DIEGO FERNANDO RUEDA PEPINOSA
MSc. en Ingeniería de Telecomunicaciones
Investigador del Grupo GITUN
Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá
dfruedap@unal.edu.co
Bogotá, Colombia
ZOILA INÉS RAMOS RODRÍGUEZ
IPh.D (c) en Ingeniería de Telecomunicaciones
Universidad de Telecomunicaciones e Informática de Moscú
Profesor Asociado al Departamento de Ingeniería de Sistemas e Industrial
Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá
ziramosd@unal.edu.co
Bogotá, Colombia
Fecha de recibido: 10/09/2012
Fecha de aprobación: 02/05/2013
En IPTV (Internet Protocol Television) la calidad de los contenidos entregados a los usuarios se ve afectada por diferentes parámetros de desempeño de la red que deben ser asegurados en sus valores mínimos para garantizar la calidad percibida por los usuarios. El despliegue del servicio de IPTV sobre redes inalámbricas y móviles ha enfrentado serios desafíos debido a las limitaciones de ancho de banda, a la baja fiabilidad y calidad de los enlaces de comunicaciones inalámbricos y a la movilidad de los terminales. Sin embargo, las últimas tecnologías inalámbricas de banda ancha se perfilan como redes idóneas para el despliegue de este servicio toda vez que son arquitecturas completamente IP (all-IP) con capacidades de ofrecer Calidad de Servicio (QoS, Quality of Service) de extremo a extremo e incrementan la velocidad de acceso. Por tanto, en este artículo se realiza la revisión de los trabajos que se han realizado para la implementación de la IPTV sobre redes inalámbricas y móviles con QoS.
PALABRAS CLAVE: Redes Inalámbricas y Móviles, Calidad de Servicio (QoS), Televisión sobre el Protocolo de Internet (IPTV)
In the Internet Protocol Television (IPTV) the quality of content delivered to users is affected by different parameters of network performance that must be secured at their minimum values to guarantee the quality perceived by users. The IPTV service deployment on wireless and mobile networks has been facing serious challenges due to limited bandwidth, low reliability and the quality of wireless communication links and user mobility. However, the latest broadband wireless technologies are emerging as suitable networks for the deployment of this service since they are all-IP architectures capabilities to provide end to-end Quality of Service (QoS) and increase the access speed. So, in this paper, we review the work that has been made for the IPTV implementation over wireless and mobile networks with QoS.
KEYWORDS: Wireless and Mobile Networks, Internet Protocol Television (IPTV). Quality of Service (QoS).
Los sistemas de radiodifusión de televisión terrestre, satelital y por cable han llegado a conformar una de las infraestructuras tecnológicas más grandes que han sido desplegadas cubriendo la mayor parte de los territorios [1]. Ahora con la digitalización de los contenidos de audio y video es posible el uso de las redes de banda ancha para la entrega de servicios de televisión mediante arquitecturas basadas en el Protocolo de Internet (IP, Internet Protocol) [1] [2].
En los sistemas de IPTV (Internet Protocol Television), la Televisión Digital (TD) es entregada a los usuarios usando las redes de conmutación de paquetes IP [1]. Cabe señalar que IPTV es diferente de las soluciones de TV sobre Internet, debido a que esta última permite a los usuarios ver videos o canales de TV en un entorno del mejor esfuerzo; mientras que en un sistema de IPTV se requiere que tanto el servicio como las redes de telecomunicaciones sean debidamente gestionadas para garantizar la calidad en los contenidos entregados a los usuarios [3] [4].
La cadena de valor del servicio de IPTV, está conformada por el proveedor de contenidos, el proveedor del servicio, el proveedor de red y el usuario final [5]. En este contexto, los contenidos audiovisuales generados en el proveedor de contenidos son multiplexados con otros canales de TD y aplicaciones interactivas para posteriormente ser transmitidos por la red IP del proveedor de red con calidad de servicio [2]. Del lado del usuario, este debe disponer de un dispositivo que le permita la recepción y decodificación de los canales de TD y ejecución de las aplicaciones interactivas en caso que estén disponibles [2].
En el entorno de la redes inalámbricas y móviles, la televisión sobre IP se enmarca bajo el concepto de Mobile IPTV, la cual se define como una tecnología capaz de permitir la transmisión y recepción de tráfico multimedia (audio, video y datos) por medio de redes inalámbricas basadas en el protocolo IP con soporte de Calidad de Servicio (QoS, Quality of Service) y Calidad de la Experiencia (QoE, Quality of Experience), seguridad, movilidad e interactividad [6]. Con Mobile IPTV los usuarios pueden disfrutar de la TD y los servicios relacionados en cualquier lugar, a cualquier hora y sobre cualquier dispositivo, inclusive mientras están en movimiento [7].
