Los sistemas IPTV ¿una amenaza inminente para los actuales medios de teledifusión?
Are IPTV systems an imminent threat to the current broadcast media?
1Ingeniero Electrónico, candidato a Magíster en Ciencias de la Información y Comunicaciones. Ingeniero de Mantenimiento en Radio y Televisión de RTVC. Bogotá, Colombia. rifer2411@gmail.com
2Ingeniero Electrónico, Especialista en Servicios Telemáticos e Interconexión de Redes, Magíster en Ciencias de la Información y Comunicaciones. Docente e investigador de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Bogotá, Colombia. cahernandezs@udistrital.edu.co
Fecha de recepción: agosto 19 de 2010, Fecha de aceptación: febrero 1 de 2011.
Resumen
]]> En este documento se pretende mostrar las características y ventajas que tienen los sistemas IPTV sobre las actuales plataformas de televisión (TV), teniendo en cuenta los servicios y aplicaciones que pueden brindar utilizando la misma infraestructura de red. Muchas empresas proveedoras de servicios de Internet basan sus estrategias en ofrecer una integración de servicios en un solo paquete, como es video, voz, datos, y así entran a competir con la televisión satelital y la Televisión Digital Terrestre (TDT), las cuales con la implementación de nuevas tecnologías han desplazado, de alguna forma, a la televisión analógica.Dentro de los sistemas de TV sobre IP existen una serie de parámetros requeridos que garantizan una Calidad De Servicio (QoS) apropiada basada en una mínima Calidad De Experiencia del usuario (QoE). En los sistemas IPTV algunas veces es difícil ofrecer una excelente QoS al usuario final, debido a la heterogeneidad de las tecnologías y arquitecturas que se implementan en este tipo de transmisión y, a su vez, a una serie de parámetros que intervienen en garantizar una QoS deseable, como la limitación de ancho de banda que se requiere, el retardo, la pérdida de paquetes y otros factores que generan a una serie de problemas que se presentan en las transmisiones de TV y que conllevan a una baja QoE, como son el pixelado, la congelación de la imagen, etcétera.
Palabras clave: Difusión, IPTV, QoE, QoS.
Abstract
This paper aims to show the features and advantages that IPTV systems on existing TV platforms taking into account the services and applications that can provide using the same network infrastructure. In this way many companies providing Internet services, base their strategies on providing an integration of services in one package, such as video, voice data. And so to compete with satellite TV and digital terrestrial television (TDT), which have shifted in some way with the implementation of new technologies for analog TV. Within the IPTV systems there are a number of parameters required to ensure quality of service (QoS) appropriate based on a minimum quality of user experience (QoE). In IPTV systems is sometimes difficult to provide an excellent quality of service (QoS) to the end user, because of the heterogeneity of technologies and architectures that are implemented in this type of transmission and in turn to a number of parameters involved in ensuring Quality of Service (QoS) desirable, as are the limited bandwidth that is required, delay, packet loss and other factors that lead to a series of problems that arise in the transmission of TV and involve to low QoE such as pixelation, picture freeze, etc.
Key words: Multicast, IPTV, QoE, QoS.
1. Introducción
En el ámbito de las comunicaciones, las transmisiones de video representan uno de los factores de tráfico con más influencia, debido a las exigencias de ancho de banda y funcionamiento en tiempo real. Para mejorar la calidad de servicio en una transmisión de video es fundamental conocer y evaluar su comportamiento a través de la red y, de esta forma, poder aplicar esquemas de modelamiento que permitan evaluar de una manera más precisa el comportamiento del video [1 ].
El desarrollo evolutivo de las telecomunicaciones y el auge de la necesidad de mostrar nuevas aplicaciones tecnológicas han hecho que los actuales medios de comunicación planteen propuestas innovadoras que permitan cada vez más una fácil adquisición de la información. Los sistemas de TV sobre IP han mostrado un crecimiento global, desarrollando estándares digitales de video que permiten mejorar la eficiencia en los sistemas de transmisión. Las empresas proveedoras de Internet o ISPs han venido estableciendo un conjunto de aplicaciones sobre la misma infraestructura de red, proporcionando así un mayor aprovechamiento y rentabilidad a la red ya desplegada y creando la opción de entrar a competir con la TV digital terrestre y la televisión satelital.
En los sistemas IPTV existe una serie de aplicaciones y de servicios que hacen de esta tecnología una herramienta más interactiva para el usuario, como son: la televisión por demanda, pago por ver, grabador de video personal, entre otras. Es de gran importancia analizar la arquitectura y tecnología que facilita la entrega de este servicio a los usuarios, de esto depende proveer a los clientes con señales de óptima calidad y la acogida que tenga este servicio en el mercado [1].
]]> Los servicios de entretenimiento, transmisión de datos y telefonía están transitando una etapa de transformación radical que se identifica como un fenómeno denominado convergencia que está cambiando nuestras necesidades y ambientes de comunicación. Hasta hace poco los proveedores para cada uno de estos servicios estaban bien diferenciados, pero ahora, gracias a la digitalización, están mi-grando hacia una plataforma de banda ancha, capaz de transportar servicio de telefonía (voz), televisión (video), servicio de Internet (datos) para dar lugar a lo que conocemos como triple play [1] [5] [12].2. Comparación entre los sistemas IPTV y otras tecnologías de difusión
La ventaja que tiene IPTV sobre los otros medios de difusión es la multiplicidad de servicios y la personalización de la programación única en este tipo de medios gracias a las redes IR
2.1. TDT e IPTV
La principal diferencia entre estos dos sistemas es el público de cada uno; TDT está dirigido a un público en general y el único requerimiento para el usuario es tener un sintonizador de TV digital, conectado a un televisor o a un decodificador, y tiene la restricción de estar sujeto a la programación que imponga el operador. Por otra parte, IPTV está orientado a un público que desea disfrutar de una programación más personalizada y quiere obtener una serie de servicios de un sistema con una aplicación más interactiva. Otra diferencásica es la forma de transmitir la programación, la TDT utiliza un medio aéreo VHF/UHF para su difusión e incorpora un canal de retorno para permitir la interactividad, por otro lado, IPTV utiliza redes cableadas privadas de operadores que cuentan con un canal físico dedicado a la interactividad [2] [6] [7].
