Contribución y Distribución de video/ audio Broadcast ... · redes IP, ASI y PDH y Multiplexores...

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Contribución y Distribución de video/ audio Broadcast sobre

red IP

México -Marzo 2012

Agenda

• Introducción SAPEC

• Transporte de video y audio – Contribución y Distribución

– Compresión

• RED IP para tráfico de video

• Transporte de video sobre red IP

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Introducción SAPEC

Introducción SAPECIntroducción SAPECIntroducción SAPECIntroducción SAPECIntroducción SAPECIntroducción SAPECIntroducción SAPECIntroducción SAPEC

• S S S S ociedad A A A A nónima de P P P P roductos E E E E lectrónicos y C C C C omunicaciones.

• Empresa de capital español fundada en 1.976.

• Diseño, fabricación, e integración de sistemas de video y audio profesionales.

• Primera y única empresa española que ha diseñado un equipo de compresión MPEG2 y MPEG-4 HD/SD de video profesional.

• Sapec se ha especializado en soluciones para transmisión de video y audio.

• Posee una completa gama de soluciones tanto para redes de CONTRIBUCION como DISTRIBUCION.

Nuestro objetivo es proporcionar soluciones avanzadas para la transmisiones de señales audiovisuales.

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EstrategiaEstrategiaEstrategiaEstrategiaEstrategiaEstrategiaEstrategiaEstrategia

• Desde 2.000 la estrategia de Sapec se basa en una fuerte inversión en I+D para el desarrollo de nuevos productos, utilizando las ultimas tecnologías para la

TRANSMISION DEL AUDIO Y EL VÍDEO COMPRIMIDOS.TRANSMISION DEL AUDIO Y EL VÍDEO COMPRIMIDOS.TRANSMISION DEL AUDIO Y EL VÍDEO COMPRIMIDOS.TRANSMISION DEL AUDIO Y EL VÍDEO COMPRIMIDOS.

• Soluciones para:

• Contribuciones de video por PDH, IP, y Fibra Óptica.

• Cabeceras DVB-T, DVB-S, DVB-H.

• Soporte de Ingeniería, Integración y Puesta en Marcha, Postventa.

• Presencia en el mercado nacional.

• Presencia en el mercado internacional (México, Ecuador, Perú, Brasil, Colombia, Chile, Argentina..) .

Nuestros ProductosNuestros ProductosNuestros ProductosNuestros ProductosNuestros ProductosNuestros ProductosNuestros ProductosNuestros Productos

� Familia Codificadores-Decodificadores multiformato MPEG4 HD/SD perfil Hi422P y HP@ L4.1 y/o MPEG 2 HD/SD sobre redes IP y ASI

� Familia Codificadores-Decodificadores H.264 SD y MPEG2 HD/SD sobre redes IP y ASI.

� Codificadores MPEG2 SD sobre redes IP, ASI y PDH y Multiplexores de TS de 8 entradas ASI y 2 salidas ASI.

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Transporte de vídeo y audio

Contribución y distribución y medios de transporte

Transporte de vídeo

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Contribución

• Transmisión de contenidos a centro de producción

• Alta calidad:– Requiere edición posterior– Múltiples saltos de Codificación-Decodificación sin

pérdida apreciable de calidad• Compresión baja o nula

– MPEG-2 4:2:2: SD � > 12 Mbps, HD � >45 Mbps– H264 4:2:2: SD � >6 Mbps, HD � >22 Mbps– JPEG2000 SD � > 30 Mbps HD � >100 Mbps– SDI /HDSDI sin comprimir sobre fibra óptica o coaxial

• Bajo retardo– Recomendación: Retardo extremo-extremo < 800

msg

Distribución

• Contenido ya finalizado. No se requiere nuevos pasos de codificación

• Calidad estándar

• Compresión alta– MPEG-2 4:2:0: SD � > 3 Mbps, HD � >15 Mbps

– H264 4:2:0: SD � >1.5 Mbps, HD � >6 Mbps

• Retardo Medio – Alto– Actualmente retardos entre 0.5 y 6 sg.

