Diseño de la infraestructura de la cabecera de un proveedor de servicios de IPTV y la implementación de un prototipo utilizando software de código abierto

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(2) ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. DISEÑO DE LA INFRAESTRUCTURA DE LA CABECERA DE UN PROVEEDOR DE SERVICIOS DE IPTV Y LA IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO UTILIZANDO SOFTWARE DE CÓDIGO ABIERTO. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y REDES DE INFORMACIÓN. ANA CRISTINA CAIZALUISA CAIZALUISA [email protected] MARÍA BELÉN VALLE ALBERCA [email protected] DIRECTOR: ING. FERNANDO FLORES [email protected] Quito, JULIO 2011.

(3) DECLARACIÓN. Nosotros, Ana Cristina Caizaluisa y María Belén Valle, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. Ana Cristina Caizaluisa C.. María Belén Valle A..

(4) CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Ana Cristina Caizaluisa y María Belén Valle, bajo mi supervisión.. Ing. Williams Fernando Flores Cifuentes DIRECTOR DE PROYECTO.

(5) AGRADECIMIENTOS. A Dios, por todo lo que soy y tengo en la vida. A mis Padres, Anita y Alejandro Caizaluisa por su incondicional apoyo durante cada día de mi vida, por enseñarme que nada es imposible, darme el mejor ejemplo de lucha, superación y tenacidad; y sobre todo por el amor brindado a nuestro hogar. A mis hermanas Erika y Alejandra, por ser un pilar fundamental en mi vida, por todos sus sabios y acertados consejos y por siempre estar a mi lado sin importar cuales fueran las circunstancias. A mi amigo y esposo Christian por el amor, apoyo, cariño, respeto y comprensión que ha sabido brindarme a lo largo de los años compartidos. A mis suegros, Jaqueline y Jorge por el cariño y apoyo que de manera desinteresada me han ofrecido. A mi amiga Ma. Belén Valle por la gran tenacidad mostrada en la realización de nuestro proyecto, por el cariño y comprensión demostrados durante el tiempo que hemos compartido. Al Ing. Fernando Flores por su dirección en el desarrollo del presente proyecto. Ana Cristina.

(6) AGRADECIMIENTOS. A Dios por llenar mi vida de bendiciones y obstáculos que enfrentar… A mi padre Alberto Valle por ser un ejemplo de lucha y dedicación, por ser un amigo y un apoyo incondicional. A mi madre Lidia Alberca por todos los valores inculcados en mi vida entera, por ser la cómplice perfecta de mis locuras, por ser ejemplo de superación y lucha constante, y por todo el amor que ha sabido brinda a nuestro hogar. A mis hermanas María José y Luciana por ser mis mejores amigas y por brindar ayuda en los momentos más sombríos. A mi amiga y compañera Anita Caizaluisa, por su gran esfuerzo y dedicación en este proyecto, y por enseñarme que en este mundo nada es imposible… Finalmente al Ingeniero Fernando Flores por su ayuda en todo este proceso, por guiarnos y ser un fundamental apoyo para la realización de este proyecto. Ma. Belén.

(7) DEDICATORIA. A mis padres Anita y Alejandro que a pesar de los tropiezos y fallas cometidas han estado a mi lado, enseñándome a superarme y a no dejarme vencer por los obstáculos que se presentan día a día. De manera especial todo el esfuerzo entregado en el presente proyecto va dirigido a la personita que llegó a mi vida de manera sorpresiva, ya que me ha dado toda la fuerza para luchar por cumplir todas las metas que me he plateado, porque su sonrisa, travesuras e inocencia son mi inspiración; por ti Emilia Valentina.. Ana Cristina.

(8) DEDICATORIA. Para mi abuelito Ulpiano quien a pesar de la distancia que nos separa ha sabido transmitir su amor, cariño y ejemplo… Para mi mejor amiga María José Valle, quien ha sabido acompañarme y enseñarme que los problemas se deben afrontar sin importar lo duro y difícil que sean… Para mi mejor amigo Roberto Torres, quien ha estado presente para apoyarme en todo momento, enseñarme a ver el mundo de manera diferente y luchar día a día a mi lado por ser mejores personas…. De manera especial para quienes me dieron la vida Lidia y Alberto, ejemplo de constancia y amor de pareja, por enseñarme que la vida es dura pero que con lucha y sacrificio se consigue todo, por demostrar que JUNTOS SOMOS INVENCIBLES.. Ma. Belén.

(9) I. ÍNDICE DE CONTENIDO 1. ASPECTOS GENERALES DE LA TECNOLOGÍA IPTV ................................. 1 1.1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................... 1. 1.2. APLICACIONES DE IPTV ........................................................................ 2. 1.2.1. TELEVISIÓN DIGITAL ........................................................................ 2. 1.2.2. VIDEO BAJO DEMANDA ................................................................... 2. 1.2.3. APRENDIZAJE A DISTANCIA............................................................ 3. 1.2.4. COMUNICACIONES CORPORATIVAS ............................................. 4. 1.2.5. TELEVISIÓN MÓVIL .......................................................................... 4. 1.2.6. VIDEO CHAT ...................................................................................... 5. 1.3. FORMATOS DE VIDEO UTILIZADOS PARA IPTV ................................. 6. 1.3.1. 1.3.1.1. Estructura de Capas .................................................................... 9. 1.3.1.2. Codificación de cuadros I,P y B ................................................. 11. 1.3.1.3. Estimación de movimiento ......................................................... 12. 1.3.2. MPEG 2 ............................................................................................ 13. 1.3.2.1. Video Entrelazado ...................................................................... 14. 1.3.2.2. Formatos de Muestreo ............................................................... 15. 1.3.2.3. Transformada DCT .................................................................... 15. 1.3.2.4. Cuantificación............................................................................. 15. 1.3.2.5. RLC y codificación de entropía .................................................. 16. 1.3.2.6. Escalabilidad .............................................................................. 16. 1.3.3 1.4. MPEG 1 .............................................................................................. 7. MPEG - 4 .......................................................................................... 17. FORMATOS DE AUDIO UTILIZADOS PARA IPTV ............................... 18. 1.4.1. MPEG-1 ............................................................................................ 19. 1.4.2. MPEG-2 ............................................................................................ 20. 1.4.3. ACC .................................................................................................. 20. 1.4.4. MPEG-4 ............................................................................................ 20. 1.5. 1.4.4.1. Codecs para la voz .................................................................... 21. 1.4.4.2. Codecs para el audio en General............................................... 21. SUITE DE PROTOCOLOS UTILIZADOS PARA IPTV........................... 22. 1.5.1. UDP/RAW Y UDP/RTP ..................................................................... 22.

(10) II. 1.5.2. PROTOCOLO DE TRANSPORTE EN TIEMPO REAL (RTP) ......... 24. 1.5.2.1. Funcionamiento.......................................................................... 24. 1.5.2.2. Formato del Paquete RTP.......................................................... 25. 1.5.3. PROTOCOLO DE CONTROL EN TIEMPO REAL (RTCP) ............. 26. 1.5.3.1. Funcionamiento.......................................................................... 26. 1.5.3.2. Tipos de paquetes RTCP ........................................................... 26. 1.5.4. PROTOCOLO DE FLUJO DE DATOS EN TIEMPO REAL (RTSP) . 27. 1.5.4.1 1.5.5. Funcionamiento.......................................................................... 27. PROTOCOLOS DE DESCRIPCIÓN y ANUNCIO DE SESIÓN. (SAP/SDP) .................................................................................................... 28 1.6. SOLUCIONES DE ÚLTIMA MILLA ........................................................ 29. 1.6.1. xDSL ................................................................................................. 29. 1.6.1.1. ADSL (Asymmetric digital subscriber line) ................................. 30. 1.6.1.2. VDSL (Very high speed digital subscriber line) .......................... 31. 1.6.1.3. ADSL2 ........................................................................................ 32. 1.6.1.4. VDSL2 ........................................................................................ 33. 1.6.2. REDES DE CABLE........................................................................... 33. 1.6.2.1 1.6.3. DOCSIS ..................................................................................... 34. REDES DE FIBRA ............................................................................ 36. 1.6.3.1. PON (Passive Optical Network) ................................................ 36. 1.6.3.1.1 EPON.................................................................................... 37 1.6.3.1.2 GPON ................................................................................... 39 1.6.4. 1.7. REDES INALÁMBRICAS DE LARGO ALCANCE ............................ 41. 1.6.4.1. WiMax ........................................................................................ 42. 1.6.4.2. Mesh .......................................................................................... 43. 1.6.4.3. HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) ......................... 44. FORMAS DE TRANSMISIÓN DE SEÑALES DE TELEVISIÓN ............ 46. 1.7.1. TELEVISIÓN ANALÓGICA ............................................................... 46. 1.7.2. TELEVISIÓN DIGITAL...................................................................... 47. 1.7.2.1. TDT (Televisión Digital Terrestre) .............................................. 47. 1.7.2.1.1 Estándares de TDT ............................................................... 48 1.7.2.2. Televisión digital por Cable ........................................................ 49.

