Anteproyecto_ Arquitectura_de_red_FTTx_DOCSIS_para_iTV

Anlisis y evaluacin de la red de acceso HFC para la distribucin de contenidos educativos de iTV con QoS

Anlisis y evaluacin de la red de acceso HFC para la distribucin de contenidos educativos de iTV con QoS

Diego Fernando Rueda Pepinosa

Ivn Ricardo Taimal NarvezMonografa presentada como requisito para optar por el titulo de Ingeniero en Electrnica y Telecomunicaciones

Director: Ing. Jose Luis Arciniegas HerreraAsesor: Ing. Wilmar Yesid Campo MuozUniversidad del Cauca

Facultad de Ingeniera Electrnica y Telecomunicaciones

Departamento de TelemticaLnea de Investigacin en Ingeniera de Sistemas Telemticos Popayn, Junio de 2008TABLA DE CONTENIDO

iiiNDICE DE FIGURAS

ivNDICE DE TABLAS

vLISTA DE ACRNIMOS

11PRESENTACIN DEL DIRECTOR

62PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

62.1PROBLEMA CENTRAL

82.2JUSTIFICACIN

92.3MARCO TERICO

92.3.1Red Hbrida de Fibra - Coaxial (HFC)

102.3.2Estndares para la transmisin de datos en la red HFC

102.3.3Protocolo DOCSIS

122.3.4Televisin Interactiva (iTV)

152.3.5Mtodos para el modelado de trfico

152.4ANTECEDENTES

192.5APORTE

203OBJETIVOS

203.1OBJETIVO GENERAL

203.2OBJETIVOS ESPECIFICOS

204ACTIVIDADES Y CRONOGRAMA

204.1METODOLOGA

204.2ACTIVIDADES Y RESULTADOS

204.2.1Fase de anlisis de datos

214.2.2Fase de programacin y ejecucin del modelo

214.2.3Fase de presentacin de resultados

224.3CRONOGRAMA

235RECURSOS, PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIACIN

225.1RECURSOS DE PERSONAL

235.2RECURSOS EQUIPOS

235.2.1 Costo de Utilizacin

235.2.2 Costo de Mantenimiento

245.3RECURSOS SOFTWARE

245.4RECURSOS bibliogrficos

245.5Recursos materiales e insumos

255.6RECURSOS PUBLICACIN Y DIVULGACIN

255.7RECURSOS COMUNICACIONES

255.8A.U.I

255.9PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIACIN

266CONDICIONES DE ENTREGA

267CONTENIDO DEL DOCUMENTO FINAL

278Referencia bibliogrfica

NDICE DE FIGURAS

10Figura 1. Esquema general de la red HFC.

11Figura 2. Trfico IP a travs del sistema de datos sobre cable.

11Figura 3. Espectro de frecuencias empleado.

14Figura 4. Funciones de la cabecera en la distribucin de contenidos iTV.

15Figura 5. Diagrama simplificado de interconectividad entre un receptor de ITV y la cabecera.

16Figura 6. Distribucin de suscriptores de banda ancha por regin a Diciembre de 2007.

16Figura 7. Distribucin mundial de tecnologas de banda ancha a Diciembre de 2007.

20Figura 8. Fases del proceso de modelado de un sistema

NDICE DE TABLAS

17Tabla 1. Distribucin de suscriptores de Internet en Colombia a Junio de 2007.

22Tabla 2. Cronograma de Actividades

22Tabla 3. Recursos de Personal.

23Tabla 4. Costo de Utilizacin de Equipos

23Tabla 5. Costo de Mantenimiento de Equipos

24Tabla 6. Recursos Equipos

24Tabla 7. Recursos Software

24Tabla 8. Recursos Bibliogrficos

24Tabla 9. Recursos Materiales e Insumos

25Tabla 10. Recursos Publicacin y Divulgacin

25Tabla 11. Presupuesto y Fuentes de Financiacin

LISTA DE ACRNIMOSATM:

Asynchronous Transfer Mode (Modo de Transferencia Asncrono)

BER:

Bit Error Rate (Tasa de Bits Errneos)

CATV:

