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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Eléctrica
Análisis de un Head End de televisión digital para sistemas IPTV y/o OTT
Sebastián Tapia Acevedo
Profesor Guía: Arnaldo Dossi Dossi
Trabajo de titulación presentado en conformidad a los requisitos para obtener el título de Ingeniero Civil Eléctrico.
SANTIAGO-CHILE 2015
© Sebastián José Tapia Acevedo, 2015. Algunos derechos reservados. Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-Chile 3.0. Sus condiciones de uso pueden ser revisadas en: http//creativecommons.org/licenses/by/3.0/cl/
TÍTULO: Análisis de un Head End de televisión digital para sistemas IPTV y o OTT.
CLASIFICACIÓN TEMÁTICA: Televisión digital – Procesamiento de datos; Protocolos de redes de computadores; Tecnología – Procesamiento de datos; Satélites artificiales en telecomunicación. AUTOR: Tapia Acevedo, Sebastián José
CARRERA: Ingeniería Civil en Electricidad PROFESOR GUÍA: Dossi Dossi, Arnaldo AÑO: 2015 CÓDIGO UBICACIÓN BIBLIOTECA:
2015 / E / 008
RESUMEN Este proyecto de título busca elaborar un documento de referencia para el análisis de un sistema de transmisión de televisión digital en Chile, a través del Head End, que entregue servicios a hogares y/o personas, con el uso de las mejoras de Internet a través de IPTV ( Internet Protocol Television) y OTT (Over the top). Para lograr esto se estudiarán diferentes etapas que involucran el proceso, desde la ingesta de contenido, hasta la visualización del mismo. Se presenta además la evolución del sector de telecomunicaciones, buscando crear perfiles de visualización para el usuario final.
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Dedicado a mis padres Jeremías y Ana María por su amor y comprensión. Mis hermanos, en especial a Daniel y Carolina. A Arnaldo Dossi por su tiempo y apoyo. Finalmente a Paz, por apoyarme en este lindo proceso.
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TABLA DE CONTENIDOS RESUMEN ..................................................................................................................................... 1 CAPÍTULO I. EVOLUCIÓN DEL SECTOR DE TELECOMUNICACIONES Y ORIGEN DE TESIS ............................................................................................................................................. 3 1.1 Antecedentes generales ...................................................................................................... 3 1.1.1 Antecedentes nacionales .............................................................................................. 3 1.1.2 Pronósticos nacionales ................................................................................................. 7 1.1.3 Pronósticos Mundiales ................................................................................................ 10 1.2 Origen y necesidad de la tesis ........................................................................................... 11 1.2.1 Origen y necesidad de sistema integrado de transmisión .......................................... 11 1.3 Sistemas de distribución de Televisión .............................................................................. 12 1.4 Objetivo general y específico ............................................................................................. 13 1.4.1 Objetivo General ......................................................................................................... 13 1.4.2 Objetivos Específicos .................................................................................................. 13 1.5 Desarrollo y alcance ........................................................................................................... 13 1.5.1 Desarrollo .................................................................................................................... 13 1.5.2 Alcance........................................................................................................................ 14 1.6 Aporte Personal ................................................................................................................. 14 1.7 Descripción de los capítulos del trabajo de titulación ........................................................ 15 CAPÍTULO II. ANÁLISIS DEL ESTADO DEL ARTE ................................................................... 16 2.1 Introducción ........................................................................................................................ 16 2.2 Análisis del estado del arte de sistemas OTT TV .............................................................. 16 2.2.1 Estado del arte en Chile .............................................................................................. 16 2.2.2 Sistemas OTT en el resto del mundo ......................................................................... 17 2.3 Discusión del estado del arte ............................................................................................. 20 CAPÍTULO III. SEÑAL DE TELEVISIÓN DIGITAL ...................................................................... 22 3.1 Introducción ........................................................................................................................ 22 3.2 Digitalización de la señal de televisión .............................................................................. 22 3.2.1 Digitalización de la señal de audio .............................................................................. 23
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3.2.2 Digitalización de la señal de video .............................................................................. 24 3.3 Estándares de televisión .................................................................................................... 32 3.3.1 Conceptos básicos en televisión digital ...................................................................... 32 3.3.2 Definición Estándar de televisión SDTV. .................................................................... 34 3.3.3 Definición mejorada de televisión EDTV..................................................................... 36 3.3.4 Alta definición de televisión HDTV. ............................................................................. 36 3.3.5 Ultra alta definición UHD ............................................................................................. 38 3.4 Algoritmos de compresión MPEG ...................................................................................... 39 3.4.1 Introducción a la codificación MPEG .......................................................................... 39 3.4.2 Estándares de compresión ......................................................................................... 40 3.4.3 Codificación MPEG para audio ................................................................................... 43 3.4.4 Codificación MPEG para video ................................................................................... 44 3.5 Flujos de transporte en MPEG ........................................................................................... 49 3.6 Tendencia futura. Sistema de compresión H.265/HEVC ................................................... 53 3.7 Consideraciones de sistemas de televisión digital ............................................................ 56 CAPÍTULO IV. HEAD END DE SERVICIOS DE TELEVISIÓN A TRAVÉS DEL PROTOCOLO DE INTERNET ............................................................................................................................. 58 4.1 Introducción ........................................................................................................................ 58 4.2 Adquisición de contenido ................................................................................................... 58 4.2.1 Transmisión desde un proveedor de contenidos al satélite ........................................ 60 4.2.2 Proceso de la señal en el satélite ............................................................................... 65 4.2.3 Recepción de la información satelital ......................................................................... 69 4.3 Contenido a través de redes computacionales .................................................................. 71 4.3.1 Interfaces de contenido en televisión .......................................................................... 71 4.3.2 Video sobre Protocolo de internet ............................................................................... 72 4.3.3 Conversión de contenido de televisión a protocolo de Internet .................................. 85 4.4 Entrega de contenido desde el Head End hasta el usuario............................................... 88 4.4.1 Entrega de la información al usuario final ................................................................... 88 4.4.2 Transmisión al usuario final ........................................................................................ 90
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4.4.3 Calidad en la entrega de contenidos .......................................................................... 92 4.4.4 Redes de entrega de contenido .................................................................................. 93 4.5 Consideraciones de Head End de televisión digital ........................................................... 96 CAPÍTULO V. SERVICIO DE TELEVISIÓN A TRAVÉS DEL PROTOCOLO DE INTERNET IPTV ............................................................................................................................................. 99 5.1 Introducción ........................................................................................................................ 99 5.2 Servicio de Televisión sobre el protocolo de internet IPTV ............................................... 99 5.2.1 Características del servicio IPTV .............................................................................. 101 5.2.2 Video bajo demanda ................................................................................................. 102 5.2.3 Transmisión de eventos en vivo en IPTV ................................................................. 103 5.2.4 Aplicaciones interactivas y otras funcionalidades de IPTV ....................................... 106 5.3 Arquitectura de IPTV ........................................................................................................ 107 5.3.1 Middleware de IPTV .................................................................................................. 107 5.3.2 Decodificadores Set Top Boxes ................................................................................ 109 5.3.3 IPTV como conexión en el hogar .............................................................................. 111 5.4 Mediciones de servicio y seguridad en IPTV ................................................................... 113 5.4.1 Mediciones de calidad de servicio y calidad de experiencia en IPTV ...................... 113 5.4.2 Seguridad de contenido en IPTV .............................................................................. 116 5.5 Consideraciones de servicio de televisión a través del protocolo de internet ................. 118 CAPÍTULO VI. SERVICIO DE TELEVISIÓN OTT (OVER THE TOP)....................................... 120 6.1 Introducción ...................................................................................................................... 120 6.2 Características de servicios OTT ..................................................................................... 120 6.3 Diferencias con servicios IPTV ........................................................................................ 121 6.4 Entrega de servicios OTT a través de HTTP ................................................................... 123 6.4.1 Diferencias con otros tipos de entrega ..................................................................... 126 6.4.1 HDS (HTTP dynamic streaming) para Adobe ........................................................... 127 6.4.2 HSS (HTTP Smooth Streaming) ............................................................................... 130 6.4.3 HLS (HTTP Live Streaming ) ..................................................................................... 131 6.4.4 DASH (Dynamic Adaptive Streaming HTTP) ............................................................ 134
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6.5 Redes de entrega de contenido al usuario final .............................................................. 136 6.5.2 Redes de igual a igual ( Peer to peer) ....................................................................... 138 6.6 Estudios de OTT sobre redes LTE .................................................................................. 138 6.7 Consideraciones al servicio de televisión OTT ................................................................ 140 CAPÍTULO VII. CREACIÓN DE PERFILES OTT AL USUARIO FINAL ................................... 142 7.1 Introducción ...................................................................................................................... 142 7.2 Servicio de entrega desde el Head End al usuario final .................................................. 142 7.3 Creación de perfiles para usuarios del tipo hogar y/o personas del tipo fijo y móvil ....... 144 7.3.1 Perfiles de usuarios del tipo hogar y/o personas asociados a clientes móviles ....... 144 7.3.2 Perfiles de usuario del tipo hogar y/o personas asociados a clientes fijos. .............. 151 7.4 Consideraciones de justificación de servicio OTT al usuario final ................................... 153 CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 155 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................... 161 Anexos ....................................................................................................................................... 167 Anexo A. Formatos de video MPEG ...................................................................................... 167 A.1 MP4.............................................................................................................................. 167 Anexo B. Sistema de funcionamiento DVB-S2. ..................................................................... 167 B.1 Diagrama de bloques de DVB-S2 para flujos de transporte TS. ................................. 167 B.2 Sistema de potencia en el satélite. .............................................................................. 168 Anexo C. Cabeceras asociados a protocolos en redes de computación. ............................. 169 C.1 Cabecera Ethernet. ..................................................................................................... 169 C.2 Cabecera IP. ................................................................................................................ 170 C.3 Cabecera UDP. ........................................................................................................... 172 C.4 Cabecera TCP. ............................................................................................................ 173 C.5 Cabecera RTP. ............................................................................................................ 174
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ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. 1. Anchos de banda asociados a conexiones fijas [2]. .................................................... 5 Tabla 1. 2. Ancho de banda asociado a conexiones móviles 3G [2]. ............................................ 5 Tabla 1. 3. Ancho de banda asociado a conexiones móviles LTE [2]. .......................................... 6 Tabla 3. 1. Características de los sistemas NTSC y PAL. ........................................................... 25 Tabla 3. 2. Características de los sistemas para muestrear en HDTV. ....................................... 26 Tabla 3. 3. Diferencias de resolución en señales cromáticas...................................................... 30 Tabla 3. 4. Ventajas y desventajas de exploración entrelazada y progresiva. ............................ 34 Tabla 3. 5. Estándares SMPTE para SDTV................................................................................. 35 Tabla 3. 6. Formato de Interfaz común para HDTV. .................................................................... 37 Tabla 3. 7. Técnicas y características de MPEG-4 H.264/AVC................................................... 48 Tabla 3. 8. Diferencias en b/s de H.264 y H.265. ........................................................................ 53 Tabla 4. 1. Características de sistemas DVB-S y DVB-S2. ......................................................... 62 Tabla 4. 2. Características del satélite amazonas 2. ................................................................... 68 Tabla 4. 3. Formato de trama MAC ............................................................................................. 75 Tabla 4. 4. Diferencia entre red de datagramas y de circuitos virtuales. ..................................... 77 Tabla 4. 5. Trama Ethernet, cabecera de Paquete IP. ................................................................ 79 Tabla 4. 6. Formato trama Ethernet, cabecera IP y segmento UDP. .......................................... 81 Tabla 4. 7. Algunos puertos designados en TCP. ....................................................................... 82 Tabla 4. 8. Formato trama Ethernet, cabecera IP y segmento TCP. .......................................... 82 Tabla 4. 9.Flujo MPEG sobre una unidad de transmisión. .......................................................... 86 Tabla 5. 1. Diferencias de IPTV respecto a otros sistemas de transmisión sobre Internet. ...... 100 Tabla 5. 2. Marcadores de niveles de calidad de video. ............................................................ 116 Tabla 6. 1. Diferencias entre OTT e IPTV.................................................................................. 122 Tabla 6. 2. Consideraciones de HDS. ........................................................................................ 129 Tabla 6. 3. Consideraciones HSS. ............................................................................................. 131 Tabla 6. 4. Consideraciones HLS. ............................................................................................. 133 Tabla 6. 5. Diferencias entre los protocolos HTTP. ................................................................... 135 Tabla 7. 1. Características de versiones de Android en HLS. ................................................... 145 Tabla 7. 2. Características de HLS para relación de aspecto 16:9. .......................................... 146 Tabla 7. 3. HLS en redes móviles de conexión 3G. .................................................................. 147 Tabla 7. 4. HLS referidas a redes móviles LTE. ........................................................................ 148 Tabla 7. 5. Perfiles de resolución asociados a las conexiones móviles. ................................... 148 Tabla 7. 6. Escenario futuro de perfiles propuestos para el año 2019. ..................................... 149 Tabla 7. 7. Uso de datos de video respecto a cada perfil. ......................................................... 150 Tabla 7. 8. HLS referido para conexiones fijas. ......................................................................... 151 Tabla 7. 9. Creación de perfiles asociados al ancho de banda en redes fijas. ......................... 152 vii
Tabla 7. 10. Escenario futuro perfiles conexión fija para año 2019. .......................................... 152 Tabla 7. 11. Evolución de los perfiles en cantidad de Petabytes por mes. ............................... 153
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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. 1. Penetración de conexiones fijas y móviles [1]. ........................................................... 4 Figura 1. 2. Conexiones 4G en Chile de 2014 [1]. ......................................................................... 4 Figura 1. 3. Suscripción de TV en Chile de 2014. ......................................................................... 7 Figura 3. 1. Estructura de muestreo 4:2:2. .................................................................................. 28 Figura 3. 2. Estructura de muestreo 4:1:1. .................................................................................. 29 Figura 3. 3. Estructura de muestreo 4:2:0. .................................................................................. 30 Figura 3. 4. Retorno par e impar. ................................................................................................. 33 Figura 3. 5. Exploración de imagen progresiva. .......................................................................... 33 Figura 3. 6. Proceso de digitalización, compresión y multiplexión. ............................................. 40 Figura 3. 7. Introducción de nuevas herramientas sobre los estándares previos de MPEG. ..... 42 Figura 3. 8. Técnicas de compresión en imágenes. (a) codificación espacial. (b) codificación temporal. (c) Codificación “entre” en MPEG usada para crear diferencias de imágenes. .......... 46
Figura 3. 9. GoP con imágenes “I” con un número de imágenes “P”. ......................................... 46 Figura 3. 10. Codificación bidireccional. ...................................................................................... 47 Figura 3. 11. Construcción de un paquete PES [13]. .................................................................. 50 Figura 3. 12. Representación de flujo de programa PS, como combinación de video con dos audios como flujo elemental paquetizado PES. .......................................................................... 51 Figura 3. 13. Partición de una imagen a CTU y CU [19]. ............................................................ 54 Figura 3. 14. Convergencia de arquitectura de codificación de múltiples pantallas [19]. ............ 55 Figura 4. 1. Componentes en una transmisión de video digital. .................................................. 59 Figura 4. 2. Transmisión satelital desde un proveedor de contenidos a un Head End. .............. 60 Figura 4. 3. Transmisión desde un proveedor de contenidos al satélite. .................................... 60 Figura 4. 4. Proceso de la señal en el satélite. ............................................................................ 65 Figura 4. 5. Tipos de transpondedor. Tanto Transpondedor transparente, como transpondedor con procesamiento a bordo.......................................................................................................... 66 Figura 4. 6. Mapa de cobertura Sudamérica en banda Ku (izquierda) y banda C (derecha) para satélite amazonas 2 [27]. ............................................................................................................. 68 Figura 4. 7. Recepción de la información satelital. ...................................................................... 69 Figura 4. 8. Parrilla programática en el Head End. ...................................................................... 72 Figura 4. 9. Presentación de los modelos TCP/IP y OSI. ............................................................ 74 Figura 4. 10. Funcionamiento básico en la capa de red. ............................................................. 76 Figura 4. 11. Protocolos para transporte. .................................................................................... 80 Figura 4. 12. Encabezado y carga útil por capa. ......................................................................... 80 Figura 4. 13. Encabezado de RTP respecto al resto de capas. .................................................. 83 Figura 4. 14. Partes de una red GPON. ....................................................................................... 89 Figura 4. 15. Transmisión en IP Unidifusión en rojo, mientras multidifusión en negro................ 91 ix
Figura 4. 16. Redes de entrega de contenido. ............................................................................ 94 Figura 4. 17. Redes de igual a igual. ........................................................................................... 95 Figura 5. 1. Diferencia de entrega en servicios IPTV con CATV y DTH con IPTV.................... 101 Figura 5. 2. Diagrama en el tiempo del servicio TSTV. ............................................................. 104 Figura 5. 3. Arquitectura para sistemas de transmisión en vivo. ............................................... 105 Figura 5. 4. Entrega desde el Head End hasta el usuario final. ................................................ 111 Figura 5. 5.Entrega con distintos tipos de contenidos a los usuarios finales. ........................... 112 Figura 6. 1. Diferencias entre transmisión tradicional (izquierda) y adaptativa (derecha). ....... 124 Figura 6. 2. Transmisión adaptativa. .......................................................................................... 124 Figura 6. 3. Capas de un proveedor de servicios de internet ISP [46]. ..................................... 125 Figura 6. 4. Flujos de trabajo para HDS [47]. ............................................................................ 128 Figura 6. 5. Flujo de trabajo en HLS. ......................................................................................... 133 Figura 6. 6. Transmisión entre un servidor HTTP y un cliente DASH. ...................................... 134 Figura 6. 7. Arquitectura OTT. ................................................................................................... 136 Figura 6. 8. Paquetizador respecto al Head End. ...................................................................... 138 Figura 6. 9. Métricas en QoE de redes móviles [55]. ................................................................. 139 Figura 6. 10. Optimización para entrega de video adaptativo HTTP [56]. ................................. 140 Figura 7. 1. Especificaciones técnicas [58]. ............................................................................... 143 Figura 7. 2. Modelo de entrega al usuario final con fibra óptica. ............................................... 144
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RESUMEN El siguiente trabajo de titulación se enfoca en el análisis de un Head End de televisión para sistemas IPTV y/o OTT, siendo estos sistemas de televisión transportados sobre Internet, los que se basan en sistemas computacionales. Estos nuevos sistemas de televisión tienen la opción de entregar sus servicios de contenidos sobre diferentes plataformas (Wi-Fi, celular móvil, etcétera), entregando al usuario final la opción de cambiar sus hábitos de ver televisión desde un dispositivo fijo (televisor), a la opción de visualizar el contenido a través de distintas plataformas y con distintos dispositivos. Para lograr esto, este trabajo de titulación se enfocará en analizar un contenido desde el momento en que es digitalizado y comprimido, para ser entregado a estas cabeceras ( Head End) asociadas a lugares geográficos predeterminados, que servirán de punto de agregación para diferentes proveedores de contenidos; para luego armar una parrilla final de información y llegar al usuario final en cuestión. Actualmente en Chile el Head End opera en entregar servicios de televisión al usuario final a través de tecnologías como CATV y DTH, ambas trabajando con una parrilla completa de contenido en bandas de frecuencias; por lo tanto el usuario final sintoniza la frecuencia portadora del canal de televisión específico al que quiere acceder, obteniendo la señal en cuestión. Ahora bien, con la migración del servicio de televisión a redes de computación, el usuario final ya no tendrá una parrilla completa todo el tiempo, sino que tendrá un flujo de datos asociados a direcciones IP que entregaran el contenido requerido, ahora bien, con las ventajas de las redes de computación, se mejora el servicio incluyendo interactividad con el usuario final. Una tecnología nueva que está operando en Chile trata de IPTV, el cual entrega el servicio requerido de televisión al usuario final en conjunto con servicios de telefonía sobre Internet e Internet como tal, teniendo un ancho de banda designado para cada servicio. Un problema al respecto trata de la visualización de contenido fuera de esta red gestionada IPTV, ya que al visualizar contenido desde Internet, ya sea video Internet (caso de Netflix , Hulu , Amazon, entre otros) o televisión Internet (asociado a la entrega desde el proveedor de televisión o de servicios), no se utiliza la red gestionada IPTV por la no compatibilidad en términos de red, transporte, etcétera. En base a esto, no se presenta una compatibilidad completa de servicios de Internet para Televisión y/o Video a través de IPTV. La inclusión de sistemas OTT, puede visualizar el contenido antes mencionado, asociado al video Internet y televisión Internet, con técnicas de transmisión que permiten al usuario tener movilidad en su contenido; ahora el usuario final tendrá la posibilidad de visualizar el contenido desde sus dispositivos móviles asociados a la red celular móvil, ya que con las mejoras de OTT en relación
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al uso de tasas de bits adaptativas, permitirán al usuario tener conectividad con diferentes condiciones de entrega. Todo esto con las mejoras que permiten los sistemas de transmisión de TV en OTT. El siguiente trabajo de titulación por lo tanto, contendrá un capítulo que describirá el comportamiento de Internet en Chile y también pronósticos asociados a la red para el país, esto con el fin de argumentar el análisis de un Head End para sistemas IPTV y/o OTT, además se analizará el problema actual de migrar a las nuevas tecnologías para la visualización de contenido, con el fin de utilizar el protocolo de Internet, y en base a esto, pasar a continuación a un capítulo que cite a través de un estado del arte, el avance tecnológico de OTT para video Internet y televisión Internet; los siguientes capítulos explican de manera detallada en como un usuario puede ver un evento en vivo desde su dispositivo móvil o televisor conectado al decodificador, e incluso en almacenar este contenido y hacer uso de interactividad con el sistema en cuestión, partiendo en como un proveedor de contenidos ya sea ESPN, FOX, etcétera, transmita su contenido al Head End, y éste se encargue de la transmisión de contenido al usuario final.
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CAPÍTULO I. EVOLUCIÓN DEL SECTOR DE TELECOMUNICACIONES Y ORIGEN DE TESIS 1.1 Antecedentes generales A continuación se presentarán antecedentes asociados al sector de telecomunicaciones Chileno en comportamientos de Internet y Televisión, como este trabajo de titulación consiste en un análisis de un Head End de Televisión digital para sistemas IPTV y OTT que operan sobre Internet, se mostrarán también comportamientos futuros definidos por estudios de Cisco con el fin de poner el contexto al lector de la migración del servicio. 1.1.1 Antecedentes nacionales De acuerdo a la subsecretaría de telecomunicaciones en un documento válido desde abril 2015, se define el comportamiento de Internet y televisión del año 2009 hasta el año 2014, algunas de las principales consideraciones son [1]:
Los accesos a internet llegan a 11,5 millones, siendo el 2014 el año con mayor crecimiento de accesos (2,8 millones de accesos al año 2014 con 32,5% de crecimiento anual).
La utilización de internet fija y móvil en el año 2014 llega a 64 accesos sobre 100 habitantes, mientras en el año 2013 fue de 49,1 accesos sobre 100 habitantes. Gran cantidad de accesos móviles con un total de 78,2% provenientes de dispositivos móviles smartphones .
Los servicios de televisión tuvieron una penetración del 52,1% en hogares.
Los suscriptores de televisión pagada aumentaron un 10% en los últimos 12 meses del año 2014.
A continuación se detallará el mercado actual chileno en términos de Internet y televisión. Mercado de Internet El mercado de internet llegó a ser, como se mencionó, de 64 accesos sobre 100 habitantes, esto mostrado en la Figura 1.1.
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Figura 1. 1. Penetración de conexiones fijas y móviles [1].
Siendo los 2,8 millones de nuevos accesos de internet repartidos de la siguiente forma:
Accesos Fijos de banda ancha de 192.530.
Accesos móviles 3G de 2.073.619
Accesos móviles 4G de 545.410
El crecimiento celular de Internet comienza a tener una gran penetración, esto se muestra en la Figura 1.2 con la inclusión de 4G LTE durante el año 2014, llegando a un crecimiento importante.
Figura 1. 2. Conexiones 4G en Chile de 2014 [1].
De la Figura 1.2, se puede mencionar el despliegue de Entel con un 42%, frente a Movistar y Claro con 44% y 14% respectivamente, considerando que la implementación de 4G de Entel comenzó en marzo de 2014 respecto a su competencia (Claro en Junio de 2013 y Movistar en Noviembre de 2013). En lo que se refiere a Internet Fija, se alcanzaron 2,5 millones de accesos, llegando en diciembre de 2014 a 14 accesos por cada 100 habitantes, de éste un 87,2% corresponde al perfil hogar, mientras el restante 12,8% corresponde al segmento comercial. En cuanto a las conexiones asociadas a una tasa de bits definida para conexiones fijas de internet, se pueden diferenciar los siguientes anchos de banda definidos en la Tabla 1.1: 4
Tabla 1. 1. Anchos de banda asociados a conexiones fijas [2]. Año
256 Kb/s
a
512 Kb/s
1 Mb/s a 2
2 Mb/s a
5 Mb/s a
10 Mb/s a
100
Más de
a 1 Mb/s
Mb/s
5 Mb/s
10 Mb/s
100 Mb/s
Mb/s a
1Gb/s
512
1 Gb/s
Kb/s 2009
725.092
2.703.652
10.078.650
3.810.683
1.277.549
21.416
4.492
719
2010
599.860
2.352.239
10.999.495
3.459.617
2.621.333
707.491
3.781
1.053
2011
278.657
1.469.681
7.201.580
3.676.678
7.810.152
2.524.950
961
626
2012
144.014
1.762.849
5.503.054
4.442.836
8.588.873
4.678.199
2.648
665
2013
420.626
1.438.123
5.595.826
4.446.912
9.240.438
5.804.613
5.127
1.448
2014
163.105
1.299.753
5.229.770
5.102.607
9.191.814
7.820.951
81.540
1.362
Mientras en la Tabla 1.2 se presentan las conexiones asociadas a tasas de bits definidas para conexiones móviles 3G. Tabla 1. 2. Ancho de banda asociado a conexiones móviles 3G [2]. Año
128 Kb/s a 256
256 Kb/s a
512 Kb/s a 1
1 Mb/s a 2
Kb/s
512 Kb/s
Mb/s
Mb/s
Más de 2 Mb/s
2009
851.981
1.205.675
2.521.478
245.337
14
2010
155.750
3.687.015
7.861.089
1.003.365
149.527
2011
22.983
9.570.220
12.063.579
2.667.899
3.912.703
2012
175.148
22.512.314
13.550.636
9.007.499
3.429.674
2013
729.395
9.755.290
38.645.967
12.732.207
4.715.870
2014
1.038.166
4.273.474
58.174.147
19.783.819
5.498.498
En la Tabla 1.3 se presentan las conexiones totales asociadas a las tasas de bits definidas para conexiones 4G.
5
Tabla 1. 3. Ancho de banda asociado a conexiones móviles LTE [2]. Año
2014
Hasta 256
256 Kb/s a
512 Kb/s a
1 Mb/s a 2
2 Mb/s a 5
Más de 5
Kb/s
512 Kb/s
1 Mb/s
Mb/s
Mb/s
Mb/s
118
151
493.572
105.150
33.732
1.903.885
Según el índice de red visual VNI ( Visual Network Index) de Cisco, publicado en mayo de 2015, se presentan los datos del año 2014 en términos de conectividad de redes. Algunas consideraciones son [3]:
El trafico IP total alcanzo los 278 Petabytes1 por mes en 2014, de los 207 Petabytes por mes del año 2013.
El tráfico IP anual alcanzó un valor de 3,3 Exabytes en 2014, de los 2,5 Exabytes del año
El tráfico de Internet alcanzó 253 Petabytes por mes en 2014, de los 188 Petabytes por
2013. mes del año 2013. En relación al tráfico móvil de Internet asociado a dispositivos móviles, VNI presenta las siguientes consideraciones [3]:
El tráfico de datos por mes en Chile, para la conexión móvil fue de 8 Petabytes por mes.
El promedio de tráfico móvil dado por smartphones por mes en 2014 fue de 420
El promedio de tráfico móvil dado por computadores por mes en 2014 fue de 3.075
Megabytes, de los 279 Megabytes del año anterior.
Megabytes, de los 2.476 Megabytes de 2013.
El promedio de tráfico móvil dado por Tablets por mes en 2014 fue de 2,867 Megabytes, de los 1,614 Megabytes del año 2013.
El número de smartphones alcanzó las 12 millones de cantidades, mientras que para Tablet alcanzó 300.000 cantidades y los computadores personales con 1.000.000,
teniendo 1.7 dispositivos móviles per cápita.
La conexión promedio de conexiones móviles en ancho de banda fue de 1,5 Mb/s para dispositivos móviles.
Mercado de Televisión En la televisión pagada los suscriptores aumentan de forma sostenida, alcanzando una penetración de 15,7 suscriptores por cada 100 habitantes, esto se muestra en la Figura 1.3 1
1 Petabyte corresponde a 1.000.000 Gigabytes, 1 Exabyte corresponde a 1.000 Petabytes.
6
Figura 1. 3. Suscripción de TV en Chile de 2014 [1].
Un punto a considerar es la migración de servicios alámbricos a inalámbricos en el año 2014. En relación a los servicios de Televisión y video sobre Internet en Chile durante el año 2014, los resultados son los siguientes: El consumo de tráfico de video IP fue de 151 Petabytes por mes en 2014.
El consumo de tráfico de video sobre Internet fue de 135 Petabytes por mes en 2014.
El tráfico de video sobre Internet incluye servicios como video Internet, televisión internet, entre otros, mientras el tráfico de video IP incluye el video sobre Internet y video sobre redes gestionadas. 1.1.2 Pronósticos nacionales Primero se explicarán los pronósticos para el caso de Chile, según el índice de red visual VNI (Visual Network Index) de Cisco, publicado en mayo de 2015 [3]. Se separan los datos según el tipo de servicio asociado a:
Consumo de tráfico. Trafico asociado a redes móviles. Dispositivos móviles. Tráfico de video.
Consumo de tráfico:
El tráfico IP crecerá a 791 Petabytes por mes para el 2019, a diferencia de los 278 Petabytes por mes del año 2014.
7
El tráfico de Internet crecerá a 706 Petabytes por mes para el año 2019, a diferencia de los 253 Petabytes por mes del año 2014.
En Chile, el tráfico de datos móviles crecerá 9 veces respecto al año 2014, con una tasa de crecimiento anual compuesto CAGR ( Compound Annual Growth Rate) del 56%.
En términos de Bytes, habrá con un consumo de 77 Petabytes por mes en 2019, de los 8 Petabytes consumidos por mes en el año 2014 en redes móviles.
El tráfico móvil crecerá 3 veces más rápido que el tráfico fijo de datos para el año 2019 y la velocidad promedio de ancho de banda subirá 2 veces respecto al año 2014.
Tráfico asociado a redes móviles.
En redes 4G, para el año 2019 se tendrá un 22,3% de conexiones del mercado móvil celular, respecto al 1,5% del año 2014.
En redes 3G, para el año 2019 se tendrá un 49,1% de conexiones del mercado móvil
En redes 2G, para el año 2019 se tendrá un 28,3% de conexiones del mercado móvil
celular, respecto al 35,1% del año 2014. celular, respecto al 63,4% del año 2014. En el año 2016, las conexiones 3G superarán a las conexiones 2G. Dispositivos móviles. En la cantidad de dispositivos móviles como smartphones, tablets y computadores personales el crecimiento será para los años 2014 a 2019 de:
Smartphones o
La cantidad de dispositivos crecerá de 12 millones a 24 millones de aparatos.
o
El tráfico asociado será de 44.5 Petabytes por mes para el 2019, con un 58% del tráfico total, respecto al 62% en el año 2014 y un promedio mensual para el año 2019 de 1.878 Megabytes por dispositivo.
Tablets o
o
La cantidad de dispositivos crecerá de 300.000 unidades a 1,8 millones aproximadamente. Del tráfico total, el tráfico asociado a tablets será 20,9 Petabytes con un 27% del tráfico total, respecto al año 2014 con un 9,1% y un promedio mensual para el año 2019 de 11.692 Megabytes por dispositivo.
Computadoras personales. o
El mercado aumentará de 1 millón a cerca de 2 millones.
o
El tráfico asociado será de 8,1 Petabytes con un 11% del tráfico total, respecto al 26% al final del año 2014 y un promedio mensual para el año 2019 de 7.143 Megabytes por dispositivo.
8
El aumento per cápita de dispositivos pasará de 1,7 a 2,2.
Tráfico de video.
El tráfico de video IP alcanzará los 610 Petabytes por mes para el 2019, de los 151 Petabytes por mes del año 2014.
El tráfico de video sobre internet alcanzará los 536 Petabytes por mes para el 2019, de
los 135 Petabytes por mes del año 2014. Dentro de la entrega al usuario final de contenido, se desprende el término redes de entrega de contenido CDN (Content Delivery Network ), el cual se analizará en el documento, durante el año 2014 los CDN cubren un 17% del tráfico de internet, pero para 2019 estos cubrirán un 34%.
Para diferentes tipos de resolución, las proyecciones son las siguientes: o
Televisión de definición estándar:
En video IP en el año 2014, se tiene un 74,4%; mientras para el año 2019, esto será un 41,2%.
En video Internet en el año 2014, se tiene un 74,6%; mientras para el año 2019, esto será un 41,5%.
o
Televisión de alta definición: En video IP en el año 2014, se tiene un 25,4%; mientras para el año
2019, esto será un 53,2%.
En video Internet en el año 2014, se tiene un 25,2%; mientras para el año 2019, esto será un 52,4%.
o
Televisión de ultra alta definición:
En video IP en el año 2014, se tiene un 0,1%; mientras para el año 2019, esto será un 5,6%.
En video Internet en el año 2014, se tiene un 0,1%; mientras para el año 2019, esto será un 6%.
Respecto a redes móviles, el tráfico asociado a la televisión en vivo o video pre grabado tendrá las siguientes características:
El tráfico de video crecerá 13 veces, con un GACR de 56% para el año 2019, respecto al año 2014.
El tráfico asociado en video será de 70% en el año 2019, respecto al 49% del año 2014, es decir, 54 Petabytes en el año 2019 respecto a 4 Petabytes en el año 2014.
9
1.1.3 Pronósticos Mundiales Según el apartado anterior, de pronósticos nacionales, es importante realizar una comparativa con el resto del mundo, para conocer el estado en el que se encuentra, Chile en el mercado de Televisión; para esto se analizarán los mismos apartados del punto anterior para indicar como se ha dicho el escenario nacional.
Consumo de tráfico IP y de Video en el año 2014. o En tráfico IP, en Chile hubo un consumo de 278 Petabytes por mes en el año 2014, representando un total de 6% de tráfico IP que se consume en América Latina (4,3 Exabytes por mes), siendo Brasil el país dominante en la región, el cual abarca un 44% del tráfico IP con 1,9 Exabytes por mes. o
En lo referente a tráfico de Video en Chile, durante el año 2014, se alcanzó un consumo de 151 Petabytes por mes, representando un 5,8% del tráfico de video que se consume en América Latina (2,6 Exabytes por mes), Brasil por su parte abarca un 46% con 1,2 Exabytes de consumo por mes.
o
Durante el año 2014 Latino América tuvo un tráfico IP de 4,3 Exabytes por mes, Comparados con Norteamérica y Asia, los que representan el mayor consumo con 19,6 y 20,7 Exabytes por mes respectivamente, siendo muy bajo el consumo IP en la región de Latino América respecto a las mencionadas .
Consumo de tráfico IP y de video en el año 2019. o
En tráfico IP, en Chile como ya se indicó habrá un consumo de 791 Petabytes por mes en el año 2019, representando un total del 6% de tráfico IP que se consume en América Latina (12,9 Exabytes por mes), siendo Brasil el país dominante en la región, el cual abarca un 35% del tráfico IP con 4.4 Exabytes de consumo por mes para tal año .
o
En lo referente a tráfico de Video en Chile, para el año 2019 habrá un consumo mensual de 610 Petabytes, representando un 5,8% del tráfico de video que se consumirá en América Latina (10,5 Exabytes por mes), Brasil por su parte abarcará un 46% con 1,2 Exabytes por mes.
o
Durante el año 2019, las proyecciones indican que en América Latina habrá un tráfico IP de 12,9 Exabytes por mes, siendo los continentes de Norteamérica y Asia los que tienen el mayor consumo por mes de tráfico con valores de 49,7 y 54,4 Exabytes respectivamente.
Consumo de tráfico Móvil de IP y video en el año 2014 o
En tráfico móvil IP, Chile tuvo un consumo de 8 Petabytes por mes en el año 2014, representando un total del 4% de tráfico IP que se consume en América
10
Latina (201 Petabytes por mes), siendo Brasil el país dominante en la región, el cual abarca un 32% del tráfico IP con 64 Petabytes por mes. o
En lo referente a tráfico móvil de Video en Chile, durante el año 2014 se alcanzó el consumo de 4 Petabytes por mes, representando un 3,8% del tráfico de video que se consume en América latina (106,5 Petabytes), Brasil por su parte abarca un 32% con 34 Petabytes por mes. Petabytes
o
Durante el año 2014 Latino América tuvo un tráfico IP de 201 por mes, Comparados con Norteamérica y Asia los que tienen el mayor consumo por mes de 563 y 977 Petabytes respectivamente, es de bastante menor consumo en redes móviles celulares.
Consumo de tráfico móvil IP y de video en el año 2019. o
En tráfico móvil IP, en Chile como ya se indicó, habrá un consumo de 77 Petabytes por mes en el año 2019, representando un total del 3,9% de tráfico IP
que se consume en América Latina (2 Exabytes por mes), siendo Brasil el país dominante el cual abarca un 30% del tráfico móvil IP de dicha región, con 602 Petabytes por mes para tal año. o
En lo referente a tráfico móvil de Video en Chile, para el año 2019 habrá un consumo mensual de 54 Petabytes, representando un 3,8% del tráfico de video que se consumirá en América Latina (1,44 Exabytes por mes), Brasil por su parte abarcará un 30% con 439 Petabytes por mes.
o
Durante el año 2019, las proyecciones indican que en América Latina habrá un tráfico móvil IP de 2 Exabytes por mes, siendo los continentes de Norteamérica y Asia los que tienen el mayor consumo por mes de tráfico móvil con valores de 3,8 y 9,5 Exabytes por mes respectivamente.
1.2 Origen y necesidad de la tesis El tema de la presente tesis, fue propuesto por el profesor guía señor Arnaldo Dossi, que trabaja en ENTEL, siendo el título de ésta: “Análisis de un Head End para sistemas IPTV y/o OTT”. 1.2.1 Origen y necesidad de sistema integrado de transmisión Los servicios de Internet, tanto fijos como móviles, van teniendo cada vez más cabida en la vida cotidiana de las personas, por lo mostrado en la Sección 1.1.1 de antecedentes nacionales, cada vez habrá más conexiones o accesos por habitantes. Además el acceso a la televisión pagada va incrementando la suscripción de los hogares a este servicio; por lo tanto entregar un servicio unificado que incluya televisión e Internet en base a una misma plataforma es el objetivo de la convergencia a Internet, para evolucionar en el servicio de entrega de televisión, pasando de tener un dispositivo fijo en el hogar, a visualizar el contenido con incluso smartphones.
11
En base a lo anterior, y aprovechando la inclusión de nuevas redes, como la red móvil LTE, el cual ofrece mayores tasas de bits, formas de entrega de contenido y movilidad mejorada respecto a su antecesor 3G, entre otras características; producirá que los servicios migren a Internet, aprovechando un protocolo universal para distintos contenidos como es el caso de IP ( Internet Protocol).
En el caso específico de televisión, hay cada vez más avances tecnológicos que involucran diferentes etapas para la transmisión y reproducción de los programas, abriendo investigaciones de desarrollo en la forma de entrega de estos servicios de televisión; por lo tanto el concepto de Head End para sistemas IPTV y/o OTT da la posibilidad de satisfacer la necesidad de entregar
un contenido de gran definición a usuarios de Internet fijos o móviles aprovechando los cambios y mejoras dadas por los servicios de Internet. 1.3 Sistemas de distribución de Televisión Los sistemas de distribución de televisión existentes, se pueden dividir en dos, uno de contenido abierto (local) y otro de contenido pagado (contrato). En lo referente a contenido abierto, que es de libre recepción, se encuentran transmisiones de señales analógicas, además existen pruebas de transmisión digital que involucran los canales TVN, MEGA, entre otros. El contenido pagado tiene diferentes sistemas de transmisión para su distribución, partiendo con sistemas de CATV (televisión por cable coaxial) y DTH (televisión satelital) siendo ambos sistemas de transmisión desplegados, con contenido completo todo el tiempo a través del uso de ciertas frecuencias portadoras, asociadas a cada canal en cuestión. Para el contenido pagado, se dispone de hace algún tiempo de sistemas IPTV y OTT, en ambos casos la transmisión de las señales de televisión son a través del protocolo de Internet, con diferentes protocolos de transporte asociados a cada tecnología, como también diferentes formas en que se gestiona el contenido a visualizar. En el caso de IPTV se tiene una red gestionada por el proveedor de servicios, teniendo una gran cantidad de canales; pero con la salvedad de visualizar este contenido solo en el hogar, a diferencia de OTT que es una red no gestionada que puede operar desde distintos proveedores. Pero el problema comienza con entregar el servicio completo al usuario final, sobre todas las plataformas (incluyendo a las redes móviles celulares, que están teniendo una gran inclusión en el usuario final). En primer lugar, una red IPTV gestionada podría transmitir contenido en redes móviles, pero se limita directamente a cierto contenido (algunos videos sobre demanda ofrecidos por el proveedor en cuestión y elegidos por él), teniendo en este caso una menor cantidad de contenidos y el problema de no adecuarse a la red para la entrega; en base a esto surgen los
12
sistemas de transmisión con tasas de bits adaptativas para la entrega de contenido a usuarios OTT, solucionando la dificultad de entregar contenido sobre cualquier tipo de plataforma, adecuándose a las condiciones de entrega del usuario final. 1.4 Objetivo general y específico 1.4.1 Objetivo General Elaborar un documento de referencia para el análisis de un sistema de transmisión de televisión digital en Chile a través del Head End que entregue servicios a hogares y/o personas con el uso de las mejoras de Internet a través de IPTV (Internet Protocol Television) y OTT ( Over the top). 1.4.2 Objetivos Específicos 1. Definir los avances tecnológicos asociados a la entrega de contenido sobre Internet. 2. Analizar los cambios y beneficios de la televisión digital. 3. Analizar un sistema Head End como receptor de contenidos internacionales asociados a proveedores de contenidos como HBO, FOX, etcétera; que en conjunto a los contenidos locales, se pueda armar una parrilla de contenidos final para el usuario en cuestión. 4. Analizar y definir cómo se comporta la red de Internet para el transporte de servicios de video y televisión. 5. Analizar componentes, sistema y funcionamiento de un sistema IPTV como referencia para lograr la comprensión de un sistema OTT. 6. Analizar componentes, sistema y funcionamiento de un sistema OTT. 7. Analizar los diferentes tipos de clientes, ya sean fijos y móviles, con el tipo de entrega que se adecue a sus necesidades y condiciones. 8. Diseñar un Head End desde la recepción de contenido hasta la entrega a diferentes tipos de dispositivos. 9. Definir si un sistema OTT tendrá penetración en Chile en conjunto con la problemática principal de entrega de contenido sobre todas las plataformas. 1.5 Desarrollo y alcance 1.5.1 Desarrollo Este trabajo de título se realiza con el fin de estudiar y analizar, de cómo operan los servicios de televisión y video sobre las redes de Internet, pasando desde el envío desde los proveedores de contenidos (más conocidos como cadenas de televisión, como HBO, ESPN, FOX, etcétera), a la recepción y conversión para el envío de esta información, a través de Internet para la entrega de contenido al usuario final.
