Hardware (IPTV)

23 ARQUITETURA TECNOLÓGICA DO AMBIENTE IPTV

 

O ambiente IPTV[72] oferta diversos recursos relacionados ao mundo de entretenimento dos usuários, integrando os serviços de TV ao mundo completamente digital, através das redes convergentes ALL-IP. Após compreendemos quais serviços estão associados ao serviço IPTV[72], fornecido aos usuários finais (assinantes), se faz necessário o entendimento e identificação da arquitetura tecnológica que suportará os serviços convergentes.

Apresentaremos os modelos de referência na qual permitirá um melhor entendimento dos blocos que compõem o modelo de arquitetura IPTV[72]. Os modelos de referências estão segmentados por: 

  • Segmentação da infra-estrutura tecnológica;
  • Topologias das redes de dados, e os nós que as interconectam;
  • Arquiteturas em camadas;
  • Componentes que compõem às soluções IPTV[72].

23.1 SEGMENTAÇÃO DA INFRA-ESTRUTURA TECNOLÓGICA

 

A infra-estrutura da tecnologia IPTV[72] é divida em segmentos que tem por objetivos à identificação dos nós que interconectam a topologia, os segmentos de referência que compõem a topologia IPTV[72] são: SHE[138], VHO[167], VSO[169] e DNG[22]. A segmentação que interconectam os nós (Núcleo, Borda (agregação), Acesso e Residência), são ilustrados na figura 23.1.0:

 Figura 100 - Arquitetura de referência IPTV - segmento

Figura 23.0.1 – Segmento de arquitetura da tecnologia IPTV

Fonte: adaptado de Cisco System

Em detalhamento os nós que interconectam o segmento de rede:

  • Super Head-End (SHE): definidos com pontos concentradores (CAN) da solução IPTV[72], pontos centrais na qual realiza a captura e agregação do conteúdo. O SHE[138]  é responsável por manipular os conteúdos a nível internacional e totalmente independente da região, incluindo canais de broadcast, adição de canais de propaganda, VOD[168] , além da responsabilidade do fornecimento de conteúdo a todo sistema associado à tecnologia IPTV[72], armazenando e distribuindo às matrizes de conteúdo sob demanda. 

 

  • Vídeo Hub Office: denominados como pontos de distribuições de vídeo em espaços (regiões) delimitadas, na qual constituem os nós que interconectam o conteúdo local/regional. O VHO[167] oferta canais de programações local/regional, armazenando o conteúdo para requisições sob demanda, em combinação com o conteúdo de origem do SHE[138] , além as funcionalidades supracitadas o VHO[167] realiza a inserção de propaganda local. 

 

  • Video Serving Office: análogo ao escritório central (CO[32]) de um provedor de telecomunicação representa a ligação entre a rede de agregação e a rede de transmissão (acesso). O VHO[167] hospeda os dispositivos da rede de acesso, que permite à conexão dos usuários (assinantes) dos serviços IPTV[72]. Dependendo da implementação da tecnologia, o VHO[167] oferta suporte aos elementos de armazenamento de vídeo também nessas localidades. 

 

  • DNG (Delivery Network Gateway): denominado como domínio doméstico, ponto único de um determinado usuário (assinante) da tecnologia IPTV[72]. O DNG[22]  é o elemento que realiza interface entre a rede do provedor de serviço e a rede interna (doméstica) do usuário, na qual encontramos os dispositivos para uso da tecnologia, como, por exemplo, TV, computador pessoal (PC[113]) e conversores (set-top-box ou consoles de vídeo game). Tais elementos são conhecidos nas redes de transmissões ou na linguagem de telecomunicações como CPE[20].  

 

As redes de acessos dos provedores da tecnologia IPTV[72], possuem segmentos com o objetivo de interligar os principais nós da solução de vídeo, na quais são:

  • Núcleo: responsável pelo transporte de todo os tráfego de vídeo associando pequenos números de SHEs[138] aos escritórios centrais do provedor de serviço VSOs[169].

 

  • Agregação: constituem a rede de borda do núcleo e as redes de agregação escoando todo o tráfego de acesso ao núcleo da rede de acesso. A agregação da rede conecta os VHOs[167] a uma quantidade elevada de VSOs[169]. 

 

  • Acesso: porção da rede responsável pela conectividade de um determinado VSO[169] ao domínio doméstico DNG[22].  

 

  • Residência: domínio doméstico, denominado como a rede doméstica do usuário final (assinante), onde estão concentrados os dispositivos convergentes: computador pessoal (PC[113]), dispositivos wireless, telefones IP, terminais de acesso e equipamentos televisivos. 

24 ARQUITETURA DE REFERÊNCIA EM CAMADAS

O modelo de referência em camadas é uma maneira de identificar os elementos componentes de uma solução, através de visões em camadas. A ITU-T[1] criou uma proposta de referências preenchendo os requisitos e denominados como NGN[101]. A plataforma oferece suporte aos serviços convergentes de multimídia, como, por exemplo, os serviços conversacionais (utilizando o protocolo SIP), e serviços de conteúdo, como, por exemplo, broadcasting e streaming. Em detalhes a figura 24.0 representa a arquitetura funcional NGN[101]:

 Figura 100 - Arqitetura de referência em camadas

Figura 24.0 Arquitetura NGN, dividas em camadas.

