Transmisión multicast fiable

Motivación

Como hoy en día los usuarios requieren cada vez mayor ancho de banda y el espectro de frecuencia es un recurso limitado, es necesario buscar nuevas prestaciones de las tecnologías inalámbricas actuales para optimizar el uso de la eficiencia espectral. Los estándares inalámbricos modernos proporcionan acceso inalámbrico multicast, lo que representa un buen mecanismo para reducir el ancho de banda. El uso de redes multicast permite enviar contenido a diferentes usuarios a través de una única transmisión. Así, dependiendo del servicio, multicast puede resultar más eficiente que unicast, el cual genera mucho más tráfico en la red. De esta forma, las redes multicast son recomendables cuando existe un número suficiente de usuarios interesados en recibir los mismos contenidos. Las redes multicast se utilizan para difudir tanto ficheros como streaming de vídeo. En este sentido, la Calidad de Experiencia (QoE) percibida por los usuarios es un parámetro importante en la evaluación de tanto los servicios de streaming de vídeo como la transmisión de ficheros. En el primer tipo de servicio, el retraso, las pérdidas y la calidad de vídeo son aspectos clave para la QoE. Por lo que respecta a las transmisiones de ficheros, una buena QoE se obtiene cuando el fichero se recibe correctamente con el tiempo de descarga mínimo.

En las transmisiones de ficheros, los usuarios necesitan recibir correctamente todos los paquetes que forman un fichero para descargarlo correctamente, por lo que no puede haber pérdidas en el canal. Sin embargo, el transporte multicast no garantiza, en general, comunicaciones libres de errores, por lo que resulta necesario proporcionar protección frente a errores. Además, algunas transmisiones multicast carecen de un canal de retorno que pueda ser utilizado por los clientes para informar a los servidores sobre el estado de sus descargas. Por lo tanto, los clientes no pueden solicitar aquellos paquetes perdidos durante la transmisión.

Ante la ausencia de retransmisiones en la capa de transporte, es necesario que los protocolos multicast proporcionen fiabilidad en la capa de aplicación para protegerse frente a las posibles pérdidas de paquetes en el canal de comunicación. Entre los protocolos existentes, uno de los más utilizados por los diferentes organismos de estandarización es FLUTE [1].

Resumen

FLUTE (File Delivery over Unidirectional Transport) es un protocolo que se utiliza para el envío fiable de contenido multimedia en entornos unidireccionales. Uno de los elementos claves de FLUTE es el uso de una Tabla de Envío de Ficheros (FDT), un mecanismo in-band utilizado para informar a los clientes sobre los ficheros (así como sus características) transmitidos dentro de una sesión FLUTE. Los clientes necesitan recibir la FDT para poder descargar ficheros. En este sentido, la frecuencia de envío de la FDT y la correcta configuración de sus parámetros tienen un gran impacto en la QoE de los servicios FLUTE.

La Figura 1 muestra un esquema general de la transmisión de ficheros a través del protocolo FLUTE. Un servidor FLUTE tiene un repositorio de contenidos multimedia. Por ejemplo, puede enviar vídeo, audio, imágenes, documentos… El servidor FLUTE difunde los contenidos en una cierta sesión de FLUTE (identificada por una dirección IP y un identificador numérico TSI), la cual contiene, al menos, un canal de envío (identificado por un número de puerto). Por otro lado, los clientes siguen los siguientes pasos:

• Paso 1. Los clientes obtienen la Descripción de Sesión a través de un mecanismo out-of-band. Dicha descripción contiene los parámetros de transporte asociados a la sesión. La manera en la que los clientes obtienen la Descripción de Sesión es independiente de FLUTE.
• Paso 2. Una vez los clientes se han conectado a una determinada sesión y canal, tendrán que esperar hasta recibir la FDT, la cual describe los ficheros (y sus metadatos) que el servidor está enviando.
• Paso 3. Los clientes son capaces de identificar los paquetes de datos que están recibiendo y son capaces de descargar aquellos ficheros en los que están interesados.

