1 Estudiante de Maestría en Ingeniería de Sistemas y Computación, Universidad del Norte, Barranquilla (Colombia). cesar.viloria@ieee.org

2 Candidata a Grado de Ingeniería Electrónica, Universidad del Norte, Barranquilla (Colombia). jenny-freja@ieee.org

3 Ph.D. en Tecnologías de la Información, Universidad de Girona (España). ydonoso@uniandes.edu.co

Apoyos y subvenciones: Dirección de Investigaciones y Proyectos de la Universidad del Norte como Proyecto de Menor Cuantía.

En este artículo se presenta una síntesis del estudio acerca del rendimiento del servicio de televisión sobre IP, implementado sobre distintas plataformas tecnológicas, tales como ADSL, WiFi y LAN Extended. Se presentan los resultados obtenidos y sus respectivos análisis referentes al retardo, jitter y pérdida de paquetes en cada una de las plataformas, variando la tasa de transmisión, el codec de video y la aplicación de calidad de servicio. Por último, se presenta un análisis comparativo entre las plataformas, definiendo la significancia de cada uno de los parámetros de red variados con los parámetros de rendimiento estudiados.

Palabras clave: Rendimiento, pérdida de paquetes, jitter, retardo, codec de Video, plataforma tecnológica, calidad de servicio, Sep Top Box, Sniffer.

In this paper is presented a summary of the study about the Internet Protocol Televisión service performance implemented over different data transmission systems, such as ADSL, WiFi and LAN Extended. The obtained results are presented and also their respective analisys about delay, jitter and packets loss over each one of the platforms changing the transmission rate, the video codec and the quality of service. Finally, a comparative analisys between platforms is presented, defining the significance of each changed network parameter with the studied performance parameters.

Index Terms: Performance, packets loss, jitter, delay, video codec, data transmission systems, quality of service, Sep Top Box, Sniffer.

1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad los usuarios de las tecnologías de la información y telecomunicaciones (TIC's) cada vez son más exigentes respecto a los servicios y los diferentes equipos que presenta la tecnología. Esta exigencia ha dado lugar a la convergencia de servicios telemáticos, la cual ha permitido que distintos dispositivos que recientemente se han convertido de uso cotidiano, puedan ser capaces de realizar distintas, mientras que antes eran necesarios varios equipos para realizar las mismas tareas. La televisión sobre IP (IPTV) es un servicio en el cual la televisión se transmite por medio del protocolo IP, teniendo una gran variedad de servicios adicionales al de televisión convencional [1], [2], [7].

A través de este proyecto se realizó un estudio de rendimiento de los parámetros relativos a la congestión (pérdida de paquetes, retardo y jitter) cuando se presta un servicio de IPTV sobre distintas plataformas tecnológicas como ADSL, WiFi, LAN Extended, variando también la tasa de transmisión utilizada, el codec de video implementado y la aplicación o no de la calidad de servicio (QoS).

Se comparó el rendimiento del servicio en cada una de las plataformas trabajadas y luego se realizó un diseño de experimento para definir qué variables son significantes para el rendimiento del servicio, comparando los resultados de una plataforma con otra.

El artículo muestra primero una descripción del sistema implementado, seguida de los resultados de los estudios y análisis en cada una de las plataformas. Luego, se presenta el resultado del diseño de experimento utilizado para hacer la comparación entre plataformas, y se muestra la significancia de la variación de la plataforma tecnológica, el codec de video y la tasa de transmisión con los parámetros de congestión como el jitter, la pérdida de paquetes y el retardo.

2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE IPTV

IPTV no implica entrar a páginas web para ver programación, sino el método cómo se envía la información. El video es enviado en forma de paquetes IP hasta llegar a los usuarios [2], [7]. Las señales de TV se codifican y convierten en paquetes IP para enviarse a Internet. Luego, se distribuyen por la red al usuario final, quien con un Sep Top Box convierte los datos digitales en señales de televisión analógica para entregarlas al televisor [2], [8].