Fonte: adaptado de Cisco System

24.1 MODELO DE REFERÊNCIA: SEGMENTO X CAMADAS

Categorizamos os componentes tecnológicos de infra-estrutura que suporta o serviço IPTV[72] em duas dimensões, nas quais detalhamos:

  • Camadas: subdividas em dois (2) níveis de abstração: rede e serviço. O primeiro nível de abstração (rede) agrega os componentes necessários para comunicações utilizando o protocolo IP, onde segundo nível de abstração (serviço) fica responsável em concentrar toda inteligência dos serviços. As suas camadas são gerenciadas pela camada de gerenciamento.
  • Segmentos: varia de acordo com os dispositivos e distribuição topológica e geográfica, a camada de rede é divida em três (3) segmentos: núcleo, borda/agregação e acesso. Análogo a camada de serviço, onde há divisões por topologias em: nacional (SHE[138]), regional/distribuição (VHO/VSO) e local como, por exemplo, os domínios domésticos (DNG[22]). A figura 24.1 apresenta às dimensões supracitadas subdivididas em duas categorias: 

 Figura 100 - Modelo de referência - arquitetura tecnológica IPTV

Figura 24.1 – Modelo de referência – arquitetura tecnológica de IPTV

Fonte: adaptado de Cisco System

 

25 INFRA-ESTRUTURA DE SERVIÇOS

25.1 SISTEMAS DE HEAD-END

O head-end de vídeo possui a responsabilidade de capturar (coletar) os conteúdos de variadas fontes de transmissão, como, por exemplo, satélite, VOD[168] , terrestre. O head-end é considerado o principal elemento das peças centrais, nó de acessos concentradores dos provedores de serviço IPTV[72], na qual possui responsabilidades de processar e codificar os conteúdos de acordo com os pré-requisitos de compreensão estabelecidos, como, por exemplo, (MPEG[86]-2, MPEG[86]-4, WM9[173], etc.), alem das características de encapsular sobre o protocolo IP, disponibilizando na rede de dados, a arquitetura dos sistemas head-end são compostos por duas partes: recepção e processamento dos sinais recebidos, conforme são detalhados no próximo subtítulo.

25.2 RECEPÇÃO

 

Os sistemas que realizam a recepção do conteúdo são definidos de acordo com o meio que é recebido, onde são inclusos elementos de capacitação de sinal e um receptor, conforme segue:

  • Recepção via terrestre: também conhecido como off-air[2], a recepção realizada de forma terrestre utiliza um conjunto de antenas VHF[163], UHF[156]  e Splitter[3] para realizar a distribuição até os receptores, o processo é conhecido como modulação e demodulação. Os conteúdos que trafegam no modelo off-air, estão de certa forma armazenada em local/regional, na qual podem ocorrer nos SHEs[138] ou nos VHOs[167], conforme exemplificado nos capítulos anteriores.
  • Recepção via conexão dedicada: o modo de transportar os sinais televisivos ainda ocorre em conexões dedicadas, onde são utilizados cordões ópticos, para tal, e necessário o uso de receptores específicos, para esta recepção.
  • Recepção via satélite: os sinais são capturados através das antenas via satélites, as fontes dos sinais também podem ser capturadas através de conversores LNB, e splitters, na qual possuem funções de transmissão dos sinais até os decodificadores de recebimento integrado IRDs. Os canais enviados pelos SHEs[138] são recepcionados pelas antes satélites e transmitidos a todas as localidades da topologia que atende o serviço IPTV[72].

 

25.3 PROCESSAMENTO

Após o recebimento, os sinais passam pelo processo de codificação e processamento, para poderem ser enviados (transmitidos) via broadcast, ou então ser armazenado para uso sob demanda VOD[168]. Os transmissores amplificam os sinais na sua saída e encaminham aos codificadores denominados como encorders, que são elementos indispensáveis no bloco que constituiu a topologia de acesso.

A principal função dos codificadores é comprimir (codificar) o conteúdo utilizando parâmetros pré-definidos pelos órgãos regulamentadores e definido pelo provedor de serviço. Dentre os padrões de codificação, o mais utilizado são os definidos pelo (MPEG[86]), estabelecido pela (ISO[66]). Os padrões de codificação são MPEG-2[86], MPEG-4[86] e o padrão recentemente apresentado, MPEG-4[86] Advanced Video Coding (MPEG-4 AVC[86][5]), que também foi nomeado como H.264, de acordo com a padronização da ITU-T. O padrão oferece compreensões de vídeos avançado, permitindo melhores compreensões que os demais. A Microsoft definiu um algoritmo de codificação que serve de alternativa aos padrões MPEG[86], que foi denominado como Windows Media 9 (WM9[173] ), padronizado pela (SMPTE[135][4]), sob o nome de VC-1, análogo aos padrões de compreensão do H.264 (MPEG[86]-4 AVC[5]).

