp một băng thông rộng với
tính linh hoạt cao phù hợp với các thiết bị hiện đại. Hơn nữa để sử dụng tốt một phương tiện truyền
thông thì Ethernet phải dược dùng ở cả truyền tải nội dung lẫn đồng bộ hóa thay vì phải cung cấp cả hạ
tầng cơ sở chỉ để truyền tải thời gian và tần suất đến tất cả các thiết bị trong phòng thu. Vì Ethernet vốn

17


là một môi trường không đồng bộ nên việc truyền tần số không thể thực hiện tương tự SDI. Tóm lại chỉ
cần thời gian của hai điểm nút liên tiếp được đồng bộ thông qua liên kết vật lí thì chúng sẽ trở thành
nguồn tần số. Và pha của các nút sẽ được duy trì miễn là có dữ liệu thực đi qua liên kết.
Trong những năm gần đây các miền ứng dụng cũng đã gặp thách thức tương tự khi phải chuyển
đổi từ các hệ thống truyền thông thừa kế sang Ethernet như giải pháp duy nhất. Ngành công nghiệp
viễn thông và tự động hóa là hai ví dụ điển hình khi nghĩ đến. Ngành công nghiệp viễn thông có cơ sở
hạ tầng phân chia theo thời gian (TDM) hoàn chỉnh nên hình thành Ethernet gần như cùng lúc với một
loạt hệ thống bus truyền thống theo thời gian thực được chuyển đổi thành Ethernet. Trở thành một khái
niệm phổ biến về tần số và thời gian như một yêu cầu quan trọng với viễn thông và tự động hóa.
Giao thức thời gian chính xác IEEE 1588-2008 hóa ra lại phù hợp nhất cho việc cung cấp thời
gian và chuyển tần số với độ chính xác cao cho nhiều ứng dụng. Giao thức đã được chỉ định thận trọng
theo một cách rất khái quát nhằm cung cấp rộng rãi và dễ dàng điều chỉnh sao cho phù hợp ứng dụng
cụ thể thông qua cấu hình PTP. Cho đến nay đã có 9 phiên bản được ra mắt với những chi tiết khác
nhau được chỉ định. Ngành công nghiệp phát sóng dựa tren AES67 và SMPTE 2059-2 để đồng bộ thời
gian với các phiên bản trước đã được xuất bản bởi hiệp hội kĩ sư âm thanh dành cho các ứng dụng
chuyên về âm thanh trong khi các phiên bản sau được dùng video trên IP trong các phòng thu. Ngược
lại với yêu cầu của các ứng dụng ngành công nghiệp phát thanh có yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian để
sử dụng cho nhiều trường hợp khác nhau. PTP sẽ cung cấp thời gian đồng bộ cho cả hai với độ tin cậy
cao như trong xe tải phát sóng hoặc phòng thu với hàng nghìn thiết bị.

b. Nguyên tắc cơ bản về chuyển đổi thời gian với PTP.
Nếu tất cả các nút trong mạng được đồng bộ với nhau theo nguyên tắc IEEE 1588. Chúng cần
có sự trao đổi tin nhắn sự kiện định kì. PTP tuân thủ các nguyên tắc Master – Slave nghiêm ngặt để
truyền tải thông tin thời gian. Giả định rằng có một nút được chọn làm Master thì ta có kĩ thuật đồng bộ
như sau nút Master gửi tín hiệu đồng bộ hóa tới các nút Slave một cách thường xuyên. Về nội dung cơ
bản là thời gian ở nút Master. Trên thực tế thì đó phải là những thời điểm rất chính xác tại lúc Master
gửi thông điệp (gọi là T1) qua kênh vật lí. Mỗi Slave lần lượt gửi thời gian nhận tin nhắn đồng bộ của
mình (gọi là T2 ) theo thang thời gian cục bộ từ đó xác định độ trễ của thông báo qua kênh vật lí.
T2 - T1 = độ trễ truyền dẫn + thời gian bù giờ.
Để tính toán độ trễ thì Slave thực hiện quy trình thời gian thứ 2 bằng cách gửi gói tin yêu cầu trì
hoãn để ghi nhận thời gian khi truyền qua môi trường vật lí được khởi tạo (gọi là T 3). Master lần lượt
ghi lại thời gian khi nó nhận các gói tin (gọi là T 4) này và chuyển dữ liệu này trở về Slave bằng cách
gửi một yêu cầu trì hoã. Chu trình đo này được lặp đi lặp lại liên tục cho việc lọc cũng như tín toán cấu
trúc thay đổi. Sự chênh lệch giữa hai thời gian trì hoãn bằng với độ trễ truyền tải trừ đi thời gian bù.

