Tesis. Aplicación Triple Play en Internet [IPN]

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

“APLICACIÓN TRIPLE PLAY EN INTERNET POR WIMAX-ESTACIÓN DE RADIO”

T É S I S

Q U E P A R A O B T E N E R E L T Í T U L O D E :

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

P R E S E N T A N

Martínez Sánchez Emmanuel

Pérez Rojas Carlos Eduardo

ASESORES: Armando Mancilla León Federico Felipe Durán

MÉXICO, D.F. 2008

APLICACIÓN TRIPLE PLAY EN INTERNET POR WIMAX ESTACIÓN DE RADIO

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Descripción

Triple Play es un término comercial que se refiere a la transmisión de

Audio / video (televisión), datos (Internet) y voz (telefonía) mediante una sola conexión.

WiMax es una tecnología de comunicaciones basada en el estándar

802.16, sus característica la convierten en un medio ideal para suministrar servicios de banda ancha inalámbricos a gran distancia.

Objetivo

Desarrollar un sistema de control y transmisión de audio, abarcando parte de

triple play y establecer las bases teóricas para sustentar la transmisión inalámbrica utilizando WiMax.

Objetivos Particulares

Implementar el software específico para la nueva tecnología de transporte de

triple play por Internet.

Desarrollar las aplicaciones web necesarias para le creación de estaciones de

radio servidas por Internet. Elaborar interfaces de usuario final para la operación de la estación de radio. Realizar las pruebas esenciales para la creación de una estación de radio por

Internet utilizando banda ancha por cable y, dejar asentadas las bases teóricas para poder cambiar de tecnología de cable a una red WiMax.

Desarrollar una aplicación integrando software de uso libre para estaciones

de radio implementando WiMax (Redes De banda Ancha Inalámbrica) por medio de INTERNET.


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Metodología

Para desarrollar este trabajo de tesis se siguió la siguiente metodología: Se realizó una investigación sobre la evolución de la radio y de las tecnologías

actuales para su transmisión. En especial de la transmisión por INTERNET. Se determinaron las especificaciones esenciales para su transmisión por este medio.

Con la información recopilada se elaboró un plan general de trabajo, que

incluyera las pruebas de aceptación respectivas, así como la elaboración de la documentación necesaria.

Se procedió a desarrollar la solución y realizar pruebas por módulos haciendo los

ajustes pertinentes. Después se procedió a realizar la integración final y su puesta en marcha. Se

procedió a hacer la depuración final y las pruebas de estrés. El presente trabajo está organizado de la siguiente forma: En el capítulo uno se presentan todos los antecedentes y marco teórico, a partir

del punto número 4 se presentan sólo los aspectos relevantes sobre la transmisión de datos por medio de señales de radio, es decir se plantea el estado y la evolución del radio a través del tiempo.

En el siguiente apartado, denominado difusión en redes IP, se presentan las

formas más útiles para el propósito principal (transmisión de señales de audio por medio de Internet), así como realizar pruebas con los diferentes métodos de difusión para elegir el que más se adecue a éstas necesidades.

Se estudiara el proceso de muestreo diseñado para transmisión de audio y

video, denominado streaming, sus características principales y los diferentes medios para transmitirlo; en éste caso se realizaran cálculos matemáticos para sustentar la elección de las características técnicas de transmisión.

El capítulo llamado ―Servidor streaming‖ se enfoca a las características básicas

de una PC, necesarias para mantener y realizar actualizaciones en la transmisión; también se realzaran practicas con software especifico para controlar y mantener el streaming; y con los resultados obtenidos se realizaran las correcciones apropiadas.

Por último, en lo que respecta a la manipulación de las señales de audio para

su transmisión vía streaming, se tiene el tema de los codecs, aquí se tendrá que estudiar y comparar cada uno de las diferentes formas de codificación que permiten la realización del streaming, lo que permitirá elegir el formato más adecuado para conseguir los objetivos principales.


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El capítulo final relacionado con el medio de transmisión a utilizar se concentrará en mayor medida a lo que se refiere con las características principales del medio, es decir, cobertura, velocidades de transmisión. En este punto se dejaran a un lado las pruebas, pero sin descuidar las bases matemáticas que lo sustentan.

Justificación Las comunicaciones inalámbricas adquieren cada vez mayor popularidad en el

mercado siendo éstas la tendencia de las nuevas tecnologías, WiMax se convierte en la herramienta perfecta para desarrollar este tipo de proyecto.

La importancia comercial, es otro factor determinante; importantes empresas

invierten grandes sumas y esfuerzo para poner en funcionamiento redes de éste tipo, lo que garantiza un gran campo de aplicación y mercado.

Muchos de los dispositivos actuales están destinados a la movilidad. Estos

dispositivos móviles (cómputo móvil), ofrece un nicho de mercado potencial para desarrollar aplicaciones triple play como la del presente proyecto.


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ÍNDICE

Glosario 13

Introducción 17

Antecedentes 22

Estado del arte 27

C A P Í T U L O 1

1.1. Difusión de contenido multimedia en redes IP 29

1.1.1. Redes IP 29

1.1.2. Capas relevantes del modelo OSI

Aplicación, transporte, red y enlace 29

1.1.3. Protocolo de Internet 30

1.1.4. Protocolo TCP 30

1.1.5. Redes de conmutación de paquetes y de conmutación de circuitos 30

1.1.6. Compresión de vídeo / audio 30

1.1.7. Protocolos de tiempo real (RTP, RTCP, RTSP) 32

1.1.8. Protocolo de Data gramas de usuario ( UDP ). 34

1.2. Streaming 34

1.2.1. Diferencia entre streaming y descarga 35

1.2.2. Descarga progresiva y streaming 35

1.2.3. Arquitectura de un sistema video / audio streaming 36

1.2.4. Control de QoS en la capa de aplicación para streaming 37

1.2.5. Creación de un flujo de streaming 37

1.2.6. Streaming por internet (Real Time, Streaming protocol) 39

1.2.7. Streaming Unicast 40

1.2.8. Streaming Multicast 41

1.3. Servidor streaming 43

1.3.1. Implementación del servidor 43

1.3.2. Características del servidor de aplicación 44

1.4. Codificación, codecs y arquitectura de códec

Como modos de difusión

44

1.4.1. Codificación (CBR, VBR) 44

1.4.2. Codecs de código abierto 46

1.4.3. Arquitectura de códec 47

1.5. Conclusiones del capítulo

C A P Í T U L O 2

2.1. Wimax 49

2.2. Acceso al medio (FDD, TDD) 49

2.3. Multiplexación de la información (OFDM, W-OFDM, Flash-

OFDM)

51

2.4. Acceso al medio de los usuarios (TDMA y CDMA) 53

2.5. Estructura de la trama 60

2.6. Procesado de la señal 60


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2.7. Radio definida por software (SDR) 61

2.8. Técnicas de control de errores 62

2.9. Técnicas de control de potencia 64

2.10. Ventajas y características de WiMax 64

2.11. Implementación del servidor streaming en WiMAX 66

2.12. Características del transmisor-receptor WiMAX 72


C A P Í T U L O 3

Desarrollo del sistema streaming para audio

3.1. Implementación final. 75

3.1.1. El servidor streming y ancho de banda 75 3.1.2. Configuración del streaming 80

3.2. Instalación y Configuración 84

3.2.1. Configuración del DNAS 84 3.2.2. Implementación en la web del servidor de streaming 85 3.2.3. Servidor web para sitios de internet e intranet 88 3.2.4. Código de las páginas web implementada 92 3.2.5. Implementación de servidores con máquinas virtuales 93

3.3. Pruebas finales de estrés 100

3.4. Estudio económico 108

3.5. Conclusiones 109


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INDICE DE TABLAS

C A P Í T U L O 1

1.1. Comparativa de la compresión de audio 31

C A P Í T U L O 2

2.1. Comparación de métodos de acceso múltiple 54 2.2. Valores numéricos de los parámetros OFDM 57 2.3. Parámetros del símbolo OFDM 58 2.4. Valores para los parámetros de la señal OFDM transmitida 59 2.5. Comparativa de tecnologías inalámbricas 66 2.6. Implementación del servidor Streaming en WiMax 67 2.7. Relación comparativa entre OFDMA y OFDM en Wimax 69 2.8. Comparativa entre ADSL y WiMax con relación en eficiencia de la técnica

de modulación (OFDM) 70

2.9. Ancho de banda y número de portadoras en una transmisión 71 2.10. Número de portadoras en una transmisión 71

C A P Í T U L O 3

3.1. Memoria requerida por el servidor de Stream 76 3.2. Tamaño de muestra que proporciona el Stream a cierto encoder 77 3.3. Ancho de banda relacionado a una calidad Estéreo de 22 050 Khz 77 3.4. Ancho de banda relacionado a una calidad Estéreo de 44 100 Khz 78 3.5. Ancho de banda relacionado a una calidad Estéreo de 22 050 Khz 78 3.6. Ancho de banda relacionado a una calidad Estéreo de 44 100 Khz 78 3.7. Ancho de banda, servicios domésticos de Internet y relación a petición de

Listeners 79

3.8. Ancho de banda, servicios empresariales de Internet y relación a petición de Listeners

79

3.9. Velocidad de transferencia de datos (Bitrate) y calidad de sonido 80

3.10. URL a probar 105

3.11. Resultados por usuario 105


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INDICE DE FIGURAS

C A P Í T U L O 1

1.1. Transiciones de RTSP 33 1.2. Bloques de sistema de audio / video streaming 36 1.3. Arquitectura básica de un servicio streaming 40 1.4. Servidor enviando paquetes de datos 40 1.5. Servidor enviando paquetes de datos 41 1.6. Tráfico de difusión MULTICAST / UNICAST 42

C A P Í T U L O 2

2.1 Técnicas de acceso al medio 50 2.2 Distribución de datos sobre una portadora 52 2.3 Diagrama a bloques del transmisor OFDM, OFDMA 55 2.4 Diagrama a bloques del receptor OFDM, OFDMA 55 2.5 Diagrama a bloques del sistema MIMO para OFDM, OFDMA 56 2.6 Símbolo OFDM 57 2.7 Diagrama con las subportadoras de OFDM 58 2.8 Diagrama con la subcanalización utilizada en OFDMA 59 2.9 Respuesta en el dominio del tiempo de una trama de WiMAX 60 2.10 Arquitectura de un sistema SDR 62 2.11 Características de WiMAX 65 2.12 Comparativa de rango de cobertura y ancho de banda 66 2.13 Comparativa: velocidad de transmisión y movilidad 66 2.14 Sub-portadoras en un sistema FDM 68 2.15 Sub-portadoras en un sistema OFDM 68 2.16 Diagrama a bloques de OFDMA transmisor-receptor 72

C A P Í T U L O 3

3.1 Diagrama de conexión final 75 3.2 Explorador del IIS para un nuevo sitio web 88 3.3 Configuración de seguridad del sitio web 89 3.4 Asistente de permisos del IIS para dominio publico ò privado 89 3.5 Explorador del IIS para inicio del servidor 90 3.6 Explorador de Windows para configuración del webapps 91 3.7 Explorador de Windows para la configuración del WEB-INF 91 3.8 Inicio del servidor de aplicaciones web 92 3.9 Ventana principal del programa de emulación VMWare 96 3.10 Ventanas de configuración de la maquina virtual 97 3.11 Nombre de la MV y tipo de conexión de red 98 3.12 Seleccionar tamaño de disco de la MV 98 3.13 Resultado del Asistente de de configuración de VMWare 99 3.14 Propiedades de la MV (Hardware) 99 3.15 Instalación del SO en una máquina virtual 100 3.16 Características del servidor de aplicaciones web y de streaming 101 3.17 Características del servidor y simulador de stress 101 3.18 Estado del servidor de streaming en la prueba de stress 101 3.19 Protocolo para todos los tiempos en las URLs 102 3.20 Servidor y usuario con relacion al ancho de banda 102 3.21 Datos transferidos, memoria de sistema y carga del CPU 103 3.22 Respuesta de solicitudes y datos transferidos 103


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3.23 Jerarquía y tiempo de todos los resultados 104 3.24 Tiempo por Click, visitas y usuarios de todas las URLs 104 3.25 Número de Click´s y errores por URL 105


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GLOSARIO 3G Third Generation: Tecnología inahalambrica AAC Advanced Audio Coding: Formato de archivos de audio ADSL Asimetrical Digital Subscriber Line AM Amplitude Modulation ARQ Automatic Repeat Request ASF Advanced Streaming Format ASK Amplitude Shift Keying AVC Advanced Video Coding AVI Audio Video Interleave BER Bit Error Ratio BLU Banda Lateral Unica o SSL Single Side Band BPSK Binary Phase Shift Keying CBR Constant BitRate CD Compact Disc CDMA Code Division Multiple Access CMAC Cipher-based Message Authentication Code COFETEL Comisión Federal de Telecomunicaciones CPU Central Processing Unit CSMA Carrier Sense Multiple Access DAB Digital Audio Broadcasting DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications DFT Direct Fourier Transform DL Down-Link DNAS Distributed Network Audio Server DNS Domain Name System DSP Digital Signal Processor DSSS Direct Sequence Spread Spectrum DVB-T Digital Video Broadcasting DVD Digital Versatile Disc DVMRP Distance Vector Multicast Routing Protocol EAP Extensible Authentication Protocol FDD Frequency Division Duplex FDM Frequency Division Multiplex FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform FM Frequency Modulation FSK Frequency Shift Keying GPS Global Positioning System GSM Groupe Special Mobile HIFI High Fidelity HIPERLAN High Performance Radio LAN HMAC Hashed Message Authentication Code HTML Hyper Text Markup Language HTTP HyperText Transfer Protocol


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IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IIS Internet Information Server IP Internet Protocol ITU International Telecommunication Union Lag Retardos ó latencia que se generan en un sistema LAN Local Area Network MAC Media Access Control-address MAN Metropolitan Area Network MDCT Modified Discrete Cosine Transform MIMO Multiple-Input Multiple-Output MISO Multiple Input Simple Output MOSPF Multicast Open Shortest Path First MP3 MPEG-1 Audio Layer 3 MPEG Moving Picture Experts Group NFS Network File System NLOS Non Line Of Sight OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiplex Access OS Operating System OSI Open System Interconnection PC Personal Computer PCM Pulse Code Modulation PDA Personal Digital Assistant PIM Protocol-Independent Multicast QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying RAM Random Access Memory RTC Red Telefónica Conmutada RTCP Real Time Control Protocol RTP Real-time Transport Protocol RTSP Real Time Streaming Protocol RX Receptor de comunicación SCT Secretaría de Comunicaciones y Transportes SDR Software Defined Radio SGML Standard Generalized Markup Language SNMP Simple Network Management Protocol SNR Signal to Noise Ratio SO Sistema Operativo SOFDMA Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplex Access TCP Transmission Control Protocol TDD Time Division Duplex TDM Time Division Multiplex TDMA Time Division Multiple Access TRIPLE-PLAY Empaquetamiento de servicios y contenidos audiovisuales TV Television TX Transmisor de comuniación


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UDP User Datagram Protocol UHF Ultra High Frequency UL Up-Link URL Uniform Resource Locator USB Universal Serial Bus VBR Variable BitRate VHF Very High Frequency VLC Video LAN Client VM Virtual Machine VOR VHF Omnidirectional Range VQ Vector Quantization W3C World Wide Web Consortium WAN Wide Area Network WAVE Wireless Access for Vehicular Environment WIFI Wireless Fidelity WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access W-OFDM Wideband Orthogonal Frequency Division Multiplex XML Extensible Markup Language


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INTRODUCCIÓN

La evolución de la tecnología ha generado un nuevo estilo de vida en cuanto a las comunicaciones, la época cuando se tenían diferentes dispositivos para cada uno de los servicios que se conocen (radio, televisión, telefonía, datos) han sido marginados. Este fenómeno conocido como convergencia ha tenido un gran impulso a escala global, especialmente con el nuevo servicio de ―Triple Play‖, lo que ha cambiado la forma en que se comunican las personal en la actualidad.

El concepto ―Triple Play‖ es algo muy sencillo, se trata de utilizar un único medio

de transmisión para enviar y recibir audio / video, voz y datos al mismo tiempo. En teoría no parece muy complejo, sin embargo para que esto pueda funcionar se requiere que la red lo pueda soportar, así como protocolos de transmisión que permitan que esto se pueda realizar sin conflictos ni errores. En la actualidad se tienen herramientas para que la convergencia se pueda lograr, formando la red troncal, se tienen las redes IP, controlando el flujo de información los protocolos de transmisión en tiempo real.

A medida que la tecnología avanza se hace más evidente el uso de aplicaciones

multimedia, un ejemplo de esto es la transmisión de audio ó video, grabado ó en tiempo real. Sin embargo la estructura de las redes está centrada en el envío de archivos completos, lo que implica un tiempo de transferencia muy elevado y por tal un retardo en la reproducción de los archivos provocando que las transmisiones no puedan seguirse en tiempo real.

La mayoría de las redes se enfocan en el envío seguro y confiable de datos

(como archivos) de un punto a otro. El uso de tecnología multimedia (IPTV para audio / video, VoIP para voz, etc.) impone nuevos retos para ésta forma de comunicación.

Una parte importante en la transmisión de multimedia es la tecnología conocida

como ―streaming‖. En esencia se trata de enviar sólo una parte del archivo (ya sea audio / video, o voz). Esta forma de envío evita el problema de retrasos en la transmisión, de forma eficaz, pero no completamente.

Las ventajas de utilizar ―streaming‖ es que no hay necesidad de descargar

completamente el archivo (sea audio o video) a la computadora. Antes de que se utilizara por primera vez esta tecnología, para tener acceso a un archivo multimedia a través de la red, era necesario descargar todo el archivo contenedor al disco duro, por lo que el acceso a estos medios se hacía lento y tedioso. Sin embargo con esta tecnología el archivo puede ser descargado y reproducido en tiempo real, con un retraso en la transmisión muy breve, por lo tanto el tiempo de espera es mínimo.

La mayoría de los reproductores multimedia en la actualidad, permiten ‗pre

cargar‘ o almacenar el archivo en una memoria auxiliar (―buffer‖), lo que ofrece una ‗reserva de datos‘, para evitar que la reproducción se detenga en su totalidad.


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A pesar de todas ventajas que a simple vista se ofrecen el ―streaming‖ es necesario tener en cuenta que si en un momento determinado, la cantidad de usuarios que acceden a este medio supera la capacidad del ancho de banda de la transmisión, cada uno de ellos experimentaran retrasos o cortes. Finalmente la calidad de la transmisión se verá seriamente afectada.

Las técnicas para solucionar el problema del ancho de banda en una transmisión

de archivos multimedia, entre ellas destacan el uso de ―streaming Multicast‖, escalabilidad de ―streaming‖, además del uso de las redes de nueva generación, las cuales permiten un mayor ancho de banda en la transmisión y recepción de datos.

La impresionante evolución de las redes, no sólo en cuanto a velocidades, sino

también en el sentido de comodidad y accesibilidad. Existen las redes fijas que permiten un gran ancho de banda como lo son ADSL o T1; además de las redes inalámbricas (como WiFi, 3G, HiFi ó WiMax) que ofrecen un gran ancho de banda así como la posibilidad de acceder en cualquier lugar en el que se encuentre ubicado el usuario brindando la movilidad de tal ubicación.

Uno de los medios de transmisión que han cobrado popularidad en banda

ancha inalámbrica es la tecnología denominada WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Acces), ideal para solucionar el problema del ancho de banda dado que ofrece grandes ventajas dentro de éste ámbito.

Mientras que la red WiFi se orienta al desarrollo de redes LAN o en entornos de

área reducida, WiMax proporciona servicios de banda ancha en redes MAN y se presenta como un complemento ideal para aumentar los beneficios de las redes celulares 3G.

Existen otras características importantes que benefician la implementación

streaming, entre las cuales se tiene: Rapidez y bajos costos de implantación (relativamente, dado que se

encuentra entre los 80,000 y los 400,000 pesos), mucho menor al de cualquier tipo de red celular o cableada.

Gran alcance (alrededor de 50 Km.) Está orientada a emplearse como

tecnología de acceso a redes metropolitanas. Los radios de cobertura oscilan entre las decenas de Km2, pero para entornos urbanos densamente poblados esta cifra desciende hasta los 5 Km2.

Velocidades de transmisión de hasta 75 Mbps. Originalmente el estándar

utilizado por WiMax (IEEE 802.16) contemplaba velocidades de hasta 134 Mbps, con línea directa de visión entre antenas; pero se sacrifico el costo de la visión directa a cambio de perder velocidad.

Estas características hacen de WiMax la mejor opción para el desarrollo del

proyecto planeado.


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En México WiMax no se ha implementado completamente, se encuentra en la

fase de pruebas y están pendientes las licitaciones de las empresas que deseen implementar esta tecnología por parte de la COFETEL. Además los primeros permisos que serán otorgados serán para la creación de una red WiMax fija, la aplicación para redes móviles estará pendiente, para los próximos años.

Todo el desarrollo de las tecnologías actuales está dirigido a la creación de

aplicaciones multimedia en la red, es decir, a medida que aumenta la potencia y capacidades de los nuevos dispositivos, todos estos recursos estarán destinados en su mayoría a la reproducción y edición de archivos multimedia. Lo que implica aplicaciones cada vez más complejas a medida que pase el tiempo.

Uno de los principales objetivos del proyecto es implementar las aplicaciones

necesarias para sustentar la transmisión vía Internet de audio y voz, es decir crear una estación de radio capaz de transmitir por Internet. Esto incluye la manipulación de audio y voz para su edición, codificación y envío.

Como principales motivos de la realización de este tipo de proyecto es que

actualmente se tiene un amplio mercado para las mejoras que se están desarrollando, lo que significa una gran oportunidad de trabajo en la que se podría implementar las mejoras obtenidas. Por otro lado, al utilizar tecnologías de nueva generación se puede extender el uso que se le dio para desarrollar otras aplicaciones.

Para apoyar la realización de éste tipo de proyecto se utilizaran técnicas para

manipular el ―streaming‖ y la implementación de nuevas tecnologías como lo es WiMax. El proyecto consta en general de tres partes básicas:

La edición de los archivos de audio y manipulación de la señal de voz para su transmisión vía Internet.

Establecer una computadora personal como servidor para el envío de datos.

Crear la aplicación web ó interfaz para implementar las transmisiones de audio en una página web.

