Uma Proposta de Ambiente de Recepção Colaborativa de TV Digital Interativa

Transcrição

1 Uma Proposta de Ambiente de Recepção Colaborativa de TV Digital Interativa Tiago dos Santos Façanha 1, Clayson Sandro Francisco de Sousa Celes 2, Igor Rafael Silva Valente 1, Domingos Sávio Soares Felipe 3, Cidcley Teixeira de Souza 4 1 Universidade Federal do Ceará 2 Universidade Estadual do Ceará 3 Instituto Centro de Ensino Tecnológico 4 Centro Federal de Educação Tecnológica do Ceará NASH Núcleo Avançado em Engenharia de Software Distribuído e Sistemas Hipermídia (CEFET/CE) tiagofacanha@gmail.com, claysonsandro@gmail.com, igorvalente@gmail.com, savio@centec.org.br, cidcley@gmail.com Resumo A televisão digital permite a transmissão de conteúdos audiovisuais com maior qualidade, programas interativos e aplicações customizadas. Além disso, a TV digital surge como uma alternativa de inclusão social e digital. Contudo, grande parcela da população possivelmente não terá acesso a essa tecnologia, principalmente por questões financeiras relativas à aquisição do set-top-box (STB), aparelho receptor e conversor de sinal analógico. Nesse contexto, propomos neste artigo uma arquitetura de recepção de TV digital, utilizando uma rede colaborativa que proporciona o acesso compartilhado às informações, reduzindo os custos relativos ao aparelho receptor e fornecendo um mecanismo de comunicação de baixo custo com canal de retorno. 1. Introdução Com a implantação da TV Digital Interativa (TVDI), no Brasil, será disponibilizado, muito brevemente, imagens com alta definição e som digital, interatividade, múltiplos programas simultâneos, venda de produtos via televisão, jogos e outras funcionalidades. Nesse sentido, a disseminação da televisão aberta digital revela importância estratégica para o Brasil, uma vez que beneficiará quase toda a população nos próximos anos, proporcionando, assim uma crescente democratização no acesso à informação. Entretanto, para que os objetivos propostos pelo decreto que instituiu o SBTVD (Sistema Brasileira de TV Digital) relacionados à inclusão social/digital sejam alcançados, muitos fatores devem ser considerados. O principal fator está relacionado aos custos de implantação dessa tecnologia e ao acesso pelas comunicadades mais carentes, visto que esse é, de fato, o público que realmente necessita do acesso à TVDI. Nesse contexto, o que temos observado atualmente é um conjunto de situações que levam a crer que os objetivos estão sendo enterrados pelos custos e outros empecilhos relacionados a essa tecnologia. Fatores como o pagamento de royalties pelo uso do padrão MPEG, notícias sobre a venda do desenvolvimento do middleware Ginga para empresas privadas [1] e, principalmente, os custos exorbitantes relacionados à produção de Set-Top-Box[2,3], demonstram que se não for criada uma nova estratégia, seja política ou tecnológica, a inclusão social/digital do SBTVD ficará apenas no discurso. Sob essa ótica, propomos, um novo modelo de recepção de TVDI que permite uma redução considerável nos custos de implantação para populações de baixa renda. Este modelo baseia-se na idéia de que não é necessário receber e tratar o sinal digital em cada usuário para que os benefícios da interatividade sejam aproveitados pela população de baixa renda. Dessa forma, uma abordagem colaborativa pode auxiliar na difusão de programas interativos a custos menores. Para apresentar nossa proposta, revelamos na seção 2 um pouco sobre a forma de transmissão e recepção tradicional de TVDI. Na seção 3 apresentamos a

2 arquitetura proposta. Na seção 4 analisamos alguns cenários de utilização da nossa arquitetura, objetivanto, assim, mostrar a sua viabilidade e os seus benefícios. Na seção 5 apresentamos algumas conclusões e sugestões para trabalhos futuros. como set-top-box (STB). A função desse dispositivo é processar e converter os sinais digitais para o formato analógico utilizado pelas televisões atuais. As principais etapas de processamento do sinal em um terminal de acesso são ilustradas na Figura Transmissão e Recepção de TVDI Para a realização do processo de difusão do sinal digital, é necessário a construção do sinal a ser transmitido. Essa construção é dividida em