(11) III. 1.7.2.3 1.8 2. Televisión digital por satélite ...................................................... 50. DIFERENCIAS ENTRE LAS TECNOLOGÍAS EXISTENTES E IPTV .... 52. INFRAESTRUCTURA. NECESARIA. PARA. LA. CABECERA. DE. LA. TECNOLOGÍA IPTV ............................................................................................. 53 2.1. ELEMENTOS DE LA INFRAESTRUCTURA DE IPTV........................... 53. 2.1.1. CABECERA ...................................................................................... 53. 2.1.2. PROVEEDORES DE SERVICIOS DE RED ..................................... 54. 2.1.3. RED DE ACCESO ............................................................................ 54. 2.1.4. RED DOMÉSTICA ............................................................................ 55. 2.2. CABECERA DE IPTV ............................................................................ 55. 2.2.1. ELEMENTOS DE HARDWARE ........................................................ 57. 2.2.1.1. Recepción de Contenido ............................................................ 58. 2.2.1.2. Servidores .................................................................................. 58. 2.2.1.2.1 Servidor de cabecera ............................................................ 58 2.2.1.2.2 Servidor de video bajo demanda .......................................... 59 2.2.1.2.3 Servidor de archivo ............................................................... 60 2.2.1.2.4 Servidor de facturación ......................................................... 60 2.2.1.3. Set top box ................................................................................. 61. 2.2.1.3.1 Categorías de set-top boxes digitales ................................... 62 2.2.1.4. Otros dispositivos IPTV de consumidor ..................................... 63. 2.2.1.4.1 Consolas de Juego ............................................................... 63 2.2.2. 2.2.2.1. Media center .............................................................................. 64. 2.2.2.2. Windows media player 12 .......................................................... 66. 2.2.2.3. Apple computers QuickTime ...................................................... 67. 2.2.2.4. Real player ................................................................................. 69. 2.2.2 2.3. ELEMENTOS DE SOFTWARE ........................................................ 64. MIDDLEWARE ................................................................................. 70. Modelo de comunicaciones IPTV ........................................................... 71. 2.3.1. VIDEO ENCODING CAPA 8 ............................................................ 71. 2.3.2. VIDEO PACKETIZING LAYER CAPA 7 .......................................... 73. 2.3.3. TRANSPORT STREAM CONSTRUCTION LAYER CAPA 6 ........... 74. 2.3.4. RTP CAPA 5 ..................................................................................... 78.

(12) IV. 2.3.5. CAPA DE TRANSPORTE CAPA 4 ................................................... 80. 2.3.6. RED CAPA 3 .................................................................................... 81. 2.3.7. CAPA ENLACE CAPA 2 ................................................................... 83. 2.3.8. CAPA FÍSICA CAPA 1 ...................................................................... 84. 2.4. ADMINISTRACIÓN DE RED IPTV......................................................... 84. 2.4.1. SOPORTE PARA ADMINISTRACIÓN DE RED IPTV ...................... 85. 2.4.2. USO DE SNMP PARA ADMINISTRAR UNA RED IPTV .................. 86. 2.4.3. GESTIÓN DE INSTALACIONES, PROBLEMAS DE SERVICIOS Y. TERMINACIONES ........................................................................................ 88 2.4.4. PRUEBAS Y MONITOREO DE LA RED ......................................... 89. 2.4.5. GARANTIZAR LA DISPONIBILIDAD DE SERVICIOS Y GESTIONAR. REDUNDANCIA ............................................................................................ 91 2.4.6. REQUERIMIENTOS PARA MANEJAR CALIDAD DE SERVICIO EN. IPTV. 93. 2.4.6.1. Arquitectura de diferenciación de servicios DSA ........................ 96. 2.4.7. MONITOREO DE LA EXPERIENCIA DE LOS SUSCRIPTORES .... 98. 2.4.8. ADMINISTRACIÓN REMOTA DE EQUIPOS EN EL HOGAR DE LOS. CONSUMIDORES ........................................................................................ 98 2.4.9 3. SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA RED DE IPTV ..................... 100. DISEÑO DE LA INFRAESTRUCTURA DE LA CABECERA ....................... 101 3.1. ESTIMACIÓN DE SUSCRIPTORES.................................................... 101. 3.2. APLICACIONES................................................................................... 103. 3.3. CANALES PARA VIDEO ESTÁNDAR Y ALTA DEFINICIÓN .............. 103. 3.4. REQUISITOS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LA RED FÍSICA ..... 105. 3.4.1. VELOCIDAD DE ACCESO ............................................................. 105. 3.4.2. VELOCIDAD DE DISTRIBUCIÓN .................................................. 106. 3.5. DISEÑO ............................................................................................... 106. 3.5.1. RECEPTOR CODIFICADOR INTEGRADO (IRD) .......................... 107. 3.5.2. ENCODER IP ................................................................................. 108. 3.5.3. SISTEMA DE INSERCIÓN DE PUBLICIDAD ................................. 109. 3.5.4. SERVIDOR DE CABECERA .......................................................... 110. 3.5.5. SERVIDOR DE VIDEO BAJO DEMANDA ...................................... 112.

(13) V. 3.5.5.1. Calculo de capacidad de almacenamiento de un servidor VoD 113. 3.5.6. SERVIDOR DE MIDDLEWARE ...................................................... 115. 3.5.7. SISTEMA DE CONTROL DE ACCESO Y SISTEMA DRM ............ 116. 3.5.7.1. Control de Acceso .................................................................... 117. 3.5.7.1.1 Servidor de encripción ........................................................ 117 3.5.7.1.2 Servidor de autorización y administración de llaves (KMAS) 118 3.5.7.1.3 Módulo de software cliente en el IPTVCD .......................... 118 3.5.7.1.4 Proceso para Control de Acceso ........................................ 118 3.5.7.2. Sistema DRM ........................................................................... 119. 3.5.7.2.1 Arquitectura de Hardware y de Software ............................ 120 3.5.7.2.2 Proceso DRM...................................................................... 122 3.5.7.3. Procedimiento para control de acceso y asignación de derechos. de autor 123 3.6. Transmisión de canales multicast en la red IPTV ................................ 124. 3.6.1. Arquitectura de la red IPTV multicast ............................................. 125. 3.6.1.1. Dispositivos IGMP .................................................................... 125. 3.6.1.2. Direccionamiento y grupos multicast ........................................ 126. 3.6.1.3. Protocolos IPTV multicasting ................................................... 127. 3.6.1.3.1 IGMPv1 ............................................................................... 127 3.6.1.3.2 IGMPv2 ............................................................................... 128 3.6.1.3.3 IGMPv3 ............................................................................... 134 3.6.1.4. Arquitectura de tecnologías de transporte multicast ................ 138. 3.6.1.4.1 Árboles Multicast................................................................. 138 3.6.1.4.2 Protocolos de Distribución Multicast ................................... 139 3.6.1.4.3 Técnicas de Reenvío Multicast ........................................... 141 3.6.1.4.4 IGMP Snooping................................................................... 141 3.6.1.4.5 IGMP Proxy ........................................................................ 142 3.7. CAMBIO DE CANAL ............................................................................ 143. 3.7.1. TIPOS DE INTERACCIÓN DEL SUSCRIPTOR CON LOS STREAMS. IPTV MULTICAST ....................................................................................... 143 3.7.1.1. Cambio de canal utilizando la guía electrónica ........................ 143.