El proceso de transmisión de la televisión sobre IP puede comenzar desde un servidor donde esté almacenado el video, desde una transmisión en vivo o puede ser una señal satelital. Para convertir la señal de la fuente en datos digitales, debe pasar por un codificador, luego estos datos digitales son encapsulados en paquetes IP. Antes de ser distribuidos al usuario final, la señal de IPTV debe ser encriptada; luego es transmitida para llegar a un Sep Top Box que convierte los datos digitales en señal analógica para que pueda ser interpretada por el televisor [3], [6].

3. METODOLOGÍA

Para realizar el estudio se consideró la evaluación de las variables relativas a la congestión (pérdida de paquetes, retardo y jitter) teniendo en cuenta la variación de parámetros como la plataforma tecnológica (ADSL, WiFi y LAN Extended), el codec de video (MPEG-2 y MPEG-4), la tasa de transmisión y la aplicación de calidad de servicio.

Para las pruebas con tráfico se implementó el montaje que se muestra en la Figura 2. Un servidor se encuentra del lado de la central de la red transmitiendo el video utilizado en las pruebas y entregándolo a la red, que hace llegar el video a un computador receptor y a un Sep Top Box. Este último entrega el video a un televisor. Además, del lado de los usuarios se coloca un equipo en el que se hace correr un software que observa el flujo de paquetes y los registra para obtener los datos de interés (pérdidas de paquetes, retardo, jitter). Se añade un equipo transmisor de datos del lado del servidor para generar tráfico FTP en la red.

Posteriormente, en la Figura 3 se agrega un administrador de ancho de banda al esquema anterior para las pruebas con QoS, antes de entrar a la red por el servidor, para reservar una fracción del ancho de banda para ser utilizada sólo por el tráfico de IPTV.

Por último, se realizó un análisis comparativo entre las tres plataformas tecnológicas analizando por separado cada una de las tres variables (pérdida de paquetes, retardo y jitter), teniendo en cuenta variación de parámetros como la plataforma tecnológica, el codec de video y la tasa de transmisión. Para este análisis, se realizaron tres tipos de pruebas diferentes: sin tráfico, con tráfico y con QoS. Se realizó un diseño de experimento teniendo tres factores (Plataforma, Tasa de Transmisión y Codec), tres variables (Pérdida de Paquetes, Retardo Máximo y Jitter Promedio) y se realizaron tres repeticiones del experimento. El experimento no se realizó de forma aleatoria debido a la complejidad de los montajes de las pruebas.

En el análisis del experimento se generó la tabla de Análisis de Varianza para observar los factores significantes para cada una de las variables. También se estudió la gráfica de los residuales contra los valores predichos; esta gráfica no debe mostrar ningún patrón entre los residuales, es decir, no puede ser posible realizar un análisis de regresión a los residuales. Por último, se analizó la gráfica de probabilidad normal de los residuales, en la cual se debe observar que los residuales siguen una línea recta para indicar que los datos ingresados tienen distribución normal [4], [5].

4. ANÁLISIS INDIVIDUAL DE LAS PLATAFORMAS

4.1. ADSL

En la Figura 4 se muestran los resultados obtenidos de las pruebas de IPTV sobre ADSL. De la Figura 4 se puede deducir que el servicio de IPTV sobre ADSL presenta pérdidas de paquetes ligeramente más bajas con el codec MPEG2 que con MPEG4 cuando hay tráfico y cuando se implementa QoS. Por tanto, se concluye que respecto a la pérdida de paquetes es mejor MPEG2. Se puede concluir también de la misma figura, que la implementación de la calidad de servicio no mejora notablemente el servicio en cuanto a la pérdida de paquetes.

Respecto al retardo máximo, en todas las tasas de transmisión las barras de la Figura 5 presentan un comportamiento similar, lo que muestra que el retardo presentado en IPTV sobre ADSL es indiferente al codec de video que se implemente y a la utilización de QoS.