uma série de etapas. A Figura 1 ilustra um modelo simplificado desse processo. A primeira etapa abrange a codificação e compressão da informação seguindo um padrão digital bem definido [4]. A saída de cada codificador é um fluxo de dados denominado fluxo elementar. Quando vários fluxos elementares são relacionados entre si como seqüências de vídeo, áudio e, possivelmente, dados, eles formam um serviço. Na TVDI, todos os serviços são multiplexados em uma seqüência de dados denominada fluxo de transporte. Essa tarefa é geralmente implementada por um sistema que é encarregado pela multiplexação, além dos fluxos de vídeo, áudio, dados e tabelas que descrevem, apropriadamente, o conjunto de serviços transportados em um fluxo de transporte. Essas tabelas são conhecidas como tabelas SI (Service Information). Na etapa seguinte, o fluxo de transporte é então modulado em uma onda portadora e difundido via satélite, cabo ou radiodifusão. Figura 2. Recepção em TVDI. Antes de ser processado pelo STB, o sinal difundido é captado por uma antena específica para a tecnologia, no caso da difusão via satélite ou radiodifusão, e isolado em determinado canal pelo sintonizador. O sinal passa, então, pelo demodulador que restaura o fluxo de transporte difundido. O demultiplexador é encarregado de extrair os fluxos elementares de determinado serviço e fornecê-los, assim, aos respectivos decodificadores. Geralmente existe um decodificador para áudio e um para vídeo e o tratamento correto dos outros dados depende da implementação do sistema. O áudio decodificado é encaminhado para a saída de áudio do terminal de acesso, assim como o vídeo é direcionado para a tela de exibição. Os outros tipos de dados são processados, executados e exibidos se necessários. Dependendo da implementação, o usuário pode interagir com alguns serviços. 3. Arquitetura Proposta Figura 1. Transmissão em TVDI. Na etapa da recepção, o equipamento pode ser integrado a uma televisão analógica, digital, ou então ser um equipamento à parte. Este é conhecido industrialmente A arquitetura de recepção colaborativa que propomos caracteriza-se pela formação de uma rede de comunicação composta por um set-top-box (STB) mestre e vários STBs slim. O STB mestre funciona como gateway da rede, recebendo o sinal da TV Digital e gerenciando o conteúdo interativo e a sua distribuição para os STBs slim. O STB

3 slim possui uma arquitetura simplificada em relação ao STB mestre, o que permite redução de custos na aquisição do equipamento e consequentemente possibilita que o usuário de baixa renda tenha acesso ao conteúdo interativo disponível na TV Digital. Nas subseções seguintes são apresentados os diagramas de blocos dos STBs mestre e slim e suas respectivas funcionalidades. Por último, são descritos os mecanismos de comunicação existentes na rede colaborativa Diagrama de Blocos do STB mestre O diagrama de blocos do STB mestre é apresentado na Figura 3. CONECTOR_RF SINTONIZADOR DEMODULADOR Demultiplexador. O demultiplexador terá a função de separar os diversos componentes do TS (vídeo, áudio e dados). Os pacotes de dados são codificados no padrão MPEG-2 [8]. A norma do MPEG-2 consiste em um número único de pacotes de dados identificados por um sistema chamado PID (Packed ID) que identifica os pacotes como contendo um formato de dados de áudio, vídeo e serviços interativos. O demultiplexador é um circuito integrado de aplicação especifica que examina cada PID, seleciona um pacote, decifra e envia para o decodificador Decodificador. O decodificador do STB pode ser dividido em três partes: decodificador de vídeo, decodificador de áudio e decodificador de dados. Decodificador de vídeo: transforma os pacotes de vídeo numa seqüência de imagens, formatando-a para diferentes resoluções da tela; HD DEMULTIPLEXADOR DECODIFICADOR Decodificador de áudio: realiza a descompressão do pacote de áudio. A saída pode ser em formato analógico ou digital; CPU GERENCIADOR DE APLICATIVOS INTERFACE DE COMUNICAÇÃO Figura 3 Diagrama de blocos do STB mestre Sintonizador. O sintonizador do STB mestre terá a função de efetuar uma varredura em todos os canais solicitados pela rede e repassar o resultado para o demodulador. Ele pode receber sinais