Para el primer punto es necesario utilizar Encoder (aplicación que convierte

distintos formatos entre si, término usado para cambio de formato wave / mp3). En este caso se tiene la opción de utilizar diferentes ―codecs‖ de audio como el mp3. Algunos

de los programas que permiten realizar esta operación en tiempo real durante la

transmisión de la señal de radio son: liveice, ices, ices2 y nullsoft. En relación al segundo punto existen varios lenguajes de programación en el

mercado, así como software libre que permiten manipular archivos de audio y crear el servidor de streaming necesario para su transmisión. Algunos tipos de software con código abierto tales como VLC y SHOUTcast, ICEcast, Muse, ofrecen la opción de


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modificar su código, por lo que una parte importante de este proyecto es realizar los cambios necesarios para mejorar las técnicas de ―streaming‖ y así eliminar los problemas más frecuentes que se presentan durante la transmisión de datos por Internet, como lo retrasos y cortes que se presenten.

A pesar de las ventajas ofrecidas por estos programas se debe de tener en

cuenta el término de escalabilidad, el cual se refiere a la garantía en razón de la transmisión del streaming sin importar la capacidad de ancho de banda de cada uno de los usuarios ó radio escuchas de la estación.

Cada usuario tiene un acceso a Internet con determinada velocidad de conexión,

el termino escalabilidad establece que debemos asegurarnos que los usuarios conectados a una velocidad de transmisión diferente a la nuestra (ya sea mayor o menor) pueda escuchar la transmisión en tiempo real.

Por último el tercer punto, la implementación gráfica, esto se logra a través de los

reproductores de multimedia. Para poder utilizar éstos programas dentro de páginas web es necesario instalar los plug-in‘s (mini aplicaciones que se ejecutan propiamente para un software) para que el navegador soporte y pueda cargar los reproductores dentro de la página web.

Como aplicación extra es necesario que el servidor sea capaz de proporcionar el

envío de datos, en éste caso la página web de la estación de radio que se creó. Para ello se necesitan de programas que permitan configurar la PC como servidor de aplicaciones web y no de streaming. Se pueden utilizar paquetes de software como Apache ó IIS de Windows, pero además de tener instalado alguno de estos programas es necesario el diseño de la pagina web en al menos un lenguaje como HTML que contenga el código necesario para cargar el reproductor multimedia en la PC del cliente.

Al final del proyecto tiene como objetivo desarrollar una aplicación (ya sea por

medio de software libre, propio o privado) que permita modificar y mejorar la transmisión de audio y voz por vía Internet. Para ello es necesario adentrarse en lo que significa y cómo funcionan los protocolos en tiempo real que permiten la implementación de éste tipo de envío. Se debe conocer el funcionamiento de los protocolos RTCP, RTSP, RTP; los cuales se encargan de las transmisiones en tiempo real.

Por otra parte se tiene que los protocolos comunes que se usan en la red como

el TCP, no son adecuados para el envío de streaming. El protocolo TCP se encarga principalmente del envío punto a punto de datos sin

errores, lo que se explico anteriormente, es una desventaja para la transmisión de ―streaming‖.

Al utilizar otro protocolo diferente como UDP solucionamos los problemas que

ocasiona la implementación de TCP.


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TCP es un protocolo destinado al envío seguro y sin errores de paquetes punto a punto. El caso de UDP es un protocolo capaz de pasar por alto los errores en relación al tiempo de espera ó de recepción de datos.

Se debe tener en cuenta que la mayoría de las redes no son adecuadas para

éste tipo de transmisiones. Por un lado se tiene que la mayoría de los dispositivos utilizados actualmente no soportan algunas de las tecnologías más adecuadas para éste tipo de proyecto, un ejemplo de esto son los ―routers‖; ya que al utilizar ―streaming Multicast‖ se establece que para poder lograr la transmisión es necesario que los ―routers‖ utilizados tenga la configuración así como la tecnología adecuada que soporte el ―streaming Multicast‖.


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ANTECEDENTES

A pesar del auge que en los últimos años han experimentado los servicios que se

basan en multimedia accedidos a través de internet y que emplean una computadora personal como terminal de cliente, hoy en día, el principal terminal multimedia presente en los hogares de todo el mundo continua siendo, con gran diferencia, el televisor. Por tal, la necesidad de las empresas de ganar territorio en el campo de las comunicaciones, no solo en transmisión de datos, sino también en el campo de audio y video, a obligado a la ingeniería en comunicaciones a generar o crear técnicas de trasmisión para tales medios.

En un principio la idea de promover servicios multimedia en difusión por

televisión analógico en blanco y negro por la banda de frecuencia UHF en los años 50, hasta los 80, lograron cambios sustanciales en el modo en que los servicios eran ofrecidos. La tecnología disponible limitaba el número de canales que los difusores del servicio de televisión ofrecían. Sin embargo, la ingeniaría se remonta a años anteriores con el descubrimiento de la radio y las ondas electromagnéticas.

El nacimiento de la radio y la propagación de las ondas electromagnéticas

Las bases teóricas de la propagación de las ondas electromagnéticas fueron

descritas por primera vez por James Clerk Maxwell en un documento dirigido a la Royal Society titulado ―Una teoría dinámica del campo electromagnético‖, el cual describía su trabajo entre los años 1861 y 1865.

Después el merito práctico de Maxwell seria de Heinrich Rudolf Hertz, entre 1886

y 1888, al ser el primero en validar experimentalmente la teoría de Maxwell, demostrando que la radiación de radio tenía todas las propiedades de las ondas y descubriendo que las ecuaciones electromagnéticas podían ser reformuladas en una ecuación diferencial parcial denominada ecuación de onda. Por tal Hertz dio paso siguiente, al afirmar que las ondas se propagaban a una velocidad electromagnética similar a la velocidad de la luz, logrando establecer las bases para el envío de las primeras señales. Y debido a este descubrimiento, las ondas electromagnéticas pasaron a denominarse hertzianas en honor a Hertz.

Estos científicos al establecer la base técnica lograron el desarrollo y los inicios

para que la radio saliera adelante, ya que la propagación de las ondas electromagnéticas fue parte esencial para desarrollar lo que posteriormente se convertiría en uno de los grandes medios de comunicación.

Resulta difícil atribuir la invención de la radio, en su tiempo denominada

"telegrafía sin hilos", a una única persona. En diferentes países se reconoce la paternidad en clave local: Alejandro Stepánovich Popov hizo sus primeras demostraciones en San Petersburgo, Rusia; Nikola Tesla en San Luis, Misuri, Estados


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Unidos. En tanto a Guillermo Marconi fue quien primero puso en práctica y comercializó el invento desde el Reino Unido. En 1896 obtuvo la primera patente del mundo sobre la radio, la Patente británica 12039, mejoras en la transmisión de impulsos y señales eléctricas y un aparato para ello. Países como Francia o Rusia rechazaron reconocer su patente por dicha invención, refiriéndose a las publicaciones de Popov, previas en el tiempo.

El 7 de mayo de 1895 el profesor e ingeniero ruso Alexandro Stepánovich Popov

había presentado un receptor capaz de detectar ondas electromagnéticas. Diez meses después, ya con un sistema completo de recepción-emisión de mensajes telegráficos, transmitió el primer mensaje telegráfico entre dos edificios de la Universidad de San Petersburgo situados a una distancia de 250 m. El texto de este primer mensaje telegráfico fue: "HEINRICH HERTZ".

En 1897 Marconi montó la primera estación de radio del mundo en la Isla de

Wight, al sur de Inglaterra y en 1898 abrió la primera factoría del mundo de equipos de ―transmisión sin hilos‖ en Hall Street (Chelmsford, Reino Unido) empleando en ella alrededor de 50 personas. En 1899 Marconi consiguió establecer una comunicación de carácter telegráfico entre Gran Bretaña y Francia. Tan sólo dos años después, en 1901, esto quedaría como una minucia al conseguirse por primera vez transmitir señales de lado a lado del océano Atlántico.

En 1906, Alexander Lee de Forest mejoró el invento de John Fleming,

otorgándole con su tríodo mayor cobertura y calidad de transmisión, permitiendo la proliferación de las emisiones de radio. Un año después, inventaba la válvula que modula las ondas de radio que se reciben y de esta manera creó ondas de alta potencia en la transmisión.

En ese mismo año transcurrió otro suceso importante, el cual surgió al utilizar el

principio heterodino, Reginald Fessenden transmitió desde Brant Rock Station (Massachusetts) la primera radiodifusión de audio de la historia. Así, buques en el mar pudieron oír una radiodifusión que incluía a Fessenden tocando al violín la canción ―O Holy Night‖ y leyendo un pasaje de la Biblia. Sin embargo esto no garantizo la calidad de los receptores, hasta el año de 1918 cuando Edwin Armstrong inventa el superheterodino

. Las primeras transmisiones radiodifundidas, para entretenimiento, comenzaron

en 1920 en Argentina. El día 27 de agosto desde la azotea del Teatro Coliseo, la Sociedad Radio Argentina transmitió la ópera de Richard Wagner, Parsifal. Comenzando así con la programación de la primera emisora de radiodifusión en el mundo.

Las primeras emisiones de la radio en AM y FM La primera emisora de carácter regular e informativo es considerada por muchos

autores la KDKA de Pittsburg (EEUU) que comenzó a emitir en el año 1920. La KDKA trasmitió por primera vez un reportaje sobre las elecciones norteamericanas. Ese mismo


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año, en Inglaterra, la estación de Chelmsford, perteneciente a la Marconi Wireless, emitía dos programas diarios, uno sobre música y otro sobre información. El 4 de noviembre de 1922 se fundó en Londres la British Broadcasting Corporation (BBC) que monopolizó las ondas inglesas. Ese mismo año, la Radio llega a Chile, con la Primera Transmisión Radial que la Universidad de Chile realizó desde el Diario El Mercurio de Santiago.

En un inicio de la radio toda la potencia generada por el transmisor pasaba a

través de un micrófono de carbón. En los años 1920 la amplificación mediante válvula termoiónica revolucionó tanto los radiorreceptores como los radiotransmisores. Philips, Bell, Radiola y Telefunken consiguieron, a través de la comercialización de receptores de válvulas que se conectaban a la red eléctrica, la audición colectiva de la radio en 1928. No obstante, fueron los laboratorios Bell los responsables del transistor y, con ello, del aumento de la comunicación radiofónica.

En los años cincuenta la tecnología en televisión y radio experimentó un gran

número de mejoras que se tradujeron en la generalización del uso del transistor. Normalmente, las aeronaves utilizaban las estaciones comerciales de radio de amplitud modulada (AM) para la navegación. Esto continuó así hasta principios de los años sesenta en que finalmente se extendió el uso de los sistemas VOR. Y hasta principios de los años treinta radio-operadores aficionados inventaron la transmisión en banda lateral única (BLU).

En 1933 Edwin Armstrong describe un sistema de radio de alta calidad, inmune a

los parásitos radioeléctricos, utilizando la modulación en frecuencia (FM). Y a finales de esa década este procedimiento se establece de forma comercial, al montar a su cargo el propio Armstrong una emisora con tal sistema.

Las comunicaciones tendrían un mejor auge hasta el año de 1963, al establecer

la primera comunicación vía satélite. Logrando al final de esta década la red telefónica de larga distancia en EE.UU. comienza su conversión a red digital, empleando radio digital para muchos de sus enlaces. Originando una mejor aceptación en el publico, sin embargo el mercado era muy pequeño y caro. Logrando en los años setenta el comienzo de LORAN, primer sistema de radionavegación. Pronto, la Marina de EE.UU. experimentó con la navegación satélite, culminando con la invención y lanzamiento de la constelación de satélites GPS en 1987.

Entre las décadas de los años 1960 y 1980 se generaliza la figura del tocadiscos;

es la época de la expansión discográfica. En los años 1990 las nuevas tecnologías digitales comienzan a aplicarse al mundo de la radio. Aumentando la calidad del sonido y se amplia la cantidad de almacenaje. A lo cual produce una sofisticación de los medios de edición y producción que tiene como característica principal la automatización de las emisoras.

A finales del siglo XX, la mayoría de los experimentadores en razón de ser

radioaficionados, comienzan a utilizar ordenadores personales para procesar señales de radio mediante distintas interfaces.


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La radio a través de Internet avanza con gran velocidad, generando que la

mayoría de las grandes emisoras de radio empiezan a experimentar con emisiones por este medio de difusión, la primera y más sencilla es una emisión en línea, la cual con el avance creativo de los productores radiales deberá seguir evolucionando, lo que irá aparejado con el desarrollo de la banda ancha en Internet.

Internet como medio de radiodifusión y banda ancha Uno de las formas más comunes del desarrollo de difusión en audio y video por

internet. Antes de que la tecnología streaming apareciera en abril de 1995, con el lanzamiento de RealAudio 1.0, era la reproducción de contenido multimedia que necesariamente implicaba tener que descargar completamente el archivo contenedor al disco duro local. Y debido a que los archivos de audio —y en especial los de video— tienden a ser de gran tamaño en bytes, su descarga y acceso como paquetes completos se vuelve una operación muy lenta.

Sin embargo, con la tecnología del streaming un archivo puede ser descargado y

reproducido al mismo tiempo, con lo que el tiempo de espera es mínimo. Adoptando la forma coloquial "hacer click y obtener" originando el servicio TRIPLE PLAY que consta de audio, datos y video, dando la aplicación a las redes digitales.

No obstante, esta tecnología implica la mejora de las comunicaciones en ámbitos

de radio y televisión, ya que una de las principales dificultades es abastecer la creciente demanda de radio y televisión por Internet. A lo cual los servidores convencionales no logran cubrir el espectro de audiencia.

Una de las soluciones actuales, es la banda ancha que comenzó como un

servicio de Internet para las empresas y corporativos del mundo. La creciente demanda originó que las redes alámbricas comenzaran a ser obsoletas y viejas, pero no por la creciente mercadotecnia dejan de ser eficientes. La solución fue adoptar para algunos dispositivos las redes inalámbricas, y transmitir solo datos de forma de descarga a disco duro. A pesar de que la gama de audiencia por Internet es más amplia y esta a nivel mundial. Comenzó la necesidad de abastecer la creciente demanda a los dispositivos móviles portátiles, como PDA, Laptop y celulares. Dando origen a las redes 3G y el estándar IEEE 802.11 denominado comercialmente como WiFi (Wireless Fidelity) la primera como una solución de red de área metropolitana y la segunda como red de área local.

Debido a la estructura y la solución que ofrecía WiFi, fue adoptada para

ambientes inalámbricos internos como una alternativa al cableado estructurado de redes y con capacidad NLOS (Sin línea de visión directa) de muy pocos metros. Lo cual para ámbitos de radiodifusión, no logra cubrir las expectativas que se requieren. Dando paso a la nueva tecnología ó estándar IEEE 802.16 denominado comercialmente como WiMax.

http://es.wikipedia.org/wiki/Descarga_de_archivos

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo_inform%C3%A1tico


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La mejor solución para la radiodifusión es una red combinada de WiFi e implementación WiMax, ya que ofrece una solución más eficiente en base a costos y cobertura que una sola implementación exclusiva de antena direccional de WiFi o WiMax. Sin embargo la evolución de Wimax ofrece diferentes estándares que proporcionan una mejora continua en las redes inalámbricas.


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ESTADO DEL ARTE

Los medios de comunicación cada día son más indispensables y debido a ello es indispensable crear la tecnología necesaria para poder sustentar la creciente demanda que se generan. Debido a que la audiencia cada día está en constante movimiento y sus actividades requieren tecnología portátil y con facilidad de movilidad.

En países como España cuna del desarrollo en WiMax ya se ha implementado

tanto experimental como comercialmente en la mayor parte de los municipios con el operador global de telecomunicaciones "Euskaltel", tanto para voz como para datos. En febrero del 2007 el gobierno ofrece subvenciones para la instalación, de modo que donde no llega la línea de cobre tradicional, WiMax sí lo logra. En otra ciudad de España también se comercializa WiMax tanto para voz, datos y televisión. Las conexiones WiMax de forma comercial en la ciudad de Sevilla se usan por el operador Instanet (Clearwire). Logrando cubrir toda Andalucía. En la costa alicantina lo ofrece una empresa privada: el operador de telecomunicaciones Marin Telecom ofrece a través de su red WiMax Aeromax con una superficie de cobertura actual de 2000 km² de varias modalidades de banda estrecha hasta banda ancha de hasta 34 Mbps y también línea de voz / fax a través del mismo sistema en el Vinalopó Mitjà, Baix Vinalopó y Vega Baja.

En la localidad valenciana de Ontinyent, OSF Xarxa de Telecomunicaciones

ofrece WiMax de hasta 1 Mbps simétrico. La empresa Neomedia ha realizado los proyectos con infraestructura WiMax

sobre banda de uso común que soporta más tráfico; el Ayuntamiento de Alcorcón dispone de una red WiMax formada por más de 70 Radio enlaces con soporte a más de 100 cámaras, agregando un total aproximado de 1,5 Gbps en la banda de 5 GHz.

La visión de latinoamérica con respecto a WiMax ha crecido, favoreciendo las

diversas ramas de la ingeniería en comunicaciones. Los aspectos a nivel nacional comienzan con la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) y la Comisión Federal de Telecomunicaciones (COFETEL) evaluando la posibilidad de sumar licitaciones de las bandas de 800 MHz y 2,5 MHz a las subastas de espectro pautadas para el año 2008. COFETEL habría recibido para entonces solicitudes de espectro por parte de los operadores, especialmente para los servicios de radiocomunicaciones y banda ancha inalámbrica. Intercom del Pacífico, Multivisión y Ultravisión son algunas de las empresas que están interesadas en estas frecuencias, según el regulador.

En el programa oficial de licitaciones para 2008 publicado por la SCT en

octubre del año 2007 figuran, entre otras, las subastas de espectro en las bandas de 1900 MHz y 1700 MHz – 2100 MHz –aptas para tercera generación (3G)-, y 3,4 GHz a 3,7 GHz (ideales para WiMax).


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El sector público para WiMax a nivel nacional se ve atrasado con respecto al sector privado, causando cierta ventaja para este sector, tal es el caso de Televisa y Cablevisión que iniciaron pruebas piloto de Internet inalámbrico en algunas zonas del Distrito Federal de México. Cablevisión utiliza la tecnología Metro WiFi, mientras que Telmex emplea el estándar WiMax.

De acuerdo con el diario ―El Universal‖, la compañía Grupo Televisa en base a

los resultados de las pruebas piloto, decidirá si expanden el servicio al resto de la ciudad de México. Para cubrir la zona metropolitana, Cablevisión precisa 400 antenas. Que a través de su empresa de cable Cablevisión, presenta una oferta por una licencia para operar una red WiMax en el país, según expresó Ignacio Gallardo, director financiero de la división de cable de Televisa, a la cadena Bloomberg Television. El interés de Cablevisión en WiMax es conocido desde hace tiempo, así como la importancia que tiene el mercado de telecomunicaciones para el grupo Televisa.

Cablevisión, que cerró diciembre con 9.000 clientes de telefonía, espera elevar este número a 40.000 para fines de 2008. La empresa espera que la implementación de la portabilidad favorezca sus objetivos, de acuerdo con Gallardo. Aunque aún no hay precisión en la fecha, el mercado espera que el Estado mexicano subaste licencias WiMax durante el transcurso de este año.

El ámbito más grande en telecomunicaciones tanto a nivel nacional y

Latinoamérica es la telefonía móvil, por tal este mercado comienza a adoptar la tecnología WiMax entre Motorola y Axtel, desplegando esta tecnología en su versión móvil con equipos de Motorola. La compañía espera lanzar servicios de voz y datos con esta red entre finales de 2008 y principios de 2009. El operador lanzará con tarjetas para PC, dispositivos USB y con equipos que también integran a la tecnología WiFi. Según algunos medios de comunicación locales, el despliegue ya se habría iniciado en las ciudades de Monterrey, Guadalajara y Puebla.

Los avances en la tecnología WiMax prosperan a niveles nacionales e

internacionales, desde el sector privado hasta el Forum WiMax que se encarga de las certificaciones, licitaciones y estándares que deberá de tener tal tecnología. Muestra de estos avances y de la importancia del Forum WiMax, es la certificación de los primeros

equipos de categoría ―e ― referido al estándar IEEE 802.16e a nivel internacional beneficiando con esto a cuatro estaciones base y cuatro dispositivos que operan en la banda de los 2,3 GHz que han recibido ya la certificación como equipos WiMax móvil. Las empresas que han recibido estas certificaciones son: POSDATA, Runcom Technologies, Samsung Electronics, LTD y Sequans Communications. Ron Resnick, presidente del WiMax Forum, recomendó a la industria estar atentos, pues en los últimos meses del año 2008 se certificarían los primeros equipos en la banda de los 2,5 GHz.


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C A P Í T U L O 1

1.1. DIFUSIÓN DE CONTENIDO MULTIMEDIA EN REDES IP

Internet se ha convertido en el factor más significativo que guía el proceso de

convergencia. Esto se debe principalmente al hecho de que el conjunto de protocolos que conforman Internet se ha empleado como un estándar en casi cualquier servicio. Y por simple razón están compuestos principalmente por el protocolo de red IP, y el protocolo de control del transporte TCP.

1.1.1. Redes IP Una red IP son redes que utilizan los protocolos TCP/IP para su funcionamiento.

La familia de protocolos TCP/IP permite la comunicación entre diferentes tipos de ordenadores con independencia del fabricante, red a la que se encuentren conectados y sistemas operativos utilizados.

Las redes IP se caracterizan por haber sido construidas siguiendo un esquema

de capas (layers). Cada capa es la responsable de cada una de las diferentes facetas de la comunicación.

1.1.2. Capas relevantes del modelo OSI

Aplicación, transporte, red y enlace

La capa de enlace, también denominada la capa de datos, incluye los mecanismos que permiten al sistema operativo enviar y recibir información a través de la red a la que se encuentra físicamente conectado (Ethernet, RDSI…).

La capa de red también denominada capa de Internet es la encargada de mover

los paquetes de información a través de las diferentes redes para llegar a su destino. En esta capa encontramos los protocolos de más bajo nivel, destacando el IP.

La capa de transporte es la encargada de proporcionar un flujo de datos entre

dos ordenadores. Este flujo de datos puede ser fiable (TCP) o no fiable (UDP). La capa de aplicación es la encargada de manejar los detalles particulares

relativos a las diferentes aplicaciones que utilizará el usuario. Este sistema permite una independencia entre las diferentes capas y obliga a

que la comunicación entre dos ordenadores se realice mediante una comunicación entre las capas del mismo nivel de los dos ordenadores. La comunicación en Internet se produce mediante el intercambio de paquetes de información entre los distintos


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ordenadores. Estos paquetes de información (también denominados data gramas) viajan por los diferentes routers que están conectados a Internet hasta que alcanzan su objetivo o son descartados por algún motivo.

1.1.3. Protocolo de Internet

El protocolo de Internet es el protocolo de comunicación de red principal. Los otros protocolos de la capa de red sirven para el control de los routers o enrutadores de la red y para configurar las conexiones. El IP tiene un inconveniente; es un sistema de entrega poco fiable.