2.2. Sistemas de cable e IPTV
La diferencia entre estos dos sistemas se puede ver desde un punto de vista arquitectónico y de servicios. Es importante mencionar que un sistema de TV por cable, basado en cobre, sólo puede transportar información analógica, de esta forma las redes troncales y de distribución utilizan tecnología analógica, a excepción de una troncal HFC, la cual utiliza tecnología mixta, ya que al utilizar enlaces de fibra óptica obliga a hacer una conversión electro-óptica y a digitalizar la información. Por otro lado, las redes IP que se implementan en los sistemas IPTV son completamente digitales.
El tipo de emisión para sistemas por cable es en broadcast y todos los canales en distintas frecuencias están presentes para el usuario, aunque nuevas aplicaciones pueden brindar el servicio de acceso condicional, permitiendo crear paquetes de programación al gusto del suscriptor. Por lo general, la transmisión es unidireccional y va desde el head end al usuario. Por el contrario, los sistemas IPTV son aplicaciones dinámicas que, gracias a las técnicas multicast, permiten brindar servicios personalizados como video por demanda y, además, su transmisión es bidireccional lo que permite mayor interactividad [7] [37] [43].
2.3. Web-TV e IPTV
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3. Servicios y aplicaciones IPTV
En los sistemas de TV sobre IP existe una serie de servicios y aplicaciones, las cuales hacen que se despliegue una interactividad más directa entre los contenidos programáticos y el usuario final. Estos servicios son controlados por el operador de red, permitiendo que el proveedor pueda intervenir en el acceso a los contenidos y, a su vez, en la calidad de la imagen que es transmitida. Dentro de las aplicaciones IPTV encontramos:
3.1. Triple play
Si un proveedor de servicios ofrece telefonía por un par de hilos, televisión por cable, acceso a Internet, mediante un modem ADSL, y promete cobrar un único pago mensual por estos tres servicios, esto no es un servicio triple play, simplemente está ofreciendo una única factura por los tres servicios en lugar de tres. Ahora, si el mismo proveedor ofrece estos tres servicios, pero implementando una sola infraestructura de red y conexión de banda ancha, se habla de triple play. Su finalidad no es sólo ofrecer servicios de telefonía, televisión e Internet, con una única facturación, sino de aprovechar los recursos de red para combinarlos inteligentemente para proveer muchas aplicaciones; por ejemplo, mientras se mira televisión uno también podría contestar una llamada entrante o aceptar una invitación a chatear en el mismo terminal donde se mira la televisión e, incluso, también se podrían realizar consultas en Internet usando el mismo terminal [3] [4] [15].
El servicio triple play es el futuro cercano para el desarrollo integral de la comunicación entre hogares. El desarrollo actual de las empresas proveedoras de servicios (empresas de telecomunicaciones, televisión por cable, televisión satelital, eléctricas, etcétera) conlleva a una solución única para varios problemas: servicio telefónico, televisión interactiva y acceso a Internet, todo en un mismo servicio. La diferencia distintiva de esta nueva categorización de tecnología consiste en que todos los servicios se sirven por un único soporte físico, ya sea cable coaxial, fibra óptica, red eléctrica, microondas o cable par trenzado, como se ve en el ejemplo de la Figura 2 [4] [14] [15] [40].
Con el fin de acercarse rápidamente al triple play, los operadores necesitan añadir servicios que se puedan incluir en un paquete y la movilidad es muy atractiva para ellos. Una ampliación de un servicio de televisión de IPTV sería la de permitir que el suscriptor digital pueda descargar y decodificar el contenido de audio y video, o sólo el contenido de audio en un formato portátil adecuado para reproductores portátiles (como, por ejemplo, los reproductores de MP3). La descarga y decodificación del contenido es un trabajo que hace el receptor STB; éste no solamente tiene que transcodificar sino que posiblemente tenga que volver a codificar el contenido con un sistema de protección y deba guardarlo en una unidad de disco duro. Finalmente, el STB puede transferir el contenido a un dispositivo portátil a través de una interface de alta velocidad con interface USB 2.0 [4] [14].
3.3. Pay Per View (PPV)
También conocido como televisión a la carta o pago por evento. Es una aplicación en la cual el usuario puede solicitar a su proveedor de servicio, a través de un costo específico, el acceso a los contenidos de eventos en vivo: conciertos musicales, programas deportivos o, si lo requiere, el contenido programático de un canal completo. A diferencia de los sistemas de video a la carta (video on demand), la señal se transmite de forma simultánea para todos los compradores. El canal empleado puede ser tanto digital como analógico y el usuario no recibe señal o la recibe distorsionada en tanto que no efectúa la compra. Ésta se puede realizar de forma automática, con el mando a distancia a través del propio equipo decodificador, conectado a una línea telefónica o por el propio cable si se trata de televisión por cable; también de forma manual, a través de un distribuidor o realizando una llamada telefónica [5] [3] [15] [40].
3.4. Video On Demand (VoD)
Es un servicio que de forma interactiva le permite al usuario solicitar cualquier tipo de contenido, ya sean películas, eventos o cualquier acontecimiento y, de esta forma, disfrutarlo en el horario que desea, teniendo un mayor control sobre el contenido. La reproducción es enviada desde los servidores al usuario final en forma individual, teniendo la opción de pausar, rebobinar, o reproducir a su voluntad [6] [15].
Existen dos maneras de distribución de VoD: a través de LAN se puede realizar una distribución mucho más rápida a los usuarios. En cambio, a través de WAN la respuesta es más lenta pero el alcance es mucho más amplio [5] [37].
3.5. Personal Video Recorder (PVR)
El grabador de video personal es una aplicación interactiva de grabación de televisión en formato digital. Físicamente está compuesto por un disco duro, con gran capacidad de almacenamiento, y un software para el control y configuración de los contenidos, como aplicaciones de búsqueda avanzada. Entre las funciones de los PVR encontramos la grabación retroactiva, grabación auxiliar, archivo en capetas, lista de preferencias y otras aplicaciones que hacen de este servicio una herramienta más interactiva para los usuarios de TV [6] [36] [46].