(14) VI. 3.7.1.2. 4. Cambio de un canal a otro ....................................................... 144. 3.7.2. CAUSAS PARA EL RETRASO EN EL CAMBIO DE CANAL ......... 144. 3.7.3. SOLUCIONES PARA ACELERAR EL CAMBIO DE CANAL .......... 147. COSTOS REFERENCIALES DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL DISEÑO ... 148 4.1. REQUERIMIENTOS MÍNIMOS Y COMPARACIÓN DE MARCAS ...... 148. 4.1.1. RECEPTOR DECODIFICADOR INTEGRADO (IRD) ..................... 148. 4.1.2. ENCODER IP ................................................................................. 149. 4.1.3. SISTEMA DE CONTROL DE ACCESO Y DRM ............................. 150. 4.1.4. SISTEMA DE PUBLICIDAD ........................................................... 152. 4.1.5. SERVIDOR DE VIDEO BAJO DEMANDA ...................................... 155. 4.1.6. MIDDLEWARE ............................................................................... 156. 4.1.7. SERVIDOR DE CABECERA .......................................................... 157. 4.1.8. SISTEMA DE FACTURACIÓN ....................................................... 159. 4.1.9. SET TOP BOX ................................................................................ 160. 4.2. Selección de Equipos y Soluciones ..................................................... 161. 4.2.1. IRD RECEPTOR DECODIFICADOR INTEGRADO ....................... 161. 4.2.2. ENCODER IP ................................................................................. 161. 4.2.3. CAS/DRM, VIDEO BAJO DEMANDA, MIDDLEWARE, SERVIDOR. DE CABECERA Y SISTEMA DE FACTURACIÓN ...................................... 162 4.2.4. SISTEMA DE PUBLICIDAD ........................................................... 162. 4.2.5. SET TOP BOX ................................................................................ 163. 4.3 5. COSTOS REFERENCIALES DEL DISEÑO ........................................ 163. ANÁLISIS DE RESULTADOS DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOTIPO 166 5.1.. DESCRIPCIÓN DEL PROTOTIPO ...................................................... 166. 5.2. ELEMENTOS DE SOFTWARE ............................................................ 168. 5.2.1. 5.3. APIS ............................................................................................... 168. 5.2.1.1. Video for Linux (v4l) ................................................................. 168. 5.2.1.2. Video for Linux 2 (v4l2) ............................................................ 168. 5.2.1.3. Open Sound System (OSS) ..................................................... 168. 5.2.1.4. Advanced Linux Sound Architecture (ALSA) ............................ 169. VIDEO .................................................................................................. 169.

(15) VII. 5.3.1. VIDEO LAN PROJECT ................................................................... 169. 5.3.2. MPEG4LIVE ................................................................................... 171. 5.4. CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS DE HARDWARE .......... 172. 5.4.1. SERVIDOR ..................................................................................... 172. 5.4.2. SET-TOP BOX................................................................................ 173. 5.4.3. CÁMARA WEB ............................................................................... 173. 5.4.4. DISPOSITIVOS FINALES .............................................................. 174. 5.5. ESCENARIO DE PRUEBAS ................................................................ 174. 5.6. PRUEBAS ............................................................................................ 175. 5.6.1. TRANSMISIÓN EN MULTICAST.................................................... 175. 5.6.1.1. Canal 1 ..................................................................................... 176. 5.6.1.2. Canal 2 ..................................................................................... 176. 5.6.1.3. Canal 3 ..................................................................................... 178. 5.6.1.4. Canal 4 ..................................................................................... 178. 5.6.2. TRANSMISIÓN EN UNICAST (VOD) ............................................. 179. 5.6.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................................ 180. 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................. 183. 7. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 188. 8. 7.1. LIBROS ................................................................................................ 188. 7.2. PÁGINAS WEB .................................................................................... 189. ANEXOS ..................................................................................................... 190. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Estructura de un grupo de cuadros ....................................................... 9 Figura 1.2 Estructura de las capas de MPEG ........................................................ 9 Figura 1.3 Formato 4:2:2 y 4:4:4 .......................................................................... 15 Figura 1.4 Lectura de los coeficientes DCT ......................................................... 16 Figura 1.5 Curva del umbral de audibilidad .......................................................... 18 Figura 1.6 Suite de Protocolos usados para IPTV ................................................ 22 Figura 1.7 Proceso de encapsulación de video en datagramas IP....................... 23 Figura 1.8 Paquete RTP ....................................................................................... 25 Figura 1.9 Paquete RTCP .................................................................................... 27.

(16) VIII. Figura 1.10 Funcionamiento de RTSP ................................................................. 28 Figura 1.11 Modelo de referencia DSL ................................................................. 29 Figura 1.12 Disposición de las frecuencias para ADSL ........................................ 30 Figura 1.13 Asignación de frecuencias para ADSL2 ............................................ 32 Figura 1.14 Asignación de frecuencias para ADSL2, ADSL2+, VDSL2 ............... 33 Figura 1.15 Red DOCSIS ..................................................................................... 35 Figura 1.16 Estructura de una red EPON ............................................................. 37 Figura 1.17 Comportamiento de la trasmisión en downstream. ........................... 38 Figura 1.18 Comportamiento de la trasmisión en upstream ................................. 39 Figura 1.19 La arquitectura básica de una red GPON ......................................... 40 Figura 1.20 Arquitectura de una red Mesh ........................................................... 43 Figura 1.21 Velocidades máximas teóricas de los diferentes tipos de conexión celular ................................................................................................................... 45 Figura 1.22 Funcionamiento de Televisión vía Satélite ........................................ 51 Figura 2.1 Elementos de IPTV ............................................................................. 53 Figura 2.2 Funciones que se realizan sobre el video ........................................... 57 Figura 2.3 Media Center ....................................................................................... 64 Figura 2.4 Windows Media Player ........................................................................ 66 Figura 2.5 Quick Time .......................................................................................... 67 Figura 2.6 RealPlayer ........................................................................................... 70 Figura 2.7 Modelo Capas Comunicaciones IPTV ................................................. 71 Figura 2.8 Unidad NAL ......................................................................................... 72 Figura 2.9 Paquete PES ....................................................................................... 73 Figura 2.10 Paquete TS (Transporte Stream) ...................................................... 76 Figura 2.11 Una unidad NAL H.264 por payload RTP......................................... 79 Figura 2.12 Varias unidades NAL H.264 en un payload de RTP.......................... 79 Figura 2.13 Una unidad NAL H.264 fragmentada y en viada en varios payload RTP ...................................................................................................................... 80 Figura 2.14 Segmento UDP ................................................................................. 81 Figura 2.15 Datagrama IP .................................................................................... 82 Figura 2.16 Interoperabilidad entre un NMS con un agente SNMP...................... 87 Figura 2.17 Proceso de resolución de problemas en la red IPTV ........................ 89.