 

25.4 MIDDLEWARE

 

Determinado como elemento de software, é a porção mais critica dos sistemas IPTV[72], assumindo o papel do sistema operacional da tecnologia IPTV[72]. O middleware é responsável por toda inteligência que acerca o serviço, permeando entregas do tipo fim-a-fim, interligando às diversas áreas do sistema, como, por exemplo, Head-end, set-top-box, DRM[25] , servidores de vídeo, elementos de rede (nós que interconectam a topologia), etc. Em épocas anteriores as soluções apresentadas eram fechadas e monolíticas, porém as mais novas versões de soluções ofertam interfaces abertas, facilitando a integração com outros elementos da solução IPTV[72].

O middleware ao comparado como viabilizador da solução, possui certas características:

  • garantir o gerenciamento das transações, tais como, conteúdos ativos de mídias, os dispositivos e requisitos funcionais e aplicáveis aos assinantes;
  • garantir interfaces com outros elementos (blocos) da tecnologia;
  • garantir quais serviços, preços e pacotes, serão estipulados aos assinantes e usuários;

O middleware possui funções que suportam as quatro (4) áreas supracitadas:

  • Funções para a provedora do serviço: gerenciamento dos serviços; gestão dos assinantes e usuários da tecnologia; interfaces de aplicações dos programas (API[7]); gerenciamento das transações; compatibilidade com os sistemas de segurança; gerenciamento dos direitos digitais (DRM[25]); aprovisionamento do serviço; ativação; operação e manutenção (O&M[5]); fornecimento do controle remoto do dispositivo instalado In loco (set-top-box); confecção de relatórios com demonstrativos semanais, mensais e anualmente do uso do serviço e outras aplicabilidades. 

 

  • Funções para o usuário (assinante): guia de programas eletrônicos (EPG[38]); interatividades aos serviços convergentes (vídeo, telefonia, dados e segurança); interatividade aos serviços sob demanda (VOD[168]); disponibilidade de uso aos serviços para gravações (PVR[115], DVR, etc.); identificador de chamadas; detalhamento da conta mensal e canais extras do assinante. 

O EPG[38] é um elemento que merece destaque no ambiente middleware, na qual oferta uma interface gráfica para navegação do assinante atribuindo um guia de programação, explorando as funcionalidades e aplicações disponíveis, de acordo com o pacote fechado pelo assinante com o provedor de serviço. O EPG[38] é a função mais atrativa do sistema IPTV[72]. No middleware o EPG[38] é a aplicação mais acessada pelos usuários, também responsável pela experiência do usuário (QOE[122]). O middleware oferece combinações atreladas às funções de gerenciamento. Na figura 25.4 apresentamos os principais processos de operação, nas quais estão segmentados por quatro (4) níveis: suporte e disponibilidade de operações (operations support and Readiness), aprovisionamento (Fullfilment), garantias de qualidade (assurance) e faturamento (billing):

Figura 100 - definição dos 4 grupos de processos de gerenciamento de infra estrutura

Figura 25.4 – Middleware: definição dos quatro (4) grupos de processos de gerenciamento de infra-estrutura

fonte: adaptado de Tele management Fórum

Os principais elementos atrelados aos grupos de processos de gerenciamento da infra-estrutura dos serviços IPTV[72] são descritas a seguir:

  • Aprovisionamento: ferramenta utilizada pelos provedores de serviços para garantir os requisitos dos processos utilizados na ativação do serviço, partindo das premissas do cliente. As principais características dos processos estão associadas à gestão de configuração dos sistemas e plataformas estipuladas desde a camada do modelo de referência OSI (layer 3 – Rede), passando pelos serviços até a camada do usuário (layer 7 – aplicação).  
  • Garantia de Qualidade: podemos obter a garantia de qualidade através de mecanismos denominados como QOS[123] e QOE[122], na qual possuem funções explicitas ao gerenciamento de falhas, garantindo a qualidade do serviço através da priorização do tráfego e a experiência de uso do usuário (assinante). O parâmetro qualidade é atributo essencial para o uso do serviço IPTV[72] e suas aplicabilidades. A qualidade exige uma arquitetura com ferramentas, com focos no gerenciamento de qualidade, conforme ilustramos na figura 25.4.1: 

 

 
 Figura 100 - Sistema integrado de gerenciamento - IPTV
 
 

Figura 25.4.1 – Topologia dos sistemas integrados de gerenciamento do serviço IPTV
Fonte: adaptado de Cisco System

 

25.5 SERVIDORES DE VÍDEO
Sob a responsabilidade de armazenar e disponibilizar os conteúdos que são oferecidos de modo VOD[168]  aos usuários (assinantes). Os servidores de vídeo possuem as características de armazenamento não somente dos conteúdos sob demanda, mais também os conteúdos ofertado de forma broadcast, com base de suporte às funcionalidades de gravação de vídeos pessoais (PVR[115]), tal modalidade é denominada como network PVR[115]  (NPVR), onde o conteúdo não fica só armazenado no domínio doméstico, e sim nos sistemas dos provedores de serviços. Os servidores precisam atender todos os requisitos de armazenamento, disponibilidade, integridade e que suportem os streams de vídeos simultâneos. Os servidores de vídeo possuem capacidades de gerenciamento de diversos servidores alocados na mesma infra-estrutura de rede próximos aos usuários, através da inteligência de Content Delivery networks (CDNs[17] ), exemplos dessa facilidade são os: (VHOs e VSOs).

