Técnicas de codificación y multiplexación estadística orientadas al uso eficiente del flujo de transporte en aplicaciones DTT

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(1)i Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA, DEPARTAMNETO DE TELECOMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA. Técnicas de codificación y multiplexación estadística orientadas al uso eficiente del flujo de transporte en aplicaciones DTT. Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática. Maestría en Telemática. Autor: Ing. Irina Benignovna Siles Siles [email protected] Tutores: Dr.C., Samuel Montejo Sánchez [email protected] MSc., Hiram del Castillo Sabido [email protected]. Santa Clara, 2016.

(2) ii. PENSAMIENTO. Todos tenemos sueños. Pero para convertir los sueños en realidad, se necesita una gran cantidad de determinación, dedicación, autodisciplina y esfuerzo. Jesse Owens..

(3) iii. RESUMEN. Las ventajas asociadas a la DTT típicamente han atraído a proveedores y televidentes. Esta tecnología ha sido recién desplegada en el escenario nacional, por lo que su operación y gestión constituyen un desafío actual para la academia. Para que la señal de DTT llegue a toda la población, es necesario el diseño de redes de difusión que permitan la transmisión de señales de audio, video y datos multiplexadas de forma eficiente. Tras varios años en la etapa de coexistencia en Cuba entre la TV analógica y la digital se constatan algunas deficiencias en la calidad del video y en la gestión y aprovechamiento de los recursos de transporte. Esta situación conlleva a proponer arquitecturas y técnicas eficientes de codificación de fuente y multiplexación estadística. De acuerdo a la evolución tecnológica de la DTT y la aparición de programas de vídeo en alta definición que demandan una mayor tasa de bits, en el presente trabajo se proponen soluciones viables en la red de radiodifusión nacional de televisión, centradas en el empleo eficiente de la codificación de fuente, la multiplexación estadística, la implementación de SFN, alternativas de regionalización y la evolución al estándar DTMB-A. Todas las propuestas presentadas permiten elevar la eficiencia del uso de los recursos de transporte sin degradar la calidad percibida por los usuarios y están avaladas por estudios recientes que marcan la tendencia actual de la DTT, aplicables a los posibles escenarios del entorno nacional.. Palabras claves: DTT, multiplexación estadística, codificación VBR, H.265, TS..

(4) iv TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ................................................................................................................... ii RESUMEN ........................................................................................................................... iii INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. Características del sistema DTT en Cuba .................................................. 4. 1.1. Análisis del sistema DTT y la gestión del espectro en la actualidad ....................... 4. 1.2. Estructura General de transmisión en DTT. ............................................................. 5. 1.3. Despliegue de la DTT en Cuba. ............................................................................... 6. 1.3.1 1.4. Esquema general de la Cabeza de Línea de la DTT en Cuba ........................... 6. Revisión de los estándares de codificación de video. .............................................. 8. 1.4.1. Formatos de compresión de video .................................................................... 8. 1.4.1.1. Codificación H.264/MPEG-4 AVC .............................................................. 8. 1.4.1.2. Codificación H.265/HEVC ........................................................................... 9. 1.5. Mecanismos para el control de la tasa de bits .......................................................... 9. 1.5.1. Tipos de control de tasa .................................................................................. 11. 1.5.1.1. Control de tasa óptimo vs no óptimo .......................................................... 11. 1.5.1.2. Control de tasa en tiempo real vs tiempo no real ........................................ 11. 1.5.1.3. Control de tasa en una pasada vs varias pasadas......................................... 11. 1.5.1.4. Control de tasa CBR vs. VBR ..................................................................... 12. 1.5.1.4.1. Razón de Bit Constante , CBR. ............................................................... 12. 1.5.1.4.2. Razón de Bit Variable, VBR. .................................................................. 13. 1.6. Etapa de multiplexación y transporte. Estructura MPEG-2 TS ............................. 14. 1.6.1. Modalidades operativas de un multiplexor ..................................................... 16. 1.6.2. Concepto de Multiplexación estadística ......................................................... 17. 1.6.3. Tipos de Statmux ............................................................................................. 19. 1.6.3.1. Statmux con retroalimentación .................................................................... 19. 1.6.3.2. Statmux sin retroalimentación ..................................................................... 20. 1.6.4. Beneficios y eficiencia de la Statmux ............................................................. 21.

(5) v 1.7. Características técnicas de la red DTT en Cuba..................................................... 22. 1.7.1. Estándar DTMB .............................................................................................. 22. Conclusiones parciales. .......................................................................................... 24 CAPÍTULO 2.. MATERIALES Y MÉTODOS................................................................ 25. 2.1. Factores a considerar en función de la eficiencia................................................... 25. 2.2. Caso de Estudio 1: Empleo de CBR para la codificación de los servicios. ........... 26. 2.3 Caso de estudio 2: Codificación de los servicios de video en modo VBR con el empleo de Statmux. ........................................................................................................... 28 2.4 Caso de estudio 3: Codificación de los servicios de video en modo VBR con la presencia de Statmux y experimentado un incremento en el número de canales SDTV. . 30 2.5 Caso de estudio 4: Implementación de servicios HDTV. Tendencia a la radiodifusión de formatos 4K. .......................................................................................... 32 2.6. Caso de estudio 5: Eficiencia relativa del tamaño de los conjuntos Statmux......... 33. 2.7 Caso de estudio 6: Extendiendo la Statmux más allá del video. Eficiencia para la codificación de datos. ....................................................................................................... 34 2.8. Caso de Estudio 7: Arquitecturas de regionalización. ........................................... 37. 2.8.1. Arquitectura centralizada. ............................................................................... 37. 2.8.1.1. Arquitectura centralizada con implementación de Statmux por región. ..... 38. 2.8.1.2 Arquitectura centralizada con implementación de statmux para los servicios nacionales & servicios regionales del tipo CBR ........................................................... 38 2.8.2. Arquitecturas distribuidas ............................................................................... 39. 2.8.2.1. Arquitecturas distribuidas: Inserción local 24/7 ......................................... 39. 2.8.2.2. Arquitecturas distribuidas: fusión para tiempo parcial ............................... 40. 2.9. Caso de Estudio 8: Evolución del estándar DTMB a DTMB-A ............................ 41. 2.10 Caso de estudio 9: Tendencias actuales para el mejoramiento de la difusión en redes DTT. Uso eficiente de frecuencias. ......................................................................... 41 2.10.1. Despliegue de redes SFN. ............................................................................... 41. 2.10.2. Uso de múltiples canales de RF. ..................................................................... 43. 2.11. Conclusiones parciales ....................................................................................... 44. CAPÍTULO 3. 3.1. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................. 45. Técnica de codificación y multiplexación estadística o Statmux. .......................... 45.

(6) vi 3.1.1. Escenario 1: Reúso de la capacidad de paquetes nulos .................................. 45. 3.1.2 Escenario 2: Implementación del método “Factor CBR -a-VBR” en aras de buscar una mejor calidad de video. ............................................................................... 46 3.1.3 Escenario 3 Conformando MPTS en función de la complejidad de los servicios a multiplexar mediante la Statmux................................................................. 47 3.1.4 Escenario 4: Aumento del número de programas SDTV con codificación H.265. Aumento de la eficiencia de la Statmux ............................................................ 49 3.1.5 Escenario 5: Aumento del número programas HDTV con codificación H.265. Aumento de la eficiencia de la Statmux ........................................................................ 50 3.1.6. Escenario 6: Combinando canales de RF ....................................................... 51. 3.1.7 Escenario 7: Propuesta de solución para una trasmisión de datos más eficiente. ........................................................................................................................ 52 3.2. Arquitectura de Red DTT para la optimización del espectro. ................................ 55. 3.2.1 3.3. Escenario 8: Migración hacia redes SFN para todo el ámbito nacional. ........ 55. Arquitecturas innovadoras para la regionalización ................................................ 56. 3.3.1. Escenario 9: Tecnología FlexCarbon .............................................................. 57. 3.3.2. Escenario 10: Tecnología Flexspice ............................................................... 57. 3.4. Conclusiones parciales ........................................................................................... 58. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 59 Conclusiones ..................................................................................................................... 59 Recomendaciones ............................................................................................................. 60 GLOSARIO DE TÉRMINOS .............................................................................................. 61 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 65 ANEXOS. ............................................................................................................................. 70 Anexo I Anexo II. Funcionamiento y gestión de la EPG. Fuente [30]. ........................................ 70 Flujo actual para los servicios de valor agregado. Fuente [30]. .................. 70. Anexo III Representación de codificaciones CBRvsVBR en términos de la calidad de video (PSNR) y de la razón de bit para diferentes secuencias de video. .......................... 70 Anexo IV Ganancia de ancho de banda y su equivalencia en calidad (a) en términos de SSIM y (b) en términos de PSNR. Fuente [69]............................................................ 71 Anexo V. Diagrama de los bloques funcionales de DTMB. Fuente [91] .................... 71.