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Transporte de vídeo y audio

Compresión

Compresión de vídeo

• Uso eficiente del ancho de banda

• Sistema de multiplexado MPEG-2 TS

• Tecnologías de compresión– MPEG-2– H264– JPEG2000

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Compresión MPEG-2

• Estándar muy maduro

• Conceptos principales:– Bloques de 8x8

– Codificación híbrida:• Transformada Discreta del Coseno (DCT)

• Cuantificación

– Vectores de movimiento en GOP (Group of Pictures)• Imágenes I (intra): referencia

• Imágenes P (predictive): diferencia respecto a imagen anterior

• Imágenes B (bidirectional): respecto a imágenes anterior y siguiente

– Codificación entrópica fija (tabla Huffman)

• Compresión alta y bajo retardo (estructura de GOP)

Compresión H.264

• ISO MPEG-4 Parte 10 – ITU H.264

• Inicialmente orientado a bajos bitrates

• Alta compresión y retardo medio (GOP típico de 48)

• Filtro de deblocking

• Codificación entrópica adaptativa (CABAC y CAVLC)

• Recomendación BT.1737 para contribución HD:ITU-R BT.709 Level Profile Application Bit rate

1 920 × 1 080 × 60/50i1 920 × 1 080 × 24/25/30p

4 High 4:2:2 Contribution 20-30 Mbit/s*

4 High 4:2:2 Distribution 16-20 Mbit/s

4 High 10 SNG 10-15 Mbit/s*

4 High Emission 6-12 Mbit/s

1 920 × 1 080 × 60/50p

4.2 High 4:2:2 Contribution 30-40 Mbit/s*

4.2 High 4:2:2 Distribution 25-30 Mbit/s*

4.2 High 10 SNG TBD

4.2 High Emission TBD

* Bit rate indicated is tentative.

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Compresión JPEG2000

• Basado en wavelet, en lugar de DCT

• Comprime cuadro a cuadro– Bajo retardo

– Baja compresión (HD: 50 – 600 Mbps)

• No introduce “blocking”

Eficiencia

SD (Mbps)SD (Mbps)SD (Mbps)SD (Mbps) HD (Mbps)HD (Mbps)HD (Mbps)HD (Mbps) 3G (Mbps)3G (Mbps)3G (Mbps)3G (Mbps)

Sin comprimir 270 1.485 2.970

MPEG-2 4:2:2 1,5 – 50 (12) 25 – 80 (45) …

MPEG-2 4:2:0 1 – 15 (3) 15 – 80 (15) …

H.264 4:2:2 (6) (22)

H.264 4:2:0 0,1 – 4 (1.5) 4 – 25 (6) …

IP

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Red IP para tráfico de video

Redes IP

• Más robustas a fallos de segmento que las redes síncronas (SDH- ATM, ASI, fibra)

• � Re-encaminamientos

• Medio compartido

• Convergencia de datos, multimedia y gestión

• Contenido en tiempo real:– Recuperación de sincronización más compleja– Paquetización introduce jitter– Recursos no reservados (congestión)– Es necesario definir Calidad de Servicio

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Tráfico multimedia

• Ancho de banda mucho mayor que el trafico tradicional de datos

� reserva de recursos

• Tiempo real

� asignación de prioridades

� no permite volver a transmitir, FEC

• Requiere control de flujo (el tráfico de datos se produce a ráfagas)

� marcas de tiempo y secuencia

QoS: Métrica de las Redes IP

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QoS: Métrica de las Redes

QoS. Métrica de las Redes

• Network performance especificado por ITU Y.1540 & Y.1541• Para envío de Video, la Clase utilizada (QoS) puede ser 0, 1, 6,

or 7– Class 0: delay < 100mS, packet loss < 1 per 10,000– Class 1: delay < 400mS, packet loss < 1 per 10,000– Class 6: delay < 100mS, packet loss < 1 per 1,000,000– Class 7: delay < 400mS, packet loss < 1 per 1,000,000– Packet delay variation < 50mS

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Transporte de video sobre red IP

Transporte de Video Sobre IP:SMPTE 2022-2-2007

• Para el envío de video sobre redes IP, La EBU recomienda el transporte de MPEG-TS según el estándar SMPTE 2022SMPTE 2022SMPTE 2022SMPTE 2022----2222----2007.2007.2007.2007.

