Audio-via-IP Kompendium. Audio-via-IP. Grundlagen, Praxis und Anwendungen

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1 Audio-via-IP Kompendium Audio-via-IP Grundlagen, Praxis und Anwendungen

2 Impressum Herausgeber: MAYAH Communications GmbH, Copyright 2007, Redaktion: Daniel Adasinsky Autoren: Hans-Heinrich Hansen, Christian Diehl, Uwe Andersen, Jan Simon, Werner Ludwig, Jörg Rimkus, Detlef Wiese 1. Auflage Flashman, Centauri, Mayah sind eingetragene Warenzeichen

3 Audio-via-IP Kompendium Audio-via-IP Grundlagen, Praxis und Anwendungen Professionell aber einfach Zusammenfassung Audio-over-IP nimmt einen wachsenden Stellenwert im Bereich des Rundfunkleitungsnetzwerks ein. Die Verfügbarkeit und Bandbreite von IP-Netzwerken steigen während gleichzeitig die Kosten nahezu kontinuierlich sinken. Das Angebot an Festverbindungen und ISDN ist weltweit rückläufig und damit zu rechnen, dass es bestimmte Angebote der Telekommunikationskonzerne früher oder später nicht mehr geben wird. Zum Beispiel werden schon heute ISDN Übertragungen in Europa teilweise über den IP Backbone geführt. Dieses Kompendium nimmt sich dieser wichtigen Thematik an, und zwar von den Grundlagen bis zu den Anwendungen ohne Anspruch auf Vollständigkeit. Vielmehr sollen dem Neueinsteiger, Quereinsteiger und Fortgeschrittenen Anregungen gegeben werden. Bevor auf alle Punkte sehr detailliert eingegangen wird soll das Kapitel IP Audio Kompakt die wesentlichen Punkte in kurzer Form übersichtlich darstellen. 1

4 IP Audio Kompakt UDP, RTP, SIP IP Protokolle, welches wofür? Das gewählte IP Protokoll bestimmt maßgeblich die Art und Weise wie das Audiosignal über ein Netzwerk transportiert wird. Da an ein Rundfunksignal höchste Anforderungen bezüglich Qualität und Sicherheit gestellt werden, muß das Protokoll entsprechend ausgewählt sein. Während RTP/UDP in Corporate Networks mit VPNs und festen Kommunikationspartnern verwendet wird, kommt zusätzlich SIP im öffentlichen Internet zum Zug und ist insbesondere durch VoIP-Anwendungen bekannt geworden. SIP Session Initiation Protocol SIP ist ein textbasiertes Verhandlungsprotokoll, mit dem Verbindungen auf Basis des Internet Protokolls (IP) verhandelt werden können. SIP wird lediglich genutzt, um die Signalisierung zwischen den Partnern abzuwickeln. Der Transport der Mediendaten erfolgt - wie im klassischen ISDN auch getrennt von der Verhandlung. Meist werden die Nutzdaten über eine andere Route und mit einem anderen Transportprotokoll übermittelt. Während für die Verhandlung TCP oder UDP zur Wahl stehen, geschieht der Transport der Nutzdaten meist mit RTP. SIP-Wählverbindungen als ISDN Ersatz Die neuen SIP Wählverbindugnen im öffentlichen Internet sind dann als gleichwertig zu den bekannten ISDN Verbindugnen zu betrachten, wenn eine verlustfreie Übertragung der Daten möglich und eine kurze Verzögerungszeit zu erreichen ist. Dies funktioniert mit garantierter Bandbreite, z.b. durch Verwendung von RSVP und FEC. Mehr in Kapitel VPNs mit garantierter Bandbreite als Ersatz für E1 und X.21 Verbindungen Virtual Private Networks, die sogennanten VPNs können die heute genutzten E1 oder X.21 Strecken dann ersetzen, wenn für eine entsprechende stabile Bandbreite