Arquitectura

A arquitectura IPTV diferencia-se essencialmente das outras soluções de televisão digital na medida em que assenta nas infra-estruturas de redes de telecomunicações e de comutação de pacotes já existentes. Assim, para cada operadora que queira fornecer este serviço, a implementação e integração de IPTV torna-se mais fácil na medida em que não são necessárias grandes alterações na arquitectura de rede. Consequentemente o serviço pode ser mais facilmente rentabilizado, pois também não adiciona grandes custos adicionais para as operadoras, possibilitando também um preço mais acessível para quem o serviço é dirigido (os utilizadores).

Nesta secção abordaremos a arquitectura IPTV, dividindo-a em 3 partes que representam os 3 grandes grupos de entidades responsáveis por levar os conteúdos ao utilizador (Fig.2):

• O grupo onde estão armazenados e onde são preparados os conteúdos para serem enviados à set-top box do cliente (lado do fornecedor de serviço).
• O grupo da rede que transporta os conteúdos, em que serão abordadas as 2 soluções mais utilizadas neste momento que são IPTV sobre cabo e IPTV sobre xDSL (lado da rede).
• O grupo onde os conteúdos são recebidos e tratados de forma a serem apresentados ao cliente (lado do utilizador).

O lado do fornecedor de serviço

Compressão usada em IPTV

A principal razão que leva a que a rede de televisão seja geralmente a última a implementar evoluções tecnológicas reside no facto de ser a que requer mais recursos. Para que as redes IPTV pudessem suportar televisão teve de haver um esforço para uma evolução em duas frentes.

Se tentássemos transmitir televisão sem compressão facilmente chegaríamos à conclusão que esta requeria um débito incomportável, senão vejamos:

Se quisermos transmitir televisão com uma qualidade equivalente a recomendação ITU-R 601 em PCM corresponderia cálculo descrito a seguir [1].

É aqui que entram a ITU e grupo MPEG. Estas duas entidades, dos ramos das telecomunicações e electrónica de consumo respectivamente, juntaram-se com o objectivo de criar uma norma que posteriormente vira a dominar a televisão digital: o MPEG-2. [2]

Este protocolo consegue transmitir um canal de televisão com a qualidade descrita anteriormente em cerca de apenas 3 a 5 Mbits/s de débito, o que representa um factor de compressão maior que 30, isto é, cada bit MPEG-2 contem, em média, informação equivalente a mais de 30 bits PCM. Este apreciável factor de compressão é atingido através do seguinte conjunto de ferramentas:

• Compressão semelhante ao JPEG, para aproveitar a redundância espacial numa imagem.
• Quantização da imagem por frequências, com a possibilidade de corte das frequências mais altas, de maneira a usufruir da irrelevância existente em cada imagem.
• Tramas dependentes entre si, de forma a usar a redundância temporal.
• Compensação de movimento, de modo a explorar de forma mais eficiente a redundância temporal.
• Codificação entropica, que atribui bits aos símbolos criados consoante a sua probabilidade, e assim explorando a redundância estatística.

As redes de acesso em que o IPTV assenta têm evoluído continuamente ao longo do tempo. Se pensarmos nos débitos que estas redes forneciam ao utilizador à uns anos atrás, percebemos uma das razões das redes IPTV só terem sido possíveis de implementar num passado recente. Não é preciso recuar muito no tempo para encontrar uma altura em que as ligações residenciais mais rápidas se forneciam aos serviços do cliente 1 ou 2 Mbits/s, o que, mesmo com as técnicas de compressão mais recentes, não são suficientes para transportar simultaneamente vários canais de televisão e deixar ainda débito disponível suficiente para o acesso à internet. No entanto com as ligações disponíveis actualmente e com o uso de um protocolo de compressão como MPEG-2 já é possível fornecer aos clientes de IPTV um débito de acesso à internet aceitável, vários canais em simultâneo e possivelmente ainda acesso a serviços adicionais como Video-On-Demand.