Desde el punto de vista técnico, en los sistemas de IPTV se requiere la reproducción en tiempo real del contenido seleccionado por el usuario, por esta razón es necesaria una red de alta velocidad, baja tasa de error y bajo retardo [8] y con ello garantizar el cumplimiento de estos parámetros de desempeño. Luego, la QoS y la QoE han sido identificadas como requisitos críticos para la implementación de un sistema de IPTV [1]. Por lo tanto, el despliegue del servicio de IPTV sobre redes inalámbricas y móviles ha enfrentado serios desafíos debido a las limitaciones de ancho de banda y a la baja fiabilidad y calidad de los enlaces de comunicaciones en estas redes [6]. Además, la movilidad de usuarios afecta el mantenimiento de las conexiones, especialmente si el usuario se mueve entre dos redes con tecnología diferente o entre redes con dominios administrativos diferentes [9].
Tecnologías de segunda y tercera generación (2G y 3G), como GSM (Global System for Mobile Communications), UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), HSPA (System/High Speed Packet Access) y CDMA2000 (Code Division Multiple Access) no han sido capaces de soportar las exigencias impuestas por servicios de banda ancha debido a su baja capacidad para satisfacer los requisitos de desempeño de los servicios multimedia [7].
Entre tanto, las últimas tecnologías inalámbricas de banda ancha como WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) basada en los estándares IEEE 802.16e [8] y 802.16m [11], y las tecnologías definidas por el 3GPP (Third Generation Partnership Project) como LTE (Long Term Evolution) [12] y LTE-Advanced [13], ofrecen una capacidad mucho mayor logrando tasas de bits pico de hasta 340 Mbps sobre canales de 20 MHz y con una significativa reducción del retardo [14] [15]. Estas características técnicas permiten mejorar la experiencia de los usuarios y soportar los servicios multimedia a costos de transmisión por bit más bajos y con contenido más enriquecido que lo que se puede ofrecer con las redes de 2G y 3G [7].
Es por tanto que en este artículo se presenta una revisión de la implementación del servicio de IPTV sobre redes inalámbricas y móviles con QoS. Para ello, este trabajo se ha organizado de la siguiente forma: en la sección 2 se describen los aspectos relacionados con la QoS para IPTV, en la sección 3 se presentan las arquitecturas de red para el despliegue de IPTV y los estudios que se han realizado sobre estas. Seguidamente en la sección 4 se realiza una revisión de la literatura más relevante para la implementación de servicios de IPTV sobre redes inalámbricas y móviles con QoS. Finalmente, en la sección 5 se presentan las conclusiones obtenidas a partir de este trabajo.
El concepto de QoS suele estar ligado a las técnicas y procedimientos utilizados para dar un tratamiento preferente a unas clases de tráfico frente a otras, con el objetivo de satisfacer ciertos requisitos en al menos uno de los parámetros como ancho de banda, retardo de los paquetes, variación de retardo, y pérdida de paquetes en función del servicio que se trate [16] [17]. Otras definiciones de QoS, como la de la Unión internacional de las Tele-comunicaciones (UIT) [18], señalan que al utilizar el término QoS se deben tener en cuenta la totalidad de las características de un servicio de telecomunicaciones que determinan su capacidad para satisfacer las necesidades explícitas e implícitas del usuario del servicio.
Desde el punto de vista de los servicios de telecomunicaciones la mayor parte de la satisfacción del usuario tiene relación con el desempeño de la red [17]. Es por ello que en otros trabajos la definición de la QoS se centra en la red, como la propuesta por el IETF (Internet Engineering Task Force) donde la QoS se define como el conjunto de requisitos del servicio que la red debe cumplir en el transporte del flujo de datos [19]. En este sentido, esta última definición está centrada en lo que en lo que [18] denomina la calidad de funcionamiento de la red. En el ámbito de las redes inalámbricas la QoS, implica la diferenciación de tráfico y el uso de múltiples portadoras con la configuración y las prioridades optimizadas para asegurar la calidad de servicio requerida por cada flujo de tráfico [20].