 

25.6 SET-TOP-BOX

 

Elemento indispensável aos domínios domésticos (residência do usuário). Os set-top-box faz parte da camada de serviços, na qual realiza a interface dos dispositivos instalado na residência do usuário (televisores, telas de plasma, etc.) aos sistemas IPTV[72]. As principais funções do set-top-box são realizar a hospedagem dos elementos componentes do DRM[25], middleware, browser de navegação a internet, decodificador, além do armazenamento dos conteúdos locais, na função de gravações de vídeos pessoais (PVR[115]). O dispositivo precisa estar interconectado com os outros elementos de rede que compõem a tecnologia do serviço IPTV[72].

26 INFRA-ESTRUTURA DE REDE

Consideramos infra-estrutura de rede, todos os elementos e nós que interconectam a topologia do serviço IPTV[72], fornecendo o serviço ALL-IP através de uma rede de multitarefa, além da oferta de conectividade de alto desempenho, na qual descrevemos os principais requisitos:

  • Disponibilidade de uma largura de banda (banda larga), para atender os requisitos dos canais de vídeo, de acordo com as pré-definições dos canais de serviços. O trafego é realizado de forma assimétrica (sem sincronismo) onde os conteúdos possuem altos volumes, significativamente maiores na direção do downstream[6].
  • Garantia da qualidade de serviço (QOS[123]) para atender os requisitos da experiência esperada dos usuários (QOE[122]).
  • Distribuição de vídeo com recursos para otimização, através das robustas arquiteturas multicast.

Detalhamos a seguir o funcionamento das arquiteturas de redes e os elementos que compõem as topologias de acesso.

26.1 ARQUITETURA DE REDE DE ACESSO E TRANSMISSÃO

 

O uso da tecnologia IPTV[72] exige uma grande concentração de esforços à implantação das redes de acesso dos provedores de telecomunicação, na qual precisam atender os requisitos de funcionalidade tanto de hardware como software, motivando o trafego de vídeos, dados e voz através das convergentes redes ALL-IP. Conforme mencionamos na abordagem da tecnologia IPTV[72], as tradicionais redes IP multisserviço estão segmentadas em diversos níveis hierárquicos: núcleo; borda / agregação; acesso e domínio doméstico (residência) à figura 26.1 abordam cada hierarquia e seus principais elementos:

 Figura 100 - Exemplo de arqitetura de rede

Figura 26.1 – Exemplos de arquitetura de rede
Fonte: adaptado de Cisco System

26.2 TOPOLOGIA DE REDES

 

Apresentamos na figura 26.2 os formatos de enlaces utilizados nas diversas topologias de redes:

 Figura 100 - Topologia de redes

Figura 26.2 – Exemplos de topologias de redes
Fonte: adaptado de Andrews Tanembaum

26.2.1 NÚCLEO

 

Responsável pelos elevados volumes de tráfego às diversas redes de agregação, com base na tecnologia das redes IP. O núcleo da rede é o principal elemento de ligação as redes do provedor do serviço, na qual realiza comunicação dos SHEs[138] aos VHOs[167], em geral interconectam as diversas regiões, realizando o transporte dos dados em escalas de longa distância, denominando como WAN[172]. O núcleo da rede é responsável pelo roteamento e transporte, combinando as tecnologias em duas camadas:

  • Roteamento: os provedores de serviços e operadores estão apostando fortemente na comutação dos pacotes (roteamento) utilizando a tecnologia MPLS[92], tornando se a grande realidade nas redes dos provedores. Considerada como uma tecnologia estável e escalável, o MPLS[92] permite o aumento na velocidade de transmissão dos pacotes através de rótulos/etiquetas (labels) MPLS[92]. O maior ganho associado à utilização do MPLS[92] é a possibilidade de utilizar a engenharia de tráfego, garantindo a integridade e desempenho nas redes baseadas em IP, na qual encapsulam os diversificado formatos em etiquetas MPLS[92]. 

 

  • Virtualização: com o aumento significativo de tráfego nas redes dos provedores e operadores de telecomunicação, devido à migração dos serviços legados para IP e inserção de novas tecnologias para atender os requisitos e demandas da tecnologia IPTV[72], levou as áreas de engenharia dos provedores e adotar o conceito de virtualização. Os roteadores de núcleo/borda baseado na rede IP/MPLS[92] estão utilizando o conceito de virtualização, na qual diversas plataformas/programas podem ser executadas no mesmo dispositivo de hardware atendendo os requisitos de grande porte e escabilidade além de possuir um elevado nível de modularidade e disponibilidade.
  • Transmissão utilizando redes ópticas: a realidade das redes de acesso dos provedores de telecomunicação é o uso das tecnologias (SDH[139]) / (SONET[140]) e Metro ethernet, utilizados para transporte de elevados fluxo de dados através de longas distâncias. A tecnologia SDH[139] realiza a multiplexação de circuitos de baixa (PDH[117]) onde consideramos o método de (PCM[114]) estruturando em canais conforme representados na tabela 26.2.1: 
Sinalização / Palavra serviço         Sinalização / Palavra serviço          
0 1 2 15 16 17 29 30 31
64 Kbps 64 Kbps 64 Kbps 64 Kbps 64 Kbps 64 Kbps 64 Kbps 64 Kbps 64 Kbps