En la Figura 6 es bastante notoria la mejora que se refleja en el jitter del servicio cuando se implementa la calidad de servicio y al igual que en el caso del retardo, el jitter es indiferente al codec de video implementado.

En relación a la tasa de transmisión, se observa que con 768kbps y 1024kbps se obtienen los mejores resultados, teniendo en cuenta que con 768kbps es menor la pérdida de paquetes; sin embargo, en la apreciación visual de la imagen es mucho mejor con tasa de transmisión de 1024kbps, por esto es recomendable transmitir a 1024kbps la televisión sobre IP en ADSL.

4.2. WiFi

En la Figura 7 se observa que es notoria la mejora en la pérdida de paquetes cuando se implementa la calidad de servicio en IPTV sobre WiFi, puesto que en las pruebas con tráfico sin QoS se encuentran valores hasta de 0.35% que son bastante altos con respecto a los casos sin tráfico o con QoS que no llegan al 0.03%. Se identifica también un mejor comportamiento del servicio cuando se utiliza el codec MPEG2, lo cual es notorio en las pruebas sin QoS. Sin embargo, en la implementación con QoS no se muestra superioridad de ninguno de los dos codec con respecto al otro.

La Figura 8 muestra que en IPTV sobre WiFi, el retardo también se ve bastante afectado por el tráfico y tiene una gran mejora en la aplicación de la calidad de servicio. En este caso, contrario a lo presentado en la pérdida de paquetes, el codec que mejor se comporta es el MPEG4. Sin embargo, al igual que el caso anterior, cuando se aplica la calidad de servicio el codec es indiferente en el rendimiento del servicio.

En el caso del jitter promedio que se muestra en la Figura 9 se observa que cuando no se aplica QoS el rendimiento presenta un comportamiento creciente a medida que se incrementa la tasa de transmisión, y en algunos casos está incluso mejor que cuando se implementa QoS. En este parámetro se observa una leve superioridad del codec MPEG4 sobre el MPEG2. Sin embargo, cuando se aplica QoS no predomina ninguno de los dos codec.

En relación con la tasa de transmisión, se observa que con todas las tasas de transmisión se obtiene un rendimiento relativamente similar, por tanto, se recomienda implementar el servicio con una tasa de 1024kbps puesto que es un punto en el que la imagen se ve bastante bien por apreciación visual y además no consume un ancho de banda bastante alto como sí lo haría una tasa de transmisión mas alta. En este caso, el jitter presenta un mejor comportamiento sin QoS que con QoS; sin embargo, la proporción de mejoría de los otros dos parámetros es mucho mayor y compensa el rendimiento.

4.3. LAN

Extended En la Figura 10 se puede observar que cuando se aplica QoS en LAN Extended la pérdida de paquetes tiene un mejor comportamiento. Además, el rendimiento del servicio respecto a este parámetro es mayor en el codec MPEG2 sobre el MPEG4.

Por su parte, la Figura 11 muestra que el retardo de los paquetes no presenta gran mejoría con la aplicación de calidad de servicio, incluso, en algunos casos, como en 1536kbps y 1792kbps el rendimiento es mayor cuando no se aplica QoS. Sin embargo, la diferencia entre un caso y otro no es muy grande como para preferir una condición u otra. Con respecto a los codecs, en algunos casos se observa una leve mejoría con MPEG2 y en otros con MPEG4, pero ninguna alcanza una gran superioridad. Por tales razones, se concluye que la aplicación de QoS y el codec de video son independientes para el retardo de paquetes en LAN Extended.

El gráfico de jitter promedio que se muestra en la Figura 12 señala un comportamiento aproximadamente constante en todas las condiciones, por lo que se entiende que dicho parámetro tampoco depende de la aplicación de QoS o el codec de video.

Respecto a la tasa de transmisión, la pérdida de paquetes muestra un mejor comportamiento a tasas bajas, por lo que se recomienda trabajar a 1024kbps.

5. ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE PLATAFORMAS

5.1. Análisis del Jitter

La Tabla 1 muestra el análisis de varianza (ANOVA), donde el valor P da el nivel de significancia de cada valor; se observa que sólo la Plataforma y la Tasa de Transmisión, y la interacción entre estas dos tienen un valor P menor a 0.05, lo cual indica que estos parámetros son los significantes en el rendimiento del jitter en pruebas sin QoS.

La Figura 13a muestra la interacción del valor predicho contra los residuos. Se observa que los valores no siguen un patrón y no se puede crear ninguna regresión con los residuales, lo cual quiere decir que presenta una varianza constante y el modelo es correcto.

La figura 13b muestra la distribución de los residuales. Se puede observar que los residuales siguen la línea de una Distribución Normal, aunque tiene ciertas diferencias en los valores altos y bajos, esto puede ser porque en el análisis se evaluaron diferentes variables, ya que no existe posibilidad de aislar una variable de la otra [4].

La Tabla 2 muestra el ANOVA para el jitter en pruebas con Calidad de Servicio. Según el valor P, se observa que los factores significantes son la Plataforma y la Tasa de Transmisión y la interacción entre ellas [4], [5]. En la Figura 14a se muestran los residuales contra el valor predicho del jitter, los residuales no presentan ningún patrón específico en esta gráfica.

En la Figura 14b se muestra la distribución de los residuales en la gráfica de probabilidad Normal, se observan que siguen la línea de la Distribución Normal y muestran que los datos tienen una distribución normal [5].

5.2. Análisis de las pérdidas de paquetes

La Tabla 3 muestra que para la pérdida de paquetes en pruebas sin QoS los tres factores son relevantes, teniendo en cuenta que el codec es el menos relevante [4], [5]. En la figura 15a se muestra los residuales contra los valores predichos de pérdida de paquetes; se nota que los residuales no tienen ningún patrón específico.

En la figura 15b se grafica la probabilidad normal para los residuales, los cuales siguen la línea de distribución normal, aunque se observa ciertos puntos muy distantes en los valores bajos, esto es debido a explicaciones dadas con anterioridad para la Figura 13b [5].

La Tabla 4 muestra que el factor más relevante para las pérdidas de paquetes en las pruebas con QoS es la plataforma tecnológica; la tasa de transmisión no es muy significante, pero puede tener algo de influencia [4], [5]. La figura 16a muestra los residuales contra el valor predicho, donde se ve que no siguen un patrón definido. En la Figura 16.b de Probabilidad Normal se comprueba que los datos tienen una distribución Normal, ya que los residuales siguen la línea que representa la distribución normal [5].

5.3. Análisis del retardo

Para el retardo máximo en pruebas sin QoS el único factor relevante es la Plataforma Tecnológica, según el valor P de la Tabla 5 [4], [5]. En la figura 17a se observan los residuales contra los valores predichos, a pesar que los residuales se concentran en un lugar específico, no siguen ningún patrón. En la figura 17b se observa la distribución de probabilidad de los residuales, se demuestra que los datos tienen una distribución normal, ya que los residuales siguen la línea recta de la gráfica casi en su totalidad [5].

En la Tabla 6 de ANOVA para el Retardo Máximo en pruebas con QoS se muestra que los tres factores son significantes en este experimento, aunque la codificación es el menos significantes de los tres [4], [5].

En la figura 18a se muestran los residuales contra los valores predichos; se observa acumulación de residuales al comienzo de la gráfica; sin embargo, no siguen ningún patrón específico. En la figura 18b se observa la distribución normal de los residuales; éstos siguen la línea recta, pero presentan gran dispersión, esto se debe a factores explicados con anterioridad, como realizar las pruebas con varias variables al tiempo [4].