Figura 1. Esquema de envío a través del protocolo FLUTE

FLUTE proporciona fiabilidad a través del uso de diferentes mecanismos de protección. Se debe señalar que, generalmente, existen dos principales técnicas de corrección de errores: ARQ (Automatic Repeat Request) y FEC (Forward Error Correction). La primera consiste en la retransmisión de datos que se han perdido en la comunicación, mientras que FEC permite la reconstrucción de los datos originales sin retransmisiones, a través de codificación frente a errores. FEC se utiliza principalmente en entornos unidireccionales, donde no existe un canal de retorno. En este sentido, FLUTE funciona sobre un bloque FEC, el cual se utiliza para proteger el servicio de envío de ficheros. Aunque la corrección de errores normalmente se aplica en las capas bajas de un sistema de comunicación, también puede ser utilizado en las capas más altas. Concretamente, AL-FEC (Application Layer FEC) proporciona robustez adicional a ciertos servicios sin ninguna modificación de las capas más bajas del sistema, aplicando codificación FEC a nivel de transporte. Así, el uso de AL-FEC es particularmente interesante para la provisión de nuevos servicios sobre redes de comunicaciones ya desarrolladas, puesto que AL-FEC puede incrementar la fiabilidad nativa de la red para cumplir con los requerimientos de un servicio específico, sin infraestructura adicional [2]. Además, AL-FEC puede mejorar el funcionamiento de la transferencia de contenidos a través de redes de comunicación inalámbricas, ya que puede reducir los tiempos de descarga así como el tráfico en la red, puesto que evita la solicitud de paquetes perdidos. El funcionamiento de AL-FEC depende de la complejidad del algoritmo utilizado para proteger la información. Hay diferentes categorías de códigos FEC: códigos convolucionales, códigos bloque, códigos fuente y sistemas híbridos. En este sentido, los algoritmos más avanzados pertenecen a la categoría de códigos rateless, y sus prestaciones están cercanas a los códigos FEC ideales: no importa la tasa de pérdidas del canal, los receptores sólo necesitan recibir una cantidad de datos equivalente al tamaño del fichero original para ser capaces de reconstruirlo. Sin embargo, los códigos rateless requieren mayor procesamiento para generar los datos de paridad para un fichero específico que otros códigos AL-FEC, como LDPC (Low Density Parity Check). En entornos en los que la selección de contenidos multimedia es dinámica, podría ser imposible generar los datos de paridad e insertarlos a tiempo en la red [3].

Los códigos AL-FEC LDPC proporcionan un buen compromiso entre ejecución (tiempo de descarga) y complejidad (tiempo requerido para generar la paridad y tiempo requerido para hacer el proceso de decodificación) [4]. La paridad en los códigos LDPC se puede generar casi en tiempo real pero, a diferencia de los códigos rateless, la tasa de codificación óptima depende de la tasa de pérdidas del canal. Cuando la tasa de codificación de LDPC se ajusta a la tasa de pérdidas del canal, los códigos LDPC [5] proporcionan una eficiencia comparable a los códigos rateless en entornos de pérdidas dinámicos, especialmente cuando se emplean códigos LDPC adaptativos. Los códigos adaptativos permiten enviar contenidos a una tasa de codificación óptimo para las pérdidas percibidas por los clientes en el canal (ver vídeo).

Además, en entornos en los que el ancho de banda es limitado, el funcionamiento de los códigos adaptativos se puede mejorar eligiendo la mejor protección que beneficia a la mayor parte de los usuarios.

De esta forma, el uso de servicios de transmisión de ficheros a través de redes multicast utilizando una configuración apropiada puede resultar muy eficiente, ya que se reduce considerablemente un recurso tan valioso como el ancho de banda pero sin empeorar la Calidad de Experiencia de los usuarios, como muestran las publicaciones realizadas por nuestro grupo de investigación en este campo [6]-[16].