(7) vii Anexo VI [50]. Representación de las diferencias entre CV/CVI y CV/InfantilChab. Fuente 72. Anexo VII Tabla Razones de Bits para enfoques de redes hibridas y de radiodifusión simultánea. 72 Anexo VII. Mecanismo de sincronización diseñado para redes híbridas. Fuente [82] . 72. Anexo IX Representación del uso de los servicios para el canal 13 y 32 mediante el software Blue Top Analizer en la provincia de Villa Clara. ............................................. 73 Anexo X. Diagrama de los bloques funcionales de DTMB-A. Fuente [91]................ 74. Anexo XI: Tabla Configuracion y razones alcanzadas para el estandar DTMB-A .......... 75 Anexo XII. Distribución Nacional de los Centros Trasmisores de TV . ........................ 75.

(8) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. El futuro desarrollo de la Televisión Digital Terrestre (DTT , Digital Terrestrial Television) ha de estar enfocado a un público cada vez más interesados en cambiar la programación convencional decidido a auto programar su consumo [1]. Los estudios recientes [2-4] abogan por la existencia de nuevos formatos de Ultra Alta Definición (UHD , Ultra Hight Definition Television), la migración a nuevas plataformas de trasmisión (DVB-T2, ATSC 3.0, DTMB-A), la inserción de contenidos de televisión local, la adopción servicios bajo demanda y un uso más eficiente del espectro radioeléctrico. En la transición de los sistemas monocromáticos a los cromáticos y así como de los sistemas analógicos a los digitales las tecnologías de televisión han experimentado cambios revolucionarios [5, 6]. Desde el principio de la evolución de las tecnologías en los años 60, se ha intentado buscar la forma más eficiente de transmitir diversas señales multiplexadas [7]. La anterior aseveración se materializa en el hecho de como varios estudios sobre los estándares de trasmisión de televisión digital han revelado que no todos los proveedores de servicios C/S/T implementan técnicas de multiplexación estadística para utilizar usar de una manera eficiente la capacidad de trasmisión de datos y la consecuente posibilidad de inserción de nuevos servicios [8-10]. Basados en estos análisis, otros investigadores [11-13] se han dado a la tarea de implementar y desarrollar métodos basados en codificaciones de video escalables y eficientes como H.264/ MPEG-4 AVC (Advanced Video Coding) [14] [15] o H265/HEVC (High Efficiency Video Coding) [16, 17]. Se han propuesto técnicas de codificación con Razón de Bit Variable (VBR , Variable Bit Rate) para gestionar eficientemente el ancho de banda y los estrictos parámetros de calidad de servicio [18-20] y validar la eficiencia en algunos escenarios de la multiplexación estadísticas [21-23] . Para Cuba, la DTT es sin duda un servicio de calidad, de gran capacidad de envío de información en forma inalámbrica, que resume en su plataforma, una serie de avances tecnológicos [24]. El 5 de junio del 2011 se firmó un acuerdo para la adopción por parte de Cuba de la norma de DTT desarrollada por la República Popular China conocida por el acrónimo DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcast) [25]. La llegada de la radiodifusión de DTT tiene un impacto significativo en toda la cadena de radiodifusión y la manera en que se reglamenta, planifica y despliega en beneficio de los usuarios [26]. Para que la señal de DTT llegue a toda la población, es necesario el diseño de redes de difusión que permitan la transmisión de forma eficiente [27, 28], consiguiendo así una utilización más eficiente del espectro y una reducción notable de la potencia de transmisión [5, 6, 29]..

(9) INTRODUCCIÓN. 2. En la actualidad el proceso de conformación de la Cadena de Transporte (TS , Transport Stream), la conformación de la Guía Electrónica de Programa (EPG, Electronic Program Guide), la elaboración de los servicios de valor agregado y la creación del datacasting se lleva a cabo en la Cabeza de Línea(*). La experiencia acumulada en el breve tiempo de operación del servicio DTT nacional ha permitido identificar un conjunto de deficiencias y limitaciones en la implementación que deben ser abordadas. Es válido destacar algunas de las investigaciones que se han suscitado en el ámbito nacional en aras de ir promoviendo mejoras a algunas de las deficiencias identificadas en la etapa de simultaneidad de sistemas (analógico y digital) y algunas proyecciones futuras [31-34]. Los estudios citados han abordado indistintamente las características e idoneidad de H.264, los problemas existentes en la Cabeza de Línea, la implementación en FPGA de soluciones nacionales de algunos módulos para televisión y la verificación de las cajas decodificadoras, pero ninguno ha estudiado el impacto de los mecanismos de multiplexación estadística para el uso eficiente de los recursos de transporte. Debido a que la televisión constituye el medio de mayor difusión masiva con mayor penetración en Cuba, que posibilita la inclusión social de todos y que el reciente despliegue de la DTT debe de incidir de manera paulatina, efectiva y eficiente en post de lograr un buen aprovechamiento del ancho de banda disponible por cada canal de difusión, se formula el siguiente problema científico: ¿Cómo contribuir positivamente a la optimización de los recursos de transporte de la señal de televisión digital en Cuba? La investigación tiene como objeto de estudio la DTT y el empleo de métodos de codificación y multiplexación eficiente del espectro. En total concordancia con lo planteado en [33], el campo de acción estará enfocado en elementos de optimización y replaneación de la red DTT nacional que se relacionan a continuación:. -. Técnica de compresión utilizada en la codificación de fuente. Calidad requerida (enfoques SD-HD, métricas, multiplexación estadística). Arquitectura de red (MFN, SFN o SFN-MFN híbrida (k-SFN), optimización). Evolución del estándar ( DTMB, E-DTMB, DTMB-A). En correspondencia con el problema científico, el objetivo general de esta investigación es proponer arquitecturas y técnicas eficientes de codificación de fuente y multiplexación estadística en el sistema DTT nacional. Para alcanzar el objetivo general se han planteado los siguientes objetivos específicos: 1. Caracterizar el esquema DTT nacional con énfasis en la etapa de multiplexación. 2. Evaluar a partir de la literatura consultada la eficiencia del uso de técnicas de codificación de fuente y multiplexación estadística en los sistemas DTT. 3. Describir mediante casos de estudio los factores y métodos que inciden en la optimización de los recursos de transporte y propuestas futuras a tomar en consideración en el ámbito de la DTT en Cuba. 4. Proponer arquitecturas de red DTT eficientes como soluciones viables para los casos de estudios propuestos. (*) Punto o Nodo de la red donde se implementa de codificación de fuente, elaboración del playlist y donde se sitúan los servidores de contenidos, de grabación y de datos; elementos todos que conforman la trama multiplexada con contenidos audiovisuales y los datos..

