• PT
  • EN
  • ES

Serviços Bidirecionais em Sistemas de TV Digital

TV DIGITAL

ESTUDO BASEADO NA OPERAÇÃO DE TV DIGITAL INTERATIVA DA VIVAX, NA CIDADE DE MANAUS, COM O OBJETIVO DE ESTABELECER AÇÕES DESTINADAS A DIMINUIR O PERCENTUAL DOS DECODIFICADORES, CLASSIFICADOS PELA CONTROLADORA DO SISTEMA COMO NÃO-RESPONDEDORES CRÔNICOS.

Por Angelo Pinelli Martins Samia e Luiz Fernando Bourdot

Serviços Bidirecionais em Sistemas de TV Digital

Uma das vantagens da TV digital via cabo é a característica bidirecional da rede, ou seja, através do canal de retorno, o decodificador instalado na casa do assinante pode transmitir informações de volta para a controladora. Isto permite, por exemplo, comprar filmes Pay-Per-View (PPV) pelo controle remoto, sem necessidade de contato telefônico com a operadora de cabo: as informações de compra são transmitidas automaticamente via canal de retorno. A maioria dos sistemas de TV via satélite Direct-To-Home (DTH) usa a linha telefônica para atualizar as informações de PPV. Aplicações interativas que exijam comunicação em tempo real podem ser inviáveis com uso de linha telefônica. A solução de se instalar um transmissor de dados por satélite no lado do assinante é definida pelo padrão Digital Video Broadcasting – Return Channel-Satellite (DVB-RCS) [11], ainda pouco difundido comercialmente. As perspectivas sobre disponibilização de DTH por companhias telefônicas permitirão, a um mesmo provedor de serviços, conectar, simultaneamente, o sinal do satélite e um canal de dados Asymetric Digital Subscriber Line (ADSL), abrindo caminho para maior interatividade.
Para a TV aberta (radiodifusão terrestre), há várias opções em estudo. Existe uma orientação para que o canal de retorno esteja disponível a baixo custo para a maior parte da população, inclusive em regiões onde não existem, atualmente, nem os meios de comunicação mais básicos, como a telefonia fixa [1]. GSM e UMTS são opções para o canal de retorno via redes celulares. Há alternativas, inclusive, para uso do espectro de freqüência de VHF/UHF para o canal de retorno, conforme descreve o padrão Digital Video Broadcasting – Return Channel-Terrestrial (DVB-RCT) [2].
Nas redes bidirecionais de TV a cabo, conforme se pode observar na Figura 1, parte do espectro de freqüências é reservada para transmissão, via rede Hybrid Fiber-Coax (HFC), do assinante para o headend. O sistema funciona em loop fechado, onde a controladora calibra a potência de saída de cada decodificador, de modo a obter nível ótimo na entrada do demodulador de retorno, onde os níveis de ruído e interferência são normalmente mais altos que no caminho direto.
Problemas de alinhamento da rede e interferências podem prejudicar ou mesmo impedir a comunicação, principalmente pelo canal de retorno. Os assinantes, cujos decodificadores não conseguem estabelecer comunicação bidirecional com o headend, podem representar perda de receita para a operadora. Com Video-On-Demand o impacto é ainda maior, uma vez que o correto funcionamento da aplicação (pausar, avançar, retroceder, etc.) depende de comunicação em tempo real entre o decodificador e o headend. Assim, é importante estabelecer uma seqüência de procedimentos periódicos para identificar e reduzir o número dos chamados Não-Respondedores Crônicos (ou simplesmente NRs) da base instalada.
Este texto está dividido da seguinte forma: na seção Transmissão em redes de CATV são mencionadas as técnicas de transmissão utilizadas na rede HFC, com alguns detalhes sobre o enlace bidirecional interativo entre o headend e o decodificador do assinante. A seção Ruído de Excesso apresenta uma ferramenta para análise da qualidade do canal de retorno. A seção Práticas para Controle de Não-Respondedores (NRs) sugere uma seqüência de procedimentos para controle dos NRs, a ser executados nos pontos 1 até 4 da Figura 1. A idéia é isolar áreas geográficas mais críticas (com maior número de NRs), procurando por problemas no headend ou na rede, específicos para essas áreas e, eventualmente, marcar visitas técnicas para análise do problema no ponto de instalação do decodificador.