Tabela 26.2.1 – Arquitetura do Plésiochronous Digital Hierarchy (PDH)
 Fonte: adaptado de Nyquyst

Cada canal no PDH[117]  é formado por 64 Kbps, onde consideramos a faixa de frequência de voz determinado por Nyquyst[7], sendo que a menor frequência de voz se limita a 300 hertz e a maior frequência de voz 4 Khertz, partindo do principio da teoria, a total taxa de amostragem deve ser o dobro da maior frequência de voz, na qual representa (8) Khertz. A somatória dos 32 canais do sistema PCM[114] forma o E1 (2048 Kbps) conforme padronização Européia, adotado pelo Brasil. A formação dos canais do sistema PCM[114] é representada na tabela 26.2.2 representada pela formula:

Cada Canal PCM[114] = 8 (taxa de amostragem) * 8 (número de bits (1byte) = 64Kbps * 32 canais = E1 (2048 Kbps)

Tabela 26.2.2 – Cálculo para formação dos E1 (2048 Kbps) de acordo com a padronização européia.
Fonte: adaptado de SDH Siemens Digital

O sistema SDH[139], realiza a multiplexação dos sistemas PCM[114], elevando a capacidade de transmissão em elevadas hierarquias, à comparação dos sistemas são ilustrados na tabela 26.2.3:

Sinal SONET Taxas de transferência Sinal SDH]
STS-1 OC-1 51.84 Mbti/s STM-0
STS-3 OC-3 155.52 Mbti/s STM-1
STS-9 OC-9 466.56 Mbti/s #
STS-12 OC-12 622.08 Mbti/s STM-4
STS-18 OC-18 933.12 Mbti/s #
STS-36 OC-36 1244.16 Mbti/s #
STS-48 OC-48 2488.32 Mbti/s STM-16
STS-192 OC-192 9953.28 Mbti/s STM-64
       
# não há equivalências    
     

Tabela 26.2.3 – Comparações de taxas (SONET/SDH).
 Fonte: adaptado de Nortel

A tecnologia SDH[139] é compatível com todas as tecnologias de redes existentes, sua principal função é realizar o tratamento dos tributários (padrão europeu 1ª hierarquia (E1) como sinais síncronos dentro da rede, através de ponteiros (pointer overhead). O SDH[139] permite a flexibilidade de acesso aos sinais dentro da rede sem desestruturar os demais tributários, onde na tecnologia PDH[117] era necessário descer todos os circuitos até as taxas de transmissão dos tributários. A principal característica dos sistemas SDH[139] são o gerenciamento de toda a rede (desempenho, tráfego, roteamento e configuração), garantindo a performance e rapidez dez no tratamento da transmissão. Ilustramos na figura 26.2.1 o mapeamento da tecnologia SDH[139]:

 Figura 100 - Mapeamento Hierarchy digital synchronous (SDH)

Figura 26.2.1 – Mapeamento Hierarchy Digital Synchronous SDH
 Fonte: adaptado de Nortel

 

  • IP over Optical: o principal conceito é a redução de camada entre o nível IP e nível de rede óptica, interligando diretamente o IP ao (DWDM[23]), isolando o uso das redes SONET/SDH[139][140]. Tal tendência simplificará o transporte das redes, e impulsionará o crescimento com elevadas larguras de banda e integrar os planos de dados e controle, promovendo a utilização da tecnologia GMPLS[92][52] , definido como Multiprotocol Lambda Switching. A inteligência do MPLS[92] é trazida diretamente aos níveis ópticos, controlando a comutação dos pacotes através de comprimentos de ondas. A Energia Eletromagnética pode se apresentar de diversas formas, a luz é uma delas. A Luz é constituída de fótons que trafegam, no vácuo absoluto, a uma velocidade exata de 2,997925 x 108 m/s (metros por segundo). Definimos como comprimento de onda o símbolo (λ[8]) o produto da velocidade da luz no vácuo (c) pelo inverso da freqüência (f), conforme equação, ilustrada na figura 26.2.2: 

 Figura 100 - Fração que define o comprimento de onda

Figura 26.2.2 – Equação que define o comprimento de onda
Fonte: adaptado de Nortel

            A figura 26.2.3 apresenta o espectro eletromagnético:

Figura 100 - espectro eletromagnético  

Figura 26.2.3 – Espectro eletromagnético.
 Fonte: adaptado de Nortel

O DWDM[23] é um equipamento que amplia numa quantidade elevada a capacidade da rede óptica, fazendo a multiplexação de vários sinais STM-N através do deslocamento do comprimento de onda, formando um único sinal, tal como nos multiplexadores: FDM[51]. A figura 26.2.4 ilustra o sistema DWDM[23]:

Figura 100 - sistema dense wavelength division multiplexer 

Figura 26.2.4 – Sistema Dense Wavelength Division Multiplexer DWDM
 Fonte: adaptado de Nortel

26.2.2 AGREGAÇÃO

 

