TRANSPORTE DE VIDEO Y AUDIO EN CALIDAD BROADCASTING POR MEDIO DE REDES MPLS

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1 TRANSPORTE DE VIDEO Y AUDIO EN CALIDAD BROADCASTING POR MEDIO DE REDES MPLS juanivan85@gmail.com Resumen El presente documento tiene la finalidad de analizar y diseñar un sistema que permita a los canales de televisión transportar su programación (contenido audio visual profesional) utilizando las conocidas redes IP y para éste caso en especifico utilizando redes MPLS. Además se realiza un análisis de la topología que se necesita así como la capacidad mínima que deben tener cada uno de los elementos de la red con la finalidad de poder transportar audio y video en calidad Broadcasting por medio de redes IP/MPLS Palabras claves: Encorder, Decoder, MPLS, Broadcasting, Audio y Video Profesional, MPEG-2, MPEG-4. Abstract This paper is intended to analyze and design a system that enables to Broadcasters carry audio and video content using IP networks and for this specific case using MPLS networks. Furthermore, an analysis of the topology that is needed and the minimum they should have each of the network elements in order to transport professional audio and professional video through IP / MPLS Keywords: Encorder, Decoder, MPLS, Broadcasting, Audio and Video Professional MPEG-2, MPEG-4. 1

2 1. INTRODUCCIÓN El uso de la redes IP cada vez es más común para los fines de transporte de datos de un sitio a otro. Hace no más de 5 años no se había pensado en usar estas mismas redes IP para poder transportar audio y video profesional en calidad Broadcasting por los altos requerimientos de QoS, Ingeniería de Tráfico y Calidad de Servicio que esto demanda hasta que el despliegue de redes IP/MPLS está llegando a su auge y con esto se garantiza los parámetros anteriormente mencionados. Ahora los integradores de servicios de telecomunicaciones y broadcasting están utilizando esta nueva solución para ofrecer a las Estaciones Televisivas / Broadcasters, a tal punto que está comenzando a tomar un valor muy importante y agresivo frente a las convencionales soluciones de transporte de audio y video como son las Redes de Microondas Digitales y Analógicas, Redes PDH y SDH. 2. REDES MPLS Es una red de nueva generación con multiservicios basada en tecnología IP, producto de la evolución de las actuales redes IP. Multiprotocol Label Switching, surgió para consensuar diferentes soluciones de conmutación multinivel. Se puede ver a MPLS como el sustituto de las redes IP/ATM[1], además se la puede ver como una técnica para realizar tunneling o bien para acelerar paquetes. En realidad MPLS trabaja en la capa de Enlace de Datos y Red del modelo OSI combinando eficazmente las funciones de routing con la simplicidad y rapidez de la conmutación en nivel 2. [2] Lo anteriormente mencionado es lo que se necesita para realizar transporte de audio y video profesional en tiempo real, un mecanismo que acelere la conmutación de datos, que de prioridad a ciertos paquetes y que garantice su llegada al destino. Actualmente, MPLS son implementadas en redes de Fibra Óptica, ya que es el medio que proporciona una gran capacidad de ancho de banda y es muy confiable. 3. TRANSPORTE DE AUDIO Y VIDEO BROADCASTING POR MEDIO DE REDES MPLS Compresión Las trasmisiones de TV Digital necesitan de señales digitales de audio y video. Estas señales deben ser originalmente digitales (todo digital cámaras y mixers de estudios) o lo más usual es que son producidas por un encoding digital al cual ingresan señales analógicas. Las señales de audio y video sin comprimir necesitan una alta velocidad de datos, con una taza de bits (bit-rate) de 270 Mbps. Normalmente la Interfaz Digital Serial (SDI) es usado para éste tipo de señales (conectores coaxiales BNC 75ohm) Si los datos fueran a ser transmitidos sin descomprimir, la capacidad del ancho de banda fuera mucho mayor que en el caso analógico. Por lo tanto, es necesario comprimir todos los datos a una taza mucho más baja haciendo esto factible para la transmisión sobre enlaces microondas digitales, además para contribución, distribución o para los televidentes. Desde el punto de vista ideal, la comprensión no debe degradar la calidad de las señales de audio y video, en la práctica no sucede esto, sin embargo la comprensión es muy aceptable ya que se elimina información en el video y el audio que el ojo y el oído humano no perciben. Los estándares internacionales para este propósito son MPEG-2, usado normalmente en contribución y MPEG-4, usado para contribución y distribución, por lo que es factible comprimir el contenido original de 270 Mbps a tan solo 8 o 10 Mbps para el caso de MPEG-2 y en tan solo de 4 a 5 Mbps para el 2