de redes digitais (QAM, OFDM e QPSK) [5] e também é capaz de sintonizar transmissões analógicas Demodulador. A partir do sinal analógico recebido do sintonizador, o demodulador faz a amostragem e a conversão em feixes de bits chamados transport streams (TS). Cada TS contêm sinais de áudio, vídeo e dados. Nestes pacotes de bits verifica-se a existência de erros e depois eles são enviados para o demultiplexador. O padrão de demodulação utilizado no Brasil é o ISDB- TB (Integrated Services Digital Broadcasting for Terrestrial Television Broadcasting) [6], sendo uma adaptação do padrão japonês ISDB-T (Integrated Services Digital Broadcasting for Terrestrial Television) [7]. Decodificador de dados: efetua a análise dos dados armazenados pelo MPEG-2. Depois de analisados, os dados são armazenados no HD HD. Este bloco tem a função de armazenar os pacotes de vídeo, áudio e dados para serem utilizados de acordo com as solicitações do gerenciador de aplicativos Gerenciador de Aplicativos. É o software responsável por informar ao sintonizador quais freqüências devem ser varridas, buscar os dados armazenados no HD e encaminhá-los para a interface de comunicação. Esse processo é semelhante ao mecanismo do gerador de carrossel [9] que consiste em um protocolo de transmissão broadcast no qual os dados são enviados em um fluxo TS, repetidamente e periodicamente, possibilitando, assim, que o recebimento seja feito independente do momento de sintonização. Dessa forma, o gerenciador de aplicativos busca constantemente os dados das aplicações interativas. Isso o diferencia do gerador de carrossel pelo fato de trabalhar com vários TSs, de acordo com o canal que está sintonizado. Assim, para cada TS existe um buffer de armazenamento dos arquivos recebidos. Este mecanismo de recepção permite a redução de custo, porque é possível fazer a sintonia de vários TSs a partir de um único sintonizador. Tal sintonia ocorre

4 devido a um protocolo de sincronização existente entre o gerenciador de aplicativos do STB mestre e do slim. Esse protocolo define quais canais devem ser sintonizados a partir da solicitação dos vários STBs slim. Assim, o sintonizador fica constantemente buscando/verificando os canais solicitados e o gerenciador busca os dados e os repassa à interface de comunicação CPU. A CPU é a unidade básica do STB. Suas funções são basicamente: Inicializar os vários componentes de hardware do decodificador; Monitorar e gerenciar o hardware; Carregar dados e instruções da memória; Executar programas. Os processadores contêm uma unidade lógicoaritmética para cálculos e operações lógicas, uma unidade de controle para processar dados de entrada e instruções e um clock cuja função é sincronizar todas as segmentos do STB Interfaces de Comunicação. Responsável por prover um meio de comunicação entre os STBs slim e mestre. Para isto, podem ser utilizados WI-FI, WI-MAX e 3G, dependendo do cenário existente Diagrama de Blocos do STB slim O Digrama de blocos do STB slim é apresentado na Figura 4. CPU INTERFACE FÍSICA RX_DADOS INTERFACE DE COMUNICAÇÃO GERENCIADOR GERENCIADOR DE DE APLICATIVOS APLICATIVOS MEMÓRIA Figura 4 Diagrama de blocos do STB slim Receptor dos sinais decodificados. Recebe os pacotes de dados que serão levados para o processador. Estes podem influenciar na saída de vídeo apresentando opções de menus, guia de programas, programas de interatividade e outros Interfaces físicas. Interface de saída composta de conectores que servirão para as diversas interfaces de entrada existentes nas televisões: canal RF, S-video, HDMI, áudio estéreo E demais que poderão surgir Memória. Aplicações com manipulação de imagens e gráficos requerem mais memória. A maior parte dos STBs contém EEPROM s e Flash ROM [10]. O STB slim precisa de uma capacidade razoável de memória para armazenar e manipular instruções introduzidas pelo usuário. Isso deve permitir que o usuário tenha controle sobre a programação recebida, podendo grava-la, copiar e reproduzir quando necessário Gerenciador de Aplicativos. Apresenta a função de solicitar ao STB mestre os dados das aplicações interativas do canal que está sintonizado. No momento que o usuário altera o canal, o STB slim faz uma nova solicitação