(10) INTRODUCCIÓN. 3. En el desarrollo de la investigación se da respuesta a las siguientes preguntas científicas:  ¿Qué estructura y características presenta el esquema de DTT nacional?  ¿Cuáles son las deficiencias encontradas en el actual esquema de DTT nacional?  ¿Cómo incidir en una gestión eficiente del TS mediante la implementación de métodos de multiplexación estadística?  ¿Cuáles son las tendencias futuras en materia de codificación y arquitecturas DTT a nivel mundial? La investigación se desarrolló utilizando los siguientes métodos científicos: Histórico-lógico: Se utilizó para indagar en el desarrollo histórico del tema, su génesis y su evolución. Analítico-Sintético: Permitió analizar detalladamente la documentación relacionada con el tema desde su origen hasta su desarrollo actual. Inductivo-Deductivo: Posibilitó establecer generalidades en cuanto al diseño de Casos de Estudio y Escenarios que permitieron la evaluación de la aplicabilidad de la multiplexación estadística en el contexto nacional. Sistémico-Estructural: Permitió construir un sistema de contenido que va de lo general a lo particular. Fue utilizado para la concepción sistémica de la modelación mediante la cual se crean abstracciones con vistas a explicar la realidad. En aras de satisfacer los objetivos planteados se estructura el trabajo en introducción, capitulario, conclusiones, recomendaciones y anexos. En la introducción se realiza una reseña donde se define la necesidad, actualidad e importancia del tema que se aborda. En el capítulo 1 se exponen las principales características de los esquemas DTT. Se enfatiza en la etapa de multiplexación por la incidencia que tiene la misma en el control de la tasa. En el capítulo 2 se analizan varios Casos de Estudio que combinan la aplicación de un método sistémico de multiplexación estadísticas, así como arquitecturas de Red, regionalización y la evolución del estándar. En el capítulo 3 se proponen las soluciones más adecuadas para los escenarios mencionados anteriormente desde la perspectiva de la eficiencia de la multiplexación estadísticas y tomando en consideración el avance tecnológico. En las conclusiones se realiza una síntesis final de los resultados alcanzados en la investigación. Las recomendaciones están encaminadas a proponer futuras investigaciones sobre el tema. Los anexos recogen el material de apoyo necesario para ayudar a una mejor comprensión de esta investigación..

(11) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 4. CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. En el presente capítulo se realiza un análisis del sistema DTT, su desarrollo y perspectivas en el despliegue de la DTT nacional, así como las tendencias mundiales. Se abordan los esquemas de los sistemas de DTT, mostrando las características de cada una de sus etapas y la contribución de cada una de ellas en la conformación del TS irradiado. Se toman en consideración las ideas y trabajos realizados por investigadores haciéndose un análisis de sus resultados.. 1.1. Análisis del sistema DTT y la gestión del espectro en la actualidad. Hoy en día existe un consenso que pronostica que la DTT seguirá siendo un escenario clave para años venideros [3]. A la anterior aseveración se unen Ofcom [34] con su planteamiento de que “los expertos predicen que, la ausencia de grandes cambios de disponibilidad del espectro, harán que las plataformas de Televisión Digital (DTV, Digital Television) continúen manteniéndose al menos en los próximas décadas” y Analysys Mason lo apoya también con su trabajo [35] para predecir razones que evidencian un ligero incremento de los servicios DTT a nivel mundial en comparación a los ofertados en los días de hoy. Lo cierto es que muchos [1, 4, 36, 37] hablan además del apagón analógico y del proceso de simultaneidad / migración / transición digital. Las principales razones que evidencian el comportamiento mostrado en la Figura 1.1 de desaceleración y/o estacionariedad en ligero aumento de la DTT a escala mundial, se centran en la continuidad del incremento de las prestaciones y ventajas de la misma. El pasado de la DTT había sido liderado por opciones de Freeview, la Grabación Personalizada de Videos (PVRs, Personal Video Recorder), el incremento de canales y la existencia de canales de alta definición (HD, Hight Definition). El futuro desarrollo de la DTT [38] para los consumidores estará soportado por la existencia de nuevos formatos UHD, 4k/8k, la migración a nuevas plataformas de trasmisión (DVBT2, ATSC 3.0, DTMB-A), la TV local, la adopción de YouView (servicios bajo demanda, aplicaciones catch-up) la aparición de los servicios complementarios (OTT, Over the Top), etc. Además, la incorporación potencial de nuevos escenarios competitivos como la televisión IP (IPTV, Internet Protocol Television) pudieran mitigar el desarrollo de la DTT, pero estas afirmaciones tan.

(12) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 5. especulativas no serán un hecho hasta el año 2030 [34]. En conclusión, se augura que el futuro de la DTT será robusto o no, solo en función de la retención o no del suficiente espectro.. (a). (b). Figura 1.1: Diagrama esquemático sobre (a) el uso de las diferentes plataformas de DTV en el mundo hasta el año 2014 y (b) el uso de servicios primarios y secundarios de las diferentes plataformas de DTV. Fuente [3] .. 1.2. Estructura General de transmisión en DTT.. La estructura general de una plataforma DTT [37, 39] se compone básicamente de tres elementos, véase Figura 1.2. El primer elemento es la Cabeza de Línea (Head End) donde se sitúa el equipamiento necesario para realizar la codificación de fuente y la compresión de las señales audiovisuales mediante el uso de métodos para la reducción de la tasa de bits. Le sigue la etapa de Multiplexación y Transporte, encargada de la multiplexación de los canales virtuales en un único flujo mediante el uso e implementación de las técnicas adecuadas para la identificación de cada servicio, la coexistencia de los mismos en un canal con ancho de banda limitado y con determinados requerimientos para el uso de mecanismos de transporte eficiente. Por último la etapa de radiofrecuencia (RF) que está ligada a la modulación y la codificación del canal, asociada entonces con un estándar de Televisión Digital.. Figura 1.2: Representación general de un sistema de DTT. Fuente [ 39]..

(13) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 1.3. 6. Despliegue de la DTT en Cuba.. Para determinar la norma más conveniente para Cuba, fue necesario tomar en cuenta numerosos elementos de índole socio-político, económico y tecnológico. Durante la segunda quincena de Diciembre del 2007, se organizaron pruebas preliminares de la TV Digital en la Ciudad de la Habana. La norma DTMB evidenció mejores resultados técnicos de acuerdo a [40] en las pruebas realizadas en los años 2007 y 2009 en La Habana, así como en varios países de Latinoamérica. El 5 de junio de 2011 se firmó un acuerdo para la adopción por parte de Cuba de la norma de DTT desarrollada por la República Popular China conocida por el acrónimo DTMB y el estándar de compresión digital de audio y video (AVS , Audio Video Coding Standard) también desarrollado por ese país. Es importante señalar que esta negociación incluye además del equipamiento (equipos para el ICRT, Radiocuba, cajas decodificadoras, entre otros), dos elementos esenciales: •. La posibilidad de insertarnos en la adecuación, evolución y desarrollos futuros de estas normas; o sea, una oportunidad efectiva de avanzar hacia la soberanía e independencia tecnológica.. •. Nos exime de obligaciones de pago de derechos de propiedad intelectual por el empleo de estas normas en la transmisión, recepción y producción de los programas de televisión.. La resolución No. 430/2014 del Ministerio de Comunicaciones [41] estipula los formatos de imagen, la Guía Electrónica de Programa (EPG, Electronic Program Guide) y el servicio de radiodifusión de datos que se han de utilizar para el despliegue e instauración de la DTT en Cuba. La estandarización de la EPG y el databroadcasting están referenciados en [42] y [31, 41] respectivamente.. 1.3.1. Esquema general de la Cabeza de Línea de la DTT en Cuba. A la etapa de codificación de fuente pertenecen los métodos de reducción de la tasa de bits con el objetivo de comprimir los flujos de audio, video y datos auxiliares necesarios para representar la información que será transmitida. Se colocará un codificador de audio y video en los estudios del ICRT localizados en 23 y M, lugar donde se lleva a cabo la edición de los diversos programas a transmitir. El operador de telecomunicaciones (ETECSA) distribuye la señal televisiva (TS) desde los estudios de televisión, redes contribuyentes o desde el lugar en el que se producen los eventos audio visuales hasta la red de difusión (RadioCuba), y esta desde los centros emisores hacia los receptores de televisión. En la multiplexación se incluyen varios flujos provenientes de cada servicio y se le agregan dos tramas de transporte que contienen información sobre la cartelera de programación y un servicio de interactividad con el televidente, formando un flujo de transporte múltiple. A esta multitrama se le realiza un proceso de adaptación según la red en que se vaya a transmitir, como se muestra en la Figura 1.3. Para la elaboración y edición del Playlist se implementa una aplicación que contiene el listado de eventos que tienen asociados unos atributos que definen cómo y cuándo se reproducirán los contenidos que componen la programación de un canal..

