O artigo analisa a qualidade de vídeo (QoE - Quality of Experience) em função das características de perda de pacotes, taxa de erro e jitter, coletadas em uma arquitetura de redeIPTV com acesso ADSL2 e no limite de operação em relação à distância, conforme os valores recomendados pela norma WT-126. Com o resultado, é possível monitorar a infraestrutura IPTV de forma eficiente, gerando traps sempre que as métricas ultrapassarem os valores delineados

Duque, Luciano Henrique

Repositório Institucional do UniCEUB

ACESSO60 – RTI – OUT 2011O artigo analisa aqualidade de vídeo(QoE - Quality ofExperience) em funçãodas características deperda de pacotes, taxade erro e jitter,coletadas em umaarquitetura de redeIPTV com acessoADSL2  e no limite deoperação em relação àdistância, conforme osvalores recomendadospela norma WT-126.Com o resultado, épossível monitorar ainfraestrutura IPTV deforma eficiente,gerando traps sempreque as métricasultrapassarem osvalores delineados.Qualidade de vídeoem uma arquiteturaIPTVLuciano Henrique Duque, engenheiro e mestre do UniCEUB - CentroUniversitário de Brasília, na engenharia da computaçãoO IPTV transmite sinais de   multimídia, como áudio,vídeo, textos e gráficos, transportadosem uma rede IP dedicada, comgarantias de qualidade,confiabilidade e segurança.  Nessecontexto, torna-se viável assegurar aqualidade de vídeo, garantindo umacaracterística no mínimo igual aosserviços existentes de TV.O fator que determina aqualidade do vídeo é chamado deQoE - Quality of Expereince. Aferi-lo em uma rede IPTV é uma tarefacomplexa, porém, essencial para ocontrole e monitoramento da rede.Converter perda de pacote, jitter etaxa de erro em medida dequalidade de vídeo é de sumaimportância para a rede IPTV, poisa coleta desses parâmetros é umatarefa simples. O modelo deaferição de QoE numa rede IPTV éo rPSNR, associado a uma medidasubjetiva de vídeo (MOS-V). Elevisa converter perda de pacote IP ejitter em qualidade de vídeo,partindo de um limite inicialdefinido pela recomendação danorma WT-126.Arquitetura IPTVA figura 1 mostra os elementosque compõe uma arquitetura derede IPTV, baseada em tecnologiaADSL2.HeadendRepresenta a extremidadeprincipal de vídeo, ou seja, pontono qual se encontra o conteúdototal de vídeo (filmes, programas,etc.), em conexões com operadorasde TV convencionais para atransmissão de programas ao vivo.O headend possui várioscomponentes que podem variar derede para rede, incluindo fontes devídeo analógico e digital,provedores de conteúdo,codificadores/decodificadores etranscodificadores para adaptar astaxas de streaming, switches,servidores para softwares de vídeo ede aplicação e servidores degerência. No headend o vídeo serácodificado em MPEG-4/H.264,com qualidade SD - StandardDefinition a uma taxa detransmissão de 2 Mbit/s. O sinal devídeo é  processado com qualidade,sendo entregue ao backbone IP,onde todo o sinal é encapsuladopor meio do protocolo IP edistribuído aos usuários.Rede de núcleo IPSão redes preparadas para atransmissão de vídeo, garantindo aQoS - Quality of Service,  quereflete na QoE aceitável pelousuário. Sua qualidade écomparável a das TVs a cabo ou viasatélite, podendo ser superior. Em61 – RTI – OUT 2011termos gerais, o núcleo IP é umarede, cuja estrutura física é baseadaem fibra ótica ou redes de transporte,como DWDM. Ela agrupa os canaiscodificados de vídeo,transportando-os sobre a redeIP do provedor de serviço(backbone IP da operadora). Oprotocolo