Figura 1
Fig. 1 – Arquitetura bidirecional de CATV

Transmissão em redes de CATV
A Figura 2 mostra detalhes sobre as técnicas empregadas para transmissão de sinais de vídeo analógico, vídeo digital, serviços de Internet e monitoração de equipamentos de rede HFC, na cidade de Manaus. Os serviços de Internet e TV digital interativa usam redes diferentes. O enlace bidirecional para Internet, formado pelas portadoras de canal direto e de retorno, é estabelecido seguindo a recomendação Data-Over-Cable System Interface Specifications (DOCSIS) [3], cujas especificações de camada física para o canal direto Radio Frequency Interface (RFI) são descritas na recomendação ITU-T J.83 – Anexo B [10]. Os serviços de áudio e vídeo digitais são transmitidos para o assinante seguindo a mesma norma. O sistema de TV em questão possui um segundo canal direto, conhecido como Out-Of-Band (OOB), específico para transmissão de informações de autorização, de guia eletrônico de programação, downloads de aplicações ou novas versões de software para o decodificador. As especificações desse enlace bidirecional são descritas na recomendação SCTE 55-1 (antigo DVS-178) [4] e utiliza modulação Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK) nos canais diretos e de retorno. Uma evolução natural para redes desse tipo seria implementar uma extensão do protocolo DOCSIS, conhecida como DOCSIS Set-Top Gateway (DSG) [13], na qual os dados do canal OOB são embutidos em portadoras DOCSIS do canal direto, as quais são processadas por decodificadores compatíveis.
Na realidade, os módulos de retorno dos decodificadores atualmente utilizados neste estudo de caso (DCT700 e DCT1800) são do tipo STARVUE-II, cujos parâmetros de camada física são similares aos definidos pelo SCTE 55-1. Uma das diferenças está na faixa de freqüência de operação: o SCTE-55-1 recomenda operação de 8 a 40MHz e o demodulador de retorno em uso trabalha somente de 8 a 15MHz. Esta limitação força o uso de uma faixa de freqüências no início do espectro de retorno, mais suscetível a ruído e a interferência que na faixa dos 30MHz, por exemplo. Além disso, faixas de freqüência próximas às freqüências de corte dos filtros diplex podem sofrer uma classe de distorção linear, chamada atraso de grupo [5] [6].
No caminho direto, os comandos são transferidos da controladora para o modulador OOB via rede Ethernet, onde este é combinado com outros comandos de sistema em um fluxo de dados multiplexado na forma de pacotes de transporte MPEG-2 [8], que será modulado em RF e transmitido por meio de uma portadora modulada em DQPSK, com freqüência entre 71 a 129MHz e largura de faixa de 1,8MHz. A taxa de bit total, capaz de ser escoada por este esquema de transmissão, é de 2,048Mbit/s. Cada pacote de transporte MPEG-2, de 188 bytes, é dividido ao meio para gerar dois blocos de 94 bytes cada. A codificação Reed-Solomon é aplicada e agrega 2 bytes de redundância em cada bloco. Isto permite correção de até 1 byte errado por palavra-código de 96 bytes. A taxa do código é, portanto, R = K / N = 94 /96 = 0,979167, onde K é o número de bytes de dados que serão codificados e N é o número total de bytes do pacote a ser transmitido (incluindo a redundância). A taxa líquida de informação é, portanto, 2,048×0,979167 = 2,005Mbps. Após a codificação de canal, os pacotes passam por um processo de entrelaçamento temporal que visa espalhar eventuais erros em rajada e, assim, facilitar o trabalho do decodificador de canal no lado da recepção.

