Sistema de video por demanda para el entorno colombiano

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(1)IEL2-II-05-08. SISTEMA DE VIDEO POR DEMANDA PARA EL ENTORNO COLOMBIANO. ANDRES DAVID GALINDO OLARTE. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA BOGOTA 2005.

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(3) IEL2-II-05-08. SISTEMA DE VIDEO POR DEMANDA PARA EL ENTORNO COLOMBIANO. ANDRES DAVID GALINDO OLARTE. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA BOGOTA 2005.

(4) IEL2-II-05-08. SISTEMA DE VIDEO POR DEMANDA PARA EL ENTORNO COLOMBIANO. ANDRES DAVID GALINDO OLARTE. Proyecto de grado para optar por el titulo de Ingeniero Electrónico. Asesor Ph.D. RAFAEL CAMERANO FUENTES. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA BOGOTA 2005.

(5) IEL2-II-05-08. Nota de aceptación:. ________________________ ________________________ ________________________ ________________________ ________________________. ________________________ Asesor:. ________________________ Jurado:. ________________________ Jurado:. Bogota, Diciembre 12 de 2005. i.

(6) IEL2-II-05-08. A. mis. padres. que. siempre me han apoyado y creído en mí. ii.

(7) IEL2-II-05-08. AGRADECIMIENTOS. Agradezco a mi asesor Ph.D. Rafael Camerano Fuentes, por su colaboración y apoyo para llevar a cabo este proyecto. Agradezco a la Universidad de los Andes por brindarme el conocimiento y las herramientas que fueron de vital importancia para lograr mis objetivos. Agradezco a todos mis compañeros dentro y fuera de la universidad por ser siempre tan incondicionales y por el ánimo que me infundieron. Agradezco a mi familia pues absolutamente todos han sido increíbles conmigo. Agradezco a mis padres pues siempre me han ayudado a alcanzar todas mis metas. Agradezco a mi novia Lucy pues cuando las cosas estaban regulares o mal afuera en el mundo, me bastaba verla para que todo valiera la pena. Agradezco a Dios pues siempre lo he sentido a mi lado ayudándome cuando lo he necesitado.. iii.

(8) IEL2-II-05-08. CONTENIDO. pág INTRODUCCION. 1. 1. EJEMPLOS DE SISTEMAS DE VIDEO POR DEMANDA. 2. 1.1. SISTEMA DE VOD SOBRE B-ISDN, INTERCONECTADO A. 2. TRAVÉS DE ATM 1.1.1. Roles en el sistema. 2. 1.1.2. Arquitectura de referencia.. 3. 1.1.3. Redes de acceso. 5. 1.1.4. Red de conmutación de banda ancha. 6. 1.1.5. Interfaces. 6. 1.1.6. Aspectos de control. 8. 1.1.7. QoS (Calidad del servicio) 1.2. DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE SEACHANGE PARA. 11 12. VOD SOBRE IP 1.2.1. Mediaclusters. 12. 1.2.2. Command Center. 14. 1.2.3. Aplicación de películas por demanda. 15. 1.2.4. Red de distribución. 15. 2. ANALISIS DE COMPONENTES DEL SISTEMA. 17. 2.1. ENTREGA DE VIDEO SOBRE IP. 17. 2.2. FORMATOS DE COMPRESIÓN DE VIDEO. 18. 2.3. ANCHO DE BANDA NECESARIO EN RELACIÓN A CANTIDAD. 27. DE VIDEOS EN PRESENTACIÓN Y NUMERO DE USUARIOS SUSCRITOS iv.

(9) IEL2-II-05-08. 2.4. INTERFAZ CON EL USUARIO 3. SITUACION ACTUAL DE LOS SERVICIOS DE BANDA ANCHA EN. 29 33. COLOMBIA 4. PROPUESTA Y VALIDACION DEL SISTEMA DE VIDEO POR. 39. DEMANDA PARA EL ENTORNO COLOMBIANO 4.1. VOD SOBRE IP. 39. 4.2. ELECCIÓN DEL CODEC: MPEG-4 (H.264). 40. 4.3. ANCHO DE BANDA. 41. 4.3. ANCHO DE BANDA. 42. 4.5. VALIDACIÓN DEL SISTEMA MEDIANTE SIMULACIÓN. 44. 4.5.1. Ancho de Banda. 44. 4.5.2. Retardos. 49. 4.5.3. Porcentaje máximo de usuarios activos.. 54. CONCLUSIONES. 57. BIBLIOGRAFIA. 59. v.

(10) IEL2-II-05-08. LISTA DE CUADROS. pág Cuadro 1. Pila de protocolos en el punto de referencia A. 6. Cuadro 2. Pila de protocolos en el punto de referencia B. 7. Cuadro 3. Pila de protocolos en el punto de referencia C. 7. Cuadro 4. Pila de protocolos en el punto de referencia D y E. 7. Cuadro 5. Calidad de video y tasa de bits necesaria. 11. Cuadro 6. Aplicaciones, resolución y tasa de bits de MPEG-2. 20. Cuadro 7. Comparación de MPEG-4 con MPEG-2. 21. Cuadro 8. Perfiles de VC-1. 22. Cuadro 9. Comparación del perfil avanzado de WMV9 con MPEG-2. 23. Cuadro 10. Resumen de ventajas y desventajas de los codecs. 26. Cuadro 11. Suscriptores de TV por cable a septiembre de 2005. 37. Cuadro 12. Descripción de las conexiones para ADSL. 45. Cuadro 13. Flujo máximo de trafico en bps para ADSL. 46. Cuadro 14. Descripción de las conexiones para HFC. 48. Cuadro 15. Flujo máximo de trafico en bps para HFC. 49. vi.

(11) IEL2-II-05-08. LISTA DE FIGURAS. pág Figura 1. Sistema de VOD sobre B-ISDN, interconectado a través de ATM. 3. Figura 2. Arquitectura en el lado del usuario. 4. Figura 3. Arquitectura de referencia de redes de acceso. 5. Figura 4. Niveles de control. 8. Figura 5. Jerarquía de control. 8. Figura 6. Escenario de control – Parte 1. 9. Figura 7. Escenario de control – Parte 2. 10. Figura 8: Diagrama de bloques del sistema de VOD de Seachange. 12. Figura 9. Estructura de un Mediacluster. 13. Figura 10. Formatos de video, tasa de bits y almacenamiento para. 13. Seachange Figura 11. Arquitectura general de red de acceso IP. 16. Figura 12. Arquitectura para red de acceso tipo xDSL. 16. Figura 13. Clip de una película de James Bond. 25. Figura 14. Clip de una pequeña sección de un juego de football. Popular del. 25. suite de pruebas de MPEG-2 Figura 15. Clip de un salmón nadando bajo el agua. 26. Figura 16. Ejemplos de interacción a través de un IPTV-STB usando. 30. middleware de la compañía ORCA Interactive Figura 17. Ejemplo de interfaz de selección y petición por Internet. 31. Figura 18. Izquierda: Distribución de suscriptores en Colombia por. 33. tecnología a diciembre de 2003. Derecha: Distribución de usuarios en Colombia por tecnología a diciembre de 2003 vii.

(12) IEL2-II-05-08. Figura 19. Evolución de usuarios de Internet en Colombia por tipo de. 34. tecnología Figura 20. Proyección de suscriptores de banda ancha hecha por la CRT y. 35. el ministerio de comunicaciones en el 2004 Figura 21. Suscriptores de Internet de banda ancha en Colombia. 35. Figura 22. Numero de suscriptores a Internet banda ancha por tipo de medio. 36. a enero de 2005 Figura 23. Esquemático simulación de ancho de banda para ADSL. 45. Figura 24. Graficas de capacidad en bps para ADSL. 46. Figura 25. Esquemático simulación de ancho de banda para HFC. 47. Figura 26. Graficas de capacidad en bps para HFC. 48. Figura 27. Esquemático retardos para ADSL. 50. Figura 28. Esquemático cabecera de ADSL. 50. Figura 29. Tiempo de respuesta del sistema sobre ADSL. 51. Figura 30. Esquemático retardos para HFC. 52. Figura 31. Esquemático cabecera de HFC. 52. Figura 32. Tiempo de respuesta del sistema sobre HFC. 53. Figura 33. Esquemático porcentaje máximo de usuarios. 54. Figura 34. Ancho de banda de salida del enlace Fast Ethernet en el servidor. 55. de VOD para caso extremo con 20 usuarios Figura 35. Numero de usuarios activos para caso extremo con 20 usuarios. 55. Figura 36. Numero de usuarios activos para caso extremo con 100 usuarios. 56. viii.