2.1 Parámetros de QoS a nivel de transporte
para la IPTV
En un sistema de IPTV la red debe estar diseñada
de tal forma que pueda manejar una amplia gama de
servicios y aplicaciones y proporcionar los mecanismos
de control apropiados para brindar la calidad de servicio
en los contenidos entregados a los usuarios sin afectar
el rendimiento de los otros servicios transportados.
En este sentido, los paquetes que pertenecen a
aplicaciones en tiempo real tales como los servicios
de VoIP e IPTV deberán transmitirse antes que
aquellos que pertenecen a las aplicaciones en tiempo
no real, como el correo electrónico o la transferencia
de archivos. Esta diferenciación se logra mediante la
clasificación de servicios y el empleo de mecanismos
de acondicionamiento relacionados con el tráfico y el
comportamiento por salto (PHB, Per Hop Behaviour)
entre los nodos de la red [21].
En el núcleo de la red la diferenciación se puede implementar por medio de un subconjunto de clases de funcionamiento IP como las definidas en [22]. En lo que respecta a la red de acceso debe estar en la capacidad de proporcionar a cada uno de los flujos de paquetes los recursos de la red necesarios para que las aplicaciones y servicios que se implementen sean entregados adecuadamente a los usuarios [21].
En el servicio de IPTV la calidad percibida por el usuario es afectada por los parámetros de desempeño de la red como el retardo, la variación del retardo (jitter) y la pérdida de paquetes [23]. Otros parámetros como el tiempo de cambio de canal (zapping time) y el tiempo de sincronización del audio y video son importantes en la experiencia de uso del servicio [24]. Además, en los sistemas de IPTV otro parámetro importante que se debe garantizar es la velocidad de transmisión de bits la cual debe ser mayor que la tasa de codificación de los contenidos de IPTV. Dicha velocidad puede variar dependiendo del algoritmo de compresión utilizado en el proceso de digitalización [23]. A continuación se describen los principales parámetros de desempeño de la IPTV.
2.1.1 Retardo. El retardo (delay) se manifiesta en varias formas, incluyendo el tiempo necesario para establecer el servicio desde la solicitud inicial que realiza el usuario y el tiempo para recibir la información una vez que el servicio se haya establecido [21]. El retardo impacta directamente en la satisfacción del usuario en función de la aplicación que se trate, y se produce en el equipo del usuario, en los dispositivos de red o en los servidores de aplicaciones. Desde el punto de vista del usuario, el retardo también tiene en cuenta el efecto en otros parámetros de red como el throughput [25]. Según [21] el retardo máximo aceptable para la IPTV es de 100 ms y se conoce como retardo de transferencia de paquetes IP (IPTD, IP packet Transfer Delay).
2.1.2 Variación del retardo (jitter). Considera las variaciones inherentes en los tiempos de llegada de los paquetes individuales de la capa de transporte. En los servicios que son altamente intolerantes al jitter, casi siempre se tomarán acciones para eliminarlo (o al menos reducirlos significativamente) mediante el almacenamiento de paquetes en memorias o buffers (a pesar que se adicionen más retardos fijos) [25]. Para IPTV la máxima variación de retardo en la entrega de los paquetes IP (IPDV, IP packet Delay Variation) es de 50 ms [21] .
2.1.3 Pérdida de paquetes. Afecta directamente la calidad de la información que se presenta al usuario, bien sea se trate de un servicio de audio, vídeo o datos [25]. En este contexto, la pérdida de información no se limita a los errores de bit o a la pérdida de paquetes durante la transmisión debido a la baja calidad de los enlaces de comunicaciones por una reducida SNR (Signal to Noise Ratio) [26], sino también a los efectos de cualquier degradación introducida por la codificación de los contenidos para conseguir una transmisión más eficaz [25].
En IPTV para medir la pérdida de información se tiene la razón de pérdida de paquetes (PLR, Packet Loss Ratio), la cual en las redes fijas de debe estar entre 1x10-8 y 1x10-5, dependiendo de la técnica de codificación utilizada (MPEG-2 o MPEG-4) [21], pero en las redes móviles la PLR puede ser superior al 1% [26]. Un error o una secuencia de errores en el flujo de bits asociado al audio o video puede causar efectos que van desde un impacto poco notable para el usuario hasta le perdida completa de la señal de IPTV, y depende de la información que se perdió y que tan robusta es la implementación [26].
