Estudio acerca de Video sobre IP y sus efectos en arquitecturas PON

Parece claro que en un medio plazo todo será IP: voz, datos, video e incluso las comunicaciones móviles, completando el denominado “Quadruple Play IP”. Cuándo, y cómo de pronto, puede ser discutido, pero es claro el impacto que en las redes actuales y futuras van a tener las necesidades de mucho más ancho de banda.

- Voz sobre IP (VoIP).
- IPTV.
- Distribución de música.
- Grabadores de video con disco duro.
- Video On Demand.
- TV de Alta Definición (HDTV).
- Televisión interactiva.
- Servicios interactivos comercializados por el operador.
- Servicios interactivos de seguridad.

De estos servicios, el video es el que más ancho de banda requiere y significativamente el que más impacto tiene en como el cliente percibe la calidad del servicio que se le ofrece.

IPTV
Entonces, ¿qué es IPTV? Para muchos el acrónimo les indica cientos de canales de video “on-demand” entregados en cualqueir momento y en cualquier sitio. IPTV (Internet Protocol Television) describe un sistema en el que un servicio de television digital es entregando utilizando el protocolo de Internet sobre una infraestructura de acceso, que puede ser incluso una sola conexión de banda ancha. Para abonados residenciales, este servicio es a menudo proporcionado junto con un servicio de “Video on Demand”, e incluso combinado con servicios de Acceso de Datos de Banda Ancha, y de Voz sobre IP, proporcionando en global el denominado “Triple Play”. Estos servicios ofrecen en teoría para el usuario control total de su experiencia multimedia. Para muchos operadores, es sin embargo, una nueva fuente de ingresos con la entrega de servicios avanzados multimedia a traves de una red de banda ancha.
El servicio IPTV está siendo facilitado al mismo tiempo que sucede la transición de una televisión tradicional analógica a una televisión digital y todos sus servicios asociados, todos también totalmente digitales. Los avances en técnicas de compresión de video están haciendo más sencillo entregar video estándar y de alta definición (video y audio). El crecimiento del ancho de banda, junto con una mejora en las técnicas de compresión permite entregar cada vez más contenidos a una siempre creciente planta de abonados xDSL y de redes PON.
En un entorno de operadores tan competitivo, ¿cuál es el mejor modo de entregar IPTV? No hay una respuesta única. Hoy, los mecanismos más usuales son ADSL2+, VDSL2, redes pasivas de fibra óptica (PON), redes HFC (híbridas de los operadores de cable), e incluso una combinación de las anteriores. Cada una tiene ventajas y desventajas.
Este estudio investiga los elementos clave del servicio IPTV en un despliegue en una red pasiva PON, enfocándose en los cuatro aspectos fundamentales siguientes:

Tecnología: ¿Cuál es la tecnología necesaria y su disponibilidad actual y en el medio plazo?
Capacidad: ¿Cuáles son las diferencias entre los diferentes tipos de redes PON? ¿Pueden cumplir los requerimientos de servicio necesarios?
Coste: ¿Cuáles son las diferencias en coste entre las diferentes opciones PON?
Negocio: ¿Cuál es el precio al que se debe ofrecer el servicio? ¿Cuál es el impacto en los ingresos? ¿Cuál es la relación con el coste?
Tecnología
Empezaremos con un poco de historia acerca de IPTV y describiendo algunos de los estándares que dictan como se entrega el video y el audio combinado, todo sobre IP. No se discute tanto sobre otra posibilidad IP, como es la DBS (televisión digital por satélite).
DBS (Direct Broadcast Satellite) es un término generalmente usado para referirse a la distribución de televisión por satélite para clientes residenciales. Cubre tanto televisión analógica, como digital, así como recepción de radio, e incluye también los servicios adicionales que estas plataformas pueden ofrecer como un limitado “video on-demand” y servicios interactivos. Un servicio DBS se refiere generalmente a un servicio comercial o a un grupo de canales libres disponible desde una posición orbital y enfocado sobre un país concreto.