ao STB mestre Interface de Comunicação. Permite a comunicação entre os STBs slim e também a comunicação mestre-slim Processo de Comunicação entre STB mestre e STB slim Devido ao avanço - em termos de taxa de transferência de dados, à evolução - quanto à segurança e praticidade de uso, e à diminuição dos custos para aquisição de equipamentos e manutenção das redes sem fio, elas apresentam-se como o principal objeto de trabalho para a implantação da comunicação da nossa arquitetura: entre STB SLIMs e entre STB SLIM e STB Mestre. Dentre as tecnologias Wireless disponíveis no mercado, três apresentam maior adequação à arquitetura proposta: Wi-Fi (baseada no padrão IEEE ), 3G e WiMAX (IEEE ). Wi-Fi Wireless Fidelity representa uma tecnologia de redes sem fio (WLAN) muito utilizada, principalmente, por não necessitar de aquisição de licença para utilização de freqüência, para prover acesso/cobertura em ambientes indoor e outdoor e apresenta largura de banda de até 108 Mbps quando utilizada no modo Full-Duplex. Essa tecnologia apresenta-se como uma excelente opção para ambientes indoor. Nos ambientes outdoor quando há grande quantidade de usuários, essa tecnologia apresenta muita interferência em suas comunicações devido ao uso do protocolo de acesso ao meio CSMA/CD que é ineficiente quando a quantidade de usuários é grande [11]. A terceira geração, 3G, uma evolução da 2G, hoje representada no mundo da telecomunicação principalmente pelas redes GSM. Dentre as principais características do 3G, destaca-se: alta taxa de transmissão de dados, freqüência de rádio-

5 transmissão exclusiva - o que implica no licenciamento da freqüência a ser utilizada e a existência de canal dedicado na largura de banda [12]. A tecnologia WiMAX destaca-se pela possibilidade de seleção de banda entre 1,25MHz e 20MHz, pela alta taxa de throughput proporcionada a sistemas celulares, taxa de transmissão de dados de até 70Mbps e abrangência num raio de até 50km [13]. Dessa forma, a escolha da tecnologia de comunicação a ser utilizada depende do cenário a ser implantado e da disposição geográfica dos componentes STB SLIM e STB Mestre. recebido via broadcast e dos dados recebidos do STB mestre, temos configurado um ambiente de TV digital Cenário 2. Vários STBs slim sintonizados em um mesmo canal. A Figura 6 ilustra este caso. 4. Cenários Nesta seção é detalhado o funcionamento básico da arquitetura proposta. São apresentados os cenários resultantes da integração dos componentes mostrados na seção anterior. Todos os canais são transmitidos pelas emissoras de televisão via broadcast. A partir do que está sendo solicitado pela rede, o STB mestre faz uma varredura e obtém os dados dos aplicativos interativos correspondentes a cada canal e armazena-os no HD. A partir deste ponto, existem duas possibilidades para que estes dados sejam recebidos pelo STB slim. Cada possibilidade configura um cenário diferente, descritos a seguir Cenário 1. Caracterizado por cada STB slim estar sintonizado em um canal diferente, como mostrado na Figura 5. Figura 6 Cenário 2. Figura 5 Cenário 1. Neste ambiente, o mecanismo de transmissão e recepção é baseado somente no modelo cliente-servidor, no qual cada STB slim solicita diretamente ao STB mestre as aplicações interativas referentes ao canal sintonizado. A partir da união do sinal analógico de áudio e vídeo Neste cenário, a distribuição dos aplicativos é descentralizada, funcionando de forma semelhante a uma rede ponto-a-ponto. Quando um determinado STB slim solicita um canal que já está sintonizado por outro STB slim, o STB mestre envia uma mensagem informando que ele pode obter os aplicativos a partir de um STB slim da rede, que já está obtendo-os do STB mestre. Essa mensagem contém um identificador (ID), que representa um código único existente para cada STB slim da rede, do qual serão obtidos os dados solicitados. Este mecanismo é importante, pois diminui a carga de armazenamento e processamento no STB mestre, consequentemente diminuindo sua complexidade e seu custo Expansão do Cenário. Diante dos cenários discutidos, percebeu-se a possibilidade de integrar ao sistema descrito um módulo de comunicação de voz utilizando rede IP, como o VOIP [14].