gesorgt wird. Verwendung von IP über vorhandene E1 oder ATM Netze Über bestehende E1- oder ATM-Strecken kann ein IP-Protokoll gelegt werden. Damit ist z.b. die gleichzeitige Nutzung für Audio/Video- und Datensignale möglich. Bei den verwendeten Router wird eine Bandbreitenreservierung entsprechend eingerichtet. HE AACv2 usw. - Audio Codier Formate, wann brauche ich welches? Die Vielzahl an Audio Codier Formaten kann durchaus manchmal Verwirrung stiften. Die Auswahl geschieht nach Kriterien wie Kompatibilität, Qualität und Verzögerungszeit. Während HE AACv2 aufgrund der hohen Qualität und niedrigen Bitrate von deutlich unter 48kbps stereo immer mehr zur Anwendung kommt, wird bei Netzen mit größerer Bandbreite auch gerne die verlustfreie transparente AES/EBU Übertragung mit bis zu 3 MBit/s verwendet. Der Übergang von ISDN zu IP und umgekehrt Für den Übergang der bestehenden ISDN- in die neue IP-Infrastruktur wird eine Migrationszeit benötigt. Es muß Gerätetechnik mit beiden Schnittstellen geben, sowie Transcodiermöglichkeiten, sogenannte Gateways geschaffen werden. FEC Fehlerschutz wie eingesetzt Vorwärtsfehlerkorrektur oder Forward Error Correction (FEC) bietet die Möglichkeit, durch das Hinzufügen redundanter Daten, Übertragungsfehler aufzuspüren und/oder zu korrigieren. So können in der Regel erneute Übertragungen oder Datenverluste, die entsprechend höhere Kosten der Verbindung oder höhere Verzögerungszeiten verursachen, vermieden werden. IP Overhead Bei IP-Übertragungen besteht der Datenstrom grundsätzlich aus zwei Teilen: Nutzdaten (english Payload), z.b. ein oder mehrere MPEG-Frames, und Zusatzdaten (english Overhead). Beim UDP-Protokoll ist der absolute IP-Overhead 46 Bytes lang, und er setzt sich folgendermaßen zusammen: 8 Bytes UDP-Header, 20 Bytes IP-Header, 18 Bytes IEEE802.3 (Ethernet). Der relative IP Overhead wird prozentual von dem Original-Payload berechnet. MPEG TS über ASI, MPEG TS über IP Der MPEG Transportstream, kurz MPEG TS wird überwiegend in DVB und iptv Umgebungen eingesetzt. Es handelt sich um eine Formatierung von einem oder mehreren Audio- und/oder Videosignalen mit typischerweise Setop-Boxen als Empfänger. 2 3

5 Gibt es schon Standards? Um einheitliche Implementierungen voranzutreiben und zu unterstützen, wurde die N/ACIP Arbeitsgruppe der EBU gegründet. Im September 2007 soll der erste Entwurf einer Empfehlung offiziell herausgegeben werden. RTP (Realtime Transport Protocol) ist ein Protokoll zur kontinuierlichen Übertragung von audiovisuellen Daten über IP-basierte Netzwerke. Es benutzt UDP (User Datagram Protocol), aber im Gegensatz zur reinen UDP-Implementation garantiert RTP die richtige Reihenfolge der Pakete auf der Empfängerseite. RTCP (RTP Control Protocol) basiert auf dem periodischen Austausch von Kontrollpaketen unter den Sitzungsteilnehmern. Durch RTCP wird der Multimedia Datenstrom nicht gestört. Informationen wie die Zahl der gesendeten und verlorenen Pakete, Round Trip Delay, Jitter usw. dienen dazu, das Streaming an die aktuellen Netzwerkbedingungen anzupassen. SDP (Session Description Protocol) dient dazu, Multimedia-Sitzungen zu beschreiben. Diese Beschreibung kann verwendet werden, die Sitzung anzukündigen, Teilnehmer