Despliegue típico xDSL y los estándares MPEG (Moving Picture Experts Group)
Con las técnicas de compresión de video actuales, ni los sistemas simétricos SHDSL ni los asimétricos ADSL pueden proporcionar el ancho de banda necesario para IPTV. ADSL2+ a 26 Mbps y VDSL a 50 Mbps ofrecen mayor ancho de banda, pero con la contrapartida de un alcance físico más reducido. Los abonados necesitan estar más cerca de la Central o las velocidades que se pueden alcanzar cuando la distancia aumentan decrecen fuertemente. Muchos operadores encuentran atractiva la posibilidad de ofrecer IPTV sobre xDSL dado que ya tienen redes de cobre existentes y desplegadas, con lo que la facilidad para dar servicio es muy grande. Sin embargo, uno de los problemas principales es la entrega de servicios de canales de televisión tradicionales y nuevos canales de alta definición sobre MPEG2. Con MPEG2, los canales de alta definición requieren aproximadamente 20 Mbps por canal, comparados con los 2,5 a 3,5 Mbps para los canales de televisión estándar.
MPEG4 es la siguiente etapa en las técnicas de compresión, similar a MPEG2 que principalmente comprime datos digitales de audio y video (AV). Introducido a finales de 1998, MPEG4 designa un grupo de estandares de codificación de video y audio.
Los servicios transmitidos utilizando el estándar MPEG4 incluyen video en la web (Streaming), distribución de CDs, videoteléfono, y broadcast de televisión. MPEG4 utiliza herramientas de MPEG1 y MPEG2, y añade nuevas capacidades como la denominda “Virtual Reality Modeling Language VRML” que soporta rendering 3D. Otras características MPEG4 incluyen orientación a objetos (incluyendo audio, video y objetos VRML), soporta gestión de derechos de autor especificados externamente, y varios tipos de interactividad como video on demand. La mayor parte de las características y posibilidades de MPEG4 están disponibles para el desarrollador, que es quien decide si las implementa o no. Esto significa que es probable que no haya implementaciones completas de todo lo que el estándar puede ofrecer. Esto se contrarresta con conceptos que incluye el estándar como “perfiles” y “niveles” que permiten especificar un kit de capacidades o funcionalidades particular y usarlo en aplicaciones específicas.

El nuevo Estándar
Ya ratificado como parte del estándar MPEG-4 (MPEG4 Parte 10) y del último estándar de videoconferencia de la ITU, el estándar H.264 es obligatorio para las especificaciones de HD-DVD y Blu-Ray (los dos formatos DVD de alta definición) y ratificado también en las últimas versiones de los estándares DVB (Digital Video Broadcasters) y 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Numerosas compañías de broadcast, cable, videoconferencia y fabricantes de electrónica consideran el estándar H.264 como su opción de codec para sus nuevos productos y servicios. Esta adopción por tan diferente variedad de compañías de un estándar abierto posibilidta que cualquier compañía en el mundo puede crear dispositivos – teléfonos móviles, decodificadores, reproductores de DVD, etc – que ofrecerán las nuevas especificaciones de HDTV.
Un área donde se ha establecido MPEG4 Part 10 como necesario es en la compresión de video y audio haciendo más fácil la transmisión de la señal a través de diferentes tipos de redes y mecanismos de broadcast (Tabla 1).

Requerimientos de múltiples canales de video simultáneamente
Tras investigar los “drivers” de la necesidad de múltiples canales de video por abonado, los resultados reflejan que esta necesidad no está ligada al número de televisores por hogar. Actualmente el 98,2% de los hogares en Estados Unidos tienen algún televisor, y el 74,3% de los mismos tiene 2 o más televisores. (Fuente: Nielsen Media Research).
Otra estadística muestra que 4 de cada 5 televisores vendidos hoy son televisores preparados para alta definición (HDTV). (Fuente: Harvard Research). La Tabla 2 muestra el crecimiento de televisores de alta definición por millón de hogares (Fuente: The Yankee Group).
Un driver adicional para empujar los estándares de vídeo digital es el “Apagón analógico” previsto para el 2010. Estudiando las tendencias de los distribuidores de televisión, la idea sería no sólo distribuir video digital, sino video digital de Alta Definición.

Anchos de banda PON y comparación con MPEG
Esta sección se enfoca en el soporte de IPTV que pueden realizar varias topologías PON, incluyendo BPON (Broadband PON) con velocidades de 622/1,2 Gbps, GEPON (Gigabit Ethernet PON) con ratios de 1,2 Gps en Downstream, y GPON (Gigabit PON) con ratios de 2,4 Gbps.
Basándose en el calendario mostrado de la Tabla 3, las estratégias de despliegue deberían tomar provecho de tecnologías como MPEG2 y BPON, pero asegurándose un camino de evolución a tecnologías como GEPON y GPON, así como a MPEG4.