2.1.4 Velocidad de transmisión de bits. Los contenidos de TV pueden ser transmitidos en formato 4:3 para televisión de definición estándar (SDTV, Standard Definition Tele-vision) o 16:9 para televisión en alta definición (HDTV, High Definition Television) y dependiendo de la técnica de compresión la tasa de bits varía entre 1.75 Mbps y 15 Mbps [23]. En este sentido, si emplea la técnica de codificación de video H.262 [27], con el perfil MPEG-2-Main profile at Main level (MP@ML) [28], se obtienen flujos para SDTV (480i/576i) de 2.5 Mbps y 15 Mbps para HDTV (720p/ 1080i) [23]. Mientras que si se emplea la técnica H.264 [29], también conocida como MPEG-4 Part 10 o MPEG-4 AVC (Advanced Video Coding) [30], la tasa de codificación de video se reduce a 1.75 Mbps para SDTV y a 10 Mbps para HDTV [23]. En cuanto a la codificación de los contenidos de audio tanto para SDTV como para HDTV se pueden usar técnicas como MPEG-2 AAC (Advanced Audio Coding) [31] o MPEG-4 Audio [32], obteniéndose con la primera técnica tasas de bit de 128 Kbps y con la segunda técnica 96 Kbps para audio estéreo [23].
En entornos de las redes móviles e inalámbricas las técnicas usadas para la codificación del video es H.264/ MPEG-4 AVC y para la codificación del audio es MPEG-4 Audio debido a que con estas se logran las tasas de bits más bajas (128, 242 y 440 Kbps) para afrontar las limitaciones en la velocidad de transmisión que tienen este tipo de redes [33]. Del mismo modo, la calidad de los contenidos depende de las características de reproducción de los dispositivos receptores (resolución de pantalla, capacidad de procesamiento, códec, entre otros), los cuales determinan si pueden decodificar señales de SDTV o HDTV. Por lo tanto, en los sistemas de IPTV móvil es recomendable usar mecanismos de codificación de video escalable (SVC) para ajustar la tasa de bit según las características de los equipos de usuario y la velocidad de bits disponible en los enlaces de comunicaciones inalámbricos [26].
En trabajos como [34] y [35], se realiza la revisión y comparación de las arquitecturas funcionales recomendadas por la UIT en [36] para la entrega de servicios de IPTV. Las arquitecturas funcionales presentadas en [36] se basan en el uso de redes y tecnologías existentes, así como también en la arquitectura de las Redes de Nueva Generación (NGN, Next Generation Networks) [37]. En este sentido, se pueden encontrar tres arquitecturas: la primera define una arquitectura para el despliegue de IPTV sobre redes que no son NGN (Non-NGN IPTV) e incluye las redes existentes; la segunda presenta arquitectura que se basa en NGN sin la inclusión del Subsistema Multimedia IP (IMS, IP Multimeda Subsystem) (NGN non-IMS IPTV) [38]; y la tercera se basa en la implementación de IPTV en NGN con su componente de IMS (NGN-IMS IPTV) [39]. De estas arquitecturas, una de las más estudiadas es la NGN-IMS IPTV como se encuentra en los trabajos [38, 39, 40, 41, 42].
Particularmente, en [40] se presenta un marco de referencia para el aseguramiento de la QoS en la entrega de servicios de IPTV sobre entornos de NGN, bajo la premisa que el asegurar la QoS y la QoE son parte esencial de un sistema de IPTV. En dicho artículo se reconocen tres subsistemas: el IMS, que sirve para proveer el control en las sesiones, el lanzamiento del servicio y los mecanismos autenticación, autorización y contabilidad (AAA, Authentication, Authorization, and Accounting); el Subsistema de Asociación de Red (NASS, Network Attachment Subsystem) utilizado para inicializar el dispositivo del usuario final y los procedimientos de establecimiento de la red; y el Subsistema de Control de Admisión y Recursos (RACS, Resource and Admission Control Subsystem) para la aplicación de políticas, control de admisión y gestión de recursos.
En los trabajos encontrados en la literatura se han estudiado diferentes aspectos relacionados con la entrega de servicios de IPTV, video streaming y multimedia sobre redes inalámbricas y móviles con soporte de QoS/QoE, donde se proponen arquitecturas, marcos de referencia y en algunos de ellos se evalúa el desempeño de la red objeto de estudio: WLAN, WiMAX, y redes móviles de 3G y 4G como se puede ver a continuación.