zu dieser Sitzung einzuladen oder auf andere Weise eine Verbindung zu initiieren. SAP (Session Announcement Protocol) dient dazu, eine SDP Information an einer Multicast-Adresse bekannt zu machen. Somit kann ein potentieller Empfänger sich einen Gesamtüberblick aller im (Sub-) Netz angebotenen Inhalte verschaffen und sich dann den gewünschten auswählen. MAYAH unterstützt, entgegen der Norm, auch SAP-Unicast. RTSP (Real Time Streaming Protocol) ist ein Anwendungsprotokoll, das die Auslieferung, Kontrolle und Steuerung von Multimedia-Daten auf Basis von Unicast und Multicast unterstützt. Damit kann man einen Streaming Server mit den typischen Befehlen wie zum Beispiel Wiedergabe oder Pause steuern. 4 5

6 Inhaltsverzeichnis 1 Audio und der Einstieg in IP 1.1 IP Grundlagen 1.2 Packet Switching versus digitaler Festverbindung 2 Audio Codierung für IP: Verzögerungszeit versus Bitrate 2.1 G G MPEG Layer MPEG Layer MPEG 4 HE AAC 2.6 apt-x und Enhanced apt-x 2.7 Lineares Audio und AES/EBU transparent 3 IP als Plattform moderner Media- und Telekom Netze 3.1 Voraussetzungen für Mediatransport / Echtzeit Fähigkeiten nachgerüstet 4 Wählverbindungen im Public Internet 4.1 ISDN SIP ein Vergleich 4.2 SIP und wie es funktioniert 4.3 Betriebssicherheit 4.4 SIP für hochqualitative Medialinks 4.5 Ausblick 5 Praktische Voraussetzungen für SIP und Audio-via-IP 5.1 Voraussetzungen für SIP-basierte Verbindungen über öffentliches Internet 5.2 Voraussetzungen für sonstige IP-basierte Verbindungen Unicast vs. Multicast 6 Typische IP oder gemischte IP/ISDN Anwendungen 7 Referenzen 7.1 R. Wagner, Das neue Verteilnetz von Telekom Austria und ORF, FKT, Nr. 56, 7 / 2002, S G. Stoll, F. Kozamernik, EBU subjective listening tests on low-bitrate audio codecs, EBU, Too many audio codecs, Detlef Wiese, Tonmeistertagung, White Paper Diskussion von Codierverfahren, Detlef Wiese, White Paper NAT Traversal for Multimedia over IP, Newport Networks, White Paper Understanding SIP, D. Sisale, J. Kutan, GMD Fokus, Handbuch, Werner Ludwig,

7 1 Audio und der Einstieg in IP 1.1 IP Grundlagen In Anlehnung an OSI Schichtenmodell wurde für das Internet Protokoll auch ein Referenzmodell definiert. Es beschreibt den Aufbau und die Wechselwirkung der verschiedenen Netzwerkprotokolle in vier Schichten: Netzwerkschicht, Vermittlungsschicht, Transportschicht und Anwendungsschicht. Die Anwendungsschicht enthält aufgabenbezogene Protokolle, wie z.b. Telnet oder FTP, s. Abbildung 1. Abb. 1 Layer 7 Layer 6 Layer 5 Layer 4 Layer 3 Layer 2 Layer 1 Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Datalink Layer Physical Layer Defining application protocols (e.g. FTP, TELNET, mail...) Describing the data presentation (e.g. ASCII, Unicode) Connecting and disconnecting interlinks, login, logout, handshake for non duplex connects... Data transport between communication partners or applications (e.g. TCP, UDP) Interconnecting network stations or segments (IP) Transfer protocol for data framing and secure transfer (e.g. HDLC, SLIP, PPP) Specifying the bit transportation on the link media (e.g. modulation, pin assignment of the connector...) Application Layer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Datalink Layer Physical Layer Application Layer Transport Layer Internet Layer Network Layer 9