3.6. Switched Digital Broadcast (SDB)
]]> Es la difusión de los contenidos de la forma convencional, donde los usuarios pueden acceder a todos los programas de TV. En los sistemas IPTV funciona en multicast, garantizando una optimización en la multidifusión de los contenidos.No tiene sentido difundir en toda la red el programa que sólo quiere ver un cliente (narrowcast). Ni tampoco tiene sentido transmitir dentro del grupo de servicio todos los canales, cuando existen algunos con una baja demanda (ahorro de ancho de banda). La idea del servicio SDB es difundir sólo la programación que el usuario quiere ver.
3.6.1. Características
SDB es un recurso complementario para liberar ancho de banda.
Sólo puede aplicarse sobre señales digitales.
SDB maneja un tipo de transmisión narrowcast que utiliza modulación edge QAM.
Requiere un Upstream (velocidad de subida) robusto para interactuar con los STB [16] [17] [18].
3.7. Electronic Program Guide (EPG)
Es una aplicación de la TV digital, donde se puede encontrar de manera rápida y organizada todos los canales y un menú de opciones para facilitar la búsqueda por parte del suscriptor del servicio. Así, el usuario puede elegir lo que desea, sin necesidad de acudir al habitual channel-hopping, recurso que resulta molesto debido a la gran cantidad de canales que maneja la TV digital. En un EPG, además, podemos realizar búsquedas exhaustivas, seleccionando diferentes temáticas o, incluso, cuando se trata de largometrajes nos muestra una sinopsis del mismo [6] [15] [46].
3.8. Time Shifting
Es el almacenamiento en un lapso corto de tiempo de la programación transmitida recientemente; con esta aplicación el usuario puede acceder en su totalidad a un contenido que ya ha iniciado [2] [7] [15].
]]> 3.9. E-learningEs un servicio que tienen los sistemas IPTV en el cual se desarrolla una serie de cursos que fomentan el aprendizaje en diferentes grupos de usuarios como, por ejemplo, cursos infantiles para niños [15].
4. Descripción de los sistemas IPTV
El proceso de transmisión de la televisión sobre IP puede comenzar desde un servidor donde esté almacenado el video, desde una transmisión en vivo o puede ser una señal satelital. Para convertir la señal de la fuente en datos digitales, debe pasar por un codificador, luego estos datos digitales son encapsulados en paquetes IP Antes de ser distribuidos al usuario final, la señal de IPTV debe ser encriptada; luego, es transmitida para llegar a un Sep Top Box que convierte los datos digitales en señal analógica para que pueda ser interpretada por el televisor [7] [2].
IPTV es un sistema completo mediante el cual la señal de televisión es entregada a los usuarios sobre el protocolo IP (Internet Protocol). Este sistema está formado por los servidores del contenido, encargados de codificar la señal y fragmentarla, encapsulando los paquetes para ofrecerlos en la red IP core, mediante multicast o únicas (1). Una de las ventajas de los sistemas de TV sobre IP es la gestión que se ejerce sobre el tráfico para garantizar niveles de Qos elevados, donde podemos señalar algunos parámetros que definen la QoS tanto para el audio como para el video, entre los que mencionamos el retardo, la pérdida de paquetes, el jitter promedio, entre otros. De esta forma, se establecen unas métricas como son el tiempo de retardo al efectuar un cambio de canal, la disponibilidad que tiene el canal, fallos en el cambio de canal, etcétera [2] [13].
4.1. Características técnicas
El tráfico para IPTV crece debido a que el video se entrega en flujos constantes en el Set Top Box. La calidad de la imagen es controlada por el proveedor del servicio, el cual determina la tarifa de codificación (cantidad de bits por trama) [11].
IPTV tiene características que lo diferencian de otros servicios de difusión, como consumir un mayor ancho de banda y, de esta forma, requerir una conexión de alta velocidad en el tramo de acceso. Dentro de las características principales de un sistema de TV sobre IP para su adecuado funcionamiento encontramos las siguientes:
Utiliza redes de acceso de alta velocidad: ADSL2, ADSL2+, FTTH, VDSL, Carrier-Grade-Ethernet, entre otras.
Distribución de los contenidos a través de una red de alta velocidad con funciones multicast de red y calidad de servicio garantizada.
Se implementa fibra óptica en la red troncal y se utiliza como núcleo de la red para realizar multicast.
Utiliza un sistema de decodificación Sep Top Box como dispositivo de recepción del usuario.
La TV varía de 6 Mbps a 15 Mbps, dependiendo de la tarifa de codificación.
Selección de canal, almacenamiento local para funcionalidades de avance rápido, rebobinado, etcétera. 1∼4Mbps para definición estándar y 4∼12Mbps para HDTV [8] [10].
4.2. Formatos de video en sistemas IPTV
El empleo de un estándar abierto, como por ejemplo H.264, fomenta la competitividad en el desarrollo de dispositivos de codificación y, a su vez, reduce el costo de los mismos; promoviendo e incentivando al consumidor a gestionar más contenidos. Entre los codee de videos implementados en sistemas de TV sobre IP, encontramos MPEG-2, MPEG-4, H.264.
MPEG son las iniciales del grupo de ingeniería experto en las imágenes en movimiento. Éste está encargado de establecer los estándares para la codificación y transmisión de audio y video. El video se puede definir como una reproducción secuencial de imágenes a una determinada velocidad para dar una sensación de movimiento al ojo humano. Estas imágenes denominadas fotogramas se representan de manera digital, debido a que esta información ocupa un gran ancho de banda es necesario codificarla [8] [20] [22].
4.2.1. Formato MPGE-2
MPEG-2 básicamente es implementado para codificar audio y video en señales de transmisión, que incluyen televisión digital terrestre, por satélite o cable. MPEG-2, con algunas modificaciones, es también el formato de codificación usado por los discos SVCD's y DVD's comerciales de películas. Logra relaciones de compresión de más de 50:1, pero mantiene la calidad visual del video original, a diferencia de MPEG-1. MPEG-2; es similar a MPEG-1, pero también proporciona soporte para video entrelazado (el formato utilizado por las televisiones). MPEG-2 no está optimizado para bajas tasas de bits (menores que 1 Mbit/s), pero supera en desempeño a MPEG-1 a 3 Mbit/s y superiores [4].