(13) IEL2-II-05-08. INTRODUCCION. La tecnología de video por demanda (VOD) ha venido desarrollándose desde hace un buen tiempo atrás con una alta participación de empresas privadas. Se han planteado y estudiado protocolos y arquitecturas entre otros aspectos específicos. El video por demanda ha sido trabajado de la mano con otras tecnologías de servicios interactivos y se han desarrollado algunos estándares, los cuales no han tenido una alta acogida, otros se han adaptado. En países desarrollados se encuentran funcionando sistemas de VOD ligados, en su mayoría, a empresas de TV por suscripción y de telefonía fija, como plataformas para proveer servicios de valor agregado. En Colombia no existe en funcionamiento ningún sistema de VOD actualmente, pero se encuentra en los planes futuros de muchas compañías. Para el ingreso de esta tecnología a nuestro país es necesario tener un buen conocimiento de la misma y dado que es un tema relativamente nuevo, especialmente en Colombia, debemos ir paso a paso hasta poder llegar a un nivel en el cual podamos manejar y desarrollar la tecnología. Con este trabajo podemos empezar a construir este conocimiento. En este articulo se presentaran ejemplos de sistemas planteados previamente, se expondrán los aspectos mas importantes de un análisis realizado a algunos componentes del sistema, seguidamente se mostrará un panorama global acerca de la situación actual de los servicios de banda ancha en Colombia y se concluirá con el planteamiento del sistema de video por demanda para el entorno Colombiano junto con algunos resultados pertinentes para la validación del mismo.. 1.

(14) IEL2-II-05-08. 1. EJEMPLOS DE SISTEMAS DE VIDEO POR DEMANDA. A continuación describiremos dos sistemas de VOD con los cuales podremos adquirir una base para entender este tipo de sistemas y tecnología. 1.1. SISTEMA DE VOD SOBRE B-ISDN, INTERCONECTADO A TRAVÉS DE ATM [1]. Se describe su arquitectura y funcionamiento: 1.1.1. Roles en el sistema. -. Consumidor: Quien finalmente recibirá el contenido en demanda.. -. Proveedor de servicio: Los dueños de los servidores de video, en los cuales residen los contenidos en demanda.. -. Broker (Intermediario): Al existir varios proveedores de servicio, el broker permite al consumidor contactar a cualquiera de ellos.. -. Proveedor de contenido: Son los dueños de los contenidos y les venden los derechos de distribución a uno o más proveedores de servicio.. -. Proveedor de la red: Es. quien provee la infraestructura para el. funcionamiento del servicio.. 2.

(15) IEL2-II-05-08 Puede que una sola compañía juegue varios roles, por ejemplo ser broker y proveedor de la red, al mismo tiempo, o proveedor de la red y de servicio. 1.1.2. Arquitectura de referencia.. Figura 1. Sistema de VOD sobre B-ISDN, interconectado a través de ATM. Tomada de [1]. Descripción de los componentes:. -. Video servers (Servidores de video): Contienen la fuente de programas de video y proveen copias por demanda del contenido.. -. ATM Broadband switching network (Red de conmutación de banda ancha ATM): Provee interconexión entre los demás componentes de la arquitectura. Lleva señalización, por ejemplo entre service gateway y service operations, y datos, por ejemplo entre un servidor de video de algún proveedor de servicio y una red de acceso como una compañía de TV por cable.. -. Network managment (Gestion o manejo de la red): Monitoreo, desempeño, estadísticas de fallas, etc…. 3.

(16) IEL2-II-05-08 -. Service gateway (Compuerta de servicio): Permite la interacción de los consumidores con varios proveedores de servicio; por medio de ella pueden escoger el proveedor de servicio a utilizar. Posibles funciones: - Navegación de primer nivel: Escogencia del proveedor de servicio, información relativa costos. - Personalización del usuario final: Proveedor de servicio por defecto, permiso para acceder a algunos proveedores de servicio específicos. - Descarga de software al STP (Set top box): El STP es el dispositivo por medio del cual el usuario final interactúa con el servicio de video por demanda.. -. Service operations (Operaciones de servicio): Operaciones que le permiten al usuario final interactuar con un proveedor de servicio especifico, por ejemplo observar los programas que ofrece, realizar una petición de un programa, permitir la comunicación con servidores que manejan otros protocolos.. -. Access Network (Red de acceso): Infraestructura por la cual se llega al usuario final. La NT (terminación de la red) es donde la red termina, en el sitio del usuario final.. -. CPE (Equipos del consumidor): Uno o más STPs, televisores, PCs, redes internas, etc…. Figura 2. Arquitectura en el lado del usuario. Tomada de [1].. 4.

(17) IEL2-II-05-08 El CPT (Terminación de los equipos del usuario) es opcional, cuando se necesita, y seria quien desacopla la capa física con las capas superiores. Los TE pueden ser televisores, o monitores.. El STP puede tener las siguientes funciones: -. Interactuar con el televisor. -. Decodificar video en MPEG. -. Interactuar con el usuario final. -. Interactuar con la red. -. Encriptación, bloqueos. La funcionalidad de VOD se asume incluida en el STP, por lo cual también debe: -. Soportar los protocolos para interactuar con la compuerta de servicios, sistema de operaciones de servicios y/o servidores de video.. 1.1.3. Redes de acceso. La red de acceso debe comunicarse con la red de conmutación de banda ancha, para esto debe tener una interfase bidireccional: nodo de acceso. El nodo de acceso permite a la tecnología de la red de acceso interactuar con redes ATM. Las tecnologías de la red de acceso podrían ser:. Figura 3. Arquitectura de referencia de redes de acceso. Tomada de [1].. 5.

(18) IEL2-II-05-08 1.1.4. Red de conmutación de banda ancha. Basada sobre ATM, el servicio de VOD. puede. ser. soportado. sobre. conexiones. conmutadas. o. virtuales. semipermantes. Se propone una red basada en una red totalmente conmutada BISDN ATM. Para capas superiores se propone el uso de la recomendación Q.2931 de la ITU-T [2] para controles de conexión y llamada. 1.1.5. Interfaces. Observando nuevamente la arquitectura de referencia, figura 1, se deben definir unas interfaces básicas, en los puntos de referencia A, B, C, D y E, para acople de las comunicaciones entre los subsistemas. Las interfaces serán descritas por medio de pilas de protocolos. Para los puntos D y E será utilizada la misma pila: Cuadro 1. Pila de protocolos en el punto de referencia A. Tomado de [1].. 6.

(19) IEL2-II-05-08 Cuadro 2. Pila de protocolos en el punto de referencia B. Tomado de [1]. Cuadro 3. Pila de protocolos en el punto de referencia C. Tomado de [1].. Cuadro 4. Pila de protocolos en puntos de referencia D y E. Tomado de [1]. 7.

(20) IEL2-II-05-08 1.1.6. Aspectos de control.. Se considera la interacción entre los diferentes. componentes del sistema como un primer paso para la identificación de requerimientos de señalización y de los protocolos a nivel de aplicación. En las siguientes figuras se muestran los niveles de control y su jerarquía:. Figura 4. Niveles de control. Tomado de [1].. Figura 5. Jerarquía de control. Tomado de [1].. -. Control de conexión: Se define como las capacidades básicas dadas por la red de conmutación de banda ancha para establecer y manejar una conexión entre dos componentes del sistema.. 8.

(21) IEL2-II-05-08 -. Control de sesión: Los controles necesarios entre dos partes del sistema para obtener permiso de conexión.. -. Controles de aplicación: Una vez establecida la conexión, estos controles manejan el servicio.. Posibles escenarios (formas de control): Escenario con control de conexión y sesión por aparte (No disponibles en un solo conjunto de señalización):. V Figura 6. Escenario de control – Parte 1. Tomada de [1].. 9.

(22) IEL2-II-05-08. Figura 7. Escenario de control – Parte 2. Tomada de [1].. Otros escenarios pueden contener las siguientes diferencias: -. Los controles de sesión y conexión, entre dos entes, están integrados, por lo que solo tendríamos un conjunto de flujos referente a sesión y conexión en vez de un conjunto para sesión y otro para conexión.. -. Después de ser elegido un proveedor de servicio, la petición de sesión y conexión es intermediada por la compuerta de servicio, es decir, cuando el STB ha elegido un proveedor de servicio, es la compuerta de servicio quien le pregunta ha las dos partes, el STB y el proveedor de servicio, si acepta la conexión y no el STB quien le dice a la compuerta de servicio que le pregunte al proveedor de servicio si puede establecer una sesión y conexión. Esta capacidad la llaman capacidad de conexión por un tercer ente para la elección de proveedor de servicio, la diferencia yace en que después de que el STB elige el proveedor, no tiene que preocuparse por la negociación y establecimiento sino que estos los realiza la compuerta de servicio.. 10.

(23) IEL2-II-05-08 -. La conexión por un tercer ente puede también ser usada en el proceso de conexión STB – Servidor de video. Quien se encargaría de la negociación no seria la compuerta de servicio sino la red de conmutación de banda ancha.. -. Después que el STB haya elegido un proveedor de servicio, la compuerta de servicio le pide a la red de conmutación que le pida al proveedor servicio una conexión entre ella y el proveedor de servicio, en la cual verifiquen datos como por ejemplo derechos de acceso del usuario a ese proveedor de servicio.. Puede que solo haya un proveedor de servicio por lo que no es necesaria una compuerta de servicio sino que la petición de servicio comienza directamente con la petición del STB a la red de conmutación que le pida acceso al proveedor de servicio.. 1.1.7. QoS (Calidad del servicio).. Los principales parámetros para el. establecimiento de una conexión a través de la red ATM de conmutación de banda ancha son: tasa pico de células, tasa promedio de células, tasa de errores (BER), tasa de perdida de células, retraso permitido y variación del retraso permitido. En cuanto al video, los requerimientos necesarios suponiendo una codificación MPEG-2 son: Cuadro 5. Calidad de video y tasa de bits necesaria. Tomado de [1].. 11.