de transporte para osinal de vídeo na arquiteturaem análise é o UDP. O núcleodeve ser dotado deimplementações de QoS, quepossam garantir jitter, atraso e,principalmente, a perda de pacotesem limites aceitáveis, resultando emuma qualidade de vídeo satisfatóriapara o usuário final.Rede de acessoA rede de acesso faz parte daarquitetura de umainfraestrutura de  IPTV,representando a conexãoentre o fornecedor deserviço e a casa dousuário, ou seja, “a últimamilha”. A conexão dousuário pode ser realizada por meiode uma variedade de tecnologias deacesso - as operadoras  vêmutilizando a tecnologia DSL. ODSLAM conecta os usuários atravésdo par telefônico e sua saída pode serATM ou Gigabit Ethernet,dependendo da tecnologiaempregada, em nossa análiseutilizamos a Gigabit Ethernet. ODSLAM concentra os usuários epossui conectividade com o BRAS -Broadband Remote Acess, que tem afunção de fornecer o endereço IP aousuário IPTV. Ele também  tem oendereço IP dos servidores deautenticação e redireciona suaautenticação a esses servidores,fazendo conexão com o núcleo IP,para que o usuário busque seuconteúdo de vídeo no headend.Ambiente do usuárioO modem ADSL2 permitevelocidade de até 12 Mbit/s, emdownstream, e 1 Mbit/s, emupstream, preservando o canal de voz.O set-top box é o elemento terminalde usuário que converte os streamspara a saída composta de vídeo ouqualquer outra, de acordo com opadrão do aparelho de TV do usuário.Valores recomendadospela WT-126 para aarquitetura em análiseO DSL Fórum recomenda valoresde perda de pacotes, jitter, delay, etc.,segundo a qualidade de vídeo que sedeseja imprimir. A análise nesteartigo será realizada para umaqualidade de vídeo em SDTV -Standard definition, utilizada pelaOi. A tabela I representa esses valoresrecomendados pela WT-126 e queserão utilizados, num primeiromomento, como valores-limite.Obviamente, iremos observar ocomportamento da qualidade dovídeo e determinar os valoresmáximos de perda de pacotese jitter, onde o QoE aindapossa ser atendido, segundo asexpectativas do usuário.Modelo de RPSNREsse modelo define de formarelativa a qualidade do vídeoem função da perda de pacotes e taxade erro. O sinal de vídeo compactadoem MPEG-4/H.264 no headend éformado por quadros I, P e B. Afigura 2 ilustra esses quadros.Os quadros I não são dependentesdos quadros P e B, ao seremdecodificados, mas são necessáriospara decodificação dos Pe B. O quadro Irepresenta uma imagemcompleta, codificadaindividualmente. Osquadros P são necessáriospara decodificação dosquadros B e baseados em previsãoantecipada. Os quadros P sãocodificados com predição relativa aoúltimo quadro P. O quadro B é adiferença entre o último e o próximoFig. 1 – Componentes da arquitetura IPTVFig. 2 – Formação dos quadros MPEGFig. 3 – Sequência de vídeoTab. I – Métricas de QoE, segundo a recomendação WT-126Vídeo stream bandade Latência (ms) Jitter ( ms) Perda de período Perda de distância Perda detransmissão (Mbit/s) (pacote IP) (evento errado pacote IP (E-6)a cada 30 min.)1,75 < 200 < 50 1 1 3,32 < 200 < 50 1 1 2,92,5 < 200 < 50 1 1 2,33 < 200 < 50 1 1 1,662 – RTI – OUT 2011ACESSOquadro P. Portanto, uma perda depacote IP poderá provocar a perda deum frame I .Nesse caso, não serápossível decodificar os quadros quechegam antes do próximo I.Em relação às métricas dequalidade de vídeo, avaliaremos oMSE e o PSNR. O primeirorepresenta o erro quadrático médioentre uma imagem transmitida e umaimagem recebida.O PSNR - Peak Signal to NoiseRatio representa a relação sinal/ruídoMSE - Mean Square Error. Quantomais próxima à imagem transmitidaestiver da recebida, maior será oPSNR. A equação a seguir mostra oPSNR:[1]Ela representa o número de bits poramostra da imagem, esse valorgeralmente é de 8 bits. O MSE é adiferença da imagem transmitida pelaimagem recebida pelo usuário,conforme:[2]Onde y (y <1) representa o fator deatenuação do decodificador do set-top box e o i-ésimo frame. Assim,para um instante (T-1) de codificaçãoda imagem, os frames são codificadosem P-frames, entre dois frames I-frames. A figura 4  ilustra a sequênciade vídeo.Vamos modelar o MSE, onde xsimboliza o número de frames noponto onde ocorreu a perda originalaté o próximo frame I, representandouma variávelaleatória, comdistribuiçãouniforme de[0,T-1] . Afigura 5 ilustraa variável x.Podemosescrever o erroquadráticomédio da seguintemaneira:Fig. 4 – Codificação dos framesFig. 5 – Representação da variável xFig. 6 Pacotes transmitidos entre dois eventos de perdaAqui uij e u’ij representam os pixelsda imagem original e reconstruída,respectivamente.Se ocorrer um erro em um frame kda sequência, indicado na figura 3, oerro tem o poder de propagar para oframe (k+i), representado por  o2s.Logo podemos aproximar o erroquadrático médio da seguinte forma:[3]64 – RTI – OUT 2011ACESSOnúmero de pacotes transmitidos entredois eventos consecutivos com perda,ou seja, a distância onde ocorreu aperda (figura 6).Denotamos Pn a probabilidade determos n pacotes consecutivosperdidos. Já Pm representa aprobabilidade de dois eventosconsecutivos, separados por  pacotes.Considerando m e n  variáveisindependes, podemos determinar oMSE do IPTV reconstruído daseguinte forma:Fig. 7 – Arquitetura IPTV em medidaTab. III – Valores recomendados pela WT-126Vídeo stream bandade Jitter (ms) Perda de período Perda de distância Perda de pacote IPtransmissão (Mbit/s)2 <  50 1 pacote IP 1 evento errado a cada 30min 2,9 E-6Tab. II – Tabela MOS-VNota MOS-V Qualidade do MOS Grau deficiência da imagem5 Excelente Imperceptível4 Boa Perceptível, mas não incômodo3 Apropriado Pouco incômodo2 Pobre Incômodo1 Ruim Muito incômodo [4]Supondo que a distorção inicial écausada pela perda de uma fatia(pedaço) do frame, representado poruma constante (1 2s), logo o MSE émodelado da seguinte forma:[5]Podemos afirmar que ¼ éfunção da atenuação e do tempoT. O valor de MSE representa oerro quadrático médio  para aperda de uma única fatia dopacote. Como o erro propagadurante a transmissão, poderáexistir mais de uma fatiaperdida no pacote.Quando tivermos uma perdade n  pacotes consecutivos,sendo n Ã1, teremos umaquantidade f (n) de fatiasperdidas do pacote, que faz omapeamento de perdas depacotes para perdas de fatia noquadro. Logo f (n)  irá dependerdo tipo de codificação, vistoque estaremos trabalhando coma codificação MPEG-4. Vamosassumir s fatias por pacote e Lpacotes por frame,considerando a perda umadistribuição uniforme de 1pacote até L pacotes por frame.Assim, o MPEG-4 é:[6]Vamos modelar a distorçãoquadrática (MSE) para mais deuma fatia perdida por frame.Assim, o erro quadrático médiopode ser escrito como:[7]Estamos à procura de um modelosimples, onde medimos a perda depacotes e convertemos em qualidadede vídeo. Definiremos m como[8]A equação é equivalente a:[9]Pe representa a probabilidade deocorrer um evento de perda dentro deum stream de vídeo.  