• Transporte de flujo unidireccional “Transport Strem MPEG-2” (M2TS)

– M2TS: ISO 13818 / ITU H222.

– Utilizado por DVB, ATSC, IPTV, DVD …

• Los paquetes M2TS pueden ser de 188 o 204 bytes

• Cada paquete IP puede contener entre 1 y 7 paquetes TS.

• 7 TS por paqueteIP.- overhead del 5%

• 1 TS por paqueteIP.- overhead del 26%

• Por regla general se utiliza 7 paquetes TS (188 o 204)

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Transporte deVideo Sobre IP:SMPTE 2022-2-2007

• Razones para el envío de M2TS:

– Extendido en todas las áreas de Transporte de Video.

– Estándar bien definido y estable.

– Formato Flexible:

• Integridad de la señal

• Optimización del Ancho de banda.

• Multiplexación de servicios.

• Encriptación

– El encapsulado se realiza siguiendo estándares bien definidos.

• Video : MPEG-2, H.264, JPEG 2000…

• Audio : MPEG-1/2, AAC, Dolby, AES …

• Ancillary Data : Closed caption, aspect ratio, time code

– Límite ASI: 213 Mbps, pero el TS sobre IP suede ser superior.


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• Otros requisitos del estándar:

– Multicast: IGMP V2

– Calidad de Servicio: TOS/DSCP

– Timing recover

• Las marcas de tiempo del RTP NO son válidas para recuperar la frecuencia.

• No se debe modificar los valores del PCR.

• No se deben eliminar los paquetes TS nulos.

• RTP/UDP no garantiza la entrega.

• Se define como método de protección frente a errores:

– Forward Error Correction (FEC). SMPTE 2022-1-2007


• Recomendaciones

– Network Performance : ITU-T Rec. Y.1541

– Jitter Tolerance : ±60ms


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Paquete IP• Payload 1, 4 o 7 TS por paquete

IP

• Overhead:

• 36 Bytes Ethernet

• 20 Bytes IP

• 8 Bytes UDP

• 12 Bytes RTP


Ethernet Frame (36 bytes)

IP Headers (20 bytes)

UDP Headers (8 bytes)

RTP Headers (12 bytes)

Video Payload1, 188 byte TS Packet = 188 Bytes4, 188 byte TS Packet = 752 Bytes7, 188 byte TS Packet = 1316 Bytes1, 204 byte TS Packet = 204 Bytes4, 204 byte TS Packet = 816 Bytes7, 204 byte TS Packet = 1428 Bytes

MTU Máximo: 1518 Bytes

(el mas ampliamente utilizado e tramas Ethernet)

Overhead introducido en empaquetamiento IP:

• 1 TS por Paquete IP: 28%

• 7 TS por Paquete IP: 5%7 TS por Paquete IP: 5%7 TS por Paquete IP: 5%7 TS por Paquete IP: 5%

Problemática Transporte IP

• Principales problemas:– Pérdida de paquetes

– Desordenación de paquetes

– Jitter en los paquetes recibidos

– Jitter originado por los switches

– Mayor retardo

• Parámetros en el diseño de red:– Priorización de tráfico

– Sobredimensionamiento de la red

– Uso eficaz de bufferes en receptores

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Problemática Transporte IP Jitter

• Tolerancia al Jitter de la red IP: ±60ms

• Tolerancia al jitter para el transporte M2TS: 500 nseg (5 órdenes inferior)

• �Necesidad de algoritmos de corrección específicos para recuperar el reloj.