Capacidades
Capacidades PON
El objetivo estudiando las diferentes topologías PON es conocer si una implementación particular de PON puede soportar los requerimientos de ancho de banda. Esto no es sólo importante en el extremo final del abonado, sino también en la central, donde se tienen que aplicar técnicas de multi-casting.
La capacidad de la red PON debe garantizar una utilización máxima sin bloqueo del video. La arquitectura PON debe ser diseñada para trabajar con el tráfico habitual, y asegurar también la provisión de servicio durante picos de demanda en la red. La capacidad de la red PON determina el máximo número de canales de video por abonado. Pero la capaciad de hacer multicasting va a ser crítica para poder manejar los servicios de video que se van a demandar sobre la red PON.

Como se puede ver en la Figura 2, el envío de canales simultáneos a diferentes abonados, así como el uso habitual del servicio de Video On Demand va a condicionar el ancho de banda necesario en el enlace entre OLT y abonado final. Dependiendo del tipo de servicio de Video On Demand utilizado, se pueden utilizar técnicas multicast ó solamente unicast.
Multicast es la capacidad para desde un nodo de la red enviar datos idénticos a un número variable de usuarios finales. Multicast, en contraste con Unicast y Broadcast, consiste en la transmisión a diferentes usuarios de información utilizando un solo canal de envío. En una transmisión típica multicast IP se añade la complicación de que los usuarios pueden entrar o dejar el grupo de transmisión en cualquier momento. Unicast es la transmisión de una unidad sencilla PDU (Protocol Data Unit) desde una fuente a un solo destino. En el caso de video Unicast, es solamente la transmisión individualizada de una canal enviado a un usuario final. Una transmisión punto a punto unicast require que se mande una copia individualizada del mensaje a cada usuario final.
Utilizando técnicas de multicast, la red PON puede ser capaz de distribuir mejor el ancho de banda y asignarlo más eficientemente. Por el contrario, con una transmisión completamente y para todos los usuarios unicast, el enlace entre OLT y red troncal require unas demandas mucho mayores de ancho de banda.

Diseñando para Velocidades de Servicios específicos
El ancho de banda utilizado de la red PON va a depender mucho del tipo de servicio que utilice el cliente final. No todas las redes PON se van a encontrar utilizadas al 100% y con un 100% de servicios de video. Como se muestra en la figura 3 va a haber grandes diferencias de requerimientos de ancho de banda dependiendo del servicio utilizado por el cliente final.
En la figura 3, para calcular el ancho de banda total ocupado, se han ofrecido dos tipos de paquetes de servicio diferentes: Servicio Premium, que incluye 3 canales estándar de video y 2 canales de alta definición; y Servicio Estándar, en el que se ofrecen 2 canales de video estándar y 1 canal de video de alta definición. Los canales de video están codificados basándose en MPEG2, con los canales de video de alta definición codificados a 19,2 Mbps y los canales de video estándar codificados a 3,5 Mbps.
En la figura 4 se pueden observar 4 grupos de despliegue PON (I, II, III y IV) que entregan el mismo ancho de banda por usuario final. En la parte inferior se puede ver el ratio de división de abonados por puerto del OLT.
La capacidad efectiva PON mide el número de canales de video distintos que se pueden entregar por usuario final. Mide la capacidad real de la red combinando el impacto de la compresión de video y los grupos de despliegue.

Coste
Componentes de Coste de una red PON
El coste de los componentes e interfaces de una red PON va a ir cambiando en el tiempo sin duda. Actualmente un despliegue típico de una red BPON cuesta significativamente menos que un despliegue GEPON y GPON simplemente por la madurez de la technología y la disponibilidad de chipsets. Sin embargo, cuando se compara el coste con la tecnología, BPON puede tener más dificultades para manejar de forma adecuada los requerimientos y el soporte de Video sobre IP. Cuando se mira al coste total de un despliegue PON, se puede observar que el coste del equipamiento de central, incluyendo instalación, no sube más del 8% del total. Mientras que el hardware de planta externa y la instalación del mismo suponen un 40% del coste total. La última parte de la red, que incluye el equipamiento de abonado (CPE, Customer Premise Equipment) y la instalación de la acometida y el equipo supone hasta un 50% del coste total.
Los costes del equipamiento PON de cabecera son básicamente 3: el coste del interfaz con los servidores de video, el equipo terminal OLT y el interfaz con la red de acceso. Las investigaciones muestran una clara relación entre el interfaz con la red de acceso y el coste de la solución. Un ratio de divisón más grande, una fuente con mayor ancho de banda y una nueva tecnología llevan a un coste mayor del interfaz.
Como se ha descrito anteriormente, BPON ha bajado rápidamente de coste por la madurez de la tecnología y los altos volúmenes. GPON sin embargo se espera que tenga una reducción de costes mucho más pronunciada y rápida. Esto se va a deber a los 64 abonados por trunk y a la inclusión de técnicas como MPEG4.