(17) IX. Figura 2.18 Ejemplo de redundancia en una red IPTV ......................................... 92 Figura 2.19 Transmisión solo de tráfico IPTV con tiempo inter paquete de 1.5 ... 94 Figura 2.20 Transmisión solo tráfico IPTV con tiempo inter paquete 3.5 cada 2 paquetes .............................................................................................................. 94 Figura 2.21 Transmisión de tráfico IPTV, VoIP y contenido Web ......................... 95 Figura 2.22 Equipos administrables y no administrables ..................................... 99 Figura 3.1 Arquitectura de la cabecera de un proveedor de servicios de IPTV .. 107 Figura 3.2 Componentes de un IRD ................................................................... 108 Figura 3.3 Relación calidad de la imagen con tráfico CBR y VBR ..................... 109 Figura 3.4 Sistema de inserción de publicidad en la cabecera IPTV .................. 110 Figura 3.5 Stack de protocolos para streaming .................................................. 111 Figura 3.6 Arquitectura del Middleware .............................................................. 115 Figura 3.7 Proceso para el control de acceso .................................................... 119 Figura 3.8 Etapas que atraviesa el contenido .................................................... 120 Figura 3.9 Proceso DRM .................................................................................... 122 Figura 3.10 CA y DRM aplicado en contenido en tiempo real ............................ 123 Figura 3.11 CA y DRM en contenido VoD .......................................................... 124 Figura 3.12 Estructura de una dirección multicast clase D ................................. 126 Figura 3.13 Leave Process IGMPv2 ................................................................... 131 Figura 3.14 Join Process IGMPv2 ...................................................................... 132 Figura 3.15 Mecanismo de elección del querier ................................................. 134 Figura 3.16 Join Process IGMPv3 ...................................................................... 136 Figura 3.17 Ejemplo de query process IGMPv3 ................................................. 137 Figura 3.18 Leave Process IGMPv3 ................................................................... 138 Figura 3.19 PIM-SM proceso de soporte en caso de fallas ................................ 140 Figura 3.20 IGMP snooping................................................................................ 142 Figura 3.21 Cambio de canal utilizando guía electrónica ................................... 143 Figura 3.22 Cambio de un canal a otro .............................................................. 144 Figura 3.23 Posibles causas de retraso según la ubicación ............................... 145 Figura 3.24 Soluciones para disminuir el tiempo del cambio de canal ............... 147 Figura 5.1 Escenario de pruebas ....................................................................... 167 Figura 5.2 Solución presentada el proyecto Video LAN ..................................... 170.

(18) X. Figura 5.3 VLC media Player ............................................................................. 171 Figura 5.4 Mpeg4live .......................................................................................... 172 Figura 5.5Set top box AZ BOX ........................................................................... 173 Figura 5.6 Cámara Web ..................................................................................... 174 Figura 5.7 Anuncios SAPs de los canales transmitidos ..................................... 175 Figura 5.8 Transmisión Multicast........................................................................ 176 Figura 5.9 Señal de video añadido publicidad .................................................... 177 Figura 5.10 Canal de Películas en Multicast ...................................................... 178 Figura 5.11 Transmisión de señal en tiempo real............................................... 179 Figura 5.12 Transmisión de video bajo demanda............................................... 180 Figura 5.13 Captura de anuncios SAP en el lado del Servidor........................... 181 Figura 5.14 Capturas de paquetes IGMP ........................................................... 181 Figura 5.15 Captura de segmentos UDP ........................................................... 182. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Comparación de las capas de MPEG-1 ............................................... 19 Tabla 1.2 Velocidades de upstream y downstream para las diferentes versiones de DOCSIS........................................................................................................... 35 Tabla 1.3 Diferencias entre IPTV y las Tecnologías existentes............................ 52 Tabla 2.1 Pruebas que se realizan para los diferentes componentes de la red ... 91 Tabla 3.1 Proyección de número de suscriptores en cinco años ....................... 102 Tabla 3.2 Paquetes de programación que se ofertarán ..................................... 103 Tabla 3.3 Paquete elemental que se oferta a los suscriptores ........................... 104 Tabla 3.4 Rango de direcciones IP multicast y aplicaciones asociadas ............. 127 Tabla 3.5 Tipos de mensajes IGMP v 2 ............................................................. 130 Tabla 4.1 Comparación de equipos IRD ............................................................ 149 Tabla 4.2 Comparación de Encoders IP ............................................................. 150 Tabla 4.3 Comparación de soluciones para Control de Acceso y DRM ............. 152 Tabla 4.4 Comparación entre Soluciones para Inserción de Publicidad ............ 154 Tabla 4.5 Comparación entre servidores de video bajo demanda ..................... 156.

(19) XI. Tabla 4.6 Comparación entre soluciones de middleware ................................... 157 Tabla 4.7 Comparación entre Servidores de Cabecera ..................................... 158 Tabla 4.8 Comparación entre sistemas de facturación ...................................... 159 Tabla 4.9 Comparación entre Set Top Box ........................................................ 161 Tabla 4.10 Costos Referenciales ....................................................................... 164.

(20) XII. RESUMEN. La tecnología IPTV es una nueva forma de entregar servicio de televisión a los usuarios, la cual tiene como ventaja principal que es transportada por redes IP y que a diferencia de tecnologías tradicionales brinda aplicaciones que ofrecen al espectador mayor interactividad; además que para la entrega de este servicio por parte de los proveedores de internet no necesitarán montar un core de red adicional, ya que el contenido puede viajar por la misma red de datos, pero si es importante tomar en cuenta el ancho de banda ofertado y el manejo de calidad de servicio. La entrega de contenido se la realiza dependiendo el servicio solicitado y puede ser en unicast o multicast, la primera es utilizada para la entrega de contenido a un determinado usuario, mientras que la segunda permite la entrega de contenido en tiempo real a un grupo determinado de usuarios. La transmisión en multicast presenta una ventaja significativa para esta tecnología, ya que se realiza el envió de un solo stream de video desde el servidor hacia los equipos de red intermedios los cuales se encargan de replicar el contenido hacia los usuarios finales, ahorrando ancho de banda, evitando que del servidor salga un stream por cada usuario. Como toda tecnología maneja un modelo de comunicación similar al implementado en redes IP, pero haciendo énfasis en el uso de protocolos de uso específico para la transmisión de contenido en tiempo real tal es el caso de los protocolos UDP, RTP, RTCP, RTSP, SDP, SAP e IGMP; los cuales nos ofrecen menor retardo en la entrega de contenido al suscriptor así como facilidad en el descubrimiento de los servicios entregados..

(21) XIII. Es importante mencionar que como toda red necesita ser administrada para poder entregar un servicio de calidad al suscriptor, para esto se debe crear políticas de administración en las cuales se definan puntos como el monitoreo, mantenimiento correctivo y preventivo, soporte al usuario, entre otros. Al tratarse de información encapsulada en IP, se vuelve más vulnerable a la copia, por lo que se deben crear políticas de seguridad propias de cada empresa.. Las autoras..

(22) XIV. PRESENTACIÓN En la actualidad la transmisión de datos vía Internet tiende a ser un servicio básico para la población de nuestro país, lo cual ha favorecido la comunicación entre diferentes partes del mundo acortando las distancias e integrando nuevos servicios tal es el caso de IPTV. IPTV se encuentra en auge en diferentes países del mundo un ejemplo claro es la Empresa Imagenio que entrega este servicio en España; en nuestro país esta tecnología no se encuentra implementada pero se encuentra en investigaciones y proyectos para su pronta implantación en el mercado por parte de la Corporación Nacional de Telecomunicaciones. Con el presente proyecto se pretende dar a conocer el funcionamiento, y las ventajas que entrega esta tecnología, así como un diseño para una posible implementación por parte de un proveedor de servicios de Internet. Además de la creación de un prototipo a menor escala el cual tiene como razón principal mostrar el funcionamiento de la transmisión de video sobre redes IP, lo cual aportaría de manera sustancial a la entrega de contenido educativo hacia los estudiantes de la facultad sin la necesidad de tener contratado un servicio de televisión pagada.. Las autoras..