- La latencia de la red es variable. - Los paquetes pueden llegar en un orden diferente al orden de transmisión.

- Los paquetes se pueden perder.

1.1.4. Protocolo TCP

Los problemas mencionados en apartados posteriores, son corregidos por las aplicaciones y protocolos de capas altas. El más conocido, se encuentra en la capa de transporte. El protocolo de Control de Transporte (TCP).

Una de las grandes fuerzas del TCP es su fiabilidad. La protección contra el error

que lleva incorporada, hacen de él un protocolo excelente para la entrega de datos de propósito general, pero la forma en la que se implementa demuestra que es una desventaja para las aplicaciones de streaming.

1.1.5. Redes de conmutación de paquetes y de conmutación de circuitos

Un atributo fundamental que afecta el diseño del sistema de streaming es si la

red es de conmutación de circuitos o de paquetes. Las redes de conmutación de paquetes como Ethernet e Internet son redes compartidas donde los paquetes de datos pueden presentar demoras variables, llegar fuera de orden o directamente no llegar. Por otro lado, las redes de conmutación de circuitos como la RTC (red telefónica) reservan recursos y los datos tienen demoras fijas, llegan en orden, aunque pueden llegar corruptos.

1.1.6. Compresión de vídeo / audio

Dado que el vídeo en bruto requiere un ancho de banda considerable se hace necesario realizar una compresión del mismo previa a la transmisión a los efectos de lograr eficiencia ya que el medio donde se quiere aplicar este proyecto no permite grandes anchos de banda.

La compresión de vídeo se consigue mediante la explotación de las semejanzas

o redundancias que existen en una señal de vídeo típica. Los cuadros consecutivos de


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una secuencia de vídeo exhiben redundancia temporal dado que generalmente contienen los mismos objetos con algún pequeño movimiento entre cuadros. En un cuadro en particular encontraremos redundancia espacial, dado que las amplitudes de los píxeles cercanos generalmente están correlacionadas.

Otra meta de la compresión de vídeo es reducir la información irrelevante en la

señal de vídeo. Esto significa que el sistema codificará características que tengan importancia perceptiva y no gastará valiosos bits en información que no pueda ser percibida o que sea irrelevante.

Tabla 1.1 comparativa de la compresión de audio

Audio

Datos Compresión del sector (según el

contenido)

Windows Media (Segun el contenido)

Ahorro en la compresión

2 canales x 48 kHz x 20 bits

Dolby Digital a 2.0 a 220 kbps

WMA Pro a 128 kbps 1,7:1


Dolby Digital a 5.1 a 384 kbps

WMA Pro a 192-256 kbps 1,5-2:1


DTS 5.1 a 1.536 kbps WMA Pro a 768 kbps 2:01

1.1.6.1. Escalabilidad y Codificación escalable

Los métodos de codificación basados en el contenido y en la forma de onda buscan optimizar la eficiencia del proceso de codificación para un bit rate fijo. Esto es un problema cuando múltiples usuarios intentan acceder al mismo material de vídeo a través de diferentes conexiones.

Por ejemplo, un vídeo codificado a 1,5 Mbps puede ser bajado en tiempo real

para su visualización en un terminal conectado con banda ancha, pero no un terminal conectado a 56 Kbps porque no podrá recibir suficientes bits a tiempo como para mostrar la secuencia en tiempo real.

La escalabilidad se refiere a la capacidad de recuperar información desde

imágenes o vídeo que tengan un significado físico mediante la decodificación de secuencias de bits con información parcial. Si el vídeo es escalable, el usuario conectado mediante banda ancha vería el vídeo a la calidad completa mientras que el que se conecta a 56 Kbps podrá bajar un subconjunto de la secuencia y verá una presentación de menor calidad. Un flujo escalable puede ofrecer la capacidad de adaptación para niveles de error variable en el canal y capacidad de procesamiento desigual en los receptores. Los avances hacia la convergencia de tecnologías inalámbricas, Internet y multimedia le dan a la escalabilidad un rol preponderante para proporcionar acceso al medio sin importar desde donde se hace la conexión.


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Los codificadores escalables pueden tener granulado grueso o granulado fino. Cuantos más bits se retengan, mayor será la calidad de la imagen reconstruida.

La codificación escalable se consigue usualmente suministrando versiones

múltiples de un vídeo en términos de su resolución de amplitud, resolución espacial, resolución temporal, resolución en frecuencia o una combinación de estos tipos.

Este tipo de codificación es efectivo en redes como en las que se estudia aplicar

este proyecto ya que hay usuarios con diferentes anchos de banda y esta codificación permite que se pueda visualizar la sesión con diferentes calidades dependiendo de la conexión de usuario.

1.1.7. Protocolos de tiempo real

Se han desarrollado diferentes protocolos para facilitar el streaming en tiempo real de contenidos multimedia. Streaming significa que la velocidad media de frame del vídeo que se ve en el reproductor es dictada por la velocidad de frame transmitida.

La velocidad de entrega tiene que ser controlada para que los datos del vídeo lleguen justo antes de que éstos sean requeridos para la proyección en el reproductor.

1.1.7.1. Protocolo de transporte para aplicaciones de tiempo real (RTP)

El Protocolo de Tiempo Real (RTP) es un protocolo de transporte que fue desarrollado para los datos streaming. RTP incluye campos de datos extra que no están presentes en TCP. Permite el control del servidor para que el flujo de datos (stream) del vídeo sea servido a una velocidad correcta para la proyección en tiempo real. Entonces, el reproductor utiliza estos campos RTP para reunir los paquetes recibidos en el orden y velocidad de reproducción correcta.

1.1.7.2. Protocolo de control de tiempo real (RTCP) RTCP es usado junto a RTP. Ofrece a cada participante de la sesión RTP

información de vuelta que puede ser usada para controlar la sesión. Los mensajes incluyen informes de recepción, incluyendo el número de paquetes perdidos y las estadísticas de las perturbaciones (llegadas tempranas o retrasadas).

Esta información puede ser potencialmente utilizada por aplicaciones que se

encuentran en capas superiores para poder modificar así la transmisión. Por ejemplo, podría cambiarse la velocidad de bit del flujo de datos (stream) para contrarrestar así la congestión de la red. Este protocolo es de gran utilidad ya que en este proyecto estamos hablando de un cierto número de usuarios conectados a un servidor, dependiendo de este número la calidad del stream puede ser mayor o menor y de esta manera la velocidad del bit del servidor varía automáticamente.


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1.1.7.3. Protocolo RTSP (Real-Time Streaming Protocol)

Es un protocolo de nivel de aplicación, utiliza como protocolo de transporte el TCP, soportando la recepción de información multimedia desde un servidor multimedia desde donde un cliente puede solicitar que el servidor le transmita información. Añade flujo multimedia a una presentación ya existente.

Es un protocolo que establece y controla uno o varios flujos sincronizados de

información multimedia continua como audio y vídeo. Difiere en ciertas cuestiones importantes con HTTP: RTSP es un protocolo de

estado a diferencia de HTTP; tanto los servidores como los clientes RTSP pueden realizar peticiones; los datos son transportados mediante un protocolo diferente (datos transportados fuera de banda); la Request-URI siempre contiene una URI absoluta.

También tiene similitudes con HTTP: Formato de las peticiones / respuestas;

códigos de estado; mecanismos de seguridad; formato de la URL; negociación de los contenidos; su sintaxis es muy similar.

Tiene la propiedad de multiservidor. Cada flujo dentro de una presentación puede

residir en un servidor distinto, por ejemplo el flujo de vídeo y el de audio, en una presentación multimedia, pueden estar en servidores diferentes.

Fig. 1.1 Transiciones de RTSP[1]

Las transiciones utilizadas por RTSP son:

SETUP: Hace que el servidor reserve los recursos necesarios para comenzar la transmisión del flujo y da comienzo la sesión RTSP.


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PLAY y RECORD: Inicia la transmisión de datos una vez los recursos han sido reservados con SETUP. PAUSE: Provoca una parada temporal en el envío de datos, pero no libera los recursos asociados a la sesión. TEARDOWN: Para la transmisión si el servidor está transmitiendo y libera los recursos asociados al flujo.

1.1.8. Protocolo de Data gramas de Usuario (UDP)

El medio streaming necesita un protocolo de transmisión que pueda ignorar los errores de datos. Tal protocolo es el Data gramas de Usuario (UDP). Este es usado como protocolo de transporte para varios protocolos de la capa de aplicaciones, fundamentalmente el Sistema de Archivos de Red (NFS), el Protocolo de Manejo de Redes Simples (SNMP) y el Sistema de Nombres de Dominio (DNS).

El UDP no tiene ni la corrección de errores, ni el control de flujo del TCP, por lo

tanto esta tarea tiene que tratarla una aplicación que se encuentra en una capa superior de la pila. Eso, sin embargo, conlleva una suma de verificación de los datos de carga. Los reproductores pueden a menudo ocultar los errores de datos del vídeo.

1.2. STREAMING

El audio / vídeo puede ser capturado y codificado en tiempo real o puede ser codificado previamente y guardado para una visualización posterior. En muchas aplicaciones el contenido de audio / vídeo es codificado previamente y almacenado para su posterior visualización, lo que puede ser hecho de forma local o remota.

El audio / vídeo codificado previamente tiene la ventaja de no poseer

restricciones de tiempo real. Esto permite la implementación de una codificación más eficiente, como la de múltiples pasadas utilizadas en los DVD. Por otro lado la flexibilidad es limitada, ya que el vídeo previamente codificado no puede adaptarse a los canales de bitrate variable o a los clientes que tienen capacidad de visualización diferente a la originalmente codificada.

Como el caso de este proyecto es la difusión de sesiones en directo, trataremos

más a fondo la codificación en tiempo real. También hay que tener en cuenta las variaciones significativas de las características del canal de comunicación como puede ser el ancho de banda, las demoras y las pérdidas si son estáticas o dinámicas; ya que la aplicación que se va a desarrollar al ser utilizada en una intranet puede encontrarse con diferentes tipos de conexiones.


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1.2.1. Diferencia entre streaming y descarga

La descarga era la forma normal de recibir archivos sobre Internet. Solemos pedir una página web y después esperar un periodo indeterminado mientras todos los archivos de la página se descargan al navegador web para representarlos.

La recarga de una página no supone requerimientos especiales para una red de

banda ancha. Una red de gran ancho de banda permitirá una entrega rápida. En el caso de la descarga y reproducción, ese es el caso de la descarga de una página web, se hará el máximo esfuerzo por descargar tan rápido como el canal IP lo permita. Por lo tanto, un clip de 30 segundos codificado a 56kbps tardará al menos 1 minuto sobre un módem por línea telefónica normal a 28kbps, o podría tardar menos de 2 segundos sobre una conexión de alta velocidad a 1 Mbps.

Un archivo streaming tiene que ser codificado a una velocidad de datos que el

circuito permita entregar. Si se desea realizar streaming a módems analógicos, entonces se tiene que codificar a 28Kbps. Encontrándose el usuario que tiene una conexión más rápida con un problema a la hora de recibir el streaming.

La solución adoptada por las primeras arquitecturas de códec es codificar varias

copias del clip a velocidades de bit diferentes. El servidor y el reproductor negocian para seleccionar el archivo óptimo según las condiciones predominantes de la red y el ancho de banda disponible. Esto soluciona el problema, pero a un precio. Se tiene que realizar la codificación varias veces y en los servidores de contenido se necesita un espacio adicional.

1.2.2. Descarga progresiva y Streaming

La descarga progresiva es un paso intermedio entre la descarga y la reproducción y el streaming verdadero. En lugar de esperar a que el archivo completo se descargue al disco local antes de su reproducción, el archivo puede ser abierto mientras el resto aún se está descargando.

La diferencia respecto al streaming es doble. La primera es que el servidor no

está entregando al archivo en tiempo real, por lo tanto, el reproductor puede quedarse sin material si la transferencia es más lenta que la velocidad codificada. Si el reproductor alcanza el nivel de descarga, la pantalla se vuelve negra, no hay nada que hacer, solamente esperar a que se descargue otra parte del archivo.

La segunda diferencia es que el archivo entero es almacenado localmente en el

reproductor. Esta solución de descarga progresiva no es la idónea para el marco en el que se quiere aplicar este proyecto ya que hay otra solución más adecuada como es el streaming.


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1.2.3. Arquitectura de un sistema video / audio streaming

Un sistema de vídeo streaming consta de siete bloques que se muestran en la Fig. 1.2. Los datos de vídeo y audio en bruto son pre-comprimidos por compresión de vídeo y de audio y luego guardados en dispositivos de almacenamiento.

A petición del cliente, el servidor de streaming recupera datos de audio / vídeo

del almacenamiento y el módulo de control de QoS y capa de aplicación adapta los flujos de bits al estado de la red y los requerimientos de QoS. Después los protocolos de transporte convierten los flujos de bits comprimidos en paquetes y envían estos sobre Internet o redes IP.

Fig. 1.2 Bloques de sistema de audio / video streaming[1]

Puede ocurrir que haya paquetes descartados o con retardos significativos debido a la congestión. En Internet se utilizan servicios continuos de distribución de medios para mejorar la calidad de la transmisión. Para conseguir una sincronización entre el audio y el vídeo se requieren mecanismos de sincronización de medios.

Los bloques principales de la arquitectura se pueden resumir en cuatro

componentes. Ver Fig. 1.2.

Captura y codificación / compresión.

Prestación de servicio.

Distribución y entrega.

Reproductor.


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1.2.4. Control de QoS en la capa de aplicación para streaming

Este control se realiza para maximizar la calidad del vídeo cuando ocurren pérdidas de paquetes o cambios en el ancho de banda disponible. Las técnicas utilizadas incluyen el control de congestionamiento y el control de error. Esas técnicas se emplean por los sistemas finales y no requieren soporte de QoS en los routers o las redes.

UDP y RTSP desempeñan entregas de paquetes de servidor a cliente con una

velocidad mucho mayor a la que se obtiene por TCP y HTTP. Esta eficiencia es alcanzada por una modalidad que favorece el flujo continuo de paquetes. Cuanto TCP y HTTP sufren un error de transmisión, siguen intentando transmitir los paquetes perdidos hasta conseguir confirmación de que la información llegó en su totalidad. Sin embargo, UDP continúa mandando los paquetes sin tomar en cuenta interrupciones, ya que en una aplicación multimedia estas pérdidas no siempre son imperceptibles, pero en una reproducción audiovisual no puede hacerse nada más.

Los paquetes que contienen el contenido, debido a que son distribuidos en un

flujo de bits más o menos constante, pueden ser leídos, examinados y procesados mientras van descargándose.

Las entregas de paquetes de servidor a cliente pueden estar sujetas a demoras

conocidas como lag, un fenómeno ocasionado cuando los paquetes escasean (debido a interrupciones en conectividad o sobrecarga en el ancho de banda). Por lo tanto, los reproductores multimedia precargan o almacenan en el buffer, los datos que van recibiendo para así disponer de una reserva de contenido destinada para reproducirse durante un lag.

1.2.5. Creación de un flujo de streaming Para poder crear un flujo de datos a partir de una señal de vídeo y audio, se

requieren cuatro pasos:

1.2.5.1. Identificación del origen

Emisión en directo o tiempo real.

Petición de archivos bajo demanda, en la que el material se procesa sin conexión antes de poder ser visualizado vía Internet.

1.2.5.2. Codificación del archivo

En esta fase, el material se digitaliza y se comprime. El vídeo y el audio se comprimen para reducir el espacio ocupado en disco. En la compresión se pierden


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datos pero no los suficientes como para que el vídeo no se vea con calidad. Este proceso lo realizan los codecs.

Algunos formatos de compresión son: mpeg (formato pionero), asf (formato de

Microsoft), rm (formato de Real Network), mov (Quick Time), etc.

1.2.5.3. Transmitir los flujos de datos o almacenarlos en el servidor

Si se trata de una difusión, los flujos de datos codificados se envían

directamente. En caso contrario, los archivos codificados se guardan en un servidor de streaming o simplemente en un servidor Web.

Los servidores de streaming ofrecen mayores prestaciones que los servidores

web, como por ejemplo, mandar un archivo con mayor o menor calidad dependiendo de la velocidad de la línea. No obstante, si no se desean altas prestaciones con un servidor web es suficiente.

1.2.5.4. Receptor y reproductor streaming

En principio, la distribución es simple. Mientras haya conectividad IP entre el servidor y el reproductor / cliente los paquetes demandados llegan al reproductor. Pero en la práctica no es tan sencillo. Sin duda puede haber errores de visualización. El problema es que Internet no fue originalmente diseñada para soportar flujos de datos (streams) continuos sobre conexiones constantes. Es básicamente un sistema de paquetes conmutados para datos asíncronos.

Diferentes avances están ayudando a las mejoras de la calidad de entrega.

Primero, se ha aumentado el ancho de banda, ya sea a través del cable módem o ADSL. Se utilizan rápidos traslapes en Internet para proveer enrutamiento inteligente de contenido. Los protocolos de calidad de servicio ayudan a diferenciar el tráfico prioritario.

El problema que se puede encontrar en la medida en que la calidad mejore es que cada vez más compañías utilizarán streaming. Esto creará más tráfico y congestión potencial.

1.2.5.5. El reproductor de streaming

Un navegador web normal sólo puede representar texto e imágenes en formatos JPEG, GIF, etc. Se necesita un reproductor especial para representar archivos streaming. Los reproductores normalmente son suministrados como descargas libres o son preinstalados con el sistema operativo.

El reproductor puede ser usado como un plug-in en un navegador web. La

alternativa es utilizar un reproductor autónomo. Estos reproductores se han


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desarrollado dentro de los portales, con navegación o material muy conocido y a menudo ofreciendo un único contenido específico para una arquitectura determinada.

La descarga y reproducción es lo que el propio nombre indica. El archivo es

descargado al disco duro. Una vez que el archivo completo ha sido entregado, el reproductor puede reproducir el archivo localmente. Por el contrario, el streaming es procesado trozo a trozo de manera que llega y se representa directamente en el monitor, después los datos se descargan. Por lo tanto, no hay espera, si no le gusta lo que ve puede dejar el Stream inmediatamente.

1.2.5.6. Reproductor (Player)

Para visualizar el flujo de datos: para poder recibir y ejecutar los archivos de streaming a través de Internet, el cliente sólo tiene que disponer de un sencillo software, un códec y un reproductor.

Este reproductor se encarga, en caso necesario, de realizar la petición del

archivo al servidor. Posteriormente, se encargará de reproducir los flujos de streaming. El proceso es el siguiente: el reproductor comienza a recibir el fichero y

construye un buffer donde empieza a guardar la información. Cuando se ha llenado el buffer con una pequeña parte del archivo, el reproductor lo empieza a mostrar y a la vez continúa con la descarga. El sistema está sincronizado para que el archivo se pueda ver mientras se va descargando, de modo que cuando ha terminado de descargarse también ha acabado de visualizarse.

Si en algún momento la conexión sufre descensos de velocidad se utiliza la

información que hay en el buffer, de modo que se puede soportar un poco ese descenso. Si la comunicación se corta demasiado tiempo, el buffer se vacía y la ejecución del archivo se cortaría también hasta que se restaurase la señal.

Existen actualmente en el mercado varios reproductores multimedia, siendo los

más importantes el Real player de Real Networks y, sobre todo por su gran difusión, el Media Player de Microsoft.

1.2.6. Streaming por Internet (realtime, streaming protocol) Todo sistema de streaming viene definido por una codificación y un sistema de

transporte. La codificación puede ser MPEG-1, MPEG-2, Real, MPEG-4, QT,...Como protocolo de transporte UDP (Unicast o Multicast).

Los contenidos pueden estar almacenados en un servidor (vídeo bajo demanda)

o bien crearse en el mismo momento de su difusión (emisiones en directo). A continuación se muestra un gráfico con la arquitectura básica de todo sistema de streaming.


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Fig. 1.3 Arquitectura básica de un servicio streaming[3]

1.2.7. Streaming Unicast

La mayoría de archivos de audio y video que se ven desde el ordenador, sea cual sea el reproductor que se utilice (Real, Windows Media), proviene de un servicio UNICAST. Este servicio consiste en un servidor que envía paquetes de datos a cada PC que solicita un Stream.

Unicast es una buena opción para recibir transmisiones en vivo, pero tiene sus

desventajas; el servidor debe enviar el flujo de datos individualmente a todo aquel que quiere recibir la transmisión. Si el conjunto de clientes que están recibiendo el Stream es pequeño, no ofrece mayor inconveniente; pero si se trata de difundir un material a miles de usuarios deberán considerarse entonces dos inconvenientes con el proceso Unicast.

Fig. 1.4 Servidor enviando paquetes de datos[1]


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1.2.7.1. Demasiadas peticiones

Con Unicast el servidor tiene que procesar cada solicitud de Stream y despacharla. Cada Stream toma una pequeña porción de poder de procesamiento del servidor. Si se reciben muchas solicitudes el servidor no podrá sostener la sobrecarga y muchas personas no podrán recibir la transmisión.

1.2.7.2. Demasiados paquetes

El segundo problema con Unicast, y un gran número de solicitantes simultáneos de Stream, es que una serie separada de paquetes de datos debe ser enviada a cada persona. Incluso si el servidor pudiera hacer esta tarea, el número de paquetes de datos en tránsito haría ―flooding‖, es decir, inundaría el sistema entero haciendo que la transmisión se torne muy lenta, o hasta se detenga. Considerando que a mayor cantidad de transmisión (por ejemplo, un evento en vivo que dure una hora) los paquetes pueden desbordar la red.

1.2.8. Streaming Multicast

Multicast utiliza una nueva forma de enrutamiento en redes. En vez de enviar streams desde un solo servidor a un solo cliente, Multicast envía una serie de paquetes que puede ser recibida por cualquiera, desde diversos puntos de distribución.

Multicast permite un procesamiento estable del streaming en el servidor y alivia

el tráfico en la red. Multicast hace su trabajo de transmisión de manera similar a como funcionan los canales de televisión o las estaciones de radio: El archivo de audio / video se emite desde la estación hacia los servidores conectados a la red, quienes se encargan de distribuir el Stream a los usuarios. Cuando el espectro de usuarios se extiende, se agregan servidores.

Fig. 1.5 Servidor enviando paquetes de datos[3]


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Multicast envía una sola copia de los datos a los clientes que lo han solicitado, permite implementar aplicaciones multimedia en la red y minimizar al mismo tiempo la demanda de ancho de banda de estas aplicaciones.