4.1 Despliegue de IPTV sobre WLAN
En cuanto a los trabajos realizados para el despliegue de
IPTV sobre WLAN, en [43] se realizan consideraciones
sobre movilidad, señalización, QoS y seguridad, para
tráfico multimedia basados en tecnologías W-CDMA
(Wideband Code Division Multiple Access) e IEEE
802.11. En [44] se plantea una arquitectura de QoS
de extremo a extremo en términos de componentes e
interfaces, servicios y aplicaciones de red, protocolos
de señaliza-ción y un sistema de gestión de QoS
basado en políticas para usuarios que se mueven desde
redes móviles celulares basadas en UMTS hacia redes
de difusión, como las redes de Difusión de Video
Digital Terrestre (DVB-T, Digital Video Broadcast - Terrestrial).
Por su parte, en [45] se realiza una revisión de la entrega de servicios de video unicast con QoS de extremo a extremo sobre redes inalámbricas y se presenta una solución centrada en las capas de red y una solución centrada en el sistema final. En la solución centrada en las capas de red, la entrega de video incluye la codificación del video, el mapeo y adaptación de la QoS a través de las capas de red, el control de la transmisión, el modelado de red adaptativo, y los módulos de decodificación y salida de video. Entre tanto, en la solución basada en el sistema final, las aplicaciones de video tienen en cuenta y se adaptan a las variaciones del canal inalámbrico. Ésta adaptación puede ser de la red o de los medios. La adaptación de la red hace referencia a la cantidad de recursos de red (ancho de banda, energía de la batería) que deben asignarse para la transmisión del video. Mientras que la adaptación de medios controla la tasa de bit del flujo de video basado en la estimación del ancho de banda disponible, los errores y la energía de la batería de los dispositivos receptores.
En cuanto a las arquitecturas para la implementación de IPTV con QoS en WLAN se tiene la propuesta en [46], donde se realiza una descripción de los elementos que la conforman y luego se realiza una simulación para validar el mecanismo de control de la QoS que se basa en la medida de la tasa de bit en diferentes puntos de la arquitectura. Por su parte, en [47] los autores realizan una evaluación de la QoS en términos de la PLR y su relación con calidad percibida por los usuarios cuando se varían los esquemas de priorización de tráfico soportados por el estándar IEEE 802.11e. En [48] se realiza un estudio del desempeño de IPTV sobre una WLAN basada en el estándar IEEE 802.11n, para dos escenarios principales: uno indoor, con múltiples usuarios inalámbricos, y otro en una conexión outdoor punto a punto. Los parámetros evaluados fueron retardo, jitter y pérdida de paquetes.
En [49] los autores presentan en su trabajo los desafíos técnicos a considerar para la prestación del servicio de IPTV en entornos de redes móviles tales como la capacidad de los dispositivos móviles, ancho de banda de los canales inalámbricos y QoS/QoE. Además los autores de [49] proponen una arquitectura basada en el DCCP (Datagram Congestion Control Protocol) y en el SCTP (Stream Control Transmission Protocol) para proveer la QoS/QoE requerida por los usuarios del servicio cuando estos se desplazan entre tres redes diferentes (LAN, WLAN y WiBro), logrando como resultado de la implementación de los protocolos resolver los problemas de alta perdida de paquetes y de bajo throughput en este tipo de entornos.
4.2 Despliegue de IPTV sobre WiMAX
En cuanto a los trabajos realizados para el despliegue
de IPTV sobre redes WiMax se tienen a [50] donde se
propone un marco de referencia desde la perspectiva
de las capas física (PHY) y de Control de Acceso al
Medio (MAC, Medium Access Control) con el fin de
enfrentar algunos de los desafíos que implica la entrega
de servicios de IPTV sobre este tipo de redes tales
como movilidad, multicast, cambio rápido de canales,
jitter, sobre encabezado de protocolos, diseño de los
transmisores, consumo de energía y capacidad del
sistema de IPTV para soportar múltiples usuarios.
En [51] se hace una revisión de la transmisión de IPTV sobre redes WiMax haciendo énfasis en las alternativas que tiene el enlace inalámbrico para brindar QoS/QoE.
En [52] se propone y evalúa un marco para la aplicación de superposición de codificación a nivel físico PHY de WiMAX para modular y demodular señales de multicast que transportan flujos de video asociados a IPTV con el fin de mejorar la relación señal a ruido pico (PSNR, Peak Signal-to-Noise Ratio) y de esta forma contribuir a brindar la QoS requerida por el servicio.