(23) 1. CAPÍTULO I 1 ASPECTOS GENERALES DE LA TECNOLOGÍA IPTV 1.1 INTRODUCCIÓN En la actualidad los proveedores de servicios de comunicaciones de nuestro país ofrecen paquetes denominados Triple Play, los cuales contienen servicios de datos, voz y video. En el caso específico de Televisión (video) se brinda a través de medios tradicionales como: Televisión terrestre (tanto analógica como digital), cable y satelital; mientras que la tendencia en otros países es ofertar este tipo de servicio a través de la red de telecomunicaciones basadas en el protocolo Internet, un claro ejemplo es Telefónica con su servicio Imagenio. En nuestro país no se ha ofrecido este tipo de servicios, pero se encuentra en desarrollo con miras de ofertar soluciones IPTV a los abonados. Cabe recalcar que la Corporación Nacional de Telecomunicaciones (CNT) esperaba lanzar este servicio en el 2009, dato que se obtuvo de BNamericas por parte de César Regaldo (presidente ejecutivo de Andinatel en el 2008). Lo innovador de esta tecnología es que cambia totalmente el concepto de la forma de ver televisión en la actualidad, ya que el usuario puede personalizar de manera interactiva su programación además de estar en la facilidad de almacenar video y evitar así regirse a horarios propuestos por el proveedor; lo cual posibilita brindar al abonado nuevas opciones de entretenimiento como: video bajo demanda, video chat, educación a distancia, televisión móvil, entre otros. Uno de los requisitos indispensables para que la tecnología funcione de manera adecuada es manejar una conexión de gran ancho de banda y ancho de banda reservado con el objetivo de garantizar calidad de servicio (QoS); por lo que se requiere una conexión de al menos 4 Mbps para poder recibir la señal de.

(24) 2. televisión comprimida según el formato MPEG-2 o MPEG-4, velocidad que se consigue fácilmente con los estándares ADSL2 y ADSL2+. Gracias a ésta tecnología los abonados pueden hacer uso de la gran gama de aplicaciones y servicios con la ventaja de manejar un solo tipo de medio de transporte de información basado en el protocolo Internet.. 1.2. APLICACIONES DE IPTV. 1.2.1 TELEVISIÓN DIGITAL La televisión digital representa la transmisión y recepción de las señales de televisión utilizando medios y tecnologías digitales, de esta manera en lugar de usar una codificación analógica se usará una codificación binaria lo cual facilita la multiplexación de muchas señales en un mismo canal. La televisión digital representa una aplicación de IPTV ya que es adecuada para ser trasportada mediante esta tecnología, debido a que IPTV provee del contenido de televisión que el usuario desee, mas no rige a éste a un horario establecido. 1.2.2 VIDEO BAJO DEMANDA Video on Demand (VoD) o también conocido como Televisión a la carta, es un sistema que le permite al abonado observar los contenidos multimedia que prefiera sin necesidad de estar presente a la hora exacta que emitan el contenido deseado por el suscriptor, lo que le da la posibilidad de solicitar y visualizar ya sea un programa o película concreta en el momento que el suscriptor lo desee, la difusión del contenido es en modo unicast. En la actualidad los suscriptores de televisión por cable y televisión vía satélite pueden brindar un servicio llamado PAY-PER-VIEW en el cual se puede comprar películas o hasta eventos deportivos; la capacidad de éste servicio palidece a comparación del servicio de VoD que ofrece la tecnología IPTV. La razón principal.

(25) 3. es que IPTV puede ofrecer prácticamente ilimitada programación, mientras que el servicio de PAY-PER-VIEW se encuentra restringido a un número limitado de canales de radiodifusión. El sistema de VoD ofrece funciones como la de detener el programa, reanudarlo, adelantar, llevarlo hacia atrás, poner en cámara lenta o en pausa. Para que funcione, el cliente debe estar conectado a un servidor de VoD. La distribución del servicio de Video bajo demanda se lo puede hacer por una red de área local o a través de una red de área extendida. Cuando se trata de una red LAN la distribución es mucho más rápida a los usuarios, mientras que en una red WAN, la respuesta es mucho más lenta pero el alcance será significativamente más amplio. 1.2.3 APRENDIZAJE A DISTANCIA En la actualidad se han desarrollado distintas alternativas para que las personas tengan la facilidad de estudiar, entre estas tenemos el aprendizaje a distancia en donde un instructor es el encargado de proporcionar la debida información a distancia pero el estudiante es quien tiene la responsabilidad de aprender. Para llevar a cabo esta alternativa de aprendizaje se puede usar equipos de teleconferencia pero una forma más viable es el uso de IPTV, ya que cuando se utiliza la primera opción anteriormente mencionada todos los estudiantes tienen que fijar su atención en un solo monitor central, además de que solo existe un micrófono el cual deberá ser pasado a todos los estudiantes que deseen hacer preguntas sobre sus inquietudes; mientras que el escenario de IPTV es más versátil ya que las clases dictadas podrán ser observadas en los computadores de cada estudiante, teniendo así la facilidad de realizar preguntas con un micrófono incorporado en cada PC, incluso se han desarrollado aplicaciones que permitan que el instructor este en la capacidad de ver las actividades del estudiante con lo que se consigue una mayor interacción entre el estudiante y el profesor..

(26) 4. 1.2.4 COMUNICACIONES CORPORATIVAS La comunicación entre empleados, socios, proveedores y distribuidores de una empresa se ha convertido en un factor imprescindible y que ha llegado a ampliar la productividad de la empresa; por lo que se ha visto la necesidad de perfeccionar o volver más accesible la forma de realizarlo sin tener la necesidad de efectuar viajes de largas distancias o destinar un determinado horario en el cual realizar la conferencia. El uso de IPTV puede resultar más eficiente y productivo, ya que se encontraría a un click de distancia de cualquier empleado. Por ejemplo se puede grabar un mensaje que se encuentre disponible para descargarlo a través de IPTV y se podría alertar a los empleados de la disponibilidad del mismo mediante un correo electrónico con una dirección URL para simplemente hacer CLIC; de esta forma los empleados no tienen la necesidad de detener sus actividades y perder tiempo en desplazamiento ya sea a un auditorio o una sala de conferencias, y así la productividad de los empleados puede mejorar significativamente. Por otro lado, puede existir la integración entre diferentes profesionales que se encuentren físicamente distantes. Ya que IPTV ofrece diferentes y simultáneos niveles de comunicaciones y el acceso a la información es de forma casi instantánea, los cursos ya sean de capacitación o entrenamiento serán más dinámicos, y existirá interactividad mediante chats, visualización de aplicaciones y whiteboard, lo que incentivará la actuación de los participantes. 1.2.5 TELEVISIÓN MÓVIL En la actualidad la televisión para los teléfonos móviles está siendo desarrollada para que estos reciban señales de televisión en difusión, así los usuarios estarían limitados a ver una programación ya establecida..

(27) 5. Los teléfonos móviles hoy en día ofrecen muchos servicios adicionales entre los cuales se destacan tarjetas SD1, unidades de discos en miniatura, WiFi, entre otras; por tal motivo los teléfonos móviles pueden ser usados en hotspots y tener la capacidad de poder conectarse a Internet, de esta manera estarían en la posibilidad de acceder a IPTV y así tener el acceso al contenido de televisión que ellos deseen. Además con la inclusión de los servicios adicionales como tarjetas SD o una unidad de disco en miniatura se hace posible la descarga de contenido de video en su teléfono, almacenarlo y tener la facilidad de verlo cuando deseen. 1.2.6 VIDEO CHAT Una de las características más populares asociadas con el uso del Internet, son las salas de chats comúnmente ofrecida por diferentes ISPs y portales Web. Las salas de chats son mecanismos populares para el intercambio de ideas, pero al tener la necesidad de escribir las respuestas retrasa significativamente la interacción entre las personas. Pero mediante el uso de IPTV éste detalle se facilita y soluciona. Con IPTV cada persona puede utilizar una camera con micrófono integrado en sus monitores que pueda transmitir audio y video al operador de la sala de video chat. A través del software de aplicación, la pantalla del usuario puede subdividirse para mostrar un número de participantes de la sala de chat. La utilización de video en la tecnología IPTV. ha permitido desarrollar varias. aplicaciones, una de ellas Video Chat, también se la puede utilizar para video vigilancia, conectando simplemente una webcam y de esta manera desde cualquier lugar a través de Internet se podrá ver la imagen que esté capturando la cámara en ese momento.. 1. SD (Secure Digital), es un formato de tarjeta de memoria flash, utilizado en dispositivos portátiles como cámaras fotográficas digitales y ordenadores PDA..