Fig. 1.6 Tráfico de difusión MULTICAST / UNICAST[3]

1.2.8.1. Recibiendo Multicast

Debido a que Multicast es transmisión por envío de una serie de paquetes de datos, no hay una manera sencilla de que el reproductor solicite un paquete de datos para que sea enviado de nuevo. Esto quiere decir que algunos paquetes se perderán, incluso antes de que el usuario pueda notarlo debido en parte a la manera en que el reproductor codifica los archivos.

Multicast todavía no ha reemplazado a Unicast en Internet porque algunas partes

de Internet no han sido conectadas a routers que entiendan el proceso Multicast. La mayoría de los nuevos routers pueden manejar Multicast eficientemente, pero algunos países usan tecnología obsoleta que no está preparada para la transmisión Multicast.

Del lado del usuario, la mayoría de las tarjetas de red en los equipos más

recientes también entienden el funcionamiento de Multicast. Sin embargo existe un área donde Multicast se está haciendo popular: las intranets. Debido a que el equipamiento tecnológico de las compañías está modernizado (en términos generales) es posible interconectar muchos equipos donde es posible trabajar con Multicast.

1.2.8.2. Enrutamiento Multicast

Los enrutadores de la red y los protocolos que estos ejecutan llevan a cabo la mayor parte del trabajo necesario para permitir Multicast.

En la actualidad, se usan varios protocolos de enrutamiento de Multicast: el

protocolo de enrutamiento de Multicast por vector de distancia (DVMRP), el protocolo de abrir primero la ruta de acceso más corta de Multicast (MOSPF) y el Multicast independiente de protocolo (PIM).


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La tarea de estos protocolos es crear rutas de entrega de Multicast eficaces a través de la red. Los protocolos de enrutamiento de Multicast utilizan distintos algoritmos para lograr esta eficacia.

1.2.8.3. Ruta de los datos Multicast

Una ruta de entrega eficaz implica que los datos de Multicast viajen únicamente a los clientes que desean recibirlos y que usen la ruta de acceso más corta a esos clientes. Si los datos viajan a cualquier otro lugar a través de la red, estarán usando un ancho de banda innecesario.

Puede imaginarse la red como una estructura de árbol. El origen de Multicast

envía los datos a través de las ramas del árbol. Los routers son los responsables de enviar los datos por las ramas correctas a los otros routers y a las subredes en las que los miembros de un grupo están esperando los datos. Los routers cortan las ramas en las que nadie desea datos y las vuelven a insertar en el árbol cuando un cliente de una nueva subred se une al grupo.

1.3. Servidor streaming

1.3.1. Implementación del servidor

Un servidor habitual utilizado para la entrega de contenido multimedia es el servidor web. Utilizan HTTP para entregar páginas HTML y sus archivos de imágenes asociados.

Los archivos son descargados al caché del navegador web tan rápido como el

sistema lo permita. TCP incorpora control de flujo para gestionar la velocidad de descarga. En el caso de la entrega, la velocidad no está predeterminada. TCP aumentará la velocidad de datos hasta que la pérdida del paquete de red indique que la red está congestionada. En este punto la velocidad se deja a un lado. Otra restricción es la memoria intermedia (buffer) de recepción.

El receptor procesa los paquetes según llegan. Si los datos llegan demasiado

rápido, el buffer de recepción se desbordará. El receptor envía mensajes al transmisor para bajar la velocidad y para hacer que el buffer no se llene.

En este proyecto, al tratar una aplicación con contenido multimedia que se quiere

transmitir en directo (streaming), se va a utilizar un servidor de streaming que mejora las características de los servidores web para este tipo de aplicaciones.

Por ejemplo si se codifica un Stream a mayor velocidad que la que proporciona la

red del usuario, el reproductor se quedaría sin datos, por lo tanto se pararía el vídeo. Esta es una de las características que con el servidor que se ha elegido se puede solucionar, codificando a varias velocidades, para después seleccionar automáticamente la velocidad óptima para las condiciones de propagación.


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Otras funciones adicionales del servidor streaming sobre un servidor web

estándar:

Control de flujo en tiempo real

Alternancia / conmutación inteligente del Stream

Navegación interactivo del clip

1.3.2. Características del servidor de aplicación

El ProLiant DL380 G4 incorpora procesador Intel con tecnología EM64T, FSB a 800 MHz y HT.

Protección de la memoria con ―Online Spare Memory‖, slots PCIX hotplug, Smart Array 6i con BBWC, discos duros U320 SCSI hot-plug, tarjeta de puerto dual Gigabit Ethernet integrada en placa.

Configurar y mantener este sistema es más sencillo. Dispone de gestión remota por defecto gracias a la iLO(integrated Lights Out) incorporada.

Incorpora Procesador Intel Xeon 3.4 GHz, Memoria estándar 1 GB, Caché 1 MB y Formato Rack (2U).

Almacenamiento: Almacenamiento interno máximo: 880.8 GB (6 discos Ultra320 SCSI hot-plug de 146.8 GB).

Tarjeta de red de puerto dual NC7782 PCI-X Gigabit 10/100/1000 WOL. Sistemas Operativos Soportados: Microsoft Windows 2000 Server,

Microsoft Windows Server 2003, Novell NetWare, LINUX (Red Hat, SuSE),SCO UnixWare OpenServer.

1.4. Codificación, codecs y arquitectura de códec

Como modos de difusión

1.4.1. Codificación

La solución ha sido optar por su transmisión mediante Windows Media encoder, que está preparado para transmitir vídeo y audio streaming con diferentes calidades tanto el vídeo como el audio. También se puede transmitir en directo o un archivo como origen en la misma sesión.

El Codificador de Windows Media permite codificar contenido de audio y vídeo a

una velocidad de bits constante (CBR, Constant Bit Rate) o variable (VBR, Variable Bit Rate). Anexo Codecs Windows Media Encoder.


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1.4.1.1. Codificación CBR

La codificación CBR ofrece mejores resultados al trabajar con la transmisión por secuencias. En ella, la velocidad de bits se mantiene bastante constante y similar a la velocidad de bits final durante toda la secuencia, dentro de un período reducido determinado por el tamaño del buffer.

La desventaja es que la calidad del contenido codificado no es constante. Dado

que algunos fragmentos del contenido son más difíciles de comprimir que otros, algunas partes de una secuencia CBR son de menor calidad.

Además, la codificación CBR proporciona una calidad desigual de una secuencia

a otra. En general, las variaciones en la calidad son más pronunciadas al utilizar velocidades de bits inferiores.

1.4.1.2. Codificación VBR

La codificación VBR es más ventajosa cuando se codifica contenido que es una mezcla de datos simples y complejos. Por ejemplo, un vídeo que cambia entre cámara lenta y cámara rápida. Con la codificación VBR, se asignan automáticamente menos bits a partes menos complejas del contenido, dejando bits suficientes disponibles para producir una buena calidad para partes más complicadas. Esto significa que el contenido que tiene una complejidad consistente (por ejemplo, una noticia del telediario) no se beneficiaría de la codificación VBR. Cuando se utiliza con contenido mezclado, la codificación VBR produce un resultado codificado mejor, tratándose del mismo tamaño de archivo al compararlo con la codificación CBR.

En algunos casos, puede terminar obteniendo un archivo codificado mediante

VBR que tenga la misma calidad que un archivo codificado mediante CBR con la mitad de tamaño de archivo.

1.4.1.3. Opciones de modo de codificación

Con la codificación CBR, puede utilizar codificación de una sola pasada o dos pasadas. Dispone de tres opciones de codificación VBR: VBR basada en la calidad (1 pasada), según velocidad de bits (2 pasadas) y VBR según velocidad máxima de bits (2 pasadas). No todos los codecs admiten la codificación VBR o CBR de 2 pasadas.

1.4.1.4. Codificación de 1 ó 2 pasadas

El Codificador de Windows Media, puede efectuar codificaciones de 1 ó 2 pasadas, con codificación CBR o VBR. El modo de codificación VBR basada en la calidad es de 1 pasada, mientras que los modos de codificación VBR de 2 pasadas están basados en la velocidad de los bits y la velocidad máxima de bits.


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En la codificación de 1 pasada, el contenido pasa una vez a través del codificador y la compresión se aplica a medida que se encuentra el contenido.

En el caso de la codificación de 2 pasadas, el contenido se analiza en la primera

pasada y, a continuación, se codifica en la segunda pasada basándose en los datos reunidos en la primera. La codificación de 2 pasadas puede dar resultados de mejor calidad, ya que el codificador se toma el tiempo necesario para encontrar la combinación óptima de velocidad de bits, velocidad de cuadros, tamaño de buffer y calidad de imagen basándose en la composición de la escena. No obstante, tarda más tiempo ya que el codificador repasa el contenido dos veces.

La codificación de 2 pasadas no está disponible en las situaciones siguientes:

La secuencia se difunde.

Una misma sesión tiene varios orígenes.

El origen está configurado en bucle.

En la secuencia se incluyen secuencias de comandos.

El contenido del origen proviene de dispositivos, a menos que haya habilitado el control de dispositivos.

Así mismo, la codificación de 2 pasadas sólo está disponible con determinados

codecs.

1.4.2. Codecs de código abierto

MPEG1, uso primario video-CD, web. Buena calidad de imagen en ventanas pequeñas. Los codificadores por hardware permiten la compresión en tiempo real. La compresión por software es lenta.

MPEG2, uso primario TV, DVD y aplicaciones de vídeo de alta calidad y flujo

elevado de datos. Basado en MPEG1, pero está optimizado para flujos elevados de datos y calidad de imagen escalable.

H.264, o MPEG-4 parte 10, es un códec digital de alta compresión.). El estándar

ITU-T H.264 y el estándar ISO/IEC MPEG-4 part 10 (formalmente ISO/IEC 14496-10) son técnicamente idénticos, y la tecnología es conocida también como AVC (codificación de video avanzada).

Estándar que es capaz de proveer una buena calidad de imagen con bit rates

substancialmente menores (p.ej. la mitad o menos) que los estándares previos (p.ej. el MPEG-2, H.263 o MPEG-4 parte 2). Además de no incrementar la complejidad para que el diseño no sea impracticable (demasiado caro) de implementar.

Un objetivo fundamental fue que el estándar fuera lo suficientemente flexible para

ser aplicado a una gran variedad de aplicaciones (p.ej. para altos y bajos bit rates o resoluciones de imagen) y para trabajar correctamente en una gran variedad de redes y


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sistemas (p.ej., para radiodifusión, almacenamiento DVD, redes de paquetes RTP/IP o sistemas de telefonía multimedia ITU-T).

Pasando a detallar 3 de las arquitecturas de códec más populares: Apple

QuickTime, Widows Media de Microsoft y RealNetworks. Cada producto soporta una serie de diferentes códecs.

1.4.3. Arquitectura de códec

Hay una amplia variedad de arquitecturas como por ejemplo: DirectShow, reproductor de medios CD, DVD, web y disco duro, fue

desarrollada por Microsoft. Soporta MPEG1, MPEG2, .avi, .mov y otros. Digital Video, uso primario captura y grabación de vídeo, formato de vídeo de

alta calidad, usado en cámaras digitales y tarjetas capturadoras. Sorenson Video, uso primario web, video basado en CD, método de compresión

VQ (Advanced Vector Quantization), codec QuickTime. TrueMotion, uso primario web, método de compresión Wavelet y compresión

intra cuadro.


Conforme la tecnología de comunicaciones crece en relación a los sistemas computacionales es indispensable conocer el manejo adecuado de los protocolos que determinan los estándares. La arquitectura que manejan los sistemas inmersos, tal es, como sistemas de audio streaming son de gran importancia para garantizar la calidad de servicio.

Una arquitectura adecuada reúne codecs y modos de difusión para ser

empleados en el nivel de aplicación, sin embargo realizar una esquematización de la capa física es preponderante al realizar el flujo y selección de streaming que se brindara como servicio de difusión de red. El manejar difusión de datos en un ámbito de datagramas este envía los datos sin garantizar el protocolo QoS, el cual difiere de un buen servicio y respuesta al cliente.

En las modalidades propuestas por una red pública como Internet existen

diversos factores que afectan la señal de transmisión en tiempo real, al ser una red compartida genera demoras en la señal en relación a la petición solicitada por un usuario, esto se debe a la conmutación de paquetes.


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C A P Í T U L O 2

2.1. WiMax

WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es una tecnología inalámbrica basada en el estándar 802.16. En una primera versión del estándar, la 802.16-2001 se hacía referencia únicamente a sistemas que funcionaban en bandas entre 10 y 66 GHz, extendiéndose posteriormente en la versión 802.16-2004 a sistemas en bandas de frecuencias inferiores, entre 2 y 11 GHz. WiMax hace uso de estas bandas, consiguiendo tener un funcionamiento óptimo tanto en condiciones de visión directa como en presencia de obstáculos, y siendo capaz de conseguir alcances de hasta 50 Km y velocidades de hasta 75 Mbps, gracias a la utilización de capas físicas basadas en OFDM, tamaños de canal flexibles dependientes de la banda de funcionamiento, modulación adaptada con esquemas BPSK, QPSK, 16QAM y 64QAM tanto en tiempo como en frecuencia.

Las características de la tecnología WiMax la convierten en ideal para suministrar

servicios de banda ancha de naturaleza inalámbrica. La gran popularidad que están alcanzando estas redes exige la existencia de herramientas que permitan una sencilla planificación y un adecuado dimensionamiento que garantice el éxito de los despliegues.

A continuación se hace una recopilación de las tecnologías que hacen posible el

funcionamiento de WiMax, así como sus descripciones y características principales.

2.2. Acceso al medio

A continuación se verán las técnicas principales en procesado de señal de acceso al medio destacando aquellas que utiliza WiMax. Dentro del concepto de acceso al medio diferenciamos tres tipos: cómo se gestiona el acceso para los dos canales (subida y bajada de la información), el acceso de los usuarios y la multiplexación de la información.

En primer lugar se tiene las técnicas de acceso bidireccional. Este tipo de

comunicaciones tiene una característica dúplex, es decir, existe una transmisión y recepción en los dos extremos. Como ambas comunicaciones comparten el mismo medio, es necesario establecer algún mecanismo para el control del acceso. Los métodos principales son FDD (basado en reparto de la frecuencia) y TDD (reparto temporal).

El estándar WiMax soporta amabas técnicas de transmisión. Las soluciones para

bandas licenciadas recurren a las técnicas FDD, mientras que las orientadas a bandas libres unan la técnica TDD. De cualquier forma, dentro de las bandas existe cierta flexibilidad a la hora de usar cada tipo de tecnología.


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2.2.1. Frequency Division Duplex FDD

Técnica Frequency Division Duplex, o transmisión bidireccional por división en frecuencia. Se basa en la utilización de dos bandas diferentes de frecuencia para la transmisión, una para el envío y otra para la recepción (ver Fig. 2.1a). La cual es utilizada en telefonía móvil de segunda generación (GSM) y tercera generación.

Como desventaja tiene el hecho de tener que recurrir a buenos filtros

separadores de frecuencia (ya que se tratan normalmente de bandas conexas). Este tipo de filtros reciben el nombre de duplexores.

Está técnica es la que mejor se adapta al tráfico de voz, ya que permite tener un

retardo mínimo, pero, por contra es la que requiere una implementación más costosa, principalmente por la adquisición de la licencia para operar en el espectro. Además, presenta la ventaja de no tener que recurrir a bandas de guardia temporales como en el caso TDD.

En general, se recomienda su utilización en entornos con patrones de tráfico

predecibles, donde el costo del equipamiento es más importante que la eficiencia espectral.

Fig. 2.1 Técnicas de acceso al medio[1]

2.2.2. Time Division Duplex TDD

Time Division Duplex, o transmisión bidireccional por división en tiempo. A diferencia de la técnica FDD, se utiliza una única banda de frecuencia para envío y recibo de la información, compartiendo los periodos de transmisión (ver Fig. 2.1b). Esto provoca que los retardos de transmisión limiten el tamaño de las celdas.


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Es una técnica muy eficiente para tráfico asimétrico, ya que se adapta al perfil del tráfico, por lo que se considera más adecuado para perfiles con descargas masivas de internet, por ejemplo. Ésta es la técnica utilizada en telefonía DECT y en redes inalámbricas. En general se usa en entornos donde no están disponibles pares de frecuencia.

Presenta un uso más inteligente de las antenas inteligentes y está enfocada a

usos donde la eficiencia espectral sea más importante que el coste.

2.3. Multiplexación de la información

Por multiplexación entendemos el proceso donde múltiples canales de información se combinan en un canal de transmisión. Existen dos métodos de multiplexación principales: TDM (multiplexación en tiempo) y FDM (multiplexación en frecuencia), en función del recurso que comparten.

En FDM muchos canales se combinan repartiendo rangos de frecuencias

espectrales, de manera similar al FDD, teniendo que reservar bandas de guardia para evitar traslapamientos. Para conseguir una mayor eficiencia se ha desarrollado el método OFDM.

2.3.1. OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) es una técnica de multiplexación multiportadora que proviene de la década de 1960, pero que ha resurgido en la actualidad por sus aplicaciones en transmisiones inalámbricas. En cuanto a sus aplicaciones, además de las relacionadas con el uso militar de sus orígenes, está presente en la ADSL, DAB (radio digital europea), DVB-T (televisión digital terrestre), junto a las ya mencionadas en comunicaciones inalámbricas WiFi (802.11a) y WiMax.

La base del OFDM reside en la combinación de múltiples portadoras moduladas

traslapadas espectralmente, pero manteniendo las señales moduladas ortogonales, de manera que no se producen interferencias entre ellas. Además, es posible utilizar diferentes técnicas de modulación entre portadoras, con lo cual se consigue una funcionalidad extra.

En recepción las portadoras deben ser separadas antes de demodular. En las

técnicas de multiplexación tradicionales FDM, se utilizaban filtros pasa banda en cada una de las frecuencias, por lo que además de no traslapar las bandas, era obligatoria la reserva de bandas de guarda. Un método de conseguir una mayor eficiencia espectral es traslapar las portadoras, mediante el uso de una DFT, tanto en modulación como en demodulación, que es en lo que se basa el OFDM. Para ello se hace coincidir los lóbulos espectrales principales con los nulos del resto de portadoras, manteniendo la señal ortogonal.


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De esta manera es posible incrementar la eficiencia espectral, sin tener interferencia entre los canales. Pese a ello, en implementaciones reales existe una pequeña interferencia, que provoca que se pierda en forma mínima la ortogonalidad.

Otra ventaja del OFDM, que es la causa por la que se ha popularizado en la

tecnología WiMax, es la capacidad para gestionar los diferentes retardos que se producen en señales que padecen multitrayecto. En un canal de radio, estos efectos se traducen en la no respuesta plana del canal, la aparición de nulos, que normalmente conducen a la pérdida completa de la señal. Además, estos multitrayectos pueden producir interferencia entre símbolos, provocado por los diferentes retardos, que hace que se mezclen símbolos consecutivos. Esto se soluciona mediante la utilización de un periodo de guardia para cada símbolo OFDM, trasladando la misma idea que se utiliza en FDM.

Por contra, presenta las desventajas de ser más sensible que las técnicas

tradicionales al desfase en frecuencia o desfase en la sincronización temporal. Además, por su carácter ortogonal, presenta una elevada relación peak-to-average, condicionando el tipo de amplificadores que se pueden utilizar.

La distribución de datos sobre muchas portadoras hace que alguno de los bits

transmitidos puedan ser recibidos de manera errónea. Es por ello que se hace imprescindible utilizar mecanismos de corrección de errores, que añaden bits adicionales en la transmisión, pero que hacen posible la corrección de dichos errores.

Fig. 2.2 Distribución de datos sobre una portadora[3]

Sobre este método de multiplexación, se han desarrollado, a iniciativa de

diferentes fabricantes, diversos variantes del original que veremos a continuación.

2.3.2. W-OFDM

Es una variante de la multiplexación OFDM, que es la que se está generalizando en los estándares inalámbricos, tratando de resolver los problemas que presenta la


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técnica anterior. Se basa en la transmisión de símbolos de entrenamiento, que permiten reducir los efectos adversos del canal, mediante una estimación y división respecto a la respuesta en frecuencia.

Además, utiliza un código FEC (Forward Error Correcting) como el Reed-

Solomon, para expandir los símbolos sobre un amplio rango de frecuencias, que convierten la señal en un espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS). De esta manera, es posible recuperar los símbolos aunque se pierdan algunas de las portadoras.

Para compensar el problema del excesivo ratio peak-to-average en amplitud,

debido al multitrayecto, esta técnica incorpora una aleatoriedad de la señal y una estimación del canal. La aleatoriedad en la transmisión permite blanquear la señal y eliminar la necesidad de amplificadores específicos. Por otro lado, el incluir datos conocidos en la señal, es posible calcular la respuesta del canal y utilizar esta respuesta para corregir los efectos que produce sobre los datos.

De esta manera, esta tecnología permite la utilización de menos potencia,

manteniendo una baja tasa de interferencia con otras redes. Así, es posible que diferentes canales operen en la misma banda, como pueden ser redes punto a multipunto y redes punto a punto de backbone.

2.3.3. Flash-OFDM

Flash-OFDM es una técnica de procesado nueva que ha sido desarrollada por Lucent y que soportará tasas elevadas de datos con pocas pérdidas de paquetes y retardos, de hecho, las siglas FLASH vienen de ―Fast Low-Latency Access with Seamless Handoff‖. Se basa en la utilización de múltiples tonos y flash hopping para expandir la señal en el espectro.

Este estándar está siendo apoyado por Lucent y Qualcomm como el sucesor de

WiMax, dentro del estándar 802.20, que consigue un mayor ancho de banda, distancia y movilidad.

2.4. Acceso al medio de los usuarios

En este apartado veremos cómo se gestiona el acceso múltiple de los usuarios al canal de información. En primer lugar estudiaremos las técnicas tradicionales TDMA y CDMA, que se usan ya en telefonía de 2G y 3G. A continuación veremos la técnica de acceso OFDMA, basada en la modulación OFDM, para terminar por cómo se aplican estas técnicas en WiMax.

2.4.1. TDMA y CDMA

TDMA se corresponde con Time Division Multiple Access, mientras que CDMA con Code Division Multiple Access. Ambas tecnologías persiguen el mismo objetivo


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mediante la utilización de diferentes mecanismos, de conseguir la mejor utilización del espectro permitiendo a múltiples usuarios compartir el mismo canal físico. TDMA se basa en la división del canal en ranuras temporales, transmitiendo los diferentes usuarios con una técnica similar a la del paso de testigo, es decir, sólo uno de los usuarios utiliza el canal de manera simultánea.