8 Um Informationen von Anwendung zu Anwendung zwischen verschiedenen Netzteilnehmern zu übertragen, sind mindestens drei Adressen erforderlich. Die einzelnen Teilnehmer eines physikalischen Netzsegments (Ethernet IEEE802.3) werden über ihre 6 Byte lange MAC Adresse (Media Access Control) identifiziert. Diese Adresse muss innerhalb eines Segments eindeutig sein. MAC Adressen werden vielfach bereits von den Herstellern vergeben, wobei die ersten drei Byte den Hersteller identifizieren. Um im Internet einen Teilnehmer eindeutig erkennen zu können, wird die vier (IPv4) bzw. 16 (IPv6) Byte lange Internetadresse verwendet. Der Bezug zwischen physikalischer MAC und logischer IP Adresse wird über das Address Resolution Protocol (ARP), ein Protokoll der Vermittlungsschicht, hergestellt. Die IP Adressen des s als auch des Empfängers werden im IP Protocol Header beschrieben. Die dritte Adresse ist die so genannte Port- oder Socket-Nummer. Sie identifiziert eine bestimmte Anwendung des Teilnehmers. Die Portnummer (16 Bit) befindet sich innerhalb der Transportschicht, wobei eine Reihe an Portnummern bereits bestimmten Anwendungen fest zugeordnet sind, so verwendet z.b. FTP grundsätzlich den Port 20/TCP für Daten und 21/TCP für Steuerinformationen. Telnet verwendet Port 23 und für SMTP wird immer Port 25 genutzt. Die vollständige Liste der Portdefinitionen ist unter zu finden. Die IANA (Internet Assigned Numbers Authority) ist auch zuständig für die Vergabe registrierter Portnummern. 1.2 Packet Switching versus digitaler Festverbindung Heute werden für den Weitverkehrtransport von Mediadaten im Rundfunk meistens digitale Festverbindungen, Frame Relay oder Satellitenverbindungen verwendet: Leitungsarten mit in der Regel hoher Verfügbarkeit, konstanter Laufzeit und vernachlässigbarem Jitter. Sequenzfehler oder Paketverluste treten artbedingt gar nicht auf. Für den Dateitransfer und zunehmend auch für die Echtzeitübertragung im Bereich der Distribution und Contribution werden Internet-Dienste herangezogen. Der ORF begann mit der Realisierung des L-NETs bereits im Jahr 2001, also vor über sechs Jahren. Während auch danach der Schwerpunkt für die Echtzeit- übertragung so genannte Corporate Networks waren, die vollständig kontrolliert werden konnten, soll heute mehr und mehr auch das öffentliche Internet genutzt werden. Insbesondere durch die abnehmende Verfügbarkeit von ISDN müssen im Audiobereich vermehrt paketvermittelte Verbindungen genutzt werden, obwohl dies ursprünglich so nicht geplant war. Die Väter des Internet haben mit dem 1981 festgeschriebenen Internet Protocol einige Möglichkeiten hinzugefügt, die eine eingeschränkte Nutzung in Echtzeit ermöglichen, allerdings werden diese Eigenschaften heute auf Standardanschlüssen nicht unterstützt. So verfügt der IP Header über ein Type-of-Service Flag, welches zur Kennzeichnung der Priorität der enthaltenen Daten dient, allerdings werden diese Flags entweder von den Routern im Internet ignoriert oder gar zurückgesetzt. Der Grund dafür ist klar, würde das Type-of-Service Flag tatsächlich Wirkung zeigen, kann man sicher davon ausgehen, dass