13
El desarrollo no solo se limita a la transmisión de la información, sino también, a mejoras en la calidad del contenido, ya que éste evoluciona desde tener un televisor fijo en casa a sistemas interactivos dados por la ventaja de utilizar Internet. Este trabajo es de tipo teórico, se centra en cómo se enviará cierto contenido de televisión asociado a una resolución, luego esta información pasa a un posterior tratamiento y finalmente se distribuye a un grupo definido de usuarios, esta selección puede ser geográficamente o de algún otro tipo de clasificación. 1.5.2 Alcance En relación a este proyecto de título, los alcances para el desarrollo se basan en:
Análisis de tecnologías utilizadas para la ejecución de un proyecto de Head End de televisión digital para sistemas IPTV y/o OTT.
En base a esto las mejoras en la transmisión de televisión, han definido estándares de calidad para la definición de la imagen, obteniendo definición estándar (SDTV) y estándar de alta definición (HDTV) y con esto, entregar un servicio de calidad teniendo en cuenta las distintas formas de entrega, tanto como por fibra óptica y/o con movilidad. Esto en conjunto con servicios de VoD (video on Demand ), transmisión en vivo, grabar contenido, entre otros; que serán entregados por el Head End, siendo éste capaz de preparar el contenido a entregar al usuario final de forma personalizada.
Diseño de Head End en el sistema de entrega OTT para dispositivos fijos y móviles asociados a redes fijas y móviles.
Definir el tipo de transmisión a utilizar para difundir el contenido al usuario final, y con esto, determinar los posibles escenarios y condiciones de entrega asociados al caso actual en Chile. 1.6 Aporte Personal El desarrollo de este trabajo tiene por finalidad elaborar un documento que pueda servir de consulta; por lo tanto en términos de investigación habrá un desarrollo exhaustivo en cada tecnología asociada para el desarrollo de la memoria, incluyendo tópicos teóricos en desarrollos de nuevos sistemas de compresión, nuevos sistemas de resolución y tecnologías asociadas que van más allá de tener simplemente un televisor en casa, sino a tener un dispositivo que sea capaz de entregar interactividad en variados servicios con el hogar y/o usuario final. Se busca aportar con el desarrollo de la televisión desde sus distintos procesos, como también, la forma en que se capta el contenido, para luego en el Head End, entregar un buen servicio para el usuario final, independiente de la forma en que se vaya a transmitir.
14
El aporte no sólo implica entrega de conocimientos teóricos, sino también, en entregar datos que justifiquen la decisión de implementar un sistema de transmisión de video y televisión Internet OTT, proponiendo distintos perfiles comerciales de reproducción de contenido para clientes OTT. 1.7 Descripción de los capítulos del trabajo de titulación El capítulo II explicará el estado del arte de las tecnologías de televisión y de video sobre Internet para los sistemas actuales tanto en Chile como en el extranjero, dando al lector la relevancia e importancia del por qué se está migrando a una plataforma en IP de los servicios de televisión. El capítulo III de señal de televisión digital explicará de forma detallada en cómo se digitaliza y comprime la información de televisión, para ser ésta transportada y poder ser recibida para su reproducción. El capítulo IV de Head End de servicios de televisión a través del protocolo de Internet incluye en su análisis la conformación de un Head End, y como éste transmite la información pasando de bandas de radiofrecuencias a servicios sobre redes computacionales, este capítulo es muy importante para comprender las diferencias de los sistemas IPTV y OTT. El capítulo V de servicio de televisión a través del protocolo de Internet IPTV, es de referencia para comprender los avances de interactividad de los servicios sobre IP, ya que muchas de sus funciones se aplican también para el caso de OTT asociadas al uso de decodificadores y gestión de derechos desde el proveedor de contenidos, entre otros. El capítulo VI de servicio de televisión OTT explica las mejoras de la transmisión de bits adaptativas a través de HTTP, siendo este un protocolo que permitirá la transmisión de contenido a través de distintas plataformas permitiendo definir las opciones de entrega para las condiciones de ancho de banda del usuario final asociada al tipo de entrega. El capítulo VII de creación de perfiles OTT al usuario final, mostrará las condiciones actuales en que podría operar el sistema para tanto conexiones fijas y conexiones móviles celulares, dimensionando los perfiles asociados al servicio OTT. Finalmente se presentan las conclusiones con las cuales se justificará el trabajo de titulación y solucionar la problemática de entrega de contenido, en conjunto con conclusiones específicas asociadas a tecnologías y el mercado de video y televisión sobre Internet en Chile.
15
CAPÍTULO II. ANÁLISIS DEL ESTADO DEL ARTE 2.1 Introducción En este capítulo se presentará información asociada al estado del arte de la memoria actual, la información que será presentada en este capítulo busca dar al lector, la idea de cómo está el avance tecnológico de ver televisión en internet en la actualidad, asociados a lugares geográficos o proveedores de entrega de contenido. Este capítulo presentará el estado del arte de esta nueva forma de entrega de televisión, con sistemas asociados al contenido que se pueden diferenciar de dos formas:
Video bajo demanda en Internet (asociados a empresas como Netflix y Hulu). Televisión sobre Internet.
Cabe destacar que dependiendo de la ubicación geográfica (países) los proveedores de servicio tendrán contenido específico para satisfacer necesidades de lenguaje, e incluso necesidades culturales. Este capítulo se enfocará en presentar, el avance de este sistema de entrega OTT asociado en ciertos lugares y las condiciones técnicas con las que operan. 2.2 Análisis del estado del arte de sistemas OTT TV Los sistemas OTT de televisión se pueden dividir en grandes grupos:
Sistemas de televisión Internet.
Sistemas de video sobre demanda de Internet.
A continuación se presentará cada sistema con su vanguardia respectiva. 2.2.1 Estado del arte en Chile Actualmente los sistemas de entrega de televisión sobre internet utilizando técnicas dadas por OTT (que se verán en el Capítulo VI), actualmente hay dos empresas que ofrecen su contenido a través de internet, estas son:
VTR.
CDF.
Para el caso de VTR, se está comenzando a migrar a OTT en su contenido, aunque actualmente solo está disponible para contenido de niños de video sobre demanda VoD; por lo que entregar todo su contenido sobre Internet, será un desafío considerando la entrega con sistemas HFC (Hybrid Fiber Coaxial), algunas de sus características son las siguientes [4]:
16
Ser cliente de VTR y tener sus cuentas al día. Sección Kids para dispositivos móviles ( smartphones, tablets, iphones, ipad, y computadores personales).
Dentro de sus características técnicas están:
Conexión con ancho de banda mínimo de 2 Mb/s para contenido en SDTV, y de 4 Mb/s para HDTV. Equipos de Windows: o
o
Sistema operativo Windows 7, Vista y XP o superior. Navegadores de Internet Internet Explorer 9 o superior, Mozilla Firefox 27 o superior y Google Chrome 33 o superior.
Equipos Machintosh: o
o
Sistema operativo MAC OSX 10.4.8 o superior. Navegadores de Mozilla Firefox 28 o superior, Apple Safari 28 o superior y Google Chrome 33 o superior.
Microsoft Silverlight 5 operativo para ambos sistemas operativos.
CDF por otra parte, ofrece sus servicios de transmisión de partidos en vivo, es decir, televisión sobre Internet a través de OTT teniendo las siguientes características técnicas [5]:
Sistema operativo Windows : o
Sistemas operativos soportados como Windows XP, Vista, 7 y 8.
o
Navegadores recomendados como: Internet Explorer 9 o superior, Firefox 3.0 o superior o Google Chrome.
Sistema operativo Machintosh: o
o
Sistema operativo MAC OSX 10.4. Navegadores soportados
Safari 5 o superior, Firefox 3 o superior, Google
Chrome.
Ancho de banda mínimo de 2 Mb/s para su contenido. Ambos sistemas operativos necesitan para su transmisión Adobe Flash Player 10 o superior.
2.2.2 Sistemas OTT en el resto del mundo Sistemas de televisión Internet ABC iview
Es un servicio de televisión internet libre de la corporación de radiodifusión Australiana, disponible dentro de Australia. Ofrece además una capacidad completa para visualizar canales de TV de 17
ABC, transmisiones en vivo sobre computadoras, tablets y smartphones. ABC iview es simple, no tiene publicidad, y es libre en su uso. Este sistema entrega aplicaciones a los dispositivos móviles para su utilización, teniendo herramientas como control parental y subtítulos asociados al usuario en cuestión. Dentro de las características técnicas que entrega ABC iview están [6]:
Servicios de entrega sobre ADSL2 con 1,1 Mb/s o superior, ya que la transmisión es de 650 Kb/s (la entrega sobre ADSL2 es lo ideal). Uso del puerto 1935. En dispositivos fijos como computadores las condiciones en sus equipos son: o
En computadores con sistema operativo Windows se necesita la versión 11.7 de
o
En computadores MAC debe correr la versión OSX 10.6 o superior con la versión
Adobe Flash Player o superior.
de Adobe antes mencionada.
En dispositivos móviles las características necesarias para el funcionamiento de ABC iview son: o
o
OSX para iPhone sobre 3GS y para iPad desde la tercera generación. Para Android superior a la versión 4.0 Ice Cream Sandwich, incluyendo a la misma.
Consideración: ABC iview es un sistema de televisión sobre Internet, hace entrega a tasas de bits de 650 kb/s y habilita la opción de un puerto específico para que el usuario final pueda visualizar el contenido, entrega servicios parentales y además define sus propios servicios de gestión de derechos digitales, además puede operar como servicio de video sobre demanda de sus contenidos, ofreciendo hasta en dos semanas el contenido una vez transmitido. AB C Pla yer
Es un proveedor de servicios de televisión sobre Internet, operativo en Estados Unidos y algunos países como Puerto Rico e islas pertenecientes a Estados Unidos como Guam, Saipán, Samoa Americana y las Islas Vírgenes de los Estados Unidos. ABC entrega contenido solo a usuarios geográficamente dentro de las ubicaciones mencionadas, y también entrega control parental y sistemas de subtítulos; trabaja con sistemas operativos de Windows y Mac, en conjunto con dispositivos móviles como Android, Apple y tabletas Kindle.
Algunas características técnicas son [7]:
Velocidad de descarga de Internet de al menos de 1,5 Mb/s.
En dispositivos fijos o móviles como sus computadores, las condiciones son:
18
o
En Windows los sistemas operativos XP, Vista, Server, 7. Con Adobe Flash Player de 10.2.
o
En sistemas operativos MAC v10.6 o v10.7.
En dispositivos móviles como Smartphones, las condiciones son: o
Android con sistema operativo 4.0 (Ice Cream Sandwich).
o
Apple con sistema sobre la cuarta versión.
Consideración. ABC es un sistema de entrega de televisión sobre Internet, opera geográficamente en estados Unidos y además puede entregar servicios de video sobre demanda de sus contenidos ya transmitidos (estos pueden variar de la ubicación geográfica y la cantidad de tiempo desde su emisión en vivo). Video Internet Hulu
Es un servicio de video sobre demanda que opera en Estados Unidos. Es un sistema de entrega bajo compra, en el cual se pueden adquirir servicios de video internet de contenido pre grabado. Hulu opera con Adobe Flash Player, y dentro de sus características técnicas están:
Diferentes tasas de bits asociadas a cierta resolución. o
Compatibilidad con diferentes dispositivos. o
240p a 480 Kb/s, 360p a 700 Kb/s, 480p a 1 Mb/s y 720p a 2,5 ó 3,2 Mb/s. SmartTV, consolas de juegos, computadoras, dispositivos móviles, entre otros.
Los sistemas operativos soportados son: o
Microsoft Windows 7 o superior, MAC OSX 10.6 o superior.
Para aplicaciones con Adobe Flash Player Hulu especifica los dispositivos, sistemas operativos con requerimientos mínimos en [8]. Netflix
Es una empresa de video sobre demanda de Internet, ofrece sus contenidos a través de un pago mensual del usuario final, su contenido está apto para toda América, Australia y algunos países de Europa como Bélgica, Dinamarca, Finlandia, Francia, Alemania, Islandia, Holanda, Inglaterra, entre otros. Dentro de sus características técnicas están [9]:
Diferentes tasas de bits asociadas a cierta resolución. o
240p a 250 Kb/s, 360p a 560 Kb/s, 480p a 1,05 ó 1,75 Mb/s, 720p a 2,35 ó 3,6 Mb/s y 1080p a 4,8 Mb/s.
19
Compatibilidad con diferentes dispositivos. o
SmartTV, consolas de juegos, computadoras, dispositivos móviles, entre otros.
Dentro de los requerimientos técnicos para la visualización se presentan: Para versiones HTML5 los navegadores soportados son:
Internet Explorer 11 o superior en Windows 8.1.
Safari en sistema operativo MAC versión OSX 10.10 o superior.
Google Chrome versión 37 o superior en Windows XP y MAC OSX 10.6.
Resolución para tasas de bits sobre los 5 Mb/s. o
Google Chrome hasta 720p.
o
Internet Explorer hasta 1080p.
o
Safari hasta 1080p.
Para aplicaciones con Silverlight de Microsoft versión 5 se detallan sistemas operativos y navegadores compatibles para facilitar la experiencia de reproducción, con requerimientos mínimos citados en [9]. 2.3 Discusión del estado del arte De lo expuesto anteriormente, los sistemas OTT en Chile están comenzando a tener un mayor despliegue, actualmente operan muy pocas empresas entregando servicios con tasas de bits adaptativas ABR (Adaptive Bit Rate ), cada una utilizando formas de transmisión distintas (mientras VTR utiliza HSS, CDF utiliza HDS, como se verá en el capítulo 6). Dado el análisis del estado del arte en Chile, actualmente los contenidos ofrecidos por ambas empresas no cubren un escenario que quiera abarcar gran parte de contenidos, ya que si se quisiera ver un contenido de Video sobre demanda VoD (Video On Demand) se tendría que optar por utilizar servicios de compañías como Netflix que según su apartado ofrece contenido para todo el continente Americano. Mientras en el resto del mundo, se presentaron a modo de ejemplo las empresas citadas en cuestión, esto debido a que en otros países como en Europa actualmente los sistemas OTT están teniendo una gran cabida en el usuario final. Empresas como ABC que ofrecen sistemas de televisión de internet e incluso la opción de ver contenido luego de dos semanas o tener un control parental (lejos aún de lo que ofrecen VTR y CDF), representa un buen desafío para las empresas de contenido en Chile. En base a lo expuesto, en conjunto con datos de antecedentes y proyecciones, es posible argumentar el servicio de OTT, considerando importante definir y explicar en como el proceso se
20
desarrolla de fin a fin (desde el proveedor de contenidos, hasta el usuario final), siendo Internet una gran alternativa para los cambios en el sistema de televisión en Chile.
21
CAPÍTULO III. SEÑAL DE TELEVISIÓN DIGITAL 3.1 Introducción En Chile actualmente hay dos formas de transmisión de las señales de televisión, una es “abierta”, producto de recibir esta señal de forma libre, y la otra es “pagada” , ya que el contenido es adquirido desde un proveedor de servicios. En la transmisión de televisión “abierta” se utilizan sistemas de radiodifusión, este servicio abierto es análogo y existen además señales de prueba de transmisión digital, para ser recibida por cualquier receptor. Por el otro lado, la transmisión “pagada” de televisión está asociada a la entrega de contenido desde un proveedor de servicios
o de contenidos a nivel local, este puede entregar canales lineales (además de los canales nacionales) y servicio Premium. Esta entrega puede ser de forma alámbrica (a través de sistemas de televisión por cable) o inalámbrica (producto de la transmisión de televisión satelital) y es adquirida solamente por quienes pagan por el servicio. Los sistemas de televisión digital, provienen de digitalizar los sistemas de televisión análogos, a continuación se mencionan los estándares más importantes:
PAL ( Phase Alternative Line). SECAM ( Séquentiel Couleur à Mémoire ). NTSC ( National Television System Committee).
PAL y SECAM desarrollados en Europa, mientras que NTSC fue desarrollado en Estados Unidos. Para la transmisión de sus componentes se utilizan modulaciones en amplitud (banda lateral y vestigial) y modulación en frecuencia FM (Frequency Modulation) para la información de video y audio respectivamente, cabe destacar que para las componentes de color se utiliza modulación de amplitud en cuadratura (QAM, Q uadrature Amplitude Modulation). De acuerdo a lo anterior, el capítulo se desarrollará de la siguiente forma: Definir el proceso de digitalización de televisión, Estándares de televisión digital y sistemas de compresión. Esto con el fin de entender la digitalización de la televisión y la disminución en la cantidad de información digital a enviar. 3.2 Digitalización de la señal de televisión Hoy en día la digitalización de la señal televisión, permite distintas ventajas respecto a la transmisión de video analógica, entre algunas de ellas se pueden indicar:
Mayor capacidad de transmisión de señales de video digital en el mismo espectro que
Mejor definición de la calidad de imagen en televisión, producto de tener una mayor
actualmente ocupa la televisión análoga. cantidad de elementos por imagen, asociada a mayores resoluciones.
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Ofrecer variados servicios de difusión.
Con el acceso de internet ofrecer televisión interactiva.
Por lo tanto para la digitalización de televisión, se involucran distintas etapas dadas por muestreo, cuantificación y codificación para las componentes de audio y video respectivamente. 3.2.1 Digitalización de la señal de audio El audio es una onda sonora, del tipo de onda longitudinal y se srcina por el movimiento de algún medio elástico, estas ondas estimulan el odio humano a un rango de frecuencias comprendidos entre 20 Hz y 20 kHz, denominándose rango audible. Por lo tanto, la digitalización de ésta comprende procesos de muestreo, cuantificación y codificación de la señal. 3.2.1.1 Muestreo de la señal de audio Para realizar la conversión de una señal continua a una señal discreta en el tiempo es necesario realizar un proceso de muestreo, este proceso consiste en tomar muestras de la amplitud de la señal en intervalos de tiempos regulares, conocido como tasa de muestreo. Cabe destacar que al aumentar la cantidad de muestras que se toma de la señal srcinal, ésta tiende a tomar una forma más exacta de la señal, en base a esto, se tiene el teorema de Nyquist-Shannon que establece un equilibrio en la cantidad de muestras, respecto a la señal srcinal. Nyquist-Shannon establece que la señal muestreada tendrá suficiente información si la frecuencia de muestreo cumple la siguiente relación con la frecuencia de la señal srcinal, dada en la ecuación (1): f ≥ 2fñg
(1)
Si no se muestrea según el teorema anterior, es decir, una frecuencia de muestreo mayor a dos veces la frecuencia máxima de la señal srcinal, se produce un fenómeno conocido como aliasing (interferencia espectral), éste produce que la separación espectral se pierda, y como consecuencia, no es posible recuperar la señal de información srcinal en el proceso de conversión digital a análogo. 3.2.1.2 Cuantificación y codificación de la señal de audio Este proceso consiste en asociar el nivel de muestras obtenido a un nivel de tensión con valores finitos (cuantificación), definiendo una resolución y generando un flujo de bits asociado a la señal (codificación). En el caso de la cuantificación, se tienen dos tipos, uno es lineal y el otro es no lineal. En la cuantificación lineal, se asocian las muestras a tramos de nivel constante. Mientras en la
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cuantificación no lineal, se asignan niveles de cuantificación de manera no uniforme; por lo tanto dependiendo del nivel de la señal, se tendrán diferentes niveles de cuantificación. Se considera la cuantificación logarítmica en la cuantificación no lineal, con la cual se logra una expansión de las señales de pequeño nivel, y una mayor compresión para las de mayor nivel. Como en el proceso de codificación se utiliza un código binario, estos se pueden representar mediante la ecuación (2): 2 = M
(2)
Siendo M los niveles de cuantificación y m los pulsos de codificación, por lo tanto, al utilizar una codificación de 8 bits por muestras se tendrán cerca de 256 niveles de cuantificación. La relación señal a ruido en conjunto al proceso de codificación binario, hace que haya un mejor comportamiento en la cuantificación logarítmica, ya que provee una relación constante para un rango dinámico de pulsos de codificación más amplio. Para el caso de cuantificación no lineal logarítmico, se utilizan la ley µ o ley A. Finalmente, luego de este proceso conocido como análogo-digital, se obtiene un sistema binario de información para la información de audio. 3.2.2 Digitalización de la señal de video Digitalizar la señal de video tiene características distintas a las señales de audio, en primer lugar el video es un conjunto de imágenes en cierta proporción de tiempo. Para que haya un movimiento fluido deben de haber por lo menos 24 imágenes o tramas por segundo, como también una cantidad de muestras por imágenes, en esta sección se detallará en como determinar una tasa de muestreo dadas las características de las señales de video en televisión. 3.2.2.1 Muestreo de la señal de video La señal de televisión analógica contiene información de video en conjunto con pulsos de sincronización2. Para efectos de digitalización, se procede a digitalizar la imagen total a través de una frecuencia de muestreo, ésta debe ser capaz de coincidir con la frecuencia de línea definida por la norma de televisión correspondiente (ya sea SDTV o HDTV), como también otros métodos que utilizan todos los elementos de la imagen a digitalizar, a continuación se indicarán por separados las tasas de muestreo tanto para SDTV como para HDTV.
2
En TV análoga de sistemas monocromáticos, se definen niveles de tensión, 0,7 V indica nivel blanco, 0 V indica nivel negro siendo ambas duración de línea activa; mientras el nivel -0,3 V indica líneas de sincronización que en conjunto con la duración de video activo producen la duración de línea total.
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Frecuencia de muestreo de SDTV Para digitalizar la señal y obtener SDTV (Standard Definition Television), se considera digitalizar los estándares analógicos como NTSC y PAL, estos tienen las siguientes características dadas en la Tabla 3.1. Tabla 3. 1. Características de los sistemas NTSC y PAL. Parámetro
NTSC
PAL
Muestras por línea total
858
864
Muestras por línea activa
720
720
Líneas por trama total
576
625
Líneas por trama activa
480
525
Frecuencia de línea (líneas por segundo)
15,734 KHz
15,625 KHz
Tramas por segundo
30 (29,97)3
25
Fuente: Elaboración Propia. Para determinar la frecuencia de muestreo en la señal de video en SDTV, hay diferentes métodos: Método 1. Relacionando los siguientes parámetros, definido por la ecuación (3): f = fí x Pixelesí
(3)
Al utilizar la ecuación (3), se obtiene para cada estándar: PAL: 15,625x103 línea/segundo x 864 muestras/línea=13.500.000 muestras/segundo. 3
NTSC: 15,734x10 línea/segundo x 858 muestras/línea=13.499.772 muestras/segundo. Método 2. Relacionando los siguientes parámetros, mediante la ecuación (4): f = Pixelesí x líneas x tramasg
(4)
Al utilizar la ecuación (4), se obtiene para cada estándar: NTSC: 858 muestras/líneas x 525 líneas/tramas x 29,97 tramas/segundo
3
En NTSC con la adopción de color, se quitan tramas para dar más ancho de banda a la señalización pasando de 30 tramas por segundo a 29,97 tramas por segundo.
25
=13.499.987 muestras/segundo. PAL: 864 muestras/líneas x 625 líneas/tramas x 25 tramas/segundo =13.500.000 muestras/segundo. Dado lo anterior, se ha escogido una frecuencia de muestreo de 13,5 MHz o 13.500.000 pixeles o muestras por segundo para ambos estándares [10]. Tasa de muestreo para HDTV En casos de televisión de alta definición, la frecuencia de muestreo aumenta en gran medida, en este caso se digitaliza no por estándar, sino por la cantidad de tramas por segundo y como éstas son exploradas (exploración entrelazada o progresiva, se verá en detalle en la Sección 3.3.1). A continuación se presentan las características asociadas a las tramas por segundo (“p” exploración progresiva e “i” exploración entrelazada) en la Tabla 3.2.
Tabla 3. 2. Características de los sistemas para muestrear en HDTV. Parámetro
60p
Muestras por línea total
30p
60i
2200
Frecuencia de línea (líneas por
25p
50i
2640
Líneas por trama total Tramas por segundo
50p
1125 60
30
50
25
67.500
33.750
56.250
28.125
148,5 MHz
74,25 MHz
148,5 MHz
74,25 MHz
segundo) Frecuencia de muestreo
Fuente: Elaboración Propia. Si se determina la frecuencia de muestreo según la ecuación (4), en el caso de 60i será: 2200 muestras/línea x 1125 líneas/trama x 30 tramas/segundo=74.250.000 muestras/segundo. En HDTV la tasa de muestreo aumenta en gran medida producto de tener mayor cantidad de información a presentar en la pantalla [11], y dependiendo del estándar, variar la tasa de muestreo, esto se presentará en detalle en la Sección 3.3.4. 3.2.2.2 Estructuras de muestreo de la señal de video Antiguamente las señales de televisión contenían solo elementos de luminancia (escalas de blanco y negro), pero con la llegada de la televisión a color, se tuvieron que incorporar las diferencias de colores dadas por términos denominados señales cromáticas.
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Los términos cromáticos representan las componentes de información de color, en sistemas de televisión se trabaja con crominancia rojo C R y crominancia azul CB y éstas se describen partiendo de las señales analógicas primarias con corrección gamma (utilizando la señal RGB asociado a los tres colores básicos); por lo tanto esta señal RGB debe ser recuperada en el receptor producto de transmitir las componentes de luminancia Y, y las componentes cromáticas CR y CB [10]. Por lo tanto, hay tres tipos de señales que son muestreadas de forma diferenciada, estas son luminancia (Y), crominancia azul (C B) y crominancia rojo (C R). Una característica importante al respecto tiene relación directa con el ojo humano, ya que éste tiene la capacidad de diferenciar mejor las imágenes del tipo luminancia que de crominancias; por lo tanto ésta (luminancia) tendrá igual o mayor información que las señales cromáticas azul y las señales cromáticas rojo. Asociado a las tres componentes, se definen las estructuras de muestreo definidas por la siguiente expresión: J:a:b Siendo:
J: Referencia de muestreo horizontal, usualmente 4.
a: Número de muestras de crominancia (C R, CB) en la primera fila de J pixeles.
b: Número de muestras de crominancia (C R, CB) en la segunda fila de J pixeles.
Hay varias estructuras de muestreo para sub muestrear las componentes de luminancia y crominancia por cada pixel, a continuación se presentan algunas de ellas:
4:4:4 la cual denota que no hay sub muestreo.
4:2:2 la cual denota sub muestreo de crominancia con un factor horizontal de 2 respecto a la componente de luminancia; este formato de muestreo es utilizado en componentes digitales de video definidos por la ITU-R recomendación 601 y está definida en su digitalización como la interfaz digital serial SDI ( Serial Digital Interface).
4:2:0 la cual define un sub muestreo de cromas con un factor tanto vertical como horizontal de 2 respecto a la componente de luminancia; este formato de muestreo es a menudo utilizado en JPEG y MPEG.
4:1:1 detona un sub muestreo de cromas con un factor horizontal de 4 respecto a la componente de luminancia.
A continuación se analizan cada una de las estructuras de muestreo: Estructura de muestreo 4:4:4: Para ésta no se reduce la resolución de crominancia, por lo tanto, cada componente se muestrea de igual forma. Este esquema es usado a veces en escáneres de películas de gama alta y postproducción cinematográfica. Su desventaja radica en tener un
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almacenamiento mayor, y al enviar la información por interfaz digital serial, entonces se necesitarían dos conexiones, una 4:2:2 y la otra 0:2:2. Estructura de muestreo 4:2:2: Para ésta se reduce la resolución de crominancia en la dimensión horizontal dejando la resolución vertical sin afectar, 4:2:2 indica que las crominancias azul y rojo son muestreadas a la mitad de la señal de luminancia. Esto se puede apreciar en la Figura 3.1.
Figura 3. 1. Estructura de muestreo 4:2:2. Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 3.1 se puede apreciar que la estructura 4:2:2 trabaja tanto con las componentes de crominancia y luminancia, para después solo utilizar luminancia en la línea horizontal, disminuyendo el factor de las componentes de color en 2 y con esto la cantidad a información a enviar, como se verá en la Sección 3.3.2. Estructura 4:1:1: Ésta se produce con el fin de disminuir la cantidad de información a enviar, aquí la crominancia es muestreada a un cuarto de la componente de luminancia. Esto se puede apreciar en la Figura 3.2.
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Figura 3. 2. Estructura de muestreo 4:1:1. Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 3.2 se puede apreciar el poco balance entre las componentes de resolución para crominancia horizontal (cabe destacar que esto le da una menor definición a la imagen; por lo tanto muchas componentes de crominancia por separado afectan a la definición final). Inicialmente, el muestreo 4:1:1 se utilizó en formatos de video digital pero no consideraba la calidad de la transmisión y fue aceptada para aplicaciones de usuarios con bajos requerimientos. Hoy en día, los formatos de video digital con esta estructura de muestreo, son usados en periodismo electrónico y servidores de reproducción. Estructura 4:2:0: esta técnica indica que en una línea, por cada cuatro muestras de luminancia se toman dos muestras de la componente de crominancia azul y de crominancia rojo, y luego en la siguiente línea no se toman muestras de las componentes de crominancias, esto se muestra en la Figura 3.3.
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Figura 3. 3. Estructura de muestreo 4:2:0. Fuente: Elaboración Propia.
La Figura 3.3 representa un sistema de muestreo 4:2:0 (siendo entonces estas cromancias coubicadas, para una línea YC BCR y luego en la próxima línea solo Y), teniendo una disminución tanto vertical como horizontal de las componentes cromáticas. A continuación se presenta en la Tabla 3.3, las diferencias de resolución de color en la imagen, asociadas a las estructuras de muestreo. Tabla 3. 3. Diferencias de resolución en señales cromáticas. Resolución
Estructura 4:4:4
Estructura 4:2:2
Estructura 4:1:1
Estructura 4:2:0
Resolución
Sin afectar
Sin afectar
Sin afectar
La
vertical
Resolución horizontal
mitad
de
la
de
la
resolución
Sin afectar
La mitad resolución
de
la
Un cuarto de la resolución.
La mitad resolución
Fuente: Elaboración Propia. Por lo tanto, una imagen que se está muestreando en SDTV, tendrá 13,5 MHz para la componente de luminancia, pero para la componente de crominancia se debe considerar la estructura de muestreo, si fuese el caso de 4:2:2, las muestras por líneas serían de 432 (asumiendo PAL con 864 muestras por línea total), las líneas por cuadro se mantendrían en 625 (por no tener disminución en la resolución vertical) y las tramas por cuadro en 25; por lo tanto la tasa de
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muestreo para la componente de crominancia, tanto para azul como para rojo, utilizando la ecuación (4) es: 432 muestras/línea x 625 líneas/trama x 25 tramas/segundo = 6.750.000 muestras/segundo. 3.2.2.3 Cuantificación y codificación de la señal de video Como se vio anteriormente, el muestreo es previo a las etapas de cuantificación y codificación, donde las muestras son aproximadas a valores cuantificados y cada muestra es representada por una palabra de n bits, obteniendo así el flujo digital de la señal de video. Para aplicaciones de televisión se utilizan 10 bits por muestras de codificación; por lo tanto el número de señales discretas tiene una cantidad de 2 o 1.024 niveles de cuantificación. Para este caso, las componentes se muestrean con 13,5x 106 muestras por segundo para las componentes de luminancia y según corresponda a la estructura de muestreo, se tendrá que muestrear las componentes de crominancias de la siguiente forma:
Estructura 4:4:4: las componentes de crominancias se muestrean con 13,5x 106 muestras por segundo.
Estructura 4:2:2: las componentes de crominancias se muestrean con 6,75x 106 muestras
por segundo. Estructura 4:1:1 y 4:2:0: las componentes se crominancias se muestrean con 3,375x 106 muestras por segundo.
Para determinar la tasa de bits, se considera utilizar la ecuación (5), que relaciona la tasa de muestreo en conjunto con los bits de codificación por muestras. tasa de bits/ = f x bits + 2xf x bits
(5)
Por consiguiente, si se considera una estructura de muestreo 4:2:2 con 10 bits de codificación por muestras se obtiene una tasa de bits, asociado a la ecuación (5) de: 6
6
13.5x10 muestras/seg x10bits/muestras + 2x6.75x 10 muestras/seg x10bits/muestras = 270Mb/s. Para el caso de digitalizar el video activo de la pantalla, utilizando una estructura de muestreo 4:2:2, asociada a la ecuación (4), el flujo de bits resultante está dado por: Componente de luminancia: 720 pixeles/línea x 576 líneas/trama x 25 tramas/segundo x 10 bits/pixeles =103.680.000 bit/segundo. Componente de crominancia:
31
360 pixeles/línea x 576 líneas/trama x 25 tramas/segundo x 10 bits/pixeles = 51.840.000 bit/segundo. Por lo tanto, considerando estructura de muestreo 4:2:2 el flujo en bits resultante es: (103.680.000+51.840.000+51.840.000) bits/segundo =207.360.000 bits/segundo o 207 Mb/s. Cabe destacar que la recomendación CCIR 601 define una codificación de 8 bits con posibilidad de ampliarse a 10 bits, con el fin de satisfacer aplicaciones más exigentes. Respecto a la digitalización de los pulsos de sincronización, éstos no son considerados, entonces, aquellos tiempos libres pueden aprovecharse para transportar los canales de sonido digital, servicios de datos u otro tipo de programa. Se puede calcular la tasa de bits, incluso con sistemas de alta definición de televisión HDTV, utilizando alguna de las estructuras de muestreo presentadas. 3.3 Estándares de televisión En la actualidad se desprenden los siguientes estándares para televisión:
Televisión de definición Estándar (SDTV, Standard Definition Television).
Televisión de definición Mejorada (EDTV, Enhanced Definition Television ).
Televisión de alta definición (HDTV, High Definition Television ).
Televisión de ultra alta definición (UHDTV, Ultra High Definition Television)
Los estándares de televisión se pueden diferenciar por los siguientes parámetros:
Tamaño de la trama o cuadro (en pixeles): definido como el número de pixeles por línea respecto a las líneas por cuadro o trama en una imagen.
Sistemas de exploración: identificado con la letra “p” para la exploración progresiva y con la letra “i” para exploración entrelazada.
Tasa de trama: definido por el número de tramas por segundo en un video (en el caso de televisión, son necesarias 24 imágenes por segundo como mínimo, para el efecto de movimiento).
Para los distintos estándares de televisión se forma SMPTE ( Society of Motion Picture and Television Engineers). Éste define estándares de interfaz digital serial SDI ( serial digital Interface),
con el cuál se podrán diferenciar los parámetros recién nombrados para los diferentes estándares de televisión. 3.3.1 Conceptos básicos en televisión digital Exploración
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Es un sistema de captación y de representación de imágenes, utilizado en televisión con el fin de evitar efectos en las pantallas como parpadeo. De lo anterior, se presentan dos tipos de exploración utilizadas en las señales de televisión:
Exploración Entrelazada.
Exploración Progresiva.
Exploración Entrelazada La exploración entrelazada implica la exploración de las líneas 'impares' 1, 3, 5, etc.; seguido de las líneas 'pares' 2, 4, 6, etc. Sólo la mitad de la imagen se explora a la vez, conocido como un campo secuencial, así hay un campo impar y otro campo par, que en conjunto muestran la información en la pantalla, esto presentado en la Figura 3.4.
Figura 3. 4. Retorno par e impar. Fuente: Elaboración Propia.
Exploración Progresiva Esta exploración es diferente a la anterior, en el hecho de explorar secuencialmente cada línea de la imagen (análogo al caso de la lectura de un párrafo). Es decir, no se divide el cuadro de video en dos campos secuenciales, haciendo un barrido a la imagen de televisión línea por línea. El proceso indica que cada línea se lee a su vez, progresando hacia abajo, hasta el final cuando alcanza la línea de fondo, efecto mostrado en la Figura 3.5.
Figura 3. 5. Exploración de imagen progresiva. Fuente: Elaboración Propia.
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Este tipo de exploración entrega mejoras en calidad, compresión más eficiente, mejor resolución vertical y es muy utilizado en la mayoría de los formatos de video. Comparación entre las exploraciones entrelazada y progresiva. A continuación se presenta en la Tabla 3.4 las ventajas y desventajas de cada tipo de exploración. Tabla 3. 4. Ventajas y desventajas de exploración entrelazada y progresiva. Tipo
de
Ventajas
Desventajas
Reducción de tasa de bits en el caso
Efecto peine, desenfoques por la no correlación
digital.
de los campos pares e impares.
Eliminación de efecto peine.
Es necesario una mayor cantidad de tasas de bit
Mayor facilidad de conversión a otras
producto de requerir el doble de frecuencia
definiciones.
horizontal.
exploración Entrelazada
Progresiva
Fuente: Elaboración Propia. A continuación, se analizan ciertas consideraciones de la Tabla 3.4:
El efecto peine sucede en cambios bruscos de la velocidad en la imagen, haciendo que ésta pierda nitidez, este fenómeno se produce al estar poco correlacionadas las exploraciones de campo entrelazadas.
La conversión a otras definiciones permite pasar de resoluciones de 480p a 1080p debido a la mayor rapidez de procesamiento por evitar el efecto de “des entrelazar” la imagen.
Relación de aspecto Para la televisión de definición estándar (SDTV), la imagen se emite normalmente a una relación de aspecto determinada, la relación de ancho y altura es de 4:3 respectivamente; para la alta definición de televisión (HDTV) el formato de relación de aspecto es de 16:9 (definida así, ya que muestra una pantalla ancha respecto a 4:3 que muestra la imagen más cuadrada), algunos casos de SDTV pueden llegar a ser de 16:9 con estructura de muestreo 4:4:4 para mayor resolución de color y 4:2:2 para mantener el mismo ancho de banda de la señal análoga en conjunto a la transmisión digital [10]. 3.3.2 Definición Estándar de televisión SDTV. Esta definición se utiliza para las señales de 480 líneas activas (sistema NTSC) o 576 líneas activas (sistema PAL y SECAM), que corresponde a una relación de aspecto de 4:3, aunque
34
pueden ser también de 16:9 [10]. Este sistema utiliza exploración entrelazada, siendo las notaciones 480i y 576i. A continuación, se presenta en la Tabla 3.5 los estándares SMPTE 259M para definición estándar de televisión, con el cuál se puede trabajar con 10 bits de codificación por muestra para determinar la tasa de bit final. Tabla 3. 5. Estándares SMPTE para SDTV. Estándar
Tasa de
Relación
Pixeles
Líneas
Frecuencia
bits
de aspecto
activos
activas
muestreo (MHz)
de
Imágenes por segundo4
SMPTE 259M-A
143 Mb/s
4:3
768
483
14,32
59,94i
SMPTE 259M-B
177 Mb/s
4:3
948
576
17,73
50i
SMPTE 259M-C
270 Mb/s
4:3
720
480
13,5
59,94i
SMPTE 259M-C
270 Mb/s
4:3
720
576
13,5
50i
SMPTE 259M-D
360 Mb/s
16:9
960
480
18
59,94i
Fuente: Elaboración Propia. De la Tabla 3.5 se aclara que SMPTE 259M-A y SMPTE 259M-B se encuentran obsoletos, no utilizan estructuras de muestreos y están referidas a las componentes de la señal de video de los sistemas NTSC y PAL, con tasas de muestreo de 14,31 MHz y 17.73 MHz asociadas a 4 veces la frecuencia de la portadora de color (3,58 MHz en NTSC y 4,43 MHz en PAL), denominada 4fsc. Por lo tanto para su digitalización, tan solo se cuantifica y codifica con 10 bits de codificación por muestra, dadas de la siguiente forma:
Para sistema NTSC: 14,31x 106muestras/seg x 10 bit/muestras=143 Mb/s. Para sistema PAL: 17,73x 106 muestras/seg x 10 bit/muestras=177 Mb/s.
Otro estándar es el SMPTE 259M-C definido con la estructura de muestreo 4:2:2 para sistemas digitalizados PAL y NTSC, llegando a tasas de bits dadas por la ecuación (5): 13,5x106 muestras/segundo x 10 bit/muestras + 2x 6,75 x 106 bit/muestras=270 Mb/s. Esto explicado y visto en la Sección 3.2.2.3.
4
Se especifican imágenes por segundo de 59,94 para NTSC y 50 para PAL definidas así por ser imágenes entrelazadas ofreciendo un ahorro en ancho de banda, entregadas a través de dos campos secuenciales; su desventaja radica en problemas como efecto peine y problemas de compresión.
35
Finalmente el estándar SMPTE 259M-D, se refiere para pantallas con relación de aspecto de 16:9 y con una tasa de muestreo de 18 MHz, se considera la estructura de muestreo 4:2:2 y se define la tasa de bits dado por la ecuación (5) como: 18x106 muestras/seg x 10 bit/muestras + 2x9x 106 bit/muestras= 360 Mb/s Cabe destacar que las tasas de bits se producen en relación al estándar SMPTE [12]. Y el propósito de 259M es definir la interfaz digital síncrona SDI. La televisión de definición estándar SDTV con relación de aspecto de 4:3 tiene la misma apariencia que un canal de TV análogo (NTSC, PAL, SECAM), pero sin el efecto fantasma y otros problemas que se dan en la comunicación análoga de TV. 3.3.3 Definición mejorada de televisión EDTV EDTV incorpora la eliminación del entrelazado en la exploración de la imagen, mejorando claramente la calidad de la misma. Sus principales características son:
Resolución de 480p o 576p de líneas activas, utilizando exploración progresiva.
Relación de aspecto de 4:3 o 16:9.
Permite tasas de bits de 540 Mb/s.