(24) IEL2-II-05-08 1.2. DESCRIPCIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE SEACHANGE PARA VOD SOBRE IP [3]. Figura 8: Diagrama de bloques del sistema de VOD de Seachange. Tomada de [3].. Este sistema se divide en 3 componentes hardware: Mediaclusters, VOD Command Center y la aplicación de películas por demanda. 1.2.1. Mediaclusters. Un Mediacluster esta compuesto de varios servidores de video, conectados a través de una red de alta velocidad, actuando como uno solo. Cada video o contenido esta dividido en los diferentes servidores del Mediacluster mediante la técnica de RAID5, la cual elimina la costosa necesidad de tener servidores de respaldo o replicados. La carga de procesamiento y de ancho de banda es automáticamente dividida entre todos los servidores del Mediacluster. 12.

(25) IEL2-II-05-08. Figura 9. Estructura de un Mediacluster. Tomada de [11]. Los Mediaclusters se complementan con una tarjetas edge, las cuales tienen como única función aplicar los encabezados de IP, con lo cual se libera los procesadores de los servidores, los cuales no son óptimos para esta función, como si lo son los procesadores de las tarjetas. Los Mediaclusters no son dependientes de formatos de video predeterminados, en el momento soportan los formatos MPEG-2, MPEG-4, Windows Media y ON2, sin embargo pueden soportar otros formatos en el futuro. Formatos mas avanzados permiten mejoras en ancho de banda y almacenamiento:. Figura 10. Formatos de video, tasa de bits y almacenamiento para Seachange. Tomada de [3]. 13.

(26) IEL2-II-05-08. El sistema puede alcanzar a almacenar hasta 20000 horas de video a 1Mbits/s y presentar hasta 12000 videos simultáneamente con un solo estante de servidores de video.. Pueden interconectarse hasta 9 Mediaclusters. 1.2.2. Command Center. Se compone de dos servidores tolerantes a fallas para el servicio de directorio, otros dos para el servicio de propagación, otros dos para el manejador de conexión, SRM y servicio de presentación (streaming), finalmente otros dos para el servicio de aplicación (Manejador de contenidos y base de datos de aplicación).. -. Manejador de contenidos: Es la interfaz por medio de la cual se realizan operaciones, manuales o automáticas, de adición, eliminación y modificación de contenido como video, audio, texto, gráficos, fuentes, etc…. -. Servicio de directorio: Provee rápido acceso a atributos como: metadata, priorización, vínculos de aplicación, grupos y localización.. -. Servicio de propagación: Es el ejecutor de las órdenes del manejador de contenidos, replica contenidos entre Mediaclusters, solo es necesario una copia del video por Mediacluster, algunas operaciones las realiza por si mismo de acuerdo a prioridades, configuración de la red de Mediaclusters, utilización, entre otras.. -. Manejador de recursos. de sesión (SRM): Representa un servidor. permanente para el STB y la red de distribución, independiente del tipo de red de distribución, para la petición de videos y el control de ellos, utiliza el protocolo RTSP (Real time streaming protocol). Las peticiones exitosas son enviadas al manejador de conexión. -. Manejador de conexión: Posee el control de todo el ancho de banda de la red y los servidores. Cuando la petición exitosa del SRM le llega, él determina 14.

(27) IEL2-II-05-08 que servidor y puerto utilizará para el envío de los contenidos. En general configura los recursos de red necesarios. -. Manejador de presentación (streaming): Es el componente que maneja la presentación de los videos a través del protocolo RTSP. Es independiente de las aplicaciones y se comunica directamente con los servidores de aplicación y el manejador de conexión.. 1.2.3. Aplicación de películas por demanda. Tiene los siguientes componentes: -. Cliente de MOD (Películas por demanda): Es el software instalado e integrado con el navegador del STB del cliente. Se comunica con el servidor HTTP de MOD para la navegación y con el SRM para la petición de contenido.. -. Servidor HTTP de MOD: Es quien genera las páginas web de acuerdo a los contenidos y servicios disponibles.. -. Servicio de aplicación de MOD: Se trata de un proceso interno que revisa que se cumplan los requerimientos de usuario, suscripción, mora, etc. y guarda los tiempos de presentación, suspensión, para proveérselos a servicio de cobro.. -. Servicio de interfaz de cobro: Transfiere los datos de cobro guardados a sistemas de cobro externos.. -. Servicio de manejo de subscriptores SMS: Sincroniza sistemas externos de SMS con centro de comandos de VOD, son datos usados por el servicio de aplicación de MOD para verificación y permiso.. -. Almacén de datos y reportes: Genera reportes para resolver problemas del sistema y de cobro.. 1.2.4. Red de distribución. Cualquier forma de arquitectura de red sobre la cual se pueda montar IP es valida, en las capas superiores encontraremos RTSP sobre TCP, para señalización, el video es enviado mediante RTP y los demás contenidos mediante UDP: 15.

(28) IEL2-II-05-08. Figura 11. Arquitectura general de red de acceso IP. Tomada de [3]. Un caso especial en el cual la red de distribución es de tipo xDSL, comúnmente los puertos de salida tipo Gigabit ethernet, de los servidores de video, son conectados a un Digital Suscriber Line Access Multiplexer (DSLAM) por medio de algún Gateway como por ejemplo de Ethernet a ATM, el cual los enruta a su respectivo par trenzado, los paquetes en algunos casos son controlados por el protocolo PPPoA (PPP over ATM), que actúa comúnmente como protocolo de nivel 2 según el modelo OSI. En el otro extremo, los datos son demodulados por un modem xDSL por lo cual podemos decir que tendremos IP sobre PPPoA sobre ATM (IP/PPPoA/ATM/xDSL):. Figura 12. Arquitectura para red de acceso tipo xDSL. Tomada de [3].. 16.

(29) IEL2-II-05-08. 2. ANALISIS DE COMPONENTES DEL SISTEMA. Los aspectos para analizar serán: •. Entrega de video sobre IP. •. Formatos de compresión de video. •. Ancho de banda necesario en relación a cantidad de videos en presentación y numero de usuarios suscritos.. •. Interfaz con el usuario. 2.1. ENTREGA DE VIDEO SOBRE IP. En una red de TV por cable el servidor de VOD puede reservar porciones de espectro para cada video en presentación, con lo cual el equipo del usuario solo tendría que saber a que frecuencia sintonizarse. Por otro lado la elección de la película, la negociación de sesión/conexión y el control de la película pueden requerir intercambio de datos entre diferentes elementos del sistema que se encuentran en una red, en la cual no se comparte el medio necesariamente, con lo cual no bastaría la reserva de una porción del espectro a cada equipo del usuario o la asignación de una dirección MAC, para efectos de distinción de usuario, sino que se vuelve necesario el uso de algún protocolo de red, por ejemplo IP. En una red de telefonía publica local a base cable de cobre usando alguna tecnología xDSL, para transmisión de datos, podríamos tener enlaces punto a punto utilizando, por. 17.

(30) IEL2-II-05-08 ejemplo, PPPoA sobre ATM, por lo cual tampoco es necesario utilizar un protocolo de red para la entrega de video. El problema surge si quisiéramos que un mismo sistema de VOD entregue videos tanto a la red de TV por cable como a la de xDSL, el sistema tendría que tener dos interfaces y modos de funcionamiento diferentes, sin embargo si le aplicamos empaquetamiento IP al video podemos ganar generalidad en cuanto a la red de distribución a utilizar pues el sistema podría interconectarse a la red de distribución en forma similar a como se interconectan PCs, por medio de esa misma red de distribución, a Internet. El sistema actuaría como un ente independiente y se podría acceder, por ejemplo, por medio de varios proveedores de TV por cable y xDSL, lo único que se tendría que garantizar es que estas redes de distribución puedan proveer ciertos parámetros de QoS, como ancho de banda mínimo y retardos máximos. Si se quiere utilizar un solo modem para el servicio de VOD junto con otros más como el de Internet, lo más probable es que el sistema tenga que estar sobre IP, pues necesitaríamos un enrutador que comúnmente se basa en IP. 2.2. FORMATOS DE COMPRESIÓN DE VIDEO. Un archivo de video es básicamente un arreglo tri-dimensional de píxeles de color, dos dimensiones definen la posición (vertical y horizontal) y la otra dimensión representa el dominio del tiempo. Es posible comprimir un archivo de video con o sin perdida de datos. Comúnmente se utiliza la compresión con perdida de datos pues se obtienen menores tamaños de archivo. Las técnicas de compresión se dividen en dos clases: compresión espacial, por ejemplo mediante prácticas de compresión de imágenes, en la cual se juega con las dimensiones espaciales y compresión temporal, por ejemplo obteniendo la mayor parte de una imagen a partir de la anterior, en la cual se juega con la dimensión temporal. Las herramientas que manipulan estos archivos se les llaman codecs de video. 18.