z.b. die Internet Gamer Community dies sehr schnell herausgefunden hätte und dann alle Internet Spiele mit priorisierten Datagrammen arbeiten würden. Um Mediadaten zuverlässig über ein paketvermitteltes Netz übertragen zu können, sind bestimmte Voraussetzungen zu erfüllen: Latenz, Jitter und Verfügbarkeit des Netzes müssen sich in einem bekannten und der Anwendung entsprechenden Rahmen bewegen. Die für die Signalübertragung erforderliche Bandbreite muss zu jedem Zeitpunkt zur Verfügung stehen, außerdem muss bekannt sein, ob Sequenzfehler, also Fehler in der Reihenfolge der eintreffenden Datagramme auftreten können. Es sind für einen gesicherten Betrieb geeignete Hilfsmittel einzusetzen; der maximale Jitter legt die Größe eines Kompensationspuffers auf der Empfangsseite fest. Mögliche Paketverluste können durch den Einsatz eines Forward Error Correction Verfahrens (FEC) ausgeglichen werden. Sequenzfehlern wird durch den Einsatz eines geeigneten Protokolls auf der Transportschicht entgegengewirkt (RTP, Realtime Transport Protocol), s. Abbildung 2. Der Einsatz all dieser Massnahmen hat allerdings eine teilweise erhebliche Auswirkung auf die Latenz der Übertragungsstrecke. Ein weiterer wesentlicher Unterschied zu digitalen Direktverbindungen stellt der durch die verschiedenen Protokoll-Header bedingte Overhead einer paketvermittelten Verbindung dar

9 Abb. 2 Data Encapsulation Application Layer Transport Layer Internet Layer Network Layer Ethernet IP TCP/UPD RTP Header Header Header Header Header Application Data So werden pro Datagramm in einem Ethernet 18 Byte für den IEEE802.3 Header plus 8 Byte für dessen Präambel benötigt. Der IP Header belegt 20 Byte, der UDP Header weitere 8 Byte und ein ggfs. verwendeter RTP Header nochmals 12 Byte. Insgesamt werden 66 Byte Header Daten pro RTP Datagramm übertragen. Wird nun z.b. in einem RTP Datagramm Abb. 3 Segments hinaus, z.b. über ein Gateway ist nicht möglich, da keine logische Adresse vorhanden ist. Auch, wenn die MAC-Adresse des anderen Teilnehmers in einem anderen Netzwerk Segment bekannt wäre, so können die Router keinen Pfad dorthin ermitteln, da zumindest die logische Adresse des fernen Netzwerksegments fehlt. IP Overhead in % e.g. (MPEG Layer3, 48 KHz. packet size = 180 Bytes) 30% 25% 20% 23,7% 19,7% 23,96% 19,17% jeweils genau ein MPEG 2 Layer 3 Audioframe mit 16 khz Samplerate und einer Bitrate von 24 kbit/sec transportiert (48 Byte), wird für den Transport eines 24 kbit/s Signals eine Bandbreite von 57 kbit/s benötigt. Wird statt des MPEG2 Layer 3 jetzt MPEG4 AAC verwendet ist eine genaue Berechnung der tatsächlich benötigten Transport Bandbreite aufgrund der signalbedingt wechselnden Länge der Audioframes nicht mehr möglich, da nicht vorherzusehen ist, in welchem Verhältnis Nutzdaten zu Header Overhead stehen. IP Overhead 15% 10% 5% 15,97% 15,97% 13,69% 13,69% 11,98% 9,58% MPEG L3 UDP 7,99% fs=48 khz 6,85%5,99% Bit rate = 256 Kbit/s 4,79% Frame length = 256 (bit rate) /48 (sample rate) * 144 (Byte) = 768 Byte IP Overhead = ((768 Byte + 46 Byte)/768 Byte 1) * 100 % = approx. 