O MPEG-2 teve, e continua a ter um grande sucesso em IPTV. No entanto o tempo que passou desde a sua criação levou à formação, pelas mesmas organizações, de um novo protocolo que visa substituir o MPEG-2 na televisão digital, o H.264/MPEG-4 [3]. Este novo protocolo consegue transmitir um canal com a mesma qualidade do MPEG-2 em aproximadamente metade do débito. Além desta importante vantagem, o MPEG-4 adapta-se melhor a conteúdos sintéticos como por exemplo notícias em rodapé num telejornal, o que se torna cada vez mais relevante com a evolução a que os conteúdos televisivos têm sido sujeitos. Neste momento as duas alternativas coexistem no mercado, verificando-se uma substituição lenta do MPEG-2 pelo MPEG-4, geralmente no momento da incorporação da alta definição.

A rede

IPTV sobre cabo

Na solução por cabo, o acesso é baseado no protocolo DOCSIS QAM-RF (Quadrature Amplitude Modulation-Radio Frequency).[4]

Basicamente, a maneira como as empresas de cabo (MSO-Multiple System Operator) fornecem o serviço IPTV pode ser feito das seguintes formas:

• Fazer a entrega dos pacotes IPTV directamente através do CMTS (Cable Modem Termination System)
• Evitar o CMTS e entregar o vídeo através dos moduladores de QAM. O vídeo é obtido através de satélite ou de sinal terrestre e depois de ser codificado é enviado pela rede. É modulado e “entregue” aos utilizadores através das set-top boxes.
• Implementar uma nova classe de gateways capazes de encapsular o QAM-based de vídeo digital e garantir que pode ser utilizado por serviços/dispositivos orientados ao IP em casa de cada utilizador [5]

IPTV sobre xDSL

A solução IPTV que vamos apresentar e caracterizar é a solução implementada pela Portugal Telecom (PT). Esta solução é apenas um exemplo duma rede IPTV, mas em traços gerais possui as características principais duma solução IPTV.

• O sinal de televisão (Video Source) obtido através de satélite ou sinal terrestre é adquirido através de codificadores existentes no chamado head-end da rede. Neste ponto da rede também podem ser gerados conteúdos adicionais para o cliente como por exemplo VOD.
• São gerados pacotes IP com conteúdo codificado na tecnologia MPEG-2 ou MPEG-4 e estes pacotes são enviados pela rede através de routers IP/MPLS[6]. Esta tecnologia de encaminhamento consiste na “rotulação” de pacotes IP de modo a que estes sejam etiquetados para diferenciar o tipo de serviço e prioridade a dar a cada pacote. A partir dessa etiqueta todos os pacotes seguem um caminho específico na rede sem necessitar das tradicionais tabelas de encaminhamento (normalmente usadas nas redes de comutação de pacotes).
• Os pacotes IP são enviados pela rede em Multicast. Este modelo de entrega de pacotes caracteriza-se por ser do tipo “um para muitos”, que faz sentido na medida em que vários subscritores do serviço IPTV devem receber os mesmos pacotes com os dados de vídeo se, por exemplo, estiverem a ver o mesmo canal de televisão ou filme.



