1. Arquitectura do sistema DVB

Neste capítulo abordar-se-á a arquitectura do sistema DVB e os respectivos meios de transmissão (satélite, cabo, móvel ou terrestre).

Figura 3: Arquitectura base de um sistema DVB [3]

Subsistema de Vídeo - É onde o sinal de vídeo e áudio sofrem uma redução do respectivo bit rate. Esta compressão de dados e feita de forma adaptada ao conteúdo do vídeo, áudio e data stream. Depois de comprimido o sinal é codificado de modo a diminuir o número de bits necessários para que posteriormente a reconstrução de vídeo e áudio, não sofra alterações perceptíveis. Assim sendo o vídeo vem, actualmente, codificado sobre o formato MPEG-4 AVC/H.264 e o áudio sobre o formato AAC.

Subsistemas de serviços e transporte - É onde ocorre todo o conjunto de operações que permite dividir o sinal de áudio e vídeo em forma de "pacotes", a forma depois como se encontra aquele "pacote" específico e o método de multiplexagem apropriado para um data stream de "pacotes" de vídeo e áudio num único data stream.

Dados - Este bloco contém dados de controlo e de auxílio que permitem no momento da multiplexagem saber quais são os "pacotes" e a que data stream pertencem, tabelas PAT entre outros.

Multiplexer de Transporte - O transporte é feito tendo em conta o meio receptor, ou seja, o multiplexer de transporte tem que ter um grau de interoperabilidade elevado visto que o receptor pode ser um tablet, um telemóvel, um televisor entre outros. Com outras palavras o subsistema de transporte é feito com base na interoperabilidade pois pode-se ter transmissão via terrestre, satélite, cabo ou móvel.

Transport Stream (TS) - Na saída do multiplexer de transporte tem-se um Transport Stream, que é definido através das normas em que o sinal de áudio e vídeo foram codificados, neste caso em MPEG-4 AVC/H.264 e AAC. Este TS vai ser usado posteriormente para a transmissão do sinal para o receptor.

Subsistema de Transmissão - Este bloco muda consoante o meio, satélite, terrestre, cabo ou móvel. Numa forma mais simplista neste subsistema temos um bloco de codificação de canal que adiciona informação a data stream, que provem do multiplexer de transporte, de modo a que o receptor possa usar essa informação extra para auxiliar à reconstrução do sinal recebido, que devido a compressões de sinal, modulações e todas estas operações serem portadoras de um erro, mesmo que mínimo, o sinal recebido nunca será exactamente igual aquele que foi transmitido, se bem que, perceptivelmente não há diferenças. O bloco de modulação usa a informação da data stream para modular o sinal transmitido. No caso do DVB, regra geral, a modulação usada é COFDM, excepto no DVB-S2 que é QPSK.

Dado que a transmissão é feita consoante o meio onde o sinal se propaga, analise-se desta forma os vários subsistemas de transmissão.

1.1. Subsistema de transmissão para DVB-S

Figura 4: Arquitectura do subsistema de transmissão para o DVB-S [3]

Dispersão de Energia - O Transport Stream entra no bloco de dispersão de energia e neste é identificado como uma sequência de pacotes de dados de tamanho constante de 188 bytes.

Bloco de codificação não binário/codificação Reed-Solomon - Este bloco permite corrigir erros no sinal transmitido até um máximo de 8 bytes errados por cada pacote de 188 bytes.

Interleaving - Nesta fase os dados são reordenados de uma maneira não contígua de forma a facilitar a recuperação de erros de burst, sendo usado em conjunto com o código Reed-Solomon.

Codificação convolucional/FEC (Forward Error Correction) - Consiste em controlar e corrigir os erros na transmissão. Para isso é adicionada redundância a informação do sinal transmitido usando um algoritmo pré-definido, neste caso o algoritmo consiste em que cada m bits de informação a serem codificados, se transformem em n bits de informação onde o rácio m/n (n> =m) é denominado de rácio de codificação. A transformação é uma função dos últimos k símbolos, onde k é o comprimento do código restringido. Assim sendo há cinco rácios de codificação válidos: 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 e 7/8.

Formatação Banda Base - Depois de corrigidos os erros, a sequência de bits é formatada para uma sequência com uma banda de base modulada de símbolos complexos.

Modulação QPSK - Por fim é aplicada uma modulação QPSK, sendo que depois o sinal vai para o receptor.

1.1.1. DVB-S vs DVB-S2

O DVB-S2 é implementado em 2005 e em relação ao DVB-S tem as seguintes vantagens:

Para além da modulação QPSK faz 8-PSK, 16APSK e 32 APSK.

Capacidade de transmissão é cerca de 30% superior em relação ao DVB-S.

As modulações 16APSK e 32APSK têm performances semelhantes ao 16-QAM e 32-QAM.