Figura 2
Fig. 2 – Exemplo de arquitetura do sistema de transmissão de TV digital interativa.
Figura 3
Fig. 3 – Espectro de retorno na porta US113:
(a) Piso de referência do ruído na faixa de 80 a 90 MHz e Ruído de Excesso igual a 10,8dB;
(b) Piso de referência de ruído na faixa de 89 a 99MHz e Ruído de Excesso igual a 17,9dB.

Todos os comandos que requerem dados via canal de retorno têm sua origem na controladora ou no SMS, exceto quando Video On Demand (VOD) esteja habilitado. Neste caso, os sinais no canal de retorno são iniciados por comandos enviados pelo assinante através do controle remoto. O módulo transmissor de retorno, instalado dentro do decodificador, encarrega-se da transmissão de pacotes no formato de células Asynchronous Transfer Mode (ATM), de 54 bytes, usando modulação DQPSK, até o headend. O codificador de canal também é do tipo Reed-Solomon, mas neste caso agrega mais redundância: 8 bytes em cada pacote antes da transmissão, o que resulta num total de 62 bytes por pacote transmitido. Esta maior redundância permite detectar e corrigir até 4 bytes com erro por pacote de dados recebido. A taxa de transmissão total é de 256Kbps e a largura de faixa ocupada é de 192kHz. A atual versão do módulo de retorno do decodificador é ágil e pode ser configurada para transmitir a freqüências entre 8 e 12MHz, a passos de 192kHz [9]. A potência de saída do módulo pode variar entre +24dBmV e +60dBmV, em passos de 1dB [9]. Do lado do headend, o demodulador de retorno trabalha com nível nominal do sinal de entrada de 0dBmV (-5 a +5dBmV). A mínima relação sinal/ruído especificada pelo fabricante é de 16dB.

Ruído de Excesso

Ruido de excesso

O ruído de excesso do canal de retorno é definido como sendo a potência de ruído e interferência que excede o piso de ruído mínimo esperado na arquitetura de rede HFC, o qual é devido, principalmente, ao enlace do nó óptico até o headend. A condição ideal ocorre quando o ruído de excesso é zero, ou seja, o piso de ruído é plano ao longo de todo o espectro de retorno e é composto apenas pelas principais fontes de ruído característico dos lasers semicondutores. Uma forma de medir o ruído de excesso é fazer a diferença entre a potência média do sinal em uma faixa de freqüências próxima àquela do serviço que se deseja avaliar e a potência média do sinal numa região do espectro localizada acima da freqüência de corte dos filtros diplex (onde, teoricamente, o ruído deveria ser baixo, limitado apenas pelo piso de ruído do enlace óptico). Em condições normais, o ruído de excesso é proporcional ao ruído / interferência na faixa de freqüências sob análise.
O processo de medição pode ser manual ou automático. Há uma série de instrumentos capazes de medir diretamente a potência do sinal em uma determinada faixa de freqüências, entre eles o AT2500HQ, da Sunrise Telecom. Outra alternativa é usar uma aplicação desenvolvida em Matlab®, que controla o analisador de espectro Tektronix 2715 para medições de ruído de excesso. O algoritmo usa a porta serial RS-232 para configurar o instrumento e obter as formas de onda. Os gráficos da Figura 3 foram gerados por esta aplicação e mostram o comportamento do espectro de freqüências do retorno ao longo de 10 medições, com intervalo de 10 segundos entre cada medição. Alguns tipos de interferência podem ser mais bem diagnosticados, configurando a aplicação para medições em períodos mais longos.
Na Figura 3a, a região escolhida para referência de ruído foi de 80 a 90MHz, justamente onde está presente uma portadora de vídeo, possivelmente gerada por câmeras de segurança de condomínios. Isto eleva “artificialmente” a potência do ruído, diminuindo o ruído de excesso para 10,8dB. Na medição da Figura 3b, a faixa de ruído vai de 89 a 99MHz, onde não há portadoras interferentes, apenas o piso de ruído devido ao enlace óptico, e o ruído de excesso vale 17,9dB. Os resultados são mostrados na Tabela 1. Observe que o valor do ruído de excesso pode variar dependendo da região do espectro escolhida como referência de ruído.

