Avaliação de Arquiteturas IPTV em redes ADSL

O serviço IPTV [1] consiste na transmissão do sinal de vídeo, por meio da utilização do protocolo mais difundido na Internet, o IP. O transporte do sinal IPTV na rede IP pode ser usado com os protocolos [6] TCP, UDP e RTP, os quais integram a arquitetura IPTV. A transmissão de TV é feita em [3] broadcast, ou seja, o sinal de vídeo é enviado a um grande número de usuários. A arquitetura IPTV deve ser capaz de implantar essa comunicação broadcast, podendo utilizar os protocolos RSTP ou IGMP V2. O conteúdo de vídeo na arquitetura IPTV pode ser implementado de forma centralizada ou distribuída, de acordo com a arquitetura escolhida para o projeto.
O serviço IPTV vem se expandindo cada vez mais, permitindo que as operadoras de telecom captem receita e/ou mantenham a carteira de clientes banda larga. Para tal, é de grande importância analisar qual arquitetura dessa rede mais se adequa às necessidades da operadora e dos clientes.
No serviço IPTV, o sinal de vídeo deve ser compactado para sua transmissão, sendo, também, um elemento de escolha no projeto da arquitetura a ser implementado. Portanto, no projeto de uma arquitetura de rede IPTV, há várias opções de implementação, desde a distribuição até a entrega do vídeo ao usuário. Neste artigo serão analisadas três arquiteturas IPTV (A, B e C).
O artigo está organizado do seguinte modo: apresentação dos elementos básicos de uma arquitetura genérica de rede IPTV; caracterização e discussão das arquiteturas dos Tipos A, B e C; comparação entre as três arquiteturas, definindo a mais satisfatória para a garantia e continuidade do serviço IPTV e conclusão sobre a análise.

ELEMENTOS BÁSICOS DA  ARQUITETURA IPTV GENÉRICA
Antes da análise das arquiteturas IPTV, deve-se definir os respectivos componentes para atendimento às exigências do usuário. A Figura 1 [2] mostra esses elementos para uma arquitetura de rede IPTV, baseada em tecnologia ADSL.
Headend
Representa a extremidade principal de vídeo, ou seja, ponto no qual se encontra o conteúdo total de vídeo (filmes, programas etc.), em conexões com operadoras de TV convencionais para a transmissão de programas ao vivo. O headend possui vários componentes que podem variar de rede para rede, incluindo fontes de vídeo analógico e digital, provedores de conteúdo, codificadores/decodificadores e transcodificadores para adaptar às taxas de streaming, switchers, servidores para softwares de vídeo e de aplicação, servidores de gerência e outros. No headend, o vídeo é codificado (MPEG-1, MPEG-2 ou MPEG-4) e processado com qualidade, sendo entregue ao backbone IP, no qual todo sinal é encapsulado por meio do protocolo IP e distribuído aos usuários. A localização do headend é uma opção de implementação da arquitetura, podendo ser centralizado ou distribuído. Serviços interativos como IPTV e o VOD são providos a partir de servidores de conteúdo em formato MPEG e enviam uma cópia ao usuário quando requisitado. O servidor de vídeo precisa estar dimensionado tanto para o conteúdo total, que deve ser armazenado, como também para o número de usuários ativos que estejam requisitando dados. A [8] distribuição do serviço IPTV e VOD oferecido pela operadora faz parte da escolha da arquitetura de rede.

Core IP Network
São redes preparadas para a transmissão de vídeo, garantindo um Quality of Service (QoS) que reflete um Quality of Experience (QoE) aceitável pelo usuário. Sua qualidade é comparável a das TVs a cabo ou TV via satélite, podendo ser superior. Em termos gerais, o Core IP é uma rede, cuja estrutura física é baseada em fibra ótica ou redes de transporte (ex.: DWDM). Agrupa os canais codificados de vídeo, transportando-os sobre a rede IP do provedor de serviço (backbone IP da operadora) e é dotado de implementações de QoS, que possam garantir jitter, atraso e, principalmente, a perda de pacotes em limites aceitáveis, resultando em uma qualidade de vídeo satisfatória para o usuário final.