En [53], los autores realizan un análisis de los requerimientos de QoS para la entrega de IPTV sobre WiMax y desarrollan un controlador usando lógica fuzzy para mejorar la QoS ofrecida por la red al servicio de IPTV en términos de ancho de banda, retardo y pérdida de paquetes. En [54] se propone un modelo para implementar la IPTV sobre WiMax, consi-derando el algoritmo DLRTS (Downlink Real-time Scheduling) para la planificación de tráfico en el enlace descendente (DL, Down link) con el fin de reducir el retardo en la entrega de paquetes de IPTV. Los autores encontraron que el algoritmo DLRTS mejora el desempeño tanto en retardo como en throughput si se lo compara con lo ofrecido por algoritmo de planificación Round-Robin [54].
4.3 Despliegue de IPTV sobre redes 3G
En las redes de 3G se tiene el estudio realizado en
[55], donde se evalúan las condiciones y restricciones
bajo las cuales se da la continuidad a la QoS en las
sesiones de vídeo cuando los usuarios se mueven entre
las redes WLAN y UMTS. El marco para la discusión
presentado por los autores de [55] establece una
arquitectura práctica de interconexión de redes UMTS/
WLAN. Entre tanto, en [56] los autores encontraron
que el desempeño de la red HSDPA (System/High
Speed Donwload Packet Access) la implementación del
planificador PF (Proportional Fair) para el transporte
de video streaming presenta dificultades para mantener
la QoS cuando existe una excesiva carga de trafico de
video. Pero si se implementa el algoritmo Round-Robin
(RR) dentro de un escenario de tráfico mixto (voz, video
y datos) la red se acerca al óptimo desempeño.
En publicaciones como [57, 58, 59, 60, 61] se discute la mejor estrategia para mapear las clases de QoS ofrecidas por UMTS en las clases de tráfico del modelo DiffServ. Los resultados muestran como una apropiada asignación de las clases a las aplicaciones como voz sobre IP (VoIP, Voice over IP) y video streaming, podría ser beneficiosa en la entrega de los flujos de paquetes asociados.
En [62] se realiza una comparación de la QoS en la entrega de video streaming sobre redes HSDPA en diversos ambientes (rural, urbano, indoor, peatonal, montañoso) donde fueron evaluados parámetros como retardo, jitter, y throughput. En [63] se realiza una comparación de la QoS en la entrega de video sobre redes HSDPA y WiMAX, encontrándose que WiMAX tiene resultados óptimos en términos retardo, jitter, y throughput en la entrega de este tipo de aplicación puesto que dispone de una mayor capacidad que HSDPA.
4.4 Despliegue de IPTV sobre redes LTE y
LTE-A
Las redes LTE y LTE-A se constituyen en la evolución de
las redes de 3G y se conciben como una infraestructura
de red capaz de soportar servicios multimedia ofreciendo
los recursos necesarios para garantizar la calidad en su
entrega. En redes LTE, el modelo de QoS se basa en
el uso de portadores de servicio EPS (Envolved Packet
Core) los cuales pueden se clasificados como portadores
por defecto, para transportar datos relacionada con
señalización, control y de aplicaciones que no necesitan
QoS, o como portadores dedicados, para transportar los
flujos de tráfico asociados a servicios y aplicaciones
con requisitos de QoS. Los portadores por defecto no
garantizan la tasa de bits (non-GBR, non-Guaranteed
Bit Rate) mientras que los portadores dedicados
pueden o no garantizarla y depende de los servicios y
aplicaciones que transporten [64].
En cuanto a la diferenciación del tráfico en las redes LTE, esta se realiza mediante la clasificación de servicios en clases, cada una de las cuales forma un flujo de paquetes al cual se le asignarán los recursos de la red según las exigencias del servicio usando portadores dedicados [64]. Desde la perspectiva del usuario, las clases de servicios son conversacional, interactiva, streaming y background [20]. Las clases conversacional y streaming están destinadas para transportar tráfico de servicios de tiempo real, los cuales dependen directamente de la percepción humana y son muy sensibles al retardo [20]. Entre tanto, las clases interactivas y background están pensadas para ser usadas por las aplicaciones de datos donde se debe garantizar una transferencia libre de errores sin tener en cuenta el retardo [65]. Para identificar la clase de QoS en un portador se tiene el parámetro QCI (QoS Class Identifier) y el parámetro de asignación y retención de prioridad (ARP, Allocation and Retention Priority). Con ARP se puede decidir si un portador puede ser establecido en caso de congestión del canal de radio [64].