Práticas para controle de Não-Respondedores (NRs)

Figura 4
Fig. 4 – Percentual de Não-Respondedores por porta de demodulador de retorno.
A seqüência de procedimentos proposta para controlar o número de NRs no sistema consiste, primeiramente, em obter da controladora (Ponto 1 da Figura 1) uma lista dos decodificadores Não-Respondedores Crônicos. Depois são analisadas as áreas que contiverem maior percentual de NR (Pontos 2 e 3 da Figura 1). Alternativamente, pode-se optar por áreas com maior número absoluto de NR. Atividades nesta etapa incluem análise das estatísticas da porta do demodulador de retorno, medições de ruído de excesso, análise da distribuição de níveis de transmissão por decodificador, além de medidas de distorções lineares. No caso de se constatar que a qualidade do caminho de retorno é aceitável, equipes de rede interna deverão ser acionadas para verificação na casa do assinante (Ponto 4 da Figura 1). Os detalhes de cada etapa são mostrados a seguir.
1. Gerar uma lista com NRs separados por área geográfica: Obter relatório do SMS com todos os contratos válidos e informação sobre o nó óptico ao qual pertence cada decodificador e cruzar com o relatório da controladora, de modo que a lista resultante inclua informação sobre área geográfica dos decodificadores classificados como Não-Respondedores. Pode-se gerar o gráfico mostrado na Figura 4, com o percentual de NRs por porta de demodulador de retorno. No sistema de Manaus, em cada porta estão combinados, em média, 8 nós ópticos. Pelo gráfico, as portas com maior percentual de NRs são as portas US112 e US122. Caso 100% dos decodificadores de uma determinada porta tivessem sido classificados como NRs, o processo de diagnóstico começaria, naturalmente, por verificar a respectiva porta do demodulador.
2. Verificação das estatísticas do demodulador de retorno: o demodulador de retorno registra estatísticas sobre o número de pacotes recebidos e, entre eles, o número dos que chegaram em perfeitas condições (Perfect), o número dos que tiveram de ser corrigidos pelo decodificador de canal (Corrected) e o número de pacotes descartados (Errored). A Figura 5 é uma captura de tela do gerenciador do demodulador de retorno RPD2000, da Motorola.
Figura 5
Fig. 5 – Estatísticas por porta de demodulador de retorno (portas US111 a US116).

Embora esses números dêem uma dimensão de como está operando a codificação de canal, convém observá-los com cautela devido à forma como o demodulador trata esses números. Por exemplo, o demodulador chama de pacotes Errored praticamente qualquer coisa que chega na porta e não é reconhecida como um pacote (ruído, por exemplo). Assim, entre os dados disponíveis, talvez o mais útil seja estabelecer a relação entre o número de pacotes corrigidos e o número de pacotes perfeitos, o que acaba dando uma indicação sobre a qualidade da transmissão. Não obstante, perceba que o caminho US115 (que possui número aproximadamente igual de pacotes corrigidos e perfeitos), sob esta óptica deveria ter um número maior de NRs que o caminho US112 (onde apenas 1% dos pacotes tiveram de ser corrigidos). Do gráfico da Figura X, vemos que a situação é inversa: o US115 possui 18% de NRs e o US112 possui 10% de NRs. Um dos motivos para isto é que nem todos os problemas de NRs são devidos às condições da rede. Como se verá adiante, em muitos casos, a comunicação bidirecional não é estabelecida devido às falhas no processo de instalação.

,

3. Medir o ruído de excesso nas áreas suspeitas: o ruído de excesso é uma ferramenta útil para avaliar as condições do caminho de retorno, mas deve ser analisado em conjunto com outros fatores. Além da presença indevida de portadoras de vídeo no retorno, conforme mostrado na Figura 3, outra causa para elevação do piso de ruído na região acima da freqüência de corte do filtro diplex é a saturação do transmissor óptico de retorno localizado no nó óptico, efeito esse conhecido como clipping [12]. A Figura 6 mostra o resultado para 10 medições na porta US112, que tem o maior percentual de NRs.
Figura 6
Fig. 6 – Espectro de retorno na porta US112: Potência média na faixa de 11 a 21MHz: -42,1dBmV;
Potência média do piso de referência do ruído na faixa de 80 a 90MHz: -53,4dBmV; Ruído de Excesso igual a 11,3dB.