18


T4 – T3 = độ trễ truyền dẫn – thời gian bù giờ

Hình 2. Mô hình dòng gửi gói tin PTP. [7]

c. Độ chính xác PTP
Độ chính xác tổng thể dựa vào phụ thuộc vào nhiều yếu tố, rõ ràng nhất trong số đó là độ chính
xác theo 4 lần timestamps có thể lấy. Nếu yêu cầu độ chính xác dự phòng thì cần có một mô đun phần
cứng chuyên dụng tại mỗi nút PTP. Nó quét tất cả các lưu lượng vào và ra với việc càng gần giao diện
mạng vật lí với một chuỗi timestamps từ mô đun thời gian phần cứng chuyên dụng khi phát hiện một
tin nhắn sự kiên PTP. Thiết bị này phải có độ phân giải cao vì các hệ thống hiện đại có thể yêu cầu ngắn
hơn 10 ns.
Trong các mạng Ethernet hiện đại tất cả các nút được kết nối với nhau qua các thiết bị mạng
thông minh như switch hoặc router cho việc chuyển mạch qua gói lớp 2, 3 tương ứng. Kĩ thuật này đã
cho thấy độ hiệu quả về lưu lương mạng tổng thể cho phép mọi nút có thể hoạt động ở chế độ song
công. Đối với việc đồng bộ hóa chính xác các thành phần mạng đang hoạt động có một nhược điểm
nghiêm trọng. Do thời gian để Slave có thể đồng bộ với Master dựa trên một thời gian đã biết và không
đổi của các gói tin PTP trong khi thời gian cho một thiết bị chuyển mạng tiêu chuẩn không phải là hằng
số. Ngược lại bất kì thiết bị nào đều có các gói biến thể độ trễ. Giá trị và phân phối của nó phụ thuộc
vào cấu trúc và các phần tử mạng đã dùng. Đặc biệt ko kém đó là tải trọng hiện tại của mạng. Bất kì khi

19


nào nhận được tín nhắn, một phần thông tin header sẽ được phân tích để quyết định cổng ngõ ra của nó
để được chuyển tiếp và trong trường hợp thiết bị ở lớp 3 thì thông báo sẽ được sữ đổi trong quá trình
này. Quá trình này giới thiệu độ trễ, có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào cấu trúc và phần cứng của
chuyển đổi mạng cũng như phụ tải mạng hiện tại mà thiết bị cần phải xử lí. Nghĩa là lưu lượng các
cổng khác cũng được chuyển tới PTP cùng lúc.

d. Quy trình bầu chọn Master.
Như đã đề cập trước đó thì PTP yêu cầu một nút làm Master trong khi các nút còn lại trở thành
Slave. Điều cần lưu ý là cuộc bầu chọn này là một quá trình tự động được điều chỉnh bằng thuật toán
thời gian tốt nhất (BMCA) đảm bảo rằng nút có thời gian tốt nhất(ổn định nhất) sẽ trở thành PTP
Master. Nó được kích hoạt bởi hai sự kiện riêng biệt: bất cứ khi nào Master không hoạt động hoạt có
một nút có thời gian tốt hơn (chính xác hơn) được gắn vào mạng. Dữ liệu của tất cả các nút được dùng
để xác định xem đâu là Master tốt nhất được truyền tải qua thông báo tin nhắn PTP rằng Master hiện tại
đang gửi liên tục tới tất cả Slave. Nếu họ ngừng nhận các tin nhắn thông báo trong một khoản thời gian
nhất định thì tất cả các nút sẽ khởi tạo BMCA bằng cách gửi tin nhắn thông báo về chất lượng thời
gian. Họ sẽ so sánh tất cả dữ liệu về tin nhắn thông báo họ nhận được từ các nút với tập dữ liệu cục bộ
của riêng họ. Nút có thời gian tốt nhất sẽ trở thành Master.
Hơn nữa BMCA có thể kể đến Master tốt hơn để kết nối mạng nhằm quản lí tất cả. Như một
thiết bị để đánh giá nội dung các tin nhắn thông báo từ master hiện tại. Nếu nó quyết định tiếp quản, nó
sẽ bắt đầu gửi tin nhắn thông báo về Master hiên tại kết thúc và các Slave sử dụng nó để tham chiếu
thời gian.