(14) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 7. Figura 1.3: Esquema general de la DTT en Cuba. Fuente [30]. De acuerdo al estudio realizado por [30] se pueden analizar un conjunto de deficiencias que existen inherentes al flujo actual de la EPG que se identifican como un problema de ineficiente gestión y utilización de la programación. El Anexo 1 ilustra el funcionamiento y gestión de la EPG. Con respecto al Servicio de Valor Agregado, se conoce que el mismo tiene un contenido jerárquico que se ilustra en la Figura 1.4 y que su estructura está diseñada de acuerdo a lo expuesto por [42] y en función de los estándares GD/J018-2008[43], el GD/J027-2009 y GD/J027-2011 [44] el GY/T 278—2014 [45] y el GY/T 279—2014 [46].. Figura 1.4: Esbozo del contenido jerárquico implementado en el databroadcast en Cuba. Fuente elaboración propia.. Para irradiar el databroadcast se utiliza un flujo recurrente descrito por [30] que se ilustra en el Anexo 2. De igual modo se identifican un conjunto de deficiencias en relación al flujo actual de datos..

(15) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 1.4. 8. Revisión de los estándares de codificación de video.. En la transición de los sistemas monocromáticos a los sistemas cromáticos y consecuentemente de los sistemas analógicos a los digitales, las tecnologías de televisión han experimentado cambios revolucionarios [5, 6]. Aunque los sistemas de televisión han ido prosperando paulatinamente (véase Figura 1.5), no ha sido posible tomar plena ventaja de las conveniencias y la potencialidad de economía de escala de un único estándar de difusión. La posibilidad de lograr una entrega de contenidos de media de forma inalámbrica a un número potencialmente ilimitado de receptores convierte a la radiodifusión terrestre en una tecnología esencial; más aún si la radiodifusión esta encausada a lograr una mayor eficiencia espectral.. Figura 1.5: Evolución de la DTT TV terrestre. Fuente [47]. 1.4.1. Formatos de compresión de video. El diseño de la mayoría de las normas de codificación de vídeo está dirigido principalmente a conseguir la mayor eficiencia de codificación. La eficacia de la codificación es la capacidad de codificar vídeo a la velocidad binaria más baja posible mientras se mantenga un cierto nivel de calidad de vídeo. Hay dos maneras de medir la eficacia de la codificación de vídeo que son: usar una métrica objetiva como la relación señal a ruido pico (PSNR, Peak signal-to-noise Ratio), la razón de errores en la modulación (MER, Modulation Error Ratio), la Razón de Error de Bits (BER, Bit Error Ratio), etc [48, 49] o utilizar la calidad subjetiva del vídeo [50]. En el caso de Cuba, es sabido que los estándares para la codificación de video a utilizar son H.264/ AVC [14] [15] y AVS. Ambos, son estándares de codificación de 2da generación, diferenciados entre otros aspectos, por sus políticas de propiedad intelectual (IPR, Intelectual Property) los términos de las licencias y los costos por derechos de autor o patentes [15].. 1.4.1.1 Codificación H.264/MPEG-4 AVC El H.264/MPEG-4 AVC [14] fue desarrollado por los grupos ITU-T VCEG (Video Coding Experts Group) y el ISO/IEC MPEG (Moving Picture Experts Group). Es un estándar nacido a partir de otros dos anteriores, pero haciendo uso de las redundancias espaciales, temporales y psico-visuales para mejorar la eficiencia de la codificación de vídeo, pero con importantes diferencias y mejoras respecto.

(16) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 9. a ellos. Las nuevas características más significativas contenidas en este estándar respecto a sus antecesores son las siguientes:  Codificación de entropía renovada [51-53].  Compensación/predicción de movimiento más eficiente [6, 52, 53].  Pequeños bloques para la codificación por transformada.  Filtro de desbloqueo mejorado.  Algoritmos para la prevención de pérdidas [52, 53].  Mejora significativa del ahorro de la tasa de bits (aproximadamente un 50%), manteniendo la misma calidad de imagen y la relación S/N [39, 51].. 1.4.1.2 Codificación H.265/HEVC HEVC (High Efficiency Video Coding) [16, 54] fue diseñado principalmente para mejorar la eficacia de codificación en comparación con H.264 MPEG AVC HP, es decir, para reducir considerablemente la cuantía de los requisitos de velocidad de bits, manteniendo una calidad de imagen aceptable, con el inconveniente de una posible mayor complejidad computacional. Esta nueva norma puede ayudar al desarrollo de UHD y a resoluciones de calidad superior como por ejemplo 4k y 8K, además encontrar oportunidades en nuevos segmentos del mercado [55]. Se evidencian además en la literatura consultada estudios [56, 57] de transcodificación de H264 a H265. Las ventajas de H.265 o HEVC [54, 58, 59] sobre su anterior norma son muy significativas, tanto a nivel de especificaciones como de salidas en el mercado. A continuación se enumerarán las más importantes:  Permite doblar la calidad de imagen ocupando el mismo tamaño que un vídeo actual en H.264 [33, 54, 59-61].  Implementa métodos de procesamiento paralelo mejorados [58].  Particionado más flexible (ya no se usa la estructura típica de macrobloques y bloques) y mayor flexibilidad en los modos de predicción intra [62].  Mayor número de posibles tamaños de bloques sobre los que aplicar la transformación.  Interpolación y algoritmos de predicción más sofisticados.  Modos avanzados de predicción y compensación de movimiento [63].  Filtro de desbloqueo más sofisticado nombrado SAO (Simple Adaptive Offset) [62].  Señalización de modos más eficiente.  Nuevas ventajas para el streaming o para el almacenamiento en dispositivos móviles.  Estará preparado para las nuevas tecnologías de vídeo 4K/8K [55].. 1.5. Mecanismos para el control de la tasa de bits. El tráfico generado por un codificador de video MPEG viene fuertemente influenciado por la combinación de codificaciones intra e intercuadro que se utilizan para la codificación de la secuencia de imágenes [53]. El control de la razón (RC, Rate Control) constituye un proceso crítico en la calidad, la versatilidad y la utilidad del codificador de vídeo que se esté contemplando. La naturaleza de la información de vídeo es inherentemente variable. El contenido de las imágenes es variante en el tiempo y en el espacio. La cantidad y naturaleza del movimiento capturado en la secuencia.

(17) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 10. determina su complejidad temporal. Cuanto mayor sean estas complejidades, mayor será el ancho de banda requerido para almacenar las imágenes [51, 52]. En la Figura 1.7 se muestran algunos ejemplos.. Relación Estándar de codificación-Tipo de programaRazón de codificación (Mbps) 30 20 10 0 MPEG2 SD. MPEG2 HD. H264 SD. H264 HD. H265 SD. H265 HD. Min Deportes. Max Deportes. Min Entretenimiento. Max Entretenimiento. Max Dibujos Animados. Min Dibujos Animados. Min Películas. Max Películas. . Figura 1.6: Valores de razones recomendados para la codificación de programas SD y HD (MPEG2, H264, AVS+,H265). Fuente [28] Recreada por el autor.. a) Imagen con poca complejidad espacial. c) Imagen con poca complejidad temporal. b) Imagen con gran complejidad espacial. d) Imagen con gran complejidad temporal. Figura 1.7: Ejemplo de catalogación de imágenes de programas trasmitidos por la TVC. Fuente elaboración propia.. Estas variaciones presentes en toda secuencia de vídeo deben ser controladas, para lograr que dicha secuencia pueda ser empleada en una aplicación concreta, con sus limitaciones e imposiciones. Estas limitaciones suelen venir impuestas por el hecho de que el ancho de banda disponible para canalizar la secuencia una vez comprimida puede estar limitado. Con el fin de conseguir una determinada tasa objetivo, un algoritmo de RC ajusta dinámicamente determinados parámetros de la codificación, siempre con la condición de que el flujo a la salida se ajuste al estándar. Entre los parámetros.