Community Antenna Television (Televisin por Cable)

CM:

Cable Modem (Modem de Cable)

CMTS:

Cable Modem Termination System (Sistema de Terminacin de Cable Mdem)

CNTV: Comisin Nacional de Televisin

CRT:

Comisin de Regulacin de Telecomunicaciones

DOCSIS:Data Over Cable Service Interface Specifications

DSL:

Digital Subscriber Line (Lnea Digital de Abonado)

DTV:

Digital Television (Televisin Digital)

FTTx:

Fiber to the any (Fibra hasta cualquier ubicacin)

HDTV:

High Definition Television (Televisin de Alta Definicin)

HFC:

Hybrid Fiber Coaxial (Hibrido Fibra Coaxial)

IEEE:

Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos)

IP:

Internet Protocol (Protocolo de Internet)IPTV:

Internet Protocol Television (Protocolo de Televisin por Internet)

ITU:

International Telecommunications Union (Unin Internacional de Telecomunicaciones)

iTV:

Interactive Television (Televisin Interactiva)

MAC:

Media Access Control (Control de Acceso al Medio)

MHP:

Multimedia Home ProtocolMPEG: Moving Pictures Experts Group (Grupo de expertos en video)

OLT:

Optical Line Terminator (Terminal de Lnea ptica)

ONU:

Optical Network Unit (Unidad de Red ptica)

PPV:

Pay Per View (Pago por Ver)

PC:

Personal Computer (Computador Personal)

PSTN:

Public Switched Telephone Network (Red de Telefona Pblica Conmutada)

QoS:

Quality of Service (Calidad de Servicio)

SDTV:

Standard Definition Television (Televisin de Definicin Estndar)

SLA:

Service Level Agreement (Acuerdo de Nivel de Servicio)

STB:

Set Top Box (Decodificador de Usuario Final)

TIC:

Tecnologas de Informacin y Comunicacin

TDM:

Time Divisin Multiplexing (Multiplexacin por Divisin de Tiempo)

TV:

Televisin

VLAN:

Virtual Local Area Network (Red de rea Local Virtual)

VoD:

Video on Demand (Video bajo demanda)

VoIP:

Voice over IP (Voz sobre IP)

WAN:

Wide Area Network (Red de rea Amplia)

xDSL:

Any Digital Suscriber Line (Cualquier Lnea Digital de Abonado)1 INTRODUCCINEl televisor como equipamiento presente en la mayora de los hogares a nivel mundial, debe jugar un papel importante en la implantacin de la Sociedad de la Informacin, que en conjunto con la tecnologa digital debe permitir el acceso a los nuevos servicios ms all de la sola distribucin de canales de televisin [1]. La digitalizacin de la televisin puede dar lugar bien a servicios de baja interactividad proporcionados directamente por la televisin digital terrestre, o bien a servicios ms avanzados a los que se accedera a travs del televisor con una conexin de banda ancha [1].

La televisin interactiva (iTV, Interactive Television), como producto de la evolucin de la televisin analgica hacia una televisin digital, puede ser un medio alternativo para apoyar procesos educativos convirtindose en una verdadera oportunidad de aprendizaje en casa [2]. Si bien dentro de la educacin virtual, la principal herramienta para el aprendizaje es el uso de un computador conectado a Internet, actualmente se estn explorando nuevas posibilidades para hacer que la educacin virtual se introduzca utilizando la televisin como un medio adicional para llegar a los estudiantes y de esta manera superar la barrera de penetracin de los computadores en los hogares [2].

Un sistema de iTV requiere la reproduccin en tiempo real del contenido seleccionado por el cliente, por esta razn es necesaria una red de alta velocidad y baja tasa de error [3]. Entre las arquitecturas de red que mejor se adaptan a los requerimientos de ancho de banda de la iTV (1,5 a 6 Mbps) se encuentran las tecnologas de acceso como la Lnea Digital de Abonado (xDSL, Digital Suscriber Line), Hbrida de Fibra y Coaxial (HFC, Hybrid Fiber Coaxial) y Fibra hasta cualquier ubicacin (FTTx, Fiber To The x) [3].