Rede de acesso
A [1] rede de acesso faz parte da arquitetura de uma rede IPTV, representando a ligação entre o fornecedor de serviço (operadora de Telecom) e a casa do usuário, ou seja, “a última milha”. A conexão do usuário pode ser realizada por meio de uma variedade de tecnologias de rede de acesso. As operadoras de telecomunicações vêm utilizando a tecnologia DSL (linha digital de assinante) e iniciando o uso de fibra como redes Networking Optical Passive (PON), permitindo o aumento da distância e velocidade. O [12] Digital Subscrieber Access Multiplexer (DSLAM) conecta os usuários através do par telefônico, e sua saída pode ser ATM ou Ethernet, dependendo da tecnologia empregada. O DSLAM concentra os usuários e possui conectividade com o Broadband Remote Access (BRAS). Esse tem como função fornecer o endereço IP ao usuário IPTV. Contém também o endereço IP dos servidores de autenticação e redireciona sua autenticação a esses servidores, fazendo conexão com o Core IP, para que o usuário busque seu conteúdo de vídeo no headend.

Ambiente do Usuário
O modem ADSL2/ADSL2+ [8] é utilizado quando sua rede de acesso é a tecnologia xDSL, caso da análise deste trabalho. O modem permite velocidade de até 24Mbps, em downstream, e 1 Mbps, em upstream, preservando o canal de voz.
O set-top box é o elemento terminal de usuário que converte os streams para a saída composta de vídeo ou qualquer outra, de acordo com o padrão do aparelho de TV  do usuário. Geralmente é baseado em tecnologia de PC, podendo incorporar interfaces xDSL para conexão direta a DSLAM’s.

ARQUITETURA DO TIPO A
A arquitetura IPTV do tipo A [1], [2], [3], [6], [8], [9], [14], define um alto nível para a entrega de vídeo, dados e serviços da voz (triple-play), em uma rede de acesso utilizando a tecnologia  de ADSL2/ADSL2plus.
A arquitetura IPTV do tipo A é ilustrada na Figura 2.

Os elementos desta arquitetura têm a seguinte formação:
Distribuição de vídeo descentralizada
Essa [3] forma de distribuição de vídeo reduz o tempo de acesso do usuário e a operadora pode implantar instâncias intermediárias numa estrutura distribuída hierarquicamente. Os servidores armazenam o conteúdo próprio de sua área de atuação e os segmentos iniciais dos programas mais acessados. Nessa distribuição há um servidor que é responsável pela localização dos programas disponíveis em todo o sistema, ilustrado na Figura 3.

Codificação MPEG-1
O requisito básico para provimento de serviços de vídeo é a utilização de mecanismos de compressão [8] dos sinais. Atualmente, os padrões Moving Picture Experts Group (MPEG) são os mais empregados. O MPEG-1 (padrão ISO/IEC 11172) fornece resoluções de 352×240 pixels NTSC e de 352×288 pixels PAL. É necessário taxa de pelo menos 1 Mbps a 1,5Mbps, para se obter qualidade de Video Cassette Recorder (VCR) com MPEG-1.

Middleware
O middleware se refere às plataformas de software que integram as várias partes do controle da solução de vídeo sobre IP, desde a disponibilização dos serviços e aprovisionamento dos clientes, até a bilhetagem. O middleware é instalado ao longo de toda a cadeia do sistema, desde o Headend até o set-top box.

Protocolo TCP
O TCP é um protocolo orientado à conexão que fornece um serviço confiável de transferência de dados fim a fim. O TCP fornece meios para que o receptor possa determinar o volume de dados que o transmissor pode enviar, ou seja, controla o fluxo dos dados. Isso é muito importante quando o fluxo de dados for de vídeo e não ao vivo. O mecanismo de controle de fluxo se baseia no reconhecimento e no envio do número de octetos que o receptor possa suportar (tamanho da janela de recepção), contado a partir do último octeto da cadeia de dados recebido com sucesso.
Com base nessa informação, o transmissor atualiza sua janela de transmissão, ou seja, calcula o número de octetos que podem enviar antes de receber outra liberação. Nesse caso, tem-se uma grande quantidade de informações trocadas na rede IP para um vasto número de usuários IPTV, aumentando o processamento dos equipamentos e ampliando a vazão dos enlaces até o headend. O protocolo TCP apresenta uma overhead que varia de 20 bytes a 24 bytes.