1.2. Subsistema de transmissão para DVB-T

Este subsistema é muito semelhante ao anterior. Contudo neste subsistema há um splitter que separa o sinal que vem do multiplexer de transporte em dois sinais, um para o SDTV (standard definition television) e outro para o HDTV (high definition television).
A modulação também é diferente sendo que para DVB-T a modulação adoptada é OFDM.

1.2.1. DVB-T vs DVB-T2

O DVB-T2 é implementado em 2008 e em relação ao DVB-T tem as seguintes vantagens:

O DVB-T2 permite as seguintes modulações: QPSK, 16-QAM, 64-QAM e 256-QAM.

Os modos OFDM para além do 2k e 8k contidos no DVB-T têm: 1k, 2k, 4k, 8k, 16k e 32k.

Os intervalos de guarda para além do 1/32, 1/16, 1/8 e 1/4 contidos no DVB-T têm: 1/128, 1/32, 1/16, 19/256, 1/8, 19/128 e 1/4.

O DVB-T está especificado para 5,6,7,8 MHz de largura de banda de canal ao passo que o DVB-T2 está especificado para 1.7, 5,6,7,8 e 10 MHz.

1.3. Subsistema de transmissão para DVB-C

Assim como os dois subsistemas já explicados anteriormente o DVB-C vai ter de diferente a modulação, permitindo só modulações QAM: 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM, 128-QAM e 256-QAM. De ter em conta também que a sequência de bits é codificada usando a codificação diferencial dos dois bits mais significativos de cada símbolo.

1.3.1. DVB-C vs DVB-C2

O DVB-C2 é implementado em 2008 e em relação ao DVB-C tem as seguintes vantagens:

Modulação OFDM/COFDM ao passo que o DVB-C utiliza, regra geral, 64-QAM.

Maior eficiência espectral, cerca de 30% superior em relação ao DVB-C, através da utilização códigos LDPC (low-density parity-check), juntamente com maiores mapeamentos QAM e OFDM.

1.4. Subsistema de transmissão para DVB-H

Esta solução está meramente presente visto que foi a solução pensada para a televisão móvel, contudo demonstrou-se ser não muito viável face as mais recentes tecnologias mais concretamente o 3G e o LTE.

2. Arquitectura do Sistema IPTV

Figura 5: Arquitectura de um sistema IPTV [4]

A arquitectura de um sistema IPTV pode-se dividir em quatro fases: headend, transporte, acesso e rede doméstica.

Headend - Neste ponto é onde os sinais de áudio e vídeo são adquiridos, dos vários meios de transmissão, e processados de forma a serem distribuídos pela rede. Para isto os conteúdos são encapsulados num pacote IP e enviados para a rede IP.

Transporte/Core - Tem como função receber os pacotes IP que vêm do Headend e encaminha-los pela rede.

Acesso - Denominado também como LastMile, visto que é o ponto central entre os conteúdos enviados para a rede e o utilizador. Neste ponto temos presente um MSAN (Multi-Service Access Node). Este aparelho funciona como um DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer) se a tecnologia que o assinante utiliza for xDSL ou como uma OLT (Optical Line Termination) se a tecnologia que o assinante utiliza for GPON (Gigabit Passive Optical Network).
Neste ponto da arquitectura também vão existir PVCs (Permanent Virtual Circuit) ou VLANs (Virtual Local Area Network) dedicadas a utilizadores ou a serviços de modo a identificar os acessos feitos pelos utilizadores. Em suma é o ponto onde se decide qual o meio de transmissão (cabo - DOCSIS, terrestre - xDSL) e preparar a forma de aceder mais tarde aos conteúdos provenientes do sinal da IPTV.

Rede Doméstica - É o ponto mais conhecido de todos nós pois é neste que usufruímos dos conteúdos vindos do sinal da IPTV. Para tal as tecnologias mais utilizadas para levar o sinal até aos televisores são a Ethernet e o coaxial. O sinal é posteriormente descodificado pelas Set-Top-Box (STB), descodificando as streams em áudio e vídeo.

2.1. Transporte via terrestre

O transporte feito via terrestre tem como meio principal a linha telefónica, designando assim de xDSL. As mais utilizadas são o ADSL e o ADSL2+, sendo que ultimamente haja uma utilização gradual do VDSL2, pois esta permite um bit rate mais elevado.
Desta forma consegue-se ter para além do serviço de voz, pois já existia obviamente na linha telefónica, serviços de vídeo (tanto em SD como em HD) e serviços de dados (utilizado também no inicio unicamente para acesso a Internet).
Há dois tipos de modulação que pode ser aplicada ao sinal, sendo elas a DMT (Discrete Multi-Tone) e a CAP (Carrierless Amplitude Phase), que é uma variação do QAM.
Ao nível de codificação de canal neste momento o codec de vídeo aplicado é o MPEG-4 AVC/H.264 ao passo que o codec de áudio é o AAC.