Consideramos nessa fase as redes de agregação, redes de áreas metropolitanas MAN[82], responsáveis por escoar o tráfego entre o núcleo da rede e o acesso. A delimitação das redes é realizada pelos roteadores de borda interligados aos núcleos conforme ilustrado na figura 26.2.2.1. O segmento compreende não só a camada de roteamento (comutação dos pacotes), como também a camada de acesso (transmissão). A transmissão na rede de agregação sob o alcance metropolitano MAN[82], pode ocorrer diretamente nos cordões ópticos (fibra apagada) ou então nas diversas tecnologias de transmissão, como, por exemplo, SDH/SONET[139][140] ou DWDM[23] . A principal característica das redes de agregação é o transporte dos crescentes serviços que proveem o acesso à internet via banda larga, até o núcleo da rede. Tais redes foram projetadas para trabalhar de forma assíncrona através da tecnologia ATM[10], com o objetivo de transportar elementos de rede de acesso remoto via banda larga (B-RAS[12]), implementando funções inteligentes para a centralização dos serviços de banda larga, oferecendo suportes ao gerenciamento das aplicações como, por exemplo, políticas de QOS[123], controle de uso do usuário (assinante) e definição dos perfis. A tecnologia ATM[10] está se extinguindo, dado espaço a tecnologia Ethernet/IP, na qual vem atendendo aos requisitos dos provedores que procuram por soluções de uma rede estável e de grande confiabilidade.

Com o surgimento dos serviços IPTV[72] as provedoras dos serviços vem enfrentando grandes desafios para a implantação de uma arquitetura centralizada com recursos inteligentes, além da necessidade de suporte às novas funcionalidades que o serviço IPTV[72] oferta, o desafio mais presente é garantir escabilidade as redes. Com base no uso de elevados fluxos de trafego dos usuários da tecnologia, surgiu o conceito de rede de agregação, garantindo as funcionalidades que requisitam de dezenas a centenas de Kbps. O conceito se diferencia ao comparado com o B-RAS[12] que só permite o suporte a uma quantidade inferior ao fluxo de tráfego, como, por exemplo, os mecanismos multicast, que requerem quantidades elevadas de bandas. As figuras 26.2.2.1 e 26.2.2.2 apresentam os mecanismos multicast e unicast, além das comparações e metodologias de trabalho:

 Figura 100 -Modelo de distribuição Multicast

Figura 26.2.2.1 – Modelo de distribuição multicast
 Fonte: adaptado de Andrews Tanembaum

 

 Figura 100 -Modelo de distribuição Unicast

Figura 26.2.2.2 – Modelo de distribuição unicast
 Fonte: adaptado de Andrews Tanembaum

A arquitetura de borda do serviço IPTV[72] está em processos de evolução, onde há necessidades sobre a continuidade da inteligência centralizada e adoção de um modelo híbrido dependentemente de cada serviço. Torna-se possível realizar a implementação na rede de agregação tanto em camada (layer 2 – enlace), quanto camada (layer 3 – rede), mesmo sem o uso das decisões associada à centralização ou não de inteligência, através das cominações das tecnologias IP / MPLS[92] / Ethernet. Na rede de agregação definimos o uso de (VLAN[170]). O uso de VLAN[170]  é utilizado para segmentar e mapear os diversos assinantes, definindo através de grupos de VLAN[170]  os domínios domésticos, possibilitando a aplicação das políticas de QOS[123] e QOE[122]. Definimos dois (2) modelos de VLAN[170] , de acordo com a definição do Fórum DSL[9], na qual definem: mapeamento por assinante (1:1) ou por serviço (1:N).

26.2.3 REDE DE ACESSO

O objetivo das redes de acesso é atender os requisitos que os serviços de vídeos exigem, na qual necessitam da infra-estrutura das larguras de bandas, provida pelos provedores de última milha. A tabela 26.2.3 apresenta comparações de broadband necessária variando com os pacotes de serviços oferecidos, considerando às taxas de compressão e codificação.

  Largura de banda necessária (Mbps)*
Pacotes de serviços MPEG-2 MPEG-4 AVC
Internet @ 1Mbps + 1 SDTV  3,8* 3,0*
Internet @ 1Mbps + 2 SDTV  6,5* 5,0*
Internet @ 1Mbps + 1HDTV + 1 SDTV 17,0* 11,2*
Internet @ 1Mbps + 1 HDTV + 2 SDTV 19,7* 13,2*
Internet @ 1Mbps + 2HDTV + 2 SDTV 32,9* 21,5*
* largura de banda necessária, já com desconto do cabeçalho e protocolos de rede

Tabela 26.2.3 – Comparações de uso de banda dos diversos tipos de pacotes de serviços oferecido.
 Fonte: adaptado de IP.TV.com        

As redes de acessos dos provedores de última milha foram construídas, arquitetadas utilizando os pares metálicos. A principal função do acesso é interligar os pontos concentradores Nó de acesso concentrador (CAN[15]) aos distribuidores gerais e aos domínios domésticos (residência do assinante), entre as topologias que interligam os nós de acesso das centrais a residência dos clientes, podem existir diversos pontos de flexibilidade. As supracitadas redes são dividas em duas partes: Primária e Secundária. O cabeamento que interliga as redes primárias das redes secundárias é distribuído pelo armário de distribuição. A figura 26.2.3 ilustra a topologia da rede de acesso do distribuidor geral ao domínio doméstico (residência):

 Figura 100 - Topologia rede de acesso. 