(18) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 11. susceptibles de ser ajustados se encuentran el parámetro de cuantificación o QP (el más importante), la razón de cuadros, el multiplicador de Lagrange, la asignación de los modos skip y directo, etc. De todos los parámetros a tener en cuenta a la hora de aplicar un mecanismo de RC, uno especialmente importante es el buffer. Para ver su importancia basta con tener en cuenta que el codificador funciona en base a una tasa de bits, esto es, tendrá una tasa objetivo que cumplir influenciada por las condiciones de la red o del mismo buffer. Por el contrario, el decodificador funciona en base a una razón de cuadros, o sea, tiene que extraer de la red (realmente del buffer de recepción) una cantidad de cuadros por segundo, independientemente de lo que ocupen. Por lo tanto, la generación de información y la extracción de la misma no siguen criterios, ni restricciones iguales. Debido a esto, el buffer tiene una importancia crítica en una implementación práctica del codificador de vídeo, ya que se encargará de absorber las variaciones existentes entre la tasa generada y la tasa consumida, aparte de las variaciones que pudiera tener la red en un determinado momento [64]. Visto esto, en un algoritmo de RC hay varios aspectos a los que hay que prestar una especial atención, especialmente los siguientes: distorsión, complejidad computacional y limitaciones propias de la aplicación.. 1.5.1. Tipos de control de tasa. El mecanismo de RC puede ser clasificado en función de numerosos criterios, como puede ser el grado de optimización, el número de pasadas realizadas, si se realiza o no en tiempo real o si es de tasa de bits constante o variable.. 1.5.1.1 Control de tasa óptimo vs no óptimo El control de tasa óptimo [18] consiste en minimizar la distorsión obtenida cumpliendo un requisito impuesto en la tasa. Los métodos de control óptimo de la tasa se centran en la distorsión obtenida, por lo que pueden ser vistos como una solución para el requisito de calidad constante. Los algoritmos no óptimos aparecen en respuesta a la elevada carga computacional requerida por los algoritmos óptimos. Estos algoritmos pueden no garantizar el mejor resultado posible, pero sí uno razonablemente bueno.. 1.5.1.2 Control de tasa en tiempo real vs tiempo no real Por aplicaciones en vivo o en tiempo real (RT, Real Time) [18] se entiende de aplicaciones en las que la captura y la posterior compresión deben realizarse en un tiempo lo más pequeño posible. Esto es debido a unas exigencias en retardo y jitter muy elevadas. Por lo tanto, el algoritmo RC debe ser procesado ágilmente por el sistema. Para las aplicaciones diferidas o en tiempo no real (NRT, Non Real Time), el tiempo de codificación y procesado no constituye ninguna limitación. En ellas se pueden utilizar algoritmos de RC más precisos y computacionalmente más costosos. Es evidente que el retardo introducido no constituye ningún obstáculo y el jitter tampoco.. 1.5.1.3 Control de tasa en una pasada vs varias pasadas Un algoritmo de una pasada será aquel en el que en ningún momento hay dos o más cuadros en el codificador pendientes de ser procesados. La compresión en una pasada tiene el inconveniente de que, al no conocer nada sobre los cuadros futuros, hay que tomar decisiones y realizar tareas de forma ciega, sin saber si los cuadros venideros son más complejos y requieren más bits, o menos complejos requiriendo menos bits. Este esquema de RC es utilizado en aplicaciones de RT y típicamente, en.

(19) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 12. sistemas con una complejidad moderada o pequeña. En las aplicaciones de compresión de vídeo en varias pasadas (generalmente, dos pasadas), en la primera pasada lo que se hace es recorrer la secuencia de vídeo completa para extraer sus características [51]. Evidentemente esta tarea no se puede realizar en RT, ya que necesita tener almacenada la secuencia completa de antemano. La codificación en dos pasadas proporciona una mayor calidad que la realizada en una sola pasada, ya que permite un mejor ajuste de los parámetros y una mayor uniformidad de la calidad, debido a que las decisiones tomadas en la codificación ya no se realizan a ciegas, como en el caso anterior, sino con el conocimiento de las imágenes venideras.. 1.5.1.4 Control de tasa CBR vs. VBR Según apartados anteriores, el RC es un mecanismo que se encarga de ajustar el volumen de datos generado por el codificador de vídeo a una serie de requisitos impuestos por la aplicación. Entre estos requisitos están las imposiciones sobre el tipo de tráfico generado, dígase Razón de Bit Constante (CBR, Constant Bit Rate) o Razón de Bit Variable (VBR, Bit Rate Variable) [65].. 1.5.1.4.1. Razón de Bit Constante, CBR.. En términos de asignación de servicios, CBR provee la ventaja de conocer a priori las necesidades de cada servicio, pero tiene la desventaja que para mantener contenidos de videos con tasa de bit constante no es apropiado en términos de calidad ya que en la compresión de video el parámetro de cuantización (QP) determina el grado de fidelidad entre el contenido sin comprimir y el video final y este varía en el tiempo para mantener salidas constantes [23]. Este esquema de RC es el que impone una tasa constante a la salida del codificador. Es sabido que el factor más importante sobre la calidad percibida no responde a la fidelidad que tiene la imagen reconstruida respecto a la imagen original sin comprimir, como se podría pensar en un principio. El factor más importante responde a las variaciones que presenta la calidad a lo largo del tiempo. Un observador valorará más positivamente una secuencia con una mayor distorsión respecto del original (medida con el criterio que sea, MSE, PSNR, etc.) siempre que ese nivel de distorsión se mantenga estable y acotado; por el contrario, el mismo observador puntuará negativamente una secuencia con un nivel de distorsión inestable, con variaciones importantes en el tiempo, aunque en algunos momentos llegue a presentar tasas de fidelidad respecto al original muy elevadas [48, 50]. De hecho, aquí es donde está el reto de estos sistemas. Codificaciones CBR conllevan a variaciones de calidad en términos de mediciones tanto subjetivas como objetivas, si el contenido de video difiere en la cantidad de detalles de las escenas, los movimientos de los objetos en las escenas, cambios de iluminación, etc. Especialmente fuentes de materiales diferentes de video como películas, animados, o contenido generado computacionalmente puede influir directamente sobre las razones de bit obtenidas [66]. Si se quiere obtener una tasa constante se debe sacrificar la calidad, ya que ésta variará inversamente con la complejidad de la secuencia que se esté codificando. Para tratar de suavizar este problema se ha contemplado el uso de buffers en el codificador (ver Figura 1.8) y decodificador, de manera que sean capaces de absorber pequeñas variaciones en el flujo de datos generado..