4. Isolar e priorizar as áreas mais afetadas: manipular os relatórios para saber quais nós ópticos possuem maior percentual (ou quantidade) de NRs, conforme mostrado na Tabela 3. A tabela classifica os nós ópticos da porta US122 em ordem decrescente de percentual de NRs. Da mesma forma que no item anterior, se houvesse 100% de NRs em um determinado nó óptico, o processo de diagnóstico deveria começar pela verificação de alinhamento e níveis de ruído naquele nó. Pode-se, eventualmente, medir o ruído de excesso em cada nó óptico da Tabela 3 (não há necessidade de medi-lo para os nós ópticos que não contêm NRs) antes de seguir para o próximo passo.
5. Forçar a recalibração de todos os NRs da área analisada: Embora estejam definidas operações diárias automáticas para recalibração de potência e coleta de compras, convém forçar a recalibração de todos os NRs da área analisada. A controladora considera um decodificador como sendo “não-respondedor crônico” caso não transmita informações em direção ao headend por um período igual ou superior a 5 dias. Quanto mais tempo fizer que um decodificador não responde, menos provável que ele vá responder após a recalibração forçada. A Tabela 4 mostra detalhes sobre os 4 não-respondedores pertencentes ao nó óptico M116 (este nó óptico é o que possui maior percentual de NRs dentre todos os nós da porta US112). Neste exemplo, nenhum dos decodificadores passou a responder após a recalibração.

.

6. Visitas técnicas para verificação no local: a última alternativa para reverter o estado de um decodificador classificado como NR é a visita técnica no local da instalação. Alguns dos problemas de rede interna que podem levar um decodificador à condição de não-respondedor são:
a. Conectores danificados ou mal crimpados: conectores externos podem apresentar corrosão; alguns assinantes podem tentar fazer sua própria instalação com uso de conectores de segunda linha e sem ferramentas de crimpagem adequadas. É boa prática forçar levemente o conector para verificar se está bem preso. Na dúvida, substitua o conector.
b. Cabos coaxiais: eliminar emendas e excesso de cabos desnecessários; verificar as condições gerais do cabo (se há exposição da malha, etc).
c. Traps e filtros passa-altas: a presença filtros para proteger o espectro de retorno impede a comunicação com o headend. O instalador deve ter em mente que o decodificador precisa do canal de retorno tanto quanto o cable modem.
d. Amplificadores sem capacidade de retorno: amplificadores internos devem ter capacidade de tráfego de sinais pelo canal de retorno e estar alinhados. Caso não tenham capacidade bidirecional, devem ser substituídos.
e. Configuração da instalação no ponto de conexão: o decodificador deve ser instalado antes dos outros dispositivos, como VCRs ou DVRs, cujos sintonizadores normalmente não deixam passar sinais na faixa de freqüências do canal de retorno. Determinar a configuração ideal de divisores, de modo a minimizar a atenuação em todos os pontos de conexão.

.

O histograma da Figura 7 mostra os resultados de 49 visitas de rede interna. A coluna mais à esquerda contempla o número de casos que se encaixam nos itens a até e, acima. Os casos onde houve dificuldade de acesso à residência ou erro de localização (mudança de endereço sem avisar a operadora) mostram a necessidade de se informar o assinante sobre os objetivos da visita técnica, uma vez que problemas de comunicação no retorno podem não implicar, necessariamente, na interrupção do serviço de vídeo do assinante. A coluna “Decoder desligado” mostra alto número de decodificadores que, por hábito, são desconectados da energia pelo menos durante os horários programados para calibração. Isto pode indicar necessidade de se programar esse processo em outro horário ou diminuir o intervalo entre calibrações.

.
Fig. 6 – Resultados das visitas de rede interna (49 casos).

