Por David Gómez-Barquero, profesor del Departamento de Comunicaciones y sub-director de investigación del Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones Multimedia (iTEAM) de la Universitat Politècnica de València (UPV).

Las tecnologías de radiodifusión parecen evolucionar a la misma velocidad que las tecnologías que nos rodean. En España todavía estamos utilizando la tecnología de Televisión Digital Terrestre (TDT) de primera generación DVB-T (Digital Video Broadcasting – Terrestrial), y tenemos pendiente la migración a la tecnología DVB-T2 (Digital Video Broadcasting – Terrestrial 2nd Generation), que lleva más de 10 años en el mercado. El cambio a la tecnología DVB-T2 permitirá aumentar la eficiencia espectral de las redes de TDT en más de un 50%. Esto es, aumentar la capacidad de transmitir información en más de un 50%, lo cual se traducirá en aumento de la calidad de los contenidos transmitidos. Por ejemplo, más contenido en alta definición y ultra alta definición.

Desde la introducción de la TDT a finales del siglo pasado, hemos pasado por los estándares de telefonía móvil 2G (telefonía digital y mensajería de texto SMS), 3G (comienzos del internet móvil y la llegada del primer iPhone), 4G (banda ancha móvil y popularización de las Apps y las redes sociales) y la llegada del 5G, la cual es mucho más que una nueva generación de comunicaciones móviles con velocidades de conexión más altas. La ambición del 5G es proporcionar conectividad inalámbrica en la transformación digital de muchos sectores industriales. El 5G también ofrece nuevas posibilidades para la industria broadcast.

Por un lado, la tecnología 5G puede facilitar la convergencia de las redes móviles, fijas y la TDT, pudiendo llegar a teléfonos inteligentes (smartphones) y tablets, lo cual no ha sido posible por ninguna tecnología de TDT. De hecho, el organismo internacional de estandarización europeo de televisión digital DVB (Digital Video Broadcasting) declaró que no habría nuevo estándar de TDT, y que un posible nuevo estándar de radiodifusión tendría que venir del foro de estandarización 3GPP, encargado de la estandarización de tecnologías móviles.

Por otro lado, el sector de producción audiovisual utiliza hoy en día diferentes tecnologías inalámbricas y, por tanto, será uno de los primeros en aprovechar las ventajas del 5G. Gracias a la compatibilidad inherente de 5G con el protocolo IP (Internet Protocol) y el uso de recursos de computación en la nube (en inglés, cloud computing), podría además actuar como un catalizador para mejorar los flujos de trabajo existentes o habilitar nuevos en varios escenarios.

El Instituto de Telecomunicacio-nes y Aplicaciones Multimedia (iTEAM) de la Universitat Politècnica de València (UPV) en España es uno de los centros de investigación de referencia en la aplicación de la tecnología 5G a tecnologías broadcast, tanto para la parte de distribución como para la parte de contribución (producción de contenidos). Desde el grupo de comunicaciones móviles del iTEAM-UPV, hemos participado activamente en procesos de estandarización de tecnologías de radiodifusión, como DVB-T2 (y su perfil móvil T2-Lite), DVB-NGH (Next Generation Handheld) y ATSC 3.0, así como en la optimización de las tecnologías de radiodifusión de telefonía móvil 3G (MBMS, Multimedia Braoadcast Multicast Service) y 4G (eMBMS, enhanced MBMS).

Gran parte del trabajo en 5G y televisión se ha realizado en proyectos de investigación del programa Horizonte 2020 de la Unión Europea de la asociación para la colaboración público-privada en 5G 5G-PPP (5G Infrastructure Public Private Partnership, www.5g-ppp.eu). En concreto, en los proyectos 5G-Xcast, 5G-TOURS, 5G-RECORDS y FUDGE-5G, tres de los cuales han sido coordinados por el iTEAM-UPV (5G-Xcast, 5G-RECORDS y FUDGE-5G). A nivel nacional, también cabe destacar el proyecto 5G Castilla La Mancha del plan nacional de pilotos 5G de Red.Es, así como la colaboración con Radiotelevisión Española (RTVE) en el marco del evento Global 5G 2019, en la que se realizó el primer directo para televisión utilizando exclusivamente tecnología 5G en España. Fue, además, la primera retransmisión en todo el mundo llevada a cabo con una red 5G nativa/pura (en inglés, Stand-Alone SA).