(28) 6. 1.3. FORMATOS DE VIDEO UTILIZADOS PARA IPTV. El contenido de video capturado se puede obtener de diferentes fuentes, ya sea a través de Internet, proveedor de contenidos o de un distribuidor de señales de televisión. Pero como sabemos la señal de video digital requiere un gran ancho de banda si se quiere transmitir tal y como es, por lo que es necesario realizar una compresión previa a la transmisión, ya que se necesita mayor eficiencia en el almacenamiento de la información y en la distribución por la red de comunicaciones. Para solucionar este problema es importante realizar la compresión digital del video, manteniendo la calidad. El objetivo de la compresión del video digital es convertir a un formato de datos que puede transmitirse a través de redes de comunicaciones y que pueda ser procesado por ordenadores actuales. Se puede utilizar como método de compresión la similitud de contenidos, si percibe una parte común a los demás cuadros de la imagen se saca un ejemplar y elimina el resto. Las técnicas de compresión que se tratarán serán MPEG – 1, MPEG – 2 y MPEG – 4. Ø MPEG -1: El objetivo de la creación de este formato fue el tener la capacidad de colocar video digital en un dispositivo de almacenamiento como el CD – ROM. Ø MPEG – 2: Es usado principalmente por la televisión digital y codificación del DVD, este formato ofrece mayor calidad de imagen y alcanza mayor velocidad de transmisión. Ø MPEG – 4: entrega una calidad de imagen muy buena parecida a la del DVD, la ventaja que presente es que la compresión es mucho mayor, lo cual es ideal para poder transmitir datos a través de la Internet..

(29) 7. Ya que MPEG es uno de los métodos más populares para el transporte de IPTV se realizará un enfoque más profundo en este formato, y sus diferentes variaciones como son MPEG-2 y MPEG-4, dando primeramente una pequeña síntesis de lo que es MPEG 1. Este tipo de formatos han sido definidos por el grupo de trabajo ISO/IEC/JTC1/SC29/WG11 Moving Picture Expert Group (MPEG). 1.3.1 MPEG 1 El trabajo de MPEG 1 estuvo basado inicialmente en el trabajo de un grupo de expertos de la ITU para videotelefonía y en el estándar H.261 2. Fueron necesarios algunos cambios para conseguir una mejor calidad de imagen, y otras técnicas de codificación adicionales que fueron añadidas al estándar H.261. Los objetivos establecidos por los expertos del grupo, para la estandarización de MPEG 1 fueron: Ø Acceso aleatorio Ø Búsqueda rápida / rebobinado rápido Ø Visionado inverso Ø Sincronización audiovisual Ø Robustez frente a errores Ø Retardo de codificación / descodificación Ø Editabilidad Ø Compatibilidad de formatos Ø Costos. 2. El estándar H.261 es parte del grupo de estándares H.320 para comunicaciones audiovisuales. Fue diseñado para que coincida con las tasas de datos ofrecidas por los servicios ISDN. Las aplicaciones que motivaron el diseño de este tipo de estándar fueron: videoconferencia, vigilancia y monitoreo, telemedicina, y otros servicios audiovisuales.

(30) 8. Este estándar fue diseñado para conseguir compresiones óptimas en el rango de 1 a 1.5 Mbps, para secuencias de vídeo progresivo en color, con formato de muestreo 4:2:0 y un espacio de colores YCbCr. YCbCr es un espacio de color utilizado en sistemas de fotografía y video digital que define el color en un componente de luminancia y dos de crominancia. Ø Y (Luminancia): contiene información sobre la cantidad de luminosidad de la imagen, no contiene información sobre los colores de la misma, por lo tanto reproduce la imagen en blanco y negro en todas sus tonalidades de grises intermedios. Ø CbCr (Crominancias): llevan toda la información sobre los colores de la imagen, son obtenidas de las llamadas señales diferencia de color: rojo menos luminancia, azul menos luminancia y verde menos luminancia. Cada secuencia de video consiste en un número variable de grupos de imágenes GOP. Y un GOP contiene un número variable de imágenes, una imagen puede ser un cuadro o un campo de una imagen. Las imágenes se clasifican en tres tipos: Ø Cuadros I: No dependen de la información de otros cuadros, proporcionan un mecanismo para acceso aleatorio al flujo de bits del vídeo comprimido, proporcionan una moderada compresión.. Ø Cuadros P: se codifica con respecto a la información contenida en el cuadro previo ya sea I o P más cercano. Conocido como predicción hacia delante y proporciona un mayor grado de compresión que los cuadros I.. Ø Cuadros B: Utilizado para la codificación de la información contenida en los cuadros pasado y futuro, ya sean I o P más cercanos. Esta técnica es.

(31) 9. conocida como predicción bidireccional o interpolada. Proporciona el mayor grado de compresión con respecto a los cuadros anteriores. La sintaxis de MPEG-1 permite al codificador elegir dos aspectos importantes: La frecuencia con la que se presentan los cuadros I y el número de cuadros bidireccionales que se intercalarán entre dos cuadros de referencia I o P.. Figura 1.1 Estructura de un grupo de cuadros. 1.3.1.1. Estructura de Capas. Se la ha definido para hacer del flujo de bits una secuencia de unidades individuales entre sí.. Figura 1.2 Estructura de las capas de MPEG.

(32) 10. Cada capa posee una cabecera, seguida de elementos de la siguiente capa. Por lo que cada secuencia de video es precedida de una cabecera, seguida de un número de GOPs (capa de grupo de cuadros), y por último una marca de fin de secuencia. Cada GOP es precedido por una cabecera de inicio de GOP después de la cual se envían los cuadros. Cada cuadro se descompone en franjas, cada franja se descompone en macrobloques, así mismo cada macrobloque en bloques. 1.. Capa Secuencia de vídeo: en esta capa se pueden definir varios parámetros como son: dimensiones horizontal y vertical de los cuadros, frecuencia del cuadro, matrices de cuantificación.. 2.. Capa Grupo de Cuadros (GOP): son las unidades mínimas en las que se divide la secuencia de video y que pueden ser decodificadas por sí mismas. Un GOP debe tener por lo menos un cuadro I. Es importante saber que el orden de presentación es diferente al orden de codificación debido a la predicción bidireccional.. 3.. Capa de cuadro: el cuadro tiene toda la información necesaria para formar la imagen. Los parámetros que se pueden definir en la cabecera son: la referencia temporal del cuadro, el tipo de codificación, el rango de vectores de movimiento, entre otros.. 4.. Capa de franja: esta capa es innecesaria por sí misma para el correcto funcionamiento del codificador, pero fue introducida para hacer al sistema más robusto frente a errores. La cabecera de franja permite al decodificador re-sincronizarse ante un error en la transmisión o en la decodificación, perdiendo parcialmente la franja donde se produjo el error en la decodificación, desde el error hasta la siguiente cabecera de franja, pero no el cuadro entero. La cabecera de franja, es por lo tanto la unidad funcional de re-sincronización en el estándar MPEG, ante errores en la transmisión o en la decodificación..

(33) 11. 5.. Capa de macrobloque: Es la unidad básica de compensación de movimiento. Cada macrobloque está formado por 4 bloques de luminancia de 8x8 píxeles y dos bloques de crominancia de 8x8 píxeles.. Los parámetros más importantes de esta capa son: la posición del macrobloque en la franja, el factor de escala Q de cuantificación, el tipo de macrobloque y los vectores de movimiento3 para el macrobloque.. 6.. Capa bloque: es la unidad de transformada DCT.. 1.3.1.2. Codificación de cuadros I, P y B. Para realizar el proceso de codificación de cuadros I cada cuadro se divide en macrobloques y estos a su vez en bloques de pixeles de 8 x 8, cada macrobloque al tratarse de MPEG – 1 entrega 4 bloques de luminancias de 8 x 8, 2 bloques de crominancias de 8 x 8. La transformada Discreta de Coseno DCT se aplica a cada bloque de 8 x 8 de luminancia y crominancias individualmente. La transformada aprovecha la correlación espacial de los pixeles convirtiéndolos en un conjunto de coeficientes independientes; después de la salida de la DCT, cada uno de los 64 coeficientes son cuantificados. El procedimiento es idéntico para los bloques de pixeles de luminancias y crominancias, pero como la sensibilidad del ojo humano es mayor a las luminancias que a las crominancias entonces las matrices de cuantificación varían.. 3. Vector de Movimiento: estimación de desplazamiento horizontal y vertical de cada región de una imagen con respecto a uno o varios cuadros de la misma secuencia..