Conclusão
Este trabalho apresenta uma seqüência de procedimentos para identificar e controlar o número de decodificadores classificados como “não-respondedores crônicos” em uma operação de TV digital com capacidade bidirecional da rede HFC e decodificadores equipados com módulos transmissores de retorno. No caso particular deste estudo, pôde-se observar que o esquema transmissão utilizado para o caminho de retorno é robusto o suficiente para operar no início da faixa do retorno, região esta que apresenta, normalmente, altos níveis de ruído e interferência. A experiência indica que a principal causa da falta de comunicação no sentido do retorno são problemas na rede interna (do tap até o ponto de conexão do assinante). Boas práticas de instalação, conseguidas à custa de treinamento das equipes, tendem a minimizar a quantidade de não-respondedores na base. Além disso, é conveniente que o fabricante procure, em versões futuras, prover o sistema com ferramentas destinadas a obter, com mais facilidade, informações como o nível de potência de transmissão e a relação sinal-ruído na porta do demodulador, para cada decodificador da base. Esses mecanismos, largamente utilizados no sistema DOCSIS, auxiliariam no processo de diagnóstico de falhas.

Referências – [1] RIBEIRO, Marcus Aurélio; SHIEH, Pei Jen. Canal de Interatividade: Conceitos, Potencialidades e Compromissos. Disponível em:
http://www.wirelessbrasil.org/wirelessbr/colaboradores/manhaes_e_shieh/canal_de_interatividade.html
[2] ETSI. Digital Video Broadcasting (DVB); Interaction channel for Digital Terrestrial Television (RCT) incorporating Multiple Access OFDM. EN 301 958 v1.1.1, European Standard, 2001.
[3] CABLELABS®. DOCSIS® – Data Over Cable Service Interface Specifications. Disponível em:http://www.cablemodem.com/specifications/
[4] ANSI/SCTE 55-1 2002 (former DVS 178). Digital Broadband Delivery System: Out Of Band Transport Part 1: Mode A. Disponível em http://www.scte.org
[5] HRANAC, R. Linear Distortions, Part 1. Communications Technology, July 2005. Disponível em: www.ct-magazine.com/archives/ct/0304/0304_broadband.html
[6] HRANAC, R. Linear Distortions, Part 2. Communications Technology, August 2005. Disponível em: www.ct-magazine.com/archives/ct/0805/0805_lineardistortions.htm
[7] MOTOROLA. OM-1000 Installation/Operation Manual v3.4. Document Number 493854-001.
[8] ITU-T H.222. Information technology – Generic coding of moving pictures and associated audio information: systems. International Standard, 2000.
[9] MOTOROLA. The Digital RF Return Path and Troubleshooting Notes. Document Number: ENB–0173, Revision X.1. September 15, 1998
[10] ITU-T. Digital multi-programme systems for television, sound and data services for cable distribution, J.83. International Standard, 1997.
[11] ETSI. Digital Video Broadcasting (DVB); Interaction channel for satellite distribution systems. EN 301 790 v.1.3.1. European Standard, 2003.
[12] SCIENTIFIC ATLANTA. The Hybrid Fiber/Coax Reverse Path: A Proven Array To New Services. July, 1997.
[13] CABLELABS®. DOCSIS Set-top Geteway (DSG) Interface Specification. July 28, 2006. Disponível emhttp://www.cablemodem.com/downloads/specs/CM-SP-DSG-I08-060728.pdf

Os Autores – Angelo Pinelli Martins Samia é engenheiro elétrico, com mestrado em Telecomunicações pelo INATEL. Trabalhou como engenheiro de pós-venda para a Scientific Atlanta do Brasil e atualmente é consultor de tecnologia de produto da NET Serviços.
Luiz Fernando Bourdot é engenheiro elétrico, com especialização em Telecomunicações pela UNICAMP-SP. Atuou como diretor de tecnologia para desenvolvimento de novos produtos na Vivax e atualmente é consultor de engenharia da NET Serviços.
W angelo.pinelli@vivax.net.br e luiz.bourdot@vivax.net.br

Título original: Monitoração e Análise de Serviços Bidirecionais em Sistemas de TV Digital