La tecnologa de acceso xDSL permite la distribucin de contenidos de televisin digital de definicin estndar o alta definicin, sin embargo la calidad de la TV se limita a la distancia del bucle de abonado por que el ancho de banda disminuye si la distancia aumenta [4]. En una red FTTx se tiene una ventaja en cuanto a ancho de banda y calidad, pero su costo de implementacin es bastante alto [4]. Entre tanto, las redes de cable que han sido diseadas para la distribucin de canales analgicos de TV muestran ser idneas para la distribucin de canales de TV digital [4]. En este sentido, los operadores de cable con el fin de brindar a los usuarios ms ancho de banda y con la disminucin en el costo de la fibra ptica, tienden a reemplazar porciones de cable coaxial por fibra ptica para conseguir las ventajas de una mayor calidad, flexibilidad y eficiencia de la tecnologa ptica [5], transformando sus redes de cable en redes HFC permitiendo as la transmisin de voz, datos y video por la misma red.

La canalizacin de frecuencia y las modulaciones empleadas en la red HFC hacen posible que se puedan transmitir mltiples canales de TV digital por un canal de radio frecuencia (6 MHz en EE.UU y 8 MHz en Europa) [4]. Esto es vlido para los servicios de difusin como el Pago por Ver (PPV, Pay Per View). Sin embargo, la arquitectura de red HFC plantea debilidades para prestacin de servicios interactivos, donde cada peticin de usuario ha de enviar un flujo multiplexado con otros contenidos, lo que en un medio de transmisin compartido supone un consumo notable de recursos [4].

As pues, la red HFC debe establecer distintos controles de trfico para garantizar a los flujos de datos una determinada calidad de servicio (QoS, Quality of Service) en trminos de prdidas de informacin, retardo y variacin del retardo (jitter) para proporcionar una calidad definida que se ajuste a los requisitos del servicio. Por lo tanto, el protocolo de control de acceso al medio (MAC, Media Access Control) juega un papel esencial para brindar los requerimientos de red necesarios a los distintos servicios.

Con el fin de superar tal limitacin, la red HFC hace uso del protocolo DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specifications) en el nivel MAC, el cual en sus ltimas versiones proporciona diferentes alternativas de configuracin de calidad de servicio para satisfacer los requerimientos de red a las diferentes aplicaciones que requieran una entrega de datos en tiempo real [6]. En consecuencia la arquitectura de red HFC se convierte en la mejor alternativa para dar soporte a la distribucin de contenidos educativos de iTV.

Por otra parte, debido a que las redes de cable se empleaban tradicionalmente para la transmisin de seales de televisin analgica, son pocos los estudios existentes sobre este tipo de redes encaminados a la transmisin de voz, datos y video [5] y ms an de contenidos educativos de iTV. De aqu y segn lo expuesto anteriormente surge la pregunta de investigacin: Cules son las condiciones mnimas que la red de acceso HFC debe cumplir para soportar la distribucin de contenidos educativos de iTV con QoS?

Por consiguiente, mediante una simulacin de la transmisin de trfico de iTV en un modelo de red HFC, se realizar un estudio y evaluacin de la red HFC que permita determinar las condiciones mnimas que la red debe cumplir para soportar los diferentes contenidos y niveles de interactividad dentro de un sistema de educacin virtual a distancia, evaluando los parmetros de desempeo caractersticos de este tipo de servicio en condiciones de trfico reales para garantizar la calidad de servicio necesaria para su correcta transmisin y distribucin. Las condiciones particulares de este trfico de tiempo real hacen necesaria la planificacin de diferentes calidades de servicio, por lo cual se analizarn las diferentes alternativas que ofrece el protocolo DOCSIS para transportar iTV, evaluando el consumo de recursos cuando se implementa sobre redes HFC.