(34) 12. En la DCT el coeficiente localizado en la posición (0,0) se denominada coeficiente DC mientras que los otros coeficientes se denominan coeficientes AC.. El. coeficiente DC es el que mayor información posee de cada bloque. Después de la DCT y la cuantificación la mayoría de los coeficientes AC se harán cero. Mediante el uso del escaneo en zigzag se puede reunir la mayor cantidad de ceros consecutivos y por último se codifica usando RLE y Huffman. Cuando se trata de imágenes P y B es donde MPEG aprovecha y proporciona su máxima compresión, esto se consigue con la técnica basada en la estimación de movimiento, que se beneficia de la redundancia temporal. En los cuadros P cada macrobloque de tamaño 16 x 16 se predice a partir del macrobloque anterior I; la diferencia entre los dos macrobloques se conoce como error de predicción. Este error puede codificarse como tal o en el dominio DCT 1.3.1.3. Estimación de movimiento. Utilizado para disminuir la redundancia temporal esto quiere decir que existe una secuencia de varias tramas consecutivas que contienen información en común que puede ser reducida contrayendo la tasa de bits, pero debido a la importancia del acceso aleatorio se deben tener cuadros de referencia que no dependan de otros cuadros. Los cuadros I son los que no dependen de otros cuadros y que ayudan para el acceso aleatorio. La predicción bidireccional realiza el proceso de estimación de movimiento dos veces, una en una imagen pasada y otra en una imagen futura. Lo que origina dos vectores de movimiento y dos predicciones para cada macrobloque. El codificador puede obtener el residuo del movimiento compensado utilizando cualquiera de las predicciones ya sea pasada, futura o un promedio de ellas,.

(35) 13. eligiendo la estimación más eficiente posible de las tres. Este proceso es conocido como codificación inter-cuadro bidireccional o interpolada. 1.3.2 MPEG 2 Es la designación para la codificación de audio y video acordado por MPEG y publicado como estándar ISO 13818. Este formato es utilizado generalmente para codificar audio y video para señales de transmisión en las que incluye televisión digital terrestre, televisión por satélite o por cable. Introduce y especifica flujos de transporte, que son diseñados para transportar video y audio digital por medios impredecibles e inestables, y son muy utilizados en transmisiones de televisión. El objetivo principal fue definir un estándar genérico que puede ser empleado en un sin número de aplicaciones, a una velocidad en torno a 15 Mbps. Entre los requisitos que fijó el grupo fue: Ø Mantenga compatibilidad con MPEG 1 Ø Calidad de imagen Ø Flexibilidad del formato de entrada Ø Acceso aleatorio Ø Rebobinado rápido y lento, hacia adelante y hacia atrás Ø Escalabilidad en el flujo de bits Ø Retardos mínimos para comunicaciones en ambos sentidos Ø Resistencia a errores El grupo de expertos se dio cuenta que no había razón para restringir el caudal de codificación a 15 Mbps, ya que analizaron que podría soportar caudales de 80 Mbps o 100 Mbps para aplicaciones de televisión digital de alta definición..

(36) 14. La sintaxis de MPEG 2 tiene dos categorías: 1.. Sintaxis no escalable: sintaxis de MPEG 1 con extensiones adicionales para soportar video entrelazado.. 2.. Sintaxis escalable: permite una codificación por capas de la señal de video, mediante la cual, el decodificador puede decodificar la capa básica para obtener una señal de baja calidad o utilizar capas adicionales para incrementar la calidad de la señal.. Se debe recalcar que al igual que MPEG 1,. MPEG 2 es un estándar con. pérdidas, basado en estimación de movimiento, con estimación hacia adelante, hacia atrás o interpolada, transformada DCT, cuantificación, RLE y codificación Huffman. MPEG-2 soporta vídeo entrelazado (campos) y también soporta vídeo progresivo (cuadros). 1.3.2.1. Video Entrelazado. El estándar puede soportar video entrelazado por lo que se habla de campos o también video progresivo por lo que se habla de cuadros. Los campos de un cuadro de video entrelazado pueden ser codificados separadamente, o pueden ser juntados para formar el cuadro original y ser codificados como una única imagen como se lo hace en MPEG 1 en video progresivo. Todas las imágenes que entran ya sean cuadros o campos pueden ser codificados como imágenes I, P o B. Por ejemplo: si una primera imagen de un cuadro codificado es una imagen campo de tipo I, entonces la segunda imagen puede ser o un campo de tipo I o P, esto quiere decir que el primer campo puede ser utilizado como un predictor para el segundo campo del cuadro; pero si la primera imagen es una campo de tipo P o B, entonces la segunda cuadro tiene que ser del mismo tipo que la primera..

(37) 15. 1.3.2.2. Formatos de Muestreo. Al igual que MPEG-1, las imágenes de entrada son codificadas en el espacio de colores YCbCr; sin embargo, además del formato de muestreo que utiliza MPEG1 que es 4:2:0, MPEG-2 soporta los formatos 4:2:2 y 4:4:4.. Figura 1.3 Formato 4:2:2 y 4:4:4. 1.3.2.3. Transformada DCT. Debido a la existencia de los conceptos de cuadro y campo, la DCT puede aplicarse sobre imágenes-cuadro o imágenes-campo. Los bloques de luminancia reciben un tratamiento diferente que los bloques de crominancia en vídeo entrelazado. 1.3.2.4. Cuantificación. MPEG – 1 utiliza sólo dos matrices de cuantificación para los coeficientes DCT, una para bloques intra y otra para bloques inter. En MPEG – 1, las matrices de cuantificación sólo pueden ser cambiadas en la capa de secuencia, mientras que en MPEG – 2, las matrices puedes ser cambiadas en el nivel de cuadro. MPEG-2 usa, para los formatos 4:2:2 y 4:4:4, diferentes matrices de cuantificación para las componentes de luminancia y crominancia. De este modo se pueden utilizar dos matrices de cuantificación para la luminancia, una para cuadros inter y otra para cuadros intra, y otras dos matrices para las componentes de crominancia..

(38) 16. 1.3.2.5. RLC y codificación de entropía. En MPEG-2, además al orden en zigzag de lectura de los coeficientes DCT para realizar la codificación de longitud de series, se permite otro orden de lectura de coeficientes llamado alternativo.. Figura 1.4 Lectura de los coeficientes DCT. Luego del barrido, los coeficientes AC y DC son codificados de la misma forma que en MPEG-1. Luego se aplica la codificación de longitud variable VLC Huffman. 1.3.2.6. Escalabilidad. Una de las mejoras de MPEG -2 es la escalabilidad en el flujo de bits, la cual permite una representación por capas del flujo de bits de una única fuente de vídeo. Esto se consigue estructurando el flujo de bits en dos o más capas que mejoran la calidad que proporciona la capa básica. La sintaxis de MPEG-2 permite cuatro modos básicos de escalabilidad: partición de datos, escalabilidad de SNR, escalabilidad espacial y escalabilidad temporal. 1.. Partición de datos: aquí el flujo de bits es dividido en dos capas, llamadas particiones. La primera partición puede incluir toda la información crítica,.