6 % Bitrate in Kbit/s Um die Auswirkungen des Protokoll Overheads zu verringern, können ggfs. mehrere Audioframes pro Datagramm zu Lasten der Latenz übertragen werden, da auf der seite die notwendige Menge an Audioframes zuerst gesammelt werden muss. Für das oben erwähnte MPEG 2 Layer 3 Signal würde dies bedeuten, dass bei optimal genutzter Payload insgesamt 30 komplette Audioframes pro Datagramm transportiert werden würden. Jeder Audioframe enthält 576 Sample und damit bei einer Abtastrate von 16 khz 36 msec Audio. Somit entsteht eine zusätzliche Latenz 1044 msec, s. Abbildung 3. Eine andere Möglichkeit, den Protokoll Overhead zu reduzieren, ist es, IP, UDP und RTP Header einfach wegzulassen, ein Verfahren, dass sich Techniken wie Ethersound und Cobranet zu Nutze machen. Hier werden die Mediadaten als Payload der IEEE802.3 Pakete übermittelt. Da aber die IP-Adressen fehlen, können nur Netzteilnehmer innerhalb des eigenen Netzwerksegments über die MAC-Adressen identifiziert werden. Eine Übertragung über die Grenzen des IP Overhead 0% IP Overhead in % 20% 15% 10% 5% 0% e.g. apt-x (16 bit only) / Eapt-X, UDP 25% 23,96% 23,96% 23,96% 23,00% 11,06% 16 bit Mono 10,27% 19,17% 11,50% 11,50% 10,65% 23,96% 9,58% 4,49% 4,49% 4,42% 4,42% 4,36% 4,36% 16 bit Stereo 20 bit Mono 20 bit Stereo 24 bit Mono 24 bit Stereo at packet size 180 at packet size 390 at packet size 1024 apt-x /Eapt-X,fixed block size, Resolution = 20 Bit Stereo Payload = (180 [packet size] / 80 [block size] rounded up to the next integer) * 80 = 240 Byte IP Overhead = ((240 Byte + 46 Byte)/240 Byte 1) * 100 % = approx. 19,7 % 12 13

10 2 Audio Codierung für IP: Verzögerungszeit versus Bitrate Im Rundfunk wurden während der letzten fünfundzwanzig Jahre verschiedene Codierverfahren eingeführt, wie z.b. J.41, J.57, MPEG Layer 2 und 3, sowie auch nicht standardisierte Verfahren wie z.b. apt-x, Eapt-X oder ADPCM4SB (Micda). Aufgrund unterschiedlicher Anforderungen wird dem Betreiber die Wahl der korrekten Bitrate, Betriebsart und Abtastrate nicht leicht gemacht wird. Erschwerend ist, dass viele weitere Verfahren in den letzten Jahren hinzugekommen sind. Neben den oben genannten Formaten werden die aus der Telefonie bekannten G.711 und G.722 im Rundfunk ebenso eingesetzt wie die sich seit ca. 5 Jahren sehr erfolgreich verbreitenden AAC Varianten, wie MPEG 2 und 4 AAC, HE AAC (früher aacplus), HE AACv2, AAC ELD*, sowie auch lineares Audio oder AES/ EBU transparent zur Anwendung; alles Formate mit vielen möglichen Abtastund Bitraten, manche nur mono und stereo, manche per Definition auch in dual mono, joint stereo oder in 5.1/7.1 Technik. Im Rahmen der Entwicklung von Codierverfahren wird auf die Optimierung der Parameter Bitrate, Qualität, auch nach mehrfacher En-/Decodierung (Kaskadierbarkeit), Verzögerungszeit und Kompatibilität Wert gelegt. Die hier beschriebenen Verfahren lassen sich auch dahingehend klassifizieren. Während zum Beispiel HE AACv2 ausschließlich zur Reduktion der Bitrate bei gleichzeitiger sehr guter Tonqualität entwickelt wurde, so stand bei apt X die möglichst geringe Verzögerungszeit im Vordergrund. Zunehmend kommen aufgrund der mehr und mehr zur Verfügung stehenden Bandbreite auch lineare Übertragungsverfahren, wie 16, 20 oder 24 Bit lineares Audio oder sogar gleich die transparente Übertragung des gesamten 3,072 