(20) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 13. Figura 1.8: Mecanismo de RC con buffer asociado.. Sin embargo, el uso de buffers aporta un inconveniente, que es el aumento del retardo en el caso de una aplicación de transmisión de la señal de vídeo. En una aplicación interactiva, como puede ser una videoconferencia, este retardo debe ser lo menor posible. Esto, además del problema de la calidad, ha impulsado el desarrollo de mecanismos de codificación y transmisión de vídeo de razón variable, VBR.. 1.5.1.4.2. Razón de Bit Variable, VBR.. El RC de razón de bit variable (VBR, Bit Rate Variable) [19, 67] surge principalmente de la necesidad de obtener secuencias de vídeo con una calidad más estable que la obtenida con CBR. Básicamente, RC en VBR se puede caracterizar mediante un conjunto de parámetros, como las tasas medias y máxima, la cantidad de datos generados y el límite impuesto a estos últimos, medido sobre los generados a la tasa media. Estos conceptos son ilustrados en la siguiente Figura.. Figura 1.9: Magnitudes involucradas RC de VBR. Una codificación VBR requiere un proceso de asignación de bits variable, de manera que se asignen bits a cada cuadro en función de su complejidad. De este modo se ahorran bits en los cuadros menos complejos para posteriormente invertirlos en los cuadros más complejos, que requerirán una razón de bit mayor. El principal problema para conseguir este objetivo es el desconocimiento del contenido de los cuadros futuros, por lo que la estrategia de codificación VBR para calidad constante sólo será posible a efectos prácticos en aplicaciones que no requieran codificación en tiempo real. De lo contrario habría que introducir un retardo en la codificación inaceptable para la mayoría de aplicaciones para poder examinar el contenido de varios cuadros. Aun así, el objetivo de calidad.

(21) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 14. constante no podría garantizarse a toda la secuencia, sino al conjunto de cuadros almacenados en el buffer para su análisis. Esta estrategia a menudo va unida a una codificación en múltiples pasadas [51], de manera que con la primera se pueda determinar qué cuadros o fragmentos de la secuencia requieren una razón mayor o menor, así como una estimación de la calidad que se obtendrá finalmente. En la segunda pasada se utilizará la información recogida en la primera para ajustar los parámetros del codificador y poder realizar la codificación con la mínima variación de calidad posible. Además de la capacidad para proporcionar calidad constante, la codificación VBR tiene la ventaja de ser más adecuada para ser transmitida a través de las redes de comunicaciones utilizadas hoy en día, basadas en conmutación de paquetes o celdas [21, 24, 68, 69]. Si se utiliza un esquema de codificación VBR junto con una red de transmisión también VBR se observa que VBR tiene una serie de ventajas frente a CBR:  Mayor calidad de imagen, ya que la razón de bits puede ser distribuida entre diferentes cuadros según su complejidad.  La capacidad efectiva del canal se ve incrementada, ya que la unión de vídeo VBR y red VBR permite emplear statmux. Esto quiere decir que en una red será capaz de transportar más flujos VBR que flujos CBR Estas ventajas conllevan a la aparición de una situación de compromiso, ya que no pueden ser maximizadas simultáneamente [64]. El anexo 3 muestra un ejemplo de los resultados de la calidad de video en función de valores de PSNR representados en líneas azules con respecto a las razones de datos de la codificación de video representada en líneas rojas; las líneas gruesas visualizan el uso de parámetros QP fijos, las discontinuas la codificación CBR. Nótese que para CBR, los valores de PSNR varían en total dependencia de los contenidos de video mientras que para codificaciones con QP constante la razón de datos fluctúan y los valores de PSNR varían mucho menos. En un sistema compuesto por una codificación de vídeo VBR y una transmisión también VBR, la calidad final percibida depende de los parámetros de ambos subsistemas. El nivel de conocimiento que tenga el codificador sobre el estado del subsistema de transmisión puede ser determinante a la hora de conseguir una calidad satisfactoria, sobre todo ante eventualidades que pudieran surgir, de tal forma que podría adaptar la estrategia de codificación al estado actual de la red. El grado de interrelación entre el subsistema de codificación y la red puede ser más o menos extenso. Dependiendo de esto se tienen los denominados modos de operación VBR [67], que se corresponde con los niveles de relación codificador-red.. 1.6. Etapa de multiplexación y transporte. Estructura MPEG-2 TS. Los MPEG-2 TS (ISO/ IEC 13818-1) [70] constituyen el backbone de las redes de distribución por satélites, cable, IPTV y TDT. MPEG2 TS es un medio o mecanismo de transmisión de medios ubicuo que puede definir parámetros e interacción entre múltiples Cadenas de Paquetes Elementales (PES, Packetized Elementary Stream), para recrear una experiencia de multimedia adecuada. Algunas de estos rasgos o características se listan a continuación [71]:.

(22) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba.    . . . 15. Estricta sincronización entre codificador / decodificador. El formato de los TS dota de información suficiente para asistir al decodificador en la reconstrucción y obtención del reloj. Uso de una única señal de reloj para la entrega de toda la multimedia, la decodificación y presentación. Un modelo de almacenamiento sencillo para permitir una implementación fiable en el receptor. Multiplexación, ya que una única cadena MPEG2 TS puede contener múltiples componentes (video, audio, y datos de un único programa o servicio, del mismo modo puede contener múltiples programas independientes [37, 39, 70, 72]). Independencia del códec usado: aunque originalmente en los años ’90 fue diseñado para audio y video en formato MPEG2, MPEG2 TS puede portar exitosamente nuevos formatos como H265, H264, AAC y E-AC-3, además pudieses ser extendido fácilmente para soportar nuevas generaciones de codecs. Rápida adquisición y recuperación de la información del canal a través de la repetición de la información del sistema (SI, System Information) localizadas en las tablas de Mapa de Programas (PMT, Program Map Tables) y las Tablas de Asociación de Programas (PAT, Program Asosiation Tables).. La señalización [7] es un proceso clave a la hora de difundir los contenidos, sea cual sea el medio de transmisión por el que se realiza dicha difusión. La señalización es indispensable para que los receptores de los usuarios sean capaces de descifrar el complejo entramado de bits que existe en las tramas de bits digitales que se transmiten. De esta manera, las “tablas” permitirán a los receptores conocer entre otras cosas:  Las redes de transmisión disponibles y los medios de transmisión.  Los parámetros de transmisión y frecuencias donde localizar los contenidos.  Los servicios ofertados en cada una de las plataformas disponibles.  La composición de dichos servicios, proporcionando información sobre el vídeo, audios, o datos disponibles.  Información sobre la programación emitida, idiomas disponibles, tipos de datos disponibles, información de fecha y hora,  Información de paquetes comerciales, etc. La Figura 1.10 esboza en gran medida la funcionalidad del estándar ISO/IEC 13818-1 utilizado para la multiplexación de programas y servicios en una Cadena de Transporte de Múltiples Programas (MPTS, Multiple Program Transport Stream). Obsérvese como de acuerdo a lo establecido por el estándar, se parte de las Unidades de Acceso (AU, Acces Unit), para la conformación de las Cadenas Elementales (ES, Elementary Stream), los PES de audio/video/datos y la consecuente conformación de las Cadenas de Transporte de un Único Programa (SPTS, Single Program Transport Stream) y MPTS..

(23) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 16. Figura 1.10: Esquema de la conformación de los MPTS según el ISO/IEC 13818-1. Fuente elaboración propia.. 1.6.1. Modalidades operativas de un multiplexor. Entre las modalidades operativas de un multiplexor según [10]se encuentran: . .  . Multiplexor Estadístico o Modo VBR: el multiplexor puede convertir una velocidad binaria original elevada de entrada a una velocidad de salida menor. La razón de codificación es seleccionada de acuerdo a la calidad de una imagen dada. La misma normalmente fluctúa de acuerdo a un valor predeterminado. Multiplexor Estadísticamente limitado o Modo C-VBR (Capped Variable Bit Rate): el multiplexor evita que las velocidades binarias desciendan de un umbral fijado previamente. de acuerdo a la calidad de una imagen específica. Multiplexor de Velocidad constante o Modo CBR: el multiplexor impone una velocidad binaria fija y programable, en caso de no llegar a alcanzarla utilizan paquetes nulos. Multiplexor de Modalidad combinada o Modo ABR (Available Bit Rate): el multiplexor permite que cada servicio tenga una modalidad diferente.. a). b).