A continuación, paso a explicar brevemente las principales innovaciones de los dos principales proyectos: 5G-Xcast para radiodifusión de contenidos 5G y 5G-RECORDS para producción de contenidos 5G, así como resaltar los principales resultados del resto de proyectos.

5G-Xcast

El proyecto 5G-Xcast: Broadcast and Multicast Communication Enablers for the Fifth-Generation of Wireless Systems (8 M€ de presupuesto, 18 socios de 10 países, periodo de ejecución junio 2017 a julio 2019, www.5g-xcast.eu) fue el primer proyecto de investigación internacional sobre 5G Broadcast, y se convirtió en el proyecto insignia sobre la radiodifusión de contenidos en 5G en todo el mundo. Desde el proyecto se participó activamente en la definición y análisis de la tecnología conocida popularmente como 5G Broadcast, y también en el diseño de una solución 5G nativa para broadcast.

La tecnología, conocida como 5G Broadcast, permite transmitir servicios broadcast a dispositivos 3GPP, y en algunos ámbitos se ha llegado a considerar como posible sustituto de la Televisión Digital Terrestre. Esta tecnología cumple con requisitos esenciales de la TDT, entre los que podemos destacar:

• Modo de solo recepción (en inglés, Receive-Only Mode), en el cual no es necesario tener una tarjeta SIM para recibir el servicio. Esto permite transmisiones abiertas (en inglés, Free-to-Air) como las utilizadas en la TDT tradicional.
• Modo de transmisión en el que todos los recursos radio (espectro) se dedican a la transmisión broadcast.
• Posibilidad de crear redes de frecuencia única (en inglés, Single Frequency Networks), en los que varios transmisores transmiten el mismo contenido en la misma frecuencia de manera sincronizada.

A pesar de que la tecnología se conoce como 5G Broadcast, está basada en la tecnología 4G de telefonía móvil denominada como LTE (Long Term Evolution). De hecho, el nombre técnico de la tecnología en inglés no es otro que LTE-based 5G Terrestrial Broadcast. El juego de marketing del 3GPP esconde que 5G Broadcast no dispone de los avances tecnológicos de la tecnología 5G (que explicaremos a continuación). El proyecto 5G-Xcast fue el primero en demostrar que la tecnología 5G Broadcast tendría una eficiencia espectral considerablemente menor que las tecnologías de TDT de segunda generación (como DVB-T2 y ATSC 3.0). Este trabajo* tuvo el reconocimiento del premio al mejor artículo publicado en el año 2020 en la revista especializada IEEE Transactions on Broadcasting.

A pesar de sus limitaciones, la tecnología 5G Broadcast supone un hito en el mundo de la radiodifusión, al ser la primera tecnología broadcast 3GPP con un alto potencial de llegar a todos los smartphones y tablets. Aunque ya se han realizado numerosos pilotos en todo el mundo, todavía no hay ningún despliegue comercial de 5G Broadcast. Pero no debe olvidarse el hecho de que 5G Broadcast fue diseñada para un propósito diferente al de los estándares de TDT. Mientras que, por ejemplo, DVB-T2 está altamente optimizado para la distribución de servicios de televisión lineal para recepción fija en tejados, 5G Broadcast tiene la posibilidad de llegar a dispositivos 3GPP portátiles y móviles, y tiene una gran herencia de la tecnología 4G LTE. Además, 3GPP ha incluido recientemente en la Release-17 la posibilidad de utilizar 5G Broadcast en los anchos de banda utilizados tradicionalmente por la TDT (6, 7 y 8 MHz). Sin hacer pronósticos sobre lo que pueda pasar en la conferencia mundial de radiocomunicaciones (WRC) en cuanto al espectro actualmente dedicado para tecnologías de radiodifusión, seguro que la tecnología 5G Broadcast tendrá un papel importante en dicha conferencia.