Otro de los conceptos relacionados con la provisión de QoS en redes LTE tiene que ver con los algoritmos de planificación de recursos tanto en el enlaces de bajada (DL, Downlink) como en los enlace de subida (UL, Uplink). Tales algoritmos permiten que los recursos de la red (portadores, tasas de bit y prioridades) sean asignados a cada uno de los flujos de tráfico teniendo en cuenta el nivel de QoS esperado, el comportamiento de las fuentes de datos, la carga de tráfico y la calidad del canal de radio. Es por ello en que diversos trabajos se han realizado estudios comparativos y propuesto algoritmos para la planificación de recursos en redes LTE con el objetivo de satisfacer los parámetros de desempeño de los diferentes servicios y aplicaciones que pueden circular por este tipo de redes.
En este orden de ideas, en [66] se encuentra el diseño de un planificador de tráfico para redes LTE y la caracterización de su desempeño en tres escenarios, llamados, full-buffer, streaming video, y mixto streaming/live video. Los autores de demuestran que propuesta de maximización de la utilidad en el planificador que diseñaron ofrece un buen control sobre la tasa de CDF (Cumulative Distribution Function) para el caso de full-buffer. Igualmente demuestran que las reglas EXP y LOG pueden soportar una mezcla de QoS de tráfico aumentando la capacidad del sistema en términos de número de usuarios y reduciendo la utilización de recursos. En [67], los autores encontraron, mediante la evaluación del desempeño de los planificadores de paquetes bien conocidos para servicios de video streaming, que el algoritmo M-LWDF (Maximum - Largest Weighted Delay first) proporciona una baja PLR y el mayor throughput al enlace descendente de la red LTE, soportando un mayor número de usuarios y garantizando la equidad (fairness) en nivel satisfactorio. A pesar que el algoritmo EXP/PF tiene un buen throughput, la equidad es muy pobre si se compara con la obtenida con M-LWDF cuando el número de usuario crece [67].
Por otro lado, en [68] se analizaron otros planificadores de tráfico como RR y Best CQI (Channel Quality Indicator) para una carga de tráfico mixto (VoIP y video streaming) en la red LTE, y se encontró que el planificador Best CQI ofrece una mejor experiencia a los usuarios que el algoritmo RR. Best CQI asigna un número apropiado de portadores de radio (RB, Radio Bearer) para los usuarios de voz maximizando el número restante de recursos a los usuarios de video; al algoritmo Best CQI concede el número apropiado de RB para los usuarios de video que tiene un buen CQI, y aquellos que tienen un bajo CQI son rechazados por el planificador. En [69], se analiza el impacto del retardo del reporte no periódico del CQI sobre el rendimiento del algoritmo M-LWDF para atender a los usuarios de video streaming a diferentes velocidades. Los resultados de este trabajo recomiendan que para mantener la QoS requerida para los flujos de video a los usuarios que viajan a altas velocidades reporte del CQI se debe enviar con mayor frecuencia que aquellos que se desplazan a menor velocidad.
En [70] se realiza un estudio del desempeño para un servicio de video telefonía para dos algoritmos de planificación de paquetes PF y PFMR (Proportional Fair Scheduling with Minimum Rate) en DL. Como conclusión de este trabajo se tiene que PF no provee QoS mientras que PFMR si lo hace y además ofrece más alta capacidad para los flujos de video. Sin embargo, con PFMR, el throughput de la celda y de otros flujos best effort se reduce debido al alto peso de los flujos de video.
En [71] se presenta una herramienta para la simulación de la red LTE en situaciones en las que se desean evaluar los parámetros de desempeño de la red. En este software fueron modelados tres tipos de nodos de la red LTE: UE, eNB, y MME/GW, y soporta entornos uni-celda y múlti-celda, gestión de calidad de servicio (QoS), movilidad de los usuarios (velocidad y dirección de desplazamiento) y procesos de handover. También modela el esquema AMC (Adaptive Modulation and Coding); la retroalimentación del CQI; los planificadores de tráfico bien conocidos (PF, M-LWPF y EXP/PF) las técnicas de reutilización de frecuencia; pérdidas de propagación; y los modelos para la capa PHY. Para validar esta herramienta de simulación los autores plantean un escenario multicelda donde evaluaron el desempeño (throughput, PLR y retardo) de las aplicaciones (VoIP, video y flujo de datos best effort) para cada uno de los planificadores de tráfico bien conocidos. Los resultados muestran que los algoritmos M-LWDF y EXP/PF mantienen una calidad de servicio adecuada para las aplicaciones en tiempo real como VoIP y video ante el crecimiento en el número de usuarios y velocidad de desplazamiento (3 y 120 Km/h). Por su parte, en [72] se hace uso de la herramienta propuesta en [71] para evaluar el desempeño de un planificador de tráfico de dos capas, con el cual se obtuvieron mejores resultados de desempeño de la red LTE para las aplicaciones en tiempo real que con los planificadores bien conocidos.