Para este caso la tasa de muestreo pasa de ser de 13,5 MHz a 27 MHz, producto de tener una exploración progresiva y en vez de dividir el cuadro de imagen en dos campos, pasa a utilizar el cuadro de imagen completo aumentando las muestras por segundo al doble (si es NTSC pasa a tener 59,94 imágenes por segundo, si es PAL 50 imágenes por segundo). Al digitalizar la imagen con una estructura de muestreo de 4:2:2 y con componentes de luminancia y crominancia de 27 MHz y 13,5 MHz respectivamente, la tasa de bit resultante asociada a la ecuación (5) es: 27x106 muestras/seg x 10 bit/muestra + 2x13,5 x 106 muestras/seg x 10 bit/muestras=540 Mb/s EDTV está normado por el estándar SMPTE 344M [12]. 3.3.4 Alta definición de televisión HDTV. HDTV ofrece un cambio radical en la calidad de imagen, ofreciendo una experiencia de visualización en casa similar a la ofrecida en los cines. A continuación se resumen las ventajas de HDTV:
HDTV tiene mayor resolución en la imagen respecto a los estándares anteriores, por el hecho de contar con mayor cantidad de pixeles por cuadro o trama.
Disponibilidad de audio con múltiples canales y sonido envolvente.
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La televisión de alta definición entrega una resolución que es sustancialmente mayor a los estándares nombrados (SDTV, EDTV), la ITU BT.809 entrega tres especificaciones para HDTV:
720/50p (progresivo). Con 1280 pixeles por línea y 720 líneas por cuadro con un total de 921.600 pixeles por trama o cuadro.
1080/50i (entrelazado). Con 1920 pixeles por línea y 1080 líneas por cuadro con un total de 1.036.800 pixeles por campo o trama entrelazada (ya que se divide la imagen en dos
campos, uno y par y otro impar). 1080/50p (progresivo). Con 1920 pixeles por líneas y 1080 líneas por cuadro con una cantidad total de 2.073.600 pixeles por trama o cuadro.
En este caso, 720 o 1080 son las líneas activas para la pantalla, que fueron elegidas por CIF (Common Interface Format ) en conjunto con SMPTE. A continuación se presenta en la Tabla 3.6 el formato de interfaz común para HDTV: Tabla 3. 6. Formato de Interfaz común para HDTV. Propiedad
720/50p
1080/50i
1080/50p
720/60p
1080/60i
1080/60p
Líneas/trama (total)
750
1125
1125
750
1125
1125
Líneas/trama (activa)
720
1080
1080
720
1080
1080
Pixeles/línea (total)
1980
2640
2640
1650
2200
2200
Pixeles/línea (activa)
1280
1920
1920
1280
1920
1920
Frecuencia de línea (KHz)
37,5
28,125
56,25
45
33,75
67,5
Tramas por segundo
50
25
50
60
30
60
Tasa de muestreo MHz
74,25
74,25
148,5
74,25
74,25
148,5
Fuente: Elaboración Propia. SMPTE ha definido dos estándares para referirse a HDTV para SDI, definido como HD-SDI [11], estos son:
SMPTE 292M: Este estándar de transmisión de video digital, es capaz de entregar tasas de bits de hasta 1,485 Gb/s. Éste se comprende como HD-SDI, para transporte de señales de televisión de video y audio sin comprimir.
37
Para alcanzar esta tasa de bits, se utiliza una tasa de muestreo de 74,5 MHz para la componente de luminancia y utilizando una estructura de muestreo 4:2:2, la tasa de muestreo para las componentes de crominancia es de 37,125 MHz; por lo tanto la tasa de bits resultante será asociada a la ecuación (5): 74,25x106 muestras/seg x 10 bit/muestras + 2x37,125 x 106 muestras/bit=1,485 Gb/s.
SMPTE 372M: Este estándar de transmisión de video digital, es capaz de entregar tasas de bits de hasta 2,970 Gb/s, dedicadas para resoluciones de 1080p con 50 o 60 imágenes por segundo. También conocida como 3G HD-SDI. En este caso la exploración es progresiva, la tasa de muestreo para la componente de luminancia y crominancia toma valores de 148,5 MHz y 74,25 MHz respectivamente asociados a la estructura de muestreo de 4:2:2; por lo tanto la tasa de bits asociada a la ecuación (5) será: 148,5x106 muestras/seg x 10 bit/muestra + 2x74,25 x 106 muestras/seg x 10 bit/muestras =2,97Gb/s Además del estándar para HD se desprenden el de QHD (Quad High Definition), éste tiene las siguientes características:
Resolución de pantalla de 2.560 pixeles por línea y 1.440 líneas por campo.
Relación de aspecto de 16:9.
Exploración progresiva en la pantalla.
3.3.5 Ultra alta definición UHD Éste incluye resoluciones denominadas 4K UHD y 8K UHD, los cuales son dos formatos de video digital propuestos por NHK Science & Techonology Research Laboratories definidas y aprobadas por ITU (International Telecommunication Union ). Resolución 4K: Esta resolución tiene el orden de 3.840 pixeles por línea y de 2.160 líneas por cuadro, y con esto tener una cantidad total de 8.300.000 pixeles por cuadro o trama, que es cuatro veces la resolución para la alta definición. Además puede trabajar con 10 o 12 bits de codificación y está establecido para el uso sobre el cable coaxial de 75 Para este caso la frecuencia de muestreo alcanza un valor de 297 MHz para la componente de luminancia y de 148,5 MHz para las componentes de crominancias, con el uso de una estructura de muestreo 4:2:2. Si se codifica con 10 bit de codificación por muestra, la tasa de bit asociada a la ecuación (5) es: 297x106 muestras/seg x 10 bit/muestra +2x148,5 x106 muestras/bit x 10 bit/muestra=5,94 Gb/s.
38
Esto conocido como 6G-SDI, definida por el estándar SMPTE 424. Resolución 8K: Esta resolución tiene el orden de 7.680 pixeles por línea y de 4.320 líneas por cuadro, y con lo anterior llegar a tener una cantidad total de 33.200.000 pixeles por cuadro, que es dieciséis veces la resolución para la alta definición. A esto se le conoce como 12G-SDI y alcanza una tasa de bits de 11,868 Gb/s. 3.4 Algoritmos de compresión MPEG Como se pudo apreciar de la sección previa de digitalización, se pueden conseguir tasas de bits de 270 Mb/s para el caso de definición estándar, y de 1,485 Gb/s para el caso de alta definición de televisión; por lo tanto la cantidad de datos a enviar es un factor importante, al considerar el hecho de que existe un determinado ancho de banda asignado para la transmisión. Para resolver este problema, una serie de técnicas de compresión se han desarrollado con el fin de reducir las tasas de bits. Se debe de entender que en compresión de datos se trabaja con dos conceptos, como:
Redundancia: Datos repetitivos o previsibles.
Entropía: Información esencial que se define entre la diferencia del total de datos y su redundancia.
Dadas las características de televisión, la información necesita ser enviada por diversos medios que no son capaces de entregar tasas de bits tan altas para la transmisión, por lo tanto, se debe de reducir el flujo; eliminando datos repetitivos y obteniendo una menor cantidad de información a enviar, ésta al recibirse, tendrá que ser reconstruida tratando de llegar a la señal srcinal. 3.4.1 Introducción a la codificación MPEG MPEG (Moving Pictures Experts Group ) fue fundada por la ISO ( International Standards Organization) como conjunto de estándares para compresión y transmisión de audio y video. El
funcionamiento de ésta se realiza mediante la disminución de la tasa de bits a través del compresor con distintas técnicas, éste entrega la señal comprimida para ser enviada a través del canal y luego volver a la tasa srcinal para su recepción a través del expansor. La proporción entre la tasa de datos y la información en el canal es llamada factor de compresión. Para la reducción de la cantidad de información a enviar, se utiliza el sistema de algoritmos de compresión MPEG, capaz de entregar un flujo elemental de paquetes PES ( Packetised Elementary Stream), estos a su vez son ordenados para llegar a un multiplexor y entregar un flujo
de transporte TS ( Transport Stream) de 188 bytes. Esto se ve reflejado en la Figura 3.6.
39
Figura 3. 6. Proceso de digitalización, compresión y multiplexión. Fuente: Elaboración Propia.
Las técnicas de compresión son utilizadas por varios motivos, entre los más importantes están:
Las señales sin comprimir tienen una cantidad elevada de bits (1,485 Gb/s HDTV, 270 Mb/s SDTV), que para tecnologías de entrega convencional no es posible transportar (radiofrecuencia, medios alámbricos como xDSL); por consiguiente sin la compresión de datos no es posible entregar los servicios de televisión digitalizada.
Un archivo de video o audio comprimido ocupará menos espacio en un disco duro u otro tipo de almacenamiento que un archivo sin comprimir. Con menos datos almacenados, el mismo tiempo de reproducción es obtenido con un hardware menor. Esto es usado en recopilación electrónica ENG (Electronic News Gathering).
A continuación se analizarán los distintos estándares de compresión, asociados a diferentes técnicas para el audio y el video en la señal de televisión. 3.4.2 Estándares de compresión 3.4.2.1 MPEG-1 Este es el primer estándar de compresión para audio y video. MPEG-1 fue básicamente designado para permitir imágenes en movimiento y sonido codificado a una tasa de bit parecida a un disco compacto CD (Compact Disk). Este estándar trabajó con señales de televisión convencional, teniendo tamaños de imágenes de 352 pixeles por línea con 288 líneas por cuadro, para casos de sistemas con 25 imágenes por segundo; y 352 pixeles por línea con 240 líneas por cuadro para los sistemas de 30 imágenes por segundo. En el caso de video entrelazado convencional (576i, 480i), la compresión se obtiene descartando campos alternados y bajando el muestreo de las restantes líneas activas en un factor de dos. 40
Dentro de la importancia de MPEG-1, está el hecho de contar con herramientas que son aún utilizadas en los sistemas MPEG-2 y MPEG-4, entre las que se encuentran:
Sintaxis de flujos elementales.
Codificación bidireccional de compensación de movimiento.
Almacenamiento y control de tasas de bits.
3.4.2.2 MPEG-2 Este estándar fue considerablemente más amplio en alcances, ya que MPEG-2 es capaz de soportar exploración entrelazada y alta definición de televisión HDTV, donde el estándar anterior por razones técnicas no podía. MPEG-2 tuvo gran relevancia producto de ser escogido como esquema de compresión para tanto DVB ( digital video broadcasting) y DVD (digital video disk ). MPEG-2 se divide en perfiles y niveles, un perfil describe el grado de complejidad del decodificador, mientras un nivel describe el tamaño o resolución de la imagen a la cual pertenece el perfil. En principio hay veinticuatro combinaciones de perfiles y niveles, pero no están todos definidos (o combinados). Un decodificador MPEG-2 con un perfil y nivel dado, debe también ser capaz de decodificar perfiles y niveles más bajos. En MPEG-2 hay 6 perfiles que indican la complejidad del decodificador, y 4 niveles que indican la cantidad de pixeles por línea y líneas por cuadro, y tasas de transmisión de éstas en b/s. La combinación de perfil y nivel principal indica la transmisión de SDTV. 3.4.2.3 MPEG-4 MPEG-4 agrega nuevas características de trabajo respecto a los estándares previos, estos son:
Lenguaje para modelado de realidad virtual VRML ( virtual reality modeling language).
Archivos compuestos orientados a objetos.
Soporte para la gestión de derechos digitales e interactividad.
MPEG-4 ofrece las siguientes funciones respecto a sus predecesores:
Mejora de la eficiencia de la codificación en comparación con MPEG-2.
Ofrece capacidad de codificación de datos mixtos (video, audio, datos).
Mejora la capacidad de recuperación de errores para permitir una transmisión robusta, entre otros [13].
Herramientas nuevas en MPEG-4 Codificación de objetos MPEG-4 introduce un número de herramientas de codificación nuevas, éstas se presentan en la Figura 3.7. En MPEG-4 se define un objeto plano de video VOP ( Video Object Plane) como una imagen total del cuadro, este VOP interactúa con un objeto, éste está definido como una parte de
41
la escena, el cual puede ser manipulado independientemente del VOP. Un objeto como tal existe sobre cierto espacio de tiempo de la escena en cuestión.
Figura 3. 7. Introducción de nuevas herramientas sobre los estándares previos de MPEG. Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 3.7 se pueden destacar 4 formas de objeto visual en la imagen:
Objetos de video: Es una matriz arbitraria de pixeles en forma plana que describe la apariencia o textura de parte de una escena. Para cada objeto visual de video se necesitan ciertas herramientas de codificación. Éstas pueden ser nombradas como versiones de MPEG-4 (versión 1 y 2) definiendo las complejidades del objeto de video [14].
Textura fija de codificación: Es un objeto plano donde no hay cambio respecto al tiempo.
Codificación de objeto de malla: describe como un objeto cambia su perspectiva, se describe a través de dos o tres dimensiones como un conjunto de puntos. La forma y su posición pueden cambiar con respecto al tiempo.
Objeto de animación de cuerpo y rostro: es un sub conjunto especializado de la codificación de objeto de malla en tres dimensiones, la cual representa el rostro o el cuerpo humano, siendo definido para estos vectores la representación de un movimiento desde una imagen fija.
Además de los objetos de codificación, MPEG-4 redefine las herramientas existentes de MPEG incrementando la eficiencia de un número de procesos usando predicción de pérdidas. Esta mejora el rendimiento de la compensación de movimiento y coeficientes de codificación permitiendo incluso tener menores tasas de bits. Cabe destacar que MPEG-4 apoya los sistemas de exploración tanto entrelazadas como progresivas, y además es más eficiente en la compresión para SDTV y HDTV que sus predecesores.
42
3.4.3 Codificación MPEG para audio El estándar MPEG tiene niveles conocidos como capas I, II y III. Las tres capas difieren en complejidad de codificación y rendimiento en términos de la reducción de la tasa de bits.
La capa I es una versión simplificada de MUSICAM ( masking pattern adapted universal sub-band integrated coding and multiplexing), la cual entrega bajas tasas de compresión.
La capa II también emplea la tecnología MUSICAM, entregando altas tasas de compresión y es generalmente empleado en DAB ( digital audio broadcasting) y en televisión digital DTV (Digital Television).
La capa III (conocida también como MP3) combina las características de MUSICAM y ASPEC (Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding) entregando altas tasas de compresión para aplicaciones de telecomunicaciones, descarga de música y entrega de la misma a través de internet.
En cada capa, la codificación de audio MPEG permite tasas de muestreo de entrada de 32, 44.1 y 48 KHz y apoya tasa de bits de salida de 32, 48, 56, 64, 96, 112, 128, 192, 256 y 384 kbit/s [15]. Además el desarrollo ha producido la codificación de audio avanzada AAC ( Advanced Audio Coding), con tasas incrementadas de compresión multicanal de sonido envolvente, mejorando la
experiencia de los usuarios en servicios de televisión. 3.4.3.1 MPEG-2 AAC. AAC soporta canales de audio con apoyo a sistemas monofónicos, estéreos y canales de audio 5.1. El concepto está basado en un número de herramientas de codificación conocidas como módulos, que pueden ser combinados de diferentes formas para producir flujos de bits en tres distintos perfiles [15]. MPEG 2 tiene mejoras en su estándar denominadas partes, en relación al audio se tienen:
MPEG-2 Parte 3. MPEG-2 Parte 7.
MPEG-2 Parte 3 mejora MPEG-1 permitiendo codificación de programas de audio con más de dos canales, hasta canales 5.1. Este método es compatible con la versión anterior (MPEG-1) permitiendo decodificar a los flujos MPEG-1. Este estándar introduce métodos de codificación de audio con características tales como:
MPEG-2/MC ( motion compesation): sonido envolvente tipo teatro. o
5 canales de audio: izquierdo, derecho, centro, atrás izquierdo y atrás derecho.
o
5 modos diferentes, tales como mono, estéreo, 3, 4 y 5 canales.
o
Sonido envolvente estéreo de los 5 canales alcanzando tasas de bits de 640 kb/s.
43
MPEG-2/LSF ( low sampling frequencies ) de 16, 22 y 24 KHz.
MPEG-2 Parte 7 tiene mejoras en capacidad respecto a la parte 3, ya que desarrolla AAC (advanced audio coding). Entre sus características están [16]:
Más frecuencias de muestreo (de 8 a 96 KHz) que MP3 (de 16 a 48 KHz).
Tasas de bits arbitrarias y longitud de trama variable en su transmisión.
Mayor eficiencia de codificación para señales estacionarias y filtros más simples. ACC también forma el núcleo de la codificación de audio de MPEG-4. 3.4.3.2 MPEG-4 AAC En MPEG-4 las opciones de codificación de audio son paralelas en complejidad, a las codificadas en video. Se introduce una estructura en la que la síntesis de los objetos de audio toman lugar en el decodificador, entonces el audio MPEG-4 es capaz de desarrollarse en sistemas interactivos y de realidad virtual. Como en MPEG-4 se trabaja con objetos, el audio trabaja en un conjunto con mezcladores de sonido, siendo codificados individualmente. En el decodificador cada sonido objeto, es luego agregado a la composición donde será mezclado con otros objetos. En MPEG-4 parte 3 [17], se especifican las mejoras de los métodos de codificación de audio que propone el estándar. Se basa en una mejora del estándar anterior (MPEG-2 parte 7) con la intención de proporcionar audio de mejor calidad, a la misma tasa de bits [14], las tasas de bits asociadas pueden ir desde 128 Kb/s (estéreo) hasta 320 Kb/s (canales 5.1). 3.4.4 Codificación MPEG para video Como se vio en la Sección 3.2 de digitalización de la señal de televisión, dependiendo de la estructura de muestreo y la cantidad de bits usados en la codificación se producirá cierta cantidad de datos a transmitir en b/s; por lo tanto para disminuir la información a enviar, se han desarrollado técnicas de compresión a nivel de imagen para reducir el problema de transmisión. De lo anterior, las señales de video existen en cuatro dimensiones:
Atributos de pixel. Eje horizontal espacial y eje vertical espacial. Eje de tiempo.
La compresión puede ser aplicada en cualquiera de estas dimensiones, en el caso de atributos de pixel se reducen dependiendo de las estructuras de muestreo (4:2:2, 4:2:0, 4:1:1) de las señales de crominancia (que por lo general son siempre menores que las de luminancia salvo el caso de muestreo 4:4:4), éstas se reducen bajando las muestras de colores horizontales y 44
generalmente las muestras verticales también; por lo tanto MPEG tiene tres canales simultáneos paralelos, uno para luminancia y dos para las diferencias de colores, los cuales después del proceso de codificación, son multiplexados hacia un flujo de datos. Para la reducción de los ejes espaciales horizontales y ejes espaciales verticales, asimismo como para el eje del tiempo de las señales de video, se comprimen según dos parámetros para los flujos de imagen, estos son:
Codificación intra (“dentro” del inglés intra=within ) o espacial.
Codificación inter (“entre” del inglés inter=between ) o temporal.
Codificación intra: en esta codificación las imágenes individuales son comprimidas sin una referencia dentro de cualquier imagen, el eje del tiempo no entra en el proceso. Esto es una ventaja de la codificación intra , ya que no hay restricción para editar la secuencia de las imágenes. Por lo tanto, esta codificación emplea técnicas desarrolladas para la compresión de imágenes fijas. La ISO de estándares de compresión es utilizada en esta categoría, encontrándose el término de JPEG 5. Codificación inter: esta codificación toma ventajas de similitudes entre imágenes sucesivas. Si se enviase la información de cada imagen por separado, se requerirá mayor cantidad de datos a enviar, para evitar esto se utiliza la codificación inter enviando solo las dif erencias entre imágenes sucesivas. Los procesos de codificación intra y codificación inter se presentan en la Figura 3.8. En la Figura 3.8 (c) se muestran las ventajas de tomar MPEG en términos de redundancias para ambos tipos de codificación antes de la transmisión. En el decodificador la compresión espacial es decodificada para recrear la imagen residual, luego ésta es agregada a la imagen u objeto previo para completar el proceso de decodificación.
5
JPEG (Joint Photographic Expert Group), estándar de compresión asociado a imágenes fijas.
45
Figura 3. 8. Técnicas de compresión en imágenes. (a) codificación espacial. (b) codificación temporal. (c) Codificación “entre” en MPEG usada para crear diferencias de imágenes.
Fuente: Elaboración Propia.
Grupo de imágenes GoP ( Group of Pictures
)
Dentro de las técnicas de compresión recién nombradas, la información absoluta de una imagen conocida como “I” o intra es entrelazada con imágenes que son creadas utilizando la diferencia
de datos, conocidas como imágenes predictivas “P”. Como resultado, el dato instantáneo varia 6
dramáticamente y el búfer debe ser usado para permitir una transmisión constante. La imagen I y todas las imágenes P antes de la siguiente imagen I son llamadas un grupo de imágenes (GOP, Group of Pictures), esto mostrado en la Figura 3.9. Para el caso de un factor de compresión alto, debería haber un largo número de imágenes P entre imágenes I, consiguiendo un largo GOP. Sin embargo un largo GOP, retrasa la recuperación en el transmisor, además la codificación de la predicción “P” no puede ser u sada indefinidamente, ya que es propensa a un
error de propagación, con lo que se vuelve imposible decodificar la transmisión. Como la codificación de “I” no necesita información previa, ésta puede ser decodificada con información de codificación “I”.
Figura 3. 9. GoP con imágenes “I” con un número de imágenes “P”. Fuente: Elaboración Propia.
Codificación bidireccional. Es una técnica de compresión muy útil, pero tiene el inconveniente que puede tomar solo información de la imagen “P” o “I” . Para este caso la codificación bidireccional
6
Búfer es un espacio en disco o elemento de memoria reservado para el almacenamiento temporal de información digital, mientras espera a ser procesada.
46
puede ser creada usando una combinación de compensación de movimiento en adición al error de predicción (imágenes B), esto puede ser hecho con las diferencias bloque por bloque entre las tramas anteriores y futuras, efecto mostrado en la Figura 3.10.
Figura 3. 10. Codificación bidireccional. Fuente: Elaboración Propia.
En este caso las tramas B ofrecen una mayor compresión, pero también son dependientes de las tramas anteriores y posteriores sean I o P; por lo tanto el búfer debe de almacenar mucha información produciendo que haya retrasos en la recuperación producto de esta técnica. Macrobloques Es una unidad de procesamiento en la imagen, en donde se realiza la compensación de movimiento, luego de la compresión temporal y espacial con la aplicación de la transformada de coseno discreto [18], estos datos se cuantifican para estar listos a transmitir, generalmente consisten de muestras de luminancia de 16x16 y de crominancia de 8x8. Para codificar un macrobloque se busca la trama anterior a la actual y se codifica en torno a la diferencia, produciendo un vector de movimiento. Entonces el macrobloque permite separar tramas P y B permitiendo el concepto de compensación de movimiento. Dentro de los macrobloques existen distintos tipos de codificación de imágenes:
Tramas Inter. Los macrobloques se codifican sin referencias a imágenes anteriores, ubicándose las imágenes I, P y B descritas anteriormente.
Trama Predictiva. Se predice respecto a imágenes anteriores y de compensación de movimiento, ubicándose las imágenes P y B.
Tramas predictivas B. Se predice respecto a imágenes anteriores, posteriores y de compensación de movimiento, ubicándose solo imágenes B.
Tramas Conmutadas P e I. Facilitan la transición entre flujos de datos, contienen macrobloques I, P.
3.5.4.1 MPEG-2 Este estándar se desarrolló alrededor del año 1993, dando solución a problemas de MPEG-1 como: escalabilidad, resolución y manejo de video entrelazado. Con el nuevo estándar se obtienen mejores imágenes permitiendo multiplexar múltiples canales dentro de un mismo flujo
47
de datos, sus esquemas de compresión son destinados a medios digitales de almacenamiento y transmisión de televisión. Este estándar permite tasas de transmisión de 4 y 9 Mb/s, relaciones de aspecto 4:3 y 16:9, diferentes estructuras de muestreo y señales de exploración de video entrelazado o progresivo. En MPEG-2 se crea un flujo de video mediante tres tipos de datos:
Cuadros “Intra”.
Cuadros posteriores predecibles.
Cuadros predecibles bidireccionales.
3.5.4.2 MPEG-4 H.264/AVC Este estándar fue publicado en 1999 tomando un enfoque basado en objetos. En 2001, con el desarrollo de sistemas de compresión más eficientes, se desarrolla la codificación de video avanzada AVC (advanced video coding), adecuada para la transmisión de HDTV. En 2003 el sistema AVC fue establecido e integrado como parte de MPEG-4 y asumido como H.264, incluido para sistemas de transporte DVB ( digital video broadcasting). Este estándar no es compatible con MPEG-2, ya que incluye un conjunto de diferentes perfiles para el apoyo de una lista de aplicaciones multimedia, la siguiente es una lista de los perfiles de MPEG-4.
Perfil base para bajo retardo en aplicaciones.
Perfil extendido para aplicaciones móviles.
Perfil principal para aplicaciones de transmisión de SDTV a tasas de 1,5 a 2 Mb/s, y de HDTV a tasas de 6 a 12 Mb/s.
Altos perfiles para la trasmisión de alta definición.
El estándar MPEG-4 H.264/AVC representa la evolución avanzada de las tecnologías MPEG-2. El resultado es un estándar que incluye gran compresión de datos. MPEG-4 introduce la codificación de objetos los cuales pueden manejar ciertas imágenes que no llenan la pantalla. Todas estas mejoras son presentadas en la Tabla 3.7. Tabla 3. 7. Técnicas y características de MPEG-4 H.264/AVC. Técnicas
Características
Nuevas respecto a los
Predicción de tramas “intra”.
estándares predecesores
Transformación de bloques con DCT.
Mejoras
Predicción del movimiento a un cuarto de pixel, comparado con la mitad de
H.264
de
MPEG-4
pixel en MPEG-2.
48
El uso de pequeños y más flexibles bloques cuando el vector de compensación de movimiento es comparado con bloques fijos de MPEG-2. La disponibilidad de más de una referencia de trama, en lugar de una referencia “I” en MPEG-2.
Creación de objetos y de
Objetos codificados de forma independiente de acuerdo a su flujo elemental
lenguaje
ES (Elementary Stream), esto se verá en la Sección 3.5.
de
modelamiento de realidad virtual.
Formato binario para la escena BIFS (Binary Format for Scene), que en contraste a VRML puede ser dinámicamente actualizados y son transportados a través de uno o más ES. VRML (Virtual Reality Modeling Language) utilizando descripción de estructuras basadas en ramificación, dadas por los objetos definidos en ubicaciones espacio-temporal de la compresión. Descriptores de objetos OD ( Object Descriptors) usados para asociar la descripción de la escena en flujos elementales que contengan la información codificada correspondiente.
Fuente: Elaboración Propia. 3.5 Flujos de transporte en MPEG Luego del proceso de compresión, las señales de video y audio son simples datos digitalizados, pero éstas a su vez deben ser señales con requerimientos de tiempo real. La transmisión de MPEG básicamente se refiere al flujo de transporte, que en conjunto al eje del tiempo, permiten a la señal ser reconstruida. Para esto se debe de considerar el tipo de flujo de información MPEG, ya que la idea principal es sincronizar el audio y el video. En base a esto se pueden separar en dos tipos distintos con diferentes requerimientos:
Grabación: los codificadores y decodificadores muestran un mismo tiempo de sincronización o de reloj, denominado como flujo de programa.
Transmisión: a diferencia del caso anterior, no hay sincronización entre codificador y decodificador, además este flujo necesita requerimientos de tiempo real y es denominado como flujo de transporte.
De lo recién mencionado los flujos de transporte deben llevar información adicional en su cabecera para sincronizar audio y video. Independiente del tipo de flujo en MPEG, ya sea flujo de programa o flujo de transporte, la construcción de estos vienen dados por flujos elementales paquetizados PES (Packetized Elementary Stream).
49
Construcción de un paquete PES ( Packetize
d Elementary Stream
)
Estos paquetes tienen una cabecera que puede ser variable, dependiendo del tipo de flujo a transmitir, en el caso de transmisión se debe sincronizar el decodificador para mantener los requerimientos de tiempo real incluyendo bloques adicionales en la cabecera. A continuación se indican los bloques de una cabecera PES:
Código de comienzo: tienen una longitud de 3 bytes para indicar el comienzo de un paquete PES.
Flujo ID: con una longitud de 1 byte para indicar el tipo de servicio (si es audio o video).
Cabecera variable: utilizados para definir las marcas de tiempo, los cuales son utilizados para sincronizar el decodificador para requerimientos de tiempo real, con una longitud desde 33 bits a 40 bits, estos se definen como: o
Presentación de marca de tiempo PTS ( Presentation Time Stamp).
o
Decodificador de marca de tiempo DTS ( Decoder Time Stamp).
Esto se presenta en la Figura 3.11.
Figura 3. 11. Construcción de un paquete PES [13].
Cabe destacar que este par de flujos no necesitan estar en todas las cabeceras PES, por ejemplo el flujo PES de audio contiene solo marcas de presentación de tiempo PTS. Luego de haber ordenado la cabecera para el envío de información, el resto del mensaje corresponde a la carga útil, dados por los flujos elementales ES ( Elementary Stream). Estos ES son servicios puros de video y audio digitalizados y comprimidos. Cabe destacar que la longitud de cada PES depende de su carga útil, ya que un ES puede alcanzar hasta un valor de 64 kbytes. En la Figura 3.11 se presenta un flujo de programa asociado a diferentes paquetes de flujos elementales PES, y cada uno de estos tiene su cabecera y carga útil respectiva en forma de flujos elementales ES.
50
Figura 3. 12. Representación de flujo de programa PS, como combinación de video con dos audios como flujo elemental paquetizado PES. Fuente: Elaboración Propia.
En la Figura 3.12 se muestran flujos de video PES, audio PES 1 y audio PES 2; por lo tanto se multiplexan como combinación de video, audio o algún dato agregado. Como se ha nombrado, existen dos tipos de flujos, uno de transmisión y otro de grabación. Para el caso de grabación se utiliza el flujo de programa PS ( Program Stream), mostrado en la Figura 3.12 dado para flujos que contengan más de un solo PES, teniendo incluso una longitud variable y con la garantía de estar libres de error de transmisión (típicamente almacenamiento). Como se tiene una tasa de bits variable, no hay relleno en su carga útil, llevando al uso de menos ancho de banda, producto de transmitir menos datos y optimizar el uso de algún disco de grabación. Por el otro lado, para los sistemas de transmisión se utilizan los flujos de transporte TS ( Transport Stream), compuesto de uno o más programas como se verá a continuación.
Flujos de transporte TS ( Transport Stream
)
Para el caso de transmisión de servicios de televisión, el flujo de transporte TS (Transport Stream) siempre contendrá información con un largo de 188 bytes, estos se pueden incluir multiplexando flujos de transporte de programas únicos SPTS ( single program transport stream ) o con más de un programa como es el caso de flujos de transporte de múltiples programas MPTS ( MultiProgram Transport Stream ), es decir, los flujos de transporte multiplexan varios programas de
televisión asociados con sus canales de video y audio. Dentro de su longitud, se consideran 4 bytes para la cabecera y el restante de 184 bytes para la carga útil en un TS, no se deben de confundir PES con TS, ya que el primero es de tamaño mayor y es variable, respecto a TS que tiene una longitud definida. Al analizar la cabecera del TS, ésta tiene una longitud de 4 bytes, que incluye: 1. Byte de sincronización de 8 bits: inicia la secuencia haciendo que el decodificador pueda sincronizarse.
51
2. Indicador de error de transporte de 1 bit: indica el error en un estado previo poniéndose activo. 3. Indicador de comienzo de unidad de carga útil de 1 bit: indica el inicio de la carga útil, es decir, si en esta última hay efectivamente un PES. 4. Prioridad de transporte de 1 bit. 5. Códigos de identificación de paquetes PID (Packet Identification Code) de 13 bits: Este 3
PID indica el contenido del paquete de un estado ES, de los 2 valores posibles, hay 17 reservados para funciones especiales. Esto permite a 8.175 valores, ser asignados a todos los otros ES que forman el TS. El multiplexor tiene que garantizar que cada ES tenga un único PID. 6. Control de aleatorización de 2 bits. 7. Control de campo de adaptación 2 bits: indica si la cabecera tiene un campo de adaptación, compuesto por un indicador de discontinuidad, referencia de reloj de programa PCR y otros campos. 8. Contador de continuidad 4 bits, encargado de evitar errores mediante un contador desde el codificador para que el decodificador ya sincronizado sea capaz de saber si el paquete llegó o no. Referencia de reloj PCR ( Program Cloc
k Refe rences
)
Ayuda al decodificador a presentar los programas a la velocidad y sincronización necesitada, los programas utilizan tiempos de forma periódica (cada 40 ms) de referencia utilizando el PCR, éste va dentro de los PID [13], tiene una frecuencia de reloj de 27 MHz para el caso de SDTV y de 47,5 MHz para el caso de HDTV, asociadas a la sincronización de la multiplexión de las componentes de luminancia y señales cromáticas. Información específica de programa PSI ( Program
Specif ic Information
)
En flujos de transporte real, cada elemento tiene un PID diferente, pero el demultiplexor tiene que comunicarse con este elemento y de esta forma saber qué elemento de audio pertenece a su respectivo elemento de video, para esto se utiliza la información específica de programa PSI (Program Specific Information), para lograr este objetivo de sincronización, PSI consiste de cuatro tablas:
Tabla de asociación de programas PAT ( Programme Assocaiation Table): contiene una lista de los programas en conjunto con PID del transporte de paquetes que lleva su propio PMT.
Tabla de mapa de programas PMT ( Programme Map Table): contiene una lista de los ES perteneciente al programa en cuestión.
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Tabla de información de red NIT ( Network Information Table ): entrega información acerca de la red física llevando el flujo de transporte, es opcional.
Tabla de acceso condicional CAT ( Conditional Access Table ): entrega información del sistema de aleatorización.
La razón de nombrar las tablas radica principalmente en la última (CAT), ya que ésta lleva la información de derecho y gestión de acceso condicional, dando la posibilidad de recibir el contenido porque se esté apto a visualizar. Luego de esto el flujo de transporte se debe de multiplexar para enviar la información con su cabecera y carga útil con una longitud de 188 bytes como se ha mencionado anteriormente. En este caso las tasas de bits son constantes (188 bytes), ya que en sistemas de transmisión con TS, se agrega relleno cuando los últimos paquetes a enviar tienen menos de 184 bytes de carga útil, y con esto tener condiciones de tiempo real asociadas a pequeñas variaciones de retardo por mantener una longitud determinada. 3.6 Tendencia futura. Sistema de compresión H.265/HEVC Éste es un estándar que ha finalizado su desarrollo en 2013, mejora la eficiencia de codificación hasta el doble respecto a su predecesor MPEG-4 H.264/AVC; sin embargo tiene una complejidad mayor ya que está diseñada específicamente para la exploración de video progresivo, mientras que H.264 utiliza tanto exploración entrelazada como progresiva. Mejoras de HEVC ( High Efficiency Video Coding
)
Dentro de las mejoras de HEVC se pueden presentar las siguientes en la Tabla 3.8 [19]. Tabla 3. 8. Diferencias en b/s de H.264 y H.265 [19]. Tipo de transmisión
H.264
Tasa de bits DVB-T27 4 G8
40 Mb/s
H.265 24 Mb/s
100 Mb/s
3 Mb/s
Transmisión HDTV
6-10 Mb/s
3-4 Mb/s
Cantidad de servicios DVB-T2
3 Servicios
8 servicios de full-HD
7
Radiodifusión de video digital terrestre DVB-T ( Digital Video Broadcasting Terrestrial), utilizado para la transmisión de contenido de forma abierta de manera digital. 8 Cuarta generación de telefonía móvil 4G LTE (Long Term Evolution)
53
Diseño en HEVC HEVC entrega el clásico esquema de codificación de video comprimido en relación a las técnicas de compensación de movimiento y tipos de codificación. Mantiene múltiples referencias de la estructura de GOP de H.264/AVC. Sin embargo, este se aparta respecto al estándar anterior en las arquitecturas de codificación. En primer lugar los macroblock son reemplazados por una estructura más flexible, en este sentido toman lugar los siguientes conceptos:
Unidades de ramificación de codificación CTU ( Coding Tree Units ): Las imágenes ahora son divididas en CTU, el tamaño de éste está especificado en el codificador y puede ser de 64x64, 32x32 o 16x16.
Bloques de ramificación de codificación CTB ( Coding Tree Block): Las unidades de luminancia y de crominancias (por separado) que conforman un CTU, son sub divididos en pequeños bloques siguiendo estructuras de ramificación cuádruple.
Bloques de codificación CB ( Coding Blocks): Son la subdivisión de un CTB, tanto un bloque de luminancia y dos bloques de crominancia CB son asociados y forman una unidad de codificación CU.
Unidad de codificación CU ( Coding Unit). Unidad formada por bloques CB.
El esquema queda definido en la Figura 3.13, que divide las imágenes en CTU y luego a CU.
Figura 3. 13. Partición de una imagen a CTU y CU [19].
La Figura 3.13 muestra que un CU puede ser codificado usando tanto la codificación intra como la codificación inter. Para este caso, CU es la base de una unidad de predicción PU (Prediction Unit) particionando estructuras y los PU se componen de bloques de predicción PB ( Prediction Blocks). Este bloque PB, funciona con las técnicas de codificación de la siguiente forma:
En modo intra, un PB puede tener el mismo tamaño que un CB (2Nx2N) o ser dividido en particiones de cuatro cuadros (NxN).
En modo inter, el PB puede ser similar al tamaño de 2Nx2N o dividido en NxN.
54
En el caso de la predicción residual, ésta se maneja a nivel de CU, para ser luego dividido en unidades de transformación de cuadros TU (transform unit), pasando a ramificación residual cuádruple RQT (residual Quad Tree), por operar a nivel TU. Arquitectura de codificación HEVC HEVC se ejecutará en nuevos dispositivos que permitan visualización de contenido, para esto la arquitectura considera transmitir desde una fuente de contenido (ya sea en vivo o almacenada), con el cual el operador direccionará sus servicios a través de distintas plataformas, ya sea DTH (directo to home), IPTV (Internet Protocol Television) u OTT (Over The Top) con los estándares actuales que utilizan para sus sistemas de compresión (MPEG-2 y algunos casos MPEG-4 para DTH y H.264 para IPTV y OTT). El cambio que ofrece H.265 trata en entregar sistemas de exploración progresivos; por lo tanto se tendrá que “des entrelazar” la exploración para aplicaciones que actualmente la utilizan como es el caso de OTT, IPTV, DTH e incluso DTT (Digital Terrestrial Television ). Desde el punto de vista de la convergencia de arquitecturas, se deberá seguir los siguientes pasos dados por la Figura 3.14.
Figura 3. 14. Convergencia de arquitectura de codificación de múltiples pantallas [19].
Los bloques funcionales representan [19]:
Extracción A/V: la ingesta de contenido (en vivo o almacenado), incluye componentes en extensiones ASI, SDI (ambas se verán en el capítulo siguiente) y archivos almacenados de algún tipo de disco duro.
Análisis: Es un bloque de análisis de video conocido como “mira adelante”, el cual almacena varias tramas. En particular, éste estima la complejidad de las imágenes de video, detecta transiciones de secuencias y realiza una estimación del movimiento para entregar beneficios a los formatos de codificación.
Procesamiento: Basado en la información entregada anteriormente, este bloque realiza el des entrelazado, cambiando en OTT para imágenes de exploración progresiva. Además ve las complejidades dadas para ubicar los flujos en multiplexación estática. 55
Códec: este bloque trata de los núcleos de la compresión a formatos de codificación y resolución (Coding Resolution). Los vectores de movimiento externos son usados como puntos de partida y el objetivo de las tasas de bits es ser un parámetro dinámico, permitiendo conectar a multiplexores estáticos. En adición a la salida comprimida, los niveles de información de verificación de búfer de video VBV ( Video Buffer Verifier) son exhibidos para mostrar información cuando el proceso de multiplexación está activo.
Envolvente de contenido: es el último bloque, dedicado a la adaptación de salida, dependiendo de la plataforma de entrega, las cuales se indican a continuación: o
Formatos OTT de múltiples tasas de bits (HLS, HDS, HSS, estos dados para transmisión en conjunto con HTTP (HyperText Transfer Protocol) con sistemas MPEG, HTTP como video sobre Internet, que será vista en la Sección 6.3).
o
Formatos de almacenamiento OTT.
o
Flujos de transporte TS sobre un flujo IP para IPTV.
Por lo tanto HEVC como estándar de compresión de video reduce las tasas de bits hasta a la mitad y mejora la entrega de servicios de alta definición HDTV y es factible con UHD con exploración progresiva de las imágenes. 3.7 Consideraciones de sistemas de televisión digital Los sistemas de televisión digitalizados involucran una gran cantidad de datos, producto de digitalizar la señal analógica, pueden llegar a tener 270 Mb/s para el caso de SDTV, e incluso 1,485 Gb/s para el caso de HDTV. Pero los avances en resolución, entregarán aún mayor cantidad de flujo asociado a una imagen más nítida (casos de UHDTV). Por lo tanto, para transportar esta información, se han creado las técnicas de compresión MPEG, con las cuales se puede disminuir la información a enviar de tanto los flujos de audio, como de imágenes que conforman el movimiento en el video. En base a esto, si se utilizará MPEG-4 H.264/AVC, un sistema típico podría ser:
HDTV entre 6 Mb/s y 12 Mb/s con tasas de audio de 128 kb/s a 320 kb/s.
Esto es asociado tanto al estándar de resolución (HDTV de 1080i o 720p), y al estándar de audio utilizado (AAC de MPEG-4). Por lo tanto un flujo de video y audio comprimido puro, consistiría en por ejemplo:
8 Mb/s para video y 256 Kb/s para audio, siendo estos conocidos como ES.
Al agregar las cabeceras respectivas asociadas a la conformación de PES, y luego paquetizando en flujos elementales TS, las cabeceras serían, en proporción directa al flujo de video y audio, asociada al autor como [20]: 56
Cabecera de audio: 20% del flujo elemental.
Cabecera de video: 7% del flujo elemental.
Por consiguiente, y siguiendo el ejemplo anterior, los flujos de video y audio con sus cabeceras respectivas tendrían un valor de:
Cabecera de audio de 51,2 kb/s, flujo final de audio de 307,2 kb/s.
Cabecera de video: 560 kb/s, flujo final de video de 8,56 Mb/s. Llegando a un total de flujo compuesto de audio y video de 8,8672 Mb/s.
57
CAPÍTULO IV.