(31) IEL2-II-05-08 Procederemos a realizar una breve descripción de algunos de los codecs mas usados para presentación de videos en televisores adecuados para el servicio de VOD: MPEG-2, MPEG-4, VC-1. también conocido como WMV9 y VP7 de la. empresa ON2. •. MPEG-2: Es usado comúnmente en la transmisión de video digital en sistemas de televisión por cable y satélite, junto con algunas modificaciones es el formato de codificación de películas comerciales de DVD y HDTV. Es similar a MPEG1 pero añade soporte para video entrelazado, no es un formato optimizado para tasas de transferencia bajas (menores a 1 Mbit/s) sin embargo ofrece gran calidad para tasa de 3 Mbit/s o superiores en comparación con MPEG1. Un video MPEG-2 esta compuesto de tres tipos de tramas de datos de imágenes codificadas: trama de imagen internamente codificada (I), predictiva de adelanto (P) y predictiva bidireccional (B). Las tramas I usan compresión espacial y las P y B, compresión temporal. Dada la gran correlación entre imágenes consecutivas, una trama tipo B puede llegar a ser hasta de solo 2% del tamaño de la imagen original. La cantidad de tramas I, P o B depende del tipo de la naturaleza del video, las restricciones de ancho de banda y la capacidad de procesamiento en casos como transmisiones en vivo, ya que un video que contenga tramas tipo B puede tomar hasta 3 veces mas tiempo para codificar que un video con solo tramas tipo I.. 19.

(32) IEL2-II-05-08 Cuadro 6. Aplicaciones, resolución y tasa de bits de MPEG-2. Aplicación. Resolución (Pixeles). Cuadros por segundo. Tasa de bits (Mbit/s). máximos. Teléfonos celulares. 176 × 144. 15. 352 × 288. 15. 320 × 240. 24. 0.384. 352 × 288. 30. 4. 720 × 480. 30. 720 × 576. 25. 1440 × 1080i. 30. HDV. 1280 × 720p. 30. ATSC 1080i,. 1920 × 1080i. 30. PDAs. 0.096. Set-top boxes (STB). DVD, SD-DVB. 60 (DV: 25). 80. 720p60, HDDVB (HDTV). 15 (DVD: 9). 1280 × 720p. 60. (Over-the-air: 19). 720 × 480. 30. 50. Sony IMX Usando solo tramas tipo I. Tomado de [4]. •. MPEG-4: Comúnmente usado en la Web (streaming media), distribución en CDs, videófonos, y televisión por difusión. Contiene características como soporte de VRML para renderizado 3D, manejo de derechos digitales especificados externamente y varios tipos de interactividad. La mayoría de los atributos incluidos en el estándar son opcionales para los fabricantes de los codificadores para que sean implementados. Lo anterior se trata con el concepto de perfiles y niveles, permitiendo seleccionar un conjunto de atributos para ciertas aplicaciones. 20.

(33) IEL2-II-05-08 La primera versión de MPEG-4 (MPEG-4 parte 2) fue realizada con los siguientes propósitos: -. Independencia en transporte: El protocolo de transporte se deja a decisión del proveedor de servicio, permitiendo flexibilidad en la arquitectura de red.. -. Buena calidad para tasas de transmisión bajas y medias.. -. Interactividad: las presentaciones están compuestas de objetos con los cuales es posible interactuar.. -. Escalabilidad: Provee flexibilidad en cuanto a la forma en que los videos son decodificados. La tasa de transmisión y la resolución son adaptables al entorno de red y el dispositivo de recepción, por ejemplo un video puede ser decodificado a una resolución mas baja a la que se encuentra codificado. La segunda versión (MPEG-4 parte 10, también muy conocido como H.264) tuvo las siguientes mejoras:. -. Aumentar el rendimiento de compresión logrando tasas de bits de menos de 50% de su versión anterior con una misma calidad.. -. Soportar una aplicación flexible apropiada para una variedad de servicios por ejemplo, retrasos cortos para conversaciones en tiempo real, excluyendo tramas tipo B.. -. Proveer robustez a errores por asuntos como un canal ruidoso. Cuadro 7. Comparación de MPEG-4 con MPEG-2. Aplicación. Complejidad del decodificador comparado con MPEG-2 Bajo retardo, videófono 2.5 veces mas complejo Moviles, streaming 3.5 veces mas complejo Transmisión de video por 4 veces mas complejo cable y satélite y medios empaquetados Tomado de [6]. •. Mejora de la eficiencia sobre MPEG-2 1.5 veces mejor 1.75 veces mejor 2 veces mejor. VC-1 (WMV9): El codec aun no ha sido completamente aprobado por la SMPTE, sociedad de ingenieros de televisión y de imágenes en movimiento. 21.

(34) IEL2-II-05-08 VC-1 decodifica video de alta definición dos veces más rápido que H.264 y ofrece 2 a 3 veces más compresión que MPEG-2. Se ha convertido en el codec oficial para la siguiente generación de estándares como HD-DVD. Debido a su baja complejidad, reduce costos en la fabricación de chips y dispositivos. El codec funciona con los siguientes perfiles: Cuadro 8. Perfiles de VC-1 Perfil. Nivel. Tasa de transmisión Formato máxima. Simple. Bajo. 96 Kbps. 176 x 144 @ 15 Hz (QCIF). Medio. 384 Kbps. 240 x 176 @ 30 Hz 352 x 288 @ 15 Hz (CIF). Principal. Bajo. 2 Mbps. 320 x 240 @ 24 Hz (QVGA). Medio. 10 Mbps. 720 x 480 @ 30 Hz (480p) 720 x 576 @ 25 Hz (576p). Avanzado. Alto. 20 Mbps. 1920 x 1080 @ 30 Hz (1080p). L0. 2 Mbps. 352 x 288 @ 30 Hz (CIF). L1. 10 Mbps. 720 x 480 @ 30 Hz (NTSC-SD) 720 x 576 @ 25 Hz (PAL-SD). L2. 20 Mbps. 720 x 480 @ 60 Hz (480p) 1280 x 720 @ 30 Hz (720p). L3. 45 Mbps. 1920 x 1080 @ 24 Hz (1080p) 1920 x 1080 @ 30 Hz (1080i) 1280 x 720 @ 60 Hz (720p). L4. 135 Mbps. 1920 x 1080 @ 60 Hz (1080p)* 2048 x 1536 @ 24 Hz. Tomado de [7].. 22.

(35) IEL2-II-05-08 WMV9 implementa los perfiles simple, principal y avanzado (WMV9 Advanced Profile) de VC-1. A continuación se muestra una comparación de WMV9 advanced profile con MPEG-2:. Cuadro 9. Comparación del perfil avanzado de WMV9 con MPEG-2 Datos de video. MPEG-2. 480/24p 720 x 480 pixels/frame x 8 bits per. WMV9 AP. 4–6 Mbps 1.3–2 Mbps. channel x 24 fps 480/30i 720 x 480 pixels/frame x 8 bits per channel x 30 6–8 Mbps. 2–4 Mbps. fps 720/24p 1280 x 720 pixels/frame x 8 bits per. 19 Mbps. 5–8 Mbps. channel x 24 fps Tomado de [7]. •. VP7 (ON2): Es un codec desarrollado por la empresa ON2 Technologies publicado en Marzo de 2005. Provee buena calidad de video desde tasas de transferencia bajas como las de conexiones telefónicas, hasta video de alta definición. Posee altas velocidades de compresión y descompresión. Ostenta las siguientes características: - Pruebas objetivas usando PSNR (Tasa pico de señal a ruido), entre otras métricas, muestran mejor rendimiento que WMV9 y H.264. - Se encuentra diseñado para funcionar en DSP (Procesadores digitales de señal) de bajo costo, ideal para dispositivos diferentes al PC, como STBs. - Solución totalmente basada en software, lo cual facilita las actualizaciones. - Es posible reproducir material de HD (Alta definición) de 1920x1080 en un PC de 2.5 GHz.. 23.

(36) IEL2-II-05-08 - Ofrece un modo de compresión rápida el cual es capaz de codificar en tiempo real en un buen PC Pentium 4, con un mínimo de perdida de calidad. Maneja tres perfiles: - Alta definición: Calidades medias a altas que pueden ser decodificadas en procesadores de bajo costo. - Simple: Tasas de transferencia bajas que pueden ser decodificadas en procesadores de bajo costo. - Avanzado: Provee la mejor calidad en tasas bajas, menores a 200 Kbps. En términos de complejidad de decodificación, los videos de mejor calidad de VP7 cuentan con la misma complejidad que videos de los perfiles de mas rápidos de MPEG-4 parte 2 y es aproximadamente 1.8 veces mas complejo que MPEG-2. Comparando el perfil avanzado VP7 con el perfil mas complejo de H.264 la diferencia es de 2 a 3 veces menor complejidad con VP7. La velocidad de compresión de VP7 es mayor comparada al modo más rápido de WMV9. A continuación se muestran comparaciones entre diferentes codecs usando la métrica PNSR, se trabajaron los perfiles de mayor calidad en todos los codecs:. 24.