CDMA, por otro lado, permite a todos los usuarios transmitir de manera

simultánea, algo que era imposible con las técnicas de modulación tradicionales, por lo que se basa en técnicas de espectro ensanchado. Mediante estas técnicas los bits a transmitir por un usuario se reparten a lo largo del canal de una manera seudo-aleatoria. En CDMA se habla de la posibilidad de realizar ―soft handoff‖, o cambio transparente de celdas en las comunicaciones. Otra de las ventajas es la capacidad que proporciona, dada su elevada ―eficiencia espectral‖ ya que acomoda más usuarios por ancho de banda.

Entre las diversas implentaciones existentes de TDMA, cabe destacar el GSM,

que utiliza la técnica de saltos de frecuencia. En el caso de TDMA, es el switch el encargado de determinar cuándo debe conmutar la señal. En la tabla 2.1 se muestra un cuadro comparativo entre los distintos métodos de acceso múltiple.

Tabla 2.1 Comparación de métodos de acceso múltiple

2.4.2. OFDMA

OFDMA, también denominada como multiuser-OFDM, está siendo considerado como un método de modulación y acceso múltiple para tecnologías inalámbricas como WiMax. Se trata de una extensión de la técnica Orthogonal Frequency Division


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Multiplexing (OFDM), que es la técnica de multiplexación en uso en los sistemas inalámbricos 802.11a/g y 802.16/a/d/e, como vimos anteriormente.

En los sistemas OFDM actuales, un único usuario puede transmitir sobre todas

las subportadoras en cualquier momento y se utilizan técnicas de acceso múltiple por división en frecuencia o en tiempo para soportar múltiples usuarios. El principal problema de estas técnicas de acceso estáticas es el hecho de que los usuarios ven el canal de una manera diferente cuando no es utilizado. OFDMA, por el contrario, permite a múltiples usuarios transmitir en diferentes subportadoras por cada símbolo OFDM. Así, se asegura de que las subportadoras se asignan a los usuarios que ven en ellas buenas ganancias de canal.

En general existen dos tipos de permutaciones de subportadora: distribuidas

(que se comportan mejor en ambientes de movilidad) y adyacentes (para entornos fijos o de bajo movimiento).

2.4.3. Transmisor OFDM La figura 2.3 muestra el diagrama a bloques resumido de un transmisor de OFDM, el primer paso para generar una señal OFDM es codificar la señal, enseguida se realiza una modulación digital, ya sea BPSK o QAM, enseguida el tren de símbolos resultantes de la modulación se convierte de serie en paralelo, lo cual genera N trenes de pulsos de menor velocidad (N veces menor). A cada uno de estos trenes de pulsos de baja velocidad se les realiza una transformada inversa de Fourier. Lo que pasa del dominio de la frecuencia al dominio del tiempo y cada una de las frecuencias resultantes se escoge que sean ortogonales entre sí. Generalmente se cumple la condición de ortogonalidad solo con que las frecuencias sean armónicas unas de otras. Es decir una frecuencia sea un múltiplo de la otra. El siguiente paso es sumar esas frecuencias ortogonales y modularlas en una sola portadora, que es la frecuencia a la que se transmitirán.

Fig. 2.3 Diagrama a bloques del transmisor OFDM, OFDMA[1]

Fig. 2.4 Diagrama a bloques del receptor OFDM, OFDMA[1]


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Las funciones del receptor de la técnica de modulación son inversas a la razón de método del receptor, sin embargo se debe tener un gran cuidado en el acoplamiento donde debe de existir máximo acoplamiento ó un auto escalamiento entre los dos por razones de trabajar a la misma banda de frecuencia.

Se puede obtener un sistema de comunicación MIMO que es un sistema

detallado por el estándar 802.11a y 802.11g sistemas para lograr la tasa máxima de 54 Mbps.

En un MIMO-OFDM transmisor, es un vector de transmisión en cada tono con múltiples antenas transmiten. En el receptor, la señal en cada antena RX tendrá señal de transmitir todas las señales procedentes de diferentes canales.

Después de FFT, el canal de frecuencia de respuesta será una matriz en cada

tono. El vector de recibir en cada tono de vectores será la matriz multiplicada por el vector transmitir. Luego espacial detección se realiza a recibir el vector de cada tono a igualar para el canal y separar las señales de transmitir.

Multipath sigue siendo una ventaja para un MIMO-OFDM desde el sistema de

selectividad de frecuencia causado por múltiples mejora el rango de distribución del canal de frecuencia a través de matrices de tonos, con lo que aumenta la capacidad.

Fig. 2.5 Diagrama a bloques del sistema MIMO para OFDM, OFDMA.[1]

2.4.4. Características del transmisor OFDM

Cada grupo se transmite en un símbolo OFDM conjuntamente con 4 subportadoras más que hacen de pilotos (NS,P) y 12 subportadoras que no contienen información en un período TU. Por lo tanto, un símbolo OFDM está formado por un total de 64 subportadoras en las cuales 52 contienen información.

Además en el dominio temporal se añade el prefijo cíclico (CP) que es una copia

de las 8 o 16 últimas muestras del símbolo OFDM con un período TCP. Al final se transmite, primero el prefijo cíclico y después el símbolo OFDM (Figura 2.6) en un período TS (TU+TCP).


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Fig. 2.6 Símbolo OFDM[3]

La longitud de un símbolo OFDM es de 64 muestras y de un período de 3,2µs.

Para el prefijo cíclico hay dos posibles valores según el estándar: El obligatorio de 0,8µs y el opcional de 0,4µs. La Tabla 2.2 contiene los valores numéricos de los parámetros OFDM.

Tabla 2.2 Valores numéricos de los parámetros OFDM

2.4.5. OFDM en WiMax Hasta ahora se ha revisado en forma breve y general el concepto de OFDM, en los párrafos siguientes se abordará desde la perspectiva de WiMax, con los parámetros y valores que especifican los estándares 802.16 de la IEEE. En la capa Física del estándar 802.16-2004 se específica la interfaz WirelessMAN-OFDM, en la cual se establece que se utilizan 256 subportadoras, de las cuales 192 son utilizadas para datos, 8 son pilotos y 56 son nulas. Las subportadoras pilotos son utilizadas como referencia para minimizar los desplazamientos de frecuencia y fase. Por último las 56 subportadoras nulas son utilizadas para resguardo de la banda y la frecuencia DC, que corresponde a la frecuencia central del canal (Figura 2.7),


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Fig. 2.7 Diagrama con las subportadoras de OFDM[2]

A continuación se presentan los parámetros definidos en el estándar 802.16-2004

de la IEEE en la Tabla 2.3, para caracterizar los símbolos OFDM.

Tabla 2.3 Parámetros del símbolo OFDM

En la Tabla 2.4 se muestran algunos de los valores especificados para la interfaz WirelessMAN-OFDM en la transmisión de la señal OFDM, en el estándar 802.16-2004 de la IEEE.

Tabla 2.4 Valores para los parámetros de la señal OFDM transmitida


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2.4.6. OFDMA en WiMax OFDMA consiste en una técnica de acceso múltiple basado en OFDM, en el cual a cada usuario se le asigna una o más subportadoras, con lo cual los usuarios comparten un determinado ancho de banda. La forma en que las subportadoras son asignadas dependerá de la estrategia de despliegue del operador, ya que tienen directa relación con la calidad de servicio y la tasa de transferencia de éstos.

En la Figura 2.8 se muestra un diagrama donde se ejemplifica cómo se agrupan subportadoras para formar un subcanal, el cual es asignado a un usuario. Para OFDMA se definen los mismos parámetros, pero con la diferencia que se específica los valores a utilizar. Se hace explícito que Nused incluye la subportadora DC, el factor de muestreo n, era fijado en 8/7 pero se hace una corrección, exigiendo lo siguiente: para canales con ancho de banda múltiplo de 1.75 [MHz] se utilizará n = 8/7; para múltiplos de 1.25, 1.5, 2 o 2.75 [MHz] se utilizará n = 28/25; y en el caso que el ancho de banda del canal no sea múltiplo de ninguna de las opciones antes mencionadas se utilizará n = 8/7.

Finalmente para la razón entre el tiempo del prefijo cíclico y el útil, G, se deben

soportar los siguientes valores: 1/32, 1/16, 1/8 y 1/4.

Fig. 2.8 Diagrama con la subcanalización utilizada en OFDMA

A partir del hecho que el parámetro NFFT variará, nace la necesidad de utilizar

OFDMA pero en forma flexible.


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2.5. Estructura de la Trama

Fig. 2.9 Respuesta en el dominio del tiempo de una trama de WiMAX

Una trama en WiMax consiste en una subtrama downlink (DL) (las subtramas

son generalmente ráfagas de Radio Frecuencia), y una subtrama uplink (UL). La trama TDD consiste en una subtrama DL seguida por una o varias subtramas UL. Actualmente existen siete periodos de tramas soportadas en el estándar IEEE 802.16-2004 en el rango de los 2.5 a los 20 ms.

La estructura flexible de la trama en la señal TDD consiste en un límite adaptable

entre las subtramas DL y UL. Un pequeño hueco en la transición es colocado entre las subtramas DL y UL y es llamado intervalo de transición transmisor / receptor (TTG por sus siglas en ingles). Después de ser completada la subtrama UL, otro pequeño intervalo es agregado entre esta subtrama y la siguiente subtrama DL. Este hueco es llamado intervalo de transición receptor / transmisor (RTG). La duración en tiempo de estos intervalos de transición está fuera de las especificaciones del estándar 802.16 y se encuentran en función del ancho de banda del canal y de la duración del símbolo de OFDM. Una trama típica de WiMax es mostrada en la Fig. 2.9. Esta figura muestra la respuesta en el dominio del tiempo de las subtramas DL y UL. También muestra el espaciado TTG y RTG entre las subtramas.

2.6. Procesado de la señal

En este capítulo se verán las técnicas principales en procesado de señal, dentro de las que incluimos las técnicas de modulación adaptivas, la radio definida por software, las diferentes técnicas de control de errores y reenvío de tramas y, por último, las técnicas de control de potencia.


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2.6.1. Modulación adaptativa

Los diferentes órdenes de modulación permiten enviar más bits por símbolo y, por tanto, alcanzar un mayor throughput y eficiencia espectral. A pesar de ello, utilizar técnicas de modulación como 64-QAM, implica que sea necesaria una mayor relación señal a ruido (SNR) para evitar las interferencias y mantener una tasa de error de bit moderada.

El uso de modulación adaptativa permite que un sistema inalámbrico pueda

escoger el orden de modulación en función de las condiciones del canal. Para el caso de WiMax, a mayor distancia de la estación base menor es el orden de modulación, pasando por las siguientes técnicas: 64QAM, 16QAM, QPSK y BPSK.

Así el sistema para trabajar en 64QAM necesita unos 22 dB de relación señal a

ruido, para 16QAM son necesarios unos 16 dB y para QPSK 9 dB.

2.7. Radio Definida por Software

El termino Radio Definida por Software (SDR) es utilizado para describir aquellas radios que proporcionan un control por software de una variedad de técnicas de modulación, operaciones en banda ancha o estrecha, funciones para asegurar las comunicaciones (como saltos de frecuencia) y requerimientos de la forma de onda, tanto para estándares actuales como futuros en un rango de frecuencias elevado.

Esta tecnología se aplica en un gran número de áreas dentro de las tecnologías

inalámbricas, proporcionando soluciones eficientes y a bajo costo respecto a los diferentes condicionantes de los sistemas actuales. Así, los sistemas pueden ser re-programados para conseguir un mejor rendimiento, un mayor conjunto de características, servicios nuevos que proporcionen alternativas al usuario final y nuevas vías de negocio para el proveedor del servicio.

El concepto está basado en el uso de una plataforma hardware sencillo, que, con

la característica de ser definida por software la radio, permite que:

Los usuarios pueden escoger las características que quieren, independiente del dispositivo que esté utilizando.

Los operadores pueden diferenciarse al ofrecer servicios sin tener que realizar cambios masivos de equipamiento.

Los suministradores de infraestructuras / hardware pueden rebajar el coste y asegurar la inversión mediante el uso de una plataforma hardware común.

Los desarrolladores de aplicaciones incrementan el valor sin tener que depender de tipo de equipamiento.

Los proveedores de terminales puede añadir características, mejoras y capacidades para mejorar su situación en el mercado.


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Así, SDR presenta la solución ideal para adecuar los diferentes estándares, bandas de frecuencias y aplicaciones que ofrece WiMax, ofreciendo dispositivos para el usuario final que puedan ser programados insitu o en remoto mediante módulos de software o Firmware.

2.7.1. Arquitectura del sistema SDR

La arquitectura se basa en un modelo genérico de alto nivel con bloques de funcionalidades específicas conectados mediante recomendaciones de estándares abiertos. Se divide en tres bloques principales:

Procesamiento Front End es el área funcional del dispositivo del usuario final

que consiste de manera genérica en el interfaz con el medio físico (el aire), el procesamiento en radio frecuencia y cualquier conversión de frecuencias que sea necesaria. Además, esta área contiene el procesamiento de la modulación / demodulación.

Seguridad de la Información es empleada para el propósito de proveer

privacidad, autentificación y protección de la información al usuario final. Estas políticas variarán en un entorno comercial respecto a un entorno militar o de defensa, para adaptarse a las políticas de cada territorio.

Procesamiento de la información o contenido es con el propósito de recuperar

la información embebida, que contiene datos, información de control y tiempos. Esto se aplica a la selección de caminos de enrutamiento, multiplexación, codificación de fuente, señalización.

Fig. 2.10 Arquitectura de un sistema SDR

2.8. Técnicas de control de errores

Las técnicas de corrección de errores (FEC) han sido incorporadas a WiMax para reducir los requisitos del sistema en cuanto a la relación señal a ruido. El Strong Reed Solomon FEC, la codificación / convoluciòn y los algoritmos de interleaving se utilizan para detectar y corregir errores y mejorar el throughput. Estás técnicas de corrección


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robustas ayudan a recuperar las errores que puedan ocurrir por pérdidas de señal a frecuencias determinadas o errores de burst.

Los códigos Reed Solomon se basan en la transmisión extra de símbolos para

permitir la detección de errores. Si un código Reed Solomon opera con símbolos de 8 bits, tiene 255 símbolos por bloque. De esos escogemos un parámetro k, con k<n (siendo n el número de símbolos por bloque), que es el número de símbolos de datos, mientras que el resto hasta n serían símbolos de paridad. Si escogemos en nuestro ejemplo k=223, tendríamos 32 símbolos de paridad. Reed Solomon es capaz de corregir hasta 16 errores en símbolos, la mitad del número de símbolos de paridad de los que dispone.

Así, la capacidad de corrección de errores viene dada por n-k, la medida de

redundancia del bloque. Si las posiciones del los símbolos se conocen de antemano, es posible corregir el doble de símbolos. En caso contrario, siempre se podrá corregir hasta (n-k)/2.

Estas características hacen que se adapten muy bien a errores en portadoras.

Esto se debe a que no le afecta el número de bits erróneos que hay en cada símbolo, ya que los toma como un único error. Para casos donde los errores no se caracterizan por esto es preferible recurrir a codificaciones convolucionales.

Los códigos convolucionales son un tipo de códigos de corrección de errores, en

los cuales un símbolo original de longitud m bits, se transforma en uno de n, siendo n>m, siendo la transformación función de los últimos k símbolos de información, con k la longitud del código.

Existen varios algoritmos para la decodificación de los códigos convolucionales.

Para valores de k relativamente pequeños, la mejor opción es el algoritmo Viterbi, que provee una solución de máxima verosimilitud. Para valores de k elevados, este algoritmo se vuelve impracticable por lo que se suele recurrir a otros, como el algoritmo Fano. Este tipo de códigos se suele concatenar, como en el caso de WiMax (en el 802.16-2004), con códigos Reed Solomon.

En WiMax también se contempla la utilización de otra serie de códigos, pero de

manera opcional, como son los códigos turbo, en el caso 802.16e, códigos de control de paridad de baja densidad.

Por otro lado, Automatic Repeat Request (ARQ) se utiliza para corregir los

errores que no resuelve el FEC, mediante el reenvío de la información con errores. El estándar WiMax incorpora la variante llamada H-ARQ (híbrido). Esto mejora de manera significativa la tasa de error de bit (BER) del sistema.

Existen diferentes métodos de implementar H-ARQ: ―chase combining‖, ―rate

compatible punctured turbo codes‖ y redundancia incremental. Este último, también llamado H-ARQ tipo II en lugar de simples reenvíos de la señal, se envía información redundante adicional, para facilitar la decodificación. H-ARQ tipo III es otra técnica de


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redundancia incremental, pero en la cual cada retransmisión es auto decodificable, cosa que no ocurría en el anterior.

Chase combining implica la retransmisión del mismo paquete codificado. El

receptor se encarga del tratar las múltiples copias del paquete, ponderándolas por la SNR de cada momento de transmisión. Es una técnica de diversidad temporal. Por último, en el tercer caso se utilizan puntured bits en cada retransmisión.

2.9. Técnicas de control de potencia

Los algoritmos de control de potencia se utilizan para mejorar el funcionamiento del sistema. Se implementa este mecanismo en la estación base, enviando información de control de potencia a cada uno de los CPE‘s. De esta manera, es posible regular el nivel de potencia transmitida de manera que el nivel recibido en la estación base esté a un nivel predeterminado.

En un entorno con cambios de canal dinámicos, implica que el CPE sólo

transmite la suficiente potencia para cubrir los requisitos. En caso de no disponer de este método, el CPE tendría que transmitir a la potencia del peor de los casos, por lo que controlar la potencia produce un ahorro en el consumo del CPE y una reducción de la interferencia potencial con otras estaciones base cercanas.

2.10. Ventajas y características de WiMax

Mejoras en las interferencias aéreas: WiMax Móvil utiliza OFDMA para mejorar el rendimiento en ambientes donde no se tiene línea de vista y alta flexibilidad para asignar recursos a usuarios con diferentes requerimientos de velocidad de datos.

Alta velocidad de datos: Una variedad de técnicas y antenas son soportadas

por WiMax móvil para incrementar el monto de datos procesados especialmente en el borde de la cobertura. Por ejemplo, el uso de antenas MIMO (múltiples-entradas múltiples-salidas), combinada con esquemas flexibles de sub-canalización, modulación adaptable y rangos de codificación variable hacen posible que WiMax pueda alcanzar velocidades superiores a los 46 Mbps (en el caso de downlink) por sección, y superiores a 14 Mbps por sección (hablando de uplink) en un canal de 10 MHz.

Quality of service (QoS): La base fundamental de la arquitectura de control al

medio (MAC) del IEEE 802.16e es QoS. WiMax móvil provee operadores para optimizar el rendimiento de la red dependiendo del tipo de servicio (voz, video, juegos) y el tipo de conexión del los usuarios. El estándar define servicios. Además, subcanalización y protocolo de acceso al medio (MAP) basados en esquemas de señalización ofrecen un óptimo mecanismo flexible para organizar el tráfico de broadcast y unicast.

Escalabilidad: Utiliza OFDMA escalable (SOFDMA) y, de acuerdo con la

descripción inicial del sistema WiMax móvil, tiene la capacidad de operar en canales de


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5, 7, 8.75 y 10 MHz para cumplir con varios anchos de banda del espectro de la red mundial.

Seguridad: WiMax móvil incorpora la más avanzada seguridad actualmente

usada en IEEE 802 para acceso a sistemas inalámbricos. Esto incluye Extensible Authenticatión Protocol (EAP) - autentificación base, Advanced Encryption Standar (AES) – encriptación autentificada básica, Cioher-based Message Authentication Code (CMAC) y Hashed Message Authentication Code (HMAC).

Movilidad: La tecnología WiMax soporta esquemas optimizados con latencias

menores a los 50 ms para ayudar a asegurar aplicaciones de tiempo real como VoIP son soportadas eficientemente sin pérdidas en el servicio.

Fig. 2.11 Características de WiMAX[3]

2.10.1. Comparativo de WiMax contra otras tecnologías inalámbricas

A pesar de que WiMax móvil aún no opera en México se cuentan con numerosos

planes de implementación, el operador que está apostando más a esta tecnología es Axtel, aunque Nextel también cuenta con el espectro necesario y su contraparte norteamericana Sprint Nextel se encuentra en vías de implementación de WiMax. En el caso de 3G Iusacell ya ofrece el servicio y se espera que en los próximos años, otros operadores móviles comiencen a utilizar CDMA con lo estarían utilizando 3G para los servicios de Internet Móvil.

La siguiente tabla resume las principales características de WiMax y 3G.


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Tabla 2.5 Comparativa de tecnologías inalámbricas

Características WiMax 3G

Espectro requerido 3.5 GHz 450 MHz

Velocidad Pico 75 Mbps 3.1 Mbps

Velocidad Promedio 2 Mbps 1.8 Mbps

Alcance Máximo por radió base 48 Km. 90 Km.

Alcance Promedio 15 Km. 45 Km.

Fuente: Select con base a la información de diferentes fabricantes de tecnologías WiMax y EV DO

Como podemos observar WiMax ofrece una mayor velocidad, debido a que

requiere una mayor frecuencia, sin embargo 3G requiere menos espectro y cuenta con mayor alcance.

Fig. 2.12 Comparación de rango de cobertura y ancho de banda[3]

Fig. 2.13 Comparación: velocidad de transmisión y movilidad[3]

2.11. Implementación del servidor Streaming en WiMax

En el apartado 3.1 de Configuración de Stream, se plantea el numero de líneas

requeridas para mandar una señal en el canal de comunicaciones T2, sin embargo este número de líneas establecidas cubriría una demanda casi a la par de las peticiones, es


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decir; sin poder expandirse en un futuro y con una velocidad de transmisión muy limitada o reducida.

Las ventajas de implementar WiMax a diferencia de otras tecnologías, en

concepto de redes inalámbricas es la relación en modulación OFDM y OFDMA. No obstante la presencia de calidad en sonido de la tecnologías en comunicación de streaming, presentan un muestreo entre 24 y 32 Kbps para un sonido Monoaural de 22 050 Khz. De modo que se tendría que sacrificar la calidad de sonido para un servicio de Internet T2.

En este punto entraría la tecnología de WiMax, para mejorar la calidad del sonido

y cubrir una mayor demanda de ―radio escuchas‖ en un instante de tiempo. El sonido Estereo que manejaría de 96 a 128 Kbps aumentaría proporcionalmente el consumo del ancho de banda generando cortes o bucles en la información. Al implementar WiMax permite dos técnicas en modulación que presentan mejoras en la velocidad de transmisión. La primera de ellas presentado un número razonable en portadoras para la información con un valor de 2n donde el valor ideal de n es igual a 8 para OFDM y para OFDMA es igual a 11.