(24) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. c). 17. d). Figura 1.11: Representación de los modos de multiplexación a) VBR, b) C- VBR, c) ABR y d) CBR. Fuente [10]. 1.6.2. Concepto de Multiplexación estadística. Independientemente de que se implemente un servicio de multiplexación, es posible distinguir dos conceptos diferentes en función de cómo se realice la multiplexación. Considerando la disponibilidad de recursos con una asignación a lo largo del tiempo, denominada o bien multiplexación estática o multiplexación estadística. Para Bou [23], el primer mecanismo de multiplexación implementa un servicio de asignación de antemano en un ancho de banda compartido. Esta asignación ha de ser fija e invariante en el tiempo durante toda la trasmisión y sin ningún tipo de adaptación. En términos de gestión de la complejidad esta opción es preferida porque no requiere un procesamiento adicional ni un análisis de video en tiempo real el cual puede complejizar y ralentizar la codificación de los servicios. Sin embargo, este método de multiplexación combinado con codificación de video VBR no resulta suficiente. Si la razón de bit por servicio no es constante, la pre-asignación de cada servicio en un ancho de banda compartido con un margen extra para cada uno de los servicios se necesitará en aras de sufragar el peor de los casos que es cuando todos los servicios ostentan una razón elevada. La multiplexación estadística (statmux) surge en los años ’90 con la aparición de los servicios de satélite directos al hogar (DTH, Direct To Home)[19]. Dichas técnicas de statmux fueron luego refinadas a mediados de los años ’00 en apoyo a las arquitecturas distribuidas. Subsecuentemente, hasta la fecha no han existido muchas más innovaciones [22]. En la siguiente figura se muestra una configuración típica para un sistema de statmux donde el bloque de planificación se utiliza para la asignación de los servicios que comparten los recursos. Este proceso de control de la razón se combina simultáneamente con un analizador de control de la calidad que ha de contar con una vía de retroalimentación de los codificadores de video. Los codificadores de video son gestionados por un bloque Analizador de Razón/Calidad en post de satisfacer las restricciones del planificador sin pérdidas considerables de la calidad..

(25) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 18. Figura 1.12: Esquema basico de multiplexacion estadistica. Fuente elaboracion propia.. Con statmux se torna posible explotar las propiedades de los contenidos de video, lo que significa un análisis en tiempo real del contenido por parte del codificador [19, 21, 69]. Este análisis permite la adaptación en la transmisión para el conjunto de razones introducidas por cada servicio. Sin embargo, esta implementación no es libre de costo; plantea [51] que la implementación de statmux requiere de un análisis complejo en tiempo real del contenido de video y de un procesamiento adicional para asignar apropiadamente la cantidad de información óptima para cada servicio en cada instante de tiempo. Esta complejidad de procesamiento implica según [64] un buffereado extra en el trasmisor y más retardo extremo a extremo. Para [7] todo el proceso de statmux se realiza de modo desatendido y en tiempo real, por lo que la medida de complejidad y el control de los diferentes codificadores se hacen a medida que llegan los contenidos.. Figura 1.13: Ejemplo de la eficiencia de ancho de banda para programas codificados H264 con el empleo de statmux.. De acuerdo a uno de los artículos revisados en [11], para la DTT la statmux se implementa normalmente en la Cabeza de Línea central. Por su parte [73] ofrece flexibilidades aún mayores pues logra soluciones en las que son posibles distribuir la codificación y la statmux mediante redes IP regionales o hub locales, creando soluciones de Cabeza de Línea virtual o distribuida..

(26) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 19. En su estudio [74] demuestra que si bien el empleo de técnicas de statmux para algunos canales de DVB-T no evidencian un aumento de la cantidad de servicios que se pueden multiplexar, si resulta al menos justificada pues la efectividad en la reducción de las degradaciones de la calidad del contenido de video medidas subjetivamente es notoria. De igual modo [13] en los escenarios de investigación plateados obtiene muy buenos resultados sobre todo en escenas críticas o complejas. Por su parte [9, 10, 21, 75] demuestran que para el caso de trasmisiones por cable, IP y satélite con el uso de esta técnica el incremento de la capacidad de los servicios es realmente considerable. En su análisis [69] implementa simulaciones para comparar 9 secuencia de video de diferentes complejidades con técnicas CBR y VBR combinada con statmux. El estudio lo hace en cuanto a indicadores de métricas de calidad que representan la distorsión, los artefactos y su cercanía a la calidad subjetiva de la apreciación humana (SSIM, Structural Similarity) y PSNR. Los resultados mostrados evidencian las buenas prestaciones de la statmux con altos por cientos de ganancia. Véase anexo 4. 1.6.3. Tipos de Statmux. La literatura [76] referencia dos tipos principales de sistemas para la statmux, pero ambos se basan en una relación o interdependencia muy fuerte entre el codificador y el multiplexor. Aún sin importar la técnica que se utilice se constata que a nivel mundial ya sea por cable, IP, satélite o microondas, el porciento de eficiencia de la statmux logra alcanzar valores entre los 30 y 40%; por ende es una tecnología aceptada por todos los difusores de contenido [8]. Con determinadas diferencias entre ellos uno se denomina Sistema de Lazo Cerrado o statmux con retroalimentación y el otro Sistema de Lazo Abierto o statmux sin retroalimentación según se muestra en la Figura 1.14.. 1.6.3.1 Statmux con retroalimentación En los sistemas con retroalimentación según [8] los codificadores trasmiten la información de la complejidad de la secuencia de video directamente al sistema de statmux el cual asigna razones de flujo individuales. La implementación de este esquema se realiza directamente en la Cabeza de Línea pues es el lugar donde se encuentran todos los codificadores. La presencia de retroalimentación permite un uso más eficiente del ancho de banda. Véase Figura 1.14 (a). En los sistemas cerrados, el multiplexor es el “cerebro” principal que lleva a cabo la toma de decisiones acerca de la asignación de las razones de bit para cada servicio; el mismo divide dinámicamente y distribuye el ancho de banda entre todos los codificadores en concordancia con la necesidad de cada fuente. Aunque este tipo de sistemas es eficiente en relación a la gestión de la statmux, su propia arquitectura de lazo cerrado conlleva a una dificultad extrema para desacoplar los codificadores del multiplexor pues no existe una manera estándar de negociar o gestionar la asignación de razones entre estos dos tipos de elementos. Prácticamente, la idea anterior significa que no es posible mezclar equipamiento (codificadores o multiplexores) de proveedores diferentes sin perder la funcionalidad de la statmux. Hasta el momento, esto ha conllevado a que los vendedores de equipamiento asociado a la radiodifusión impongan a los clientes invertir en una solución de marca única..

(27) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 20. 1.6.3.2 Statmux sin retroalimentación Si se adolece de un intercambio inicial de información entre el codificador y el sistema de multiplexación, el sistema se considera sin retroalimentación; véase Figura 1.14 (b) [8]. Para lograr la reducción de la razón de flujo en este tipo de sistema se han de implementar los siguientes métodos:  Manipulación de las cadenas de entrada comprimidas para evitar la ocurrencia simultánea de picos grandes en las razones.  Extracción de paquetes nulos si la información ha sido codificada CBR y presenta una cantidad de paquetes nulos que rebasa el 10% de la tasa.  Aplicación de técnicas de manipulación de la razón de bit o transrating, donde se logra una reducción del flujo mediante la optimización de los coeficientes de la matriz de cuantificación a la cadena de entrada. En el mercado existen varias soluciones de sistemas abiertos. Thomson Video Network [22] ha tenido una mirada innovadora en la tecnología y ha introducido un nuevo conjunto de ventajas en el ámbito de la statmux en aras de lograr una calidad de video mejorada y logrando la simplicidad de las operaciones en la Cabeza de Línea. Envivio [69] por su parte implementa solución radicalmente diferente de las implementaciones de lazo cerrado. Para el control de las razones estadísticamente, Envivio no predefine la necesidad de ningún mecanismo propietario entre los codificadores y los multiplexores. Lo anterior significa que la distribución y asignación del control de la razón es llevada a cabo entre los codificadores, mientras que el multiplexor no tiene que enviar ningún tipo de control ni indicación a los codificadores sino que solo se encarga de la multiplexación del contenido y su preparación para la trasmisión. Esta arquitectura abierta provee ventajas significativas que a continuación son listadas:   . Los codificadores y multiplexores pueden provenir de diferentes vendedores. Los codificadores y multiplexores no tienen que estar situados físicamente en el mismo lugar o en la Cabeza de Línea centralizada. Mayor confiabilidad ya que los elementos son más autónomos y en consecuencia el sistema integro es menos propenso a fallos.. (a).