Tabela 26.2.3.1 – Formato de topologia da rede de acesso.
Fonte: adaptado de Cisco System

As redes de banda largas construídas para atender os requisitos de demanda dos usuários, utilizam à tecnologia (DSL[11]), e suas versões de atualizações e adaptações. O padrão mais comumente utilizado é o (ADSL[11]), na qual realizam o transporte dos sinais de banda larga, sem uso de sincronismo, sendo totalmente assíncrono, análogo à tecnologia ATM[10], porém sem o conceito de transmissão por células. Com o objetivo de concentrar diversos acessos xDSL foram implantados sistemas de multiplexação DSL[11], denominados com (DSLAM[11]). Os multiplexadores têm à função de agregar diversas conexões (acesso) multiplexando em apenas um meio de transmissão, entregando o tráfego a rede de agregação. Geralmente os equipamentos multiplexadores DSL[11] ficam instalados nos (CAN[15] – Prédio central) dos provedores de serviços, porém a sua instalação pode estar concentrada próximo ao site do cliente, na qual conhecemos como (POP). A tecnologia DSLAM[27] se fundiu dos mesmos mecanismos que atendem às tecnologias ATM[10], na qual os DSLAMs[27] podem oferecer interfaces de uplink Ethernet IP, utilizando interfaces Fast (100 Mbti/s) ou Giga (1000 Mbti/s) Ethernet, suportando os altíssimos tráfegos nas redes de acesso e transmissão.

A tecnologia xDSL passa constantemente por evoluções, nas quais apresentemos as tecnologias: Assymetric DSL 2+ (ADSL[11] 2+) e Very-high-bit-rate Digital DSL 2 (VDSL2). Em termos de comparação a tecnologia VDSL2 leva vantagens no quesito desempenho, apenas para pequenas distâncias, para longo alcance às tecnologias supracitadas são equivalentes. Alguns métodos são utilizados para a garantia de maior largura de banda para o assinante, na qual utilizamos dois pares ADSL2+[11]. Apresentamos na tabela 26.2.3.2 às tecnologias xDSL[11] e o débitos oferecidos (Mbps):

Tecnologia DSL Débito máximo de downstream Débito máximo de upstream
ADSL 8.0 1.0
ADSL2 12.0 3.5
ADSL2+ 24.0 3.5
VDSL 52.0 12.0
VDSL2 100.0 100.0
     

Tabela 26.2.3.1 – Tecnologias xDSL e os débitos de taxas oferecidos (Mbps)
Fonte: adaptado de Cisco System

Apresentamos na figura 26.2.3.2 à evolução das topologias de rede de acesso e transmissão. As topologias de redes de acessos dos provedores de última milha estão cada vez mais próximos dos domínios domésticos (residência) dos assinantes, com a aproximação dos cordões óticos, torna-se possível à oferta de serviços de broadband[10] cada vez maiores. Além do uso de fibra, é possível, e é a grande maioria dos cenários dos provedores de acesso o uso dos fios de cobres até a residência dos clientes, utilizando às tecnologias xDSL[11] (ADSL[11], ADSL2+[11] e VDSL2[11]) conforme descritas. Detalhamos ás variações que empregam o uso das fibras ópticas:

  • Fiber to the Node / Exchange (FTTN / Exchange): são meios de cordões ópticos utilizados até os CAN, tipicamente utilizados nas centrais dos provedores de acesso. Este modelo de acesso composto por fibras ópticas são utilizados onde demandam maiores concentrações de assinantes, geralmente nas regiões metropolitanas.
  • Fiber to the Cabinet (FTTCab): os cordões ópticos atendem o enlace de acesso até os armários de distribuição.
  • Fiber to the Curb (FTTCurb): os cordões ópticos atendem o enlace de acesso até os pontos de presença POP, concentrando-se mais próximos dos domínios domésticos (residência dos assinantes), como por exemplo as caixas de distribuição.
  • Fiber to the Home / Building (FTTH / FTTB): quando todo enlace de acesso é constituído por fibra óptica, desde o núcleo da rede dos provedores de acesso até o domínio doméstico (residência do assinante).

 Figura 100 - Topologia da rede de acesso

Figura 26.2.3.2 – Topologia da rede de acesso
 fonte: adaptado de Cisco System

Na topologia da rede de acesso, são possíveis o uso de duas modalidades de tecnologia para implementação, utilizando fibra óptica: tecnologia óptica ativa (Ethernet) e rede ótica passiva (PON[112]).  As redes PON[112] não utilizam equipamentos eletrônicos ativos para interconexão na rede de transmissão. As redes PON[112] utilizam dois tipos de dispositivos: nó central, denominados como (OLT[103]), na qual sua principal função é a interligação da rede PON com a rede de agregação; e dispositivos utilizados pelos assinantes conhecidos como (ONT[104] ou ONU[106]). Na rede constituída por enlace óptico, também são utilizados conjuntos de splitters na qual compõem a rede, denominados como rede de distribuição óptica (ODN[96]). No contexto geral as interligações dos nós que interconecta a topologia de acesso, com o uso de fibras ópticas são segmentadas e construídas utilizando às tecnologias OLT[103] e ONT/ONU[103] [106], além da ODN, que também podem ser utilizadas como referência aos dispositivos dos nós de acesso, e linhas terminais dos assinantes, com suporte a rede ethernet. A seguir detalhamos as topologias que  interconectam o nó de acesso com redes baseadas no uso de fibra óptica.