(37) IEL2-II-05-08. Figura 13. Clip de una película de James Bond.1 Tomada de [8].. Figura 14. Clip de una pequeña sección de un juego de football. Popular del suite de pruebas de MPEG-2.2 Tomado de [8].. 1. Mov imientos rápidos.. 2. Mov imientos entramadamente rápidos, contiene altos contrastes específicamente en los números de las camisetas de los jugadores.. 25.

(38) IEL2-II-05-08. Figura 15. Clip de un salmón nadando bajo el agua. Tomado de [8].. Según las descripciones mostradas anteriormente resumiremos las ventajas (elementos diferenciadores). y desventajas principales de los codecs sobre los. demás: Cuadro 10. Resumen de ventajas y desventajas de los codecs Codec MPEG-2. MPEG-4 VC-1/ WMV9. VP7. Ventajas. Desventajas Bajo rendimiento de Compatibilidad, interoperabilidad, compresión, baja calidad para ampliamente desarrollado, múltiples tasas de transferencia herramientas. inferiores a 3 Mbit/s. Dejando de lado MPEG-2, es el Complejidad en su codec mas implementado, implementación, lo que puede desarrollado y aceptado. elevar costos. Dejando de lado MPEG-2, a Velocidad de decodificación, baja una misma tasa de transmisión complejidad de implementación. provee la peor calidad visual. El mejor rendimiento calidad/ancho de banda, modo de compresión Poco usado, el codec se vende rápida en tiempo real, baja ya implementado en código. complejidad, rapidez de compresión, solo software.. 26.

(39) IEL2-II-05-08 En un sistema de VOD el factor primordial a tener en cuenta es calidad vs. ancho de banda, lo mas posible es que se necesiten codificar videos pero no en tiempo real y el lapso que se demore el proceso no es determinante. La complejidad de los codecs junto con la rapidez de decodificación hacen que los fabricantes de dispositivos puedan disminuir sus precios, pues requiere menor rendimiento en el hardware. Es deseable encontrar varios dispositivos de interfaz con el usuario, de diferentes marcas, capacitados para manejar el codec, también que este se popularice cada vez más con el tiempo pues esto habilita mejoras de tecnología a más bajos precios. 2.3. ANCHO DE BANDA NECESARIO EN RELACIÓN A CANTIDAD DE VIDEOS EN PRESENTACIÓN Y NUMERO DE USUARIOS SUSCRITOS. Tomaremos como referencia las tasas de transmisión usadas en el sistema de VOD sobre IP de Seachange: 1.5 Mbps MPEG-4 y 750 Kbps para el codec de ON2. Usaremos el término ancho de banda normalmente para hablar de velocidad en bps. Despreciando el overhead producido por capas inferiores a la aplicación y el ancho de banda necesario del usuario hacia el sistema, existe una relación directa entre número de videos en presentación con el ancho de banda mínimo necesario, en un instante de tiempo, por el proveedor de servicio, dada por: •. BWmin = Np * 1.5 Mbps, para MPEG 4, con Np el numero de videos en presentación.. •. BWmin = Np * 750 Kbps, para ON2. El numero de videos en presentación en un instante de tiempo es una función dependiente del numero de usuarios suscritos, hora del día, día de la semana, videos disponibles y recurrencia por usuario. Para estimar el ancho de banda total necesario por número de usuarios suscritos (se desperdiciaría mucho ancho de 27.

(40) IEL2-II-05-08 banda si el total necesario fuera el numero de subscriptores por la tasa de transferencia pues solo un porcentaje de los usuarios suscritos se encuentran observando videos al mismo tiempo, en algún instante de tiempo), debemos revisar el peor caso, máximo numero de videos en presentación simultáneos durante cierto periodo, obtenido con: hora pico, día de mayor concurrencia, videos en estreno y una alta recurrencia en referencia por ejemplo al número de alquileres en video tiendas. Podemos simplificar el modelo anterior encontrando un dato estadístico, de empresas actualmente proveedoras de VOD, acerca del máximo porcentaje de usuarios viendo algún tipo de video en relación al número potencial, es decir, los usuarios suscritos. Esta cifra se encuentra alrededor del 5% [9], lo cual nos lleva a: •. BW T = 0.05 * Ns * 1.5 Mbps, para MPEG 4, con Ns el número de subscriptores. Ecuación 1.. •. BW T = 0.05 * Ns * 750 Kbps, para ON2. Ecuación 2.. El ancho de banda necesario en el lado de los usuarios, en un medio compartido deberá ser aproximadamente el equivalente a la capacidad necesaria para que el 5% de quienes comparten el medio y se encuentran suscritos al servicio de VOD, cuenten con la velocidad correspondiente a la respectiva tasa de transmisión del video. Si fuesen 100 usuarios compartiendo el medio y la tasa de transmisión de 1.5 Mbps, el medio deberá proveer una velocidad de 0.05*100*1.5Mbps = 7.5 Mbps. Cuando el medio no es compartido, por ejemplo en xDSL, cada usuario deberá contar con un ancho de banda, independiente de otros servicios como Internet, que proporcione la velocidad equivalente a la tasa de transmisión del video. En xDSL en contraste a una red de TV por cable, mientras los usuarios no se encuentran observando videos, el ancho de banda, en el medio, se desperdicia a menos que se use para otro servicio, pero lo anterior implicaría, en la sensación del usuario, que debe disminuir, por ejemplo, su velocidad de conexión a Internet cuando utilice VOD. En una red de TV por cable, el medio comúnmente estaría en uso pues se trata de un contexto compartido.. 28.

(41) IEL2-II-05-08 2.4. INTERFAZ CON EL USUARIO. Existen dos aspectos a tomar en cuenta: la forma en que se buscan y piden los videos y el tipo de dispositivo encargado de recibirlos, decodificarlos y entregarlos al televisor.. La búsqueda y petición pueden ser realizadas a través de la pantalla del televisor mediante el control remoto de un STB y/o alguna aplicación dentro de un PC como por ejemplo una pagina Web desplegada en un explorador de Internet. La recepción de video puede ser realizada mediante un PC o un STB con o sin funcionalidades adicionales a la del servicio de VOD. •. Interfaz del usuario mediante un STB. Un STB en general cuenta con un sistema operativo, un middleware y aplicativos. El middleware cliente se instala sobre el sistema operativo del STB y el middleware servidor sobre los servidores de video. El middleware, a diferencia del sistema operativo (OS), provee una capa independiente del hardware a aplicaciones de nivel superior. Es quien define la interfaz grafica y sus posibles interacciones, mediante él se accede a aplicativos de nivel superior como es el de VOD. Contiene los protocolos necesarios para interactuar con los servidores de video, sistemas de cobro y de gestión. Al acceder al aplicativo de VOD comúnmente se abre una página por medio de un b rowser en la cual se realiza la búsqueda del video, la navegación es controlada mediante un control remoto, al seleccionar el video, el middleware realiza todas las operaciones necesarias hasta la visualización por medio de algún reproductor instalado sobre el sistema operativo o incluido con el middleware. Los controles durante la reproducción del video se ejecutan a través del reproductor quien a su vez utiliza algún protocolo existente en el middleware como por ejemplo RTSP. 29.

(42) IEL2-II-05-08. Figura 16. Ejemplos de interacción a través de un IPTV-STB usando middleware de la compañía ORCA Interactive. Tomado de [10]. •. Interfaz por medio de un PC. La búsqueda y petición de videos puede realizarse por ejemplo, a través de una pagina Web. Es una alternativa mucho más rápida y versátil para la elección de los videos pues se cuenta con un Mouse y un teclado. Conlleva a un aumento del número de rentas, por ejemplo, en casos donde los usuarios deseen rentar alguna película pero no sepan cual, pues la interfaz Web hará mucho más simple encontrar alguna que se ajuste a sus preferencias. Por la interfaz del TV seria lento y dispendioso pues no se cuenta con muchas herramientas de selección y solo se dispone de un control remoto con limitada funcionalidad.. Al ser ordenado el video, este podría ser enviado al computador del cual fue pedido o a un STB. La identificación del dispositivo al cual debe ser enviado el video puede estar dada por una dirección MAC, IP o un serial. Esta funcionalidad de petición remota puede ser provista por el middleware instalado o puede ser desarrollada por el proveedor de VOD. Existirían diferentes maneras de desarrollar esta funcionalidad, una forma simple que no requiere 30.

(43) IEL2-II-05-08 modificaciones dentro del middleware es que para cada usuario exista una página personalizada, aquella que normalmente permitiría elegir el video de la aplicación de VOD accesada a través del browser del STB, en la cual ya no aparezcan varios videos para seleccionar sino solo uno, aquel pedido previamente mediante una pagina Web, el problema con este sistema es que se elimina la funcionalidad de petición mediante el STB con el control remoto, pero puede ser solucionado con una pagina dividida entre los videos adquiridos y la búsqueda con control remoto.. Figura 17. Ejemplo de interfaz de selección y petición por Internet. Tomado de [15]. En cuanto a la recepción de video mediante el PC, la entrada de datos requiere al menos un módem, para el caso de distribución sobre ADSL o redes de TV cable, comúnmente se encontraría sobre IP y existiría una aplicación que interactúe con los servidores de video. La aplicación deberá proporcionar algún tipo de protección para que los usuarios no puedan guardar y copiar los videos en su formato original. Generalmente estos mismos PC poseen una conexión a 31.