En cuanto a la evaluación del desempeño de los planificadores de tráfico en el enlace ascenderte (UL), se tiene el trabajo presentado en [73]. En este artículo, los autores evalúan el throughput, la pérdida de paquetes y el fairness de los planificadores en un escenario de red LTE con tráfico mixto. Como principal resultado encontraron que los planificadores de UL tienen un desempeño similar, y que al tener SC-FDMA, como esquema de acceso múltiple, se restringe la asignación de subportadoras contiguas limitando el rendimiento de los planificadores.
En [74] se propone una nueva técnica de asignación de recursos para aplicaciones de video streaming en tiempo real. La asignación de recursos, que es una de las técnicas de planificación de paquetes, utiliza la SNR instantánea del DL, el retardo de los paquetes y la información del buffer para determinar la cantidad de recursos de radio que serán asignados a un usuario. Los resultados de las simulaciones demuestran que la técnica propuesta supera a la técnica oportunística, al reducir el PLR, maximizar el throughput del sistema y aumentar la asignación de los RB cuando el número de usuarios crece. Esto se debe a que se utiliza de manera eficiente los recursos de radio disponibles para satisfacer los requisitos de QoS a las aplicaciones de video.
En [75] se propone un sistema Quality-Driven Cross-Layer optimizado para la entrega de video sobre redes LTE. Con este sistema, los autores demuestran que a pesar que la calidad del canal decrezca por un incremento en la PSNR, la calidad del video recibido por los usuarios se mantiene. Esto ocurre porque mientras que el sistema existente trata de maximizar el throughput de la red, lo que conduce a más pérdidas de paquetes y por consiguiente a la degradación del desempeño, el sistema propuesto por los autores de manera integral y dinámica puede adaptarse a la variación de la calidad del canal con óptimos esquemas de modulación y codificación, (MCS, Moculation and Coding Scheme) y parámetros de codificación para asegurar la mejor calidad del video con la restricción de retardo. Por ello, dicho sistema logra una mayor ganancia del desempeño cuando la restricción de retardo es más rigurosa. De este modo, cuanto mayor rigurosidad en la restricción de retardo, mayor será el peso de decisión para el usuario, y por lo tanto, más recursos le serán asignados. Finalmente, en [76] se proporciona una evaluación de desempeño de tráfico de vídeo ante variaciones en DL de los parámetros de transmisión de la capa física para adaptarse a las condiciones del canal. En las simulaciones se midió el rendimiento de los cambios en el esquema de modulación, así como de las tasas de codificación en condiciones del canal malas y buenas, llegando a la conclusión que con un esquema adaptativo se puede optimizar el rendimiento a lo largo de un canal de variable.
En la IPTV la calidad en los contenidos entregados a los usuarios se ve afectada por diferentes parámetros de desempeño de la red como retardo, variación del retardo (jitter), pérdida de paquetes y throughput, los cuales deben ser asegurados en sus valores mínimos para garantizar la calidad percibida por los usuarios. Por ello, se deben realizar las configuraciones adecuadas a los mecanismos de QoS ofrecidos por los protocolos de comunicaciones para contribuir a la mejora en el desempeño de la red sobre todo cuando se transmiten flujos de tráfico asociados a diferentes servicios y aplicaciones.
El despliegue del servicio de IPTV sobre redes inalámbricas y móviles enfrenta serios desafíos debido a las limitaciones de ancho de banda, a la baja fiabilidad y calidad de los enlaces de comunicaciones inalámbricos y a la movilidad de los usuarios. No obstante, tecnologías inalámbricas de banda ancha como LTE, LTE-Advanced y WiMax-Advanced se perfilan como redes idóneas para el despliegue de este servicio toda vez que son arquitecturas completamente IP (all-IP) con capacidades de ofrecer QoS de extremo a extremo y altas velocidades de acceso.
Este trabajo se realizó como parte del proyecto de tesis de Maestría en Ingeniería - Telecomunicaciones: "Marco de Referencia Técnico para el Despliegue del Servicio de IPTV sobre Redes Móviles LTE (Long Term Evolution) con Calidad de Servicio (QoS)", desarrollado en Grupo de Investigación en Teleinformática de la Universidad Nacional de Colombia - GITUN.
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