El estándar de compresión MPEG-2, a través de una trama de video comparada con sus sucesivas, permite que se almacene sólo la información de los cambios entre las tramas, generando redundancia en la información que transporta la primera trama y teniendo como ventaja la reducción en el ancho de banda, ya que va existir información original que va a dejar de ser transmitida. Presentando el inconveniente que el mínimo común denominador de una trama sigue siendo considerable [8] [23].
4.2.2. Formato MPGE-4
MPEG-4 (Moving Pictures Experts Group) es un estándar desarrollado por MPEG, el mismo grupo que desarrolló los estándares MPEG-1 y MPEG-2. Su principal función es ofrecer un mayor grado de interactividad y control de los contenidos multimedia al usuario. Este formato maneja una serie de codees y estándares internacionales de video, audio y datos, creados especialmente para la web.
Está formado por algoritmos de compresión que codifican datos, audio, y video, optimizando su calidad de almacenamiento, codificación y distribución en redes. Es un codificador de video que trabaja tasas de bit muy bajas para comunicaciones inalámbricas, hasta tasas de bit en HDTV. Entre sus usos se encuentra el flujo de medios audiovisuales y emisión de TV [9] [8] [22].
]]> MPEG-4 reconoce los objetos individualmente dentro de cada trama y puede manipular cada objeto de forma individual. Este formato maneja niveles de compresión de ocho a doce veces más que MPEG-2. Por ejemplo, el estándar de la compresión MPEG-2 consume aproximadamente 3.75 Mbps, el nuevo estándar de compresión, MPEG-4, consume solamente 2 Mbps, mientras que proporciona la misma imagen de alta calidad.MPEG-4 permite integrar los contenidos naturales y sintéticos en forma de objetos, ofreciendo mayor versatilidad en cuanto a relaciones de flujo, desde 5 Kbps hasta 5 Mbps para video. Agregando que MPEG-4 ofrece una administración y protección mejorada de la propiedad intelectual. Durante la decodificación, MPEG-4 recupera la información de cada objeto, ofreciendo al usuario la posibilidad de modificar cualquier parámetro disponible sin la necesidad de nuevas decodificaciones [6] [8] [26].
4.2.3. Formato H.264
El nuevo estándar de video H.264 no sólo es eficiente para el almacenamiento de video sino que también proporciona un alto rendimiento en compresión y es más robusto a errores de transmisión que sus antecesores MPEG-2, H.263 y MPEG-4 parte 2. Las comparaciones demuestran que el H.264 tiene una eficiencia de codificación de aproximadamente 1.5 veces mayor en cada secuencia de prueba, con relación a otros estándares.
El H.264 cuenta con los mismos elementos o bloques funcionales que sus antecesores, ya que también adopta un algoritmo híbrido de predicción y de transformación para la reducción de la correlación espacial y de la señal residual, control de la velocidad binaria o bit rate, predicción por compensación de movimiento para reducir la redundancia temporal, así como la codificación de la entropía para reducir la correlación estadística. Sin embargo, lo que hace que este estándar proporcione mayor eficiencia de codificación es la manera como opera cada bloque funcional. Por ejemplo, el H.264 incluye predicción intra cuadro (INTRA), característica única de este estándar (Huang, 2005); transformación por bloques de 4x4 muestras, cuyos coeficientes transformados resultan enteros (Wien, 2003), anteriormente, se incluía transformación de 8x8 muestras; referencia múltiple para predicción temporal; tamaño variable de los macro bloques a comprimir; precisión de un cuarto de pixel para la compensación de movimiento; filtro de desbloqueo (List, 2993) y codificador de entropía mejorado. Todas estas mejoras vienen acompañadas de un aumento en la complejidad de la implementación [3] [24].
4.3. Protocolos implementados en un sistema IPTV
En los servicios IPTV existen una serie de protocolos, dentro de los que se encuentran los protocolos para el transporte, el control de señales de video en tiempo real a través de una red IP y los protocolos para una transmisión multicast de red. A continuación mencionaremos algunos protocolos que explican el transporte y comportamiento en una transmisión de video a través de la red.
4.3.1. Protocolos de transporte y de control
En las transmisiones de video existen protocolos básicos utilizados para ofrecer servicios IPTV, dentro de los cuales encontramos protocolos de transporte como: TCP, UDP, RTP, RTCP, y protocolos de control de la sesión como RTSP Y SDP [6].
Los protocolos TCP Y UDP suministran las funciones básicas de transporte a través de una red IP Estos también realizan las funciones de multi-plexado, control de flujo y errores. Debido al retraso que genera la implementación de TCP, en cuanto a proceso de control y transporte, las transmisiones de video en tiempo real utilizan más el protocolo UDP, pero igualmente, dado que este protocolo no garantiza la entrega, el receptor debe implementar una capa superior (RTP) para poder detectar la pérdida de los paquetes [9] [10] [39].
RTP (Real Time Transport Protocol)
Es un protocolo de nivel de sesión utilizado para la transmisión de información en tiempo real. La función de RTP es brindar un medio más estable a la red IP en el transporte de información como video, voz y datos, teniendo en cuenta las limitaciones en tiempo real que éste genera. Dentro de sus funciones encontramos: marcador temporal, numeración de secuencias, identificación del tipo de carga e identificación de fuente [4] [6] [9].
RTCP (RTP Control Protocol)
RTSP (Real Time Streaming Protocol)
Es un protocolo de nivel de aplicación que sirve para controlar la entrega de datos que requieran envío de información en tiempo real. Los mensajes del protocolo incluyen los métodos describe, play, pause y record, entre otros, a través de éstos se controla la entrega de paquetes multimedia [12]. En la mayoría de los casos, RTSP utiliza TCP para datos de control de reproductor y UDP para audio y video. También RTSP permite la elección de los canales de envío, y los mecanismos de envío, basados en RTP y RTCP, funcionan tanto en unicast como en multicast [4] [6] [25 [44].