(28) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 21. (b) Figura 1.14: Diagrama de un a)Sistema de Lazo Cerrado y un b) Sistema de Lazo Abierto para la StatMux. Fuente: [76] modificada por el autor.. 1.6.4. Beneficios y eficiencia de la Statmux. La mejora o ventaja que emerge del uso de la statmux [9, 10, 12, 13, 19, 21, 74, 76] está dada principalmente por una mejora constante de la calidad de video y una mejor experiencia o vivencia visual. La statmux dinámica asigna la razón de bits necesaria para cada componente de video en el multiplex para lograr alcanzar una métrica de la calidad de video predefinida. La razón de bits disponible para video en el multiplex es entonces compartido entre los diferentes servicios dependiendo de la complejidad de los programas de TVs. A los programas con escenas sencillas para codificar se les asigna una razón de bit menor que a los programas que presenten una mayor complejidad de las escenas de video. El resultado de la calidad de video es mucho más coherente en el multiplexor si todos los codificadores presentan la misma métrica de calidad de video. La eficiencia de la statmux [9, 69] depende del número de codificadores en el grupo de multiplexación, como se muestra en la Figura 1.15. Con independencia del estándar de compresión (MPEG2 o MPEG4 o H265) o la resolución (SH o HD), los beneficios de la statmux son similares y estarán directamente determinados por la naturaleza estadística de la complejidad del video. Obsérvese la Figura 1.6 en donde se detalla en dependencia de estándar de codificación, la resolución y el tipo de programa a cuánto asciende la razón de codificación en cada caso. Habitualmente se define la ganancia de statmux como el cociente entre la suma de las velocidades de pico de todas las fuentes y la velocidad del canal [19], lo cual depende de la definición de tasa de pico. En [77] se define como el cociente entre el número de fuentes VBR por el número de fuentes CBR, para una probabilidad de pérdida y retardo determinados para las fuentes VBR, y una determinada velocidad de canal. Otra manera de cuantificar, de acuerdo al artículo [65], se basa en que la ganancia de multiplexación estadística alcanzada para N fuentes, independientemente de la definición de la tasa de pico y la capacidad del canal, es el cociente entre el ancho de banda por fuente necesario para transmitir 1 y N fuentes, para una calidad de servicio (probabilidad de pérdida y un retardo máximo del buffer) determinada. Tomando en consideración los criterios de [21, 73] y según se muestra en la figura, mientras más programas estén asignados a statmux, más oportunidades existirán de lograr una buena mezcla del contenido estadísticamente..

(29) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba. 22. Figura 1.16: Representación de la Ganancia de Statmux vs Número de canales virtuales. Fuente [33]. 1.7. Características técnicas de la red DTT en Cuba.. La red de DTT en Cuba consta de una red de frecuencia múltiple (MFN, Multiple Frecuency Network) que da cobertura a todo el territorio nacional de acuerdo con el actual Plan Técnico nacional de la DTT, donde se utilizan las bandas de frecuencias de muy alta y ultra alta frecuencia (VHF y UHF) con 6 MHz de ancho de banda y el plan de canalización diseñado por [78]. Existiendo en su totalidad decenas de trasmisores DTT marca BBEF [79, 80] y 6 zonas de demostración desplegadas por todo el país. La red consta también de un múltiplex de ámbito autonómico y un múltiplex de ámbito local para cada cabecera provincial, conforme al Plan Técnico nacional de televisión digital local. En la medida que la capacidad del espectro radioeléctrico lo permite, en algunas de las “Islas Digitales” o cabeceras provinciales se ha planificado un segundo múltiplex autonómico, aunque con limitación temporal de su cobertura. También el Plan Técnico nacional de televisión digital contempla desde el año 2015, en algunos territorios (Habana, Matanzas, Santa Clara y otros), un segundo transmisor para el canal HD experimental. En todos los casos, la imagen, sonido y datos asociados a una emisión de DTT se codifican digitalmente en formato MPEG-4 aunque existen también encoder AVS, y el flujo binario resultante de la codificación se multiplexa de acuerdo a [70] y se transmite teniendo en cuenta las características técnicas del estándar DTMB [29].. 1.7.1. Estándar DTMB. La norma DTBM [29] permite canales de 6, 7 u 8 MHz de ancho de banda. Define 330 modos de trabajo para el sistema de modulación, unos basados en 3780 portadoras y otros basados en una única portadora. Las portadoras pueden modularse en QPSK ( 4QAM-NR: 30 modos y 4QAM: 90 modos), o en 16-QAM (90 modos) o en 32-QAM (30 modos) o en 64-QAM (90 modos). A su vez, cada símbolo tiene una duración fija en tiempo, y se separa del siguiente símbolo por un intervalo de guarda, que puede ser 55.6μs, 78.7μs o 125μs de la longitud de símbolo. Es ideal para el uso en dispositivos como televisores, cajas decodificadoras (STB, Set Top Boxes) [25], ultra computadoras personales movibles, televisores portátiles, receptores de automóvil, reproductores media portátiles y teléfonos celulares. La representación del diagrama de bloques se ilustra en el Anexo 5. El resto de las características técnicas utilizadas por los operadores de las redes de radiodifusión que mejoran su rendimiento son las siguientes:.

(30) CAPÍTULO 1. Características del sistema DTT en Cuba.   .  . 23. Secuencias binaria pseudoaleatoria PN con intervalos de guarda que suministran una sincronización más rápida del sistema y estimación de canal más precisa. Código de corrección de errores avanzado de baja densidad (LDPC, Low Density Parity Check). Combinación del procesamiento digital de la señal en el dominio del tiempo y de la frecuencia, (TDS - OFDM, Time Domain Synchronous – Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Sincronización de la estructura de trama en tiempo real, soporta transmisión multimedia y servicios personalizados. Implementación de técnicas de espectro extendido para proteger la información de sistema.. Para calcular las razones de trasmisión asociadas a los diferentes modos de trabajo se utiliza la siguiente fórmula: 𝑅𝑎𝑧ó𝑛 =. 3744 𝑃𝑁+3780. × 𝑅𝑖 × 𝑅𝑚 × 5,67𝑀𝑏𝑝𝑠. ecuación 1. Donde:   . Intervalo de guarda , PN=420/545/945; Eficiencia del esquema de modulación , Rm = 2/4/5/6; Eficiencia del FEC, Ri (FEC) : 0.4= 3008/7488, 0.6= 4512/7488, 0.8 = 6016/7488; Tabla 1: Tabulación de los 7 principales modos de trabajo de DTMB. Fuente: elaboración propia.. Modo. Número de. FEC. Modulación. Cabecera. Entrelazado. Portadoras. Razón de Tx (Mbps). 1. 3780. 0.4. 16QAM. PN945. 720. 7.220. 2. 1. 0.8. 4QAM. PN595. 720. 7.797. 3. 3780. 0.6. 16QAM. PN945. 720. 10.829. 4. 1. 0.8. 16QAM. PN595. 720. 15.593. 5. 3780. 0.8. 16QAM. PN420. 720. 16.244. 6. 3780. 0.6. 64QAM. PN420. 720. 18.274. 7. 1. 0.8. 32QAM. PN595. 720. 19.492.