HEAD END
DE SERVICIOS DE TELEVISIÓN A TRAVÉS DEL PROTOCOLO
DE INTERNET 4.1 Introducción Un Head End de televisión se comporta como “cabecera” para los servicios de difusión. Esta cabecera reúne la información de distintas señales de televisión desde diferentes lugares del mundo conocidos como “proveedores de contenido”, éstos entregan una determinada cantidad
de canales de servicios, así los hay como HBO, FOX, ESPN, etcétera. El Head End también reúne canales de servicios de radiodifusión de televisión a nivel local, los cuales pueden ser recibidos a través de forma alámbrica (fibra óptica) y/o de forma inalámbrica (radiodifusión), para luego preparar una parrilla de contenidos (tanto con el servicio internacional como con el servicio local) y así entregar el contenido respectivo al usuario en cuestión, éste es capaz de demandar servicios básicos, o más completos, dependiendo de lo que requiera. En el siguiente capítulo se estudiará el funcionamiento de un Head de televisión, incluyendo la recepción del servicio de televisión internacional, hasta la preparación de una “parrilla de contenidos” para la difusión de contenido a través del protocolo de Internet.
4.2 Adquisición de contenido El Head End de televisión, recibe contenido tanto de forma local, como de forma internacional; luego prepara una “parrilla de contenidos” y envía esta información a través de diferentes medios
de transmisión, los cuales pueden ser:
Alámbricos.
Inalámbricos.
Los medios alámbricos entregan servicios como televisión por cable CATV ( community Antenna Television) a través de cables coaxiales, como también en conjunto con cables de fibra óptica,
esto denominado HFC (Hybrid Fiber Coaxial), entregando servicios adicionales de Telefonía e Internet. El medio de transmisión inalámbrico, entrega servicios por medio de un enlace satelital, definido como DTH (Direct to Home). La tecnología digital de televisión se desarrolla en distintas etapas mostradas en la Figura 4.1.
58
Figura 4. 1. Componentes en una transmisión de video digital. Fuente: Elaboración Propia.
La Figura 4.1 muestra el proceso a grandes rasgos de cómo se comporta la transmisión de televisión, en este caso la señal de televisión srcinal es convertida a una señal digital de formato binario, ésta es comprimida a través de un algoritmo de compresión (como se vio en el capítulo anterior), para luego ser codificada, encriptada y multiplexada. En su transmisión esta puede variar, siendo inalámbrica, asociada a un enlace satelital; o alámbrica, a través de fibra óptica o cable coaxial, entre otros. Los avances actuales han estado desarrollando sistemas que involucran el protocolo de internet, aquí se presentan las nuevas tecnologías entregando el servicio basado en IP, las cuales son:
IPTV ( Internet Protocol Television).
OTT ( Over The Top).
IPTV es entregada de forma alámbrica con fibra óptica o con combinaciones de xDSL ( Digital Subscriber Line), con una conexión orientada entre el cliente y el Head End de IPTV, asociada a
televisores que ya no tan solo reciben video, sino además, son capaces de trabajar con Internet y con equipos que sean capaces de recibir IP. OTT hace entrega de información a través de IP, pero a diferencia de IPTV la red no está gestionada, permitiendo al usuario manejar lo que quiere ver, asociado al hecho de poder implementarse en redes Ethernet, IEEE 802.11, e incluso redes celulares móviles. Por consecuencia, evoluciona del hecho de ver en un televisor tradicional fijo, pasando a visualizar el contenido en cualquier dispositivo distinto que sea capaz de recibir IP. IP (Internet Protocol) conocido como protocolo de Internet, es un conjunto de reglas para definir la conexión entre dos o más puntos; para cuando se quieran comunicar a través del envío y
59
recepción de mensajes con direcciones de llegada y de destino; por lo tanto la entrega de contenido pasa a tomar una estructura asociada con Internet, esto se verá en detalle en la Sección 4.3 de contenido a través de redes computacionales. 4.2.1 Transmisión desde un proveedor de contenidos al satélite Desde el proveedor de contenidos, el envío de información internacional se lleva a cabo usando el medio de transmisión satelital, en este caso el proveedor de contenidos envía la información de televisión comprimida con los algoritmos de compresión MPEG a través de cierta antena transmisora a un satélite geoestacionario, y este satélite, reenvía la información a la tierra hacia los puntos conocidos como “ Head End”, y de esta forma, reúne los contenidos desde distintos puntos del planeta, este proceso se muestra en la Figura 4.2.
Figura 4. 2. Transmisión satelital desde un proveedor de contenidos a un Head End. Fuente: Elaboración Propia.
Proceso de adquisición desde un proveedor de contenidos Como se vio en el Capítulo III de señal de televisión digital, la señal de televisión se digitaliza, comprime y prepara para su envío, actualmente los proveedores de contenido envían su información a través de medios satelitales, el funcionamiento básico del envío se muestra en la Figura 4.3, utilizando una norma dada por la radiodifusión de video digital DVB ( digital video broadcasting).
Figura 4. 3. Transmisión desde un proveedor de contenidos al satélite. Fuente: Elaboración Propia.
60
De la Figura 4.3, se pueden detallar las siguientes etapas por bloque:
Procesamiento digital de la señal a nivel de banda base. o
Lo visto en el capítulo anterior para su compresión, seguido de procesos de encriptación y multiplexión de la señal de información, en este caso, la multiplexión toma forma de MPTS ( Multiple Program Transport Stream).
Proceso de modulación. o
La salida del multiplexor es enviada al modulador, obteniendo a la salida la señal modulada a nivel de frecuencias intermedias FI (70 o 140 MHz).
Traslación espectral para el envío. o
Conversores de subida UC ( UpConverter): Equipo que traslada espectralmente la portadora desde una frecuencia intermedia a radiofrecuencia RF (banda C o banda Ku) para la transmisión satelital.
Amplificación de potencia para el envío. o
Amplificadores de alta potencia HPA ( High Power Amplifier): equipo encargado de proveer amplificación y potencia requerida según el EIRP ( Equivalent Isotropically Radiated Power ) requerido.
A continuación se presenta el proceso de radiodifusión de video digital DVB (Digital Video Broadcast), que define los sistemas de modulación, corrección de errores, entre otros.
DVB-S y DVB-S2 ( Digital video Broadcastin
g by Satellite
)
DVB es un conjunto de estándares que definen la radiodifusión digital utilizando diferentes infraestructuras dadas por enlaces satelitales, difusión cableada o terrestre. DVB es un sistema abierto, y además está optimizado no tan solo para televisión, sino además para servicios de internet. DVB ofrece a sus servicios ser soportados independiente de la ubicación, asociada al tipo de infraestructura de entrega y expansión de la misma, entregando también un acceso restringido al usuario en cuestión. En DVB se desprenden dos normas elementales para la transmisión de programas de televisión vía satélite, estas son:
DVB-S
DVB-S2
La principal ventaja de un sistema de comunicación vía satélite es su cobertura, llegando incluso a cubrir un continente completo, además estos sistemas trabajan en conjunto con MPEG siendo compatibles con los flujos de transporte visto en la Sección 3.5, conocido como MPEG-TS.
61
El estándar DVB-S para la transmisión y distribución satelital de contenido, transmite en tiempo real, para DVB-S se establece una combinatoria de codificación de canal y de modulación (modcod) para las distintas condiciones de propagación y requerimientos de la calidad de la señal. El estándar de segunda generación DVB-S2 [21] trae consigo mejoras asociadas, como es el uso de mayores índices de modulación, nuevos esquemas de codificación, entre otros. Todo lo anterior, con la finalidad de hacer un uso más eficiente del espectro satelital. Éste estándar (DVB-S2) fue ratificado durante el año 2005 por ETSI ( European Telecommunications Standards Institute).
A continuación se presenta en la Tabla 4.1 los sistemas DVB-S y DVB-S2 con sus características asociadas. Tabla 4. 1. Características de sistemas DVB-S y DVB-S2. Estándar
DVB-S
DVB-S2
Factor de Roll-off
0.35
0.2, 0.25, 0.35
Modulación
QPSK
QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK
Tasas de codificación
1/2, 2/3, 3/4, 5/6, 7/8
1/4, 1/3, 2/5, 1/2, 3/5, 2/3, 3/4, 4/5, 5/6, 8/9, 9/10
Esquema de codificación
Reed Solomon
LDPC y BCH
Codificación adaptativa
--
VCM y ACM
Eficiencia Espectral [bits/Hz]
1.0-1.75
0.5-4.5
Fuente: Elaboración Propia. A continuación se explican las mejoras de DVB-S2 respecto a DVB-S, con respecto a la Tabla 4.1: Factor de roll-off. Éste determina al ancho de banda de la portadora transmitida, permitiendo incrementar la capacidad del enlace con los nuevos factores de roll-off asociados a DVB-S2; pero al mismo tiempo puede causar degradaciones no lineales, por lo tanto, este factor es importante para evitar interferencias entre símbolos ISI ( InterSymbol Interference) y niveles de distorsión. Sistema de modulación. En DVB-S se utiliza QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying), mientras que en DVB-S2 se utilizan sistemas de modulación más eficientes como 8PSK, 16APSK o 32APSK, pero a medida que aumenta el sistema de modulación, las portadoras requieren de un mayor EIRP. En DVB-S2, 16APSK y 32APSK son muy utilizados para aplicaciones como acceso 62
a internet satelital, mientras que QPSK y 8PSK son propuestos para aplicaciones como la difusión de SDTV y HDTV [22]. La codificación FEC (Forward Error Correction) es una codificación para control de errores, FEC se divide en códigos de bloque y códigos convolucionales, que consisten en agregar bits a la información antes del proceso de modulación. Las tasas de codificación de un sistema FEC toman distintos valores, como se indica en la Tabla 4.1 para DVB-S y DVB-S2. Los esquemas de codificación utilizados son de Reed Solomon para DVB-S, que se encarga para sistemas de televisión en agregar bytes al flujo de transporte, por lo tanto en vez de tener 188 bytes, se pasan a tener 204 bytes, producto de agregar 16 bytes redundantes con la opción de corregir 8. Mientras que en DVB-S2 se utiliza LDPC y BCH, LDCP (Low Density Parity Check Code) es un código de corrección de errores de bloques lineales, para transmitir un mensaje
sobre un canal con ruido, mientras BCH forma parte de la corrección de errores de códigos cíclicos, cabe destacar que la combinación de estos produce la nueva tasa en FEC [23]. Los sistemas de codificación-modulación adaptativa ACM ( Adaptive Coding Modulation ) están definidos para proveer la continuidad del servicio ante degradaciones en las condiciones de propagación, esto quiere decir, condiciones distintas al cielo claro. Como consecuencia, en el receptor hay una degradación en los niveles de portadora a ruido C/N ( Carrier to Noise ), produciendo un corte en el enlace, si es que se mantuviera la modulación-codificación de cielo claro. Para que esto no ocurra, se modifica tanto las tasas de codificación FEC y el sistema de modulación, evitando el corte del enlace satelital. En base a esto, y con el objeto de mantener el ancho de banda asignado, producto de operar con una menor portadora a ruido C/N, y por consiguiente una modulación-codificación menos eficiente, se reduce la velocidad de transmisión. En conjunto con lo anterior DVB-S2 también puede ser usado para diferentes tipos de aplicaciones [24].
Servicios de radiodifusión BS ( Broadcast Services): Tanto para SDTV y HDTV con una mejora del 30% de rendimiento asociada a la cantidad de información en b/s.
Servicios Interactivos IS ( Interactive Services): Con acceso a internet IS está designado a ser utilizado con canales de retorno estándar como RCS, RC-PSTN, etc.
Como extensión del sistema DVB-S2 está DVB-S2X, capaz de entregar características adicionales y soporte a DTH, VSAT 9 (Very Small Aperture Terminal), DSNG10 (Digital Satellite
9
VSAT es un sistema de comunicación satelital que entrega contenido de internet a empresas o comunidades de usuarios. DSNG es un sistema de entrega de contenidos satelitales móviles, que entregan contenidos donde medios alámbricos o de radioenlace no son capaces de entregar con buenas condiciones. 10
63
News Gathering) y de cubrir mercados emergentes como aplicaciones móviles. DVB-S2X tiene
los siguientes elementos de trabajo adicional respecto a DVB-S2 [25]:
Un factor de roll-off de 5 y 10 % en adición a los dados en DVB-S2.
Una extensión del número de tipos de modulación y tasas de codificación.
Nueva opción de constelaciones para canales lineales y no lineales (asociados a los HPA que trabajan en condiciones de saturación introduciendo distorsión no lineal en las
señales transmitidas). Delimitador de canal con hasta en tres canales satelitales para mayores tasas de bits.
Este nuevo estándar de transmisión satelital ha introducido el esquema de codificación de video HEVC, para entregar de forma más eficiente los servicios de HDTV e incluso UHDTV respecto a DVB-S2. Luego de todo este proceso, la señal pasa por los conversores de subida ( upconverter), para pasar de frecuencias intermedias a radiofrecuencias, estas pueden ser banda C o banda Ku. El proceso de transmisión termina con la amplificación de la portadora, por medio de un amplificador de alta potencia HPA (High Power Amplifier ), el proceso también debe incluir la ganancia de la antena y la perdida por IL ( Insertion Loss ) entre el HPA y la antena, esto se muestra en la ecuación (3): EIRP (dBW) = P − IL + G
(6)
Del cálculo de enlace, en función de la velocidad de transmisión, el sistema de modulacióncodificación a utilizar y el diámetro de la antena, se define el EIRP requerido de la estación transmisora y con esto se determina la capacidad del HPA requerido. Bandas de frecuencias En relación a las bandas de frecuencias de trabajo, los sistemas de comunicación vía satélite geoestacionarios operan con:
Banda C. Banda Ku.
Las principales características de estas bandas se presentan a continuación: Banda C. Esta banda es un rango de frecuencias de transmisión desde la estación terrena hacia el satélite con valores de 5,925 GHZ a 6,425 GHz, mientras la transmisión desde el satélite hacia el Head End es de 3,7 GHz a 4,2 GHz. Banda Ku. Esta banda es un rango de frecuencias de transmisión desde la estación terrena hacia el satélite con valores de 14 GHz a 14,5 GHz, mientras la transmisión desde el satélite hacia el
64
Head End es de 11,7 GHz a 12,7 GHz, esto dado por la región 2 que cubre gran parte del
continente americano, en relación a la transmisión del satélite al Head End, la banda Ku se divide en tres sub bandas:
Banda Ku (Banda PSS) de 10,7 GHz a 11,75 GHz.
Banda Ku (Banda DBS) de 11,75 GHz a 12,5 GHz.
Banda Ku (Banda Telecom) de 12,5 GHz a 12,75 GHz.
Estas bandas, al tener un valor muy elevado de frecuencias, tienen un comportamiento directivo, y presentan una gran atenuación. Por este motivo, en la estación terrena la frecuencia es mayor hacia el satélite, ya que dispone de más potencia para compensar los efectos de atenuación. 4.2.2 Proceso de la señal en el satélite Luego del proceso de transmisión desde el proveedor de contenidos, la información es recibida por los satélites, y éstos deben de reenviar el contenido de vuelta a la tierra pasando por distintos procesos mostrados en la Figura 4.4.
Figura 4. 4. Proceso de la señal en el satélite. Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 4.4 se puede apreciar lo siguiente:
Recepción y amplificación de la señal. o
Se utiliza amplificador de bajo ruido LNA ( Low Noise Amplifier), éste provee amplificación con una baja contribución de ruido a la señal recibida, ya que ésta es de muy bajo nivel por los efectos de atenuación espacial desde la estación terrena hacia el satélite.
Conversión de frecuencia. o
Conversor de bajada DC ( Downconverter), equipo que traslada espectralmente la o las portadoras desde la banda de subida a la banda de bajada desde el satélite. Para este caso, se efectúa la conversión del espectro desde los 6 GHz a 4 GHz en banda C y 14 GHz a 12 GHz en banda Ku.
Amplificación de potencia para el envío. o
Etapa que provee amplificación mediante el HPA, para el EIRP requerido de bajada del satélite.
A continuación se analiza el proceso de recepción y transmisión de la señal en el satélite.
65
Transpondedor Un transpondedor realiza procesos de traslación de frecuencia, incluida la amplificación y en algunos casos, el enrutamiento para sistemas de internet vía satélite; por lo tanto el transpondedor puede actuar de dos formas:
Transparentes o Bent Pipe. Operan simplemente como repetidores, realizando tan solo la función de amplificación de la señal y el cambio en la banda de frecuencia en el caso
de subida y de bajada mostrada en la Figura 4.5a. Con procesamiento a bordo OBP ( On Board Processing). Incluye procesos de demodulación y decodificación a bordo, realizando conmutación a nivel de banda base, esto se muestra en la Figura 4.5b.
Figura 4. 5. Tipos de transpondedor. Tanto Transpondedor transparente, como transpondedor con procesamiento a bordo. Fuente: Elaboración Propia.
El transpondedor debe de enfocarse en factores para su funcionamiento óptimo, tales como:
Conectividad antena entrante y saliente.
Banda de frecuencia entrante y saliente.
Disponibilidad de un cierto EIRP medido en dBW.
Ancho de banda del transpondedor, en MHz, asociados a las bandas C y Ku.
Estos transpondedores en conjunto con las antenas de recepción (información desde los proveedores de contenidos) y de transmisión (información hacia el Head End) conforman el funcionamiento de un satélite artificial. Para los enlaces satelitales desde el proveedor de contenidos hacia el Head End, el satélite utilizado es uno con órbita geoestacionaria, con una distancia de 35.786 Km desde la superficie de la tierra (cabe destacar que existen otros satélites definidos por sus orbitas más cercanas a la tierra, haciendo que la antena de emisión y de recepción terrestre se tengan que mover para
66
captar la señal, estas orbitas son llamadas LEO ( Low Earth Orbit) y MEO (Medium Earth Orbit). Por lo tanto, un satélite geoestacionario es capaz de trasladarse en torno a la tierra, a la misma velocidad en que ésta rota en su propio eje, pareciendo un punto fijo en el cielo. Uso de recursos en el transpondedor Para el caso de comunicaciones satelitales se utiliza cierto tipo de asignación para el acceso del recurso, este acceso pueden ser:
Asignación fija PAMA: El acceso al transpondedor es preasignado, denominado PAMA (PreAssigned Multiple Access ), que puede considerar los siguientes tipos: o
SCPT ( Single Carrier per Transponder), dadas por portadoras de gran capacidad (una portadora) y que permite operar al transpondedor casi en saturación.
Por acceso múltiple, asociado al concepto OMA ( Orthogonal Multiple Access), permitiendo que un canal sea transparente a los demás, algunos ejemplos son: o
FDMA ( Frequency Division Multiple Access ), es el caso más común por su simplicidad, el ancho de banda del transpondedor es usado por varias portadoras.
o
TDMA ( Time Division Multiple Access), permite el acceso al espectro de frecuencia en el transpondedor, a través de una base de ortogonalidad compartida en el tiempo, las estaciones terrenas transmiten ráfagas de datos en su intervalo de tiempo exclusivamente asignado, esta duración puede estar dada por las condiciones de tráfico.
o
CDMA ( Code Division Multiple Access ), la ortogonalidad se utiliza por usar diferentes códigos en cada portadora que acceden al mismo tiempo al transpondedor, hay traslapo de frecuencia y en el tiempo de diferentes señales.
o
SDMA ( Space Division Multiple Access ), la ortogonalidad se brinda por las coberturas del satélite, en relación a la polarización asociada o la combinación de cobertura y polarización.
Asignación por demanda DAMA ( Demand Assigned Multiple Access ), el transpondedor y sus recursos de potencia, ancho de banda y tiempo son compartidos dependiendo del requerimiento del usuario en la estación terrena.
Asignación aleatoria RMA ( Random Multiple Access ), aplicable cuando la aplicación es esporádica, teniendo colisiones muy poco frecuentes.
El acceso a recurso común en sistemas satelitales se basa en la polarización de la señal portadora, en este caso se accede a dos señales ortogonales con los siguientes tipos de polarización [26]: Polarización Lineal: ésta se define lineal, ya que la componente de campo eléctrico puede variar de forma horizontal o vertical H-V en un solo sentido conforme viaja la onda; por lo tanto si el 67
campo eléctrico varía de forma horizontal se dice que la onda está polarizada horizontalmente, lo mismo aplica para el caso vertical. Polarización Circular: ésta se define circular, ya que la componente de campo eléctrico tiene un punto en el espacio y conforme avanza la onda, éste va tomando valores en dos dimensiones, caso contrario a la polarización lineal, en que el campo eléctrico varía solo en una dimensión (sea vertical u horizontal), para este caso se definen polarización vertical LHCP- RHCP (Left/Right Hand Circular Polarization) dependiendo si el campo eléctrico, a medida que la onda se propaga,
toma puntos como vectores en sentido horario o anti horario. Transmisión hacia la tierra desde el satélite En relación a la contribución de las antenas, se debe de considerar las áreas de cobertura o “footprints ”, éstas se refieren a distintas co berturas asociadas a la Figura 4.6:
Figura 4. 6. Mapa de cobertura Sudamérica en banda Ku (izquierda) y banda C (derecha) para satélite amazonas 2 [27].
De la Figura 4.6 se pueden apreciar zonas con números, estos se refieren a la medición de potencia en dBW. Para este caso, las características para satélite Amazonas 2 se muestran en la Tabla 4.2 [27]: Tabla 4. 2. Características del satélite amazonas 2 [27]. Descripción
Amazonas 2
Transpondedores
64 (54 en banda Ku, 10 banda C)
Ancho de banda asociado
36 MHz (Ku) y 54 MHz (C)
68
Cabe destacar que este es solo uno de los tantos satélites desplegados de los distintos operadores satelitales. Los transpondedores de un satélite tienen distintas coberturas, las hay del tipo:
Cobertura Global. Cobertura Hemisférica o zonal, definido para un área más restringida, como partes de los continentes (teniendo un mayor EIRP que la cobertura global).
Cobertura pincel que cubre una zona pequeña (ciertas partes de países incluso), permitiendo el uso de antenas más pequeñas en el receptor producto de un EIRP mayor.
Se presentó en el caso anterior el satélite amazonas para cobertura hemisférica. 4.2.3 Recepción de la información satelital Finalmente la información que ha sido transmitida desde un proveedor de contenidos al satélite en cuestión, reenvía la información al Head End, en donde se recibe el contenido, como se muestra en la Figura 4.7.
Figura 4. 7. Recepción de la información satelital. Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 4.7 se puede apreciar lo siguiente:
Recepción satelital. o
Se amplifica y se convierte espectralmente desde las bandas de frecuencias (C y Ku) a banda de frecuencia L, a través de LNB ( Low Noise Block) con la característica de entregar una baja contribución de ruido.
Procesamiento de demodulación. o
Asociado a la demodulación de la señal de información.
Recuperación de la señal información. o Asociada a diferentes etapas con la que se recupera la señal.
En la recepción satelital, hay varios elementos para llegar a la señal de información enviada desde el proveedor de contenidos, estos son:
Patio de antenas.
Elementos de las antenas.
Elementos para llegar a la señal información.
Se efectuará un análisis de cada elemento.
69
Patio de Antenas Se definen como patio de antenas, a la cantidad de antenas instaladas orientadas a los satélites que usa el proveedor de contenido, para la recepción de su señal y también se define con qué tipo de frecuencia de trabajo se está operando. Por lo general, la transmisión en banda C y banda Ku tienen antenas receptoras con un diámetro asociado de:
Banda C. Con dimensiones de antenas receptoras de 4,8 metros y polarización circular
Banda Ku. Con dimensiones de antenas receptoras de 4,5 metros y polarización lineal.
o lineal.
Amplificador conversor de bajo ruido LNB LNB (Low Noise Block ) es un amplificador y conversor de frecuencia de bajo ruido, amplifican y trasladan el espectro de radiofrecuencia de cualquiera de los dos casos (banda C o banda Ku) a banda L de 950 MHz a 1.450 MHz. La matriz de banda L es una matriz que permite cambiar la entrada a un IRD desde las distintas antenas utilizando un simple divisor. Receptor/Decodificador Integrado IRD (Integrated Receiver Decoder) Es un receptor que se sintoniza a la portadora en banda L, demodulando y decodificando la señal de video. El IRD puede funcionar en conjunto con una tarjeta inteligente (Smart card), y con ésta desencriptar la información, para el uso de una señal encriptada. Finalmente éste (IRD) entrega la información digital en banda base para su utilización en una parrilla programática en conjunto con otras señales de televisión, recibidas desde otros proveedores de contenidos en el patio de antenas. Sistema de acceso condicional CAS ( Conditional Access System
)
Como lo indica su nombre, se encarga de controlar el acceso, dentro de este sistema se efectúa el servicio de encriptación dado por los proveedores de contenidos, para que en la recepción, el Head End pueda desencriptar la información y hacer uso de los canales de televisión.
Este módulo de seguridad es incrustado dentro del receptor o es desmontable en la forma de una tarjeta inteligente (como la explicada recientemente). Dentro del receptor, hay una tarjeta inteligente que contiene la información de acceso al usuario, a continuación se listan las partes de este proceso:
El receptor recibe el flujo digital.
El flujo de datos va al módulo de acceso condicional, el cual contiene los algoritmos sin aleatorizar del proveedor de contenidos.
70
Luego éste verifica la existencia de una tarjeta inteligente que contiene el código de autorización del suscriptor.
Si el código de autorización es aceptado, el módulo de acceso condicional des aleatoriza los datos entregando el dato al receptor. Si el código no es aceptado, el dato sigue aleatorizado con restricción de acceso.
El receptor luego decodifica el dato y prepara el dato para su envío a través de una parrilla
de contenido. Este sistema de acceso condicional opera también a nivel de video IP para redes gestionadas como IPTV, que se verá en la Sección 5.4.2. 4.3 Contenido a través de redes computacionales Una vez recibida la información en banda base, se procede a formar la parrilla de contenidos para luego enviar esta información completa al usuario final. Esta entrega será por sistemas IPTV u OTT que trabajan con el protocolo de internet asociado al video en la parrilla programática. En la conformación de esta parrilla, se tienen ciertas interfaces que se verán a continuación. 4.3.1 Interfaces de contenido en televisión En relación a la entrega de información del servicio de televisión, se presentan dos interfaces muy utilizadas para el procesamiento de contenido en la preparación de la parrilla programática. Estos son:
SDI ( Serial Digital Interface ).
ASI ( Asynchronous Serial Interface ).
Como se vio en el capítulo II de señal de televisión digital, se conocen los formatos SDI, tanto para televisión con definición estándar, como para la alta definición de televisión HD-SDI. Este es un formato sin comprimir, con tasas de 270 Mb/s para SDTV y de 1,485 Gb/s para HDTV, como las también definidas 3G-SDI, 6G-SDI y 12G-SDI, estas últimas dos para el caso de la ultra alta definición de la televisión UHDTV. También se emplea la interfaz serial asíncrono ASI, éste es un formato de transporte de datos que lleva flujo de transporte MPEG. Respecto a SDI, este es un flujo comprimido, y a su vez puede variar dependiendo del sistema de compresión MPEG utilizado (ya sea el caso MPEG-2, MPEG-4, H.264 o H.265), para este caso se tienen distintas tasas de bits por segundo en conjunto con las distintas definiciones en televisión SDTV, HDTV y/o UHDTV. A continuación se presenta en la Figura 4.8 el procesamiento con las interfaces de contenido.
71
Figura 4. 8. Parrilla programática en el Head End. Fuente: Elaboración Propia.
La Figura 4.8 se divide en cuatro bloques, los cuales son:
Adquisición de video (estudiada en la Sección 4.2 para el caso de contenido internacional, asociada a enlaces satelitales, y en el caso local, el contenido puede venir comprimido a través de cables de fibra óptica, o por medio inalámbrico desde algún acontecimiento en vivo a nivel local, ej. Noticias, etcétera).
Procesamiento de video. El Head End debe de procesar cada señal para su distribución, en este caso se debe considerar los tipos de dispositivos receptores del usuario final, inserción del contenido local y ajustar los niveles de audio y video para todos los canales. Un caso aparte es el hecho de agregar a esta parrilla la funcionalidad del conocido “ Trick play” y de otros servicios com o Internet y telefonía sobre IP.
Codificación de video, se debe definir si se utilizará MPEG-4 AVC H.264 como estándar evolución de MPEG-2. Asociada a la transcodificación (proceso para pasar de un tipo de codificación a otro), es decir, se transcodifica todos los flujos a un algoritmo de compresión definido. En un futuro se pasará al nuevo sistema de compresión H.265 HEVC.
Sistema de gestión de video, encargado de controlar, configurar y dar acceso a clientes, ver fallas del sistema por condiciones de QoS ( Quality of Service) o QoE ( Quality of Experience), que serán vistas en la Sección 4.4.3.
4.3.2 Video sobre Protocolo de internet Hay varias razones del porque se utiliza el video sobre el protocolo de internet, en primer lugar, se debe de considerar que IP entrega un mecanismo para direccionar flujos de paquetes entre
72
distintos dispositivos conectados a la red. Un paquete es una unidad de información (colección de bytes) en un formato definido, que puede ser enviado a través de la red. En muchos casos un e-mail o una señal de video, pueden ser enviados en múltiples paquetes IP, y asociados a las tecnologías de entrega como pueden ser LAN Ethernet, enlaces inalámbricos Wi-Fi y redes de fibra óptica, que hacen de este diseño de video sobre IP, sea una excelente propuesta para el envío de información. Otras razones para el envío de video sobre el protocolo de internet son: Flexibilidad de la red IP. Asociada a la gran variedad de dispositivos que soportan IP.
Costo en IP. Asociado al bajo valor de adquisición de los terminales.
Protocolo de Internet, masivamente utilizado en gran cantidad de aplicaciones.
Para la comprensión de cómo se comporta el video sobre las redes IP, se debe de considerar lo siguiente:
Modelo de referencia OSI y de referencia TCP/IP.
Protocolos que definan las necesidades de tiempo real para la transmisión del contenido.
En relación a lo anterior, se debe de poder transportar los flujos de transporte MPEG a través de los paquetes IP. Un paquete es un mensaje que lleva información de dirección auto contenida, los largos bloques de información o transmisión de datos como video, pueden ser direccionados como muchos mensajes pequeños. A nivel de comunicaciones, como se ha mencionado, hay dos modelos, uno es el modelo de referencia OSI (Open System Interconnection ), utilizado como referencia para la definición de arquitecturas de red. Éste se divide en 7 capas para presentar los diferentes niveles contenidos en él. Por otra parte se presenta el modelo TCP/IP como descripción de protocolos de red, éste describe un conjunto de reglas e implementación para permitir que un equipo se conecte a través de una red de internet, además de proveer conectividad de extremo a extremo. En el modelo TCP/IP se 11
presentan cuatro capas de abstracción definidas por RFC 1122, estas capas a menudo son comparadas con las siete capas del modelo de referencia OSI, que son presentadas en la Figura 4.9.
11
Es una especificación oficial para la comunidad de internet, que incorpora referencias, compensaciones, correcciones y complementos de los documentos de estándares de protocolos primarios relativos a host o invitados. Esta especificación cubre las capas de enlace, IP y de transporte. RFC-1123 se encarga de cubrir la capa de aplicación.
73
Figura 4. 9. Presentación de los modelos TCP/IP y OSI. Fuente: Elaboración Propia.
En la Figura 4.9 se presentan ambos modelos, y las comparaciones y/o similitudes están dadas de la siguiente forma:
Capa I Acceso a Red comparada con las capas I y II Física y de Enlace de datos respectivamente.
Capa II de Internet comparada con capa III de Red.
Capa III de transporte comparada con capa IV de transporte.
Cabe destacar que las capas propuestas por el modelo de referencia OSI que incluyen sesión y presentación no se encuentran en el modelo TCP/IP, por lo tanto son exclusivas de este modelo. A continuación se presenta el comportamiento de cómo debería de estar la información a través del protocolo de Internet IP [28] y las cabeceras asociadas a las distintas capas de trabajo. 4.3.2.1 Capa física La capa física es la base de todas las redes, en esta se imponen límites para su ancho de banda de transmisión asociados a Nyquist-Shannon (canales sin ruido y con ruido), los medios de transmisión pueden ser alámbricos o inalámbricos y la transmisión sobre estos incluyen metodos de modulación digital en forma de señales analógicas, o de transmisión de banda base a nivel de códigos de línea (Manchester, NRZ, etc). Conjuntamente con ello, se incorporan las técnicas ARQ (Automatic Repeat-reQuest) o FEC (Forward Error Correction) con el objetivo de, ya sea detectar o detectar-corregir errores respectivamente. Asimismo, se establecen protocolos asociados al control del flujo de información. 4.3.2.2 Capa de enlace de datos Esta capa asegura la confiabilidad de los enlaces físicos (establecidos en la capa I del modelo de referencia OSI), en el que se hace envío de información en bits, pero no se asegura la llegada de estos. En el modelo TCP/IP no se considera una capa física, ya que en este, se trabaja la capa de acceso a la red que incluye tanto la capa física y de enlace de datos del modelo OSI. Los estándares definen como las tramas son reconocidas y entregan el flujo necesario de control y
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de manejo de error en el mismo nivel. Además se define el método de acceso mediante el cual un nodo podrá tomar el control de la comunicación. Dentro de la capa de enlace, se distinguen dos tipos de servicios, denominados:
Servicios orientados a la conexión.
Servicios no orientados a la conexión.
Los servicios orientados a la conexión son todos aquellos en que, antes de iniciar la transferencia de la información, establecen un camino único para transferir la totalidad de datos asociados a una aplicación, llamados también circuitos virtuales, con un tiempo de latencia constante (entiéndase como el tiempo que tarda la señal transmitida en llegar al nodo receptor desde el emisor). Los servicios no orientados a la conexión se denominan datagramas. En este caso la red asigna un camino físico para cada paquete asociado a una misma aplicación. Habitualmente, el receptor no recibe los paquetes en el orden que fueron emitidos, en consecuencia, el nodo receptor deberá reordenar la secuencia de los paquetes que fueron emitidos, lo cual significa un tiempo de procesamiento mayor, es decir, una latencia variable (muy utilizadas en LAN Local Area Network). Dentro de esta capa se encuentran dos sub capas, estas son:
Sub capa de control de acceso al medio MAC ( Medium Access Control).
Sub capa de control de enlace lógico LLC ( Logical Link Control).
La sub capa MAC depende del método de acceso (estadístico o determinístico), mientras la subcapa LLC, se interconecta a las capas superiores del modelo de referencia OSI, obedece a una estructura única basada en el protocolo HDLC ( High Level Data Link Control ), independiente del método de acceso. Esta sub capa LLC, fue integrada por IEEE 802.3 previamente en la sub capa MAC para evitar entrar en la trama, cuando se había publicado esto, ya había hardware y software dado por Ethernet; por lo que IEEE ignora el hecho de considerar que tenga que ir la sub capa LLC. Al analizar el formato de entrega de la trama, dadas las capas I y II del modelo de referencia OSI, se obtiene una cabecera definida por 8 bytes para la capa física y de 14 bytes para la capa Ethernet (de estas 6 bytes son para la dirección MAC fuente y 6 bytes para la dirección MAC de destino, mientras los restantes 2 corresponden a Tipo), en conjunto con CRC como código de detección de errores usado en redes digitales [29], esto mostrado en la Tabla 4.3. Tabla 4. 3. Formato de trama MAC Cabecera Capa física
Cabecera trama MAC
Carga Útil
CRC
8 bytes
14 bytes
Variable
4 bytes
75
Fuente: Elaboración Propia. Para este caso se utiliza Ethernet, porque el tamaño de la trama es utilizado de forma universal para todos los dispositivos, además de ser el de valor predefinido, es el de menor longitud en bytes, ya que por ejemplo, una trama IEEE 802.11 puede ser de 2.272 bytes y para transportar está por sobre Ethernet, se necesitaría dividir la trama en dos para su envío; por lo tanto se utiliza Ethernet como unidad de transmisión máxima MTU ( Maximium Transmission Unit Path) con un valor de 1.500 bytes. Otras razones que definen este tamaño, tratan a nivel de paquete, ya que hay buena optimización en la relación de cabecera/carga útil, y también en la minimización de la probabilidad de error de un fragmento codificado, esto debido a que la perdida un solo trozo en la capa de red o transporte, resulta en descartar todos los otros fragmentos perteneciente al fragmento codificado en cuestión perdido, esta ventaja asociada al tamaño mencionado anteriormente. El equipo utilizado en la capa II es el Switch, éste se encarga de separar la red lógica y física de cada conexión o puerto, enviando un paquete a un puerto que esté destinado para su recepción, algunos switch pueden operar en modo Full Dúplex transmitiendo y recibiendo al mismo tiempo. 4.3.2.3 Capa de red Esta capa establece, mantiene y termina las conexiones de red. Entre otras funciones, los estándares definen como la información manejada es direccionada y retransmitida desde el srcen al destino. Una particularidad de esta capa, consta en como en el viaje de la información se deben de dar saltos en enrutadores intermedios, a diferencia de la capa anterior que solo movía tramas de un punto a otro. Por lo tanto, la capa de red debe de conocer la topología de la red y hacer una elección del mejor camino a tomar producto de enrutadores y enlaces. En la capa de red hay distintos elementos para dar función a los enrutadores y enlaces, el principal es el proveedor de servicios de Internet ISP ( Internet Service Provider), que se define como enrutadores conectados a través de líneas de transmisión, esto mostrado en la Figura 4.10.
Figura 4. 10. Funcionamiento básico en la capa de red. Fuente: Elaboración Propia.
76
En la Figura 4.10 se muestran dos Host o equipos terminales, el primero conectado de manera directa al enrutador A del ISP, los demás se encuentran conectados a una LAN hacia el punto F. En el ISP el paquete se almacena ahí hasta que haya llegado por completo y el enlace haya terminado su procesamiento mediante la comprobación de la suma de verificación. Después se reenvía el paquete al siguiente enrutador de la ruta hasta que llega al host de destino. Cabe destacar que en la capa de red se debe de conocer la topología y elegir el mejor camino, en base a esto se desprenden dos tipos de servicios, vistos en la capa de enlace de datos:
Servicio orientado a la conexión.
Servicio no orientado a la conexión.
El primero denominado como red de circuitos virtuales, y el segundo red de datagramas. A continuación en la Tabla 4.4 se presentan algunas diferencias entre estas. Tabla 4. 4. Diferencia entre red de datagramas y de circuitos virtuales. Red de datagramas
Red de circuitos virtuales
Configuración del circuito.
No necesaria.
Necesaria.
Direccionamiento.
Cada paquete contiene dirección de
Se requiere determinar la tabla
fuente y destino.
en el enrutador para la conexión.
Cada paquete se direcciona de manera
La ruta se elige en conjunto con
independiente.
el circuito virtual, y todos los
Enrutamiento.
paquetes siguen esa ruta. Fallas en el enrutador.
Calidad de servicio y
Inexistentes, salvo en caso de perdida
Fallan en la entrega producto de
por fallas.
tener un enrutador con fallas.
Difícil prestación.
Si se asignan los recursos y rutas
control de congestión en
fijas, la calidad es alta.
la red.
Fuente: Elaboración Propia. Cabe destacar que en circuitos virtuales se desprende un protocolo denominado Conmutación Multiprotocolo de etiquetas MPLS (MultiProtocol Label Switching ), orientado a la conexión y utilizado dentro de las ISP, en donde los paquetes IP tienen una conexión o etiqueta de 20 bits como identificador, este protocolo al ser de red de circuitos virtuales, se le denomina un protocolo de capa 2.5 según el modelo de referencia OSI, ya que obedece el comportamiento de ambas
77
capas, depende de direcciones IP o algún otro tipo de dirección para establecer rutas de etiquetas y además reenvía los paquetes a través de varios saltos por enrutadores. Es importante considerar que en la capa de red se debe de conocer la ruta, para esto hay distintos algoritmos de enrutamiento, estos son parte del software de la capa de red para decidir por cual línea de salida se transmitirá un paquete entrante; la mayoría de los algoritmos buscan la ruta más corta y se adaptan a los cambios en la topología de la red. Los algoritmos de enrutamiento más utilizados son enrutamiento por vector de distancia y el enrutamiento de estado del enlace. De esto hay varios, pero no se detallarán ya que se sale de la temática de la memoria. En esta capa, se debe de poder comunicar distintas redes denominadas “heterogéneas” entre sí,
para esto se ha utilizado ampliamente el protocolo de internet, por ser compatible con muchas tecnologías (IEEE 802.11, LAN Ethernet, MPLS, Internet por cable, redes telefónicas móviles, entre otras). IP (Internet Protocol) corresponde a un protocolo no orientado a la conexión, usado tanto por el srcen como por el destino, para la comunicación de datos a través de una red de paquetes conmutados. IP proporciona un servicio de datagramas no fiables llamados de mejor esfuerzo, proporcionando únicamente sus cabeceras y no mecanismos que determinen si el paquete llegó o no a su destino. En la capa de red, la Internet es un conjunto de redes denominados sistemas autónomos AS (Autonomous Systems) interconectados, no hay una estructura real, pero existen varias redes troncales backbones, éstas desarrolladas por líneas de un alto ancho de banda y de enrutadores de alta velocidad. Las ISP se conectan a estas redes para llegar a los usuarios finales, todo esto trabajando como ya se ha dicho con IP. En IP se utilizan direcciones IP, éstas son las encargadas de identificar de manera lógica a una interfaz de dispositivo dentro de la red que utilice el protocolo IP, dentro de estas direcciones IP se consideran dos versiones dadas por sus cabeceras, IPv4 e IPv6. La primera utiliza 32 bits y llega a ofrecer una cantidad de 23 direcciones de usuarios. Un problema actual es que esta cantidad ya no es capaz de dar abasto a nivel mundial en termino de conexiones; por lo tanto se trabaja con su evolución IPv6, que es capaz de tener hasta 128 bit para la representación de direcciones, con esto se soluciona el problema de direcciones ya que puede tener hasta 28 direcciones de usuarios posibles. En la actualidad la más utilizada para direccionar el tráfico de internet es IPv4, aunque se está comenzando a migrar a IPv6, dentro de los beneficios están [30]:
Multidifusión ( Multicasting) con opción de entregar un paquete único a múltiples destinos.
Configuración de direcciones sin estados SLAAC ( Stateless Address Autoconfiguration ), el cual permite a la red auto configurarse cuando se conecta a otra red establecida.
Mejoras de seguridad en capas de red y movilidad. 78
Dentro de las características de la capa de red, las cabeceras correspondientes tienen una longitud de [31] [32]:
IPv4: 20 bytes.
IPv6: 40 bytes.
Esto, en conjunto con las cabeceras de trama Ethernet y capa física se presentan en la tabla 4.5. Tabla 4. 5. Trama Ethernet, cabecera de Paquete IP. Cabecera Capa
Cabecera
física
Ethernet
trama
Cabecera IPv4/IPv6
Paquete
8 bytes
14 bytes
20 bytes/40 bytes
Carga Útil
CRC
Variable
4 bytes
Fuente: Elaboración Propia.