SDP (Session Description Protocol)
Éste describe los parámetros de inicialización de los flujos multimedia. Entre sus funciones está describir las sesiones de comunicación multimedia, cubriendo aspectos como anuncio de sesión, invitación a sesión y negociación de parámetros [4] [6] [9].
4.4. Protocolos multicast
]]> La distribución multicast está basada en la capacidad de los routers de hacer multiplexación de flujo de datos a través de diversos dominios y sistemas autónomos, teniendo la ventaja de generar una reducción en la cantidad de datos que circulan a través de Internet, así como una disminución en la carga de las fuentes de datos y servidores. Como ejemplo más significativo se tiene la distribución de canales de televisión en implementaciones IPTV, dentro de las ofertas de servicios triple play. Como cada canal supone un flujo de video similar para todos los abonados que lo estén viendo en un momento dado, la entrega mediante multicast libera mucha carga tanto en el núcleo de la red y la sección de distribución como en el borde y la zona de acceso. Su distribución genera un "á" cuyas ramas se van bifurcando a medida que el flujo atraviesa la red, estas bifurcaciones llegan hasta cada usuario final. De este modo, la capacidad consumida en la red, sobre todo en el núcleo, es muchísimo menor que la capacidad agregada existente cuando el número de usuarios que ven el canal es significativo.En la Figura 1 se observa la distribución multicast generada en un sistema de TV sobre IP [3] [8] [49].
Para la realización de multicast en una red es necesario un soporte por parte de los sistemas finales y los equipos intermedios de ésta. En concreto, los routers de la red han de ser capaces de ejecutar una serie de protocolos, uno principal para realizar el encaminamiento con replicación de flujos y varios auxiliares para mantener bases de datos de rutas, mecanismos de seguridad, interacción con los miembros de los grupos, control de admisión, descubrimiento de fuentes de datos y mantenimiento de redundancia en previsión de fallos. Dentro de los protocolos multicast encontramos los siguientes: [3].
4.4.1. PIM (Protocol Independent Multicast)
Es un protocolo que opera de forma Soft-State (estado volátil), el cual establece el estado de enrutamiento multicast basándose en la información contenida en las tablas de enrutamiento unicast. Es un protocolo de enrutamiento unicast independiente y se puede operar en dos modos:
PIM-SM (PIMS Sparse Mode): es el protocolo de enrutamiento multicast más usado, ya que es independiente del protocolo unicast, en el cual se basa su funcionamiento. Éste limita la distribución de datos de manera que una cantidad mínima de routers de la red los reciban.
4.4.2. IGMP (Internet Grouping Management Protocol)
Es un protocolo que opera en la capa tres del modelo OSI. Se implementa cuando el envío de datos a una dirección IP puede alcanzar múltiples servidores y a todos los dispositivos de una subred. (4) IGMP es usado entre los host y enrutadores locales. Cuando un miembro potencial desea unirse a un grupo multicast ha de enviar una petición de unión al router designado de su subred, el cual se encarga de extraer la información relevante y generar un mensaje de unión específico del protocolo de encaminamiento multicast [3] [39] [49].
4.4.3. BGMP (Border Gateway Multicast Protocol)
A pesar de que en principio resultó válido para la realización de multicast interdominio, es desestimado debido a que por su complejidad fue rechazado por los operadores de red y proveedores de servicios de Internet para su implementación a gran escala. Actualmente no existen despliegues de red con este protocolo.
4.4.4. DVMRP (Distance Vector Multicast Routing Protocol)
Este protocolo fue el primero diseñado para realizar enrutamiento multicast. Actualmente sólo se usa en la periferia de redes de operador que contienen sistemas heredados como cortafuegos que no soportan otros protocolos más eficientes [3] [8].
4.4.5. MOSPF (Multicast Open Shortest Path First)
Es un protocolo de enrutamiento multicast basado en el camino de enrutamiento más corto. Es una extensión de OSPF, el cual funciona adecuadamente en redes pequeñas y medianas, pero no en escala de plataformas interdominio.
]]> 4.4.6. GMRP (Global Multicast Routing Protocol)GMRP realiza un enrutamiento multicast basado en una división jerárquica de la red, en ésta los nodos de cada nivel representan lobis nodos pasarela de los niveles inferiores. Éstos son los encargados del envío y recepción de paquetes multicast de modo de que no circulen duplicados entre niveles al tener sólo un punto de entrada.
4.4.7. DCM (Domain Constrained Multicast)
DCM realiza un enrutamiento multicast entre dominios de red, basado en las tablas de enrutamiento unicast y en un formato especial de direcciones que resulta de la modificación de las direcciones multicast IPv6. Los routers frontera de dominio ejecutan entidades del protocolo DCM para reenviar los paquetes multicast a un dominio destino en concreto, realizándose el envío entre dominios de modo unicast. Los destinos son todos los dominios en los que haya una correspondencia en las tablas de estado de la entidad DCM, es decir, que cuenten con fuentes receptoras para el grupo con dirección multicast la de destino del datagrama [3] [8] [49].
4.4.8. NBM (Next Branch Multicast)
Es un protocolo basado en nodos de ramificación, siendo estos puntos determinados routers de la red que ejecutan entidades del protocolo NBM. Pueden formar parte del "á" multicast, routers unicast. El envío de paquetes se basa en la tabla de enrutamiento del protocolo unicast que opera en los puntos de ramificación.
4.4.9. QoSMIC (Quality of Service Sensitive Multicast Internet protocol)
Éste permite el establecimiento de caminos en el "á" de distribución multicast que cuenten con unas características determinadas de QoS. Éstas se establecen en base a las métricas obtenidas estática y dinámicamente en la red, y a los requisitos demandados por las aplicaciones que se ejecutan en los potenciales miembros. Algunos de los nodos del árbol más próximos al potencial miembro envían información con alternativas de caminos para la unión y el miembro elige la mejor de todas ellas [3] [8] [12] [39].