Pe e f (n)são em função dascaracterísticas do processo deperda visto no stream de vídeo,específico do codec utilizado.Por exemplo, se L é tipicamentegrande, quando o vídeo écodificado em uma taxa elevada,ao substituir o valor de MSE daequação [9], teremos:Assim, computamos aqualidade de vídeo QoE em umtrajeto da rede IPTV, usando arelação sinal ruído de pico:Porém, o valor estimado dePSNR requer não somente asestatísticas de perda na rede,mas também o conhecimentodas características da aplicação.Contudo, o modelo queprocuramos deverá dependerapenas de coletas dascaracterísticas da rede IPTV.Para tanto, vamos estimar amétrica de um PSNR relativo,sem estimar o valor de D1. Noprimeiro momento devemosdefinir para a equação [9] arede IPTV, as característicasmínimas de perdas de pacotes66 – RTI – OUT 2011ACESSOe a probabilidade de erro paraoperação. Isto é, fazer n = no e Pe =P0e, baseados tipicamente em algumlimite mais baixo da qualidade darede IPTV, serem entregues aousuário. Nesse caso, a qualidaderelativa no trajeto IPTV é definidacomo a diferença do PSNR real e doPSNR alvo (PSNR transmitido dentroda rede IPTV). Logo, o rPSNR medea distância que estamos da qualidadede vídeo esperada da rede.Escrevemos o rPSNR da seguinteforma:[12]Aplicando a equação [9] na [12],sendo D1 o mesmo, obtemos orPSNR final: [13]A equação [13] mostra que aqualidade de vídeo relativa pode serestimada somente os valores de O,n•L, Pe0 e P’e, sendo n0 e P0evalores definidos pela WT-126. Esseé o modelo que será utilizado aQoE em uma rede IPTV. Nassimulações do trajeto da rede IPTVvamos utilizar o modelo de Gilbert[1], estimando a probabilidade deerro e perda de pacotes.Medidas realizadas naarquitetura IPTVAs medidas foram realizadas natopologia mostrada na figura 7, nasseguintes condições:• Vídeo compactado em MPEG-4/H.264.• Tráfego de vídeo em CBR.• Qualidade de definição para ovídeo em SD.• Tráfego do vídeo em unicast.• Taxa de compactação do vídeo 2,2 Mbi/s.• Rede de acesso ADSL2.• Distância do acesso ADSL2 até oheadend de 4 km.O equipamento é inserido entre omodem ADSL2 e o set top-box deforma serial. Ao se requisitar umfilme, o software captura o streamingde vídeo, analisando a perda depacotes e seu jitter. A ferramentaainda permite capturar pedaços devídeo de até 90 Mb, que foiconfigurado para capturar sempre queocorrer perda de pacotes IP. O vídeomedido teve uma duraçãoaproximada de 45 minutos, períodoem que a análisefoi realizada. Asmedidas de jitter(DF- DelayFactor) e perdade pacotes(MLR - MidiaLoss Rate) [2]são mostradasna figura 8.Em 45minutos, a perdamédia depacotes foi de 3e o jitter médiode 87,5 ms. Osinal de vídeoobservado foicapturado pelaferramentaiVMS [3] esalvo em umarquivo formatowinpcap, paraanálise noEthereal. Emfunção das taxasde perda depacotes e detransmissão IPdeterminamos ataxa de erro.Com otamanho médiodo pacote de vídeo definido pelaiVMS é possível determinar a taxa deerro no acesso ADSL2.A perda de pacotes ocorrida noperíodo de 30 minutos é a soma detodos os erros ocorridos, conforme afigura 9. O erro total é de 17 pacotesde mídia, assim a taxa de erro écalculada:Fig. 8 – Medida de DF- delay factor (a), medida deMLR - perda de pacotes (b) e taxa de transmissão IPmedida no acesso (c)Fig. 9 – Notas do grupo entrevistado68 – RTI – OUT 2011ACESSOObserva-se que o rPSNR obtidofoi negativo. Assim, o o QoE não éatendido segundo o valorrecomendado pela WT-126. O jittermédio medido foi de 87,5ms,conforme a figura 8. O vídeoanalisado teve valores que nãoatenderam ao recomendado pelaWT-126, quanto à perda depacotes, jitter e taxa de erro. Logo,o vídeo não atenderá aos requisitosde QoE para o usuário. Porém, ovídeo foi capturado e submetido auma avaliação de um grupo de 72pessoas, que deram notas, deacordo com a tabela II.O grupo entrevistado tem oseguinte perfil• Idade entre 18 e 40 anos.