Protocolos importantes en la capa de red Además de IP para la transferencia de datos, Internet contiene varios protocolos de control, estos son:
Protocolos de mensajes de control en Internet ICMP ( Internet Control Message Protocol), encargado de informar sobre un procesamiento de un paquete en un enrutador. Protocolo de resolución de direcciones ARP ( Address Resolution Protocol) encargado de encontrar una dirección de Hardware asociada a una dirección IP. Este es utilizado en IPv4, para el caso de IPv6 el protocolo en cuestión es NDP ( Neighbor Discovery Protocol).
Protocolo de configuración dinámica de Host DHCP ( Dynamic Host Configuration Protocol), es el encargado de la configuración de la capa de red, al iniciar un equipo,
DHCP tiene integrada una dirección Ethernet en la tarjeta de interfaz de red NIC ( Network Interface Card), y con esto el equipo difunde una solicitud de dirección IP en la red para
ser finalmente asignada con una dirección IP dinámica (por el hecho de que esta dirección Ethernet al desconectarse y volver a conectar puede obtener una dirección IP distinta, en el caso en que la dirección IP asignada anteriormente estuviese siendo utilizada). 4.3.2.4 Capa de transporte Esta capa se aísla de las capas superiores, de tener que tratar con las complejidades de las capas anteriormente nombradas, dando las funciones necesarias para garantizar un enlace de red confiable. La función principal de esta capa es asegurar la entrega de paquetes IP entre redes y/o equipos terminales independiente de las redes físicas que se utilizan en la actualidad. La idea o meta de la capa de transporte es proporcionar un servicio de transmisión de datos eficiente y confiable a sus usuarios; para esto la capa de transporte utiliza los servicios 79
proporcionados por la capa de red. De la misma forma en que hay dos tipos de servicio de red, también los hay en el servicio de transporte, orientados a la conexión y no orientados a la conexión, a continuación en la Figura 4.11 se muestran dos tipos de protocolos para el transporte de video sobre IP.
Figura 4. 11. Protocolos para transporte. Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 4.11 se aprecian dos protocolos para el transporte, estos son UDP y TCP. Cada capa entrega una cabecera a la carga útil, en el caso de la capa de enlace de datos se trata de encabezado de tramas, en la capa de red se utiliza la notación de encabezado de paquete, y para la capa de transporte se utiliza el encabezado de segmento, esto se muestra en la Figura 4.12.
Figura 4. 12. Encabezado y carga útil por capa. Fuente: Elaboración Propia.
UDP denominado como protocolo de datagrama del usuario (User Datagram Protocol), es el encargado de enviar paquetes entre aplicaciones, dejando a estas construir sus propios protocolos, mientras el protocolo de control de transmisión TCP ( Transmission Control Protocol) realiza las conexiones y agrega confiabilidad mediante retransmisiones, junto con el control de congestión; por lo tanto UDP es no orientada a la conexión, mientras TCP lo es. A continuación se detallarán cada uno por separado.
80
Protocolo de datagramas del usuario UDP UDP (User Datagram Protocol) es un protocolo abierto, utilizado por lo general para aplicaciones de video. En UDP no se requiere comunicación en dos direcciones, trabajando en solo una dirección como es el caso de la comunicación satelital. Su principal uso para los sistemas de televisión, es la multidifusión o multicasting en los sistemas IPTV. Este protocolo se describe en el RFC 768 [33]. Por lo tanto al analizar el segmento de transporte dado por UDP, hay 8 bytes dedicados a la cabecera y el resto a la carga útil [33], como se aprecia en la Tabla 4.6. Tabla 4. 6. Formato trama Ethernet, cabecera IP y segmento UDP. Cabecera
Cabecera trama
Cabecera Paquete
Cabecera Segmento
Carga
Capa Física
Ethernet
IPv4/Ipv6
UDP
útil
8 bytes
14 bytes
20 bytes/40 bytes
8 bytes
Variable
CRC
4 bytes
Fuente: Elaboración Propia. Este protocolo es muy utilizado para el envío de audio y/o video sobre internet, ya que se enfoca en entregar una rápida transmisión más que en entregar datos confiables (para este caso si falla algún paquete, trama o segmento; la aplicación en sí verá si se eliminan muestras en audio, o tramas en video para llegar al usuario final sin la necesidad de retransmisión). Protocolo de control de transmisión TCP TCP (Transmission Control Protocol) es un protocolo orientado a la conexión y fiable a nivel de transporte, ya que garantiza que los datos serán entregados en su destino sin errores y en el mismo orden en que se transmitieron. Dentro de TCP, se tiene la opción de manejar tasas de error, particularmente en la perdida de paquetes. Para esto, TCP mantiene y cuenta cada byte de dato que se transporta en la red. El video en particular puede transportarse bajo este protocolo, pero su principal problema es que al estar corrigiéndose los paquetes, éstos producen retrasos en la información siendo un problema para la visualización de contenido. TCP está definido por RFC 793 en septiembre de 1981, pero con mejoras y corrección de errores e inconsistencias, se ha propuesto TCP detallada en RFC 4614 [34]. El servicio TCP se obtiene al hacer que tanto el servidor como el receptor creen puntos terminales denominados sockets, cada uno de estos tiene una dirección que consiste de la dirección IP del host y un número de 16 bits que es denominado puerto (local para aquel host). Un puerto es el
nombre TCP para TSAP (Terminal Service Access Point) como punto terminal específico en la
81
capa de transporte. Estos puertos se presentan en la Tabla 4.7, el puerto 80 opera con el protocolo de transferencia de hipertexto HTTP (HyperText Transfer Protocol) el cual permite establecer ciertas conexiones que sean capaces de reproducir video en vivo y/o grabado, algunas características de este se analizarán en el capítulo VI. Tabla 4. 7. Algunos puertos designados en TCP. Puerto
Protocolo
Uso.
20,21
FTP
Transferencia de archivos.
25
SMTP
Correo Electrónico.
80
HTTP
WWW.
443
HTTPS
Acceso seguro a web.
543
RTSP
Control del reproductor de medios.
Fuente: Elaboración Propia. Al analizar el encabezado de TCP, éste tiene una longitud fija de 20 bytes [34], en conjunto a las cabeceras de las capas inferiores, se tendría lo presentado en la tabla 4.8. Tabla 4. 8. Formato trama Ethernet, cabecera IP y segmento TCP. Cabecera
Cabecera Trama
Cabecera
Cabecera Segmento
Carga
capa Física
Ethernet
IPv4/IPv6
Paquete
TCP
útil
8 bytes
14 bytes
20 bytes/40 bytes
20 bytes
Variable
CRC
4 bytes
Fuente: Elaboración Propia.
Una particularidad de TCP sobre el transporte de video, consiste en el uso de un puerto especificado para conexión a través de HTTP, para este caso el puerto 80. En UDP, el puerto 80 produce un retardo de la información, llegando a producir ciertas fallas en el video. Protocolo de transporte en tiempo real El protocolo de transporte en tiempo real RTP ( Real-Time Transport Protocol) es utilizado para aplicaciones multimedia en conjunto con UDP, RTP se describe en RFC 3550 [35]. Es utilizado para transportar datos de audio y video en paquetes, también encargado en el receptor para reproducir de forma sincronizada el video y audio. Como se ha mencionado, RTP 82
trabaja en conjunto con UDP, trata múltiples flujos de audio, video y texto; los cuales están en conjunto con la aplicación del usuario. A continuación se presenta RTP en la Figura 4.13.
Figura 4. 13. Encabezado de RTP respecto al resto de capas. Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 4.13. RTP multiplexa los flujos y los codifica en paquetes RTP, para colocarlos en un socket (para este caso crear un punto terminal en la comunicación), luego se generan paquetes UDP para envolver los paquetes RTP y entregar a IP para que estos flujos multiplexados se transmitan a través de distintos tipos de enlaces. Producto de este comportamiento, no se puede corroborar que RTP funcione a nivel de capa de transporte o a nivel de capa de aplicación, ya que se ejecuta en el espacio de usuario y tiene bibliotecas asociadas a la aplicación. Por el otro lado es un protocolo genérico, independiente de la aplicación, ya que se encarga tan solamente de entregar herramientas a nivel de transporte, debido al último comportamiento se analiza en la capa de transporte. Como se ha indicado, RTP multiplexa varios flujos de datos en un solo flujo de paquetes UDP, éste se puede enviar a uno o varios destinos, ya sea el caso de unidifusión ( unicast) o multidifusión (multicast). RTP cuenta con características para ayudar a la transmisión de información multimedia utilizando numeración, es decir, a cada paquete se le atribuye un número que incrementa respecto a su predecesor, si falta algún paquete, es decisión de la aplicación en cuestión determinar si se elimina una trama, o si se aproxima mediante interpolación las tramas asociadas. Para este caso la retransmisión, no es una buena opción debido a que el paquete retransmitido puede ser corrompido. RTP trabaja en conjunto con el protocolo de control de transporte en tiempo real RTCP ( RealTime Transport Control Protocol) y está encargado de la retroalimentación, sincronización y de la
83
interfaz del usuario. Está definido en RFC 350 [35]. RTPC proporciona las siguientes características:
En retroalimentación, entrega valores sobre retardo, jitter12, ancho de banda y congestión. En sincronización de flujos, sincroniza los diferentes relojes dados también por los algoritmos de compresión vistos en el Capítulo III.
Cabe destacar que RTP también puede operar con TCP, esto está dado por RFC 4571 [36, 32], para este caso se especifica que RTP trabaja en conjunto con perfiles de video y audio AVP (Audio Video Profile ) sobre TCP. 4.3.2.4 Capa de Aplicación En la capa de aplicación, es donde se ejecutan las tareas, las capas por debajo de ésta, proporcionan servicios de transporte de la información, en esta Sección se analizará el protocolo de transferencia de híper texto HTTP ( HyperText Transfer Protocol), pero antes de comenzar con éste se analizarán de forma breve ciertas aplicaciones de esta capa para su compresión. DNS (Domain Name System) es un sistema de nombres de dominios, que cambia las direcciones IP de las páginas en nombres legibles para el ser humano, que son para un manejo más fácil. DNS apoya el mantener el nombre cuando se haya cambiado la dirección IP de la página en cuestión, entonces se efectúa para asociar los nombres de host con las direcciones IP. URL como localizador uniforme de recursos (Uniform Resource Locator ) trabaja con el protocolo de hipertexto, el nombre DNS de la máquina en la que se encuentra la página web y la ruta que indica de manera la página específica. El protocolo para esto es conocido como HTTP y trabaja en conjunto con TCP (a nivel de capa de transporte), según lo especificado en RFC 2616. HTTP es un protocolo de solicitud-respuesta, especificando que mensajes pueden enviar los clientes a los servidores, y qué respuestas reciben esos mensajes. Para ciertas aplicaciones de video sobre internet, se está volviendo más parecido a un protocolo de transporte que provee los medios para que los procesos comuniquen el contenido, aunque HTTP se trata de un protocolo a nivel de capa de aplicación. Es importante recalcar a nivel de aplicación, el hecho con contar con la seguridad en Internet. Para efectos prácticos se tienen los servidores de seguridad ( firewall), éste se encarga de inspeccionar los paquetes que están, tanto entrando como saliendo de una red determinada para definir acceso autorizado. El hecho de considerar el firewall, consiste en que estos pueden ir más 12
Jitter: Variabilidad temporal de entrega de datos.
84
allá en el hecho de inspeccionar IP/TCP llegando incluso a inspeccionar la carga útil, y representa una dificultad para la conexión RTP/UDP/IP ya que RTP cuenta con un puerto definido (5004) pero el firewall lo bloquea. Mientras el caso de HTTP/TCP/IP que cuenta con el puerto 80, evita el firewall, producto de estar este puerto apto para transmitir información y no presentar problemas de transmisión como con UDP. 4.3.3 Conversión de contenido de televisión a protocolo de Internet Como se vio en la sección anterior, los paquetes IP viajan a través de la red siguiendo protocolos para su transmisión, en esta sección se analizará como los flujos de transporte MPEG son capaces de entrar en los paquetes IP. La señal de televisión en IP incluye efectos de encapsulación de flujos de transporte en paquetes (asociados a MPEG TS), y en conjunto con esto, trabajar con protocolos de transporte para la transmisión de los mismos. La encapsulación IP es el proceso de tomar un flujo de datos, transformándolo en paquetes, y agregando la cabecera. Dentro de las mejoras asociadas a la transmisión de video sobre IP están las siguientes [28]:
Aplicación en conversación, como es el caso de videotelefonía o video conferencia. Descargas de flujos de video, utilizando protocolos como HTTP ( HyperText Transfer Protocol) y FTP (File Transfer Protocol), en el caso de MPEG utilizando los códec
asociados (H.264).
Flujo basado en IP, utilizando técnicas de transmisión que se verán en la siguiente sección.
A continuación se analizaran los casos de video sobre los protocolos a nivel de capa de red y de transporte. 4.3.3.1 MPEG Sobre IP Este proceso consiste en una serie de flujos de transporte MPEG dentro de datagramas. Para esto se toman las siguientes consideraciones:
Un paquete de video IP típico, puede contener hasta siete flujos de transporte. Para este caso, cabe recordar que estos tienen una longitud de 188 bytes; por lo tanto al multiplicar por 7 da una cantidad de 1.316 bytes.
Agregar las cabeceras vistas de Ethernet, IP y UDP/TCP.
No sobrepasar la unidad de transmisión máxima de Ethernet MTU de 1.500 bytes.
Lo anterior se puede representar en la Tabla 4.9:
85
Tabla 4. 9.Flujo MPEG sobre una unidad de transmisión. Cabecera
Cabecera segmento
MPEG-2 TS de
Ethernet
trama
Cabecera IPv4/IPv6
paquete
UDP/TCP
188 bytes
14 bytes
20 bytes/ 40 bytes
8 bytes/ 20 bytes
7 cantidades
CRC
4 bytes
Fuente: Elaboración Propia.
Cuando un video está siendo transportado sobre una red IP, se deben de considerar otros factores que pueden afectar significativamente a los usuarios como:
Multiplexación. Proceso para combinar flujos de video de diferentes fuentes hacia un flujo IP. Se consideran multiplexación estadística y estática.
Limitación de tráfico. Consiste en varias técnicas que son usadas para hacer el tráfico de video más fácil de manejar en la red, evitando llegar a un límite en la transmisión. El objetivo general es disminuir los picos del flujo IP.
Almacenamiento en búfer. Básicamente una colección de memoria que es usada para almacenar información con ciertas prioridades para tomar alguna acción, estos búfer pueden tener un impacto mayor al rendimiento de video de red.
4.3.3.2 MPEG sobre UDP Los protocolos de tiempo real operan en la capa de transporte, en este caso se tiene el protocolo UDP y TCP, ambos incluyen características comunes para el transporte de información, tal como direccionamiento de aplicaciones al número de puerto y control de error de la carga útil. En conjunto a UDP, opera con RTP como protocolo de transporte en tiempo real, es típicamente utilizada sobre IP/UDP. Esto es conexión no orientada y una sesión es asociada con el transporte de dirección, la combinación de direcciones IP y el número del puerto UDP. Cada RTP consiste de su cabecera, cabeceras de carga útil opcionales y la carga útil como tal. RTP tiene una cabecera de 12 bytes asociada para distintos servicios [28]. Hay varios beneficios de usar RTP para el transporte de MPEG-4 sobre IP, entre ellas están:
La capacidad de sincronizar los flujos MPEG-4 con otros paquetes RTP de flujos distintos a MPEG-4 (en el caso de tener flujos MPEG-2).
Soporte para monitorear el transporte de MPEG-4 sobre RTCP ( Real Time Control
Combinar y convertir MPEG-4 y otro flujo de datos de tiempo real desde múltiples
Protocol).
sistemas a través de mezcladores RTP.
86
Se debe de considerar que la carga útil, donde se llevará esta información, puede ser descrita como el elemento que lleva los flujos elementales de audio y video en sistemas MPEG, estos flujos son fragmentados y trazados a paquetes RTP. Estos paquetes RTP habilitan el transporte de ES de MPEG-4 sin usar la sincronización ni gestión de flujo de los sistemas MPEG. Cabe destacar que los sistemas RTP pueden paquetizar tanto los flujos de audio como de video de formas separadas, el desarrollo de esto se cita en [37]. 4.3.3.3 MPEG sobre TCP El protocolo de control de transmisión TCP, está destinado para el uso de alta confiabilidad de protocolos entre host en redes de comunicación de computadores de paquetes conmutados, y en sistemas de interconexión de ese tipo de redes. TCP ofrece un byte orientado al servicio de transporte garantizado, el cual está basado en la retransmisión y mecanismos de tiempo de espera para control de errores, debido a este retraso de características impredecibles, no es adecuado para comunicación de condiciones de tiempo real. El método de entrega con el que se trabaja en conjunto con TCP es HTTP ( HyperText Transfer Protocol). Operan en conjunto al puerto 80 (IP/UDP tiene problemas con los cortafuegos o firewalls , produciendo problemas y retrasos en la transmisión de contenido), este puerto para el
caso de HTTP permite comunicarse al cliente con el servidor de forma directa y por defecto; por lo tanto HTTP entrega un transporte confiable de su contenido. Hay distintos tipos de aplicaciones para video en HTTP, en algunos casos se pueden clasificar en:
IP VoD ( IP Video on Demand).
Televisión por Internet.
Video por internet.
En este tipo de transmisión, el servidor entrega los paquetes de información en forma segmentada al navegador, permitiendo el envío a una tasa de bits determinada por el tipo de resolución asociada y de compresión utilizada (ej. SDTV o HDTV comprimido en H.264 o en MPEG-2); por lo tanto los datos representan unos segundos de visualización de contenido, y el usuario, descargará en bloques de datos de video. Este tipo de transmisión puede ser desplegada de dos formas: 1. En la misma página web a través de la reproducción de video inmediata. 2. Accediendo en la página web a un video que tendrá una imagen estática del mismo, en este caso al acceder al video, éste se reproducirá en una nueva página web.
87
Para este caso se trabaja con un sistema progresivo que descarga, que luego reproduce el contenido descargado (desde el principio o en cualquier punto de la reproducción); por lo tanto el usuario en cuestión (ya se cualquiera de las tres nombradas anteriormente), debe esperar descargar el primer bloque de datos consistentes en paquetes IP. Bajo el concepto de entrega de IP/TCP en conjunto con HTTP, se desprenden distintos protocolos con mejoras significativas asociadas a OTT, se estudiarán en detalle en la Sección 6.4. 4.4 Entrega de contenido desde el Head End hasta el usuario Dentro de las tecnologías de última milla, el gran objetivo está en entregar fibra al hogar FTTH (Fiber To The Home ), en la cual se asegura de llegar con una gran velocidad de transmisión en Mb/s o Gb/s al usuario producto de las ventajas comparativas que es capaz de entregar la fibra óptica respecto a otros medios de transmisión alámbricos como el par de cobre, cable trenzado UTP y el cable coaxial. Algunas de estas ventajas son:
En términos de velocidad, la fibra óptica es capaz de transmitir mayor cantidad de información de datos y con mayor distancia respecto a las otras tecnologías.
FTTH entrega un cable de fibra óptica directo al hogar, a diferencia de otros servicios como CATV que entrega cable coaxial, en este caso, el cable coaxial es compartido y la cantidad de datos a enviar es un valor menor, considerando la saturación asociada al servicio y la cantidad de hogares en que se entregará.
4.4.1 Entrega de la información al usuario final A continuación se presentan los tipos de transmisión, de tanto en las formas de entrega física, como en la forma de transmisión de contenido para uno o muchos usuarios. 4.4.1.1 Tipos de entrega en la información En sistemas de entrega de información, es vital comprender que el uso de la fibra óptica es el medio de transmisión que apoyará grandes cantidades de datos de información. Ésta se divide en dos grandes grupos:
Transmisión.
Distribución.
La transmisión es muy utilizada para conectar al planeta, en la actualidad se utilizan cables de fibra óptica submarinos para la conexión mundial de información, un caso de este es Global Crossing [38], que utiliza cables de fibra óptica submarinos y terrestres.
Mientras en la distribución se desprende el termino GPON ( Gigabit-capable Passive Optical Network), muy utilizado para la distribución de información a nivel local ya que es capaz de
abarcar una distancia de 20 kilómetros. GPON es una tecnología estandarizada por ITU-T con 88
recomendación G.984.1, G.984.2, G.984.3, G.984.4 y G.984.5. Además es capaz de soportar servicios variados como es el caso de [39]:
Voz. Multiplexación por división de tiempo TDM ( Time Division Multiplex). Ethernet. Modo de transferencia asíncrona ATM ( Asynchrony Transfer Mode ), entre otros.
GPON apoya la implementación de FTTH y es capaz de entregar velocidades de transmisión en tasas de bits dadas por:
155 Mb/s de subida de datos y 1.2 Gb/s de bajada de datos.
622 Mb/s de subida de datos y 1.2 Gb/s de bajada de datos.
1.2 Gb/s de subida y bajada de datos.
155 Mb/s de subida de datos y 2.4 Gb/s de bajada de datos.
622 Mb/s de subida de datos y 2.4 Gb/s de bajada de datos.
1.2 Gb/s de subida de datos y 2.4 Gb/s de bajada de datos.
2.4 Gb/s para bajada y subida de datos.
De acuerdo a la Figura 4.14 se puede apreciar que las redes GPON se pueden dividir en 5 partes.
Figura 4. 14. Partes de una red GPON. Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 4.14 se aprecia la separación en 5 partes de una red GPON, éstas se explican a continuación:
Parte 1. Conmutación responsable para aceptar tráfico, mientras se filtra tráfico innecesario. Parte 2. Terminación de línea óptica OLT ( Optical Line Termination ), llamada como el cerebro de GPON capaz de planificar el tráfico, asigna el ancho de banda y el control de búfer de la tecnología.
Parte 3. Red de distribución óptica ODN ( Optical Distribution Network ), acá aparece el concepto de Splitter para permite dividir la señal teniendo la misma señal a la entrada.
Parte 4. Dada por el extremo de la red GPON, llegando a la interfaz de red de usuario UNI (Interface Network User), en este caso la fibra óptica en redes GPON es llamado Terminal de red óptica ONT (Optical Network Terminal). 89
Parte 5. Representando el usuario final con sus terminales respectivos.
4.4.1.2 Sistemas de entrega utilizando fibra óptica Para la utilización de esta tecnología, se utilizan cables de fibra óptica a nivel local, asociados al termino FTTP (Fiber to the Permises ), ideales para acceder a la red. Se tienen distintos casos de utilización [40]:
Fibra al hogar FTTH ( Fiber to the home ), utilizada para llegar hasta al hogar con cables de fibra óptica, su diseño es más costoso que las otras entregas con fibra, pero es capaz de entregar grandes velocidades hasta el hogar, para el diseño se utilizan splitters , como divisores ópticos para entregar el servicio a distintos usuarios.
Fibra a la esquina FTTC ( Fiber to the curb), utilizada con el fin de llegar a un nodo llamado esquina, y que éste sea capaz de entregar al usuario final con combinaciones como DSL o con otros tipos de tecnologías.
Fibra al edificio FTTB ( Fiber to the building ), muy similar al anterior, este servicio llega hasta el edificio y se separa en ese nodo central toda la información hacia los distintos centros comerciales, departamentos, etc.
En algunos casos se tiende a combinar los servicios de fibra en conjunto a tecnologías DSL (Digital subscriber line), en este caso la tecnología DSL se puede comportar como ADSL (asynchronous digital subscriber line ) y entregar velocidades de hasta 24 Mb/s en la bajada dependiendo de las distancias; o tecnologías como VDSL (very high data rate digital subscriber line) con 52 Mb/s de bajada utilizando técnicas de modulación QAM y uso de dos bandas de
frecuencia tanto para subida como para bajada [40]. 4.4.2 Transmisión al usuario final Los sistemas de transmisión de televisión, a través del protocolo de internet, se pueden dividir en los siguientes tres grupos:
Unidifusión ( Unicast), referida a la conexión entre solo un punto de emisión y otro de
Difusión abierta ( Broadcast), referida a la conexión entre un punto de emisión a todos los
recepción. puntos de recepción.
Multidifusión ( Multicast), referida a la conexión entre un punto de emisión a un grupo seleccionado de recepción.
En sistemas IP, un paquete es típicamente enviado por una fuente hacia un solo destino (unicast), de forma alternativa, un paquete puede ser enviado a todos los dispositivos de la red ( Broadcast), para el caso de IPv6 ya no se considera este tipo de difusión.
90
Hay aplicaciones que requieren transmisiones seleccionadas (como el caso de negocios, seguridad, entre otros), y con esto tener un ancho de banda eficiente en la comunicación para la multidifusión (multicast). Como se indicó anteriormente, la multidifusión o multicast tiene ventajas en tener una mayor eficiencia en el ancho de banda respecto a la unidifusión o unicast, esto se muestra en la Figura 4.15.
Figura 4. 15. Transmisión en IP Unidifusión en rojo, mientras multidifusión en negro Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 4.15 se puede apreciar que la fuente tiene distintos comportamientos dependiendo del sistema de difusión a los receptores, la unidifusión asociada a las líneas rojas, envía desde la fuente F un flujo IP a distintos receptores (independiente de que trate del mismo servicio), la multidifusión asociada a líneas negras, permite la unión de los flujos de información (en el caso de que sea el mismo servicio, envíando un solo flujo que se dividirá después en el grupo seleccionado). Con relación a lo anterior, si se va a entregar un programa de video con una transmisión de 2.5 Mb/s a 100 usuarios por unidifusión, se tendría que entregar 250Mb/s, mientras que por multidifusión, se utilizan herramientas que hacen copias del flujo del programa de video (proceso dentro de la red); por lo tanto utilizando el mismo ejemplo se utilizaría en la red una conexión de tan solo los 2.5 Mb/s. En multidifusión se debe de considerar el protocolo de internet a utilizar, si es IPv4 o IPv6, para el primer caso se considera el rango de direcciones de clase D, definido por RFC 3171. Mientras en IPv6, se asignan como FF (11111111) a los primeros dos bytes en la dirección de destino especificando multidifusión, esto está definido por RFC 4291.
91
Para poder entrar a grupos de multidifusión, se debe de tener presentes los protocolos en la capa de red, estos son:
Protocolo de administración de grupo de internet IGMP ( Internet Group Management Control).
Protocolo independiente de la multidifusión PIM ( Protocol Independent Multcasting ).
IGMP es el encargado de que los host hagan consultas y respuestas para unirse a un grupo de multidifusión (especificado en RFC 3376), mientras PIM se divide en dos casos, uno denso y otro disperso. Estos se definen por la cantidad de usuarios a solicitar unirse al grupo de multidifusión. En el modo denso (asociado a muchos solicitantes en la red) se eliminan las rutas sin conexión, dando entrega de contenido solo a quién lo necesite. En el modo disperso se utiliza un protocolo de enrutamiento multidifusión que puede usar la base de información de enrutamiento unidifusión subyacente o una base de información de enrutamiento de multidifusión con capacidad por separado. Esto crea árboles compartidos de enrutamiento unidireccional arraigado a un punto de rendezvous13 RP por grupo, y adicionalmente crea caminos más cortos de árboles por fuente.
PIM SM está especificado en RFC 4601.
4.4.3 Calidad en la entrega de contenidos En sistemas de transmisión de video sobre IP, se enfoca en mejorar el servicio al usuario final mediante factores llamados:
Calidad de servicio QoS ( Quality of Service).
Calidad de experiencia QoE ( Quality of Experience).
La calidad de servicio QoS aplica desde el proveedor de contenidos a nivel local (que incluye el receptor del contenido internacional y nacional), utilizando ciertas condiciones en el flujo de transporte IP/MPEG, estas son:
Calidad de contenido. o
Referencia de reloj de programa PCR ( Program Clock Reference ): asociado a la sincronización de Flujos elementales ES dadas por códigos de identificación de programa PID, con tablas asociadas a cada ES. Esto produce efecto Jitter, asociado a la compresión MPEG en su flujo de transporte (esto visto en la Sección 3.5 de Flujo de programa y transporte MPEG).
o
Calidad en la transmisión de video. o
13
Gestión del contenido (asociado al análisis de la carga útil a enviar). Asociadas a las tablas de información específica de programa PSI en MPEG.
Calidad de transporte.
Rendezvous es asociado en redes como en punto de encuentro entre conexiones.
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o
Perdida de paquetes en IP o RTP.
o
Factor de retraso (Efecto Jitter) en IP o RTP.
o
Retransmisión con protocolo TCP/IP.
Calidad en los servicios de cobranza.
Mientras para el lado del usuario, contabilizar una buena calidad de experiencia QoE, se define por los siguientes parámetros:
Calidad de contenido. o En video definir efectos como distorsión, efectos cromáticos deficientes, entre otros.
Calidad de transmisión de video. o
Perdida de video y/o audio, audio incorrecto por sincronización al video, entre otros.
Calidad de transporte. o
Pixelización por pérdida de paquetes y todos los efectos asociados a una deficiente entrega de contenido.
Calidad en los servicios de cobranza. o
Disponibilidad del servicio.
Estos parámetros de calidad de servicio y experiencia se enfocan en entregar un servicio definido al usuario final. Esto se detallará en las tecnologías de servicios IPTV y OTT, ya que otros servicios como video y televisión por internet son tipos de servicios abiertos a la comunidad y su entrega es tan solo de mejor esfuerzo. 4.4.4 Redes de entrega de contenido Las redes de contenido en temas de internet se basan en dos modelos principales, uno orientado a redes de entrega de contenido proporcionadas por el ISP o proveedor de contenido; o asociadas a redes de igual a igual, siendo todos los puntos de la red iguales y se comparte contenido sin un nodo centralizado. A continuación se explicará el concepto de CDN y el de redes de igual a igual. 4.4.4.1 Redes de entrega de contenido ( Content Delivery Ne two rk ) CND es un sistema de servidores de diferentes centros de datos en diferentes ubicaciones geográficas. El primer objetivo de la red de entrega de contenido, es de servir o entregar contenido con una alta disponibilidad y buena velocidad. Los servidores CND rápidamente dan contenido a múltiples usuarios duplicando el contenido y direccionando a usuarios basados en su proximidad geográfica (los sistemas CDN deciden la ubicación de cómo el contenido web estará basado para el usuario final con numerosos factores como proximidad, velocidad, latencia, disponibilidad, etcétera). CDN ejerce una parte de contenido web incluyendo objetos (texto, gráficos, secuencias
93
de comandos), archivos descargables (software, documentos, archivos), aplicaciones web y VoD. Las redes sociales también utilizan CDN para acelerar el servicio de su contenido a usuarios en diferentes ubicaciones geográficas. En la Figura 4.16 se presentan las ventajas de CDN.
Figura 4. 16. Redes de entrega de contenido. Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 4.16 se puede listar la principal ventaja dada por los servidores CDN (a la derecha), y es hecho de estar basado en la proximidad al usuario final; por consiguiente cuando un usuario (navegador) requiere de cierto contenido de parte de una página, el contenido toma el centro de datos más cercano (derecha respecto a izquierda). Algunas de las ventajas o beneficios son:
Tiempo de carga o respuesta de contenido más rápido. Alta disponibilidad. Escalabilidad tanto con carga al servidor como descarga al usuario.
Redundancia de contenido.
Integridad de dato.
No necesidad de hardware extra.
Componentes en las CDN Un CDN es un sistema de computadores que contienen copias de datos ubicados en varias ubicaciones, sirven para maximizar el ancho de banda para acceder a los datos desde cliente hasta la red. Un CDN permite entregar una copia de datos cerca del cliente, además los CDN usualmente tiene las siguientes componentes:
Una unidad de externalización de contenido que consiste en mecanismos que mueven los contenidos desde los servidores fuente hacia los sustitutos (geográficamente).
Una unidad de entrega de contenido que consiste en un conjunto de servidores sustitutos
Una unidad de direccionamiento de requerimientos, que consisten de mecanismos que
que entregan copias de contenido a los usuarios. mueven los requerimientos del cliente hacia la necesidad de un servidor sustituto.
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Una unidad de gestión que colecciona y sigue datos requeridos desde el direccionamiento, externalización y entrega de funciones dentro del CDN.
En los CDN tradicionales los flujos de comunicación entre los clientes y el servidor srcinal son divididos en dos flujos de comunicación: uno entre el cliente y el servidor sustituto, y otro entre el servidor sustituto y el servidor srcinal. Los CDN pueden traer beneficios a los usuarios finales, proveedores de contenidos y a los proveedores de servicios de internet ISP. Los usuarios finales tienen mejores parámetros de calidad de servicio QoS, mientras los proveedores de contenido pueden ofrecen más servicios confiables y manejar largos números de requerimientos de los clientes. Mientras, los ISP pueden ser beneficiados con el despliegue de los servidores CDN en sus redes disminuyendo cantidad total de flujos desde el cliente a los servidores y reduciendo el flujo de tráfico. Hay algunos documentos que definen el trabajo conjunto entre los CDN e ISP [41], entre algunas de estas mejoras están:
Mejorar el costo de entrega del contenido debido al tráfico asociado, ancho de banda y coste de energía.
Ubicaciones del usuario final asociadas al DNS ( Domain Name System) recibidos del CDN y asociados a los requerimientos de las mismas (DNS).
Cuellos de botella, redes asociadas a los comportamientos de los usuarios finales y los servidores.
4.4.4.2 Redes de igual a igual ( peer to peer ) Dentro de las opciones que ofrece la internet para la transmisión de datos, está la entrega de contenido denominada de igual a igual ( peer to peer). Este tipo de red radica del caso de un CDN, por el hecho de no tener un punto central que entregue el contenido, todos los terminales están capacitados para entregar servicios, esto se muestra en la Figura 4.17.
Figura 4. 17. Redes de igual a igual. Fuente: Elaboración Propia.
95
4.5 Consideraciones de Head End de televisión digital El Head End como tal, puede ser utilizado para diferentes servicios de televisión, así los hay para DTH, CATV y los servicios de televisión sobre IP; en relación a este servicio se produce un cierto “desfase”, esto es asociado al viaje de la información de eventos en vivo como series transmitidas
en paralelo para todo el mundo, eventos deportivos o algún otro acontecimiento. El retraso asociado desde el proveedor de contenidos al Head End, toma una cantidad de segundos, ya que el contenido se transmite por un enlace satelital, y producto de esto la onda electromagnética recorre una gran distancia. Para los servicios de Head End IP, asociado a la entrega de contenido sobre Internet a nivel local, llegar al usuario final toma menos tiempo, ya que este servicio tan solo hace entrega sobre redes locales, pudiendo ser gestionadas o no como se verá en el resto de la memoria. En relación a la migración de las plataformas, hay proveedores de contenido que comenzarán a entregar sus servicios fuera de los Head End, entregando sus servicios con suscripción a algún proveedor de servicios local o directamente al cliente, evolucionando en el hecho de preparar la parrilla de contenidos, un ejemplo es HBO [42], que dejará de transmitir sus servicios vía satélite a los Head End para transmitir bajo Internet. Por lo tanto sistemas de IPTV (que serán vistos en el Capítulo V) y OTT (que se verán en el Capítulo VI) deben de ser capaces de entregar el servicio en cuestión al usuario final, entregando la clásica experiencia de usuario (independiente si el servicio ahora se reciba al Head End o se reciba a través del CDN para conectar a los usuarios finales). Por otro lado, trabajar sobre este tipo de redes, tiene una serie de protocolos con cabeceras definidas que siguen una estructura, se ha analizado el transporte sobre Ethernet, IP y las distintos protocolos de la capa de transporte; pero para facilitar la comprensión de cómo se comporta un flujo de video sobre estas redes de computación, se presentará un ejemplo muy simple. Considere el ejemplo de la Sección 3.7 que transmite con 8 Mb/s para el flujo de video y 256 Kb/s para el flujo de audio (caso de Flujo Elemental ES), con sus cabeceras respectivas vistas en aquella sección. En aquel ejemplo los datos presentados eran los siguientes:
Flujo de video de 8 Mb/s, con una cabecera de 560 kb/s teniendo un total de 8,56 Mb/s.
Flujo de audio de 256 kb/s, con una cabecera de 51,2 kb/s teniendo un total de 307,2 kb/s.
Flujo final de 8,8672 Mb/s que comprende tanto audio como video.
96
Ahora bien, se debe considerar el envío de este flujo, sobre las redes computacionales con todas sus cabeceras asociadas, para este caso se comienzan a nombrar las cabeceras por capas. Se listan las cabeceras vistas en la Sección 4.3.
Cabecera trama Ethernet en conjunto con la cabecera de capa física 26 bytes.
Cabecera paquete IP de 20 bytes (versión IPv4) o de 40 bytes (versión IPv6).
Cabecera segmento UDP de 8 bytes y cabecera RTP de 12 bytes. Cabecera segmento TCP de 20 bytes.
Teniendo un total de 66 bytes (tomando RTP/UDP o TCP teniendo ambas 20 bytes) de cabecera, y con relación a la carga útil de 1.316 bytes la carga asociada a la cabecera corresponde a un 5%. Por lo tanto, con los datos anteriores, las cabeceras TCP/IP/Ethernet/Física o RTP/UDP/IP/Ethernet/Física se transmitirán con tasas de bits respecto al ejemplo como:
443,36 kb/s de cabecera de los 8,8672 Mb/s de flujos MPEG TS, teniendo un flujo total de 9,31 Mb/s aproximadamente.
Es decir, de los 8, Mb/s de video y 256 kb/s de audio como elementos puros, aumenta el flujo total en 13% utilizando todas las cabeceras necesarias para su transmisión. En términos de MTU, se transmiten 842 tramas por segundo (considerando los 1316 bytes de carga útil y 66 bytes de cabeceras) para el transporte de este tipo de contenido asociado al ejemplo presentado en la Sección 3.7. Si se considera la cabecera de paquete IP de 40 bytes, las cabeceras suman 86 bytes y con relación a la carga útil de 1.316 bytes, la carga asociada de la cabecera corresponde a 6,5%, dato muy cercano a lo anterior. Ahora bien, si se considera enviar este tipo de flujo por multidifusión, se debe considerar la versión asociada a la capa de red según el modelo de referencia OSI, esto es IPv4 e IPv6. En IPv4 las direcciones son jerárquicas, se escriben en notación decimal con puntos, cada uno de los 8 bits se escribe en decimal de 0 a 255, denominado prefijo (los bits superiores son de longitud variable y los inferiores de una porción del host). En base a esto, hay distintos grupos de direcciones conocidos como clase A, B, C, D y E, los primeros tres con diferente cantidad de host (clase A con 16 millones de host, clase B con 65.536 host, clase C con 256 host), clase D para sistemas con multidifusión en internet y clase E para uso futuro. En 1993 se crea CIDR ( ClassLess Inter Domain Routing ) para tener un uso más eficiente de las direcciones IPv4 y disminuir la
carga asociada a los enrutadores producto de realizar el direccionamiento.
97
En IPv6 en tanto las direcciones están compuestas de 128 bits y se expresan por una notación decimal de 32 dígitos en grupos de 4 separados por dos puntos “:” y además largos datos de
ceros se pueden obviar.
98
CAPÍTULO V. SERVICIO DE TELEVISIÓN A TRAVÉS DEL PROTOCOLO DE INTERNET IPTV 5.1 Introducción Se ha analizado hasta el momento en cómo se comporta un Head End de televisión digital, pasando por el hecho de conocer cómo se obtiene la información desde el proveedor de contenidos, que está ubicado en algún lugar del planeta. Los sistemas de televisión actual en Chile funcionan con sistemas de transmisión satelital al hogar DTH o de forma cableada como es el caso de CATV. Estos sistemas no utilizan mejoras dadas por el servicio de internet para la transmisión de contenidos de televisión, que dentro de sus principales ventajas radica el hecho de contar con servicios Interactivos. En el caso de televisión sobre el protocolo de internet IPTV se tiene un sistema interactivo de comunicación proveedor (a nivel local)-cliente, este sistema cuenta con distintos servicios como los denominados Triple Play, que convergen a un sistema de entrega sobre IP, además de la mejora de transmitir este servicio sobre fibra óptica. El capítulo 4 contendrá secciones que explicarán el servicio de IPTV, arquitectura de servicio, decodificadores y el hecho primordial de contar con parámetros de calidad de servicio y calidad de experiencia, entre otros. 5.2 Servicio de Televisión sobre el protocolo de internet IPTV IPTV ha sido denominado por varios documentos, incluyendo el estándar IEC fundador del mismo como “servicios de entrega multimedia como televisión, video, audio, texto, gráficos e información
sobre redes basadas en IP gestionadas; para entregar el nivel requerido de calidad de servicio y experiencia, seguridad, interactividad y confiabilidad”, a través del cual, los servicios de televisión
son entregados utilizando los protocolos de internet de datos privados sobre una infraestructura de paquetes conmutados. Los servicios de IPTV pueden ser clasificados en tres grupos principales:
Televisión en vivo. Programación diferida o almacenada.
Video bajo demanda.
IPTV se diferencia de servicios como televisión sobre Internet (utilizada para transmitir en vivo y de recepción libre), Video bajo demanda de internet (asociado a video bajo demanda con cuota de pago por ver como es el caso de Netflix ) y video internet (cualquier tipo de video en internet de acceso libre) en la entrega del servicio a nivel de datos privados administrados por el proveedor de contenidos a nivel local, mientras las demás entregan contenido a través de redes públicas.
99
Cabe destacar que los contenidos entregados por IPTV superan con creces, en relación a factores de calidad y de variedad de programas dedicados, a la televisión sobre Internet. A continuación se presenta la Tabla 5.1, ésta ejemplifica las ventajas de IPTV respecto a otras tecnologías. Tabla 5. 1. Diferencias de IPTV respecto a otros sistemas de transmisión sobre Internet. IPTV
IP VoD
Tv Internet
Video Internet
Tipo de red
Privada
Pública
Pública
Pública
Calidad de servicio
Gestionada
No gestionada
No Gestionada
No gestionada
Protocolos clave
Transmisión
Descarga
Transmisión
RTP
Progresiva
Dispositivo
de
sobre
UDP
Reproducción
Decodificador
Decodificador
visualización Experiencia en TV
Ejemplos
y
o
por
Transmisión
por
HTTP y Descarga
HTTP y Descarga
Progresiva
Progresiva
Terminal a internet
Terminal a Internet
terminal a internet Similar
Similar a VoD o
Similar
CATV
a
DVD
navegación web
Proveedor de
Netflix, Hulu, etc.