5G Castilla-La Mancha

En el proyecto 5G Castilla La Mancha (presupuesto 1.2 M€, 6 empresas colaboradoras en el caso de uso de radiodifusión, duración julio 2020 a enero 2023, el iTEAM-UPV ha desarrollado una solución 5G Broadcast utilizando una plataforma de radio definida por software de código abierto y procesadores de propósito general. En colaboración con Telecom CLM y el fabricante de equipos de broadcast BTESA, se ha realizado un piloto en una red con infraestructura de alta potencia en la ciudad de Toledo, con suficiente potencia de radiofrecuencia para cubrir toda la ciudad. Este, ha sido el primer piloto utilizando una plataforma SDR (Software Defined Radio) tanto para el transmisor como el receptor en una infraestructura como las utilizadas tradicionalmente para la difusión de TDT. Las soluciones SDR no solo permiten probar rápido nuevas funcionalidades de los estándares, sino que también permiten una mayor flexibilidad para actualizaciones mediante software y reducir costes. Los principales fabricantes de equipos de TDT ya tienen soluciones basadas en software. Este trabajo ha tenido mucha repercusión en la asociación industrial 5G-MAG (5G Media Action Group), donde se ha colaborado con otros socios en el desarrollo y validación de la plataforma SDR y se ha proporcionado una versión del código en abierto (open source).

Por otro lado, el proyecto 5G-Xcast fue pionero en definir componentes punto a multipunto (multicast/broadcast) para las redes 5G nativas, basadas en las nuevas tecnologías NR (New Radio) y 5GC (5G Core), que proporcionan una mayor eficiencia y flexibilidad con respecto a LTE tanto a nivel radio como a nivel de arquitectura de sistema.

El proyecto 5G-Xcast propuso un cambio de paradigma en cuanto a las transmisiones punto a multipunto en 4G LTE (recuerden que la tecnología 5G Broadcast está basada en LTE), donde las transmisiones punto a multipunto se concibieron inicialmente como un servicio complementario y con una configuración estática predefinida. La solución propuesta en 5G-Xcast integra las transmisiones punto a multipunto en la arquitectura general del sistema como una herramienta interna de la red para optimizar la transmisión cuando varios dispositivos consumen el mismo contenido en una misma celda. Esto permite un uso dinámico y flexible de las transmisiones punto a multipunto por parte de la red de manera transparente al usuario, con el fin de maximizar la eficiencia de los recursos de la red. Los componentes multicast/broadcast se diseñaron con la premisa de maximizar la compatibilidad y la interoperabilidad con las transmisiones punto a punto (unicast), para permitir la conmutación dinámica entre los diferentes modos de operación, así como su posible uso en paralelo. Este enfoque conduce a un diseño de servicio simplificado y unificado a través de las redes de acceso. Además, no solo permite el despliegue de redes 5G independientes para la distribución de servicios de radio y televisión, sino que también fomenta que todos los equipos de red y todos los dispositivos soporten las transmisiones punto a multipunto. El hecho de que 5G Broadcast requiera equipos específicos que soporten la tecnología a nivel de red y, principalmente, a nivel de terminales, es probablemente la principal barrera que ha frenado la inversión en la tecnología, y que nos pone en el problema del huevo o la gallina que tuvieron las primeras tecnologías de radiodifusión móvil (DVB-H, MediaFLO, etc.).

En 5G-Xcast se diseñaron componentes punto a multipunto para la interfaz radio, la red de acceso radio (Radio Access Network, RAN) y el núcleo de red (5GC). El trabajo del 5G-Xcast ha tenido una importante repercusión en el 3GPP en la tercera versión del estándar 5G (Release-17), donde se ha especificado 5G-MBS (Multicast Broadcast Services) con componentes multicast/broadcast para NR y 5GC. Sin embargo, no se están teniendo en cuenta requisitos de los servicios de TDT. El problema es que las dos primeras versiones de 5G no soportan transmisiones punto a multipunto, y por tanto se perdió la oportunidad de incluir esta funcionalidad desde el inicio del estándar de forma que todos los dispositivos la soportaran. El soporte de la tecnología 5G-MBS será opcional, y está por ver el grado de implantación en los futuros dispositivos cuando llegue la Release-17 al mercado (actualmente están empezando a llegar dispositivos con la segunda versión del estándar 5G, Release-16).