4.5. Infraestructura de red
El tráfico IPTV puede ser protegido de otroáficos de datos para garantizar un nivel apropiado de QoS. El último enlace hasta la red del hogar encargado de distribuir datos, voz, y vídeo puede ser hecho a través de distintas tecnologías físicas (FFTx, xDSL, WLAN, WIMAX, etcétera). Por último, los Set Top Boxes u otros dispositivos multimedia se encargan de decodificar la información y presentarla al usuario. Esta es una abstracción simplificada de las distintas arquitecturas reales que podemos encontrar, en base a todas las tecnologías IP heterogéneas que existen.
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Las tecnologías de red determinan las capas físicas y de enlace en el modelo OSI, en definitiva las capas más bajas. En general, podríamos ver esta conjunción de redes como una sola, una red global IP. [1]
4.5.1. El core de la red
El core de la red consiste en un backbone de fibra óptica (WAN) que interconecta varias centrales de distribución, y que recibe los datos del headend (fuentes de contenido), transportándolos hacia la red de acceso. El objetivo principal del Core es proporcionar suficiente ancho de banda para el transporte de datos y video y, de esta forma, mantener el tráfico de red entre varias áreas de servicio y el headend. Éste también proporciona la capacidad de insertar contenidos locales (incluyendo los sistemas de alarmas de emergencia) en cada área de servicio; a su vez, debe tener la capacidad de transportar más tráfico si el sistema crece en clientes y contenido, esto se logra aumentando el ancho de banda entre las conexiones del core [4] [5] [45].
Las redes core incorporan las funciones de transporte y de inteligencia desde el servidor hasta un punto intermedio, antes de ser distribuidas al usuario final. En IPTV están principalmente basadas en los mecanismos MPLS, GMPLS y multicast.
4.5.2. Red de acceso
La red de acceso provee el enlace entre el core de la red y los consumidores en los hogares. Ésta suministra una traslación de la red conmutada hacia los equipo de acceso que tenga el proveedor para llegar hacia la red de los hogares. La red de acceso, por lo general, es llamada última milla. El último enlace hasta la red del hogar encargado de distribuir datos, voz, y vídeo puede ser hecho a través de distintas tecnologías físicas (FFTx, xDSL, WLAN, WIMAX, etcétera). Las tecnologías de acceso que se pueden utilizar son:
Acceso por cobre
La mayoría de operadores de telecomunicaciones utilizan tecnologías DSL (Línea de Subscriptor Digital) para entregar los servicios de banda ancha e IPTV a los hogares en su red de acceso. Ellos pueden elegir entre varias tecnologías DSL como los son: ADSL (DSL asimétrico) o DSL, DSL2 DSL2+, VDSL (DSL de alta velocidad) y G.SHDSL. Los multiplexores de acceso a líneas de suscripción digital (DSLAM's) transfieren la señales provenientes de la óptica hacia los cables de cobre para la entrega de DSL en los hogares de los clientes. DSL2+ es una evolución del ADSL que permite mayores anchos de banda y menores interferencias. Entre mayor sea el ancho de banda, la posibilidad de acceder a servicios multimedia aumenta, como por ejemplo: juegos, video bajo demanda, etcétera. De esta forma, al existir menor interferencia, las empresas proveedoras podrán ofrecer una mayor calidad del servicio [4] [5] [6] [41].
Acceso por fibra óptica
La introducción de la fibra óptica en el nodo de acceso permite disponer de un medio de transmisión de gran ancho de banda para el soporte de servicios de banda ancha, tanto actual como futuro. En este caso, la técnica de transmisión más utilizada es la multiplexación por división en longitud de onda WDM (Wavelength Division Multiplexing) y la configuración punto a punto.
Los operadores utilizan el despliegue de fibra óptica hasta el domicilio del cliente (FTTH). El sistema FTTH provee un gran ancho de banda para el consumidor y se pueden tener varios servicios simultáneamente, pero utilizar fibra óptica hasta los hogares de los consumidores es sumamente caro [4] [5].
Acceso por cable coaxial
Tecnología inalámbrica
En cuanto a la tecnología inalámbrica podemos considerar: el estándar 802.1 ln o llamado WLANs que especifica ratios de comunicación de hasta 540 Mb/s en un alcance de 50 metros, en las bandas libres de 2,4 y 5 GHz. Así, un único AP puede cubrir una casa entera, pero también está más expuesto a interferencias debido al incremento en la distancia de comunicación. El estándar 802.16 WIMAX se presenta como una alternativa para dar servicios de banda ancha en zonas donde el despliegue de cobre, cable o fibra, por la baja densidad de población, presenta unos costes por usuario muy elevados (zonas rurales). Existe una banda licenciada entre los 2,5 y 3,5 GHz y otra libre de 5,8 GHz. En comunicaciones estáticas se han obtenido ratios reales de hasta 70 Mbps con radios de célula de hasta 6Km, en ésta también podemos encontrar todas las tecnologías de comunicaciones celulares móviles.
GSM (Global System for Mobile Communications) tenía como principal característica la capacidad de transmitir datos además de voz, a una velocidad de 9,6 Kbit/s. En 2001 surge la 2.5G, la tecnología más notoria de esta generación es el GPRS (General Packet Radio System), capaz de coexistir con GSM, pero ofreciendo un servicio portador más eficiente para el acceso a redes IP como Internet. La velocidad máxima de GPRS es de 171,2 Kbit/s, aunque en la práctica no suele pasar de 40 Kbit/s de bajada y de 9,6 Kbit/s. Más tarde surgieron las tecnologías 3GyUMTS (Universal Mobile Telecommunications System) a la cabeza, con una velocidad máxima de 2 Mbit/s en condiciones óptimas, que permiten desplegar servicios multimedia más novedosos. Éstas permiten conectividad ubicua, aunque a tasas más bajas que otras ya explicadas [5] [34].
5. Calidad de Servicio (QoS) en sistemas IPTV
Para poder desplegar satisfactoriamente servicios IPTV es necesario disponer de buena QoS, tanto para el video como los datos y voz. La implantación de QoS en el backbone es esencial para el éxito de aplicaciones avanzadas como videoconferencias, telemedicina y, en éste caso, servicios IPTV.
