Carlos Salvador Barjau Estevan

Los servicios punto-a-multipunto sobre redes m\'oviles siempre han sido de inter\'es para diversos verticales. No solo est\'a limitado al env\'io de televisi\'on, otras aplicaciones tales como Internet de las Cosas, Vehicular-a-Todo, o Sistemas de Alarma P\'ublica (SAP) tambi\'en pueden explotar eficientemente la capacidad de las conexiones punto-a-multipunto. La primera versi\'on de servicios Broadcast/Multicast para redes m\'oviles ocurri\'o en 3G, definido como Multicast Broadcast Multimedia Services (MBMS). Sin embargo, esta tecnolog\'ia se considera limitada en t\'erminos econ\'omicos y tecnol\'ogicos, y nunca lleg\'o a despegar con \'exito. La versi\'on 4G Long Term Evolution (LTE), enhanced MBMS (eMBMS), trajo las mejoras necesarias escuchando los requerimientos de la industria televisiva. Las operadoras de televisi\'on, especialmente en Europa, ven en eMBMS un candidato potencial para el env\'io de televisi\'on terrestre, capaz de proveer servicios de radiodifusi\'on a antenas fijas, dispositivos a nivel de calle, o veh\'iculos en movimiento. A\'un as\'i, el requerimiento de un modo punto-a-multipunto basado en 5G New Radio no se cumpli\'o hasta la llegada de la Release 17, a pesar de estar definido durante las etapas de estandarizaci\'on 5G. Este modo se llama 5G Multicast Broadcast Services (5MBS). Estos est\'andares m\'oviles punto-a-multipunto compiten contra los existentes est\'andares de Televisi\'on Digital Terrestre, tales como el Europeo DVB-T2 o el Americano ATSC 3.0, ya desplegados comercialmente. Queda observar lo que ocurrir\'a a la parte baja de la banda UHF, la cual sigue asignada a servicios de radiodifusi\'on primarios en la regi\'on 1 de la ITU, pero es un punto en la agenda del World Radio Congress de 2023. En otras regiones, parte de la banda ya ha sido asignada a comunicaciones 5G.

Esta disertaci\'on cubre el estado del arte en LTE eMBMS Release 14, tambi\'en conocido como Enhanced Television Services (ENTV). ENTV trajo un conjunto de mejoras, tanto a nivel radio como a nivel de n\'ucleo, que transform\'o a eMBMS en un est\'andar de televisi\'on terrestre completo. La \'ultima versi\'on de esta tecnolog\'ia se denomina LTE-based 5G Broadcast; pero no usa New Radio ni el n\'ucleo 5G. Para proveer una soluci\'on nativa 5G de servicios punto-a-multipunto, hubo investigaci\'on en entornos acad\'emicos y colaboraciones p\'ublico-privada. La iniciativa m\'as notable en este aspecto fue el proyecto del Horizon 2020 5G-Xcast, que transcurri\'o de 2017 a 2019. 5G-Xcast produjo varias soluciones a nivel de arquitectura, desde la perspectiva de provisi\'on de contenidos, nuevas funciones de red interoperables con el n\'ucleo 5G, hasta modificaciones a la interfaz aire basada en New Radio. Los hallazgos del proyecto est\'an descritos en esta tesis. La tesis incluye dos ejemplos de eMBMS aplicados a verticales diferentes, una para el uso de eMBMS en entornos industriales, y otra presentando eMBMS como un sistema SAP.

Incluir servicios punto-a-multipunto como un modo adicional celular trae algunos desaf\'ios, como ya mostr\'o la estandarizaci\'on de eMBMS: las redes de radiodifusi\'on terrestre y las redes celulares son muy distintas entre ellas. Encontrar una forma de onda viable para ambas infraestructuras es complejo. Esta tesis ofrece un punto de vista distinto al problema: un escenario de colaboraci\'on entre cadenas televisivas y operadores m\'oviles, donde la infraestructura de radiodifusi\'on y m\'ovil son compartidas. Este concepto se ha definido como Convergence of Terrestrial and Mobile Networks. Las tecnolog\'ias elegidas para converger son ATSC 3.0 y 5G, usando el Advanced Traffic Steering, Switching and Splitting (ATSSS). ATSSS est\'a compuesto de una serie de procedimientos, interfaces, funciones de red, para permitir el uso compartido de un acceso 3GPP con uno non-3GPP, como Wi-Fi. Sin embargo, el uso de ATSSS para juntar radiodifusi\'on y celular no es trivial, ya que ATSSS no fue dise\~{n}ado para enlaces radio unidireccionales como ATSC 3.0. Estas limitaciones son descritas en detalle, y una propuesta para solventarlas tambi\'en est\'a incluida. La soluci\'on se basa en Quick UDP Internet Connections (QUIC), y se usa como ejemplo para la provisi\'on de Convergent Services (File Repair y Video Offloading).

La tesis concluye con una descripci\'on de Release 17 5MBS, con los nuevos conceptos introducidos. 5MBS es capaz de cambiar entre unicast, multicast y broadcast; dependiendo del servicio, la ubicaci\'on geogr\'afica de los usuarios, y las capacidades de la infraestructura m\'ovil involucradas. Para evaluar 5MBS, se ha realizado un estudio de prestaciones, basado en comunicaciones multicast dentro del n\'ucleo de red 5G. Este prototipo 5MBS forma parte del laboratorio VLC Campus 5G, y utiliza el software comercial Open5GCore como base del desarrollo. El modelo de sistema para la experimentaci\'on esta formado por un servidor de v\'ideo, que se conecta al Open5GCore y a las funciones de red mejoradas con funcionalidades 5MBS. Estas funciones de red env\'ian el contenido mediante punto-a-multipunto a un entorno radio y terminales simulados. Los resultados obtenidos resaltan el objetivo principal de la tesis: las comunicaciones punto-a-multipunto son una soluci\'on escalable para el env\'io de contenido multimedia en directo.