(44) IEL2-II-05-08 Internet por la misma red, el servicio de VOD podría utilizar la misma interfaz, usar la misma dirección IP para el ingreso a Internet, o generar otra interfaz en el momento del uso del servicio de VOD, en cualquier caso se compartiría el ancho de banda a menos que el módem fuese capaz de sintonizarse a dos frecuencias diferentes con distintos anchos de banda o se proporcionara una manera eficaz de limitar la velocidad de ingreso a Internet para garantizar la velocidad restante al servicio de VOD. Podría ser deseable visualizar los videos en una pantalla de TV para lo cual se necesitaría de algún dispositivo de exportación de video. Si el objetivo del sistema de VOD es brindarle al usuario la visualización del video en un TV, la opción de recepción de video a través de un PC tiene las ventajas de bajar costos de equipo e instalación, de equipo pues el PC remplazaría al STB y el valor del PC es un costo preliminarmente asumido por el usuario, de instalación en el caso en que el usuario contara previamente con Internet sobre la misma red, pero involucraría el costo del dispositivo transmisor de video, quien idealmente deberá lograr integrarse en forma simple con la aplicación de VOD, poder ser instalado sobre cualquier PC sin necesidad de mayores alteraciones y brindar una buena calidad de exportación. Tampoco podría garantizarse que el usuario pueda manipular la presentación de la película, pausar, adelantar, etc. de la misma manera que lo hace por ejemplo con un reproductor de DVD, mediante un control remoto. Otra desventaja es. que pueden existir. inconvenientes por capacidad de procesamiento o problemas de software que eviten la instalación o el buen desempeño del sistema. Muchas de las fallas que se podrían presentar no dependerían del proveedor sino de los PC y seria complicado brindar soporte.. 32.

(45) IEL2-II-05-08. 3. SITUACION ACTUAL DE LOS SERVICIOS DE BANDA ANCHA EN COLOMBIA. Comenzaremos observando algunas cifras de acceso a Internet, ya que estas constituyen un indicador importante sobre el desarrollo de un país en cuanto a los servicios de banda ancha.. La penetración de Internet en Colombia es de 7.9% de la población, a junio de 2004. En cuanto a los usuarios de banda ancha, constituyen solo un 1.2% de la población, una cifra muy lejana a aquellas de países industrializados e incluso a países cercanos como Chile, Brasil y Argentina [12].. Figura 18. Izquierda: Distribución de suscriptores en Colombia por tecnología a diciembre de 2003. Derecha: Distribución de usuarios en Colombia por tecnología a diciembre de 2003. Tomado de [12].. 33.

(46) IEL2-II-05-08 En general la penetración de Internet ha estado incrementándose de la misma manera como lo han hecho los servicios de banda ancha, prevalece el acceso por redes de cable sobre xDSL como se mostrara en la grafico siguiente:. Figura 19. Evolución de usuarios de Internet en Colombia por tipo de tecnología. Tomado de [12].. A la fecha el número de usuarios de xDSL ha venido aumentando con la disminución de precios y aumento de velocidades y espera seguir creciendo por factores como la llegada de ADSL Telecom a nivel nacional.. 34.

(47) IEL2-II-05-08. Figura 20. Proyección de suscriptores de banda ancha hecha por la CRT y el ministerio de comunicaciones en el 2004. Tomada de [12].. En el siguiente cuadro podemos observar la distribución de suscriptores a banda ancha para junio de 2004:. Figura 21. Suscriptores de Internet de banda ancha en Colombia. Tomado de [12]. Un dato más actualizado, finales del segundo semestre de 2004, muestra un crecimiento acelerado de penetración de xDSL:. 35.

(48) IEL2-II-05-08. Figura 22. Numero de suscriptores a Internet banda ancha por tipo de medio a enero de 2005. Tomado de [14]. En Bogota se encuentra concentrado el 76.3% de accesos por cable y 75.7% de accesos por xDSL [12]. De acuerdo a proyecciones realizadas por la firma OVUM en enero de 2002 con base en una encuesta realizada por la CRT, la demanda de conexiones xDSL para el año 2005 debería estar en 365000 accesos y la oferta en solo 120000 dejando una demanda insatisfecha de 245000 accesos. Hoy en día estas cifras pueden no ser acertadas pero aun se presenta el fenómeno en el cual la oferta no necesariamente cubre la demanda. Una causa principal por lo cual no se cubre la demanda, es porque los costos de provisión de servicio son elevados en relación a lo que las personas están dispuestas a pagar. Experiencias en países como Chile o Argentina muestran que es posible disminuir estos costos tomando ventaja de la disminución de los costos de equipos para el desarrollo de esta tecnología como también las respectivas economías a escala y aplicaciones en línea que hagan rentable la operación. Según un estudio sobre el mercado de banda ancha en Colombia realizado en el año 2003 para la CRT [13], la mayoría de redes de telefonía local fija se encuentra habilitadas para soportar la tecnología ADSL, es la alternativa preferida por los operadores para brindar servicios de banda ancha sin embargo existe un gran desconocimiento, por parte de los usuarios potenciales, acerca de las implicaciones 36.

(49) IEL2-II-05-08 de la banda ancha en diferentes servicios. Este mismo estudio muestra que 55% de quienes actualmente tienen conexión conmutada tienen interés en una conexión de banda ancha. Una barrera muy importante en la disminución del costo de Internet de banda ancha, son los costos de canal internacional, el mercado de portador internacional se encuentra relativamente monopolizado. Dado que el servicio de video por demanda no involucra conexiones internacionales, pues los servidores de video se encuentran a nivel local, los precios de los enlaces deben ser más bajos. 69% de la población de las ciudades cuentan con computadores en el hogar, lo cual es un buen indicador para el potencial de la entrada de banda ancha. Un sistema de VOD en Colombia podría llegar a suscriptores de TV por cable con o sin conexión a Internet por cable y a suscriptores de telefonía fija en su mayoría con conexiones xDSL ya existentes, aunque la conexión xDSL puede ser instalada a petición del suscriptor, por ejemplo, empaquetada adicionalmente con un servicio de conexión a Internet. Los operadores de TV por cable con mayor número de usuarios en el país son: Cuadro 11. Suscriptores de TV por cable a septiembre de 2005 Operador. No. de suscriptores. UNIÓN DE CABLE OPERADORES DEL CENTRO. 271,210. EMPRESAS PUBLICAS DE MEDELLIN E.S.P.. 205,095. CABLE UNIÓN DE OCCIDENTE S.A.. 116,314. SUPERVIEW S.A.. 106,707. TV CABLE S.A. (GRAMACOL). 92,164. TV CABLE DEL PACÍFICO S.A. “CABLE PACÍFICO”. 80,025. TOTAL. 871,515 Fuente CNTV.. Muchos de los usuarios de estos operadores de TV por cable no se encuentran provistos con redes apropiadas para servicios de banda ancha, lo cual reduce 37.

(50) IEL2-II-05-08 significativamente el número de usuarios potenciales de VOD por fibra óptica sobre el número de suscriptores de TV por cable. En contraste, la mayoría de redes telefónicas, según lo afirma la CRT, se encuentran habilitadas para proporcionar servicios de banda ancha y cuentan con un mayor numero de suscriptores que las de TV por cable.. 38.

(51) IEL2-II-05-08. 4. PROPUESTA Y VALIDACION DEL SISTEMA DE VIDEO POR DEMANDA PARA EL ENTORNO COLOMBIANO. Habiendo analizado algunos de los componentes del sistema y en base a la situación actual de los servicios de banda ancha en Colombia, estamos preparados para definir las características de un sistema factible.. 4.1. VOD SOBRE IP. Se opta por un sistema sobre IP dada la acelerada penetración de tecnologías xDSL en el país y el ya alto número de suscriptores a TV por cable, habilitados para servicios de banda ancha. La solución permite tener un solo sistema funcional para diferentes redes de distribución. Para garantizar el ancho de banda requerido para que el servicio cuente con calidad de servicio (QoS): •. Los servidores de video deberán, preferentemente, tener una conexión directa de bajo retardo con la red o redes de distribución.. •. El trafico de otros servicios, como Internet, no deberá afectar el funcionamiento de VOD, lo cual se obtiene si: dado el ancho de banda total disponible del usuario, provisto por la red de distribución, se logra aplicar en forma efectiva un limite menor o igual, de la velocidad de conexión a Internet, 39.