Protocolo de sinalização IGMP
O IP Multicast [9] baseado em Internet Group Management Protocol (IGMP) possibilita maior eficiência na utilização da rede. O IGMP permite a distribuição de conteúdo a um grande número de usuários sem causar impactos na rede, pois o tráfego é enviado somente a um Group Destination Address (GDA). Os clientes utilizam o IGMP, o registro e o recebimento de um determinado grupo multicast. Por meio do IGMP, o cliente pode manifestar sua intenção de se juntar, aceitar ou deixar um streaming do grupo multicast. Somente clientes registrados para um GDA específico usufruirão o tráfego multicast. Uma das características do IPTV é a transmissão em broadcast, cujo conteúdo é enviando a uma grande quantidade de usuários. Esse protocolo é de suma importância para esse tipo de aplicação.

Distribuição do serviço IPTV
A recomendação H.610 do ITU [14] é baseada na arquitetura de distribuição ADSL. A arquitetura do sistema e o equipamento do cliente definem uma arquitetura de alto nível padrão para a entrega do vídeo, dos dados e dos serviços de voz, em uma rede de acesso de ADSL2/ADSL2+.

ARQUITETURA DO TIPO B
A arquitetura IPTV do tipo B [1], [2], [3], [6], [8], [9], [14], é ilustrada na Figura 5.

Distribuição de vídeo Centralizada
Numa arquitetura [3] centralizada, o vídeo é enviado do headend central até o set-top box do usuário. Todo o tráfego de vídeo vai fluir a partir de um link conectado ao headend, que deve ser capaz de suportar picos elevados de tráfego. Essa arquitetura apresenta um problema em relação ao tempo de resposta do usuário, pois o transporte vai fluir desde a área de centralização, até a ponta final do cliente, aumentado o delay entre o headend e o usuário final.
O Backbone de transporte nesse tipo de distribuição deverá ser projetado para suportar uma quantidade de requisições de todas as áreas de atuação da operadora de telecom. A Figura 6 ilustra a distribuição de vídeo.

Codificação MPEG-2
MPEG-2 oferece qualidade de DVD, exigindo uma taxa de transmissão elevada, que varia de 2 a 6 Mbps.
Protocolo de transporte RTP/UDP
O [6] Real-Time Transport Protocol (RTP) ou Protocolo de Transporte em Tempo Real foi apresentado formalmente em janeiro de 1996, pelo Grupo de Trabalho de Redes (Network Working Group) do Internet Engineering Task Force (IETF), com o objetivo de padronizar a funcionalidade de aplicativos de transmissão de dados em tempo-real (vídeo, áudio), tanto em redes unicast, como nas multicast, sem garantir a qualidade de serviço QoS ou reservar recursos de endereçamento. O RTP roda sobre a camada UDP/IP, utilizando os serviços de multiplexação e cheksum do UDP, estabelecendo uma comunicação fim a fim. As porções de áudio e de vídeo produzidas pelo aplicativo remetente, são encapsuladas em pacotes RTP. Esses, por sua vez, são encapsulados em um segmento UDP. O protocolo RTP apresenta um overhead de 12bytes, porém, nessa arquitetura, o RTP é transmitido com utilização do protocolo UDP, que tem um overhead de 8 bytes.

Protocolo de sinalização RSTP
O RTSP [6] ou Protocolo de Fluxo Contínuo em Tempo Real (Real-Time Streamins Protocol – RFC 2326) é um protocolo de domínio público, que permite a interação cliente/servidor entre a fonte do fluxo de mídia, a taxa constante (servidor) e o usuário (transdutor). Essa interatividade vem da necessidade do usuário ter um maior controle sobre a reprodução da mídia. As funcionalidades do RTSP se resumem às manipulações de execução do arquivo, similarmente às funcionalidades que um aparelho reprodutor de CD disponibiliza para se ouvir música gravada – ele permite que um transdutor controle a corrente de mídia através de comandos de: pausa e reinicio; retrocesso e avanço rápido e reposicionamento da reprodução.