• Estudantes de nível superior.• Acesso à Internet.• Conhecimento de serviços de TVpor assinatura.O resultado da pesquisa éapresentado na figura 9. As colunasrepresentam as notas dadas pelosentrevistados e a linha vermelha acurva de tendência de notas paraessa perda de pacotes. A notamédia na observação desse vídeofoi de 3,4, representando umaqualidade entre apropriado e boapara a maioria dos usuários. Afigura  10 mostra as estatísticas.Pela recomendação do WT-126, oFig. 10 – Nota aplicada em função da porcentagem de entrevistadosTab. IV – Valores delineados para a arquitetura analisadaVídeo stream bandade Jitter (ms) Perda de período Perda de distância Perda de pacote IPtransmissão (Mbit/s)2 <  87,5 2,43 pacotes IP 17 evento errado a cada 30min 6,7 4E-6[13][14]Logo, podemos aplicar os valoresmedidos no modelo de rPSNR.Onde o valor esperado será orecomendado pela WT-126: n=1 ePe=2,9E-6,  conforme mostra a tabela I.69 – RTI – OUT 2011jitter, a taxa de erro e a perda depacotes não atenderam aosrequisitos de QoE. Porém, pelapesquisa MOS-V, o vídeo cumpriuos requisitos de QoE  para amaioria dos usuários entrevistados.Logo, foi delineado novos valoresde perda, jitter e taxa de erro, comoos limites máximos para aarquitetura de rede analisada,permitindo o atendimento mínimoaos requisitos de QoE. As tabelasIII e IV, respectivamente,apresentam os valoresrecomendados pela WT-126 e osdelineados para a arquitetura IPTVanalisada.Na realidade, é necessário atenderuma qualidade máxima na redeIPTV, com erros nulos. Em setratando de redes de acesso ADSL2,cujo canal é o par metálico, éprovável que se conviva com erros.Portanto, delinear os erros máximospara garantir uma qualidademínima aceitável é de sumaimportância para o planejamento dacobertura do serviço IPTV.ConclusõesNeste artigo analisamos aqualidade de vídeo em função dascaracterísticas de perda de pacotes,taxa de erro e jitter, coletadas emuma arquitetura de rede IPTV comacesso ADSL2 e no limite deoperação em relação a distância. Osresultados de perda de pacotes foramaplicados no modelo rPSNR,traduzindo as perdas em qualidadede vídeo, associado ao jitter e a taxade erro. Com os resultados épossível delinear as métricasmáximas para a arquiteturaanalisada, possibilitando umplanejamento da rede para acobertura do serviço. Com isso serápossível gerenciar a arquitetura deuma rede IPTV de forma eficiente,[1] Documentação interna: Sistemade Distribuição de Conteúdo, SDC/IPTV,SEP-300724/2005-0100002135, Oi.[2] Request for comments 4445(2006): A Proposed Media DeliveryIndex    (MDI). IneoQuest & CiscoSystems.[3] Software free Ethereal: http://www.ethereal.com/download.html.REFERÊNCIASgerando traps sempre que as métricasultrapassarem os valores delineados.Apesar de os valores atenderemao grupo de usuários analisados, oobjetivo, sempre que possível, éuma rede com perdas de pacotes ejitter estabelecidos pela WT-126.O artigo permite traçar em umarede IPTV o perfil de qualidade eas áreas que podem ser atendidaspelo serviço.

Qualidade de vídeo em uma arquitetura IPTV

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