1.1 MOTIVACIONES DEL TRABAJO DE GRADODurante aos la televisin analgica se ha utilizado con fines de aprendizaje, pero los estudiantes han tenido un papel pasivo y la interaccin no ha sido posible [7]. Ahora, debido a la inclusin de la tecnologa digital en la difusin de televisin, se puede lograr una verdadera interactividad. La televisin puede ampliar el acceso a la educacin debido a la penetracin que tiene este medio en la sociedad [7]. De aqu nace el concepto de t-learning, el cual se describe como la convergencia entre la iTV y el e-learning, la ltima entendida como el uso de la tecnologa informtica para apoyar las actividades educativas y de formacin [7]. La distribucin de contenidos de t-learning va a requerir de una red de altas prestaciones y que proporcione los recursos necesarios para que la experiencia de aprendizaje interactivo sea satisfactoria, con lo cual se incrementa la demanda de acceso a redes de banda ancha.

La digitalizacin de la televisin ha permitido que las redes que originalmente fueron pensadas para la transmisin de voz o datos puedan distribuir este servicio. Pero la tecnologa HFC, debido a su evolucin de las redes de cable cuyo propsito inicial era la difusin de canales de televisin analgica, se perfila como una solucin idnea en la relacin costo-beneficio para la prestacin del servicio de iTV.

Un sistema HFC, donde la fibra ptica se utiliza en el backbone de la red y el cable coaxial es quien llega al usuario final, puede brindar el ancho de banda necesario para la transmisin de voz, datos y video. Adems, con la QoS proporcionada por el protocolo DOCSIS de la capa MAC, la red HFC puede soportar las exigencias del trfico en tiempo real [6] y que requieran del uso de un canal de retorno, permitiendo discriminar los distintos tipos de servicios para garantizar los requerimientos de red necesarios a dichas aplicaciones.

De lo expuesto anteriormente y teniendo en cuenta que son pocos los estudios existentes enfocados a la transmisin de datos en tiempo real sobre redes de acceso HFC [5], se justifica realizar un anlisis y evaluacin de dicha red para la distribucin de contenidos educativos de iTV con QoS para determinar las condiciones mnimas que la red debe cumplir para soportar los diferentes contenidos y niveles de interactividad dentro de un sistema de educacin virtual a distancia, de modo que la experiencia de aprendizaje sea satisfactoria.

No obstante, la dificultad para acceder a una red HFC real y las limitaciones econmicas para la implementacin de un laboratorio de iTV, hace necesario que se acuda a una herramienta de simulacin con el fin de realizar el anlisis de trfico. En este sentido, El Proyecto Macro del cual forma parte esta propuesta contempla actividades de investigacin en las instalaciones del laboratorio de iTV de la Universidad de Oviedo, (Espaa), que permitirn recoger datos, e informacin que posteriormente se usar para la simulacin del trfico de iTV sobre un modelo de red HFC. Esto se har a travs de un software especfico apropiado para el modelado y simulacin de redes HFC, contemplando aspectos relevantes de su funcionamiento, tal como el trfico en la red, aplicaciones en uso, comportamiento de los usuarios, topologas de red y protocolos empleados.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 Objetivo General

Analizar y evaluar la red de acceso HFC para la distribucin de contenidos educativos de iTV con QoS.

1.2.2 Objetivos Especficos

a) Determinar los principales parmetros de desempeo que caracterizan el servicio de iTV para la distribucin de contenidos educativos.

b) Analizar las diferentes alternativas de funcionamiento del protocolo de acceso DOCSIS para dar soporte a la distribucin de contenidos educativos de iTV con calidad de servicio.

c) Evaluar los parmetros de desempeo (retardo, jitter, B.E.R, entre otros) de la red para soportar el servicio de iTV mediante la simulacin de este tipo de trfico en un modelo de red HFC.

1.3 APORTES DEL TRABAJO DE GRADO

Este proyecto genera aportes tanto a nivel acadmico, como investigativo y social, que sern expuestos en los siguientes puntos:

Con este trabajo de grado se realizar la simulacin del trfico para iTV teniendo en cuenta los parmetros de QoS sobre la red de acceso HFC, que permitir analizar, evaluar y obtener, las condiciones necesarias para la implementacin del servicio en entornos reales, garantizando que la red de acceso soporte diferentes nmeros de usuarios con distintos requerimientos de informacin. Con lo cual se proporcionar un completo anlisis del desempeo de la red de acceso para la distribucin de contenidos educativos de iTV con QoS, ya que en el contexto mundial no se tienen estudios sobre el comportamiento de la red frente a este nuevo servicio.