• A rede ao nível IP tem ainda de garantir qualidade de serviço (QoS) pois no caso de distribuição de vídeo estamos a falar de um serviço em tempo real e sem interrupções. A principal ferramenta utilizada para garantir QoS, para além do MPLS, consiste no encapsulamento dos pacotes IP com um cabeçalho RTP (Real-Time Protocol)[7]. Este protocolo caracteriza-se por fornecer alguma informação adicional nos pacotes de modo a garantir uma melhor reordenação e sincronização na recepção. Nomeadamente o cabeçalho RTP acrescenta uma marca temporal e um número de sequência de maneira a que os pacotes tenham uma sequência definida no cabeçalho. O protocolo de transporte utilizado é o UDP (transporte não fiável de dados [8]) em detrimento do TCP, uma vez que entre outras razões, o TCP usa retransmissão de pacotes, o que acrescentaria atraso na transmissão, um parâmetro crítico em transmissão de televisão.
• Existe ainda uma parte na rede que é responsável pelos serviços de interactividade para o utilizador, denominado de Middleware. Esta parte é constituída por um conjunto de servidores de streaming. Embora não esteja presente na figura 4, esta parte da rede desempenha um papel importante na medida em que possui a informação referente à gestão de serviços, conteúdos e utilizadores. O Middleware é ainda responsável por armazenar informação personalizada para cada utilizador de modo a que este, na sua set-top box receba o conteúdo que mais lhe agrada.
• A aquisição de vídeo pode ser obtida através de servidores locais. Quando é feita desta forma, os pacotes de vídeo não passam pelo core da rede e são encaminhados directamente através dos DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) das empresas de telecomunicações para as set-top boxes ou computadores dos utilizadores. Os DSLAM são dispositivos que permitem uma maior velocidade e largura de banda nas ligações à Internet através da linha telefónica [9].

O lado do cliente

EPG e Metadados

Com 100 canais e um vasto leque de filmes em Video on Demand, conteúdo não falta para o utilizador escolher. O problema é como escolher ou navegar em tanto conteúdo. Se disponibilizarmos o conteúdo sem qualquer assistência, a quantidade de informação assoberbaria o utilizador, acabando por ser pior do que ter pouco conteúdo, porque o cliente ficaria frustrado por não conseguir usufruir dos serviços pelos quais está a pagar.

Um dos problemas reside no facto da técnica de zapping não é escalável para 100 canais. Por esta razão, nas soluções IPTV existem EPGs, guias de programação electrónicos que atribuem aos canais informação sobre que programas dão em que canais e a que horas. Cabe então à set-top box do operador fornecer ao utilizador uma interface que lhe permita, não só programar gravações por programas, como também procurar por exemplo as horas a que dá um programa da sua preferência.

Mesmo assim isto não é suficiente, pelo menos para aceder aos filmes do Video-on-Demand. É necessário adicionar aos dados informação como o título do filme ou programa, os actores do filme, o tipo de programa ou filme (acção, noticias), etc. Este tipo informação é denominado por metadados. Porém, o facto de os metadados estarem na set-top box não traz vantagem nenhuma, se não forem usados. Mais uma vez cabe à set-top box proporcionar ao utilizador uma interface que use os metadados para permitir por exemplo, pesquisar programas ou filmes por temas ou actores.

Camuflagem de erros

Costuma-se dizer em codificação multimédia que a inteligência está do lado do codificador. Porém umas das poucas vezes em que o descodificador tem a oportunidade de “brilhar” é quando percebe que o que recebeu tem erros não corrigíveis. Aí existem duas opções: a set-top box pede a retransmissão da informação, ou tenta “disfarçar” o erro de forma a torná-lo o mais imperceptível possível ao cliente.

A primeira opção não costuma ser usada em televisão, devido aos requisitos de tempo real desta aplicação. Além disso a rede de televisão era tradicionalmente (e em certas redes continua a ser) uma rede unidireccional, tornando esta opção impossível. Em IPTV esta opção torna-se possível desde que se consiga a retransmissão sem aumentar significativamente o atraso, o que não é fácil.

A segunda opção pode ser implementada usando as mais variadas opções como substituir a zona corrompida pela mesma da imagem anterior, ou usar as zonas adjacentes da imagem para prever a que se perdeu.

Estas técnicas têm uma importância acrescida em termos de negócio, já que não são normativas, sendo uma maneira de diferenciar os serviços de vários operadores. Além disso, embora possa acrescentar alguma complexidade às set-top boxes, o impacto subjectivo destas técnicas no aspecto final da imagem é geralmente bastante significativo. Um exemplo deste impacto pode ser encontrado na figura 7, em que na imagem da esquerda não foi usado concealment, enquanto na da direita é usada uma técnica de concealment para “mascarar” os erros.