6 O VOIP (voz sobre IP) permite a transmissão de voz utilizando a Internet ou qualquer outra rede IP. O VOIP tornou-se popular devido à economia financeira que pode ser obtida com a sua utilização, porém isto não seria possível se não houvesse uma integração com a rede de telefonia tradicional. Aliam-se a estas vantagens tarifa zero em chamadas que não envolvem a rede de telefonia tradicional, reduções drásticas no custo de chamadas interurbanas e internacionais, escalabilidade, entre outras. A flexibilidade quanto à utilização de rede IP que o VOIP possui agregada com a possibilidade de integrar voz e dados em um único canal de transmissão dentro da nossa arquitetura, permite que a rede interna sirva como um meio de transmissão tanto para os dados das aplicações interativas quanto para o tráfego de voz. Outra vantagem é o fato de que cada STB slim possui um número de identificação único (ID), podendo ser deslocado para qualquer área de cobertura da rede. A expansão proposta fica como sugestão de um dos nossos trabalhos futuros. 6. Conclusão Para que o Brasil possa conseguir atingir a meta de inclusão social/digital pretendida pela TVDI, várias ações devem ser realizadas.neste trabalho estamos propondo uma estratégia tecnológica que visa prover suporte às políticas públicas relacionadas a essa área. Através da arquitetura de recepção colaborativa que estamos propondo, contribuímos para que pequenas cidades do interior ou até mesmo pequenas regiões nas cidades, possam ter uma estrutura colaborativa de recepção de TVDI através da implantação de uma rede formada por um STB mestre, possivelmente financiado por orgãos públicos (prefeituras, governo), ou até mesmo entidades privadas, e com STBs slim de baixo custo utilizados pela população em geral. Acreditamos que nossa arquitetura associada às novas características que estamos desenvolvendo que permitirão a incorporação de serviços de telefonia IP dentro de uma mesma rede de recepção de TVDI, permitirá um passo enorme para realmente oferecer inclusão social/digital para a população de baixa renda brasileira. bi. Disponível em: /telecomunicacoes/2007/11/19/idgnoticia /. Acesso em: 15 mar [4]INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION ISO/IEC Information technology Generic coding of moving pictures and associated audio information: Extensions for digital storage media command and control. ISO/IEC [5] FERNANDES, J., LEMOS, G. E SILVEIRA, G. Introdução à televisão digital interativa: Arquitetura, Protocolos, Padrões e Práticas. In: CONGRESSO DA SOCIEDADE BRASILEIRA DE COMPUTAÇÃO, 24., [6] Malcom Sellares and Demos Kostas, "Comparison of QPSK/QAM, OFDM, and Spread Spectrum for 5GHz PMP BWAS", IEEE c-00/23, [7] Wkipedia. ISDB-TB. Disponível em: org/wik/isdb-tb. Acesso em: 15 mar [8] Paulo Roberto S.M, Evaristo Carlos S.D.R. and Regina Maria V.G., Tv digital: Desafio ou oportunidade?, [9] S. Liu, "Performance comparison of MPEG1 and MPEG2 video compression standards,", COMPCON Spring '96-41st IEEE International Computer Conference, [10] Ricardo Zelenovsky e Alexandre Mendonça, PC: um Guia Prático de Hardware e Interfaceamento, 3a Edição, [11] Roshan, P., Leary, J., Wireless LAN Fundamentals, Cisco Press, 2003 [12] Wisely, D., Eardley, P., Burness, L., IP for 3G, John Wiley and Sons, [13] Andrews, J. G., Ghosh, A., Muhamed, R., Fundamentals of WiMAX: Understanding Broadband Wireless Networking, Practice Hall, [14] Adailton Silva, Tecnologias de Alta Velocidade, VoIP e Internet2 - IComNet Tecnologia da Informação Referências [1] CONVERGÊNCIA DIGITAL. TQTVD compra parte da PUC/Rio no desenvolvimento do Ginga. Disponível em: tart.htm?infoid=11214&sid=3. Acesso em: 15 mar [2] CONVERGÊNCIA DIGITAL. Faltou política industrial para baratear conversor', diz Semeghini. Disponível em: ption=com_content&task=view&id=2131. Acesso em: 15 mar [3] COMPUTERWORLD. Semp Toshiba mostra set top box e quer obter 20% do mercado de R$ 1,2