El departamento de Telemtica tendr una asimilacin y monitoreo de las redes HFC para adaptar y generar soluciones en cuanto a los problemas de dimensionamiento y evaluacin de prestaciones de los elementos de red, y su interconexin, como red de acceso para apoyar procesos educativos a distancia a travs de contenidos de iTV. Permitiendo estar a la vanguardia con las tendencias del pas, que marcha hacia una digitalizacin del servicio de televisin, y con las polticas de la educacin superior que debe apoyar la descentralizacin.

El trabajo de grado permite avanzar en el estudio de los problemas relacionados con los servicios de banda ancha, tales como mecanismos de control de trfico y control de congestin en redes HFC para soportar el servicio de televisin Digital Interactiva, brindando los pilares en este tipo de redes para la evaluacin de mecanismos de interfuncionamiento con otras redes, pruebas de conformidad e interoperabilidad de los protocolos.

La inclusin del trfico de iTV y el anlisis de sus prestaciones sobre redes HFC es otro de los aportes de este trabajo, por lo que los avances y experiencias logrados en el desarrollo del mismo sern tiles para posteriores proyectos acadmicos e investigativos que deseen aplicar estas temticas.

1.4 ESTRUCTURA DE LA MONOGRAFA2 CARACTERIZACIN DEL SERVICIO DE ITVBreve historia de la iTV y decir que se va tratar en este capitulo.Contendr un estudio relacionado con parmetros tcnicos relevantes en la prestacin del servicio de iTV por parte de un operador de red. Adems se tendrn en cuenta los niveles de interactividad dentro de un sistema de educacin virtual a distancia por medio de la iTV.

2.1 TELEVISIN INTERACTIVA2.1.1 Niveles de Interactividad (Tesis Doctoral)Interactividad Local Interactividad Remota

Interactividad Real

2.1.2 Tipos de servicios interactivos para televisin 2.2 ESTANDARIZACIN PARA TELEVISIN DIGTAL INTERACTIVA2.3 MODELO DE REFERENCIA DVB PARA SERVICIOS INTERACTIVOS EN REDES DE CABLE ETSI ES 200 800 v1.3.1 - 20012.3.2 Agentes que intervienen en la Interactividad

Para la prestacin de servicios interactivos a travs de la Televisin Digital, podemos distinguir la intervencin de los siguientes agentes.

El proveedor aplicaciones interactivas, encargado de desarrollar este tipo de aplicaciones, que podrn ser juegos, navegadores, guas electrnicas de programacin (EPG), servicios de informacin mejorados, aplicaciones educativas (T-learning), servicios pblicos a travs de la televisin (T-Administracin), etc.

El proveedor de servicios de radiodifusin, encargado de integrar a u oferta de contenidos audiovisuales, las aplicaciones interactivas desarrolladas por el proveedor de aplicaciones interactivas.

El operador de red, responsable de la difusin de los contenidos audiovisuales digitales integrados con las aplicaciones interactivas.

El proveedor de equipos terminales interactivos, encargado de ofrecer los receptores sobre los que se ejecutan las aplicaciones interactivas.

En algunos casos se encuentra que el proveedor de servicios de radiodifusin y el operador de red estn representados por un solo agente que se encarga de cumplir ambas funciones.El modelo de referencia para iTV del proyecto DVB es muy amplio en alcance e incluye soluciones tanto para la industria de la difusin como para las telecomunicaciones y se encuentra relacionado con la infraestructura subyacente y su tecnologa (desde la especificacin para la transmisin por satlite hasta los requisitos del terminal de usuario), incluyendo en el fondo un modelo de negocio insertado en la tecnologa.