Radiodifusores
servicios
nivel local
a
Similar
a
navegación web a
Youtube, Facebook
Fuente: Elaboración Propia. Las características asociadas al servicio de IPTV, en relación a los otros tipos de entrega de contenido de video, IPTV se enfoca de forma gestionada al servicio dados sus tipos de contenido (en vivo y pregrabado), y de ser entregado bajo una red privada. En relación a las redes privadas y gestionadas, IPTV se diferencia de servicios de televisión mencionados como CATV y DTH, estos servicios entregan una cantidad de información al usuario final asociada a la parrilla programática total de canales de televisión. Para este caso se puede analizar la diferencia en la Figura 5.1.
100
Figura 5. 1. Diferencia de entrega en servicios IPTV con CATV y DTH con IPTV. Fuente: Elaboración Propia.
En la Figura 5.1 se puede analizar que las tecnologías de entrega CATV con DVB-C y DTH con DVB-S, entregan el espectro completo de servicios de televisión; por lo tanto para cambiar el canal se debe de sintonizar la frecuencia portadora de dicho canal, este tipo de sistemas entregan todo el contenido durante todo el tiempo, mientras el servicio IPTV tan solo requiere el servicio de televisión dado por los beneficios de utilizar el protocolo de Internet, es decir, si se requiere un canal en específico se envía la solicitud (ya que este servicio es interactivo) y se recibirá el canal con la resolución requerida (SDTV, HDTV). 5.2.1 Características del servicio IPTV El servicio de IPTV puede ofrecer al usuario final características de servicio como: Apoyo a la televisión Interactiva: los sistemas IPTV permiten que los proveedores de servicio local pueden entregar una serie completa de aplicaciones de televisión interactiva como televisión en vivo (SDTV o HDTV) con distintos enfoques de cámaras, servicios de juegos interactivos y una alta velocidad de navegación en la Internet. Servicios de almacenamiento de programas: IPTV en combinación con grabadores de video digital permiten este tipo de servicios para el usuario, siendo que el programa en cuestión pudo haber sido transmitido días antes. Personalización: Un sistema IPTV de punto a punto, apoya comunicaciones bidireccionales y permite a los usuarios finales personalizar su hábitos de ver televisión permitiendo decidir qué es lo que se quiere ver y en el momento adecuado.
101
Bajos requerimientos de ancho de banda: En lugar de entregar todo el contenido a cada usuario final, las tecnologías IPTV permiten a los proveedores de servicios entregar solo un flujo de canal en vez de todos los canales como pasa con otras tecnologías (DTH y CATV). Este sistema permite a los operadores de red conservar ancho de banda para transportar otros datos, o incluso hasta más canales para más equipos que deseen ver IPTV en sus dispositivos. Accesibilidad en múltiples dispositivos: El contenido de IPTV no es limitado solamente para equipos de televisión, sino que los consumidores pueden también ver el contenido en dispositivos móviles y computadores para acceder a los servicios IPTV. 5.2.2 Video bajo demanda VoD es una forma de entrega común para redes de IPTV y también de video internet, los usuarios seleccionan contenido desde una librería, a diferencia de otras tecnologías (DTH, CATV), que puede entregar utilizando las mejoras del protocolo de internet. La idea es permitir a los televidentes ver cualquier programa que ellos deseen ver, el concepto para esto es el video bajo demanda VoD (Video On Demand), basado en un programa que es almacenado y luego entregado al televidente que requiera del servicio en cuestión. Este almacenamiento puede tomar la forma de un servidor centralizado, que está equipado para enviar programas simultáneos a cientos de televidentes, tomando la forma de un almacenamiento de distribución a través de la Internet. Para lograr la unidifusión ( unicast) entre el cliente y el proveedor de contenidos a nivel local, la señal debe de tener funcionalidades del tipo trick play, es decir, tomar funciones como pause, wind y rewind, asegurados por el protocolo RTSP 14 (Real Time Streaming Protocol ) que permite
controlar y configurar los flujos de datos. Los servidores de VoD deben ejecutar las siguientes funciones: 1. Almacenar el contenido de video, el cual es esencialmente igual a otro servidor de video IP sobre internet (Netflix , Hulu, etc.); sin embargo el servidor debe ser capaz de transmitir múltiples copias de contenido, cabe destacar que IPTV tiene sus propias librerías y precios por entrega por almacenar contenido, estos trabajan independiente de aplicaciones de terceros ( Hulu, Netflix, etcétera). 2. La interfaz de red, la cual es similar a otros servidores de video, con la excepción de tener un gran número de flujos simultáneos a ser soportados. 3. Soporte de interacción con el usuario, el cual habilita las funcionalidades trick play, requiriendo software sofisticado para gestionar el contenido, en conjunto con una interfaz
14
Este protocolo permite a nivel de capa de transporte definir el puerto 554, además RTSP establece y controla los flujos sincronizados de datos de audio y/o video.
102
de sistema con comandos desde el usuario, a través del middleware al proveedor de contenidos a nivel local (como se verá en la Sección 5.3.1). 4.
Catalogar y ordenar el contenido, para entregar un buen servicio asociado al costo de él, en este caso, las transacciones necesarias para tener el pago desde los usuarios (asociados al middleware).
El almacenamiento en VoD debe de estar siempre contenido en algún servidor, con formatos comprimidos para su transmisión, simplificando la entrega del proceso y eliminando la necesidad de procesar el video antes de entregarlo. Cabe destacar que los servidores VoD tienen una capacidad de almacenamiento, esta cantidad de almacenamiento variará respecto a dos factores importantes: 1. Número de horas de contenido almacenado. 2. Tasas de bits del video. a. Tipo de definición asociada al video (SDTV, HDTV, UHDTV, 3DTV). b. Algoritmo de compresión asociada al video (MPEG-2, MPEG-4, WMV, etc.). Por lo tanto, dependiendo de estos parámetros se puede determinar qué tipo de servidor de video bajo demanda es el adecuado para una región en particular, el hecho de hablar de región se refiere al lugar físico de entrega, ya que dadas las condiciones culturales de la región, se podrá tener un servidor que obedezca un tipo de comportamiento en VoD respecto a otra región con su cultura respectiva. 5.2.3 Transmisión de eventos en vivo en IPTV Este tipo de transmisión es utilizada para eventos deportivos, programas en vivo y otro tipo de programa que requiera la entrega inmediata del contenido, se diferencia de VoD en que hay un bajo retraso en la entrega del mismo, y no requiere almacenar contenido en el dispositivo, en IPTV existe una gran interactividad, ya que dependiendo del tipo de programa, IPTV puede ofrecer las siguientes funcionalidades al usuario final:
En eventos deportivos, el usuario es capaz de elegir el tipo de cámara con ángulo respecto a la actividad deportiva a ver, según su gusto. En eventos de programas en vivo, IPTV ofrece la posibilidad de que el usuario interactúe con el programa en cuestión, entregando votación en vivo y otras funcionalidades que el programa pueda o quiera ofrecer.
La transmisión de video en tiempo real requiere conexión estable durante el evento, tiene ciertas complicaciones de adelantar o retroceder contenido en vivo producto de la entrega de información.
103
Para la transmisión de eventos en vivo, en IPTV se utilizan sistemas de multidifusión (multicasting), ésta vista y comparada con respecto a la unidifusión (unicast), además la transmisión en vivo utiliza IGMP ( Internet Group Management Protocol ), siendo este un protocolo de internet que entrega información para que un equipo de internet pueda informar su unión a un grupo de multidifusión a los enrutadores adyacentes respectivamente. Para este caso IGMP utiliza multidifusión para enviar desde la fuente, una copia a todos los dispositivos que estén requiriendo de esta, esto visto en la Sección 4.4.2. Pausa en vivo de televisión TSTV ( Time Shift Television
)
Es una funcionalidad que permite “detener” una transmisión de un programa en vivo o incluso llegar a “repetir” alguna escena que fue reproducida recient emente. Luego de esta pausa o replay
se puede continuar viendo el programa que se está transmitiendo en vivo pero desfasado en el tiempo de acuerdo a la duración de la solicitud anterior (ya sea pausa o la repetición) mostrada en la Figura 5.2.
Figura 5. 2. Diagrama en el tiempo del servicio TSTV. Fuente: Elaboración Propia.
En la Figura 5.2 se muestra una pausa de tan solo tres segundos, es decir, que al momento de volver a reproducir desde las funcionalidades anteriores, se continuará viendo desde donde se dejó, o sea con un retraso de tres segundos. Cabe destacar que es posible reanudar la transmisión de la emisión en vivo, adelantando hasta el momento de la transmisión srcinal. Esto es posible almacenando los contenidos de tiempo en algún disco rígido, esto puede ser tanto en el set-top box, en algún disco duro, o como algún servidor que sea capaz de ofrecer el proveedor de servicios a nivel local.
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5.2.3.1 Arquitectura del sistema de transmisión en vivo Este tipo de tecnología tiene objetivos específicos en la entrega de información, desde utilizar una conexión estable en la entrega de paquetes en tiempo real, hasta la utilización de distintos sistemas de compresión de video como MPEG o WMV. A continuación se presenta en la Figura 5.3 la entrega de una arquitectura de transmisión en vivo.
Figura 5. 3. Arquitectura para sistemas de transmisión en vivo. Fuente: Elaboración Propia.
Según la Figura 5.3, hay contenido comprimido almacenado (en formato ASI), para entregar esta información a un servidor de video (como se ha dicho, este servidor de video es el Head End de TV que reúne el contenido desde alguna parte del planeta en que se está emitiendo), éste se encarga de ofrecer la interactividad del cliente a través de su set-top box; por lo tanto el servidor de video entrega los contenidos requeridos por el cliente. El servidor web almacena las funcionalidades requeridas desde el cliente. En la transmisión en vivo se deben de considerar los siguientes factores:
Servidor de transmisión. Responsable para distribuir flujos a los televidentes, toma el contenido que ha sido llevado al servidor para hacer copias de éste, y enviarlas a los puntos que requieren el servicio a través de multidifusión (cabe destacar que se debe de considerar el tipo de video y audio a enviar, como la definición, tipo de algoritmo de compresión, etc.).
Red de transporte. Utilizada con el fin de entregar el contenido al usuario, aquí aparecen la combinación de tecnologías asociadas para la entrega (FTTx y xDSL si fuera el caso), este tipo de red define parámetros de servicio y calidad que afectan a la entrega como la perdida de paquetes, esto producto del transporte de flujos en la red y el retraso asociados a ella.
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Reproductores de contenido. Asociados a elementos con software para desencriptar, descomprimir y reproducir el contenido (en este caso no solo se analiza la entrega a través de Set-Top Box, sino otros soportes como los sistemas operativos y aplicaciones asociadas para la reproducción del contenido, ejemplo serían Windows con sus dispositivos móviles además de computadores personales, el mismo caso también para Apple y otros sistemas operativos como Android.
5.2.4 Aplicaciones interactivas y otras funcionalidades de IPTV Otras de las funcionalidades que es capaz de entregar el sistema IPTV, trata de las siguientes características y servicios asociados: Integración a servicios multimedia IMS ( IP based Multimedia Services ), la cual puede ofrecer servicios como:
Servicios de mensajería, con la opción de enviar mensajes durante la reproducción de una película.
Servicios de mensajería corta SMS ( Short Message Service) que en conjunto con las redes IMS, trabajan con las redes móviles.
Servicios telefónicos en línea llamado caller ID, algunos casos de estos son Microsoft TV.
Otros servicios que son capaces de realizar los clientes a través de IPTV son:
Compras y suscripción en línea, como se compran servicios de programación para VoD, también se pueden utilizar para servicios de compras a través de un menú, compra en internet, o incluso en canales dedicados a la venta.
Consulta y pago de factura del servicio IPTV, o hasta otras cuentas que sean capaces de ser compatibles con el sistema IPTV.
Control parental, apuestas y juegos.
Otras funcionalidades de IPTV que pueden ser análogas a otros sistemas de entrega de televisión son:
Guía electrónica de programación EPG ( Electronic Program Guide ). Agenda que presenta la programación prevista de canales en vivo sustituyendo a la revista mensual de programación enviada a los clientes. En este caso, la novedad con IPTV es el hecho de agendar la grabación para su posterior reproducción en conjunto con EPG.
Video grabador personal PVR ( Personal Video Recorder). Permite la grabación de programas en vivo para ser luego reproducidos.
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La novedad de este, es que está asociada a la seguridad de la información y la posibilidad de no cometer piratería, esto se ve en la Sección 5.4.2 de seguridad de contenido en IPTV. 5.3 Arquitectura de IPTV Para la implementación de IPTV, se debe de poder comunicar los requerimientos del usuario con el proveedor de servicios, éste último debe de ser capaz de entregar el servicio a varios clientes, y de paso considerar procesos como codificación, transmisión y gestión asociada al contenido antes de enviarlo al usuario en cuestión. Una arquitectura para los servicios IPTV incluye los siguientes bloques funcionales:
Head End: Vista en el Capítulo IV, es la recepción de programas de televisión desde
proveedores de contenido a nivel internacional.
Núcleo de red: Es usualmente una red IP/MPLS transportando tráfico a la red de acceso.
Red de Acceso: Encargada de distribuir los flujos IPTV hacia DSLAM ( Digital Subscriber Line Access Multiplexer ) o FTTH (Fiber To The Home).
Cliente final: Asociado a cierto tipo de servicio, es donde termina la arquitectura ya que se puede visualizar el contenido final de IPTV.
A continuación se analizará las distintas partes de la arquitectura de IPTV, haciendo hincapié en que el usuario final tiene un decodificador que le representa en este tipo de red, comunicándose a la vez con un sistema middleware capaz de relacionar al cliente final con el núcleo de red. 5.3.1 Middleware de IPTV Para la implementación de IPTV se requiere entender distintas etapas, partiendo por el usuario final, éste debe de tener un decodificador que sea capaz de recibir la señal de forma eficiente desde el proveedor de servicios. Dentro de estos requerimientos, se necesita trabajar con un sistema que sea capaz de realizar la tarea anterior, para el caso de IPTV se tiene el middleware . Éste es una plataforma de gestión de aplicaciones que interactúa con la red de acceso, es decir, el Head End de contenidos a nivel local y los set-top box; para permitir la provisión y distribución de servicios de televisión interactivos, es decir, ser capaz de comunicar los servidores con el software asociado al caso de video sobre IP. El middleware también enlaza a los clientes y los sistemas de gestión usando CA (Conditional Access) y DRM (Digital Right Management), ambas se verán en la Sección 5.4.2. Esto porque
parte de la función de estas tecnologías es implementada en el set-top box, mientras otra parte
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se realiza en servidores centralizados, la comunicación entre los puntos finales (es decir, fuente y destino) se define como seguridad, algo que middleware es capaz de entregar. En particular, hay un estándar bajo el nombre de Plataforma de hogar multimedia MHP (Multimedia Home Platform ), que trabaja como un conjunto de especificaciones desarrolladas por el proyecto DVB para el middleware. El objetivo de MHP es trabajar con todas las tecnologías de transmisión DVB en IPTV, como el uso de televisión interactiva para que los fabricantes de receptores (set-top box) puedan apuntar a distintos mercados, más que desarrollar especificaciones para radiodifusores en particular, y con esto operar en conjunto con receptores de televisión digital y las aplicaciones interactivas, MHP también define la forma en la cual la aplicación es entregada en el receptor, incluyendo la información de servicio de las señales que interactúan con aplicaciones presentes en el flujo de transporte. En la actualidad hay tres versiones de MHP publicadas [43]: 1. Versión 1. Aplicaciones broadcast vía IP, satélite o cable. 2. Versión 2. Se agregan funciones como: a. Aplicaciones almacenadas. b. Aplicaciones por IP. c. Soporte de tarjetas inteligentes. d. Soporte VoD. 3. Versión 3. Se agregan funciones como: a. Perfil DVB-IPTV. b. Soporte a aplicaciones diferentes de DVB-IPTV. c. Aplicación en monitor. 5.3.1.1 Funciones claves de middleware Los sistemas IPTV funcionan gracias al middleware , llamado como el cerebro del sistema IPTV, éste entrega mecanismos para conseguir muchas de las tareas claves de IPTV para ser desarrolladas, y así, dar la posibilidad a los clientes de seleccionar y ver programación con sus sistemas de pagos respectivos por adquirir algún nuevo tipo de servicio o contenido, las funciones principales de middleware en IPTV se indican a continuación: 1. Identificación del usuario y funciones de navegación en la pantalla. Mantiene la cuenta de exactamente qué usuarios están conectados a la red, y con esto determinar qué servicio entregar asociado a las condiciones de la red, y emitir comandos en la pantalla en tiempo real para involucrar el control remoto, el set-top box y la aplicación dada en la pantalla. Cabe destacar que en pantalla el middleware es capaz de soportar gestión de una variedad de fuentes que pueden ser usadas por otras aplicaciones para su interfaz.
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2. Guía de programación electrónica EPG (Electronic Program Guide ) y otras utilidades. El middleware puede entregar soporte y remover todas las necesidades de los operadores del sistema para desarrollar una versión diferente de la guía de programación electrónica para cada set-top box en la red. Cabe destacar que en servicios IPT V crear una guía de programación puede
ser complejo, ya que tomando todos los datos de red y llevándolos a un formato entendible para el usuario, puede tomar una gran cantidad de recursos, por lo mismo se considera un EPG respectivo para cada set-top box. 3. Cambio de canales en IPTV. En IPTV, el cambio de canal no es lo mismo que el cambio de canal que en CATV (recordar que este sistema recibe todo el contenido y el cambio de canal es sintonizar la frecuencia portadora del nuevo canal), por lo que es importante considerar el hecho de requerir un nuevo canal a la fuente, y ésta entrega un nuevo flujo con el programa o canal requerido (esto considerando, si es que se está viendo un programa en vivo, abandonar el sistema de multidifusión y entrar a un sistema de unidifusión de VoD, o de unidifusión hasta unirse a otro multidifusión para otra transmisión en vivo), este cambio de canal toma de uno a dos segundos, y el sistema middleware gestiona este proceso con eficiencia y rapidez. 4. Integración a otros sistemas en IPTV. El middleware puede también entregar un enlace entre aplicaciones diferentes, esto incluyendo facturación de suscripción, sistemas de gestión, sistemas VoD, entre otras. Y con esto entregar un servicio de calidad asociado a las estrategias del mercado. 5. Interactividad. Cuando un cliente presiona un botón de su control al set-top box, comienza la interactividad con el sistema, desde el hecho básico de cambiar un canal, hasta adelantar, retrasar o pausar contenido, e incluso en la posibilidad de eventos interactivos en línea (como votar en ciertos programas), o el pago de facturación; por consiguiente el middleware es capaz de entregar todas estas herramientas de interactividad. 5.3.2 Decodificadores Se t Top B
oxes
Un decodificador set-top box de IP, es un dispositivo de dicado para servir como una interfaz entre un conjunto de televisión y la red de banda ancha. En adición a la decodificación y representación de señales de TV en vivo, un set-top box entrega servicios como video bajo demanda VoD, guía de programación electrónica EPG (Electronic Program Guide ), gestión de derechos digitales DRM (Digital Rights Management ) y una variedad de servicios multimedia e interactivos. Un set-top box puede adicionalmente apoyar características como navegación web, ver e-mail y sus archivos 109
adjuntos, códec multimedia avanzados, y reproducir contenido almacenado en PC ( personal Computer) conectado para la reproducción y representación como fotografías, música, y videos
personales, mensajería instantánea IM ( Instant Messaging) y voz sobre IP VoIP ( voice over IP). Todas estas funcionalidades son demandas por los usuarios de IPTV. Este decodificador cuenta con una tarjeta inteligente usada para desencriptar la información, por lo tanto esta comunicación entre set-top box y la tarjeta inteligente está muy relacionada entre sí para los beneficios asociados al proveedor de servicio o proveedor de contenidos a nivel local y los derechos del usuario. La función principal del set-top box es recibir la señal de IPTV y convertirla en una señal de video que pueda ser visualizada en un televisor. Además puede proveer al usuario final la opción de seleccionar el tipo de programación a ver (señal en vivo, VoD, programación específica), estas tareas son elementos funcionales como:
Interfaz de red, para recibir la señal y transmitir los comandos del usuario al proveedor
Salidas de audio y video, asociadas como se dijo anteriormente para la visualización del
de servicios. contenido final.
Interfaz de usuario, funcionamiento entre visualización en una pantalla de televisión.
set-top box y control remoto para la
Acceso condicional asociadas al Middleware para apoyar una visualización de contenido seguro asociada al set-top box.
Dispositivo de disco duro asociado para la grabación de contenido si fuese el caso.
Dentro de los tipos de set-top box, los más comunes de encontrar son:
TiVO Set-top box. Este actúa como un sintonizador digital, dando el acceso a canales y la opción de grabarlos, también entrega acceso a internet para películas del tipo pague por ver y eventos de televisión, puede almacenar hasta 320 GB.
My Sky HDi set-top box. Es un grabador de video digital PVR (Personal Video Recorder)
y la letra i se refiere a los servicios de interactividad, estos decodificadores cuentan con la opción de conectarse a la televisión a través de cables con entradas HDMI, pueden almacenar hasta 160 GB.
TelstraClear set-top box. Cuenta con tres sintonizadores, dos para grabar y uno para ver
otro programa, 300 GB de espacio de disco duro. Dentro de las funcionalidades del set-top box, se pueden nombrar las siguientes:
Desencriptación de información de video y audio. Tarjetas Inteligentes Marcas de agua
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Sistema de gestión de derechos digitales DRM ( Digital Rights Management)
Cada una de estas se explicarán en la Sección 5.4.2 de seguridad de contenido en IPTV. 5.3.3 IPTV como conexión en el hogar Hoy en día, el usuario final utiliza para la reproducción de su contenido una gran variedad de dispositivos, estos pueden ser smartphones, computadores personales, etcétera. Por lo tanto el sistema debe de ser capaz de entregar el contenido a cada uno de los dispositivos. Es por esto que una de las razones de entrega a través de distintos dispositivos, es la de compartir el contenido a través del protocolo de internet IP. A continuación se verán las distintas formas de entrega y las tecnologías asociadas a ellas. 5.3.3.1 Formas de entrega en servicios de IPTV. Del Capítulo IV de Head End de servicios televisión a través del protocolo de internet, se puede apreciar en la Sección 4.4.1 la entrega de la información al usuario final, en cómo se puede llegar a este, a través de las distintas tecnologías asociadas descritas allí, pero que se muestran en la Figura 5.4 para facilitar su comprensión.
Figura 5. 4. Entrega desde el Head End hasta el usuario final. Fuente: Elaboración Propia.
En la Figura 5.4 se puede apreciar el acceso de banda ancha, con las distintas tecnologías descritas en ella, como el acceso por FTTx, el par de cobre a través de xDSL y combinaciones de fibra óptica con cable coaxial HFC (Hybrid Fiber Coaxial). Estas definen la entrega en la denominada última milla. Además, la entrega de contenido al usuario final se define en distintas etapas, estas son:
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Redes de transporte. Utiliza redes que pueden tomar distintas topologías para llegar al usuario final.
IP Edge utilizado para direccionar cada solicitud IGMP, en este caso se utiliza MSER (Multi Service Edge Router ) como un integrador de tres funciones claves a una plataforma única o de varias funciones para incluir el direccionamiento IP en el borde, agregación de Ethernet y también los servicios de gestión para el suscriptor.
Cabe destacar que la entrega de servicios viene dada por el tipo de difusión a utilizar, en este caso lo visto en la Sección 4.4.2 de transmisión al usuario final incluyendo secciones como 4.2.2 de video bajo demanda y 4.2.3 transmisión de eventos en vivo en IPTV definiendo la unidifusión o la multidifusión, el tipo de entrega según el servicio solicitado se muestra en la Figura 5.5.
Figura 5. 5.Entrega con distintos tipos de contenidos a los usuarios finales. Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 5.5, se aprecia que línea de color azul desde el Head End de IPTV hasta el usuario, lleva servicios como VoD o aplicaciones trick play en vivo utilizando unidifusión; mientras aquellas líneas de color rojo, tienen nodos que separan el flujo de servicios de tv en vivo que están operando en modo de multidifusión. 5.3.3.2 Dispositivos de entrega y tecnologías asociadas. Una red de hogar puede consistir de los siguientes componentes:
Un modem de banda ancha. Asociado para la conexión de internet, puede ser incluso un
Puerto de enlace residencial ( router), conectado entre el modem de banda ancha y el
modem DSL usando la línea de teléfono o un cable para la conexión de internet. resto de la red, este posibilita múltiples dispositivos para conectar a la internet simultáneamente.
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Puntos de acceso alámbricos e inalámbricos, usando tecnologías IEEE 802.
Las redes inalámbricas IEEE pueden funcionar para asistir servicios de IPTV a dispositivos móviles, IEEE 802.11 tiene distintas etapas en funcionamiento, la versión IEEE 802.11n es capaz de entregar hasta 600 Mb/s, así como ofrecer un mejor rango que las redes anteriores (IEEE 802.11 a/b/g) en la utilización de MIMO ( Multiple Input Multiple Output), usando múltiples transmisores y receptores con el fin de mejorar el rendimiento con multiplexación espacial y diversidad espacial de rango incrementado. Otras redes IEEE 802.11 inalámbricas que serán capaces de transportar aún mayor velocidad son:
IEEE 802.11ac. Opera en 5 GHz con anchos de banda de 20, 40, 80 y 160 MHz, pudiendo transportar tasas de hasta más de 1 Gb/s.
IEEE 802.11ad. Opera en 60 GHz con ancho de banda de 2 MHz o 160 MHz y es capaz de transportar hasta 6,75 Gb/s.
Cabe destacar que con estas tecnologías asociadas, se puede alimentar ciertos dispositivos que se conecten a esta red, así dispositivos móviles como smartphones, tablets, como también consolas de juegos con conexión inalámbrica, serán apoyadas por tecnologías IEEE 802.11, mientras otros como computadores personales PC ( Personal Computer) se conectarán directamente a redes alámbricas. Estos dispositivos móviles operan dentro del rango establecido del hogar, hay estudios que combinan IPTV en conjunto con redes celulares móviles, estos proveedores hacen entrega del servicio denominado Cuadruple Play (al agregar el servicio de telefonía móvil), se consideran los mismos parámetros de red gestionada, cerrada y con flujos de bits constantes asociados a parámetros de calidad de servicio y calidad de experiencia. 5.4 Mediciones de servicio y seguridad en IPTV Se ha explicado hasta el momento la diferencia del servicio de IPTV con respecto a otros sistemas de transmisión de televisión y distribución en la red IP, pero es importante considerar en cómo se comportan las transmisiones en la red; por lo tanto se analizarán los efectos de pérdida del servicio y formas de comprobar la seguridad, en la entrega del servicio al cliente correcto en cuestión. 5.4.1 Mediciones de calidad de servicio y calidad de experiencia en IPTV Dadas las características de video como la alta resolución y sonido envolvente de sistemas, se debe de considerar los factores que involucran las perdidas en la calidad de tanto audio y video en la señal de televisión sobre IP.
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DVB-IPTV (Digital Vi
deo Bro adcasting - Internet Protoc
ol Tele vision
)
DVB-IPTV es un conjunto abierto de especificaciones técnicas interoperables, desarrolladas por DVB la cual es capaz de facilitar la entrega de televisión digital usando IP sobre redes de ancho de banda fijo bidireccionales. Las claves para lograr esto están dadas por arquitecturas presentadas en [44], el cual define:
Monitoreo de la calidad de la señal. Monitoreo del flujo de la señal. Control de la señal.
Estas se presentan a continuación con Calidad de servicio y calidad de experiencia. 5.4.1.1 Calidad de servicio en IPTV Estos factores se pueden considerar desde la fuente ( Head End de televisión de servicios por IP) a través de un parámetro conocido como medidas de calidad de servicio QoS ( Quality of Service). Calidad de servicio representa la capacidad de la red para asegurar mejores servicios para cierto tipo de tráfico, además apunta a asegurar la atribución de banda (ancho de banda asociado al envío de información), control de retrasos y efecto jitter , para reducir el número de paquetes perdidos [45]. Estos parámetros están divididos en dos partes:
Transmisión en tiempo real.
Contenido de video bajo demanda VoD ( Video on Demand).
Los parámetros para transmisión en tiempo real son:
Tasa de tráfico, retraso entre paquetes y retraso de inicio.
Efecto Jitter.
Número de paquetes perdidos, erróneos y reordenados.
Tasa de tráfico La tasa de tráfico indica la capacidad de la red para permitir un tipo de transmisión, definiendo el número de paquetes. Se define como el número de bytes de transmisión en relación a la duración de la transmisión. Tasa de tráfico [b ⁄s ] =
Total de bytes [b]
(7)
Duración de transmisión [s]
Retraso de paquetes El retraso de paquetes representa el retraso entre los paquetes transmitidos y recibidos, este parámetro depende del número de nodos (Router), tráfico de la red y protocolos de enrutamiento. Se define como un promedio de los retrasos. 114
Retrasos de paquetes [s] =
Retraso + ⋯ + Retraso []
(8)
N
Efecto Jitter El efecto de jitter es una variación de retrasos entre paquetes y es muy importante como parámetro para las transmisiones de tiempo real, el promedio de jitter está definido como: Jitter [s] =
|Jitter| +⋯+ |Jitter| []
(9)
N
Tasa de error de paquetes El parámetro de perdida de paquetes está definido en conjunto con la ruta entre la fuente y el destino donde el paquete puede ser perdido o eliminado por el router si es que el búfer esta sin memoria para almacenar. Si el paquete se corrompe, se declara perdido. Por lo tanto la pérdida de paquetes depende del estado de la red, la cual no puede ser anticipada. El parámetro que puede evaluar el número de paquetes corruptos es la tasa de error de paquetes PER ( Packet Error Rate) definida como:
N° paquetes corruptos x 100% PER =
(10)
N° paquetes recibidos
Otro parámetro que determina la calidad de servicio trata de los paquetes reordenados (ya que con UDP/IP no hay retransmisión), estos aparecen cuando en el receptor, el paquete llega fuera de orden por las diferentes rutas elegidas en los routers. Un paquete es considerado reordenado si el número de secuencia es menor que el número de secuencia del paquete previo recibido. Para este caso el número de secuencia en paquetes RTP (Real-Time Transport Protocol) es utilizado para la transmisión de tiempo real y como algoritmo de monitoreo con el fin de determinar si una secuencia de números se han perdido o no, en este caso se utiliza RTP para la transmisión de un puerto UDP (esto visto en la Sección 4.3.2). 5.4.1.2 Calidad de experiencia QoE ( Quali ty of Experie nce ) Es un conjunto de medidas donde el usuario determina la calidad de la transmisión, los factores más comunes con que se miden son:
Calidad con que recibe el usuario final.
Disponibilidad del uso del sistema.
Discapacidad de contenidos.
Fallas en la imagen.
Respecto a calidad de experiencia hay diferentes marcadores que definen el nivel o tipo de entrega, respecto a esto, la calidad de imagen se puede definir por una escala medible (está
115
dependerá del proveedor de contenidos a nivel local respectivamente, por si tiene más o menos niveles). Los autores en [44] definen una escala en imagen dada en la Tabla 5.2. Tabla 5. 2. Marcadores de niveles de calidad de video [44]. 5
Excelente
Imperceptible
4
Bueno
Perceptible pero no molesto
3
Razonable
Ligeramente molesto
2
Pobre
Molesto
1
Malo
Muy molesto
De la Tabla 5.2 para determinar métricas que definan la calidad de experiencia, los autores utilizan MOS (Mean Opinion Score ), con el cual dan una medida subjetiva que cuantifica el impacto de las fallas en el usuario. Y con esto, valores que pueden ser presentados cualitativamente (ya que son apreciaciones del usuario final) pueden ser presentados de forma cuantitativa para mejorar el servicio. 5.4.2 Seguridad de contenido en IPTV En el contenido de IPTV, no todo el mundo está asignado en ver la totalidad del servicio, para evitar este efecto se han diseñado herramientas para asegurar que el cliente vea lo que está permitido ver, otro punto importante que considera IPTV es el hecho de no abusar del contenido una vez descargado, para esto se analizarán las herramientas en que trabaja IPTV. Acceso Condicional El acceso condicional CA es un grupo de técnicas usadas para asegurar que solo los visualizadores con ciertas condiciones sean capaces de ver el contenido asociado. Las tecnologías básicas para lograrlo involucran encriptación o aleatorización de contenido, y así, visualizadores no habilitados, no recibirán la señal habilitada para ver la información del contenido. A los usuarios autorizados se les suministra una clave numérica que permite la operación para que cierto hardware o software dentro del set-top box o PC sea capaz de desencriptar o desaleatorizar la señal. Los sistemas CA están disponibles desde un número de vendedores, típicamente estos están integrados
en
el sistema
middleware
que
entrega
a
los
dispositivos
contenido
aleatorizado/encriptado y controla la distribución de las claves requeridas.
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Tarjetas Inteligentes Una tradicional forma de distribuciones de claves para los set-top box son las tarjetas inteligentes. Estas tarjetas son llamadas inteligentes porque incorporan un procesador y una memoria que puede ser usada por una variedad de aplicaciones. Muchas tarjetas inteligentes son vendidas en el mundo cada año por una gran variedad de usos, incluyendo tarjetas de identificación, tarifa de transporte, tarjetas de teléfono, de crédito/debito, etc. Las tarjetas inteligentes deben estar conectadas al dispositivo de lectura en orden para poder operar. En algunos casos, esta conexión es hecha físicamente, algunas tarjetas pueden además conectarse inalámbricamente usando señales de radio de pequeñas distancias, eliminando la necesidad de insertar físicamente la tarjeta a un dispositivo. Las tarjetas inteligentes ofrecen beneficios para los proveedores de servicio. Estas tarjetas son portables y pueden ser asociadas a un solo televidente. Por ejemplo, una tarjeta puede ser usada para controlar el acceso de contenido para adultos, por lo tanto, si se quiere evitar este contenido se utiliza otra tarjeta que no incluya tal tipo de programa. Marcas de agua Este es un proceso de insertar datos a flujos de audio o video para seguir el uso o probar la propiedad de los flujos. Es similar al concepto de técnicas usadas para proteger tarjetas, por si es que éstas son falsificadas. La idea básica es insertar identificación sin dañar el contenido de llegada. Las fotografías digitales pueden ser marcadas para mostrar los derechos del autor, estas marcas pueden ser leídas por la mayoría de paquetes de software de edición de imágenes. El contenido de video y audio puede ser marcado con información de derecho del autor para ser leída por algún grabador y reproductor de video para prevenir copias o distribución no autorizada. Con archivos de contenido digital, insertar un patrón en algunos de los bits menos importantes en el archivo puede ser muy efectivo para propósitos de watermarking. Las marcas de agua son implementadas en diferentes formas dependiendo de los objetivos del creador de esta marca. Una marca de agua puede ser específicamente designada para ser frágil y así cualquier cambio destruiría la marca de agua, de este modo demostrando que el archivo ha sido modificado. Las marcas de agua ayudan en aplicaciones de DRM. Estas marcas individuales pueden servir como un impedimento para no autorizar el uso del contenido, como cualquier malversación que puede ser remontada a la fuente especifica. Algunos proveedores de middleware han comenzado a entregar sistemas que pueden producir una única marca de agua dentro de cada set-top box para permitir ser rastreable a cualquier suscriptor. Entonces los usuarios saben que cualquier
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archivo malversado puede ser rastreado hasta él, esto puede ser una herramienta muy eficiente para evitar compartir archivos ilegalmente. Gestión de derechos digitales DRM ( Digital Ri
ghts Managem
ent
)
DRM es un conjunto de tecnologías de software y hardware dedicados para proteger derechos de usuarios de un proveedor de contenido. El objetivo de DRM es controlar directamente las formas en que un visualizador puede usar piezas específicas de contenido. Los sistemas DRM pueden controlar el uso de por ejemplo visualizaciones repetidas, tiempo de contenido a ser visualizado, copiar y grabar el contenido a otros dispositivos o grabar el contenido a dispositivos extraíbles como DVD o CD. El concepto de DRM está muy unido al de CA. De hecho, los dos sistemas a menudo trabajan en armonía en sistemas de entrega de video digital. La diferencia clave es que un sistema CA controla ya sea como un cliente está ubicado a ver el contenido, mientras un sistema DRM controla lo que el cliente puede hacer con el contenido mientras lo visualiza y posterior a esta acción. En otras palabras, CA rige donde los visualizadores pueden conseguir el acceso al contenido, mientras DRM rige lo que los clientes pueden hacer con el contenido adquirido. Por lo tanto, el contenido que ha sido descargado para posterior reproducción es a menudo protegido por el DRM. 5.5 Consideraciones de servicio de televisión a través del protocolo de internet Las mejoras que se obtienen del transporte de flujos IP respecto a una parrilla completa están descritas por el envío de un solo flujo respecto a una totalidad de estos visto en parte de este capítulo, además la experiencia del usuario IPTV es similar a los servicios tradicionales de televisión utilizando un decodificador, además ahora se cuenta con la entrega del servicio sobre dispositivos móviles que están teniendo una gran inclusión en la vida cotidiana. Muchos decodificadores de IPTV (como también de OTT en que el servicio en cuestión se analizará en el siguiente capítulo) cuentan con la opción de sintonizar televisión digital abierta, para el caso Chileno, estos decodificadores contarán con la opción de ser compatibles con tecnologías ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting ), además todas las funcionalidades que trae consigo IPTV. Se han mencionado ciertos puertos asociados al protocolo en cuestión y en cómo estas conexiones al pasar por el firewall producen retrasos, en base a esto un televisor conectado directamente al decodificador (que previamente se conecta a un router, que abastece de igual forma puertos de telefonía sobre internet y el servicio de internet en sí) dependerá de la red si tendrá un retraso perceptible para el ojo humano, asociado a las condiciones de última milla, ya que para conexiones xDSL habría un límite de datos de envío, mientras en FTTx (al hogar FTTH
118
como están haciendo los proveedores de IPTV) no habría problemas en abastecer un servicio de ancho de banda de internet y uno exclusivo de IPTV con un límite mucho mayor respecto a xDSL.
119
CAPÍTULO VI. SERVICIO DE TELEVISIÓN OTT (OVER THE TOP) 6.1 Introducción Actualmente los sistemas de transmisión de contenido de audio y video, de eventos en vivo y contenido grabado VoD, están migrando a tecnologías basadas en IP. Se ha visto en el capítulo anterior, las mejoras en transmisión de IP con respecto a otros tipos de tecnologías dadas con sus parrillas programáticas respectivas (DTH, CATV). Pero los servicios de televisión migrarán a IP y tendrán una forma de entrega abierta sobre internet, esto sin la necesidad de que el proveedor de contenidos a nivel local, tenga un control sobre los datos en cuestión, como es el caso de IPTV. En este ámbito se desarrolla OTT ( Over the Top), que cuenta con ciertas características dadas por el proveedor de contenidos, como el hecho de transportar paquetes de datos sin hacerse responsable o controlar el uso del contenido; por lo tanto la entrega de información puede tener cabida en distintos dispositivos que puedan recibirla (set-top box, computadores, smartphones, etcétera), guiados por el concepto de tener TV en cualquier momento y lugar, con la misma calidad que se espera de servicios de televisión tradicional. OTT trabaja al igual que IP VoD, Video por Internet y televisión por Internet con el protocolo HTTP, también cuenta con una red no gestionada y las características que definen a esos servicios, pero su diferencia radica en que transmite además servicios similares a IPTV en experiencia de usuario; por lo tanto ofrece una parrilla de canales lineales, Premium, servicios de VoD ( Netflix, Hulu), video por internet, televisión por Internet y otros servicios de entrega asociados al uso de Internet. Cabe destacar que surgen conceptos asociados a esta nueva tecnología, partiendo desde el hecho de que un proveedor de servicios de internet ISP ( Internet Service Provider) es capaz de comportarse como un proveedor de contenidos a nivel local. Además la transmisión utiliza el sistema HTTP ampliamente utilizado y con soporte para muchas aplicaciones como se ha mencionado. En el siguiente capítulo se detallarán las mejoras de esta nueva tecnología, como el soporte a través del protocolo HTTP, los distintos tipos de entrega asociados a tasas de bits adaptativas, la compatibilidad de servicios y contenidos, entre otros. Todo esto sin olvidar que a OTT se le considera como la nueva forma de entrega de televisión sobre internet, que se analizará en detalle a lo largo de este capítulo. 6.2 Características de servicios OTT Un sistema de televisión OTT, entrega contenido a través de distintas plataformas por el hecho de utilizar IP, estas plataformas pueden ser líneas de suscripción digital DSL, fibra óptica, WiFi con sus normas IEEE 802.a/b/g/n/ac, redes móviles celulares como 3G e incluso LTE. Con el uso
120
de HTTP (HyperText transfer Protocol), se puede hacer entrega de contenido tanto en vivo como pre grabado, y en este último empresas como Netflix , Hulu, entre otros; trabajan en conjunto a OTT para entregar una mayor variedad al usuario final. Como se mencionó en la introducción, el proveedor de contenidos ahora tan solo entrega paquetes, no se hace responsable de ellos ni tampoco los controla, y bajo este comportamiento el usuario tiene la opción de visualizar contenido en un dispositivo que soporte IP. OTT describe la entrega de audio y video a través de una red de banda ancha sin que el operador ISP (Internet Service Provider ) en este caso Entel, sea responsable de la entrega de estos paquetes IP. Esta distribución y tipo de entrega se realiza a través de redes no gestionadas y denominadas de tipo público, según la Sección 4.3.2 la entrega de contenido sobre TCP/IP tiene protocolos orientados a la conexión y puertos especializados (como el puerto 80 para HTTP), para que el contenido pueda ser fácilmente entregado a cualquier dispositivo en cualquier momento y lugar, con las condiciones de conexión asociadas para tal tipo de servicio (conexión estable). Arquitectura del servicio OTT OTT se puede dividir en tres capas independientes para definir una arquitectura asociada, estas son:
Capa de control: La cual tiene gestión de identidad, control de acceso y de exposición de interfaz de programación de aplicación API 15 ( Application Programming Interface ). Esta se encarga de entregar las claves del servicio OTT asociado a la comunicación con internet a través de distintas aplicaciones como Skype, Google, o incluso con Facebook.
Capa de aplicación: Asociada a la entrega de contenido desde el proveedor de contenidos a nivel local utilizando API, API es un socket dado para TCP/IP provista de un sistema operativo.
Capa de red: Asociada al acceso final del usuario y los núcleos de red (routers ).
La capa de control en OTT está asociada al cliente final y en como éste ingresa con sus sistemas de autenticación, pago y otro tipo de aplicación para tanto compra o navegación dentro de la internet. 6.3 Diferencias con servicios IPTV Los sistemas de entrega de servicios de televisión a través de Internet, tienen grandes diferencias con otros tipos de tecnologías, pero entre ellas (entiéndase IPTV y OTT) también difieren.
15
API: es el conjunto de subrutinas, funciones y procedimientos para crear aplicaciones a nivel de software.