Figura 6: Arquitectura IPTV numa rede xDSL [5]

2.2 Transporte via cabo

O transporte via cabo coaxial utiliza o protocolo DOCSIS. A modulação utilizada por este protocolo é o QAM. Para distribuir o sinal por múltiplas TV's em casa dos clientes são utilizados splitters.
Assim sendo existem três formas dos prestadores de serviços de IPTV, via cabo, fornecerem o serviço aos seus clientes:

CMTS (Cable Modem Termination System) - Tem como função entregar o stream IPTV.

Modulador QAM - Alternativa ao CMTS.

Gateways - Baseados em QAM com capacidade de encapsular os conteúdos de vídeo e áudio digital em serviços orientados ao IP.

Assim como no transporte feito em via terrestre, os codecs de áudio e vídeo usados são o AAC e o MPEG-4 AVC/H.264, respectivamente.
A modulação aplicada para este tipo de transporte é, regra geral, QAM.

Figura 7: Arquitectura IPTV numa rede via cabo

2.3 Transporte via fibra

Possivelmente esta é a tecnologia de que mais se fala, não só por ser a mais recente, como também é aquela que consegue transportar uma maior quantidade de dados e de forma também mais rápida.
Assim sendo há varias topologias de implementar a fibra óptica na rede IPTV entre elas:

FTTN (Fiber To The Node) - Também conhecida como Fiber To The Neighborhood ou Fiber to the Cabinet (FTTCab). Neste a tipologia de rede a fibra óptica vai desde a central e vai até um servidor num determinado "bloco" (bairro, quarteirão). Os subscritores residentes nesse bloco acedem depois ao servidor através de cabo coaxial.

FTTB (Fiber To The Building) - Tipologia de rede na qual a fibra óptica vai desde do central office (central da operadora) até ao edifício onde é colocado uma Optical Network Unit (ONU). O sinal sai da ONU e vai para a STB dos subscritores presentes no edifício.

FTTH (Fiber To The Home) - Semelhante ao FTTB mas em vez da ONU ser colocada no edifício é colocada na casa do subscritor, ou seja o subscritor tem fibra óptica até a sua casa.

FTTC (Fiber To The Curb) - Esta tipologia usa uma plataforma que esta ligada pelo servidor com fibra óptica. Os subscritores depois acedem a esta através de cabo coaxial. Esta plataforma (curb) é algo abstracta visto que ser um simples armário de comunicações. Os protocolos usados na ligação curb- clientesão DOCSIS ou xDSL.

Tal como nos dois casos anteriormente descritos, os codecs de áudio e vídeo são os mesmos.
Ao nível de modulação não há uma modulação pré-definida como no DVB visto que há várias tipologias de rede e cada uma usa os seus respectivos protocolos e as suas respectivas modulações.

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Figura 8: Arquitectura da rede de fibra óptica com as várias topologias de implementação [7]

3. Arquitectura do sistema de tv móvel

Em Março de 2008, a Comissão Europeia aprovou para utilização a norma Digital Video Broadcasting Handheld (DVB-H) de forma a promover a interoperabilidade dos serviços embora esta norma não tenha sido seguida por Portugal até ao presente nem está, de momento, planeado. Outros países europeus já estão disponibilizar serviços DVB-H.
A transmissão de televisão móvel, feita sobre redes 3G e LTE, envolve dois paradigmas:

Unicast - onde é estabelecida uma sessão por utilizador por conteúdo.
Multicast – em que é estabelecida uma sessão por conteúdo.

A principal diferença é que o modelo Unicast permite a transmissão mais personalizada de conteúdos, ou seja, diferentes conteúdos para cada utilizador. A desvantagem face ao Multicast é que consume demasiados recursos na rede e tem uma largura de banda limitada por utilizador.
Neste momento a realidade portuguesa é apenas o acesso a conteúdos TV via 3G/UMTS e LTE numa perspectiva unicast.
Tomando em conta estes dois tipos de tecnologia é possível ter uma arquitectura do sistema de TV móvel.

Figura 9: Arquitectura do sistema de TV móvel [8]

Em relação ao sistema DVB-H, os conteúdos utilizados são codificados em H.264/AVC a nível de vídeo, e a AAC a nível de áudio. A modulação adoptada pelo sistema DVB-H (baseada na norma DVB-T) é COFDM.
Actualmente as tecnologias 3G e LTE utilizam como codec de vídeo o MPEG-4 e a nível de áudio o AAC. A nível de modulação o 3G utiliza QPSK e o LTE utiliza QPSK ou então 16 QAM, caso seja necessário aumentar a capacidade.