– Algoritmos basados en búfer (Retardo).

– Algoritmos basados recuperación del tiempo:

• Necesidad de un tiempo de convergencia a la frecuencia real

• Retardo Mínimo

• FastIpSync

• Causas del Jitter (variación en los retardos):

– Congestión en los nodos

– Diferentes caminos

– Fragmentación del TS en paquetes

• Dificultad añadida en la recuperación de la frecuencia de vídeo en Decodificación:

– Los sistemas de recuperación de Frecuencia se basan en el PCR, con un jitter máximo de 500 ns (ETR-290).

– En IP el Jitter es de ms (4-5 órdenes sobre DVB o SDH).


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• Problemática del jitter– Precisión en recuperación de frecuencia

– Tiempo de enganche


• Las redes son muy sensibles a las ráfagas.

• Cada punto de la red (routers) soporta un determinado tamaño en función del buffer disponible.

• Los cambios de velocidad del interfaz (1000-100) produce ráfagas que pueden saturar los elementos de la red.

Problemática Transporte IP Ráfagas

100 BtSWT

100 Bt1000 Bt

Buffer

SWT

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• Causas:– Un bit a nivel físico � CRC incorrecto

� paquete descartado

– Volumen alto de tráfico � congestión


– Tiempo real � retraso


• Solución:– No es posible retransmisión (tiempo real)

– Información redundante (FEC)

Problemática Transporte IP Pérdida de Paquetes

Soluciones al Transporte IP

• Desde el lado de la RED:– Clasificar el tráfico sobre IP (QoS)

– Asignar prioridades a diferentes aplicaciones

– Reservar recursos de red

– Transmisión Fiable

• Desde el lado de los equipos (Cod. y Dec.):– Herramientas de corrección de errores (FEC)

– Algoritmos de gestión del Jitter en recepción:• Incremento del retardo. Buffer entrada = de 3 a 5 veces el jitter de red

– Algoritmos de recuperación de la frecuencia de video en recepción

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• FEC:

– Creación y envío de paquetes con información redundante.

– En recepción posibilita la recuperación de paquetes perdidos.

– Transporte sobre RTP/UDP/IP

– Los paquetes FEC se crean como la XOR de las Columnas y Filas.

– Los flujos del FEC se envían al mismo destino IP (unicast o Multicast) en puertos pares consecutivos al envío principal:

• Puerto X+2 para Columnas FEC

• Puerto X+4 para Filas FEC

• El flujo principal M2TS es enviado al puerto X � Puerto X “par” RTP (RTCP puerto impar X+1)

Transporte deVideo Sobre IP:SMPTE 2022-2-2007 FEC

MTU Máximo: 1518 Bytes

La estructura del Paquete

IP FEC es similar al de

video:

• Se añade Cabecera FEC (16 Bytes)

• El Payload es de paquetes FEC en vez de video TS

Ethernet Frame (36 bytes)

IP Headers (20 bytes)

UDP Headers (8 bytes)

RTP Headers (12 bytes)

FEC Headers (16 bytes)

FEC Payload1, 188 byte TS Packet = 188 Bytes4, 188 byte TS Packet = 752 Bytes7, 188 byte TS Packet = 1316 Bytes1, 204 byte TS Packet = 204 Bytes4, 204 byte TS Packet = 816 Bytes7, 204 byte TS Packet = 1428 Bytes


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• Los paquetes IP/RTP se ordenan sobre un array de 2 dimensiones LxD (Columnas x Filas)

(LLLLengh x DDDDeep)

• Los valores permitidos para L y D son:

• L×D ≤ 100

• 1 ≤ L ≤ 20

• 4 ≤ D ≤ 20

(1,1) (L,1)

(1,2)

(1,D) (L,D)

(2,1)

(2,2)

Payload

Columas L

Fila

s D


• Los paquetes FEC de las columnas se calculan como la XOR de la columna asociada.