121
La principal diferencia es que IPTV es entregada sobre una estructura dada por el proveedor de contenido a nivel local, mientras OTT trabaja en redes abiertas sobre internet. A continuación se presenta en la Tabla 6.1 las principales diferencias entre los sistemas OTT e IPTV. Tabla 6. 1. Diferencias entre OTT e IPTV. Entrega de
OTT A través de internet, con una red sin
IPTV A través de una red gestionada.
contenido
gestión.
Tipo de red
Entregada desde el proveedor de
Cerrada, entregada a través de un proveedor
contenido al usuario usando una red
de servicios de internet determinado.
abierta Propiedad de
Sin la necesidad de intervenir en el
Los servicios son optimizados y
red
contenido.
personalizados a la red y capacidad de
Protocolo
Entrega usando HTTP (TCP). En este
Tecnologías de transmisión de TS, entregado
asociado
caso los mercados emergentes
sobre UDP.
terminal.
utilizan distintos tipos de transmisión Topologías de
(HLS, HSS, HDS, DASH). Unidifusión y Multidifusión.
enrutamiento
Multidifusión, Unidifusión para el proceso de unión a un grupo de multidifusión y de VoD.
Categoría de
Servicios complementarios con
Servicio paralelo a cable o satélite dados por
servicio
proveedores de servicios externos,
el proveedor de contenidos.
terceros. Beneficios
Bajo costo, flexibilidad de contenido y
Servicio Interactivo, y medidas de calidad de
de consumo a través de distintos
servicio QoS y de experiencia QoE
dispositivos. Tipo de
Retransmisión sobre el protocolo TCP
Sin retransmisión, si se pierde un paquete de
transmisión
en la capa de transporte.
la aplicación, ésta verá si utiliza interpolación en las tramas o elimina alguna de estas.
Ventajas de transmisión
Uso de puerto 80 para HTTP.
Transmisión RTP/UDP/IP enviando flujos constantes de bytes.
Desventajas
Retransmisión asociada a TCP.
Definir un puerto de entrada, y problemas
de transmisión
con firewall, produce retraso.
Fuente: Elaboración Propia.
De la Tabla 6.1, se comprende que los servicios de OTT dan más libertades al cliente en lo que requiera ver, además en términos técnicos, OTT también es más simple por el hecho de trabajar con el protocolo HTTP definido con un puerto específico y sin el problema de firewall.
122
OTT tiene una gran variedad de sistemas de entrega, estos son capaces de analizar la red para entregar el mejor servicio asociado al ancho de banda en b/s que pueda ser capaz de tener el usuario final (redes móviles, WiFi, fibra óptica, etcétera). En este punto, es importante considerar que los sistemas de entrega IPTV utilizan un flujo constante (tasa de bits fija) para la entrega de contenido, mientras OTT hace entrega de contenido a través de segmentos, asociados a tasas de bits adaptativas, esto se verá en detalle en la Sección 6.4. 6.4 Entrega de servicios OTT a través de HTTP Para la entrega de servicios de televisión bajo el concepto de OTT, se considera una tasa de bits adaptativa ABR (Adaptive BitRate) (para conectar al televisor, o a dispositivos móviles). Este ABR es una técnica usada en transmisión multimedia sobre redes computacionales, actualmente las técnicas utilizadas son HTTP ( HyperText Transfer Protocol) y están designadas para trabajar eficientemente sobre una red como la Internet, esto es conocido también como HAS (HTTP Adaptive Streaming ).
ABR tiene diferencias con el sistema de transmisión de IP de flujo continuo (IPTV) en los siguientes puntos:
Envío del servidor al cliente con una tasa de bits fija, mientras en OTT son ABR. Sincronización entre el cliente y servidor producto de efectos como trick play en IPTV, mientras OTT es un protocolo sin estado.
Problemas con el firewall en enrutadores en IPTV producto de utilizar UDP a diferencia de HTTP que utiliza un puerto específico para la transmisión de información.
En la transmisión HTTP, ya sea para eventos en vivo y pre grabados, el video se codifica en segmentos (a veces referidos como chunks), el cual incluye codificación de video, audio, protocolos de encriptación, etc. Estos segmentos típicamente representan dos a diez segundos de video. El flujo es dividido en segmentos de video de un grupo de imágenes GOP (véase Sección 3.4.4) que empiezan con una trama IDR (denominada así porque cada trama puede ser decodificada independientemente sin depender de otras tramas). Luego estos segmentos son almacenados en un servidor HTTP, cada secuencia de segmentos es denominado perfil, un perfil difiere de otros en resolución, tasas de bits, codificación en perfil y nivel (asociado a los algoritmos de compresión MPEG). Cuando se está utilizando por tanto el protocolo HTTP, los chunks son ordenados y el contenido es visualizado correctamente. A continuación se presentan las diferencias entre transmisión de flujo continuo y la transmisión adaptativa en la Figura 6.1.
123
Figura 6. 1. Diferencias entre transmisión tradicional (izquierda) y adaptativa (derecha). Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 6.1, ABR se adapta a las condiciones de red seleccionando los segmentos de video desde diferentes perfiles, el cliente tiene una lista de tasas de bits de perfiles disponibles (o de resolución de video), y puede determinar si debe cambiar a una resolución diferente producto de las condiciones de entrega dadas por las tasas de bits. Esto es llamado entonces lista de reproducción, el cálculo de ancho de banda (en b/s) del cliente, es repetido a cada descarga de cada chunk o segmento, y entonces el cliente puede adaptarse al cambio de red (en ancho de banda) cada pocos segundos. Este comportamiento se representa en la Figura 6.2.
Figura 6. 2. Transmisión adaptativa. Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 6.2 se puede apreciar que del operador se entregan distintas tasas de bits, produciendo distintos tipos de flujos para la recepción; por lo tanto el receptor podrá elegir el tipo de video asociado al flujo de bit, luego dependiendo de la red, será posible entregar un mejor o menor perfil asociado a las condiciones en ancho de banda del usuario. Un factor importante a considerar en OTT, es el hecho de definir los proveedores de servicio de internet ISP (Internet Service Provider ) que pueden ser descritos en tres capas, mostradas en la Figura 6.3 [46].
124
Figura 6. 3. Capas de un proveedor de servicios de internet ISP [46].
De la Figura 6.3 se puede apreciar que las redes ISP están compuestas de tres capas, una de acceso, metro y núcleo.
La capa de acceso conecta al usuario final con la capa metro, vía nodos de acceso a nivel local usando enlaces alámbricos o inalámbricos.
La capa metro conecta el acceso de los nodos al núcleo, esta capa puede variar ampliamente desde una escala regional a internacional. La capa de núcleo es la responsable para interconectar varias capas metro y esta capa se encarga de tener las conexiones con el resto del mundo.
Una de las tendencias que han emergido en la transmisión de la industria, ha sido de pasar de protocolos de transmisión clásicos a la descarga progresiva por medio de HTTP, algunas de estas razones son:
Los servicios de descarga web han tenido tradicionalmente menos gastos que los servicios de transmisión ofrecidos por los proveedores.
Los protocolos de archivos multimedia han tenido la dificultad de pasar a través de firewalls y enrutadores como ya se ha indicado para UDP, con socket sobre ciertos
puertos. La entrega de archivos multimedia basado con HTTP, no tiene tal tipo de problema porque el firewall y el enrutador pasan las descargas HTTP a través del puerto 80.
HTTP no requiere proxies o caché especiales para la entrega de archivos multimedia. Un archivo de estos se lee como un archivo común de la web.
HTTP facilita la entrega con sus formas de entrega del contenido de video.
125
6.4.1 Diferencias con otros tipos de entrega La entrega de contenido en la web, hoy usa tres métodos de entrega:
Transmisión de flujo continuo (dadas en tasas de bits fijas por IPTV).
Descarga progresiva.
Transmisión adaptativa.
Transmisión de flujo continuo Este sistema de transmisión (constante en tasas de bits) usa RTSP (Real Time Streaming Protocol), éste se ha definido como un protocolo con estado, con características definidas para el
cliente como play, pause y teardown (usado para desconectar desde el servidor y terminar la sección), es decir, mantener una pista del estado del cliente. El envío de paquetes, se da con una carga útil de 1.316 bytes y las cabeceras asociadas con una longitud de 66 bytes (IPv4) o 86 bytes (IPv6); su inconveniente está dado por el firewall incrementando la latencia. Por el otro lado, HTTP es conocido como un protocolo sin estado, si un cliente HTTP requiere de cierto contenido, el servidor responde enviándola, pero no recordará el cliente ni el estado asociado. Cada requerimiento HTTP es manejado como una sesión independiente. Descarga progresiva La descarga progresiva es soportada por la mayor parte de las plataformas, descargándose al caché del dispositivo en cuestión, de ahí el hecho de ver mientras se sigue descargando y poder pausar con el contenido que continua descargándose de igual forma. El formato común para este tipo es el MP4 (asociado a MPEG-4 parte 14), siendo ésta una extensión para el audio y el video, como también contenidos para salvaguardar los derechos del autor ( copyright); por lo tanto codifica datos de audio y vídeo, optimiza el almacenamiento y se distribuye en redes. En este sentido la descarga progresiva carece de capacidades que optimicen la transmisión de contenido, aunque esta opción ofrece cierta flexibilidad para ser desplegada en aplicaciones móviles a bajas tasas de bits, por ejemplo redes 3G. Transmisión adaptativa ABR mejora la experiencia del usuario, ofreciendo mejoras sobre la calidad de video disponible, algunas de sus ventajas sobre la transmisión de flujo continuo y la descarga progresiva son:
Bajos costos de infraestructuras para los proveedores de contenido eliminando servidores de transmisión especialmente en lugar de caches/proxies genéricas.
126
La entrega de contenido es dinámicamente adaptable, se puede entregar dependiendo de las variaciones en la condición de entrega de última milla y variaciones de ancho de banda producto de los usuarios conectados a la red en cuestión.
Los suscriptores no necesitan seleccionar estáticamente una tasa de bits, el cliente puede realizar la función dinámicamente y/o automáticamente.
El cliente puede controlar la tasa de bits, tomando en cuenta el ancho de banda proporcionado por la red, resolución, códec y tipo de video asociado al mismo. HTTP entrega flujos de datos, y en conjunto a los firewall, evita el problema de bloqueo de transmisión producto de operar con el puerto 80, a diferencia de la entrega con UDP.
Cabe destacar, que utilizar transmisión adaptativa HTTP HAS o ABR tiene ciertas consecuencias, como:
Los clientes deben almacenar algunos
chunks o segmentos para evitar parar la
reproducción (asociado al ancho de banda de la red y también características del video como resolución).
HTTP está basado en TCP, cuando se pierde un paquete, TCP recupera estos datos, sin embargo cuando aumentan estas pérdidas de paquetes, TCP falla pudiendo incluso hasta cortar la reproducción.
Hay varias versiones de transmisión adaptativa en el mercado, algunas son [46]:
Transmisión dinámica HTTP para adobe HDS ( HTTP Dynamic Streaming).
Transmisión plana HTTP para Microsoft HSS ( HTTP Smooth Streaming).
Transmisión en vivo HTTP para Apple HLS ( HTTP Live Streaming).
Transmisión adaptativa dinámica sobre HTTP DASH ( Dynamic Adaptive Streaming over HTTP)
A continuación se presentarán cada una de estas de forma detallada. 6.4.1 HDS (HTTP dynamic streaming) para Adobe HDS habilita la distribución de contenido multimedia para aprovechar los protocolos más frecuentes de internet, con el fin de entregar la mejor experiencia de transmisión adaptativa asociada a los terminales que sean capaces de soportar el software de Adobe Flash. El formato para HDS más común es MP4, este es usado para tanto, transmisión en vivo y de VoD con apoyo a codificación para altas resoluciones de reproducción, además cuenta con una protección robusta de gestión de derechos digitales DRM, ésta ha sido integrada con el contenido para la preparación y entrega, habilitando nuevos modelos de negocios.
127
Adobe Flash Player versión 10.1 introduce el soporte para HDS, con transmisión de servidores
HTTP del tipo ABR, tomando el formato MP4 como formato fragmentado F4F (MP4 Fragmented Format). Dentro de las ventajas de utilizar HDS están:
Gran alcance a través de Flash Player.
Estándar industrial para F4F.
Protección de contenido integrado dado por Flash Access 2.
Soporte para sistemas de almacenamiento en cache HTTP sin modificar (como redes de entrega de contenido CDN, ISP).
Este sistema (HDS) trabaja con sistemas de compresión H.264, apoyando también monitoreo de calidad de servicio QoS, funcionalidades DVR ( Digital Video Recorder), tasas de bit adaptativas baja latencia para eventos en vivo y apoyo de modos trick play. HDS puede entregar beneficios adicionales y habilitar mejoras significativas sobre la entrega progresiva, algunas de estas ventajas incluyen:
Reducción de costos en entrega utilizando infraestructuras de almacenamiento en caché de internet.
Navegación multimedia apoyando a la función de buscar y reproducir en cualquier segmento del archivo. Limitación de tasas de bits para asegurar que solo el contenido visto sea entregado.
A continuación se presenta en la Figura 6.4 el flujo de trabajo para transmisión de eventos en vivo y pregrabados [47].
Figura 6. 4. Flujos de trabajo para HDS [47].
128
En la Figura 6.4 HDS utiliza el formato F4V16 (asociado a MPEG-4 Parte 12) usando un estándar MP4 con la extensión F4F. Este formato permite poner a buscar y almacenar en caché archivos multimedia con porciones más pequeñas. Adobe ha publicado el formato completo F4F con especificación en F4V en [48]. Para la transmisión de eventos en vivo, se considera el protocolo RTMP ( Real Time Messaging Protocol), éste apoya todos los formatos incluyendo FLV y F4V. La protección de contenido es Flash Access 2
por verificación de flujo del protocolo RTMP apoyada por latencia se entrega en contenidos en vivo.
, y debido a su baja
El 97% del mercado de Flash Player, tiene la opción de transmitir a computadores, sin embargo, Flash Player no es ampliamente soportado por Android e iOs, lo cual limita el uso de la transmisión
a dispositivos móviles. A continuación se presenta en la Tabla 6.2 algunas consideraciones de HDS. Tabla 6. 2. Consideraciones de HDS. Funciones Entrega
Características de
múltiples
canales de audio
HDS no ofrece una solución convincente para entregar varios flujos de diferentes audios. Sistemas de encriptación y de gestión de derechos digitales.
Sistemas de encriptación
Con el uso de Adobe Flash Access se simplifica la interacción entre la clave
y de gestión de derechos
de gestión del servidor y el aleatorizador que realiza la encriptación,
digitales.
enviando las claves de desincripción en conjunto al contenido evitando el intercambio entre ambos.
Subtítulos
HDS soporta pistas de datos que tienen formato de datos DFXP como subtítulos, basados en formatos TTML ( Time Text Markup Language).
Inserción de anuncios
HDS controla los eventos en pistas de datos separados, usando chunks para estos propósitos.
Fuente: Elaboración Propia.
16
Es una estructura general que permite un diseño flexible del formato permitiendo la gestión, edición y presentación de la visualización.
129
6.4.2 HSS (HTTP
Smoo th Streaming
)
Microsoft ha desarrollado su propio formato de tasas de bit adaptativas definidas como HSS. Es una parte de los servicios de información de internet ISS ( Internet Information Services ) y permite la transmisión a Silverlight , éste apoya a la transmisión plana, análisis de MPEG-4, descarga a través de HTTP, cambios de tasas de bits, entre otras; y con esto determinar en qué momento hacer los cambios efectivos en la transmisión, además HSS agrega funciones multimedia similares a HDS. HSS detecta el ancho de banda local para las condiciones de la CPU o de hardware asociado al equipo, con el fin de cambiar las tasas en tiempo real para ofrecer la calidad
más alta de video que la red y el dispositivo son capaces de ofrecer. Estos archivos son entregados en un formato MP4 fragmentado y luego es almacenado como archivos ISMV. HSS detecta el ancho de banda y las condiciones de CPU la local, cambia los flujos dinámicos sin problemas asociados a la condición “cercano” a tiempo real en la resolución de video de un archivo multimedia. Los clientes con buenas conexiones de última milla tendrán la experiencia de reproducción de alta definición, mientras otros con menores condiciones en términos de ancho de banda podrán recibir calidad de contenido respecto a su conexión. Al igual que en HDS, HSS utiliza como formato MP4, algunas razones que se especifican en [49] son:
MP4 es un formato contenedor ligero.
MP4 es más fácil para analizar en códigos .net (estos son framework de Microsoft que dan un énfasis en la transparencia de la red con independencia de hardware).
MP4 como estándar es muy amplio, incluyendo la adopción de terceros y con soportes más sencillos.
MP4 tiene una arquitectura con algoritmos de compresión MPEG (parte 14 del estándar MPEG-4), produciendo de esta forma adoptar una gran cantidad de productos.
MP4 está designado para apoyar la fragmentación de carga útil dentro del archivo.
Se especifica en HSS dos partes:
Formato alámbrico. Formato de archivo en disco.
El formato alámbrico define la estructura en que los chunks son enviados a los clientes a través de IIS (internet Information Services 7.0 ), donde el formato define una estructura de archivos continuos sobre el disco, permitiendo mejores gestiones de los mismos (de aquí que MP4 permite ser organizado internamente como una serie de fragmentos).
130
El segundo define como el archivo es guardado antes de ser enviado por el formato alámbrico, por lo tanto el almacenamiento en el archivo se guarda completo en una pieza, pero la transferencia al cliente es una serie de pequeños chunks. HSS ha sido utilizado por NBC para la transmisión en vivo de los juegos olímpicos, y es parte de Netflix , incluso es posible transmitir a dispositivos Apple usando H.264. A continuación se
presenta en la Tabla 6.3 algunas consideraciones de HSS. Tabla 6. 3. Consideraciones HSS. Funciones
Características
Entrega de múltiples
Cada pista de audio se maneja de forma separada, enviando si es necesario
pistas de audio
más de una pista asociada a la pista de video.
Encriptación y gestión
Microsoft utiliza PlayReady, el cual da una trama completa para la encriptación
de derechos digitales
del contenido, gestión de claves y entrega a sus clientes.
Subtítulos
Con el uso de TTML ( Time Text Markup Language) en pistas de datos, especifica datos de separador de subtítulos (parecido al caso de HDS).
Inserción de anuncios
Al igual que en HDS, se puede entregar control de eventos en diferentes pistas, en este caso con la ayuda de Silverlight, el cual es el encargado del comportamiento de red como de usuario.
Flujos de latencia
Este protocolo ha implementado un modo de baja latencia, en la cual parte de los chunks son entregados al cliente tan pronto sea posible, reduciendo la latencia al usuario.
Fuente: Elaboración Propia. 6.4.3 HLS (HTTP Live Strea
min g
)
HLS es un protocolo de comunicaciones de transmisión basado en HTTP, implementado por Apple Inc. Permite enviar audio y video desde un servidor web para reproducir en dispositivos iOs, incluyendo iPhone, iPad, iPod touch, Apple TV y computadores como MAC OSX. HTTP live streaming apoya la transmisión de contenido en vivo como también contenido pregrabado (caso
de VoD) a múltiples flujos en diferentes tasas de bits, y el cliente puede determinar que flujo tomar dependiendo de las condiciones asociadas a su ancho de banda. HLS también entrega encriptación y autenticación sobre HTTPS (protocolo de comunicación sobre redes computacionales con especial despliegue sobre Internet), permitiendo a sus publicadores estar protegidos en la entrega de contenido.
131
Conceptualmente, HLS consiste de tres partes [50]: el componente de servidor, distribución y el software del cliente, a continuación se explica cada una de estas.
El componente del servidor es responsable de tomar flujos de entrada de archivos multimedia para codificarlos y encapsularlos en un formato adecuado para entrega.
El componente de distribución consiste de los servidores web estándar. Ellos son responsables de aceptar los requerimientos de los clientes y entregar el archivo multimedia preparado asociado al cliente. Para distribución de gran escala son utilizadas sobre las redes periféricas o edge, las redes de entrega de contenido CDN ( Content Delivery Network).
El software del cliente es responsable de determinar los medios requeridos, descargan estos recursos y se encargan de ensamblar los medios que pueden ser presentados al usuario en un flujo continuo.
En una configuración típica, se codifica en H.264 en video y ACC en audio; transmitiendo en flujos de transporte MPEG TS (todo esto visto en el Capítulo III), luego para ser separados en una serie de flujos dado por segmentos. Estos archivos son almacenados en un servidor web, el segmento también crea y mantiene un índice de conteniendo en una lista de archivos, definida como una lista .m3u8. La lista .m3u8 permite al cliente conocer que segmentos asociados de secuencias, se encuentran disponibles en un determinado momento, y en base a las condiciones de ancho de banda y del dispositivo de reproducción en cuestión, descargar el segmento de forma automática dada por las condiciones mencionadas para almacenar el contenido en el búfer. El índice URL es publicado en el servidor web, el cliente lee el índice y requiere del archivo para reproducirlo sin pausa ni brechas en los segmentos (asociado a HTTP), esto se presenta en la Figura 6.5.
132
Figura 6. 5. Flujo de trabajo en HLS.
A continuación se presenta en la Tabla 6.4 algunas consideraciones de HLS Tabla 6. 4. Consideraciones HLS. Funciones
Características
Entrega de múltiples
En HLS los archivos TS pueden transportar múltiples pistas de audio, pero no es
pistas de audio
necesariamente una ventaja en ABR, porque significa que los chunks TS son más grandes. Por lo tanto se crea una combinación para cada audio y cada video (audio inglés y video, audio español y video, etcétera) haciendo más grande el almacenamiento.
Encriptación
y
HLS apoya la encriptación de cada TS, sin poder desencriptarla a menos que se
gestión de derechos
conozca la clave, además incluye los metadatos17 relacionados al flujo, se deben
digitales
incluir en el archivo. Pero HLS no especifica un mecanismo de autenticación para la recepción de claves, considerado un problema de implementación, para esto HLS ofrece sus propias claves dependiendo de los oferentes.
Subtítulos
HLS puede decodificar y mostrar subtítulos con chunks TS usando el estándar parte 4 de televisión digital ATSC ( Advanced Television Systems Committe).
17
Datos que describen otros datos, para el caso de HLS los metadatos incluyen información asociados al flujo de transporte de envío de MPEG.
133
Inserción
de
HLS utiliza una sustitución de chunks basados en inserción de anuncios, la pista puede ser modificada para entregar diferentes chunks de avisos a diferentes
anuncios
clientes. Disponibilidad
de
HLS al igual que HDS pueden enviar metadatos al cliente en sus listas de
enviar otros datos al
reproducción, apuntando a los eventos y contenido de toda clase al cliente,
cliente
permitiendo en HLS separar datos de pistas para ser multiplexadas en chunks TS.
Fuente: Elaboración Propia. 6.4.4 DASH (Dynamic Adaptive Streaming HTTP) DASH es un enfoque de código abierto para tasas de bit adaptativas, con despliegue bajo el auspicio del grupo internacional MPEG. El objetivo, es tener una tecnología que sea universalmente implementada y comparada, con las anteriores formas de transmisión adaptativa sobre HTTP mencionadas. El estándar fue aprobado en 2011, DASH es codificación de audio y video agnóstico, sin embargo la especificación entrega una guía específica y da formatos para el uso con dos tipos de contenedores, el formato MPEG-4 o el flujo de transporte MPEG-TS. En la Figura 6.6 se muestra un escenario de transmisión entre un servidor HTTP y un cliente DASH.
Figura 6. 6. Transmisión entre un servidor HTTP y un cliente DASH.
En la Figura 6.6 el contenido multimedia es capturado y almacenado en un servidor HTTP y entregado a través del mismo. El contenido existe en dos partes [51]:
134
Descripción de presentación de medio MPD ( Media Presentation Description), el cual describe un manifiesto del contenido disponible, en sus direcciones URL y otras características.
Segmentos, los cuales contienen los flujos de bits en forma de chunks, de archivos simples o múltiples.
Para reproducir el contenido, el cliente DASH obtiene el MPD [51], éste conoce la disponibilidad, tipo de archivo, resolución, tasas de bits asociadas, accesibilidad a gestión de derechos digitales DRM, entre otras. Con esta información, el cliente selecciona las condiciones necesarias para la transmisión de contenido. En la transmisión de contenido se continúa verificando las condiciones de entrega del mismo, dependiendo de estas medidas, el cliente decide cómo adaptar el ancho de banda disponible o mantener las condiciones actuales de reproducción. Algunas características adicionales de MPEG-DASH, entre otras son [51]:
Soporte de múltiples servicios como: o
Vídeo sobre demanda, TV lineal, Time Shift para grabador de video personal
PVR (Personal Video Recording). Selección del cliente y/o usuario para la representación de contenido. Adaptación dinámica de contenido, reproducido para determinar cambios en el procesamiento de la señal.
Modos Trick play.
Insertar avisos pre codificado u otro contenido a las plataformas bajo demanda y servicios de transmisión en vivo.
Entrega eficiente de múltiples lenguajes y pistas de audio.
Protección de contenido y seguridad del mismo.
A continuación, en la Tabla 6.5 se muestran las comparaciones de los protocolos nombrados. Tabla 6. 5. Diferencias entre los protocolos HTTP.
Códec de video
HDS
HSS
HLS
DASH
H.264, VP6
H.264, VC-1
H.264
H.264
más
otros
(agnóstico) Códec de audio
AAC, MP3
AAC, WMA
AAC, MP3
AAC más otros
135
Formato
Fragmentos
Fragmentos
segmento
de
MP4
MP4
TS MPEG-2
Fragmentos MP4 más
Paquetización de
Multiplexado en
Multiplexado en
Multiplexado en
Multiplexado o separado
audio/video/texto
un segmento
un segmento
un segmento
en segmentos distintos
TS MPEG2
Fuente: Elaboración Propia. 6.5 Redes de entrega de contenido al usuario final Componentes de entrega de video Asociado a un CDN (visto en la Sección 4.4.4.1) sus componentes consisten de un codificador, transcodificador y un paquetizador (también denominado segmentador o fragmentador), que en conjunto con las redes de entrega de contenido CDN, se relacionan para la entrega de ABR. En la Figura 6.7 se muestra como se conforma desde el Head End hasta el usuario final en un tipo de transmisión OTT al cliente, utilizando un CDN.
Figura 6. 7. Arquitectura OTT. Fuente: Elaboración Propia.
De la Figura 6.7 se muestran las siguientes etapas:
Head End de contenido: Asociado al Capítulo IV de Head End de televisión.
Codificador: Asociado a la codificación de un flujo de datos sin comprimir, reduciendo su tasa de bits; cuando estos tienen codificaciones distintas se utiliza el transcodificador, producto de utilizar un mismo formato de codificación como es MPEG-4 H.264 AVC.
Paquetizador. Utilizado con el propósito se segmentar los flujos de video dados por los distintos tipos de transmisión en HTTP.
CDN. El cual gestiona estos chunks para acercar el contenido web al cliente. 136
En OTT el codificador/transcodificador debe de procesar el video de la siguiente forma:
La salida de video debe tener exploración progresiva de imágenes, por lo tanto si viene entrelazada se debe de desentrelazar el video asociado.
La salida de video debe ser adecuada al tipo de dispositivo del cliente.
Las diferentes salidas de perfiles deben ser alineadas en tramas IDR para que en la reproducción de los chunks creados, la reproducción de cada perfil sea continua y plana.
El audio debe ser transcodificado a codificación de audio avanzada AAC, utilizado por las diferentes técnicas de transmisión HTTP. Además de que el mismo flujo de audio codificado necesita ser transmitido en todos los perfiles de video.
El paquetizador es el componente que toma la salida del transcodificador y paquetiza el video para un protocolo de entrega específico. Éste debe de tener las siguientes características:
Capacidad de encriptación, estando disponible para encriptar los chunks de salida en un formato compatible con el protocolo de entrega.
Integración de sistemas de gestión de terceros, el paquetizador en este caso está disponible para recibir las claves de encriptación desde terceros para ser usadas para gestionar y distribuir a los clientes.
Flujos de eventos en vivo o pregrabados, dependiendo de si la organización es en vivo o bajo demanda.
La red de entrega de contenido no requiere ningún servidor especial para transmisión, para la entrega en vivo es beneficioso ajustar el CDN para sacar los chunks más antiguos u obsoletos rápidamente, sin la necesidad de mantenerlos, la duración actual depende de la duración de los chunks y de la latencia en el cliente.
Arquitectura de trabajo Es valioso tener una arquitectura que permita al transcodificador y paquetizador estar separados. Esto da la ventaja que la entrada de video pueda ser transcodificada en el núcleo, entregando múltiples formatos a los CDN que pueden abastecer ciertos requerimientos. En relación a esto se presentan en la Figura 6.8 los casos de paquetizador cerca (a) y separado del Head End (b).
137
Figura 6. 8. Paquetizador respecto al Head End. Fuente: Elaboración Propia.
Cabe destacar que en la Figura 6.8, la perdida de paquetes en el núcleo puede resultar en pérdidas irrecuperable de segmentos o chunks; para este caso una arquitectura mostrada en la Figura 6.8 (a) es más factible; pero por el contrario, al llevar múltiples tasas de bits, necesitaría de más ancho de banda producto de llevar muchos más flujos, si se necesita transportar menos datos desde el Head End, la arquitectura mostrada en la Figura 6.8 (b) es mejor opción. 6.5.2 Redes de igual a igual ( Peer to peer ) En OTT, esto es un valor agregado para la entrega de información, producto de que cualquier punto dentro de la red se comporta como “proveedor de contenido”, ya que el usuario en cuestión
se conecta con el resto y puede compartir los datos de video, creando una base de datos con el resto de los dispositivos, esta opción de redes de igual a igual es independiente de la red, la base de datos puede conectar usuarios de distintos ISP para compartir contenido, utilizando las herramientas que ofrecen las redes computacionales vistas en la Sección 4.3. 6.6 Estudios de OTT sobre redes LTE En esta sección se muestran algunos estudios de la tecnología OTT con su forma de entrega DASH sobre una red LTE a través de algunos parámetros de QoE. En la red hay estudios que definen que TCP/IP está ganando terreno sobre UDP/IP en la transmisión de contenido. Un caso para este es el de Netflix, Youtube y HTTP; ya que cuenta con 138
gran capacidad de tráfico en otros países para la descarga de contenidos que se puede citar en [52]. Por lo tanto, la tecnología basada en OTT tendrá cada vez mayor cabida en el mercado de entrega de contenidos, destacando que el ISP entrega paquetes a dispositivos como smartphones, entre otros; que pueden visualizar mucho más que solo video además de datos y
VoIP). Por lo tanto es importante garantizar en este caso QoE para la transmisión HTTP, otros parámetros como QoS se basan en parámetros específicos vistos en la Sección 6.4.4 para DASH. En redes LTE y LTE avanzado [53], [54], existe una estación base, en la que la red móvil determina la ubicación de recurso y actúa en relación al cliente DASH. Con las características de este tipo de tecnología, DASH se adapta a los recursos ubicados por el planificador inalámbrico (wireless scheduler), éste típicamente funciona como contenido conocido y asigna recursos basados en las condiciones de canal sin considerar las características del transporte de contenido. Dentro de los estudios realizados para OTT sobre LTE están:
Evaluación de QoE de end-to-end para transmisión adaptativa HTTP sobre LTE [55].
Resume los conceptos asociados a la transmisión adaptativa HTTP, y define características de QoE en 3GPP, asociado a métricas comparadas con la descarga progresiva, esto se aprecia en la Figura 6.9.
Figura 6. 9. Métricas en QoE de redes móviles [55].
QoE basado en tráfico y gestión de recursos para HTTP en LTE [56].
139
Propone optimizaciones para múltiples usuarios de HTTP adaptativo, en la entrega en redes móviles, esto se ve reflejado en la Figura 6.10.
Figura 6. 10. Optimización para entrega de video adaptativo HTTP [56].
La Figura 6.10 trata del proceso de HTTP sobre LTE, ya que un servidor DASH agrega y/o extrae información (ya sea el caso) del MPD. En la estación base un optimizador de QoE optimiza las utilidades y la información de canal para los diferentes clientes, y en base a esto, entregar el tipo de transmisión HTTP adaptativo que sea capaz de recibir el dispositivo (asociado al tipo de resolución, ya que a mayor resolución, el chunk es de mayor tamaño, y la red debe de entregar el mejor servicio posible). El resto del documento indica la adaptación del flujo de video del búfer en condiciones conocidas como ubicación y gestión de recursos para LTE.
Hacia mejoras de OTT para QoS bajo demanda para aplicaciones en LTE [57].
Introduce un servicio preferencial a los suscriptores basados en servicios predefinidos, ayudando al operador a usar sus recursos de forma más eficiente, habilitando por ejemplo, mayor capacidad y eficiencia a mayor necesidad de tráfico. Este estudio está basado con mejoras de servicio para OTT, transmitiendo sin algún tipo de QoS sobre LTE. 6.7 Consideraciones al servicio de televisión OTT La segmentación de los flujos de video y audio permiten trabajar con diferentes resoluciones a diferentes condiciones de entrega en última milla, pero esta segmentación debe de contener las condiciones asociadas a resolución de la imagen a reproducir.
140
En relación a la forma de transmisión, HSS y HDS utilizan MP4, quién define formatos contenedores para tanto audio (m4a), video (m4v) y datos asociados al video como tal, mientras HLS utiliza MPEG-TS como formato de entrega (este último tiene un uso muy amplio, cubriendo la mayor parte de aplicaciones). DASH en este caso, mezcla en un intento de estandarización ambos sistemas de entrega para tener un sistema unificado de transmisión sobre HTTP. En las condiciones de entrega, un segmento puede traer reproducción desde 5 hasta 12 segundos, pero para tecnologías como HLS, 10 segundos es lo óptimo en entrega de segmentos, incluso en ciertos tipos de eventos los segmentos son distintos. Este es el típico caso de un evento deportivo, si un partido tiene cámaras que enfocan a jugadores específicos, terrenos, ángulos del mismo y gradas, los segmentos son distintos para cada uno de los casos, en el que el usuario final quiera requerir del servicio en cuestión. El hecho de utilizar diferentes tecnologías asociadas al tipo de transmisión HTTP permite tener una mayor cantidad de compatibilidad con equipos (es de conocimiento popular que HLS desarrollado por Apple tiene desarrolladores exclusivos para su sistema operativo haciendo más difícil hacer la conexión directa a los equipos dados por este fabricante). En relación a las diferencias entre los tipos de transmisión adaptativa sobre HTTP, HLS desarrolla sus terminales con sistemas operativos iOs y OSX, además de ofrecer desarrollo de aplicaciones para Android, siendo este sistema operativo para dispositivos móviles muy popular en la población actual. Una última consideración es en las redes de igual a igual, ya que como no hay un nodo centralizado que entregue contenido, un dispositivo móvil puede interactuar en una misma red con el decodificador para presentar en el televisor el contenido asociado al dispositivo en cuestión, OTT al ser una red abierta y no gestionada, permite al usuario final mayor libertad en la visualización y la mejora de tener televisión en cualquier parte.
141
CAPÍTULO VII. CREACIÓN DE PERFILES OTT AL USUARIO FINAL 7.1 Introducción Este capítulo se centrará en crear perfiles OTT en Chile, directamente asociados a la empresa Entel que tiene como valor agregado, sistemas de entrega de celular móvil con servicios LTE, para esto se analizará la creación de perfiles asociados al usuario final, de lo indicado en el capítulo VI, estos son conocidos como manifest, los cuales son perfiles con cierto tipo de resolución (entiéndase resolución como la cantidad de pixeles por línea en relación con las líneas por cuadro), para la entrega a usuarios OTT que pueden ser diferenciados en móviles y fijos. Este capítulo será divido en dos secciones, explicadas a continuación:
Servicios de entrega de clientes “móviles”, asociados a aquellos clientes que operan con sus redes móviles celulares, con conectividad directa a una antena independiente de la red móvil que se esté utilizando (3G o LTE).
Servicios de entrega a clientes “fijos”, asociados a aquellos clientes que operan dentro
de una red del tipo hogar, con conectividad a través de fibra óptica, ya sea a través de cualquiera de los sistemas de entrega (FTTH, FTTP, FTTC). Para el desarrollo de esto, se trabajará en conjunto con los datos de la Sección 1.1 de antecedentes generales, con los que se pretende justificar la decisión de implementar OTT atendiendo la convergencia de servicios sobre Internet, proyectando escenarios asociados al tipo de resolución en la imagen y al cliente final respectivamente. 7.2 Servicio de entrega desde el Head End al usuario final De la Sección 4.2 de adquisición de contenido, las señales son recibidas y tratadas, para ser enviadas a un CDN, éste abastecerá cierta ubicación geográfica en cuestión, asociada con el contenido a entregar. En este centro se recibirán las señales desde el Head End y también desde otros servidores por el hecho de tener servicios de TV sobre Internet. En el CDN se puede realizar la conversión respectiva del flujo de video y el envío de este flujo asociado al servicio de entrega que se quiera proveer a los usuarios finales. En el mercado hay diferentes dispositivos asociados a la entrega sobre UDP y/o TCP. A continuación se presenta a modo de ejemplo el equipo Caster-T305 4/8CH, algunas de sus características son [58]:
142
Figura 7. 1. Especificaciones técnicas [58].
Teniendo en este caso (asociado a la Figura 7.1) formatos de salida para IPTV y OTT. Para el caso de IPTV tener flujos de transporte TS sobre UDP en conjunto con RTP, y en el caso de OTT los diferentes tipos de entrega como HDS (asociado a FLV sobre HTTP/RTMP) y HLS. Otra característica de este tipo de equipo es la entrega de diferentes tipos de resoluciones, asociadas a diferentes tipos de pantallas (ya que una resolución muy alta no será compatible con una pantalla muy pequeña). Finalmente luego del CDN la señal viaja al usuario final con un sistema de entrega definido, actualmente se está comenzando a entregar con FTTH hasta el hogar (incluso en departamentos, en vez de utilizar FTTB se utiliza FTTH llegando con el cable de fibra hasta la habitación principal). En la Figura 7.2 se presenta a modo de ejemplo, un modelo propuesto para la entrega al usuario final asociado a FTTH. Este se refiere a la entrega sobre fibra antes del conversor, que representa un conversor óptico a eléctrico; luego en su transmisión (entre el conversor y el router) se transmite en RJ-45 hacia el Router, este equipo entrega diferentes servicios, entre ellos la de conexión directa al set top box y finalmente llegar al televisor en cuestión.
143
Figura 7. 2. Modelo de entrega al usuario final con fibra óptica. Fuente: Elaboración Propia.
Por lo tanto al llegar el cable de fibra óptica al hogar, ésta pasa por un equipo conversor óptico con salida Ethernet para conectarse al router y así entregar distintos servicios (TV, Internet, telefonía) asociados a las distintas salidas del router en cuestión. Para el caso de conexión a través de telefonía móvil, el usuario en cuestión se conecta a la antena más cercana y accede a la base de datos propuesta por su operador. Para este caso no se entrará en detalles ya que escapa totalmente a los alcances del trabajo de titulación. 7.3 Creación de perfiles para usuarios del tipo hogar y/o personas del tipo fijo y móvil Esta sección incluye ciertos parámetros para la entrega de contenido desde el Head End de televisión digital. Para este caso se considera la entrega de video y audio a través de internet asociado a OTT para clientes móviles y fijos haciendo perfiles distintos asociados a las condiciones de entrega. 7.3.1 Perfiles de usuarios del tipo hogar y/o personas asociados a clientes móviles Se ha visto en la Sección 6.4 los distintos tipos de entrega de tasas de bits adaptativas con HTTP, y producto de esta se presentarán resultados para entregas de datos considerando HLS ( HTTP Live Streaming) y sus características en conjunto con la decisión de su implementación asociada
a ser compatible con MPEG DASH, siendo este último el intento de estandarización de transmisión de tasas de bits adaptativas para HTTP. ¿Por qué HLS?, este es una transmisión dada por Apple, esta compañía entrega el servicio para sus terminales ya sean iPhone, iPad y computadores con sistemas operativos de la compañía. Además en HLS también se han enfocado hacia dispositivos móviles como smartphones y
144
Tablets dadas por el sistema operativo de Android ofrecido por Google y del hecho de contar con
HTML5 para navegadores web. Los otros sistemas de transmisión HDS y HSS, envían paquetes de información en formato MP4, siendo más eficaces en la entrega de información, pero HLS tiene un gran despliegue utilizando los sistemas de entrega de flujos elementales MPEG (MPEG-TS), por lo tanto se ha escogido HLS por ser un sistema más desplegado. Se comenzará con listar la compatibilidad con los dispositivos Android, estos cuentan con diferentes versiones de actualización, pero HLS funciona con estos de forma correcta desde la versión 4.X, quedando Android 2.X (Gingerbread) y Android 3.X (HoneyComb) no operativas para el estándar. Dentro de las versiones 4.X de Android se encuentran:
Android 4.0 (Ice Cream Sandwich).
Android 4.1+ (Jelly Beam).
Android 4.4+ (Kit Kat)
A continuación se presenta en la Tabla 7.1 las características de cada versión de Android en HLS. Tabla 7. 1. Características de versiones de Android en HLS. Android 4.0
Android 4.1+
Android 4.4+
Los flujos en VoD en reproducción no
El problema de relación aspecto es
Se
se pueden previsualizar.
solucionado, pero la previsualización en
versión
VoD aún no.
estándar.
Relaciones de aspecto no se detectan,
Google Chrome no comprende el manejo
causando deformación en la imagen
de HLS.
Cambiar a modo pantalla completa
El modo de pantalla completa arroja un
reinicia los videos.
error en la reproducción.
soporta 7
la del
Fuente: Elaboración Propia. Conocida la compatibilidad de HLS con otros dispositivos distintos a la marca Apple, los sistemas de codificación utilizados en HLS se pueden separar en dos:
Con relación aspecto de 16:9.
Con relación aspecto de 4:3.
145
Se analizarán exclusivamente los sistemas 16:9 por ser de pantalla ancha, ofreciendo una mejor experiencia al visualizarse, a diferencia de una imagen más cuadrada como la de relación aspecto 4:3. A continuación en la Tabla 7.2 se presentan las características asociadas a la relación de aspecto 16:9. Tabla 7. 2. Características de HLS para relación de aspecto 16:9. Resolución
Tasa de
Tasa
Tasa
Tasa de
Tasa de
Trama
imágenes
de bits
de bits
bits de
muestreo
clave
de
audio
de audio
total
Perfil
Tramas B
video 416x234
12
264
200
64
48
36
Baseline
0
480x270
15
464
400
64
48
45
Baseline
0
640x360
29,97
664
600
64
48
90
Baseline
0
640x360
29,97
1296
1200
96
48
90
Baseline
0
960x540
29,97
3596
3500
96
48
90
Main
Necesaria
1280x720
29,97
5128
5000
128
48
90
Main
Necesaria
1280x720
29,97
6628
6500
128
48
90
Main
Necesaria
1920x1080
29,97
8628
8500
128
48
90
High
Necesaria
De la Tabla 7.1 se mencionan las siguientes consideraciones:
Tasa de imágenes: asociadas a las tramas o cuadros por segundo (teniendo menor información para el perfil definido por HLS, para transmitir menor cantidad de información).