Figura 20. Modelo de referencia del DVB para la televisin digital interactiva

El modelo de referencia presentado en la Figura 20 sugiere unas funciones interactivas que son facilitadas por el terminal del usuario, el canal de difusin y el canal interactivo. El usuario a travs de su terminal interacta con los contenidos y programas distribuidos por el canal de difusin, como resultado de esa interaccin puede existir una realimentacin del usuario hacia el proveedor de servicios en forma de peticin o respuesta por medio del canal de retorno, el proveedor de servicios a su vez puede responder al usuario a travs del canal de difusin o el canal interactivo [3].ITU-T Recommendation J.83 Digital multi-programme systems for television, sound and data services for cable distribution

2.4 DIFUSIN DE TELEVISIN DIGITAL INTERACTIVA EN REDES HFCHablar DVB-C, MPEG-2, MUX, ENTREGA DE DATOS DSM-CC,.2.4.1 2.5 T-learning 2.6 Parmetros de desempeo que caracterizan el servicio de iTV para la distribucin de contenidos educativos

3 RED DE ACCESO HFC PARA LA DISTRIBUCIN DE ITVEn este capitulo se har una descripcin de la arquitectura de la red de acceso HFC y el alcance para la prestacin del servicio de iTV, para obtener como resultado un modelo de red HFC para la distribucin de iTV.

3.1 OBJETIVO GENERAL

3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

4 EL PROTOCOLO DOCSIS COMO SOPORTE AL SERVICIO DE ITV

Este captulo est dedicado a dar una visin general del funcionamiento del protocolo, destacando los aspectos bsicos de operacin encaminadas a satisfacer los requerimientos del servicio de iTV.5 Simulacin de iTV en la red HFCContiene el desarrollo de la simulacin del trfico de iTV en el modelo de red HFC, as como tambin los resultados de la misma sealando cual es la configuracin ptima para la prestacin de este servicio mediante el anlisis de los resultados.

Conclusiones y RecomendacionesConclusiones a las que se lleg con el estudio, teniendo en cuenta los objetivos planteados al inicio del proyecto. Recomendaciones para quienes deseen continuar con trabajos e investigaciones en la misma rea y para todos aquellos que realicen un proyecto de investigacin en general.Referencia bibliogrfica

[1] Grupo de Anlisis y Prospectiva del Sector de las Telecomunicaciones (GapTel), Televisin Digital. Espaa, Marzo de 2005. Documento PDF disponible en: http://observatorio.red.es/estudios/documentos/tvdigital.pdf[2] Learning via interactive Digital TV - Big Potential particularly as Personalized TV services develop over the next 10 years. pjb Associates, UK, Septiembre de 2003. Articulo disponible en: http://www.pjb.co.uk/pr080903.htm[3] Schwalb, E.M.,iTV Handbook: Technologies and Standards. ED. Prentice Hall PTR, Estados Unidos de Amrica, Junio de 2003. [4] Lpez, J. A., Snchez, M., Evolucin de las redes de acceso de los operadores de red fija para el mercado de banda ancha. Revista: Comunicaciones de Telefnica I+D, Espaa, Octubre de 2006. Pginas: 27 42. Documento PDF disponible en: http://www.telefonica.es/sociedaddelainformacion/html/publicaciones_revista_comunic.shtml [5] Garca, R., Desarrollo de un modelo de red con tecnologa FTTX para transmisin de voz y datos. Anlisis del protocolo de acceso al medio y validacin del trfico generado. Tesis Doctoral, rea de Ingeniera Telemtica, Universidad de Oviedo. Espaa, 2005. [6] Sienra, L. G., DOCSIS. El Conjunto de Estndares Cable Mdem de CableLabs. Centro de Investigacin e Innovacin en Telecomunicaciones - CINIT, Mxico, Noviembre de 2001. Articulo disponible en: http://www.cinit.org.mx/articulo.php?idArticulo=4

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[31] Duque, E, Picn, G., Estudio de Transmisin Digital en el Retorno para la aplicacin de Redes HFC del Sistema de Televisin por Cable de TELEDINAMICA S. A.. Trabajo de grado en Ingeniera Electrnica, Universidad Industrial de Santander. Bucaramanga, Colombia, 2001.

Proveedor de servicio interactivo

Proveedor de servicio de difusin

Traduccin de la palabra broadcasting

PAGE Rueda, D. F., Taimal, I. R.

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