• Para una matriz LxD, obtenemos L paquetes FEC asociados a las columnas.

• El exceso de ancho de banda requerido varía entre el 5% (D=20) y el 25% (D=4)

– Los valores permitidos para L y D son:

• L×D ≤ 100

• 1 ≤ L ≤ 20

• 4 ≤ D ≤ 20

(1,1) (L,1)

(1,2)

(1,D) (L,D)

(2,1)

(2,2)

1 L2

Payload

Paquete FEC (Columnas)

Columas L

Fila

s D

Transporte deVideo Sobre IP:FEC 1 Dimensión. Columnas

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(1,1) (L,1)

(1,2)

(1,D) (L,D)

(2,1)

(2,2)

1

D

1 L2

Payload

Paquete FEC (Columnas)

Paquete FEC (Filas)

• Los paquetes FEC de las Filas se calculan como la XOR de la fila asociada.

• Para una matriz LxD, obtenemos L paquetes FEC asociados a las columnas y D paquetes FEC asociados a las filas.

• En estructuras FEC de 2 streams, L >=4

• El exceso de ancho de banda requerido varía entre el 20% y el 50% (L=D=4)

– Los valores permitidos para L y D son:

• L×D ≤ 100

• 4 ≤ L ≤ 20

• 4 ≤ D ≤ 20

Columas L

Fila

s D

Transporte deVideo Sobre IP:FEC 2 Dimensiones. Columnas x Filas

Paquete erroneo

Transporte deVideo Sobre IP:FEC 2 Dimensiones. Errores Recuperables

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Paquete erroneo

Transporte deVideo Sobre IP:FEC 2 Dimensiones. Errores NO Recuperables

• Este sistema no es capaz de recuperar cuando tenemos 2 errores en la misma columna (y fila para 2 D)

� El sistema propuesto tiene carencias cuando los errores aparecen en ráfagas.

• Interleaving:

– El estándar define 2 métodos para cambiar la ordenación de paquetes previo al envío.

– Se minimiza el efecto de una ráfaga de errores

– Se aumenta la latencia:• Es necesario almacenar mas paquetes para generar el FEC.

Transporte deVideo Sobre IP:FEC Interleaving

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• Al incluir FEC se produce un incremento de la latencia, que dependerá principalmente del flujo de salida.

Transporte deVideo Sobre IP:Latencia FEC

• Tres factores:– Protección frente a errores

– Sobrecarga de red por información redundante

– Retardo por cálculo de recuperación (flujo constante)

• Parámetros:– Dimensiones:

• Unidimensional (columnas): protección a ráfagas

• Bidimensional (columnas y filas): añade protección a pérdidas equiespaciadas

– Tamaño de estructura

– Interleaving:• Aumenta protección frente a ráfagas

• Aumenta retardo

Transporte deVideo Sobre IP:Compromiso del FEC

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• Sobrecarga � Protección– FEC unidimensional

Sobrecarga (%) = 1 / filas

– FEC bidimensional

Sobrecarga (%) = (cols + filas) / (cols x filas)

– Tasa de errores soportada: Medidas empíricas �

• Retardo– retardo FEC < (2 x filas x cols x bits_por_paquete) / bitrate_video

– matriz FEC es filas x cols

– bits_por_paquete is el número de bits de TS por IP paquete IP (depende del número de TS por paquete)

– bitrate_video es el bitrate que se configure en el codificador

Ej: FEC = 4x4, 7 TS/paquete (7 x 188 x 8)/20 Mbps de vídeo, retardo FEC < 17 ms

Transporte deVideo Sobre IP:Compromiso del FEC

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Gracias!Gracias!

Rufino González, 1528037 Madrid

Teléfono: (+34) 917.283.910Fax: (+34) 917.292.575

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