5G-RECORDS

El proyecto 5G-RECORDS: 5G key technology enableRs for Emerging media COntent pRoDuction Services (presupuesto 7.5M€, 18 socios de 11 países, duración septiembre 2020 a octubre 2022, www.5g-records.eu) abordó el diseño, desarrollo, integración, validación y demostración de componentes 5G para la producción profesional de contenidos multimedia. El proyecto se estructuró alrededor de tres casos de uso reales de producción de contenidos: producción de audio en vivo, estudio inalámbrico con múltiples cámaras y producción de contenidos inmersivos, cada uno con una serie de tecnologías 5G habilitadoras y componentes multimedia innovadores.

Además, el proyecto se centró en el uso de redes 5G privadas, similares a una red WiFi pero con la diferencia de que no se comparte el espectro con ninguna otra red, lo que garantiza mayores prestaciones sin depender de la red pública de un operador de telecomunicaciones. Otra de las ventajas reside en la privacidad, ya que toda la información que circule por estas redes solo es accesible para sus propietarios. Estas redes 5G a la carta, o redes “súper WiFi” privadas con prestaciones revolucionarias para la industria tienen mucho sentido para entornos de producción profesional remota de contenidos con mayor fiabilidad, menor latencia y la posibilidad de sincronizar diferentes dispositivos. El proyecto desarrolló un sistema completo de producción multicámara 5G que fue utilizado en una retransmisión del arranque del Tour de Francia de 2022 en la ciudad Copenhague (Dinamarca), que fue un éxito total y tuvo una gran repercusión mediática.

El caso de uso de producción de contenidos inmersivos se centró en el uso de las bandas milimétricas de 5G (26 GHz), que posibilita anchos de banda de cientos de MHz y velocidades de Gigabits por segundo equiparables a la fibra óptica en sentido descendente o de descarga. En sentido ascendente, los terminales actuales tienen limitaciones para alcanzar esas velocidades. A pesar de estas limitaciones, el proyecto organizó un concierto en vivo que fue capturado con múltiples perspectivas y planos en los que el realizador podía mover el punto de vista de la imagen libremente. Y con un despliegue de edge computing para garantizar baja latencia, fue posible reproducir contenido tanto en vivo como en repeticiones.

Por último, el caso de uso de producción de audio se centró en las comunicaciones 5G de ultra baja latencia y alta fiabilidad (en inglés, Ultra Reliable Low-Latency Communicacions URLLC), ya que la producción profesional de audio en directo tiene unos requisitos muy exigentes en cuanto a tiempo de respuesta, disponibilidad, y sincronización. Este caso de uso no llegó a demostrarse en un piloto, pero los avances que se hicieron en el testeo y validación de la tecnología URLLC de 5G han supuesto un gran avance del estado del arte, y han interesado a alguno principales fabricantes de chips 5G.

No me gustaría terminar este artículo sin mencionar la primera orquesta itinerante 5G que se realizó en el proyecto 5G-TOURS (www.5gtours.eu), liderada por la RAI y en colaboración con LiveU, que fusionó música y producción distribuida de contenidos con 5G en las calles de Turín en diciembre de 2020.

Con todos estos avances se puede afirmar que, a diferencia de la distribución de contenidos, donde todavía hay dudas razonables sobre el uso de 5G para servicios de radiodifusión … ¡y puede que sea necesario una futura nueva tecnología 6G Broadcast!, el 5G será ampliamente utilizado para producción de contenidos en un futuro no muy lejano.

* Manuel Fuentes, De Mi, Hongzhi Chen, Eduardo Garro, Jose Luis Carcel, David Vargas, Belkacem Mouhouche, and David Gomez Barquero, “Physical Layer Performance Evaluation of LTE-Advanced Pro Broadcast and ASTC 3.0 Systems”, IEEE Transactions on Broadcasting, vol. 65, no. 3, pp. 477-488, 2020.