(52) IEL2-II-05-08 tal que el ancho de banda restante sea suficiente para la transmisión de un video por demanda. En forma práctica, como ejemplo, podría realizarse configurando dos subredes independientes, la de VOD y la red IP de acceso a Internet, dentro de los enrutadores, en el lado del usuario o de la cabecera de red, se puede establecer una gestión de ancho de banda diferente para los nodos de cada subred. Opcionalmente los servidores de video podrían ser accesados a través de Internet, para recepción de video en el PC, pero con una garantía limitada de QoS, permitiendo el acceso solo a IPs en una región (Por ejemplo Bogota o Colombia), similarmente a la forma de funcionamiento de movielink.com.. 4.2. ELECCIÓN DEL CODEC: MPEG-4 (H.264). Aunque los codecs de la compañía ON2 proveen el mejor rendimiento ancho de banda vs. calidad, aún no son muy usados en los STBs, dejando como el mejor candidato al MPEG-4 (H.264), sobre WMV9 y MPEG-2, dadas sus características de ancho de banda vs. calidad, nivel de desarrollo, y disponibilidad. El codec VP7 puede llegar a ser una mejor opción a medida que se desarrolle en el mercado de los STBs y la posible migración de H.264 a VP7 no debería tener mayores modificaciones, pues VP7 es un codec basado en software y los requerimientos de hardware en cuanto a codificación y decodificación son menores o iguales a los de H.264.. Una ventaja principal de H.264 es que existen una amplia variedad de STBs, con funcionalidad de VOD, lo cual hace que se tenga mayor libertad en el planteamiento de algún tipo de negocio o aplicación. Algunos ejemplos de los diferentes tipos de STBs con soporte para H.264 son:. 40.

(53) IEL2-II-05-08 -. IPTV STBs: Son conectados a una red IP y proveen la funcionalidad de presentar canales comunes de TV, cada ve z que el usuario cambia de canal, el contenido que le esta siendo enviado por la red IP cambia.. -. VOD + DVD STBs: Son STBs que además de proveer el servicio de VOD, pueden reproducir DVD en formato físico.. -. STBs de redes de difusión: Son los usados comúnmente en redes de TV por cable, los canales de TV son enviados en forma de difusión y los videos de VOD pueden estar o no sobre IP.. 4.3. ANCHO DE BANDA. Con intención de plantear el sistema como un ente independiente de otros como la red de distribución, es decir, poder ser una unidad que puede ser implementada siempre y cuando existan ciertos requerimientos y estos no tengan que ser también implementados, se asumirá que será ofrecido en hogares donde ya exista una conexión de banda ancha. Según lo mostrado en el capitulo anterior, a enero de 2005 se contaban con 124202 suscriptores de Internet de banda ancha a través de fibra y ADSL. Siguiendo la proporción de suscriptores residenciales con respecto a comerciales mostrada para junio de 2004 que corresponde al 96%, el número de suscriptores potenciales se encontraría en 119233. Asumiremos que al cabo de año el número de suscriptores potenciales que tomen el servicio sea del 10%, lo que llevaría a un total de 11923. Tomando la ecuación 1 del capitulo 2 (Ancho de banda necesario, en el lado del proveedor, en relación a número de suscriptores) encontramos que: -. BWT = 0.05 x 11923 x 1.5 = 895 Mbps = 0.9 Gbps, lo que significa servir a 597 suscriptores en promedio al mismo tiempo.. 41.

(54) IEL2-II-05-08 4.4. INTERFAZ CON EL USUARIO. Dado que los suscriptores potenciales cuentan con servicio de Internet de banda ancha, la navegación para la elección y petición de los videos podrá efectuarse por medio de la pantalla del TV o por una pagina Web en Internet. Los videos pedidos mediante cualquiera de las dos interfaces aparecerán en una lista, dentro de la interfaz del STB, de “videos pedidos” en la cual se les podrá dar la instrucción de reproducción en cualquier momento. La implementación de estas interfaces se realizara de forma similar a como se mencionó en el análisis de la interfaz con el usuario. Se proponen las siguientes características para la interfaz de Internet: •. Motor de búsqueda por palabra clave (Nombre de película, género, autor, año, actores, entre otros). •. Navegación por categorías especificas como: Deportes -> Automovilismo. •. Opiniones de los usuarios. •. Videos mas vistos. •. Videos mejor calificados. •. Novedades. •. Descripciones extendidas a aquellas de la interfaz por TV.. •. Hipervínculos. •. Personalización de contenido por preferencias de usuario. •. Carrito de rentas. •. Cobro por factura mensual. •. Pago por tarjeta de debito, crédito o transacción: Adecuado para ocasiones en las cuales quien invita no es el suscriptor.. •. Ordenación remota: El video no tiene que ser pedido necesariamente desde el PC del suscriptor, puede realizarse desde cualquier PC con acceso a 42.

(55) IEL2-II-05-08 Internet. Esta ventaja puede aprovecharse, por ejemplo, cuando dos o mas personas verán una película pero quien la escogerá no se encuentra en la casa del suscriptor. Quien escoge, podrá dejarla en el carrito de rentas y pagarla o dejar que el suscriptor la pague.. Se describe a continuación un ejemplo de operación de selección y petición de videos por Internet: Sin necesidad de tener el TV ni el dispositivo de VOD encendido, el usuario ingresa a Internet, entra a una página Web, se identifica con su nombre de usuario y clave, la información se envía al sistema central en forma segura (encriptación y certificado de seguridad) para ser verificada. Ingresa al portal Web personalizado en el cual tendrá múltiples herramientas para seleccionar el o los videos que irán al carrito de renta. Terminado el proceso de selección de videos, el usuario podrá pagarlos mediante tarjeta de crédito o debito, sobre sistemas de transacciones seguras, o pedir que le sea cobrado en la próxima factura periódica. El usuario podrá escoger la visualización ilimitada o única por cada video. Después de ser aceptado el pago, confirmación directamente en la página o vía E-mail, la persona podrá encender su dispositivo de VOD y su TV para encontrar los videos en el menú de “videos pedidos”. El dispositivo receptor será un STB, pues la visualización del video se hará en la pantalla de un televisor y de no encontrarse el PC cerca del TV, se complica la forma de garantizar que el usuario controle el video a través de un control remoto. También se garantiza una independencia del PC, por lo que no es necesario tenerlo encendido u otra persona podría utilizarlo para otras funciones, mientras se visualiza el video por demanda.. 43.

(56) IEL2-II-05-08 4.5. VALIDACIÓN DEL SISTEMA MEDIANTE SIMULACIÓN. Se mostrará la viabilidad del sistema propuesto sobre redes de distribución ADSL y HFC, por medio del programa de simulación de redes OPNET, el cual nos permite llegar hasta la capa física, revelando que algunos parámetros clave, como ancho de banda y retardos, se encuentran bajo límites adecuados. Se asume que el sistema de servidores de VOD puede ser representado como un solo servidor. 4.5.1. Ancho de Banda. •. Se creó una aplicación en la cual el STB da la orden de reproducción de video al servidor de VOD y este le responde con la entrega del mismo por medio de paquetes de 1024 Bytes (tamaño común de un paquete MPEG-4) cada 0.00546 segundos, equivalente a una tasa de 1.5 Mbps.. •. Los paquetes MPEG-4 son enviados a través de UDP/IP.. •. No se presto mucha atención a las distancias entre los nodos pues estas no afectan las capacidades.. 44.

(57) IEL2-II-05-08. ADSL:. Figura 23. Esquemático simulación de ancho de banda para ADSL. •. Descripción de las conexiones:. Cuadro 12. Descripción de las conexiones para ADSL Origen. Destino. Tipo. Capacidad. Servidor_VOD. ETH_to_ATM. Fast Ethernet. 100 Mbps. ETH_to_ATM. DSLAM. OC-3. 155.52 Mbps. DSLAM. Modem_ADSL. ADSL. 4 Mbps (Up), 384 Kbps (Down). Modem_ADSL. STB_ADSL. 10BaseT. 45. 10 Mbps.

(58) IEL2-II-05-08 •. Resultados:. Figura 24. Graficas de capacidad en bps para ADSL.. Cuadro 13. Flujo máximo de trafico en bps para ADSL. •. Enlace. Flujo máximo de trafico. Servidor_VOD <-> ETH_to_ATM. 1,579,629.33333333. ETH_to_ATM <-> DSLAM. 1,786,241.33333333. DSLAM -> Modem_ADSL. 1,541,530.66666667. Modem_ADSL <-> STB_ADSL. 1,579,629.33333333. Los resultados muestran que la capacidad mínima del la conexión ADSL hacia el usuario debe ser de 1.54 Mbps, un 2.7% mas que la tasa de transferencia del video MPEG-4.. 46.

(59) IEL2-II-05-08 HFC:. Figura 25. Esquemático simulación de ancho de banda para HFC. •. Se utilizo el modelo DOCSIS 1.1 de OPNET.. •. Se habilitó fragmentación en la capa MAC de DOCSIS.. •. Se utilizaron los valores predeterminados de OPNET para parámetros de la capa MAC como el tiempo entre llegadas de mensajes MAP.. •. La modulación para datos de bajada fue 64QAM y para datos de subida QPSK. El canal de bajada tenia un ancho de banda de 6 MHz centrado en 500 MHz y el de subida 800 KHz centrado en 10 MHz, obteniendo las capacidades mencionadas a continuación:. 47.