e. Thiết bị mạng nhận thức PTP.
IEEE 1588 giải quyết vấn đề của PDV được gây ra bởi các thiết bị mạng bằng cách giới thiệu
hai loại thiết bị mạng nhận biết PTP là TC S và BCS. Các hành động trước đây của thiết bị mạng khi xử
lí các sự kiện PTP theo một cách đặc biệt. Một TC bao gồm một đồng hồ chính xác cho phép đo khoản
thời gian càn thiết để chuyển tiếp bất kì thông báo sự kiện PTP nào đã cho phép. Một timestamps được
rút ra khỏi đồng hồ của nó khi nhận được tin nhắn và lưu trữ cục bộ. Nếu tin nhắn được gửi lại từ bất kì
cổng nào của TC thì timestamps khác sẽ được rút ra. Sự chênh lệch thời gian giữa hai timestamps chính
là khoản thời gian cư trú của gói tin. Thông tin này sẽ được đưa vào vùng xác nhận trong tin nhắn đồng
bộ hoặc lưu trong các trường tương ứng của tin nhắn trì hoãn tương ứng. Phương pháp cũ được gọi là
one step và TC two-step.
Cần lưu ý là các thiết bị 1-step à 2-step không có nghĩa là phải loại bỏ lẫn nhau trong nội bộ
mạng. Bất kì đồng hồ hoạt động bình thường nào cũng phải có khả năng trích xuất dữ liệu từ vùng xác

20


nhận bất kể nó được chưa trong tin nhắn đồng bộ hoặc tin nhắn trì hoãn hay trong cả hai. Trong trường
hợp cả hai cùng được sử dùng thì để kích hoạt các tầng của TC thì thời gian cư trú cần được tích lũy
thay vì chèn vào trường hiệu chỉnh. Mỗi Slave bây giờ có thể tính toán chính xác các biến trong thời
gian truyền trong một gói trên cơ sở thuận dòng hay ngược dòng. Nếu giá trị hiệu chỉnh đơn giản chỉ để
trừ khỏi timestamps gửi tương ứng thì tính toán được độ trễ tổng thể cho quá trình truyền tải bằng kênh
vật lí tương ứng với các phân đoạn mạng giữa Master và Slave. Độ trễ này thay đổi khoản 1ns trong
mổi phân đoạn.
Mặt khác BC dự định phân phối vùng thời gian trong các mạng lớn giúp giảm đán kể các tin
nhắn mà nút PTP Master phải xử lí. Thay vì chuyển tiếp các thông điệp PTP từ Master đến tất cả các
cổng nhử TC đã làm thì BC chấm dứt các lưu lượng PTP đến. Các thông báo PTP sử dụng để đồng bộ
hóa các phần cứng đồng hồ cục bộ chính xác của BC được gắn vào Master ở cổng tương ứng. Tất cả
các cổng khác sẽ tạo tín nhắn đồng bộ bằng thông tin thời gian của đồng hồ cục bộ. Để kết thúc thì mỗi
cổng của BC phải có khả năng như một PTP hoặc Slave với tất cả các cổng cùng chia sẽ một đồng hồ
nội bộ. Một cổng sẽ đảm nhận vai trò Slave trong khi các cổng khác đóng vai trò PTP Master. Thay vì
vai trò được xác định trước bằng cấu hình tĩnh phương tiện thì vai trò của mỗi cổng được xác định bằng
chính BC.

f. Tiểu sử PTP
Phiên bản 2.0 của giao thức thời gian chính xác được công bố trong IEEE 1588-2008 là một
định nghĩa chung còn nhiều phần trống cho việc điều chỉnh theo yêu cầu cụ thể của các miền ứng dụng
khác nhau, thường xuyên hơn là loại trừ lẫn nhau. Tiêu chuẩn IEEE 1588-2008 hướng dẫn khá chi tiết
về các quy tắc nhằm chỉ định hồ sơ PTP. Các tổ chức tiêu chuẩn khác nhau xác định nhưng cấu hình để
điều chỉnh PTP phù hợp nhu cầu sử dụng của họ. cho tới nay đã có hai cấu hình PTP dành riêng cho
các ứng dụngphát sóng. Hiệp hội kĩ thuật âm thanh đã xác định thời gian vận chuyển cho các ứng dụng
âm thanh với tiêu chuẩn AES67 trong khi SMPTE tập trung vào các tiêu chuẩn về yêu cầu đối với cơ
sở phát sóng.