Referencias

[1] T. Paila, R. Walsh, M. Luby, V. Roca, and R. Lehtonen, “FLUTE – File delivery over unidirectional transport,” IETF RFC, vol. 6726, Nov. 2012.
[2] H. T. Chiao, S. Y. Chang, K. M. Li, Y. T. Kuo, and M. C. Tseng, “WiFi multicast streaming using AL-FEC inside the trains of high-speed rails,” presented at the IEEE Int. Symp. on Broadband Multimedia System and Broadcasting (BMSB), Seoul, Korea, Jun. 2012.
[3] J. Peltotalo, J. Harju, and M. Hannuksela, “Reliable, server-friendly and bandwidth-efficient file delivery system using FLUTE server file format,” presented at the IEEE Int. Symp. on Broadband Multimedia System and Broadcasting (BMSB), Bilbao, Spain, May 2009.
[4] E. Paolini, M. Varrella, M. Chiani, B. Matuz, and G. Liva, “Low-complexity LDPC codes with near-optimum performance over the BEC,” in Proc. Advanced Satellite Multimedia Systems (ASMS), Bologna, Italy, Aug. 2008, pp. 274-282.
[5] V. Roca, C. Neumann, and D. Furodet, “Low Density Parity Check (LDPC) Staircase and Triangle Forward Error Correction (FEC) Schemes,” IETF RFC, vol. 5170, Jun. 2008.

Publicaciones

[6] R. Belda, I. de Fez, F. Fraile, V. Murcia, P. Arce, and J. C. Guerri, “Multimedia System for Emergency Services over TETRA-DVBT Networks,” in Proc. of the 34th EUROMICRO Conference on Software Engineering and Advanced Applications (SEAA), Parma (Italy), Sep. 2008, pp. 142-149.
[7] F. Fraile, I. de Fez, and J. C. Guerri, “Modela-TV: Service Personalization and Business Model Management for Mobile TV,” in Proc. of the 7th European Interactive TV Conference (EuroITV), Leuven (Belgium), Jun. 2009, pp. 27-30.
[8] A. Gil, F. Fraile, M. Ramos, I. de Fez, and J. C. Guerri, “Personalized Multimedia Touristic Services for Hybrid broadcast/broadband Mobile receivers,” IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol. 56, no. 1, pp. 211-219, 2010.
[9] I. de Fez, F. Fraile, R. Belda, and J. C. Guerri, “Implementación y evaluación de la codificación LDPC para la transmisión de ficheros en entornos unidireccionales,” in Proc. of Jornadas de Ingeniería Telemática (JITEL 2010), Valladolid (Spain), Sep. 2010, pp. 229-236.
[10] I. de Fez, F. Fraile, R. Belda, and J. C. Guerri, “Evaluation of adaptive LDPC AL-FEC codes for content download services,” in Proc. of the IEEE International Conference on Multimedia and Expo (ICME), Barcelona (Spain), Jul. 2011, pp. 1-6.
[11] I. de Fez, F. Fraile, R. Belda, and J. C. Guerri, “Performance evaluation of AL-FEC LDPC codes for push content applications in wireless unidirectional environments,” Multimedia Tools and Applications, vol. 60, no. 3, pp. 669-688, 2012.
[12] I. de Fez, F. Fraile, R. Belda, and J. C. Guerri, “Analysis and evaluation of adaptative LDPC AL-FEC codes for content download services,” IEEE Transactions on Multimedia, vol. 14, no. 3, pp. 641-650, 2012.
[13] I. de Fez, F. Fraile, and J. C. Guerri, “Effect of the FDT transmission frequency for an optimum content delivery using the FLUTE protocol,” Computer Communications, vol. 36, no. 2, pp. 1298-1309, 2013.
[14] R. Belda, I. de Fez, F. Fraile, P. Arce, and J. C. Guerri, “Hybrid FLUTE/DASH video delivery over mobile wireless networks,” Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, vol. 25, no. 11, pp. 1070-1082, 2014.
[15] I. de Fez and J. C. Guerri, “An adaptive mechanism for optimal content download in wireless networks,” IEEE Transactions on Multimedia, vol. 16, no. 4, pp. 1140-1155, 2014.
[16] I. de Fez, M. Gil, J. Fons, J. C. Guerri, and V. Pelechano, “A personalized system for scalable distribution of multimedia content in multicast wireless networks,” Multimedia Tools and Applications, vol. 74, no. 21, pp. 9595-9621, 2015.