Ingresos PON
A la hora de comparar diferentes despliegues y arquitecturas PON, cara a un análisis de rentabilidad, conviene considerar algunos aspectos:

1) es un despliegue en una zona nueva, donde seré el único proveedor y por tanto puedo esperar un 100% de penetración.
2) estoy remodelando mi red actual, de modo que ya tengo clientes de voz y datos, y los únicos ingresos adicionales que puedo esperar son de video.
3) estoy reconstruyendo mi red para evitar que la competencia se plantee entrar en esta zona.

Los servicios triple-play representan una fuente de ingresos muy importante de modo que si demoro la construcción puedo estar incurriendo en un coste de oportunidad importante.
La figura 7 muestra como en 2005 el CAPEX gastado en arquitecturas PON excedió los ingresos (Fuente: Resultados Financieros Publicados de Verizon).
Cuando se estudian los ratios de penetración de nuevos servicios PON, se asume que el 40% de los nuevos abonados lo harán a los servicios de video, y que el 64% de los abonados lo harán a Internet de alta velocidad, todo esto antes del 2010. Un 40% de nuevo servicio triple-play se traduce en un 60% más de ingresos ó en 1,8 millones de dólares por unidad residencial de 2000 hogares pasados. (Fuente: Previsiones del Yankee Group para 2006 –2010).

Resumen
Con las técnicas actuales de compresión, ni las tecnologías VDSL ni la ADSL2+ proporcionan el ancho de banda requeriedo para el transporte de múltiples canales IPTV. Utilizando técnicas de compresión MPEG2 un canal de alta deficinición require 19,2 Mbps mientras que un canal estándar de televisón require 3,5 Mbps. Incluso el cambio de un canal con el control remoto en casa supone que en técnicas DSL ocurra una latencia, puesto que efectivamente hay que cambiar el canal tansmitido. Esto supone una demora hasta con VDSL..
Como alternativa a XDSL, las redes PON ofrecen un ancho de banda mucho mayor y a mayores distancias. Múltiples clientes se pueden servir con una sola fibra utilizando divisores ópticos, y con gran flexibilidad para hacer reconfiguraciones de la red. Dependiendo de la versión de red PON desplegada, las velocidades en downstream pueden ir desde 622 Mbps a 2’488 Gbps sobre una sola fibra, con ratios de división desde 1:16 a 1:128. Una red GPON entregando 2’488 Gbps con un ratio de división 1:32 puede ofrecer 77,75 Mbps por cliente haciendo muy atractiva la posible oferta de servicio de vídeo. Sin embargo, incluso con el ancho de banda de GPON, la entrega de canales HDTV es complicada sino se utiliza MPEG4 para la distribución.

Conclusiones
- El operador tradicional de telefonía tiene que cambiar el “mix” de servicio prestado y enfocarse mucho más en el video, sobre todo con la competencia de los operadores de cable.
- El Video on Demand (VoD) y la alta definición (HDTV) están cobrando cada día más empuje y sus requerimientos de ancho de banda hacen imprescindible construir una infrastructura robusta de fibra.
- El número de televisores por hogar no es el detonante en adelante del ancho de banda necesario por usuario, sino que lo es la capacidad de canales en casa y los requerimientos de alta definición.
- El ADSL2+ y el VDSL han servido como palanca para llegar rápidamente al mercado con los nuevos servicios, pero la necesidad de competir en video con una oferta equivalente a la de los operadores de cable, hace que la tecnología sobre cobre tenga poca competitividad en el medio plazo.
- Las arquitecturas PON ofrecen suficiente ancho de banda para competir hoy con vídeo utilizando o no MPEG4.
- Los tipos de anchos de banda PON ofertados están determinados por la velocidad de línea de las tarjetas, el ratio de división y la compresión de video utilizada, y no sólo por elegir BPON, GEPON ó GPON.
- El video supone un porcentaje muy signifcativo de los potenciales ingresos de servicios triple y quadruple play.
- Puede haber un coste de oportunidad muy importante por la falta de acción o retraso en implementar nuevos servicios Triple Play sobre arquitecturas PON.

Más información o presupuesto

José Luis González. Director Técnico ADC Krone Iberia