2.2.3IEEE 1588.
a. Giới thiệu.
Số lượng IED [8] sử dụng dữ liệu Ethernet ngày càng tăng cho mục đích truyền thông và hầu
hết các chuyên gia mong đợi Ethernet trở thành xương sống truyền thông cho các trạm truyền tải trong
tương lai. Khi xem xét về chi phí độ, độ phức tạp và độ tin cậy thì sẽ là rất lí tưởng nếu Ethernet có thể
sử dụng đồng bộ hóa chính xác cao. Thật không may một hệ thống thời gian dựa trên Ethernet chỉ đạt
độ chinh xác từ 1-4 ms điều này là không đủ cho hầu hết các ứng dụng bao gồm cả IEC,CDP, TWFL và
PMU... Một gải pháp thay thế là dùng tiêu chuẩn IEEE 1588 cũng hoạt động trên mạng dữ liệu với độ

21


chính xác thời gian được cải thiệt đáng kể. Tiêu chuẩn IEEE1588-2008 còn được gọi là tiêu chuẩn thứ
2 là giao thực thời gian chính xác phiên bản 2 là giao thức đồng bộ hóa dựa trên IP/Ethernet mà có thể
nhận ra độ chính xác rất nhỏ.

Hình 3. Mô hình mạng lưới IEEE 1588v2. [8]
Một đồng hồ thông thường là thiết bị đầu cuối siêu Master cho toàn bộ tram biến áp hoặc chỉ là
master nếu nguồn cung cấp thời gian cho các đồng hồ khác trên một đường truyền duy nhất hoặc là một
Slave đồng hồ nếu được đồng bộ hóa hoặc đại lí đồng bộ hóa. Với TC thì từ đầu đến cuối đều là cầu
nối mạng hoặc chuyển hóa khả năng đo thời gian cần thiết cho một tin nhắn 1588 để truyền qua TC.
Đối với các gói thời gian 1588 thì TC đo thời gian lưu trú từ đầu đến cuối và tích lũy giá trị trong
trường hợp đặc biệt và thông báo cho IEEE 1588 như hình sau:

22


Hình 4. Cấu trúc tin nhắn 1588 trong TC. [8]

b. Nguyên lí làm việc của 1588v2.
Quá trình đồng bộ hóa của 1588v2 [8] yêu cầu lựa chọn của siêu Master hoặc Master để đồng
bộ hóa các Slave và sau đó thiết lập hệ thống phân cấp Master – Slave. Thuật toán đồng hồ tốt nhất có
thể xác định đồng hồ mạng nào là tốt nhất để chọn làm đồng hồ chính. Sau khi lựa chọn đồng hồ có thể
bắt đầu xác định trạng thái đã thực hiện, Master – Slave có thể được phân cấp và các cổng trạng thái
chính sẽ bắt đầu gửi tin nhắn 1588. Sau đó các đồng hồ trung gian sẽ so sánh độ trễ của các thông điệp
giữa cổng ở trạng thái phụ và cổng ở trạng thái chính từ đó điều chỉnh giờ địa phương ở các Slave.

c. Các ứng dụng và nghiên cứu trước đây của IEEE 1588.
Từ tháng 12 năm 2009 tại Trung Quóc đã áp dụng IEEE vào các trạm biến áp nhưng về chi tiết
kĩ thuật, hiệu suất IEEE thì không được công bố.
Các thiết bị IEEE bao gồm đồng hồ và các thiết bị Ethernet chuyển mạch từ nhiều nhà sản xuất
khác nhau với các hồ sơ về năng lượng đẫ được kiểm tra bởi ủy ban PSRC tổ chức vào đầu năm 2010.
Kết quả cho thấy độ chính xác có thể đạt đến vài trăm ns. Nó cũng phát hiện ra rằng thuật toán đồng hồ
tốt nhất là chon lựa một một đồng hồ không chuẩn như một siêu Master trong suốt trạng thái. Báo cáo
cũng chỉ ra rằng việc có đa nhà cung cấp cũng hữu ích trong việc xác định các vấn đề cần triển khai.
Chính quyền đã tích hợp IEEE 1588 vào một hệ thống trạm biến áp tự động vào năm 2011.
Trong hệ thống này các bộ chuyển mạch Ethernet không hỗ trợ 1588 và cơ chế đáp ứng yêu cầu trì
hoãn thay cho cơ chế phản hồi trì hoãn được chỉ định bởi 1588. Kể quả cho thấy độ trôi của lưu lượng
chỉ chiếm 1% băng thông. Vì thể cần yêu cầu thiết kế bộ chuyển mạch Ethernet 1588v2 cần có độ
chính xác ms cấp thứ 2.
Tại Úc một thử nghiệm đầy đủ phần cứng IEEE 1588 với cơ chế phản hồi yêu cầu trì hoãn đã
được xây dựng 2012. Thử nghiệm cho thấy độ chính xác tốt hơn 500ns khi sử dụng ba TC trong Master