En los sistemas IPTV, la QoS está relacionada de forma directa con la gestión eficiente del tráfico. Dentro de los parámetros de calidad de servicio para un sistema de TV sobre IP podemos encontrar la disponibilidad del canal, el tiempo de comienzo del visionado, fallos y retardos en el cambio del canal, teniendo en cuenta que para una transmisión de audio y video existe una serie de métricas; para el video se incluyen: el jitter, el retardo, la probabilidad de pérdida de paquetes, la probabilidad de error del canal, etcétera. Para la voz encontramos: el ratio de pérdida de paquetes de voz, el jitter, el retardo, entre otros. Para el tráfico de bajada se ofrecen servicios diferenciados para los usuarios; para el tráfico de subida, el tráfico del usuario es monitorizado de forma que se pueda controlar el acceso para garantizar la QoS. En los servicios IPTV, cuando un usuario solicita al sistema cambiar de canal, le envía de nuevo una petición. Cuando el sistema acepta la petición, mediante el control de admisión, construye un "árbol" multicast para enviar la voz y el video al usuario [8] [9] [19] [38].
5.1. Calidad de Experiencia del Usuario (QoE)
]]> La calidad de experiencia del usuario (QoE) es un parámetro que está relacionado directamente con el servicio prestado y el usuario final, el cual cuantifica el funcionamiento del servicio pero de forma subjetiva y a un alto nivel, mientras que la QoS se encarga de determinar parámetros como el jitter o el retardo. La QoE afecta en forma directa lo que el usuario puede apreciar directamente en la recepción, como el pixelado y congelación de la imagen, anulación del audio, desfase entre el video y el audio (fuera de lipsing).Para evitar la congelación de la imagen, o la interrupción del servicio, se puede disponer de streams de video de distintas calidades para el mismo contenido, así , en virtud del estado de la red, se podría cambiar a una calidad inferior en caso de saturación o a una calidad superior en caso contrario. En este sentido, también existe la alternativa de usar codificación de video escalable (SVC, Scalable Video Coding), así se ofrecerían streams de video complementarios que unidos darían una señal de alta calidad, mientras que de forma separada la calidad sería suficiente para su visionado. Esta opción requiere mayor procesamiento y complejidad de codificación/decodificación, tanto en origen como en destino, por lo que aún no está muy extendida, ya que dificulta la generación y distribución de contenidos en vivo [1] [50].
5.2. Conceptualización de parámetros
Para poder estimar los parámetros a evaluar se trata un documento de la asociación internacional Video Services Forum, el cual está compuesto por usuarios y fabricantes dedicados a la interoperabilidad, métricas de calidad y enseñanza relacionadas con tecnologías de red para difusión de video. En éste se realiza una selección y un análisis de las métricas que permiten caracterizar con más exactitud redes IP para la realización de streaming de video. Dentro de los parámetros a evaluar encontramos [5]:
5.2.1. Jitter acumulado
El jitter se define técnicamente como la variación en el tiempo en la llegada de los paquetes, causada por gestión de la red, pérdida de sincronización o por las diferentes rutas seguidas de los paquetes para llegar al destino. El jitter es un efecto de las redes de datos no orientadas a conexión y basadas en conmutación de paquetes; como la información se discretica en paquetes, cada uno de éstos puede seguir una ruta distinta para llegar al destino [3] [4] [6].
El jitter se mide a partir de la suma de la variación del retardo en un intervalo de tiempo, normalmente de un segundo. Los puntos de medida se toman en las interfaces de red donde se deseen detectar congestiones transitorias. Un incremento de su valor refleja el crecimiento de colas en los routers, evento precursor de una posible pérdida de paquetes [3] [8] [27].
5.2.2. Retardo extremo a extremo (latencia)
Se define como la latencia o la suma de los retardos temporales dentro de la red. Los retardos están constituidos por el retardo de propagación y de transmisión del paquete. Básicamente se dice que es la latencia media calculada sobre un período de tiempo, que presenta la ruta entre dos puntos de medida. Una manera de medición es cuando se transmiten paquetes con marcas de tiempo sincronizadas y en el extremo receptor se compara dicho valor con el tiempo instantáneo, obteniendo así la diferencia [4] [6] [28].
5.2.3. Tiempo de vinculación
]]> Es el tiempo de latencia entre una orden de envío multicast o un IGMP Join por parte de un miembro y la recepción del primer paquete multicast por dicho miembro. Se mide como la diferencia entre el instante de tiempo de transmisión del primer bit del IGMP Join y el instante de llegada del primer bit del primer paquete multicast para el grupo suscrito [4] [6].5.2.4. Pérdida de paquetes
La pérdida de paquetes IP se puede generar por varias razones: congestión de la red, limitación de ancho de banda, errores en los enlaces y en la transmisión. Dependiendo del protocolo de transporte implementado, la pérdida de paquetes puede ser apreciada por el usuario de diferentes maneras. Si el transporte de información se efectúa mediante UDP, la calidad del video va ser afectada de forma directa, debido a que los paquetes perdidos no podrán ser recuperados, produciendo una imagen corrupta o pixelada. De otra forma, si se implementa TCP, una pérdida de paquetes genera una retransmisión, la cual puede producir un desbordamiento en el buffer que afecta la calidad del video, produciendo congelamiento en la imagen [15].
6. Comparación de diferentes factores que intervienen en una transmisión IPTV
Los valores concretos de retardo, jitter y pérdidas de paquetes para servicios de video sobre IP los podemos obtener en una primera referencia de la recomendación de ITU-T Rec.Y.1541, apéndice VIII [13]. En éste se definen dos nuevas clases de servicio que caracterizan los objetivos de los parámetros de QoS de red para servicios de video sobre redes IP Las dos clases adicionales son una revisión de las ya existentes para video definidas por ITU-T; la clase 6 hace referencia a servicios que impliquen interactividad, tales como videoconferencia, y la clase 7 es específica para IPTV. Las cotas, mostradas en el Cuadro 2, son muy rigurosas al estar definidas en el ámbito de un organismo internacional de estandarización [3] [8] [47].