La relación que presenta notablemente el número de portadoras en WiMax con el

número de líneas para una tecnología T2. Es la velocidad de transmisión. En el apartado 3.1 se especifica la necesidad de 2 líneas T2 proporcionando un ancho de banda de 12.624 Mbps. En la Tabla siguiente se muestra la mejora de calidad de audio implementando el tamaño de muestra para Monoaural y Estereo.

Tabla 2.6. Implementación del servidor Streaming en WiMax

Ancho de Banda

Calidad de Sonido

CF Frecuencia de

Resolución

Máximo Numero de Listeners

75 Mbps 48 kbps 576 85 Hz 1600

75 Mbps 56 kbps 576 99 Hz 1371

75 Mbps 64 kbps 576 113 Hz 1200

75 Mbps 80 kbps 576 142 Hz 960

75 Mbps 96 kbps 576 170 Hz 800

75 Mbps 112 kbps 576 199 Hz 685

75 Mbps 128 kbps 576 227 Hz 600

Para entender mejor las técnicas de modulación de OFDM y OFDMA para ser

implementadas en el número de líneas ya justificadas anteriormente. Se describe a continuación el sistema FDM.

En el sistema FDM las señales de múltiples transmisores que se transmiten

simultáneamente (en la misma franja horaria) a lo largo de varias frecuencias. Cada rango de frecuencia (sub-portadora) es modulada por separado por diferentes flujo de datos y un espaciamiento (banda de guardia) se coloca entre los sub-portadoras a fin


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de evitar la superposición de señales. Logrando evitar los cortes que se perciben evidentemente en el streaming empleado en un medio como ADSL y T2.

Fig. 2.14 Sub-portadoras en un sistema FDM[2]

Al igual que FDM, OFDM también utiliza múltiples sub-portadoras, pero las sub-

portadoras están estrechamente espaciadas entre cada una de ellas sin causar interferencia y la eliminación de la bandas de guardia entre bandas adyacentes sub-portadoras. Esto es posible porque las frecuencias son ortogonales, es decir, el pico de una sub-portadora coincide con el nulo de una sub-adyacentes portadora.

En un sistema OFDM, una tasa muy alta de flujo de datos se divide en múltiples paralelo con una baja tasa de datos. Cada flujo de datos más pequeños se asigna a los datos individuales sub-portadora y puede modular por medio de algunos tipos de PSK (Introducción de cambio de fase) o QAM (modulación de amplitud de cuadratura) es decir, BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM.

Fig. 2.15 Sub-portadoras en un sistema OFDM[2]

El análisis indica que FDM ocupa más espacio ò mas ancho de banda, lo cual no

proporciona una mejora tangible al problema de demanda, es más viable el uso de OFDM al ocupar menos necesidades de ancho de banda que FDM para transportar la misma cantidad de información que se traduce en mayor eficiencia espectral.

En relación de alta eficiencia espectral, un sistema OFDM como WiMax es más

resistente en NLOS por el medio ambiente. Puede de manera eficiente superar la interferencia de frecuencia selectiva en el desvanecimiento causado por múltiples, lo que equivale a realizar en un subconjunto de sub-portadoras en lugar de una única portadora más amplia.

Una desventaja de OFDM para ser implementada a la estación de radio, es la

cantidad de usuarios que se debe tener, por tal se necesita una mayor velocidad y soporte de ancho de banda al momento de transmitir, dando una efectividad baja en la calidad de audio en tiempo real de transmisión. Para ello la cantidad de portadoras que


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brinda OFDM de 256 como valor ideal, no cubre la tasa de transferencia deseada en el sistema a usar para la estación de radio.

La solución más tangible es OFDMA con una cantidad de portadoras mayor que

OFDM, superando la velocidad de transmisión y la efectividad en portadoras. La cantidad de portadoras asegura una cantidad de 2n.

Tabla 2.7 Relación comparativa entre OFDMA y OFDM en Wimax

n Número de portadoras

Velocidad de transferencia

Ancho de banda Técnica de Modulación

7 128 Menor Mayor OFDM, OFDMA

8 256 Menor Mayor OFDM, OFDMA

9 512 Media Media OFDMA

10 1024 Mayor Menor OFDMA

11 2048 Mayor Menor OFDMA

Ahora bien, si se denomina que la eficiencia de un sistema OFDMA es mejor para

un streaming de audio, se obtiene un sistema que permite mayor escalabilidad en mínimo ancho de banda y por demás una mejora en robustez de modulación.

La eficiencia del ancho banda (también conocida como densidad de información) a

menudo se utiliza para comparar el rendimiento de una técnica de modulación digital con otra. En este caso las dos técnicas de modulación presentan mejora, incluso OFDM en un servicio de distribución de datos como el que se ha empleado hasta ahora en Stream por Internet (ADSL y/o DS0). En esencia, es la relación de la tasa de bits de transmisión al mínimo de ancho de banda requerido, para un esquema de modulación en particular. La eficiencia del ancho de banda por lo general se normaliza al ancho de banda de 1 Hz; en consecuencia, indica el número de bits que se pueden propagar a través de un medio por cada Hertz de ancho de banda.

Eficiencia BW = tasa de transmisión (bps)

Mínimo de ancho de banda requerido (Hz)

Tomando en cuenta que OFDM presenta una tasa de transmisión 75 Mbps para

una tecnología como Wimax y un valor de 1 Mbps para ADSL. Permitiendo una escalabilidad en mínimo de ancho de banda desde 1.5 MHz hasta 20 MHz.

Se logra emplear la formula anterior para obtener la siguiente tabla de eficiencia

entre una tecnología y otra.


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Tabla 2.8 Comparativa entre ADSL y WiMax con relación en eficiencia de la técnica de modulación (OFDM)

Tecnología Técnica de Modulación OFDM

ADSL

Tasa de transmisión

Mínimo ancho de banda Eficiencia

BW

1 Mbps 0.5 MHz 2 bps /Hz

WiMax

Tasa de transmisión

Mínimo ancho de banda Eficiencia

BW

75 Mbps 15 MHz 5 bps / Hz

Es notable que la técnica de modulación presente mejore la señal en una tecnología como WiMax, pero no por ello significa que sea la mejor. Anteriormente se había propuesto la efectividad de OFDMA. La evolución de OFDM mediante teoremas de Fourier logra mejorar las técnicas de modulación y obtener OFDMA para tecnologías de movilidad, logrando un concepto de mayor velocidad en un mismo medio.

En la tabla 2.8, a pesar de que el mínimo ancho de banda para descargar es

menor en ADSL, al aumentarlo a la técnica de modulación de OFDM, la eficiencia baja aun más.

Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA)

Al igual que OFDM, OFDMA emplea múltiples espacios para cada sub-portadora,

pero en este caso cada sub-portadora está dividida en grupos de sub-operadores. Cada grupo se denomina una sub-canal. Las sub-portadoras que conforman un sub-canal no tienen por qué ser adyacentes. En el descendente, un sub-canal puede ser destinado a diferentes receptores. En el enlace ascendente, un transmisor se le puede asignar uno o varios sub-canales.

Cada subportadora ó pequeñas bandas suelen estar en el orden de 10 Khz.

Anteriormente se planteo el valor de 2n presentando un valor importante entre cada técnica de modulación.

Una característica benéfica de esta técnica es la facilidad de adaptación a

diferentes anchos de banda. La menor unidad de ancho de banda puede permanecer fija, aun cuando el total de ancho de banda empleado o utilizado es cambiado. Por ejemplo, una de 10 MHz de ancho de banda de asignación puede ser dividida en pequeñas bandas de 1024, mientras que un 5 MHz se divide en 512 pequeñas bandas.


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Tabla 2.9 Ancho de banda y numero de portadoras en una transmisión

n Número de portadoras

Ancho de banda Técnica de Modulación

7 128 1 MHz OFDM, OFDMA

8 256 2 MHz OFDM, OFDMA

9 512 5 MHz OFDMA

10 1024 10 MHz OFDMA

11 2048 20 MHz OFDMA

La demanda que cubre ADSL para la estación de radio, antes mencionada en

este apartado, mejora con una técnica de modulación OFDMA mediante una tecnología WiMax. Y de antemano se sabe que en una línea ADSL se establecen tres canales de comunicación, que son el de envío de datos, el de recepción de datos y el de servicio telefónico normal.

Para 100 ―radio escuchas‖ se necesitan 2 líneas T2, es decir que sería un valor

de 96 canales de comunicación en este caso de voz. Si la relación de portadoras por canal es de 24 canales en T1 x 4. La velocidad de transmisión de 6.132 Mbps para 100 ―radio escuchas‖ cubierta mediante un servicio domestico de 32 x DS0 igual a 2 Mbps. Es necesario contratar 5 líneas implicando un contrato de banda ancha como ADSL. Que emplea una mejora en costo, modulación y calidad de servicio.

Por lo tanto, si se requieren 10 líneas ADSL para obtener una tasa de

transferencia de 10 Mbps y 5 líneas DS0 x 32 con técnicas de modulación FDM y OFDM. La solución de tener una tecnología como WiMax con 75 Mbps en ancho de banda y técnicas de modulación como OFDM y OFDMA se obtiene una mejora significativa. Ya que en OFDMA se tienen hasta 2048 portadoras y cada portadora contiene sub-portadoras, generando canales de transmisión. Esto indica que la mejora está en el número de portadoras.

Tabla 2.10 Número de portadoras en una transmisión

N Número de portadoras

Ancho de banda

Técnica de Modulación Canal de

comunicación

<7 <128 <1 MHz FDM, OFDM y OFDMA ADSL, E1, E2, T2

8 256 2 MHz FDM, OFDM y OFDMA E3

9 512 5 MHz OFDM y OFDMA T3, WiMax

10 1024 10 MHz OFDMA E4, WiMax

11 2048 20 MHz OFDMA WiMax


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2.12. Características del transmisor-receptor WiMax (OFDM y OFDMA)

El transmisor-receptor de uso comercial en portátiles para DSP que emplean OFDM y OFDMA se puede mencionar el mono pastilla de WiMax del Máximo-Acoplamiento de AT86RF535B de Atmel funciona en 3.5 GHz con opciones múltiples para escalar el ancho de banda para satisfacer espectros de los equipos del suscriptor de la estación de radio y de la estación base de WiMax. El transmisor-receptor de WiMax de Atmel integra un conductor del amplificador de energía, lo recibe / transmite el mezclador, amplificador con poco ruido, lo recibe / transmite los filtros, sintetizador, recibe control de aumento automático, y transmite control de energía.

El AT86RF535B se basa en el estándar de IEEE 802.16-2004. Proporcionando

TX, RX, y funciones de la síntesis de la frecuencia usando la técnica de la modulación de OFDM. El AT86RF535B consiste en un transmisor-receptor frecuencia-ágil del RF previsto para el uso en bandas autorizadas de 3.5 GHz con una tasa de datos hasta de 26Mbps. El transmisor-receptor se puede configurar para cualquiera bajo-SI o cero-SI los usos y no requiere ningún filtro externo. Los registros de la configuración y de control, cuentan con una interfaz de comunicaciones bidireccional de datos que disponen comunicar con los dispositivos existentes de la banda base de diversos vendedores.

Los usos del transmisor-receptor de AT86RF535B MAXLink 3.5GHz WiMAX

incluye: Dispositivos de comunicación sin hilos de 3.5 GHz. Radios de IEEE® 802.16-2004

El transmisor-receptor de WiMax de Máximo-Acoplamiento (AT86RF535B) tiene

función interna de la calibración que se realiza en medio de transmisión y recepción marcos de datos. Esta función es independiente del subsistema del MAC y de la banda base, mejorando características de la salida del oscilador local.

Para entender mejor la función del transmisor-receptor se explica brevemente en

la figura por medio de un diagrama a bloques, que enfatiza los puntos anteriores.

Figura. 2.16 Diagrama a bloques de OFDMA transmisor-receptor[3]


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En la figura anterior, la función del sintetizador fraccionario-n en el transmisor-receptor de AT86RF535B WiMax ejecuta una técnica del divisor de la interpolación de la fase, algo convencional en la arquitectura por divisor de módulo. El divisor de la interpolación de la fase proporciona una velocidad de adaptación eficaz y de buena resolución en frecuencia, aumentando el auto-escalamiento en frecuencia.

Características técnicas del transmisor-receptor de Máximo-Acoplamiento de

AT86RF535B

Transmisor-receptor mono-pastilla de 3.5GHz WiMax.

Arquitectura del transmisor-receptor; No requiere ningún filtro externo.

Calibración integrada en modo RX/TX filtra.

Modulación hasta 64QAM.

Manejo en ancho de bandas de 3.5, de 5.0, de 7.0, de 8.75MHz, y de 10MHz.

Sintetizador Fraccionario-n ultrarrápido.

Sintetizador del ruido de la fase: 0.8° (- 37dBc).

Sensibilidad < -74 dBm en 64-QAM, ¾ de CR=, BW 7MHz.

Voltaje de fuente bajo: 3.0 V.

Corriente de funcionamiento de RX/TX: 270/315mA típico.

PRF de la salida de TX: 0 dBm, -34 DB EVM.

Energía baja de la corriente: < 20μA típico.

El transmisor-receptor de AT86RF535B 3.5GHz WiMAX se fabrica en la tecnología de proceso avanzada AT46000 de SiGe BiCMOS de Atmel y se embala en 56 un paquete del plomo QFN (8 x 8 milímetros).


En base a la modulación por frecuencia que se ofrece en servicios de Internet por cable e inalámbrica, son la base matemática para la modulación en WIMAX al fortalecer la síntesis del comportamiento de difusión de datos. La gran diferencia al emplear este tipo de tecnología es al establecer una banda de frecuencia como en la radio convencional, omitiendo la conmutación de paquetes y evitar que la red sea multifuncional para los usuarios terminales del servicio.

El comportamiento usual de la modulación en los canales de difusión de datos

públicos limita el ancho de banda, al ser una red multifuncional que ofrece diversos servicios y contiene una gran variedad de protocolos. Esto genera una problemática mayor, no solo por limitar el ancho de banda y la mejora de QoS, si no al incluir la conmutación de paquetes ajenos al streaming a gran diferencia de WIMAX que permite excluir aplicaciones ajenas a la banda frecuencia.


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75

C A P Í T U L O 3

DESARROLLO DEL SISTEMA STREAMING PARA AUDIO 3.1. Implementación Final

Figura 3.1 Diagrama de conexión final

Ingeniería de Audio Micrófono / Mezcla (Figura 3.1.1): Este bloque representa todo

aquello que tiene que ver con el tratamiento de la señal, es decir, la tarjeta de audio del equipo utilizado, micrófonos añadidos, bocinas y audífonos para monitorear la señal; esta parte del proceso tiene como objetivo el acondicionamiento de las señales de audio para su posterior procesamiento y envío a través de Internet.

Procesamiento de datos (Figura 3.1.2): Consiste en todo aquello que tiene relevancia en el procesamiento y tratamiento de las señales (ej. voz adquirida por micrófonos) o archivos (ej, música almacenada en la base de datos), para ajustarla al formato requerido para su transmisión vía streaming.

En la figura 3.1.4 se muestran dos servidores, en este caso se utiliza una sola máquina físicamente, pero mediante la utilización de máquinas virtuales podemos tener dos servidores con un solo equipo, una de ellas (la máquina física) está siendo utilizada como servidor streaming, y la segunda (máquina virtual) se utiliza como segundo servidor, para la aplicación web, es decir, proporciona la página web del proyecto. Esto nos da una ventaja, ya que al crear la MV esta trabaja mediante su propia conexión, es decir, posee su propia dirección IP, independiente de la máquina anfitrión.

Monitorear la señal consiste en tomar la señal que se envía, pero las muestras son tomadas desde la red en la que se estableció el servicio, en este caso Internet; esto es


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con el fin de detectar posibles fallas en la transmisión (cortes en el audio, retrasos, o inclusive pérdida de la señal) y corregirlas. Ver figura 3.1.3.

Internet (Figura 3.1.6) se refiere al medio de transmisión que se utilizara para el envío de datos, ya sean medios alámbricos o inalámbricos; en este caso se trata de una conexión ADSL, pero puede ser sustituida por otros medios, como por ejemplo un transmisor WiMAX.

Las bases de datos que se muestran en la figura 3.1.5, se refiere a todo aquel dispositivo de almacenamiento que nos permita guardar las imágenes, música, sonidos, que se utilicen para transmitir y/o mostrar en el internet.

Por último se tiene el receptor, mostrado en la figura 3.1.6, que es el usuario final del servicio proporcionado.

3.1.1. El servidor streaming y ancho de banda

SHOUTcast, Icecast, Icecast2 son un ―streaming audio system‖ que permite ser implementado y configurado en plataformas Windows y Unix

Así mismo el servidor debe cumplir con características de plataforma especificas:

Windows 95, 98, NT, 2000.

MAC OS X

Sparc Solaris 2.7+

Linux con libc Kernel Se debe de tener 14 kB en memoria RAM por ―radio escucha‖. Es decir, el

tamaño de RAM para el servidor se calcula por medio de la siguiente formula. Ver Tabla 3.1.

RRAM : Recursos que consume en RAM el Sistema Operativo CSERVIDOR : Consumo en RAM para el servidor = 1.5 MB RPARCIAL : Recurso Parcial NP : Número de peticiones

RPARCIAL = RRAM + CSERVIDOR

Memoria RAM Requerida = RPARCIAL + (14 KB * NP ) (1.1.)

Tabla 3.1. Memoria requerida por el servidor de Stream

Numero de Listeners

Memoria RAM requerida

Recursos que consume en RAM el Sistema Operativo

100 2.914 MB 1.5 MB

1000 15.514 MB 1.5 MB

10000 141.514 MB 1.5 MB

100000 1.401 GB 1.5 MB


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Para poder correr el servidor correctamente y sin sobrecarga, es necesario determinar el ancho de banda suficiente, para poder ejecutar un broadcast de n-peticiones. El ancho de banda se determina u obtiene del tamaño de la muestra por el número de peticiones. Ver desde la Tabla 3.2 a Tabla 3.6.

TMUESTRA : Tamaño de muestra que proporciona el Stream a cierto encoder. NP: Número de peticiones BW: Ancho de Banda

BW = TMUESTRA * NP (1.1.a)

Ejemplo. 100 peticiones o ―radio escuchas‖ para una muestra de 96kbps. En mono o calidad Estereo. Se tiene 96kbps*100 listeners = 9600 kbps lo cual equivale a 9.6 Mbps

BW = 96 kbps * 100 = 9 600 Kbps

Tabla 3.2. Tamaño de muestra que proporciona el Stream a cierto encoder

TMUESTRA Calidad Estereo

22 050kHz


44 100kHz

TMUESTRA Calidad

Monoaural 22 050kHz

TMUESTRA Calidad

Monoaural 44 100kHz

40 kbps 96 kbps 24 kbps 48 kbps





224 kbps 112 kbps

256 kbps 128 kbps

320 kbps

Tabla 3.3. Ancho de banda relacionado a una calidad Estereo de 22 050 Khz.

Numero de Listeners

NP


22 050kHz

Ancho de Banda (BW)

100 40 kbps 4 Mbps

100 48 kbps 4.8 Mbps



100 80 kbps 8 Mbps


78


Numero de Listeners

NP


44 100kHz

Ancho de Banda (BW)


100 112 kbps 11.2 Mbps

100 128 kbps 12.8 Mbps

100 160 kbps 16 Mbps

100 192 kbps 19.2 Mbps

100 224 kbps 22.4 Mbps

100 256 kbps 25.6 Mbps

100 320 kbps 32 Mbps


Numero de Listeners

NP

TMUESTRA Calidad Monoaural

22 050kHz

Ancho de Banda (BW)



100 40 kbps 4 Mbps




Numero de Listeners

NP

TMUESTRA Calidad Monoaural

44 100kHz

Ancho de Banda (BW)




100 80 kbps 8 Mbps


100 112 kbps 11.2 Mbps

100 128 kbps 12.8 Mbps

Ahora bien, si se sabe que el valor de la frecuencia central de una señal de audio

B es de 4kHz, y aplicando el teorema de muestreo de Nyquist el cual dice, que si la señal de información es de espectro limitado a B Hz, entonces sus muestras contendrán toda la información de la señal siempre que se tomen a una velocidad no menor a 2B muestras / segundo. Y del segundo teorema de Nyquist el sistema de transmisión que se diseña para transmitir datos a la velocidad de f0 puede también recibir datos a razón de 2f0 con precisión siempre que la señal que se recibe se interprete de manera correctamente. Por tal, aplicando el teorema de muestreo de Nyquist para la frecuencia central obtenemos 8 muestras / segundo, y en razón de esto se determina que el numero de bits para codificar la señal de audio PCM es de 8 bits.


79

Esto es, si la frecuencia fundamental es 2fm pulsos por segundo ( Velocidad de Nyquist ). Entonces el codificador cuantifica a L = 2n cada muestra y después la codifica con 8 bits ò pulsos binarios (palabra en código binario).

Entonces se requiere un ancho de banda de transmisión de audio PCM de 2nB

donde : n = 8 bits (palabra en código binario) B = fm (Velocidad de Nyquist)

BWt = 2nB (1.1.b)

Bwt = 2 x 8 x 4 x 103 = 64 kHz. Debido a esta fórmula se debe tomar en cuenta la tabla 3.7 y tabla 3.8 de

contratación de servicio de distribución de Internet e involucrando el concepto de conectividad “Propiedad de una red que permite que dispositivos distintos se comunique unos con otros”, con esto se logra una relación con velocidad DS0 y Bwt para determinar un servicio que ofrece velocidades de datos en incrementos de 64 kHz.

El Ancho de banda (bandwidth) se le define como la medida de capacidad de un

canal de comunicaciones. En canales digitales la medida se realiza en bits por segundos. En las líneas telefónicas análogas la diferencia en Hertz entre las frecuencias mayor y menor de un canal de transmisión.

Tabla 3.7. Ancho de banda, servicios domésticos de Internet y relación a petición de oyentes.

Servicio Domestico DS0 (64kHz)

Si se requiere BW = 9.6Mbps

2 x DS0 = 128 kbps 75 Líneas para 100 oyentes



16 x DS0 = 1 Mbps 10 Líneas para 100 oyentes

32 x DS0 = 2 Mbps 5 Líneas para 100 oyentes

Tabla 3.8. Ancho de banda, servicios empresariales de Internet y relación a petición de oyentes.

Servicio Empresarial

Si se requiere BW = 9.6Mbps

Sub. T1 de 9.6kbps a1.472 Mbps 7 Líneas para 100 oyentes

Sub. E1 de 2.048 Mbps 5 Líneas para 100 oyentes

T1 de 1.544 Mbps 7 Líneas para 100 oyentes



E1 de 2.048 Mbps 5 Líneas para 100 oyentes




80

Descripción de los servicios empresariales:

Canal de comunicaciones de datos T1 fraccional Servicio que ofrece velocidades de datos en incrementos de 56/64 Kbps (velocidad DS0) hasta 1.544 Mbps. Tiene una fracción de 24 canales de capacidad.