(39) 17. como cabeceras, vectores de movimiento y coeficiente DC de la DCT, y la segunda partición puede incluir el resto de la información. 2.. Escalabilidad de SNR: permite interoperabilidad entre servicios y flexibilidad en los receptores de la señal, de forma que aquellos que no puedan o no deseen reconstruir la señal a su resolución completa puedan decodificarla una resolución temporal o espacial menor, o con menos calidad, este punto es importante en la compatibilidad de equipos HD y SD.. 3.. Escalabilidad espacial: el flujo de bits se divide en capas de diferente resolución espacial. La capa básica es codificada por sí misma y proporciona la resolución espacial básica, mientras que la capa de mejora utiliza la capa básica, para proporcionar la resolución espacial completa de la señal de video.. 4.. Escalabilidad temporal: La escalabilidad temporal permite la migración desde sistemas con baja resolución temporal a sistemas con mayores resoluciones temporales, y permite su inter-operatividad con un mismo flujo de bits. La capa básica es codificada por sí misma y proporciona el caudal básico temporal, y las capas de mejora son codificadas con predicción temporal con respecto a la capa básica. La capa básica y la capa de mejora pueden ser combinadas para generar un flujo de bits de resolución temporal completa.. 1.3.3 MPEG - 4 El estándar MPEG – 4 se ha desarrollado para aplicaciones de comunicaciones multimedia, a muy bajo caudal, en las cuales se requiere la comunicación de información audiovisual, que puede ser natural o sintética, en tiempo real o no, con interactividad en la información por parte del usuario, etc. Una. aplicación típica de este estándar sería la transmisión de imágenes en. movimiento por Internet, a bajos caudales, y su inter-operatividad con las aplicaciones WEB..

(40) 18. MPEG – 4 a diferencia de los estándares MPEG – 1 y MPEG –2, que se basan en la codificación de cuadros de video, realiza una codificación basada en objetos. MPEG – 4 define una escena audiovisual como una representación codificada de objetos audiovisuales que tiene cierta relación en el tiempo y en el espacio. Dichos objetos pueden ser, un objeto dentro de una escena o podría ser el fondo completo de la escena. La noción de objeto permite mezclar objetos naturales o sintéticos generados por un computador, tales como gráficos o texto.. 1.4 FORMATOS DE AUDIO UTILIZADOS PARA IPTV La compresión de audio como su nombre lo indica permite la reducción del tamaño de un flujo de audio, para realizar este proceso se siguen algoritmos tanto de codificación como de decodificación. Para realizar la compresión de audio se aprovecha de aspectos tales como que el oído humano es sensible a sonidos que están en frecuencias entre 20 Hz y 20 KHz, tal como muestra la figura 1.5 , pero tomando en cuenta cual es la potencia del sonido, por tanto sonidos que son imperceptibles para el oído humano pueden ser eliminados.. Figura 1.5 Curva del umbral de audibilidad.

(41) 19. Otro factor tomado en cuenta para la compresión del audio es el fenómeno de enmascaramiento frecuencial, el cual se basa en la disminución de la sonoridad de un tono a una cierta frecuencia, en presencia de otro tono simultáneo a una frecuencia diferente. Es decir, cuando el oído es expuesto a dos o más sonidos de diversas frecuencias, existe la posibilidad que uno de ellos camufle a los demás y por tanto, que éstos no se oigan. A continuación se van a describir los diferentes codecs de audio de la familia MPEG. 1.4.1 MPEG-1 Es el estándar inicial que se usó para la compresión de audio y video, es mono estéreo y define tres capas, tanto la capa I como la II están basadas en el formato de compresión psicoacústico MUSICAM4, mientras que la capa III, más conocida como MP3, utiliza para la compresión un modelo psicoacústico diferente denominado “modelo 2”, y un análisis de la señal basado en la DCT, lo cual da como resultado una mayor compresión en comparación a las capas uno y dos.. Capa. Tasa de bits (Kbps). Compresión. Capa I. 32 – 448. 1:4. Capa II. 32 – 384. 1:6 – 1:8. Capa III. 32 – 320. 1:10 – 1:12. Tabla 1.1 Comparación de las capas de MPEG-1. 4. MUSICAM, es una codificación de audio propuesta al grupo MPEG, que se convirtió en la base para el códec de audio MPEG-1. Es capaz de reducir la cantidad de datos requeridos por factores típicos de entre 6:1 a 12:1..

(42) 20. 1.4.2 MPEG-2 Este estándar permite la transmisión de audio y video de gran calidad a altas tasas de velocidad de transmisión, es utilizado típicamente en la televisión digital, a diferencia de MPEG-1, MPEG-2 es multicanal, ya que maneja hasta 5 canales de audio. MPEG-2 en su versión original fue compatible con MPEG-1, pero debido a la implementación de nuevos algoritmos de compresión, esta compatibilidad fue desechada, lo cual llevó a la definición del esquema Advance Audio Coding (ACC) 1.4.3 ACC Este estándar de compresión de audio es una extensión de MPEG-2, está basado en el algoritmo de compresión con pérdida, entre sus principales características tenemos las siguientes: Ø Usa una frecuencia de bits variable (VBR) Ø Es un algoritmo de compresión de banda ancha de audio que da como resultado un mayor rendimiento que MP3. Ø Se basa en la eliminación de redundancias de la señal acústica, y en la compresión haciendo uso de la MDCT (Transformada Coseno Discreta Modificada). Ø No es compatible con MPEG-1 Ø Usa las frecuencias de muestreo siguientes: 48kHz, 44Khz, 24 kHz, 22.05 kHz, 16 kHz. 1.4.4 MPEG-4 Este estándar proporciona mayores beneficios que los anteriormente mencionados, hace uso de algoritmos específicos para el audio en general y para la voz, para lo que es audio en general se basa en MPEG-2..

(43) 21. 1.4.4.1 Codecs para la voz HVCX: Este es un vocoder que opera a 2 y 4 Kbps y ofrece una buena calidad de voz a bajas tasas de transmisión. CELP: Las frecuencias de codificación de este son de 6 Kbps (AB= 3.3 KHz) hasta 18 Kbps, con un frecuencia de muestreo más alta para las voz en banda ancha. 1.4.4.2 Codecs para el audio en General HE-AAC: Este codificador está basado en AAC-MPEG-2, pero mucho más eficiente, alrededor de un 40%, ya que usa técnicas de replicación de banda espectral o SBR lo cual implica que la banda de frecuencia superior no se codifique, pero de alguna forma esta se encuentre replicada por el decodificador de la banda de frecuencia más baja con algunos datos de control. El rango de velocidades de transmisión va de 32 a 12 y posee una tasa de compresión de 1:24. Twin VQ: Es un códec cuyo objetivo primordial es la codificación de audio a bajas velocidades de transmisión, tiene mayor eficiencia que ACC pero disminuye un factor mínimo la calidad del audio; usa una cuantización de vector entrelazado de los mismos factores de escala y datos espectrales que el usado en ACC. A parte de los codecs MPEG existen otros desarrollados por diferentes organizaciones tal es el caso de Dolby – Digital, también conocido como AC-3, maneja hasta 6 canales de sonido, cinco de un AB completa y uno de baja frecuencia (LFE). Una vez realizada la compresión desechando todos los aspectos imperceptibles para el ser humano, se puede añadir información adicional como información para corrección de errores. Este códec es muy versátil ya que permite frecuencias de muestreo de 32, 44.1 y 48 Khz y velocidades de 32 Kbps a 640 Kbps..

(44) 22. 1.5. SUITE DE PROTOCOLOS UTILIZADOS PARA IPTV. La suite de protocolos usada por la tecnología IPTV se encuentra dividida en 2 partes, y está definida en la ITU-T Rec. J.281.. Figura 1.6 Suite de Protocolos usados para IPTV. 1.. Grupo de capas debajo de la capa RTP: Estas capas son las encargadas de la transmisión de la información. 2.. Grupo de capas por encima de MPEG-2 TS: Estas son las capas encargadas de los servicios.. Estos grupos de capas mencionadas no mantienen gran relación, por tanto las operaciones de red y operaciones de servicios no son dependientes una de la otra. 1.5.1 UDP/RAW Y UDP/RTP Se tiene que tomar en cuenta que el video puede ser directamente trasportado en paquetes UDP sin ser necesario el uso de RTP, cuando esto ocurre estamos hablando de UDP/RAW. Cuando se usa UDP/RAW varios errores y condiciones de la información pueden ser detectados, tales como:.