6. CONCLUSIONES

Luego de realizar los montajes de las distintas plataformas tecnológicas para prestar el servicio de IPTV y realizar el análisis respectivo que se mostró en las secciones 4 y 5, se pueden obtener las siguientes conclusiones:

Las pérdidas de paquetes en ADSL son menores con la implementación de MPEG2 que con MPEG4. Además, no es necesario aplicar QoS para reducir las pérdidas. En el caso del retardo, el codec y la aplicación de QoS no son relevantes para el rendimiento. Sin embargo, la QoS si es muy importante en ADSL para el rendimiento del jitter, el cual presentó un mayor rendimiento con la aplicación de QoS que sin ella.

IPTV sobre WiFi presenta un mejor rendimiento en cuanto a las pérdidas de paquetes cuando se aplica QoS a la red y cuando se utiliza el codec MPEG2, excepto cuando se aplica QoS, caso en el que no hay predominio de ninguno de los dos codec. Es muy importante la aplicación de QoS en WiFi también para el caso del retardo en el que hay un mayor rendimiento comparando con el caso en que no se aplica QoS. El jitter en IPTV sobre WiFi es indiferente a la aplicación de QoS. Por tales motivos, IPTV sobre WiFi se recomienda trabajarlo con el codec MPEG2 y aplicando QoS.

LAN Extended es otra tecnología en la que la aplicación de QoS presenta un mejor comportamiento respecto a las pérdidas de paquetes. También se muestra una superioridad del codec MPEG2 sobre el MPEG4 para dicho parámetro, lo cual también se presenta en el retardo. Sin embargo, en este último parámetro la QoS no es muy indispensable para el servicio de IPTV sobre LAN Extended. El jitter no es muy dependiente del codec ni de la aplicación de QoS.

En cuanto a pruebas sin QoS, se observa en cambio que la codificación no es significante para el jitter, pero la plataforma y la tasa de transmisión si lo son. En las pruebas con calidad de servicio se observa que la codificación tampoco es significante, a diferencia de la plataforma y la tasa de transmisión, siendo la plataforma lo más relevante

En las pruebas de pérdidas de paquetes sin QoS la plataforma y la tasa de transmisión son los factores más significantes. En la aplicación de calidad de servicio, según los valores arrojados por el análisis de varianza, la plataforma y la tasa de transmisión son relevantes, pero la tasa de transmisión en menor grado.

El retardo, en pruebas sin QoS, sólo presenta significancia en la plataforma y por último en las pruebas con calidad de servicio, según la tabla de ANOVA, los tres factores resultan significantes, aunque de nuevo, la codificación es el menos significante.

En todas las pruebas realizadas se mostró que la plataforma es el factor más relevante para los resultados de las diferentes variables y el codec es quizás el menos relevante, pero siempre se observó que para la pérdida de paquetes las pruebas con MPEG-2 dieron un mejor desempeño que con MPEG-4.

REFERENCIAS

[1] J. CORREA. "80 hogares de Río Negro reciben 14 canales de televisión digital a través de una línea telefónica fija". El Tiempo, Bogotá, 23, noviembre, 2006.

[2] J. CORREA. UNE-EPM, "con TV por Internet desde marzo". Portafolio. El Tiempo. Bogotá, 21, febrero, 2007.

[3] K. HASTINGS y N. NECHITA. "Challenges and opportunities of delivering IP-based residencial televisión services". IEEE Communications Magazine. Vol. 38, Nº11. nov 2000, p.86-92

[4] D. MONTGOMERY. Design and analysis of experiments. 5ª ed. Estados Unidos: John Wiley & Sons, 2005.

[5] N. POTTER, K. LABEAU, G. LOVELAND y T. LAI. Optimization Phase Project. Statistics 314: Statistical Quality Methods, Mar. 2004.

[6] J. SALVATIERRA. Televisión digital. Ospitel: Sexto boletín tecnológico, dic, 2006.

[7] J. WALKO. "I love my IPTV". IEEE Communications Engineer. Vol.3, Nº 6. dic. 2005; p.16-19.

[8] R. WARD. Internet Protocol Televisión. New Tech Briefs, dic. 2004.