23


và Slave. Tuy nhiên thử nghiệm trên chỉ thực hiện với lưu lượng truy cập giới hạn và thời gian ngắn chỉ
1800s.

d.

-

Chi tiết về IEEE 1588( SMPTE ST 2059-2).
IEEE 1588 cơ bản: đồng hồ thông thường.
Là một nguồn có tần số, pha và thời gian trong mạng dữ liệu.
Một đồng hồ thông thường hoạt động như một Master – Slave đã mã hoa nguồn thông tin thành

-

các gói tin PTP.
Một OC hoạt động như một Slave – Client để giải mã thông tin gốc từ các gói PTP để phục hồi

-

nguyên trạng.
Thách thức ở đây là sự xuống cấp thông tin khi đi qua mạng, các gói tin bị ảnh hưởng cũng như

làm thay đổi độ trễ gói tin.
• IEEE 1588 cơ bản: đồng hồ biên.
- Để làm giảm sự xuống cấp của thông tin khi đi qua mạng, một đồng hồ biên (BC) có thể được
cài đặt.

- Một BC chấm dứt việc kết nối PTP của Master – Slave và tạo một kết nối PTP giữa Slave –
-

Client.
Một BC có thể loại bỏ PDV trong nó cũng như các đồng hồ kế tiếp.
BC có thể được cài đặt ở mọi thành phần mạng nhưng chỉ đạt hiệu suất cao nhất ở Slave –

Client .
• IEEE 1588 cơ bản: đồng hồ trong suốt.
- Một đồng hồ trong suốt (TC) không chấm dứt kết nối PTP.
- Một TC có thể giảm thiểu sự xuống cấp thông tin mà các phần tử mạng là nguyên nhân chính.
- Một TC có thể được cấu hình để loại bỏ PDV chính nó (end-to-end).
- Một TC có thể được cấu hình để loại bỏ độ trễ truyền dẫn trên đường truyền/ liên kết nếu tất cả
các nút trong mạng là TC.

• IEEE 1588 cơ bản: nút quản lí.
- Một nút quản lí có thể giáo tiếp nhiều TC, OC, BC.
- Một nút quản lí có thể cấu hình hoặc giám sát các đồng hồ từ một vị trí tập trung bằng cách sử
dụng tin nhắn quản lí PTP.
• IEEE 1588 cơ bản: đồng bộ.

24


- Một Slave – Client có thể giả định rằng phần trễ đối xứng ở cả thượng nguồn và hạ nguồn dòng
tin. Nó không thể xác định đường dẫn bất đối xứng mà không có sự hỗ trợ thêm. Hình ảnh đây
sẽ minh họa sự đồng bộ.

Hình 5. Mô hình truyền đồng bộ. [9]

• Cấu hình của IEEE 1588-2008.
- Cấu hình PTP bao gồm các tùy chọn bắt buộc, các tùy chọn cấm, phạm vi và giá trị mặc định
-

-

của việc cấu hình thuộc tính.
Một cấu hình IEEE bao gồm các các định danh sau:
 Tùy chọn thuật toán đồng hồ tốt nhất.
 Tùy chọn cấu hình quản lí.
 Tùy chọn đo độ trễ đường dẫn.
 Phạm vi và giá trị mặc định cho việc cấu hình.
 Các cơ chế vận chuyển được yêu cầu, cho phép hoặc cấm.
 Các loại nút được yêu cầu, cho phép hoặc cấm.
 Nó cũng cho phép mở rộng các tiêu chuẩn.
Những ứng dụng khác nhau thì cần có cấu hình khác nhau.
Các khía cạnh cần xem xét trong cấu hình IEEE 1588-2008 là:
 Yêu cầu về đồng hồ.
 Chức năng được triển khai.

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×