Distribuição do serviço IPTV
Esse tipo de distribuição permite a verificação da distribuição do vídeo e entrega do serviço, com a recomendação H.610+ DSL Fórum. Nessa arquitetura podemos ter, além da rede ADSL como acesso, as redes PON (Passive Optical Network) para distribuição.

ARQUITETURA DO TIPO C
É a arquitetura utilizada em uma determinada operadora de telecomunicações do Brasil. Aqui, serão descritos apenas os componentes da arquitetura que não são comuns às demais:

Codificação MPEG-4
O MPEG-4 oferece qualidade de DVD e HDTV com taxas de transmissão inferiores às previstas no MPEG-2. Apresenta maior precisão na estimativa dos movimentos do sinal de vídeo do IPTV e, ao contrário do MPEG-2, é uma tecnologia proprietária, isto é, requer licenciamento de uso.

Protocolo de transporte UDP
Streams MPEG são transportados diretamente sobre uma rede IP com utilização de UDP e protocolo de sinalização IGMP. A distribuição de vídeo sobre redes IP pode ter um custo alto, quando se trata de banda e recursos de rede. O uso do protocolo UDP é ideal para transporte de sinais IPTV, porque não exige confirmação do recebimento do pacote, reduzindo, assim, o tempo de resposta e aumentado a velocidade de processamento. O protocolo UDP possui um overhaed de 8 bytes. Os elementos da arquitetura do tipo C [1], [2], [3], [6], [8], [9], [14], encontram-se na Figura 7.

QUADRO COMPARATIVO ENTRE AS ARQUITETURAS
A transmissão de vídeo em uma rede IPTV ocorre em grande escala, demandando um tráfego intenso no backbone IP, o que gera processamento dos roteadores e equipamentos envolvidos. Assim, é essencial o overhead de cada protocolo de transporte utilizado na arquitetura.
O protocolo de transporte deve ser o mais simples, sem solicitar retransmissões, que além de gerar problemas na rede, são prejudiciais ao tráfego de vídeo ao vivo. A distribuição de vídeo do headend faz parte da arquitetura. Na configuração centralizada, todo o tráfego flui desde o headend até o usuário final, tornando-a inviável, pois aumenta o tempo de resposta de requisição de vídeo, porque os meios de transmissão devem suportar grandes picos de tráfego. Além disso, o sistema de transmissão se torna muito caro, em função da área a ser atendida pelo provedor de serviço.
A compactação do sinal de vídeo realizada no headend, está ligada ao custo dos codecs MPEG e a banda que se dispõe nas redes de acesso ADSL. O MPEG-4 possui um custo de implementação maior, se comparado com MPEG-1 e MPEG-2, porém, permite compactar taxas de 2Mbps em qualidade de SD.
Diante do estudo realizado, pode-se identificar as diferenças entre as arquiteturas A, B e C, conforme o quadro, verificando que a arquitetura satisfatória que atenda aos requisitos do cliente e aos objetivos do provedor é a arquitetura do tipo C.

CONCLUSÕES
Este trabalho descreveu e comparou, três arquiteturas IPTV e seus respectivos elementos. Tais arquiteturas (A, B e C), possibilitam aos provedores de serviços ofertar TV em protocolo IP. Essas arquiteturas foram montadas com base em estudos realizados nas referências [1], [2], [3], [6], [8], [9], [14].
Após análise na avaliação de desempenho de cada uma das configurações, observou-se que a arquitetura mais satisfatória para desenvolver uma rede IPTV, que atenda às necessidades dos usuários e aos requisitos dos provedores, concomitantemente, é a do tipo C.
O estudo das arquiteturas IPTV é de suma importância para operadoras de telecomunicações, na escolha do tipo adequado que atenda aos requisitos exigidos, permitindo o crescimento sem grandes impactos para preservar a relação custo/benefício.
Por fim, este trabalho permite uma análise da qualidade de serviço empregada na arquitetura do tipo C, apontando os mecanismos mais indicados para a sua obtenção, bem como a respectiva forma de mediar a qualidade de serviço.