Canal de comunicaciones T2 Servicio con la capacidad de cuatro canales T1 (ancho de banda de 6Mbps)

Canal de comunicaciones de datos T3 fraccional Es equivalente a 28 líneas T1 o 672 DS0 canales de 64 Kbps (con un ancho de banda de 45Mbps).

Canal de comunicaciones de datos E1 Equivalencia europea del T1, Servicio que ofrece velocidades de datos en incrementos de 64 Kbps (velocidad DS0) hasta 2.048 Mbps.

Canal de comunicaciones de datos E2 Señal de datos que lleva cuatro señales E1 multicanalizadas (8.448 Mbps).

Canal de comunicaciones de datos E3 Equivalencia europea del T3. Una señal que lleva 16 señales E1 (34.368 Mbps).

Canal de comunicaciones de datos Sub. T1 Cualquier equipo de voz o datos que opera a velocidades menores a 1.544 Mbps. Generalmente, esto cubre a los equipos operando desde 9.6 Kbps hasta 1.472 Mbps; por ejemplo, líneas DDS, líneas T1 fraccionales. A menudo utilizado para referir a servicios N x 56/64 Kbps

Canal de comunicaciones de datos Sub. E1 Similar a sub.-T1, cualquier equipo de voz o datos que opera a velocidades menores a 2.048 Mbps.

3.1.2. Configuración del Stream

La configuración de los ficheros XML del Source DSP plug-in. Que es una tecnología de streaming auditiva freeware, desarrollada por Nullsoft. Icecast y SHOUTcast utilizan la codificación MPEG- 3 (MP3) y AAC para transmitir radio por Internet. El cual mejora la calidad de la muestra ò permite variarla para el método broadcast de Winamp ofrece una mejora matemática de compresión. Tabla 3.9.

Dentro de la compresión de MP3 se puede tener diferentes velocidades de

transferencia de datos (Bitrate), así como ancho de banda y modo.

Tabla 3.9. Velocidad de transferencia de datos (Bitrate) y calidad de sonido

Calidad de sonido Ancho de

Banda Modo de Calidad

Bitrate* Ratio de

compresión

Radio AM 7.5kHz Mono 32 kbps 24 : 1

Radio FM 11kHz Estereo 56 a 64 kbps 26 a 24 : 1

CD normal 15kHz Estereo 96 kbps a 128 kbps 16 : 1

alta calidad > 15kHz Estereo >128 kbps 14 a 12 : 1


81

*Las velocidades de conexión a Internet en teoría son netas. Sin embargo en la práctica, la velocidad real disponible para el usuario, suele ser entre un 10-15 % menor, debido al ancho de banda consumido por las cabeceras y las colas de los protocolos.

Detalles técnicos de codificación y Banco de filtros híbrido:

En esta capa existen varias diferencias respecto a los estándares MPEG-1 y MPEG-2, entre las que se encuentra el llamado banco de filtros híbrido que hace que su diseño tenga mayor complejidad. Esta mejora de la resolución en frecuencia empeora la resolución temporal introduciendo problemas de pre-eco que se pueden predecir y corregir. Además, permite calidad de audio en tasas tan bajas como 64Kbps que se lograría emplear adecuadamente el Bitrate de 96 kbps con relación de 16 discos compactos a 1 disco compacto (16:1).

El banco de filtros híbrido poli fase / MDCT. Se encarga de realizar el mapeo del

dominio del tiempo al de la frecuencia tanto para el codificador como para los filtros de reconstrucción del decodificador.

Las muestras de salida del banco están cuantizadas y proporcionan una

resolución en frecuencia variable de 6 LINEAS x 32 ó de 18 LINEAS x 32 sub-bandas, ajustándose mucho mejor a las bandas críticas de las diferentes frecuencias. Usando 18 LINEAS, el número máximo de componentes en frecuencia es:

CF = NSALIDAS * NLINEAS (1.2.a)

CF = 32 x 18 = 576

Dando lugar a una resolución en frecuencia de:

FR = Bitrate / CF (1.2.b) FR = 96 000 / 576 = 166. 67 Hz

Si se usan 6 líneas de frecuencia la resolución es menor, pero la temporal es

mayor, y se aplica en aquellas zonas en las que se espera efectos de pre-eco (transiciones bruscas de silencio a altos niveles energéticos).

Empleando los ficheros XML:

Para adaptar las relaciones (1.1.a) y (1.1.b) con las tablas 3.4, 3.8 y 3.9. Se empleara el uso de XML (Extensible Markup Language) el cual es un metalenguaje extensible de etiquetas desarrollado por el World Wide Web Consortium (W3C). Es una simplificación y adaptación del SGML y permite definir la gramática de lenguajes específicos (de la misma manera que HTML es a su vez un lenguaje definido por SGML). Por lo tanto XML no es realmente un lenguaje en particular, sino una manera de definir lenguajes para diferentes necesidades.


82

Ventajas de emplear XML:

Es extensible, lo que quiere decir que una vez diseñado un lenguaje y puesto en producción, igual es posible extenderlo con la adición de nuevas etiquetas de manera que los antiguos consumidores de la vieja versión todavía puedan entender el nuevo formato.

El analizador es un componente estándar, no es necesario crear un analizador específico para cada lenguaje. Esto posibilita el empleo de uno de los tantos disponibles. De esta manera se evitan bugs y se acelera el desarrollo de la aplicación.

Si un tercero decide usar un documento creado en XML, es sencillo entender su estructura y procesarlo. Mejora la compatibilidad entre aplicaciones.

Estructura básica de un documento XML: <Edit_Mensaje>

<Mensaje> <Remitente>

<Nombre>Nombre del remitente</Nombre> <Mail> Correo del remitente </Mail>

</Remitente> <Destinatario>

<Nombre>Nombre del destinatario</Nombre> <Mail>Correo del destinatario</Mail>

</Destinatario> <Texto>

<Asunto> Documento con una estructura muy sencilla no contiene atributos ni entidades.

</Asunto> <Párrafo>

Este documento con una estructura muy sencilla no contiene atributos ni entidades.

</Párrafo>

</Texto>

</Mensaje>

</Edit_Mensaje>


83

A continuación se realizara la configuración adecuada mediante la breve explicación de XML y el apartado 1.1 con las tablas antes mencionadas y las relaciones matemáticas.

<icecast><!—Este fichero también es para SHOUTcast-->

<mount> <username>Nombre del administrador</username> <password>Contraseña del administrador</password> <max-listeners> Número máximo de listeners en este caso 100 </max-listeners> <stream-url> Dirección http de la estación en este caso http://localhost/SekhmetRadio.html </stream-url> <genre> Aquí se pone el genero musical. Ejemplo: Rock, </genre> <bitrate> Aquí se pone el resultado de la relación (1.1.a) En este caso 96kbps </bitrate> <burst-size> Tamaño del dato (en bytes que se le envian al cliente por cada paquete) en este caso 65536 </burst-size> <mp3-metadata-interval> 4096 </mp3-metadata-interval> <authentication type="htpasswd"> <option name="filename" value="myauth"/> <option name="allow_duplicate_users" value="0"/> </authentication> <on-connect> /home/Nombre del Servidor streaming/bin/source-start </on-connect> <on-disconnect> /home/ Nombre del Servidor streaming /bin/source-end </on-disconnect>

</mount> </icecast>


84

3.2. INSTALACIÓN Y CONFIGURACIÓN

3.2.1. Configurando el Distributed Network Audio Server (DNAS)

Es el software que se ejecuta en los receptores de streaming y es el responsable

de recibir el audio desde el equipo transmisor, así mismo de actualizar la información sobre el contenido y conectar a los oyentes.

Sin embargo hay que programarlo y determinar en base a las características

antes mencionadas del Source DSP plug-in y el ancho de banda en base al canal de comunicación de datos para el mejoramiento del muestro, encode y compresión. <ices><!—Este fichero también es para SHOUTcast--> <stream>

<input> <param name="rate">44100</param> <param name="channels">2 para Modo Estereo</param> <param name="device">/dev/dsp</param> <param name="metadata">1</param> <param name="metadatafilename">/usr/share/ices/infometadata</param> </input> <instance>

<hostname>Poner la IP</hostname> <port>8000</port> <encode>

<quality>1</quality> <nominalbitrate>96000</nominalbitrate> <samplerate>44100</samplerate> <channels>1</channels>

</encode> <downmix>1</downmix> <resample>

<inrate>44100</inrate> <outrate>44100</outrate>

</resample> </instance>

</stream> </ices>


85

3.2.2. Implementación en la web del servidor de streaming

En este apartado se muestra el desarrollo de la pagina web, recordando que no todos los usuarios de Internet usan el mismo navegador. Por tal se incorpora el código HTML para los dos reproductores del streaming Windows Media Player y Real Audio Player.

Inicialmente HTML (HyperText Markup Language) es un Lenguaje de Marcado

de Hipertexto. Se le define comercialmente como un lenguaje de marcado predominante para la construcción de páginas web.

Estructura básica de un documento HTML:

<html> <head>

<title>Sekhmet @ Radio 802.16 </title> </head> <body>

<p> Documento con una estructura muy sencilla no contiene atributos ni entidades. </p>

</body> </html>

Explicación de los códigos básicos de HTML.

<title> Define el título de la página. Por lo general, el título aparece en la barra de título encima de la ventana <body>Define el contenido principal o cuerpo del documento. Esta es la parte del documento html que se muestra en el navegador; dentro de esta etiqueta pueden definirse propiedades comunes a toda la página, como color de fondo y márgenes. <img>: Define el uso o inserción de una imagen. Requiere del atributo src, que indica la ruta en la que se encuentra la imagen.


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Código HMTL para emplear el Windows Media Player

<html> <head><title>S E K H M E T © R A D I O</title></head> <body bgcolor="#B88C78"> <img src="Sekhmet_relief_jk.jpg" width="320" height="496" > <object id="WMP4" height="63" width="278" classid="clsid:6BF52A52-394A-11D3-B153-00C04F79FAA6">

<param name="URL" value="http://Número de IP : Número de PUERTO"> <param name="rate" value="1"> <param name="balance" value="0"> <param name="currentPosition" value="0"> <param name="defaultFrame" value> <param name="playCount" value="1"> <param name="autoStart" value="-1"> <param name="currentMarker" value="0"> <param name="invokeURLs" value="0"> <param name="baseURL" value> <param name="volume" value="100"> <param name="mute" value="0"> <param name="uiMode" value="mini"> <param name="stretchToFit" value="0"> <param name="windowlessVideo" value="0"> <param name="enabled" value="-1"> <param name="enableContextMenu" value="0"> <param name="fullScreen" value="0"> <param name="SAMIStyle" value> <param name="SAMILang" value> <param name="SAMIFilename" value> <param name="captioningID" value> <param name="enableErrorDialogs" value="-1"> <param name="_cx" value="7355"> <param name="_cy" value="1667">

</object> </body> </html>


87

Código HMTL para emplear el Real Audio Player <html> <head><title>S E K H M E T © R A D I O</title></head> <body bgcolor="#B88C78"> <img src="Sekhmet_relief_jk.jpg" width="320" height="496" > <object id=video2 height=57 width=275 border=0 classid=clsid:CFCDAA03-8BE4-11CF-B84B-0020AFBBCCFA>

<param name="_ExtentX" value="7276"> <param name="_ExtentY" value="1508"> <param name="AUTOSTART" value="-1"> <param name="SHUFFLE" value="0"> <param name="PREFETCH" value="0"> <param name="NOLABELS" value="0"> <param name="SRC" value="http://Número de IP : Número de PUERTO "> <param name="CONTROLS" value="VolumeButton"> <param name="CONSOLE" value="Clip21"> <param name="LOOP" value="0"> <param name="NUMLOOP" value="0"> <param name="CENTER" value="0"> <param name="MAINTAINASPECT" value="0"> <param name="BACKGROUNDCOLOR" value="#000000">

<embed align="baseline" border="0" width="35" height="25" type="audio/x-pn-realaudio-plugin" console="Clip1" controls="VolumeButton" autostart="true"> </object> </body> </html>

La ventaja de emplear el código HTML para Real Audio Player es su funcionalidad, ya que permite ser reproducido e incrustado dentro de los distintos navegadores de Internet como Firefox Mozilla y Opera. Mientras que Internet Explorer solo permite el Windows Media Player.

El código HTML mostrador anteriormente, ya contiene las líneas de código

necesarias para descargar los controladores de audio y el software libre.


88

3.2.3. Servidor web para sitios en Internet e intranet

Servicios de Internet Information Server (IIS) Inicialmente se tiene que crear un nuevo directorio virtual en IIS. Recordar que se

tiene que dar un nombre de directorio en este caso Sekhmet Radio y a continuación dar la ubicación donde se encuentran las paginas HTML con todos los demás archivos que implementa la pagina HTML, como pueden ser imágenes JPG, BMP, GIF, incluso archivos *.class.

Figura 3.2. Explorador del IIS para un nuevo sitio web

Ahora en el nuevo directorio virtual creado dar un clic derecho para configurar la

opción de todas las tareas en el asistente de permisos de IIS. Si se omite este paso, es posible que nadie pueda ver su página web, incluyéndolo al usuario local.


89

Figura 3.3. Configuración de seguridad del sitio web

Figura 3.4. Asistente de permisos del IIS para dominio público ó privado


90

Ahora para levantar el servidor web para sitios por Internet, solo bastara con

presionar el botón de inicio que se muestra en la Figura 3.5.

Figura 3.5. Explorador del IIS para inicio del servidor

Para revisar que la pagina web está dando servicio se puede hacer desde otra

computadora en ese caso se tendrá que especificar ó escribir en el navegador de Internet (por ejemplo Internet Explorer, Mozilla Firefox), mediante la siguiente url:

http:// Direccion IP /Sekhmet%20Radio/Sekhmet%20Radio.htm

Si se hace desde el mismo servidor con la línea anterior también funcionara sin embargo, se puede realizar como:

http://localhost/Sekhmet%20Radio/Sekhmet%20Radio.htm

Servicios de Apache Tomcat 5.5 Una vez instalado el programa de Apache, poder utilizar el servidor Tomcat, se

debe crear una carpeta en el directorio webapps, ubicado en la carpeta donde se instaló el programa (<tomcat home>). Para acceder a los archivos a través de la red, es necesario dar un nombre al directorio en este caso Sekhmet Radio y a continuación


91

copiar los archivos requeridos para la página (páginas HTML, aspx, imágenes jpg, bmp, gif), dentro de esta carpeta.

Figura 3.6. Explorador de Windows para configuración del webapps

Adicionalmente se necesita una carpeta llamada WEB-INF, y crear dentro de ella

el fichero xml, para que se pueda ver el contenido en la red; como se aprecia en la figura 3.6. al instalar el software Apache, crea, por default, dentro de la carpeta webapps el directorio raíz (ROOT) que contiene la descripción general del programa y sus aplicaciones básicas; a partir de esta carpeta copiamos el archivo web.xml (…\ROOT\WEB-INF) en el directorio WEB-INF de nuestra aplicación.

Figura 3.7. Explorador de Windows para la configuración del WEB-INF


92

Por último se inicia la aplicación Tomcat, esto se logra dando clic derecho en el

icono que aparece en la barra de tareas y seleccionando ‗start service‘. Nota: Cabe mencionar que si el servicio ya estaba activado debemos detenerlo y volverlo a iniciar para que los cambios que realizados tengan efecto. O mediante el manager (http://127.0.0.1/manager/html)

Figura 3.8. Inicio del servidor de aplicaciones web

Para acceder a nuestra página web, solo necesitamos introducir en el navegador

de internet deseado la siguiente dirección:

http:// dirección IP del equipo:Puerto utilizado /Sekhmet Radio/Sekhmet Radio.htm

Para el caso de poderla consultar desde nuestro propio equipo es preferible utilizar la siguiente dirección:

http://localhost: Puerto utilizado /Sekhmet Radio/Sekhmet Radio.htm

3.2.4. Código de las páginas web implementadas <script language="javascript"> function abrirVentana1() { window.open('Windows%20Media%20Player.html','','titlebars=0, toolbar=0,scrollbars=0,location=0,statusbar=0,menubar=0,resizable=0,

minimize=1, close=0,width=300,height=330'); } function abrirVentana2() { window.open('Real%20Media%20Player.html','','titlebars=0, toolbar=0,scrollbars=0,location=0,statusbar=0,menubar=0,resizable=0,

minimize=1, close=0,width=300,height=330'); } function shell(command) { RegWsh = new ActiveXObject("WScript.Shell"); RegWsh.Run(command); } </script>


93

El código anterior se implementó en la página principal de la aplicación, éste tiene el objetivo de presentar el reproductor específico, ya sea para Internet Explorer (mediante Windows Media Player), o en otros navegadores como Mozilla (utilizando Real Player). El reproductor y algunos aspectos extras se muestran en ventanas separadas.

3.2.5. Implementación de servidores con Máquinas Virtuales

Máquinas Virtuales El concepto de máquina virtual surge con el sistema VM/370 de IBM en 1972. La

idea principal es la de permitir ejecutar varios sistemas operativos simultáneamente sobre el mismo hardware. Para ello, separa las dos funciones básicas que realiza un sistema de tiempo compartido: multiprogramación y abstracción del hardware. El corazón del sistema es conocido como monitor de máquina virtual, y se ejecuta sobre el hardware proporcionando varias máquinas virtuales al siguiente nivel de software. Estas máquinas virtuales, son copias exactas del hardware desnudo. Por esto, cada una puede estar ejecutando cualquier sistema operativo. Recientemente, ha surgido VMWare, de forma que un usuario puede estar ejecutando sistemas como Windows NT y Linux de forma simultánea. También ha sido llevada esta idea de máquina virtual a lenguajes de programación como Java.

Algunas aplicaciones de las máquinas virtuales son:

Consolidación de servidores: Se trata de agrupar todos los servidores de una empresa en una sola máquina. La idea se basa en aprovechar mejor los recursos del servidor, ya que es habitual el desaprovechamiento de recursos de hardware en estos tiempos en los que el hardware avanza tan deprisa. En estos casos, como siempre que se usan máquinas virtuales, la realización de copias de seguridad de cada una de las máquinas resulta muy fácil, puesto que en general supondrá la copia de un solo fichero.

Máquinas de desarrollo o pruebas: Siempre es mejor probar las cosas en una máquina que no es crítica para el negocio y que, como en el caso de las máquinas virtuales, se puede recuperar en muy poco tiempo.

La virtualización del hardware permitirá mejorar la utilización del servidor, reduciendo potencialmente el número de sistemas requeridos en más de un 40 por ciento.

El crecimiento de la virtualización y el creciente despliegue de procesadores multi-

núcleo están forzando a los vendedores de software a replantearse su existente sistema de licencias.

Beneficios para el usuario Reduce los costos y riesgos al tiempo que aumentan la calidad y agilidad de su

infraestructura de T1.


94

Permite a los clientes ejecutar múltiples sistemas operativos al mismo tiempo en un único servidor físico, donde cada uno de los sistemas operativos funciona en un equipo independiente. Brinda una mejor eficiencia del hardware ofreciendo una gran solución para

aislamiento y administración de recursos. Desventajas Una falla de hardware equivale a la falla de todos los sistemas virtuales que

operan sobre el mismo. Para asegurar los servicios se deben adquirir hardware de gran capacidad y por

consiguiente alto costo.

VMware

VMware es un programa para emular o virtualizar diferentes sistemas operativos. Es multiplataforma, funcionando en sistemas Windows, Linux, DOS, BSD. Es similar a su homólogo Virtual PC, aunque tiene diferencias en la arquitectura para afectar la forma en la que el software interactúa con el equipo (hardware).

Dependiendo del propio ordenador donde funcione, el rendimiento del sistema

virtual o emulado puede variar. Mientras que VirtualPC emula una plataforma x86, Vmware la virtualiza, de forma que la mayor parte de las instrucciones se ejecutan directamente sobre el hardware físico, por este motivo existen importantes diferencias en cuanto al rendimiento, siendo en cualquier caso Vmware el referente en cuanto a rendimiento.

Puede emular por ejemplo tarjetas gráficas o tarjetas de red. Y además también se

puede acceder al hardware del ordenador, como a dispositivos USB, unidades de disco, puertos de entrada, etc. Hay que tener en cuenta que el hardware emulado debe ser compatible así pues, no se puede ejecutar MacOS sobre un ordenador de arquitectura wintel o viceversa.

Funcionamiento

En primer lugar se crea una máquina virtual, para lo que se dispone de un asistente donde se indican varios detalles como el tamaño del disco duro, cantidad de RAM, conexiones de red.

El siguiente paso es, instalar el sistema operativo. El proceso es idéntico a instalarlo en un ordenador físico. El programa también dispone de un complemento llamado VMware Tools, se instalan sobre el sistema operativo virtual y aportan características adicionales al programa. VMware extiende la virtualización al entorno PC

La virtualización sigue ganando peso como mecanismo para conseguir el mejor aprovechamiento de las infraestructuras y la adopción de estas tecnologías es una de


95

las tendencias más importantes del mercado. No en vano, Gartner advierte que las empresas que no aprovechen estas tecnologías gastarán anualmente un 25 por ciento más en hardware, software, trabajo y espacio para sus servidores Intel.

En este escenario, la compañía VMware, perteneciente a EMC desde principios del pasado año, constituye un referente contándose entre los 10 proveedores de software de más rápido crecimiento con una facturación en el primer trimestre de 2005 de 80 millones de dólares. Al frente de la filial de VMware para el mercado ibérico se encuentra Alfonso Ramírez que, procedente de las filas de Bea Systems, está convencido de que ―la virtualización es la respuesta a una de las problemáticas más acuciantes de los departamentos de sistemas, que se encuentran en los límites de la reducción de costes pero siguen infrautilizando sus infraestructuras‖.