  • Rede PON: as redes PON[112] utilizam os splitters passivos para divisão dos sinais que seguem em sentido do domínio doméstico (residência do assinante), há uma determinada taxa de compartilhamento 1:N, portanto às redes PON, fazem o compartilhamento de fibra nas redes primárias.

 

  • Ethernet estrela ativa: a tecnologia é análoga à rede PON[112], porém os splitters são substituídos por elementos ativos na rede, como por exemplo: os switches. A tecnologia também compartilha a fibra na rede primária, criando anéis ópticos protegidos, usando a mesma taxa da rede PON[112] 1:N.

 

  • Ethernet ponto-a-ponto: a tecnologia não fornece compartilhamento das fibras entre os assinantes.

 

A figura 26.2.2.3 apresenta às supracitadas redes:

 Figura 100 - Topologia da rede de acesso FTTH

Figura 26.2.3.3 – Topologia da rede de acesso FTTH
Fonte: adaptado de Cisco System

Existem diversos padrões tecnológicos de redes PON[112], em escala hierárquica a tecnologia BPON utilizava como base à tecnologia de transmissão assíncrona ATM[10], o padrão foi criado pelo ITU-T. O sucessor do BPON[112] foi à tecnologia GPON[53], que possuem suporte às tecnologias ethernet e ATM[10]. O padrão EPON[41]  também denominado como GEPON[53] é baseado somente para ethernet, na qual fornece suporte pelo IEEE[11]. A evolução EPON[41]  foi seguindo o conceito através do modo de transmissão: multiplexação por divisão de comprimento de onda denominado, como DWDM[23] . A tabela 26.2.3.2 apresenta os diversos padrões tecnológicos das tecnologias de rede óptica passiva PON[112]:

  BPON GPON EPON
       
Largura de banda upstream/downstream 155/622 Mbps 1,25/2,5 Gbps 1,25/1,25 Gbps
Largura de banda (1:32) 16Mbps 69 Mbps 30 Mbps
Alcance 20 Km 20 Km 10 Km
Protocolo nativo ATM[10] GEM Ethernet
Órgãos de padronização ITU-T ITU-T IEEE
Data da padronização 1994 2003 2004

Tabela 26.2.3.2 Padrões de evolução tecnológica das redes PON
 Fonte: adaptado de Cisco System

Os projetos de redes de transmissão determinam de acordo com as premissas, quais serão as larguras de bandas que serão disponibilizadas aos domínios domésticos (residência dos assinantes).

Vale notar também o aparecimento da tecnologia de nova categoria de acesso multifuncional, denominado como MSAP. A plataforma possui multisserviços que variam desde redes banda largas até funcionalidades para tráfego de voz, utilizando de tecnologias xDSL até as mais complexas redes PON.

26.3 VISÃO DA CISCO PARA ARQUITETURAS DO SERVIÇO IPTV[72]

Apresentamos a visão de uma das mais renomadas empresas de soluções e sistemas para tecnologias que utilizam como base á rede de transmissão e ALL-IP. À Cisco System oferta equipamento e dispositivos completos para suporte ao serviço IPTV[72].

À Cisco System segmentou a arquitetura do sistema IPTV[72] em três (3) domínios na qual representamos na figura 26.3:

Figura 100 - Arquitetura completa do sistema IPTV

Figura 26.3 – Arquitetura completa da Cisco System sobre a solução IPTV[72]
Fonte: Cisco System

Os domínios estão divididos em: definição, preservação e realização, na qual detalhamos:

  • Definição: no domínio realizamos a solicitação do vídeo, processamento dos vídeos requisitados, gerenciamento dos conteúdos e direitos autorais controlado pelo DRM[25] /CAS, servidores de vídeo sob demanda, servidores de middleware denominado como sistema operacional do serviço IPTV[72] e dispositivos de agregação para distribuição na rede.

 

  • Preservação: apresentamos no domínio todos os elementos responsáveis pela entrega dos conteúdos até as residências dos clientes, na qual incluímos os VSO[169], nós de acessos concentradores CAN e dispositivos de multiplexação da tecnologia xDSL.

 

  • Realização: o domínio especifica os dispositivos conectados nos domínios domésticos (residência dos assinantes) necessários para uso do serviço IPTV[72], necessariamente os sinais precisam de um conversor na qual à Cisco System, recomenda os set-top-box.

Ilustramos na figura 26.3.1 à topologia geral de um sistema IPTV[72]:

Figura 100 - Topologia geral de acesso IPTV

Figura 26.3.1 – Topologia completa da tecnologia IPTV
Fonte: Criação própria.

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