Por otro lado, se han desarrollado estudios sobre la supervisión de la calidad percibida en plataformas de TV sobre IP Un caso particular es una publicación de Telefónica 1+D de Madrid, donde se realizó un registro de la calidad de los servicios multimedia. La propuesta presentada en este artículo se ha aplicado sobre una red de IPTV real, en concreto las medidas de calidad percibida se han realizado sobre una red móvil de tercera generación (3 G) para un servicio de video streaming en modo multicast. A continuación se muestra un cuadro con los parámetros analizados y sus resultados ponderados obtenidos [11] [12] [21].
6.1. Análisis de resultados
Según los estudios realizados por parte del grupo de investigación de la Universidad del Norte de Barranquilla y los resultados obtenidos en los cuadros anteriores, se puede analizar lo siguiente:
La implementación de IPTV sobre una plataforma WI-FI nos muestra que es notoria la mejora en pérdida de paquetes cuando se implementa Calidad de Servicio. También se puede apreciar una mejora al utilizar el códec MPEG-2 si no se implementa calidad de servicio, mientras que si se implementa, el códec utilizado es indiferente. El retardo también presenta una gran mejora en la implementación con Calidad de Servicio y, al contrario de la pérdida de paquetes, el códec que mejor se comporta es MPEG-4, e igualmente que en el parámetro anterior al implementar QoS, el codee utilizado es indiferente. En cuanto al jitter, se observa una leve superioridad del códec MPEG4 sobre el MPEG2. Sin embargo, cuando se aplica QoS no predomina ninguno de los dos. Se recomienda implementar el servicio con una tasa de 1024 kbps, ya que es un punto en el que la imagen se ve bastante bien por apreciación visual y además no consume un ancho de banda bastante alto como sí lo haría una tasa de transmisión más alta [2] [8] [14] [45].
En LAN Extended la pérdida de paquetes tiene un mejor comportamiento cuando se aplica Calidad de Servicio. Además, el rendimiento del servicio respecto a este parámetro es mayor en el codee MPEG2 que en el MPEG4. En cuanto al retardo de los paquetes, no presenta gran mejora con la aplicación de Calidad de Servicio. Con respecto a los códec, en algunos casos se observa una leve mejoría con MPEG2 y, en otros, con MPEG4, pero ninguna alcanza una gran superioridad. Por tales razones, se concluye que la aplicación de QoS y del códec de video son independientes para el retardo de paquetes en LAN Extended. En cuanto al jitter promedio, se aprecia un comportamiento aproximadamente constante en todas las condiciones, por lo que se entiende que tampoco depende de la aplicación de QoS o del códec de video [2] [7] [32] [33].
7. Avances futuros
El principal requerimiento futuro de los sistemas de TV es que el cliente pueda ver el programa que quiere en el horario que más le convenga. De esta forma, deberá existir una gran guía programática dentro de la cual cada cliente á escoger la programación que desea ver.
Uno de los desafíos primordiales de los sistemas IPTV es el de lograr ofrecer QoS, ya que el hecho de que los servicios sean ofrecidos a través de la red, implica que las condiciones de tráfico aumenten. Otro paso importante es el de lograr estandarizar IPTV, aunque en estos momentos noá contemplado y no es obligatorio investigar sobre él, pero esto causa que en ocasiones haya inversiones innecesarias y nuevos servicios que no pueden ver la luz. Para obtener mejores condiciones, un avance sería lograr estabilizar las líneas DSL y conseguir mejores herramientas para uniformizar las conexiones y distribuir de manera más eficiente los paquetes, introduciendo, por ejemplo, algún componente de localización en los datos y nodos [1] [30] [48].
Dentro de los estudios a evaluar en los sistemas IPTV está la sincronización de reproducción en los clientes, donde, por ejemplo, en eventos en vivo puede suceder que los datos lleguen con distintos retardos a los usuarios, por lo que puede ocurrir que cuando interactúan estropeen la experiencia. Para solucionarlo, se pueden usar técnicas overlay y esquemas más eficientes de programación de los contenidos.
]]> Otro gran desafío de la TV sobre IP es poder dar soporte a la cantidad de clientes heterogéneos, debido a la gran diversidad de tecnologías de acceso que existen, provocando descompensación en el sistema y haciendo que un stream de video pueda saturar nodos con recursos limitados y así degradar la calidad en nodos más potentes dependientes de los primeros. Con base en estas necesidades, se han realizado estudios donde se codifica el video a distintas calidades en paralelo para ser entregados con base en la capacidad de los nodos.Hemos comprobado cómo la tecnología IPTV está muy avanzada, existen diversas arquitecturas y propuestas, pero se puede considerar que aún no está madura. Todavía hay mucho trabajo que realizar alrededor de ella, intentando solventar, por ejemplo, alguna de las carencias, relacionadas con las redes de nueva generación.
8. Conclusiones
Los servicios IPTV cada vez son más implementados, sacando ventaja de la arquitectura de red ya existente y, de esta forma, desplegando nuevas posibilidades de la TV multimedia. Así mismo, las exigencias de ancho de banda pueden convertirse en una limitante a la hora de expandir y globalizar esta tecnología por los hogares.
Los sistemas IPTV implican la digitalización de los sistemas de cable, ya que IPTV es puramente digital y el protocolo IP sirve para una personalización de los contenidos y mejor administración de los servicios por la versatilidad de la red. De esta forma, se puede ver a los sistemas IPTV como una opción para digitalizar los sistemas de cable y optimizar la transición de la TV analógica a la digital.
Los requisitos de retardo y jitter no son demasiado altos, pero los requisitos de pérdida de paquetes sí lo son. Esto se debe a que las tecnologías actuales de codificación de video son intolerantes a pérdidas. La pérdida de un único paquete del flujo de video puede afectar de forma apreciable la imagen mostrada en el dispositivo de presentación. Dependiendo del tipo de codificación y de la importancia del paquete perdido dentro de la trama de video, el fallo puede ir desde la pixelación durante algunos cuadros hasta la congelación de la imagen durante un segundo.
Los sistemas IPTV por sus características físicas y técnicas permiten a los usuarios disfrutar de una serie de ventajas, respecto a los usuarios de TV por cable convencional.
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