Desde que desarrollara en 1999 su primer producto, VMware Workstation, VMware se ha esforzado por extender la tecnología de máquinas virtuales y en 2001 consiguió un logro fundamental al entrar, con VMware GSX Server y VMware ESX Server, en el mercado de servidores x86, donde el grado de utilización no alcanza el 10 por ciento mientras que en los mainframe roza el 60 por ciento, según los datos que maneja la empresa. Ese desaprovechamiento exige que ―los servidores hardware ejecuten múltiples aplicaciones sin que un problema en alguna de ellas afecte a otra‖, se aprecian ventajas adicionales en tanto que ―con el entorno de plataforma virtual, disponemos de una herramienta de gestión centralizada‖. Pero más allá de VMware Virtual Center, el punto clave en este contexto es ―la posibilidad de enfocar los centros de procesamiento de datos como un pool, de forma que cuando se necesitan más recursos se crea la correspondiente máquina virtual con la capacidad necesaria y posibilidades de movilización gracias a la tecnología Vmotion‖. Más recientemente, la compañía ha entrado en los entornos de puesto de trabajo con VMware ACE, que ―nos permite establecer políticas sobre una máquina virtual limitando el acceso en función del usuario‖. Requisitos Mínimos del Sistema: Los requerimientos mínimos del sistema, para su funcionamiento son:

Sistema Operativo Windows 2000/2003/XP/Vista

Procesador de 400 MHz

Memoria RAM de 128 MB

Espacio disponible en disco duro de 315 MB

Creación de Máquinas Virtuales mediante VMWare Al ejecutar el programa VMWare nos muestra la ventana que se observa en la

figura 3.9.


96

Figura 3.9 Ventana principal del programa de emulación VMWare

Para crear una máquina virtual, se debe seleccionar la opción ―New Virtual

Machine‖ que se encuentra en la pestaña de ―Home‖, al hacerlo aparecerá una ventana de ayuda que permite configurar las características de nuestra máquina virtual (figura 3.10).

La primera ventana (figura 3.10.1) es la bienvenida al asistente de creación de la

nueva máquina virtual, basta con elegir la opción siguiente. La pantalla siguiente (figura 3.10.2) es la forma en la que se va a configurar la

máquina virtual, ya sea la configuración típica o la configuración personalizada. En la opción personalizada (Custom) permite seleccionar el tipo de estación de trabajo a utilizar (workstation), cada una de ellas posee diferentes ventajas, como por ejemplo compatibilidad con dispositivos USB, tarjetas de red. En el ejemplo se utilizó la forma típica (Typical).

En la figura 3.10.3 se observa la primera ventana del asistente de configuración

que interesa, a partir de aquí se especifican las características básicas de la nueva máquina virtual. Primero se configura cual será el sistema operativo invitado (guest), es decir, el sistema operativo que se instalara en la máquina virtual. Es importante tener cuidado en elegir la opción adecuada al sistema que se desea, de lo contrario, causara conflictos en el funcionamiento de la maquina virtual.


97

Figura 3.10 Ventanas de configuración de la maquina virtual

La opción elegida para el SO ‗guest‘, en este caso será Windows XP

Professional, (figura 3.10.3), la siguiente ventana de configuración (figura 3.11, atrás), tiene como objetivo seleccionar el nombre de la nueva máquina virtual (MV), además de seleccionar la ruta destino donde se guardara los archivos de configuración de la MV, así como el archivo del disco virtual de VMWare, estos dos archivos permiten hacer móvil nuestra máquina, es decir, se puede copiar estos archivos de un equipo a otro y la MV funcionara en ambos equipos, sin necesidad de instalar software nuevamente.


98

Figura 3.11 Nombre de la MV y tipo de conexión de red

La configuración del tipo de conexión de red (figura 3.11, frente), se debe realizar

dependiendo de cómo se va a conectar a la red la MV, ya se mediante un simple puente, o utilizando NAT (Network Address Translation). Estas opciones son las más comunes e importantes, en el ejemplo se utiliza la opción ‗bridge‘, que es conectarse mediante un simple puente a la red.

Figura 3.12 Seleccionar tamaño de disco de la MV

Por último, se debe seleccionar el espacio de disco duro de la máquina virtual

(figura 3.12), se debe tomar en cuenta que clase de SO será instalado así como el tamaño de las actualizaciones y demás software básico. Las opciones disponibles son:


99

designar espacio en disco ahora, que sugiere reservar el espacio completamente en el disco; o partir el archivo en varios de 2 GB cada uno.

Figura 3.13 Resultado del Asistente de de configuración de VMWare

Figura 3.14 Propiedades de la MV (Hardware)

Para utilizar el hardware por medio de la máquina virtual se debe configurar que

tipo es, y habilitar cada uno de ellos. Al dar click derecho en el nombre de la MV que se creó, despliega un menú emergente, seleccionar la opción ‗Settings‘, lo cual mostrara una ventana donde se tiene enlistado algunos elementos físicos de la computadora, como tarjeta de red, unidades de disco, pantalla. En general todas se configuran automáticamente, solo se debe prestar atención a dos aspectos no hechos anteriormente; el primero es asignar el tamaño de la memoria RAM de la MV, en este


100

caso se le asignó un tamaño de 256 MB; por otra parte esta la unidad de CD ROM, ésta permitirá utilizar el disco de instalación del sistema operativo invitado (guest), pero también si se tiene acceso al la imagen iso del disco de instalación se puede elegir ―Use ISO image‖ (figura 3.14), al elegir este método se debe dar la ruta de donde se encuentra el archivo, y al iniciar la MV ésta ejecutará el archivo, sin necesidad del disco de instalación.

Por último, para iniciar el funcionamiento de la MV se debe tener seleccionada la que se desea iniciar, y hacer click en ―Start this virtual machine‖ (figura 3.13). Al iniciar su operación, ésta arranca como cualquier otra computadora normal, por lo que si se inicia con el disco de SO, este comenzara la configuración e instalación del SO (ver figura 3.15).

Fig. 3.15 Instalación del SO en una máquina virtual.

3.3. PRUEBAS FINALES DE ESTRES

Las características del servidor de streaming y del servidor de stress se muestran

a continuación, así mismo las pruebas realizadas en el servidor de aplicaciones web y de streaming se logro mediante un servicio de Internet de 54 Mbps en conexión con un valor de subida de 5 Mbps, los clientes simulados por el servidor de stress cuentan con una conexión de 64 Kbps, con un modem convencional de 56 Kbps y otros con una conexión de 1 024 Kbps.

Pruebas realizadas con la aplicación WebServer Stress Tool v7.0.1 Tipo de prueba: Click (Probando hasta un clic por usuario)


101

Simulación de usuario: 100 usuarios simultáneos Intervalo de peticiones simultaneas- 1 segundo entre Click (Random)

Fig. 3.16. Características del servidor de aplicaciones web y de streaming

Fig. 3.17. Características del servidor y simulador de stress.

Fig. 3.18. Estado del servidor de streaming en la prueba de stress.

Graficas y resultados de la prueba de stress


102

Fig. 3.19. Protocolo para todos los tiempos en las URLs.

Fig. 3.20. Servidor y usuario con relacion al ancho de banda.

En las figuras 3.19, 3.20 se tiene una grafica que muestra notablemente un éxito

de cero constante para todas las visitas en relación a las peticiones al servidor, es decir; los DNS solicitan una petición que requiere cierto tiempo de respuesta inmediata (RTP), en las graficas se tiene un indicador de cero a cien usuarios (listeners) mayor a este intervalo, todos logran obtener una respuesta por parte del servidor.

Protocol Times for all URLs

User Simulation: 100 simultaneous users - 1 seconds between clicks (Random)

Test Ty pe: CLICKS (run test until 1 clicks per user)

Click Timegfedcb Time to First Bytegfedcb Time to Connectgfedcb Time for DNSgfedcb Time for local socketgfedcb

Time Since Start of Test [s]1101009080706050403020100

Tim

e [

ms]

0






Tim

e [

ms]

0

Server and User Bandwidth



Server Bandwidth [kbit/s]gfedcb Avg. User Bandwidth [kbit/s]gfedcb


Serv

er

Bandw

idth

[kbit

/s]

0

Avg. U

ser B

andw

idth

[kbit/s

]

0






Serv

er

Bandw

idth

[kbit

/s]

0

Avg. U

ser B

andw

idth

[kbit/s]

0






Tim

e [

ms]

0






Serv

er

Bandw

idth

[kbit

/s]

0

Avg. U

ser B

andw

idth

[kbit/s]

0


103

Fig. 3.21. Datos transferidos, memoria de sistema y carga del CPU.

Fig. 3.22. Respuesta de solicitudes y datos transferidos.

Transferred Data & System Memory & CPU Load



System Memory [MB]gfedcb Network Traffic [kbit/s]gfedcb Local CPU Load [%]gfedcb

Time since start of test [s]110100908070605040302010

Available

System

Mem

ory [

MB

]

8

7

6

5

Transferred D

ata [

kbit

/s]

0

Local C

PU

Load [

%]

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%






Available

Syst

em

Mem

ory

[M

B]

8

7

6

5

Tra

nsfe

rred D

ata

[kbit/s]

0

Loca

l CPU

Load [%

]

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

Open Requests & Transferred Data



Open Requestsgfedcb Sent Requests per secondgfedcb Received Requests per secondgfedcb Network Traffic [kbit/s]gfedcb


Open R

equests

100

Bandw

idth

[kbit/s

]

0

Sent/R

eceiv

ed R

equests

/s

0






Open R

equests

100

Bandw

idth

[kbit/s

]

0

Sent/R

eceiv

ed R

equests

/s

0






Open R

equest

s

100

Bandw

idth

[kbit/s]

0

Sent/R

ece

ived R

equests/s

0






Available

Syst

em

Mem

ory

[M

B]

8

7

6

5

Tra

nsfe

rred D

ata

[kbit/s]

0

Loca

l CPU

Load [%

]

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%






Available

Syst

em

Mem

ory

[M

B]

8

7

6

5

Tra

nsfe

rred D

ata

[kbit/s]

0

Loca

l CPU

Load [%

]

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%






Available

Syst

em

Mem

ory

[M

B]

8

7

6

5

Tra

nsfe

rred D

ata

[kbit/s]

0

Loca

l CPU

Load [%

]

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%


104

Fig. 3.23. Jerarquia y tiempo de todos los resultados.

Las figuras 3.21, 3.22, 3.23. es notable la creciente demanda en los recursos del servidor conforme aumentan los ―radio escuchas‖.

La Fig. 3.21. es importante mencionar que el consumo que se tiene en el

servidor es debido a la aplicación de VMWare (servidor streaming y servidor de aplicaciones web) que genera un consumo de 5 a 8 MB en RAM para el servidor streaming y este aumenta más de lo esperado por los procesos del reproductor multimedia, así como el servidor de aplicaciones web

Por otra parte el tráfico de red permanece constante, lo cual indica que todos los

usuarios lograron obtener respuesta por parte del servidor con un tiempo de espera en promedio de 3 segundos, dando prioridad a los que tiene mayor/mejor conexión de internet. La Fig. 3.23. muestra que al aumentar los listeners aumenta el error, cuando el error es igual ò mayor a 1, indica que el ancho de banda ya no es el suficiente.

Fig. 3.24. Tiempo por Click, visitas y usuarios de todas las URLs.

Hierarchy and Times of All Hits



Pagesgfedcb Imagesgfedcb Framesgfedcb Errorsgfedcb

Time Since Start of Test [ms]120,000110,000100,00090,00080,00070,00060,00050,00040,00030,00020,00010,000

Request H

ierarchy

1

0






Request

Hie

rarc

hy

1

0

Click Time, Hits/s, Users/s (all URLs)



Click Time [ms]gfedcb Clicks per Secondgfedcb Hits per Secondgfedcb


Click T

ime [

ms]

0

Hits

/s - C

licks/s

0






Click

Tim

e [

ms]

0

Hits/s - C

licks/s

0






Click

Tim

e [

ms]

0

Hits/s - C

licks/s

0






Req

uest

Hie

rarc

hy

1

0


105

Fig. 3.25. Número de Click´s y errores por URL.

La figura 3.24. y 3.25. muestra la respuesta a peticiones por segundo, en este caso se logro graficar las visitas por segundo en ambos servidores, tanto el físico como el virtual con respuesta de conexión inmediata así, como la reproducción en el software multimedia del cliente (listener) de 3 segundos en promedio para esta prueba (almacenar en buffer). Y error promedio menor a uno, hasta llegar al valor de 100 peticiones se logra un error mayor a uno para un milisegundo de retardo.

Tabla 3.10. URL a probar

URL# Name Click Delay

[s] URL

POST data (or

@filename@) Username Password

1 1 1 http://192.168.1.66:8000/ --------- ---------- ---------

Tabla 3.11 Resultados por usuario

No. Usuario

Clicks Hits/Visitas Errores Avg. Click Time [ms]

Bytes Kbit /s

1 1 1 1 120,855 1,030,398 68.21

2 1 1 1 120,855 1,014,014 67.12

3 1 1 1 120,853 1,145,709 75.84

4 1 1 1 120,819 1,078,090 71.39

5 1 1 1 120,696 1,051,217 69.68

6 1 1 1 120,826 960,685 63.61

7 1 1 1 120,705 965,754 64.01

8 1 1 1 120,699 767,889 50.90

9 1 1 1 120,696 983,485 65.19

10 1 1 1 120,678 947,221 62.79

11 1 1 1 120,678 781,718 51.82

12 1 1 1 120,820 930,634 61.62

Req-Times: 1gfedcbErrors: 1gfedcb

Click Times and Errors (per URL)




Avera

ge R

equest

Tim

e [

ms]

0

Erro

rs [%

]

0






Avera

ge R

equest

Tim

e [

ms]

0

Erro

rs [%]

0






Avera

ge R

equest

Tim

e [

ms]

0

Erro

rs [%]

0


106

No. Usuario


Bytes kbit/s

13 1 1 1 120,677 950,514 63.01

14 1 1 1 120,519 653,566 43.38

15 1 1 1 120,397 864,823 57.47

16 1 1 1 120,393 875,772 58.19

17 1 1 1 120,561 482,151 31.99

18 1 1 1 120,379 879,747 58.47

19 1 1 1 120,550 858,001 56.94

20 1 1 1 120,385 1,028,500 68.35

21 1 1 1 120,422 769,276 51.11

22 1 1 1 120,419 791,095 52.56

23 1 1 1 120,366 749,972 49.85

24 1 1 1 120,531 1,042,605 69.20

25 1 1 1 120,359 717,204 47.67

26 1 1 1 120,425 908,700 60.37

27 1 1 1 120,424 700,820 46.56

28 1 1 1 120,424 746,160 49.57

29 1 1 1 120,591 1,030,033 68.33

30 1 1 1 120,422 703,900 46.76

31 1 1 1 120,410 852,248 56.62

32 1 1 1 120,418 729,368 48.46

33 1 1 1 120,416 724,625 48.14

34 1 1 1 120,572 890,769 59.10

35 1 1 1 120,428 590,512 39.23

36 1 1 1 120,427 739,428 49.12

37 1 1 1 120,426 728,316 48.38

38 1 1 1 120,415 807,316 53.64

39 1 1 1 120,584 972,738 64.54

40 1 1 1 120,402 745,752 49.55

41 1 1 1 120,458 912,920 60.63

42 1 1 1 120,460 449,948 29.88

43 1 1 1 120,610 774,548 51.38

44 1 1 1 121,361 864,660 57.00

45 1 1 1 120,438 959,152 63.71

46 1 1 1 120,466 915,393 60.79

47 1 1 1 120,468 965,210 64.10

48 1 1 1 121,118 883,964 58.39

49 1 1 1 121,758 996,462 65.47

50 1 1 1 121,700 755,082 49.64

51 1 1 1 121,555 794,582 52.30

52 1 1 1 121,551 719,394 47.35


107

No. Usuario


Bytes kbit/s

53 1 1 1 121,740 887,046 58.29

54 1 1 1 121,373 735,778 48.50

55 1 1 1 121,156 772,196 50.99

56 1 1 1 121,161 707,712 46.73

57 1 1 1 121,036 840,084 55.53

58 1 1 1 120,983 980,078 64.81

59 1 1 1 121,177 789,632 52.13

60 1 1 1 120,943 745,430 49.31

61 1 1 1 120,955 685,166 45.32

62 1 1 1 121,315 755,974 49.85

63 1 1 1 121,008 805,126 53.23

64 1 1 1 121,001 794,582 52.53

65 1 1 1 121,473 614,358 40.46

66 1 1 1 121,191 887,046 58.56

67 1 1 1 120,842 795,368 52.66

68 1 1 1 121,070 989,957 65.41

69 1 1 1 121,056 502,912 33.24

70 1 1 1 121,480 1,071,877 70.59

71 1 1 1 121,028 885,813 58.55

72 1 1 1 121,118 885,480 58.49

73 1 1 1 121,114 836,328 55.24

74 1 1 1 121,128 745,752 49.25

75 1 1 1 121,223 706,252 46.61

76 1 1 1 120,726 1,027,997 68.12

77 1 1 1 121,401 829,596 54.67

78 1 1 1 120,977 1,041,128 68.85

79 1 1 1 120,964 893,357 59.08

80 1 1 1 121,054 803,245 53.08

81 1 1 1 121,054 874,472 57.79

82 1 1 1 121,383 745,009 49.10

83 1 1 1 121,053 614,680 40.62

84 1 1 1 120,457 592,134 39.33

85 1 1 1 120,940 680,365 45.01

86 1 1 1 120,931 696,600 46.08

87 1 1 1 121,003 745,901 49.32

88 1 1 1 121,356 532,760 35.12

89 1 1 1 121,067 709,321 46.87

90 1 1 1 120,905 983,469 65.07

91 1 1 1 120,895 811,437 53.70

92 1 1 1 120,887 958,744 63.45


108

No. Usuario


Bytes kbit/s

93 1 1 1 121,345 970,005 63.95

94 1 1 1 120,875 834,972 55.26

95 1 1 1 120,868 696,600 46.11

96 1 1 1 120,857 557,336 36.89

97 1 1 1 120,844 696,600 46.12

98 1 1 1 121,076 770,477 50.91

99 1 1 1 121,060 884,273 58.44

100 1 1 1 121,048 773,248 51.10

3.4. ESTUDIO ECONÓMICO

Aplicaciones de Triple Play por WiMax en internet – Estación de Radio –

Equipo de computo Renta y/o servicios

Acondicionamiento del estudio y cabina

Licencias de Software

2 Servidores $16.000,00

Internet y modem $2.000,00

Consola y poder $3.000,00 Licencias $2.400,00

1 PC Escritorio $5.000,00

Material Acustico $2.000,00

Total Anual Fijo $5.000,00

Total Anual Variable $21.000,00 $2.000,00 $2.400,00

Pago por Hora $120,00

Dias laborales de 8 Horas 14

Salario total por persona $13.440,00

Inversion Total ( 1 año ) $30.400,00

Total Invertido $43.840,00

*Todos los costos están realizados en pesos mexicanos


109

3.5. CONCLUSIONES

En la idea central del trabajo se desarrolló un sistema capaz de transmitir audio (tanto voz y datos) por medio de Internet. Empleando los diversos medios de conectividad que existen para banda ancha. Comprobando el correcto funcionamiento de la aplicación bajo condiciones extremas, involucrando tráfico, peticiones por tiempo y jerarquía de usuarios mediante el uso de software que permite estresar servidores, esto con la ayuda de un Script que se genera automáticamente. La prueba no se realizo directamente al servidor streaming, ni al servidor de aplicaciones Web debido al funcionamiento integrado que brindan ambos servidores en el sistema de difusión.

Emplear máquinas virtuales brinda un sistema inmerso, es decir, dos servidores

integrados en un mismo recurso físico para una aplicación de difusión final. La relevancia del servidor de streaming da la prioridad de tenerlo como servidor físico al tener soporte de carga pico y el servidor de aplicaciones Web como virtual. Esto con la finalidad de proteger la información de difusión, además de dar facilidad de mantenimiento a las aplicaciones Web.

Dentro de la conectividad es de gran importancia la configuración y asignación

de los puertos de comunicación. Los puertos para servicios de distribución de datos Web usan el puerto 80, mientras que streaming son completamente diferentes, al estar en un rango de 1024 hasta 65535 establecidos por el protocolo H.323. Es relevante esta especificación al realizar la comunicación entre servidor físico-virtual. El servidor virtual recibe la petición de un radio escucha desde una red pública como Internet entonces, por medio del puerto 80 contesta el servidor físico, mientras que este está conectado al servidor físico por medio del puerto 1024 enviando a una interfaz Web la información streaming.

Las herramientas empleadas para la implementación final, tal es, como máquinas

virtuales se orientan al uso elevado de CPU y memoria RAM compartido. En el capítulo 3 se ve detalladamente el uso de la memoria en relación a las peticiones de los usuarios, sin embargo en la práctica el consumo de ancho de banda obliga a la memoria RAM y CPU a estar elevadas por encima de los valores predeterminados. La base teórica ayudo a calcular las posibles limitantes que se tenían en RAM y CPU, para este problema se empleo una relación de menor tamaño de muestra a menor RAM, mejorando la velocidad de respuesta por petición y evitando retardos no obstante, esta relación indica que a mayor RAM y CPU mejor calidad de audio con mayor tamaño de muestra, dando la limitante de tener el más alto nivel de muestreo como referencia a tener una capacidad de memoria RAM ideal. Los protocolos que maneja el proyecto para distribución de datos en tiempo real, como es el UDP no garantiza la calidad del servicio, que difiere de la calidad del audio.

Un criterio que se manejó en la implementación final, fue la calidad de audio en

relación al ancho de banda al tener las condiciones ideales de transmisión, como son


110

un alto valor de muestra (256Kbps) y una memoria RAM con CPU superiores ó parecidos al SGI 3400 para brindar la calidad de audio con relación a las estimaciones matemáticas. Inicialmente dando prioridad a los servicios de Internet con banda ancha por cable se logró optar por servicios de T2, T3, E3 y E4 que emplean modulación por frecuencia y proporciona una buena velocidad de transmisión.

El uso de esta modulación desde aspectos matemáticos y prácticos, es debido al

objetivo de emplear WIMAX como medio de distribución. Metodológicamente con esta modulación se logra cubrir los tres puntos más relevantes. El análisis matemático mediante tablas con valores normalizados de servicio y tamaños de muestra estándares. El uso de streaming con ADSL para demostrar las tablas antes mencionadas y por último la migración de la aplicación final al medio de comunicación WIMAX. El análisis demostró que las bases asentadas por este trabajo cubren las características básicas para migrar la aplicación de radio a WIMAX para mejorar la calidad de audio. Además de concentrar el medio de distribución a esta solo aplicación.

Dentro de los aspectos de una aplicación Web se orientó a que funcionara de

manera correcta en la mayoría de los navegadores de Internet; para ello se implementaron dos reproductores multimedia (Windows Media Player y Real Media Player), además de los medios necesarios para su descarga en el caso de no contar con dichos reproductores (sea por descarga directa mediante enlaces o automática).


111

Bibliografía [1] José Manuel Huidobro, Ramón Millán, David Roldán, ―Tecnologías de Telecomunicaciones‖, Alfa omega, México, 2006. [2] Consuelo Part Escrivá, ―Radiodifusión y televisión por cable‖, Creaciones Copyright, España, 2006.

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Tesis. Aplicación Triple Play en Internet [IPN]