3 caso de MPEG-4. Se puede comprimir a menos de 4 Mbps pero la calidad del video se puede ver comprometida. Existen algunas técnicas para poder comprimir las imágenes de TV en base a las siguientes premisas: 1. La Percepción visual Humana es más sensible a la luminancia que a la cromancia, lo que significa menos información (datos) a ser transmitidos. 2. Las áreas adyacentes dentro de las imágenes frecuentemente tienen pixeles con la misma cantidad de luminancia y cromancia. Durante la compresión estos datos son combinados y por lo tanto menos datos que transmitir. 3. Solo las diferencias entre una imagen y la siguiente son transmitidas por lo que también son datos menos que transmitir. Una de las más usuales y eficientes estructuras de GOP está conformada por 12 frames de la siguiente manera: IBBPBBPBBPBB Así mismo uno de los más comunes perfiles de codificación de datos (Main Main Level MP@ML) y 4:2:2. 4:2:0 - El video es codificado a una taza 4 elementos de datos para luminancia y 2 para cromancia. 4:2:2 - El video es codificado a una taza de 4 elementos de datos para luminancia y 4 para cromancia (High Profile). Sin embargo además de la comprensión la red IP/MPLS juega un papel muy importante para el transporte de Audio y Video Profesional en calidad Broadcasting ya que debe cumplir con al menos éstos requisitos. El GOP (Group of Pictures) se compone por tres diferentes tipos de información de frames: RED IP/MPLS I-frames: Es la imagen completa (los datos más largos a ser transmitidos) P-frames: La diferencia entre la Imagen actuales y la previa (son datos más pequeños que I-frame) B-frame: La diferencia entra la imagen previa y la siguiente (es la trama más pequeña pero no puede ser repetida muchas veces) Usualmente el GOP está constituido por una I- frame, algunas P-frames y unas pocas B-frames. Este GOP no debe ser muy largo ya que puede ocurrir algún tipo de error, por lo que debe ser dimensionado para cada uno de los escenarios. Además un decoder necesita de una imagen completa I-frame para comenzar a decodificar, por lo que debe esperar al GOP siguiente para obtenerla. Fig. 1 Diagrama de la Red de Transporte QoS: Son todas aquellas tecnologías, y normativas que garantizan la transmisión de una cantidad de información en un tiempo determinado Bajo Jitter, al ser una aplicación en tiempo real no se puede tener una diferencia alta entre los paquetes al llegar al destino. Baja Latencia, se puede utilizar ésta solución en tiempo real mediante el protocolo RTP (Real Time Protocol) por lo que un retardo excesivo en la red puede ser muy susceptible. El canal de Fibra IP / MPLS debe ser dedicado, sin usar técnicas de compartición de canal. 3

4 RED IP / MPLS Se debe garantizar un Ancho de Banda para los siguientes escenarios: MPEG-2 4:2:2. Usado normalmente para aplicaciones de contribución, se debe garantizar al menos 15 Mbps con un GOP de 12 frames MPEG-2 4:2:0. Usado normalmente para aplicaciones de contribución pero permite menos cantidades de edición en los estudios ya que se está eliminando información, se debe garantizar un ancho de banda de 10 Mbps. MPEG-4 parte 10 / H.264: Usado normalmente para distribución, se debe garantizar al menos 6 Mbps cuando se desea transmitir un video HD 1080i60 VPN ROUTER IP ROUTER IP TS-IP TS-IP CODIFICADOR DECODIFICADOR Fig. 2 Transporte de video VPN Se debe considerar un adicional en el Ancho de Banda para el FEC (Forward error correction) ya que no existen redes ideales y se necesita recuperar los paquetes que se pierden en la transmisión. De manera muy general se indicaran a continuación los parámetros que se deben tomar muy en cuenta en la configuración del codificador y del decodificador: MPEG: - Perfil: 4:2:0 / 4:2:2 - Resolución: HD / SD - Estructura del GOP: Abierta o Cerrada; por lo general se usa una estructura Abierta - Tamaño del GOP: entre 12 y 15 frames con una estructura base IBBP SDI A/V SDI A/V Video: - Fuente de Video: Análoga / Digital - Formato: NTSC / PAL - Relación: 4:3 / 16:9 Audio: - Impedancia: Alta / Baja - Entrada: Análoga / Embebido - Modo: Mono / Stereo. En un sistema típico se pueden tener 8 canales de Audio en Mono. IP: - Dirección IP Destino: Se debe especificar la dirección al equipo que se esta diseccionando el flujo. - Jitter: máximo 60 ms. - FEC: La corrección de errores se puede trabajar en varias matrices que se ordenan desde 4x4 a 10x10 siendo la primera la más robusta ya que permite una corrección de errores más detallada y por lo tanto el Ancho de Banda de la red IP/MPLS aumentará. Estas matrices pueden ser: Matriz Incremento Ancho de Banda Robustez Red tiene Pérdida Paquetes 4x4 25% Alta Alta 6x6 20% Media Alta 8x8 17% Media Media 10x10 15% Baja Baja Tabla 1. Incremento de A.B dependiendo de la red. 4. CONCLUSIONES - Por lo general, una red MPLS / IP es diseñada por redes de Fibra Óptica con Backup de Microondas Digitales o mixtas y por ellas el transporte de Audio y Video Profesional es posible. - El despliegue de Fibra Óptica a nivel de varios países está permitiendo el uso de nuevas tecnologías y con esto uno o más negocios aprovechando sus beneficios. 4

5 - La robustez del FEC depende de la calidad de la red MPLS que transporte los datos, es decir entre menos pierda paquetes la red, la matriz del FEC será más bajo con el fin de optimizar Ancho de Banda. - El FEC no garantiza la corrección de todos los errores, pero si ayuda a recuperar el 99% de paquetes erróneos. - Estas nuevas soluciones de transporte son producto de la convergencia. - Existen varias interrogantes que florecen con el nacimiento de ésta tecnología o de éste modelo de solución. Se podrá pensar algún día en apagar las microondas analógicas o digitales en los puntos fijo y/o remotos? Bibliografía: [1] MPLS Multiprotocol Label Switch : Una Arquitectura de Backbone para la Internet del Siglo XXI María Sol Canalis, Universidad Nacional del Nordeste. Corrientes Argentina [2] el_switching Biografía: Juan Cueva Vivanco, ecuatoriano, Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones se ha desenvuelto en varias empresas a nivel nacional e internacional. Dedicado desde sus inicios al Broadcasting con conocimientos en IP y RF. 5