Trama Clave: definida por HLS como las tramas IDR (explicadas en la Sección 6.4.4), para HLS una trama IDR consiste en tres tramas por segundo (es decir, tasa de imágenes x 3).
Perfil: asociado a perfiles definidos por HLS en base a H.264; por lo tanto se definen baseline, main y por último High.
Tramas B: asociadas a la necesidad de uso de tramas predictivas, esto visto en la Sección 3.4.4, dadas para una mayor compresión de las imágenes (ya que 1920x1080
146
puede funcionar de forma ideal con una tasa de bits de hasta 12 Mb/s, mientras HLS ofrece lo mismo a 8,5 Mb/s). Entiéndase resolución como pixeles por línea en relación a las líneas por cuadro o trama, por lo tanto una relación de 1920x1080 tendrá efectivamente 1920 pixeles por línea y 1080 líneas por cuadro. Utilizando la Tabla 7.2 para pantallas con relación de aspecto 16:9, y de la Sección 1.1.1 de antecedentes nacionales asociadas a las Tablas 1.2 y 1.3, se pueden definir los siguientes perfiles asociados a la resolución de la imagen por conexiones del tipo móvil 3G y móvil LTE, que se presentarán en las Tablas 7.3 y 7.4: Tabla 7. 3. HLS en redes móviles de conexión 3G. Resolución
Tasa bits
de
Ancho de banda conexión móvil 3G
total
(Mb/s)
128 Kb/s a 256
256 Kb/s a
512 Kb/s a
1 Mb/s a 2
Más
Kb/s
512 Kb/s
1 Mb/s
Mb/s
Mb/s
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
416x234
0,264
480x270
0,464
640x360
0,664
640x360
1,296
960x540
3,596
X
1280x720
5,128
X
1280x720
6,628
X
1920x1080
8,628
X
de
2
Fuente: Elaboración Propia.
147
Tabla 7. 4. HLS referidas a redes móviles LTE. Resolución
Tasa bits
de
Ancho de banda conexión móvil 4G
total
(Mb/s)
Hasta 256
256 Kb/s
512 Kb/s
1 Mb/s a 2
2 Mb/s a 5 Más de 5
Kb/s
a
a 1 Mb/s
Mb/s
Mb/s
Mb/s
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
512
Kb/s 416x234
0,264
X
480x270
0,464
640x360
0,664
640x360
1,296
960x540
3,596
1280x720
5,128
X
1280x720
6,628
X
1920x1080
8,628
X
Fuente: Elaboración Propia. Asociado a los anchos de banda por conexiones, se pueden armar ciertos perfiles de conexión para el usuario final, definidos por las condiciones que especifica la SUBTEL en la sección 1.1.1. Por lo tanto, algunos de estos perfiles asociados a las Tablas 7.3 y 7.4 se presentan en la Tabla 7.5. Tabla 7. 5. Perfiles de resolución asociados a las conexiones móviles. Perfil
Resolución
Bits de audio (Kb/s)
Bits de video (Mb/s)
Bits total (Mb/s)
Baja
416x234
64
0,2
0,264
Media
640x360
96
1,2
1,296
HD
1280x720
128
5
5,128
Full-HD
1920x1080
128
8,5
8,628
Fuente: Elaboración Propia.
148
Cabe destacar que estos perfiles HD, no pueden ser visualizados en redes celulares móviles 3G, pero en redes celulares móviles LTE si, según lo expuesto en la Sección 1.1.1 de antecedentes generales, la conexión promedio alcanza 1,5 Mb/s; por lo tanto el perfil de resolución media sería el perfil más utilizado. Es decir, habrá un manifiesto que tendrá un contenido determinado de cuatro perfiles definidos en la Tabla 7.5. Es decir si un cliente se conecta, se analizarán las condiciones de entrega y se le traspasará el perfil asociado, si la conexión decae se pasa a un perfil menor, lo mismo para el caso contrario. Dentro de las proyecciones en la Sección 1.1.2, se establece que la velocidad promedio en telefonía móvil sería dos veces en 2019 de lo que se ofrece en el año 2014, en base a esto la nueva velocidad promedio alcanzaría los 3 Mb/s y los nuevos anchos de bandas serían los mostrados en la Tabla 7.6. Tabla 7. 6. Escenario futuro de perfiles propuestos para el año 2019. Perfiles para 3G Perfil
256 Kb/s a 512 Kb/s
512 Kb/s a 1 Mb/s
1 Mb/s a 2 Mb/s
2 Mb/s a 4 Mb/s
Más de 4 Mb/s
Perfil bajo
X
X
X
X
X
X
X
X
Perfil Medio Perfil HD
X
Perfil Full HD
X
Perfiles para LTE
Perfil
512 Kb/s a 1 Mb/s
1 Mb/s a 2 Mb/s
2 Mb/s a 4 Mb/s
4 Mb/s a 10 Mb/s
Más de Mb/s
Perfil bajo
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Perfil HD
X
X
Perfil Full HD
X
X
Perfil Medio
10
Fuente: Elaboración Propia.
149
En base a lo expuesto, los contenidos en HD pueden ser fácilmente visualizados en redes LTE, entregando al usuario final una gran resolución de contenido al que quiera acceder. Otro punto a considerar es que ahora el perfil bajo, puede pasar a una resolución mayor de 480x270 (pixeles por línea por líneas por cuadro), mostrado en la Tabla 7.2, mejorando la experiencia de visualización producto de la mejora en términos de velocidad en ancho de banda. Uso de datos de video en redes móviles En consideración al contenido total asociado a cada perfil, y en relación a lo asociado en los datos presentados en la Sección 1.1.2 de video sobre redes móviles, se indica lo siguiente:
4 Petabytes año 2014 o 4.000.000 Gigabytes .
54 Petabytes año 2019 o 54.000.000 Gigabytes.
Por lo tanto, se muestra a continuación la cantidad de bytes asociados a los siguientes tipos de programas:
Serie de 45 minutos.
Película de 2 horas.
Programa de 1 hora y media.
Por lo tanto cada perfil se presenta con su cantidad total de bytes asociados en la Tabla 7.7. Tabla 7. 7. Uso de datos de video respecto a cada perfil. Resolución
Dimensiones
Tasa de bits
Serie de 45
Película de 2
Programa de 1
total (Mb/s)
minutos (MB)
horas (MB)
hora y media (MB)
Mínima
416x234
0,264
89,1
237,6
178,2
640x360
1,296
437,4
1.166,4
874,8
HD
1280x720
5,128
1.730,7
4.615,2
3.461,4
Full-HD
1920x1080
8,628
2.911,95
7.765,2
5.823,9
resolución Resolución media
Fuente: Elaboración Propia.
150
Actualmente el tráfico asociado a video es muy escaso, considerando que tan solo hay 4.000.000 Gigabytes y para las redes actuales, soportar un perfil HD o Full HD es exclusivo con conectividad
LTE, además se debe considerar la poca oferta actual de transmisión de video sobre planes de datos, el mercado podría tener una expansión gigantesca según lo pronosticado por CISCO. 7.3.2 Perfiles de usuario del tipo hogar y/o personas asociados a clientes fijos. Este caso utiliza una configuración de red definida mostrada en la Sección 7.2, teniendo una gran cantidad de recursos para la entrega, siendo además para una variedad mayor, como televisores conectados al set top box y dispositivos conectados a la red Wi-Fi del hogar como SmartTV, dispositivos y computadores móviles; por lo tanto los perfiles asociados pueden ser de mayor resolución para este caso. Se comenzará a analizar los casos de dispositivos móviles conectados a una red Wi-Fi del hogar, para determinar un posible perfil, procedimiento similar al mostrado en la Sección 7.3.1. Tabla 7. 8. HLS referido para conexiones fijas. Resolución
Tasa
de
bits total (Mb/s)
Ancho de banda conexión fija 256 Kb/s a 512
512 Kb/s a
1 Mb/s a 2
2 Mb/s a 5
5 Mb/s a 10
Kb/s
1 Mb/s
Mb/s
Mb/s
Mb/s
416x234
0,264
X
X
X
X
X
480x270
0,464
X
X
X
X
X
640x360
0,664
X
X
X
X
640x360
1,296
X
X
X
960x540
3,596
X
X
1280x720
5,128
X
1280x720
6,628
X
1920x1080
8,628
X
Fuente: Elaboración Propia. A continuación se presentarán los perfiles asociados con respecto al ancho de banda de conexión fija en la Tabla 7.9.
151
Tabla 7. 9. Creación de perfiles asociados al ancho de banda en redes fijas. Perfil
Resolución
Bits de audio (Kb/s)
Bits de video (Mb/s)
Bits total (Mb/s)
Bajo
480x270
64
0,4
0,464
Medio
640x360
96
1,2
1,296
HD
1280x720
128
5
5,128
Full-HD
1920x1080
128
8,5
8,628
Fuente: Elaboración Propia. Aunque los perfiles son similares al caso de conexiones de redes móviles, el perfil bajo tiene una mayor resolución asociados a píxeles por línea y líneas por cuadro, ahora analizando el caso en que CISCO define que la velocidad de ancho de banda aumentará dos veces para el año 2019 respecto al año 2014, los nuevos anchos de banda se presentan en la Tabla 7.10. Tabla 7. 10. Escenario futuro perfiles conexión fija para año 2019. Perfil
512 Kb/s a 1
1 Mb/s a 2
2 Mb/s a 4
4 Mb/s a 10
10 Mb/s a 20
Mb/s
Mb/s
Mb/s
Mb/s
Mb/s
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Perfil HD
X
X
Perfil Full HD
X
X
Perfil bajo Perfil Medio
Fuente: Elaboración Propia. De lo expuesto en la Tabla 7.10, los nuevos perfiles pueden ser mayores para ese año, aumentando la resolución de los perfiles de la siguiente manera:
Perfil bajo: de 480x270 a 640x360.
Perfil medio: de 640x360 a 960x540.
Mientras los perfiles altos se mantendrían, y en base a lo expuesto la experiencia de visualización aumentaría en gran medida.
152
A continuación se analiza el caso de televisión asociada al set top box, en relación a los datos expuestos en la Sección 1.1.2 hay actualmente dos perfiles definidos:
SDTV con tasas de transmisión de1,5 Mb/s a 2 Mb/s.
HDTV con tasas de transmisión de 6 Mb/s a 12 Mb/s.
Y un futuro perfil asociado a UHDTV, con tasas de transmisión del orden de 30 a 45 Mb/s (producto de llevar a los menos en 4K, 4 veces la información que en Full HD). A continuación se presenta en la Tabla 7.11 el pronóstico del video IP y video Internet de los perfiles en uso de datos por Petabytes. Tabla 7. 11. Evolución de los perfiles en cantidad de Petabytes por mes. Perfil
Año 2014
Año 2019
Video IP (Petabyte
Video
Video IP (Petabyte
Video Internet (Petabyte
por mes)
(Petabyte por mes)
por mes)
por mes)
SDTV
112,334
100,71
251,32
222,44
HDTV
38,354
34,02
324,52
280,864
UHDTV
0,151
0,135
34,16
32,16s
internet
Fuente: Elaboración Propia. Según la Tabla 7.11 el perfil de HDTV superará a SDTV para el año 2019, mientras UHDTV ya estará en el mercado de los perfiles, cada perfil SDTV, HDTV, incluso UHDTV; puede ofrecer sub perfiles, para la comprensión de esto, véase la Sección 3.3 de estándares de televisión, teniendo una gran cantidad de perfiles asociados a cada perfil. Un ejemplo de esto es HDTV, que puede ofrecer:
1920x1080 progresivo.
1920x1080 entrelazado.
1280x720 progresivo.
7.4 Consideraciones de justificación de servicio OTT al usuario final Según los datos de antecedentes nacionales, se justifica el comienzo del servicio para su implementación a través de diferentes planes, tanto para conexiones móviles y conexiones fijas, en base a esto se pueden definir una cantidad de perfiles asociados al cliente final; por consiguiente cada perfil estará determinado para cada tipo de dispositivo.
153
Según los perfiles creados para las condiciones de entrega móvil en el año 2014 (ya que la creación de perfiles se basa en datos del año 2014 según la SUBTEL y CISCO) habrán perfiles asociados a clientes móviles y clientes fijos, considerando además los clientes conectados al set top box.
A medida que avancen los años, los servicios entregados al usuario final aumentarán conforme avancen las tasas de bits asociadas al ancho de banda otorgado por los proveedores de servicio, llegando incluso a poder modificar los perfiles actuales, o crear perfiles nuevos. Todo esto apoyado por los CDN, que como se mencionó en la Sección 1.2 cubrirán un 34% para el año 2019 del tráfico de internet, respecto al 17% del año 2014.
154
CONCLUSIONES Conclusiones Generales Los sistemas de televisión están avanzando en la entrega unificada de servicios, donde internet tendrá un rol principal para permitir a cada cliente con sus respectivos dispositivos, tener una dirección única de trabajo, estos servicios de televisión en conjunto con la telefonía están migrando a las plataformas recién mencionadas; por lo tanto hay una gran ventaja de utilizar la televisión sobre el protocolo de internet. Este sistema de entrega de televisión o video pre grabado sobre Internet, cuenta con grandes ventajas asociadas a su competencia, dadas por la entrega de un único flujo a un único o varios dispositivos asociados al usuario final y a la forma en que éste visualizará el contenido; en contraste con otros sistemas que ofrecen la opción de ver televisión de forma tradicional y sin las mejoras asociadas de una plataforma como el protocolo de internet. La convergencia de servicios no solo incluye a las funcionalidades del usuario final como televisión, telefonía fija e internet, sino también abarca aspectos asociados a la telefonía móvil, entregando de esta forma, incluso el contenido cuando el usuario está de viaje, este caso se enfoca la nueva generación móvil LTE, entregando soporte a los servicios de televisión sobre internet. Sobre el problema de entregar un servicio final sobre todas las plataformas, los datos de Cisco tanto para Chile y el resto del mundo confirman que los datos de Televisión como video sobre demanda, serán un tópico muy importante en la implementación de las futuras redes, además en el caso Chileno asociado al hecho de la nueva tecnología LTE con la cual Entel ha tenido buenos resultados, da para proyectar un mercado emergente apoyado por la factibilidad de conectividad móvil, incluyendo que ésta comenzará a aumentar su penetración dentro de los servicios de Internet en Chile como ha mencionado Cisco. Conclusiones comerciales Como se ha mencionado a lo largo de este trabajo de titulación, hay dos servicios de entrega de televisión definidos como IPTV y OTT. En IPTV se trabaja con una red gestionada y cerrada con flujos de entrega definidos y sin la opción de tener un servicio completo, por la no compatibilidad respecto a la entrega de contenido como video sobre Internet ( Netflix, Hulu, entre otros), siendo una desventaja respecto a sistemas con redes que permiten una integración completa a través de diferentes plataformas, en base a esto el sistema OTT, es abierto y no gestionado, donde la reproducción de contenido en dispositivos móviles puede ser asociada a una suscripción de telefonía móvil, como además a señales inalámbricas Wi-Fi apoyadas por un ISP, entregando al usuario final la opción de visualizar en un dispositivo móvil diferentes tipos de resoluciones, 155
aunque en términos de perfiles se puede hacer escoger al usuario final que perfil tendrá para una conectividad predeterminada al dispositivo móvil final. Considerando que las condiciones de entrega pueden variar, se entregará al usuario final la opción de definir el perfil solicitado, ya que al acceder a un perfil más alto y con condiciones de red no aptas para la entrega de contenido, se tendrá que bajar a un perfil menor, sin la necesidad de detener la reproducción del contenido, o asociado a un corte del mismo; por lo tanto se deben definir para un servicio o un programa de televisión en vivo, diferentes perfiles que estén acorde al tamaño de las pantallas, ya que es distinto visualizar contenido en alta definición en un Smartphone con una pantalla pequeña, a visualizar contenido en un computador personal; por consiguiente como se mostró en la Sección 7.3 deben haber tantos diferentes perfiles, como tantos dispositivos asociados y condiciones de entrega asociados al usuario final que se pueden definir. En base a los datos ofrecidos por CISCO, para el año 2019 el tráfico en las redes móviles incrementará en gran medida, como también otros factores como la cantidad de datos descargados e incluso el promedio descargado. Esto hará que los perfiles se puedan ir modificando año a año, o cada cierto periodo de años, ya que con mayor cantidad de transmisión, el perfil de menor resolución incrementará manteniendo quizás el nombre de perfil básico, pero incrementando a una resolución mayor, y pudiendo entregar al usuario final la opción de manejar aún mayores resoluciones, como la ultra alta definición UHDTV, para visualizar en sus dispositivos móviles, también cabe la posibilidad de crear aún más perfiles asociados a las mejoras de transmisión de tasas de bits dadas por las condiciones de entrega. En términos de compatibilidad con ciertos proveedores de contenido como Netflix , la técnica de tasas de bits adaptativas aumentará la facilidad para que este tipo de aplicaciones puedan ser reproducidas no solo en redes de internet fija, sino en redes móviles que en conjunto con la red LTE, entregarían al cliente aún mayor variedad de programación con una buena calidad en la transmisión. Conclusiones tecnológicas Los Head End seguirán recibiendo información satelital siempre y cuando los proveedores de contenido no migren a entregas sobre Internet, como es el mencionado caso de HBO, pero para estos efectos, las redes de entrega de contenido se podrían utilizar como receptores de redes de borde, ya que el núcleo se encontraría en la emisión, acercado al CDN el contenido listado y con esto entregando aun así una parrilla completa de contenido sobre Internet a sus usuarios OTT. En base a los sistemas OTT e IPTV, se han definido capítulos que explican sus similitudes y diferencias. El servicio de televisión OTT tiene ciertas ventajas con respecto a IPTV vistas en la Sección 6.3, en aquella sección se mencionan diferencias en como el servicio OTT funciona respecto al servicio IPTV. Al utilizar OTT se tiene compatibilidad con bibliotecas de medios como
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Netflix , Hulu, etcétera; mejorando aún más la experiencia del usuario al tener más opciones de
reproducción en servicios de televisión (esto porque un cliente IPTV, al querer acceder a un servicio Premium como una serie exclusiva de Netflix , deberá utilizar su banda ancha de Internet y dejar de utilizar su servicio de IPTV para acceder al contenido mientras lo reproduce, al igual como si quisiera acceder a algún video de Youtube). En relación a las tecnologías propuestas, el caso de OTT no solo es apto para contenido de televisión pagada, ya que puede optar por servir de servicio de televisión sobre Internet para los canales de ANATEL, como también ser video sobre demanda de los programas asociados a la cadena nacional respectiva, teniendo mejoras en el servicio básico de la programación, pudiendo entregar como hacen ciertos sistemas en otros lugares el control parental de contenido, como subtítulos y mejoras que puede traer consigo la televisión digital abierta por el hecho de incluir más canales y almacenando este contenido en su red de entrega de contenido, siendo aún más atractiva la parrilla de contenidos, si fuese posible. Cabe destacar que el uso de video internet, utilizando las transmisiones HTTP de tasas adaptativas como HLS, HDS, HSS y DASH, son una gran variedad de plataformas en la entrega para el usuario final y el proveedor de servicios, ya que un proveedor de servicios de internet, sin la necesidad de tener cabeceras o Head End de televisión, se puede comportar como un proveedor de servicios de televisión. En base a esto, incluso proveedores de servicios a nivel local de televisión que entreguen sus contenidos vía satélite, pueden complementar su servicio de televisión, llevando manifiestos que definan tasas de bits adaptativas para transmitir al usuario final contenido a través de internet, siempre y cuando estos ofrezcan la entrega de conectividad de red. En términos de transporte de información, actualmente opera un algoritmo de compresión definido como H.264, éste entrega flujos reducidos de tasas de bits utilizando técnicas de compresión eficientes; pero con la llegada de H.265 que mejora aspectos técnicos como el concepto de macrobloques, se podría enviar aún más comprimida la señal de información, haciendo que flujos que se entregarán a futuro como UHDTV, puedan ser entregados incluso sobre redes móviles celulares, y con esto ofrecer al usuario final aún más variedad de perfiles y mejor visualización producto de visualizar un contenido con mayor definición. Finalmente se concluye que los sistemas de televisión digital OTT son el siguiente tipo de transmisión de contenido, asociado a las mejoras de contenido y a la gran irrupción de las redes de Internet, que incluyen ventajas al usuario final definidas por las redes de telefonía móvil, si bien es cierto que hasta el año 2014 el sistema de transmisión de televisión vía satélite tiene el 51% del mercado de suscripción de TV, en los años siguientes este sistema debe adaptarse a las entregas de red, ya que como se mencionó, la inclusión celular jugará un rol decisivo en el mercado de las telecomunicaciones; con fibra óptica con respecto a entregas sobre cable coaxial, 157
par de cobre o enlaces satelitales, se ganaran aún más suscriptores por la cantidad de información que son capaces de transportar, incorporando nuevos sistemas de compresión asociados a H.265, ayudando tanto a redes con conexión fija como redes con conexión móvil, ya que el flujo se vería disminuido apoyando a la entrega de mejor resolución de contenido, aunque tienen un costo de inversión elevado y que serán definidos en los proyectos respectivos. Conclusiones Específicas Este apartado se basa en relación a los objetivos específicos, de los cuales se puede concluir lo siguiente: 1. Definir los avances tecnológicos asociados a la entrega de contenido sobre Internet. Dentro de las nuevas tecnologías de ver televisión, el concepto de tener un televisor fijo queda obsoleto frente a la gran gamma de artículos electrónicos que pueden emular una pantalla para reproducir algún tipo de contenido. Con el avance de Internet, hay nuevos dispositivos que pueden entrar en el mercado de ver televisión como smartphones, iPhones, Ipad, Tablets, etcétera. Representando una evolución en el sector producto de tener una gran variedad de visualización y de ubicación, asociada al dispositivo en cuestión, ya que un televisor, es fijo; mientras en un equipo con conexión a redes móviles, éste puede reproducir el contenido en cualquier lugar. 2. Analizar los cambios y beneficios de la televisión digital. Con los sistemas de televisión digital se puede enviar mayor cantidad de contenidos en el mismo espectro que utiliza actualmente la televisión análoga, esto se vio en detalle en el capítulo III de señal de televisión Digital; por consiguiente la televisión digital no solo permite la visualización de contenido con estándares de televisión abierta (ISDB-T, DVB-T, etcétera), sino además, permite la visualización de contenido digitalizado sobre Internet y representando según sea para transmisión o almacenamiento mejoras producto de almacenar contenido en discos más pequeños, a diferencia de los servicios análogos. 3. Analizar un sistema Head End como receptor de contenidos internacionales asociados a proveedores de contenidos como HBO, FOX, etcétera; que en conjunto a los contenidos locales, se pueda armar una parrilla de contenidos final para el usuario en cuestión. El Concepto de Head End es muy útil para la recepción de contenidos desde diferentes lugares del planeta, este contenido en cuestión cada vez tiene menor tamaño en bytes producto de los nuevos sistemas de compresión MPEG que reducen el tamaño de transmisión de los archivos, en base a esto se ha visto los sistemas MPEG-4 como evolución de los anteriores, y en un futuro muy próximo los sistemas H.265 que tendrán aún mayor compresión del contenido a enviar. Aunque es muy importante considerar que los proveedores de contenido como HBO, están 158
migrando sus servicios a Internet, es que el concepto de Head End, deberá de evolucionar, ya que no serán ellos los que en un futuro armen la parrilla de contenidos, sino el proveedor enviará sus datos como una gran librería digital. 4. Analizar y definir cómo se comporta la red de Internet para el transporte de servicios de video y televisión. Este objetivo específico trata de las características de la red en base a los diferentes sistemas de conexión, se ha visto a lo largo del documento, que dependiendo de la forma de conexión, se podrán visualizar cierto tipo de resolución de contenido, en primer lugar para conexiones fijas no habrían problemas siendo conexiones cableadas con fibra óptica; pero si está conexión fija fuese Internet satelital, la cantidad de información a entregar (2 a 4 Mb/s) no sería suficiente para reproducir en vivo algún contenido de alta definición de 1920 pixeles por línea y 1080 líneas por cuadro. Mientras las condiciones de internet en redes celulares móviles, ofrecerán diferentes tasas de transmisión al usuario final, asociadas a las generaciones de internet móvil, con lo cual OTT es una excelente solución para la entrega de diferentes perfiles de contenido para las diferentes condiciones de canal. 5. Analizar componentes, sistema y funcionamiento de un sistema IPTV como referencia para lograr la comprensión de un sistema OTT. IPTV define un tipo de transmisión dedicada entre el usuario final y el proveedor de servicios, éste tiene un control de lo que el usuario final está viendo. Los sistemas IPTV son la mejora de los sistemas tradicionales de televisión (CATV, DTH) y ofrecen una muy buena experiencia de usuario en contenido de alta definición si las condiciones de canal así lo entregan, la experiencia de usuario es similar a los sistemas tradicionales de televisión, y definen condiciones para tanto calidad de servicio como calidad de experiencia, que es una característica en IPTV. 6. Analizar componentes, sistema y funcionamiento de un sistema OTT. OTT se ha definido como el despliegue de contenido utilizando la infraestructura de un tercero, ya que ofrece diferentes tipos de perfiles para los clientes a tratar, desde diferentes condiciones de entrega en el canal en tasas de bits, hasta diferentes presentaciones de contenido para diferentes tamaños de pantalla, durante el documento se analizó los diferentes tipos de transmisión de OTT en conjunto con HTTP el cual hace entrega de contenido con retransmisión, es decir, para un contenido que se va almacenando en el buffer, si las condiciones de canal caen y son suficientes para la retransmisión del contenido aún no almacenado ni visualizado, se puede seguir reproduciendo el perfil asociado; pero si la transmisión es menor, se baja a otro perfil de menor resolución para no perder la reproducción en cuestión.
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7. Analizar los diferentes tipos de clientes, ya sean fijos y móviles, con el tipo de entrega que se adecue a sus necesidades y condiciones. En el capítulo VII de creación de los perfiles OTT al usuario final, se analiza y se describe los distintos tipos de clientes, este objetivo específico tiene relación con el objetivo específico 5, pero éste (Objetivo específico 7) tiene los detalles de cómo se comporta la red para adecuar el contenido a las necesidades del cliente final en términos de reproducción de contenido. 8. Diseñar un Head End desde la recepción de contenido hasta la entrega a diferentes tipos de dispositivos. Se analizó en el capítulo IV de Head End de servicios de televisión sobre el protocolo de Internet, las diferentes etapas que conforman el Head End como tal, aunque en este documento no se definió un diseño del mismo (producto de tener otros alcances para la memoria) se dejó en claro en cómo funciona una cabecera, y en el caso de televisión, en las componentes que le siguen después. 9. Definir si un sistema OTT tendrá penetración en Chile en conjunto con la problemática principal de entrega de contenido sobre todas las plataformas. Dentro del capítulo I de evolución del sector de telecomunicaciones y srcen de la tesis, se explica el escenario de cómo evolucionará este sector en cuestión, producto de la gran inclusión de la internet. De esto, gran cantidad de servicios se ejecutarán sobre Internet teniendo un sistema unificado de información. En base a esto, Chile tiene proyectado aumentar sus servicios de Internet, y aunque no es comparable con Brasil que es el exponente en la región, habrá un gran consumo de Internet considerando la escasa población del país.
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Anexos Anexo A. Formatos de video MPEG A.1 MP4. MP4 o más bien MPEG-4 parte 14 es un formato multimedia digital utilizado para almacenar video y audio, pero puede ser usado para almacenar otros datos como subtitulos e imágenes fijas. MP4 funciona como formato contenedor, y permite transmitir el contenido sobre Internet. MP4 tiene extensiones explicadas a continuación:
Extensión .m4a: Es una compresión de solo audio utilizando codificación AAC.
Extensión .m4p: Es un formato de protección la cual emplea tecnología de derechos de gestión digital DRM para apoyar los derechos del autor.
MPEG-4 parte 14 está normado por ISO/IEC 14496-12:2004. MP4 contiene metadatos definidos al transportar datos diferentes de solo audio y video, y está asociado a la plataforma de metadatos extensible (XMP). MP4 no debe confundirse con los reproductores conocidos como “MP4”, estos solo son
reproductores comerciales MP3 con la opción de reproducir video de algún tipo de formato asociado según el fabricante. Anexo B. Sistema de funcionamiento DVB-S2. B.1 Diagrama de bloques de DVB-S2 para flujos de transporte TS. A continuación se presenta un diagrama de bloques en la Figura B.1, el cual define el funcionamiento en DVB-S2 [22] en base a los flujos de transporte dados por MPEG para aplicaciones satelitales.
Esta figura presenta los bloques funcionales asociados a la adaptación de flujos de transporte TS (a nivel de banda base) tanto para programas únicos SPTS y programas múltiples MPTS:
Flujo de entrada: este bloque es referencial para la entrada de flujos de programas únicos SPTS y programas múltiples MPTS dados por MPEG, asociado a MPEG-TS.
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Modo adaptación: encargado de entregar el flujo de entrada, sincronización, eliminación de paquetes nulos de STPS y MPTS. Éste junta el flujo de entrada y lo separa en flujos de transporte asociados a sus cabeceras y carga útil.
Adaptación de flujo. Encargado de completar las tramas de banda base en el flujo de transporte TS y aleatorizar el flujo en los STPS y MPTS.
Codificación FEC ( Forward Error Correction), utilizada para la corrección de errores en el receptor, ésta toma distintas tasas de codificación dependiendo de la modulación empleada y de los requerimientos del sistema.
Bloque de asignación usado para asignar las diferentes formas de modulación dadas en DVB-S2, obteniendo distintos estados digitales producto de la modulación utilizada.
Capa física. Encargada de hacer la señal pseudoaleatoria para efectuar el proceso de dispersión de energía en el transmisor, para evitar largas series de unos y ceros.
Filtrado de banda base y modulación. Encargado de la conformación del espectro de la señal con el factor de roll off, a la salida del modulador se tiene la portadora modulada en frecuencia intermedia, luego el proceso de RF al satélite consiste de procesos como upconverter y de amplificación de alta potencia HPA ( High Power Amplifier).
B.2 Sistema de potencia en el satélite. Cabe destacar que existe un sistema de potencia eléctrico encargado de captar, almacenar, procesar y distribuir la energía eléctrica en el satélite, asociado a través de paneles solares y de baterías de almacenamiento, para el uso de energía en caso de que se presenten efectos naturales como eclipses solares, o algún otro efecto que bloquee la luz solar a los paneles. También hay sistemas de control térmico con láminas multicapas súper aislantes, evitando carga y descarga electrostática, esto se puede ver en la Figura 4.7.
Sistema satelital con los componentes del satélite operando en la banda C de frecuencias.
168
Anexo C. Cabeceras asociados a protocolos en redes de computación. C.1 Cabecera Ethernet. Al analizar el formato de entrega de la trama, dadas las capas I y II del modelo de referencia OSI, se presenta en la Tabla 4.3 la trama MAC, según Ethernet. Tabla C.1 Formato de trama MAC. Preámbulo
Destinación MAC
Fuente MAC
Tipo
LLC PDU
Relleno
CRC
8 bytes
6 bytes
6 bytes
2 bytes
Variable
0-46 bytes
4 bytes
De la Tabla C.1 se pueden definir los siguientes bloques:
Preámbulo: establece la presincronización de la red, con el fin de que el receptor sea capaz de recuperar la frecuencia de retorno, para este caso se tiene una secuencia binaria preestablecida (10101010). En el caso de Ethernet el preámbulo tiene 8 bytes con la misma secuencia binaria para los 7 primeros, pero cambia en el último byte de 01 a 11. Cabe destacar que estos bloques se definen como las “cabeceras” para la capa física.
Un equipo Ethernet usa control de acceso al medio MAC ( media Access control) para direccionar, éste se representa por dos bloques de 6 bytes, con el cual un bloque identifica la MAC de destino y el otro bloque la MAC de fuente, con esto se conoce el hardware asociado por el fabricante y los nodos emisores y receptores respectivamente. En la dirección de destino el primer bit de transmisión tiene dos funciones específicas, es 0 para direcciones comunes y 1 para direcciones de grupo, de aquí nace el concepto de multidifusión ( Multicasting) ya que una trama que contenga el primer bit en 1 en su dirección de destino, permite a varias estaciones “escuchar” desde una estación de
srcen. Cabe destacar que todas las direcciones de srcen son únicas, para esto se utilizan los 3 primeros bytes del campo de dirección para un identificador único organizacional OUI (Organizationally Unique Identifier ), indicando el fabricante, éste tiene 24 direcciones, luego los últimos 3 bytes se definen con la dirección y programa de
dirección completa en la tarjeta de interfaz de red NIC (Network Interface Card), utilizando los 6 bytes como dirección de srcen (NIC se utiliza en la capa física y parte de enlace de datos, ya que después de esto, el resto del proceso de enlace de datos y capa de red se desarrollan en el sistema operativo de la CPU).
El bloque “tipo” de dos bytes se refiere a la Ethernet como estándar de redes de área
local para dispositivos con acceso al medio por detección de la señal portadora y con
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detección de colisiones CDMA/CD (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection).
La longitud de la trama puede variar de 0 a 1.500 bytes, conteniendo en este caso la
El campo de relleno varía de 0 a 46 bytes, este campo cumple la función de garantizar
carga útil. que la trama MAC siempre tendrá una magnitud mínima de 64 bytes (esto considerando no incluir los bytes de preámbulo), para este caso, este campo se considera siempre y cuando la trama de carga útil sea inferior a 46 bytes.
La verificación de redundancia cíclica CRC ( Cyclic Redundancy Check ) se utiliza como código de detección de errores usado en redes digitales y dispositivos de almacenamiento para detectar cambios en los datos, la trama se desecha si detecta algún error.
C.2 Cabecera IP. A continuación se presenta en la Figura C.2 los encabezados de IPv4 e IPv6.
Figura C.2. Encabezados de IPv4 e IPv6.
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En la Figura C.2 se presentan los encabezados de IPv4 e IPv6, hay varias diferencias entre los campos de ambas versiones, pero la principal está en las direcciones dadas para el srcen y el destino, en el caso de IPv4 con 32 bits, mientras en IPv6 con 128 bits o 16 bytes. A continuación se presenta cada campo de IPv4 e IPv6: Campos IPv4:
Versión: Lleva el registro de la versión del protocolo al que pertenece el datagrama. Campo IHL: Indica la longitud del encabezado en palabras de 32 bits.
Servicios diferenciados: anteriormente conocido como tipo de servicio, su propósito es
distinguir entre los distintos tipos de servicios
Longitud Total: incluye en el encabezado los datos, la longitud máxima es de 65.535
Identificación: utilizado para determinar a qué paquete pertenece un fragmento recibido
bytes. en el host de destino.
Campos de 1 bit, uno libre, otros con fragmentación. Está el no fragmentar DF ( Don’t Fragment) utilizado para que los enrutadores no fragmenten el paquete, también sirve
para descubrir la MTU de la ruta. El bit de más fragmentados MF ( More Fragments) es utilizado para determinar cuándo han llegado todos los fragmentos de un datagrama.
Desplazamiento del fragmento: indica a que parte del paquete actual pertenece este fragmento.
Tiempo de vida TtL: es un contador que se utiliza para limitar el tiempo de vida de un
Protocolo: campo utilizado con el fin de determinar qué proceso de transporte debe de
paquete, utilizado en las colas de los enrutadores dados por los saltos asociados. entregar el paquete, para este caso hay dos protocolos en la capa de transporte, uno es UDP y el otro TCP, como se verá en la Sección 4.3.2.3.
Suma de verificación: campo utilizado para detectar errores mientras el paquete viaje por la red.
Dirección de srcen y de destino: indican la dirección IP de las interfaces de red de fuente y de destino. Opciones: diseñado para proporcionar un recurso que permitiera que las versiones siguientes del protocolo incluyeran información que no estuviera presente en el diseño srcinal.
Cabecera IPv6:
Versión: campo utilizado tanto en la versión del protocolo anterior como en esta versión, la diferencia es que en IPv6 es de 6 bits, mientras en IPv4 es 4 bits.
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Servicios diferenciados: utilizados para distinguir la clase de servicio para los requerimientos de los paquetes.
Etiqueta de flujo: proporciona el medio para que un srcen y un destino se marquen grupos de paquetes que tengan los mismos requerimientos.
Longitud de carga útil: indica cuantos bytes van después del encabezado de 40 bytes, y con esta versión la carga útil pasa de 65.515 a 65.535 bytes, ya que se considera el
hecho de separar la cabecera. Siguiente encabezado: utilizado para indicar el protocolo de transporte al que se entregará el paquete, UDP o TCP.
Límite de saltos: Utilizado para determinar la vida útil de un paquete, análogo al caso de tiempo de vida de IPv4.
Dirección de srcen y destino: utilizados en esta versión con una mayor cantidad de bits asociados (128 respecto a 32 de la versión anterior).
C.3 Cabecera UDP. El encabezado de UDP contiene un puerto de srcen y puerto de destino, dados para la salida de algún host de fuente a algún host de destino, además contiene un campo de longitud UDP y la suma de verificación para la detección de errores, dada para una confiabilidad adicional, esto se muestra en la Figura C.3.
Figura C.3. Encabezado en UDP.
Se analizan los campos de la cabecera UDP de la Figura C.3:
Puerto de origen y puerto de destino: campos que indican el segmento del host de srcen y el host de destino, determinan a que equipo va la información solicitada. La longitud UDP especifica la longitud del segmento, incluye el encabezado de 8 bytes (mínimo) y los datos (para este caso llegar al valor máximo de 65.535 en IP, pero en video sobre IP la carga útil es de valor distinto por viajar sobre tramas Ethernet con un valor máximo definido).
Campo de suma de verificación: opcional para una confiabilidad adicional.
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C.4 Cabecera TCP. Al analizar el encabezado de TCP, éste tiene una longitud fija de 20 bytes, este se muestra en la Figura C.4.
Figura C.4. Encabezado TCP.
De la Figura C.4 los campos que componen la cabecera de TCP son:
Puerto de srcen y de destino: identifican los puntos tanto de fuente como terminal de la conexión, un puerto TCP más la dirección IP del host forman una 5-tupla, conformado por el protocolo TCP (asociado al socket), en conjunto con el puerto de srcen (16 bits), IP de srcen asociada al host (8bits), puerto destino TCP de 16 bits y finalmente el IP de destino asociado al host (8bits); por lo tanto el punto terminal es de 48 bits.
Número de secuencia: indican los números de secuencia en los segmentos.
Número de confirmación de recepción: especifica el siguiente byte en el orden esperado, no el último byte de manera correcta recibido.
Longitud del encabezado TCP: indica la cantidad de palabras de 32 bits contenidas en el encabezado TCP, indicando el comienzo de datos del segmento. Bits: 4 de no uso (utilizados 2 de 6), banderas de 1 bit como CWR y ECE, que se utilizan para indicar congestión, cuando se usa una notificación explicita como especifica RFC 3168, mientras ECE se estable para indicar un aviso a un emisor TCP, y con esto reducir la velocidad producto de la congestión. URG se establece en 1 si está en uso el apuntador urgente, usado para indicar un desplazamiento de bytes a partir del número de secuencia actual, en el que se deben encontrar los datos urgentes. ACK se establece en 1 para indicar que el número de confirmación de recepción sea válido, si es 0, el segmento no contiene una confirmación, ignorando el número de confirmación de recepción. PSH 173
indica datos que se deben transmitir, entregando los datos a la aplicación a su llegada y solicitando (al receptor) que no los almacene en búfer hasta que se reciba de forma completa. RST se usa para restablecer de manera repentina una conexión que se ha confundido debido a una falla de host o alguna otra razón, usado también para rechazar un segmento no valido o un intento de abrir una conexión. SYN se utiliza para establecer conexiones, con SYN=1 y ACK=0 se indica que el campo de confirmación de recepción superpuesto no está en uso. Pero la respuesta de conexión sí lleva una confirmación de recepción, haciendo SYN=1 y ACK=1. FIN se utiliza para liberar una conexión y especifica que el emisor no tiene más datos que transmitir. Sin embargo después de cerrar una conexión, el proceso encargado del cierre puede continuar recibiendo datos de manera indefinida. Ambos segmentos SYN y FIN tienen números de secuencia y, por tanto, se garantiza su procesamiento en el orden correcto.
Tamaño de la ventana: indica la cantidad de bytes que se pueden enviar.
Suma de verificación: utilizada para agregar confiabilidad adicional realizando sumas de verificación en el encabezado, en TCP este campo es obligatorio.
Apuntador de urgente: indica el tipo de servicio asociado al segmento. Opciones: ofrece una forma de agregar las características adicionales que no están cubiertas por el encabezado normal, estas opciones son de longitud variable, llenan un múltiplo de 32 bits mediante la técnica de relleno con ceros, y se pueden extender hasta 40 bytes. Una opción muy utilizada es la que permite a cada host especificar el MSS (Maximum Segment Size) como el tamaño máximo de segmento que se está dispuesto a aceptar.
C.5 Cabecera RTP. A continuación en la Figura C.5 se muestra la cabecera de RTP.
C.5. Encabezado de RTP.
A continuación se procede a explicar los bloques del encabezado RTP:
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Palabras de Bits: versión de dos bits, bit P que indica que el paquete se ha rellenado para formar un múltiplo de 4 bytes, bit X que indica la existencia de un encabezado de extensión, CC indica las fuentes de contribución (asociadas a “mezcladoras”, dadas por
el srcen de la sincronización), el bit M es un marcador especifico de la aplicación en cuestión, utilizado para marcar el inicio de la trama de video, palabra en un canal de audio o algo que la aplicación entienda.
Tipo carga útil: indica el algoritmo de codificación se está utilizando. Numero de secuencia: es un contador que se incrementa con cada paquete RTP enviado, utilizado también para determinar algún paquete perdido asociado al contador.
Estampa de tiempo: indica cuándo se creó la primera muestra de paquete, y con esto
Identificador de srcen de sincronización: identifica a qué flujo pertenece el paquete,
reducir la variación de retardo ( jitter). utilizado para multiplexar y demultiplexar varios flujos en uno solo (dados para paquetes UDP).
Identificadores de ori gen de contribución: se utilizan para las “mezcladoras” asociadas a la sincronización (este campo puede que no esté, ya que no siempre hay contribución).
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