(60) IEL2-II-05-08 •. Descripción de las conexiones: Cuadro 14. Descripción de las conexiones para HFC. Origen. Destino. Tipo. Capacidad. Servidor_VOD. CMTS. Fast Ethernet. 100 Mbps. CMTS. BUS_DOCSIS DOCSIS. 31,2 Mbps (Down) 1,28 Mbps (Up). BUS_DOCSIS. Cable_Modem DOCSIS. 31,2 Mbps (Down) 1,28 Mbps (Up). Cable_Modem •. STB_HFC. 10BaseT. 10 Mbps. Resultados:. Figura 26. Graficas de capacidad en bps para HFC.. 48.

(61) IEL2-II-05-08 Cuadro 15. Flujo máximo de trafico en bps para HFC. •. Enlace. Flujo máximo de trafico. Servidor_VOD <-> CMTS. 1,581,066.66666667. CMTS <-> Cable_Modem. 1,627,133.68141366. Cable_Modem <-> STB_HFC. 1,581,066.66666667. Los resultados muestran que la capacidad mínima del la conexión HFC hacia el usuario debe ser de 1.63 Mbps, un 8.7% adicional a la tasa de transferencia del video MPEG-4.. 4.5.2. Retardos. •. Se creó una aplicación que simula un comando de adelantar o atrasar para observar el tiempo en que se demora la llegada del video corrido en el tiempo desde que se da la orden. El STB envía un paquete de 1024 Bytes con la orden de atrasar o adelantar, al llegarle al servidor, este responde de inmediato con otro paquete de 1024 Bytes, que representa el primer paquete del video corrido en el tiempo.. •. La aplicación es ejecutada constantemente por varios STBs, a diferentes distancias de la cabecera, con un tiempo entre repetición de 35 a 90 minutos, durante una semana para ADSL y 24 horas para HFC.. •. Los paquetes MPEG-4 son enviados a través de UDP/IP.. •. Se distribuyeron los diferentes nodos a distancias aproximadas a la realidad.. •. Se tuvieron en cuenta los tiempos de procesamiento de los componentes de la red.. 49.

(62) IEL2-II-05-08 ADSL: 1.75 Km por división. Figura 27. Esquemático retardos para ADSL •. Cabecera (10 metros por división):. Figura 28. Esquemático cabecera de ADSL. 50.

(63) IEL2-II-05-08 •. Resultados:. Figura 29. Tiempo de respuesta del sistema sobre ADSL. •. Con 100 datos por estadística, bajo las condiciones de simulación, puede afirmarse con certeza del 99% que el tiempo de respuesta del sistema de VOD a alguna orden esta entre 26.260 ms y 26.261 ms. Un tiempo de respuesta tan bajo garantiza una buena visualización en modo de adelanto o atraso.. 51.

(64) IEL2-II-05-08 HFC: 1.75 Kms por división. Figura 30. Esquemático retardos para HFC •. Cabecera: 10 metros por división. Figura 31. Esquemático cabecera de HFC. 52.

(65) IEL2-II-05-08 •. Resultados:. Figura 32. Tiempo de respuesta del sistema sobre HFC •. Con 100 datos por estadística, bajo las condiciones de simulación, puede afirmarse con certeza del 99% que el tiempo de respuesta del sistema de VOD a alguna orden esta entre 24.781 ms y 26.616 ms. Un tiempo de respuesta tan bajo garantiza una buena visualización en modo de adelanto o atraso.. Puede notarse que la desviación estándar es alta con respecto a aquella de ADSL, esto se debe a que la conexión es compartida por lo cual hay tiempos en los cuales no es posible transmitir inmediatamente y estos tiempos de espera se suman al tiempo de respuesta.. 53.

(66) IEL2-II-05-08 4.5.3. Porcentaje máximo de usuarios activos. •. Usando la aplicación creada en el numeral 5.1., se disminuyó la tasa de transferencia de 1.5 Mbps a 8.192 Kbps, para efectos de velocidad en la simulación, y se configuraron las estaciones para que todas iniciaran la aplicación en el lapso de una semana, con tiempos aleatorios, uniformes, en el transcurso de esta, para modelar un caso extremo de trafico en el cual todos los suscriptores ven un video de 2 horas en una misma semana.. •. Se realizo la simulación durante esa semana de tráfico extremo con una muestra de 20 y 100 suscriptores sobre ADSL.. Figura 33. Esquemático porcentaje máximo de usuarios. 54.

(67) IEL2-II-05-08 •. Resultados:. Figura 34. Ancho de banda de salida del enlace Fast Ethernet en el servidor de VOD para caso extremo con 20 usuarios.. Figura 35. Numero de usuarios activos para caso extremo con 20 usuarios. •. El numero máximo de usuarios activos es 2, es decir un 10% del número de suscriptores totales. 55.

(68) IEL2-II-05-08. Figura 36. Numero de usuarios activos para caso extremo con 100 usuarios. •. Vemos un máximo de 5 usuarios activos, es decir un 5% del numero total de suscriptores.. •. La amplia diferencia en porcentaje de usuarios activos entre la simulación con 20 y con 100 suscriptores sugiere que a medida que aumentan los suscriptores, el porcentaje de usuarios activos, bajo las condiciones del modelo de caso extremo, disminuye.. •. Para el numero de suscriptores planteados en el sistema se esperaría que bajo las estas condiciones extremas, el porcentaje máximo de usuarios activos estuviera muy por debajo del 5%.. 56.

(69) IEL2-II-05-08. CONCLUSIONES. •. Los componentes principales de un sistema de video por demanda, son los servidores de video, quienes poseen y entregan los videos, la red de distribución, por la cual se llega al usuario final, por ejemplo una red de TV por cable, y el receptor de los videos, quien se comunica con los servidores y realiza todas las funciones necesarias para mostrar un video por ejemplo en un TV. Dos receptores de video comunes son los PCs y los STBs.. •. Un sistema de VOD sobre IP proporciona independencia en cuanto a la red o redes de distribución a las cuales se interconectara, pero impone requerimientos para su correcto funcionamiento.. •. Podemos encontrar que hoy en día los formatos de compresión son mucho más eficientes que el ampliamente usado MPEG-2. Esto posibilita la viabilidad de implantación de sistemas de VOD sobre muchos tipos de redes, aumenta el número de videos que pueden ser almacenados y enviados, los cuales son factores claves para este tipo de tecnología.. •. La interfaz para la selección de los videos por demanda planteada, mediante Internet e integrada con los STBs puede brindar muchas mas ventajas en comparación a aquella mediante el STB-TV.. •. Dado que es casi imposible que en un servicio de VOD, con alto número de usuarios, todos se encuentren viendo algún video al mismo tiempo, la capacidad necesaria de salida de los servidores de video respecto al número de usuarios no debe ser planteada para que soporte que todos los usuarios puedan ver videos al mismo tiempo. Esta capacidad debe ser menor. Según un dato estadístico encontrado debe ser planeada para que el 5% de 57.

(70) IEL2-II-05-08 todos los usuarios puedan ver videos al mismo tiempo. Por simulación se mostró parcialmente que este dato es valido. •. La tecnología de ADSL en Colombia ha venido ganando cada vez mayor aceptación y se espera que sobrepase ampliamente, en número de suscriptores, a la tecnología de Internet por cable. La forma de funcionamiento de ADSL nos sugiere firmemente el uso de un sistema de VOD sobre IP.. 58.

(71) IEL2-II-05-08. BIBLIOGRAFÍA. [1] Broadband Integrated Services Digital Network (B-ISDN); Asynchronous Transfer Mode (ATM); Video On Demand (VOD) network aspects. ETSI ETR 262 ed.1. Enero de 1996. [2] Recommendation Q.2931: “Broadband Integrated Services Digital Network (B-ISDN) – Digital subscriber signaling system No. 2 (DSS 2) – User network interface (UNI) layer 3 specification for basic call/connection control”. ITU-T. [3] VOD over IP. Exchange Technology Overview. Seachange. www.seachange.com. Junio de 2003. [4] MPEG-2. Wikipedia. w w w .w ikipedia.org. [5] MPEG-4. Wikipedia. w w w .w ikipedia.org. [6] H.264: The New MPEG Standard. Danna Bethlehem. Optibase. w w w .optibase.com. [7] Windows Media Series Audio and Video Codecs. Microsoft – Windows Media. http://w w w .microsoft.com/w indow s/w indow smedia/9series/codecs.aspx. [8] TrueMotion VP7 Video Codec White Paper. ON2 Technologies. http://w w w .on2.com. [9] Raising the bar for triple play with VOD. Digital Tx Weblog. http://www.digitaltx.tv/blog. Octubre de 2005. [10] Video on demand over IP white paper. Intel y HP. [11] DigiPoints Volume 2 Student Workbook Module 6 – Video servers and applications. SCTE http://w w w .scte.org/documents/pdf/DPT2-WB_M06_2003-11.pdf [12] Promoción y Masificación de la Banda Ancha en Colombia Version II. CRT. Marzo de 2005. [13] Informe final. “Análisis del mercado servicios de banda ancha en Colombia”. CRT. Diciembre de 2003. [14] Número de suscriptores dedicados por medio. SIUST. http://w w w .siust.gov.co/siust/. [15] How it Works. Shaw on demand. https://secure.shaw .ca/sod/how w ork.asp. 59.

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