MBit/s AES/EBU Signals in Betracht. Hier steht die Qualität und die Verzögerungszeit im Vordergrund, was natürlich zu Lasten der Bandbreite geht. Genaue Untersuchungen zum Marktanteil der verschiedenen Codierverfahren im Rundfunk gibt es nicht. Man geht jedoch allgemein immer noch von einer Dominanz des MPEG Layer 2 und G.722 aus, wobei Verfahren, wie lineares Audio, das 4SB ADPCM Verfahren, apt-x und Enhanced apt-x, sowie der MPEG 4 Standard HE AAC und HE AACv2 bei entsprechenden Anwendungen zunehmen, letzterer sehr deutlich. *work item of MPEG 14 15

11 Eine ausführliche Diskussion muss eine Darstellung der Verfahren hinsichtlich Qualität, Flexibilität, Bandbreite, Verzögerungszeiten, Kompatibilität, Standardisierung, Marktanteil und aussichten beinhalten. Tatsächlich gibt es für nahezu jedes Verfahren eine optimale Anwendung. 2.1 G.711 Ein der grundlegenden Standards der ITU-T. G.711 erlaubt Digitalisierung von Audio in Mono mit einer Abtastrate von 8 khz. Damit wird der Bereich zwischen 300 und 3400 Hz codiert. Übertragen wird mit 64 Kbit/s in Europa und mit 56 Kbit/s in Nordamerika. G.711 wird vor allem in der klassischen Telefonie verwendet. Bei IP-Übertragungen kann das Format, dann zum Einsatz kommen, wenn ein herkömmliches Telefon über VoIP erreicht werden muss. Bei der Codierung ins G.711 entsteht keine bemerkbare Verzögerungszeit. 2.2 G.722 Ein weiterer Standard der ITU-T. Im Vergleich zu G.711 bietet G.722 eine höhere Audioqualität, indem das Signal mit 16 khz abgetastet wird. Dennoch wird es mit 64 Kbit/s (z.b. über ein ISDN B-Kanal) übertragen. Ähnlich wie bei G.711 entsteht bei der G.722 Codierung keine bedeutende Verzögerung. Es gibt zwei verschiedenen Methoden, um Audiocodecs mit G.722 zu synchronisieren. G.722 mit H.221 Inband-Signalisierung (G.722/H.221): Bei G.722/H.221 werden 1,6 kbit/s des 64 kbit/s B-Kanals für das Versenden von Inbandinformation verwendet. Diese Inbandinformation wird zur Synchronisation des Audiodatenstroms verwendet. G.722 mit statistischer Synchronisation (G.722/SRT): Bei G.722/SRT (SRT = Statistical Recovery Timing) wird durch statische Untersuchung der Byteanfang gefunden. Hierbei ist zu beachten, dass dies nur bei wirklichen statistische Signalen wie Musik oder Sprache funktioniert, nicht aber bei Sinustönen. 2.3 MPEG Layer 2 Bis jetzt bleibt der Anfang 1990-er Jahre standardisierte Algorithmus ein sehr verbreitetes Codierverfahren für qualitative Audioübertragung über verschiedene Netzwerke im Rundfunkbereich. Im wesentlichen tragen zur Popularität des Formats seine für ein verlustbehaftetes (psychoakustisches) Codierverfahren relativ hohe Kaskadierbarkeit und die breite Unterstützung in diversen Soft- und Hardware Audiocodecs der früheren Generationen bei. MPEG Layer 2 erlaubt die Datenraten von 8 bis 384 Kbit/s, Zielbitrate für Stereo ist 256 Kbit/s 2.4 MPEG Layer 3 Viel mehr als mp3 bekannt, wird dieses Format auch verwendet. Zum Beispiel wenn kleinere Datenraten gefordert sind, als die, die mit MPEG Layer 2 bei einer gewünschten Audioqualität erreichbar sind. MPEG Layer 3 erlaubt die Datenraten von 8 bis 320 Kbit/s. Zielbitrate für Stereo liegt zwischen 128 und 192 Kbit/s 2.5 MPEG 4 HE AAC HE AAC ist eine Weiterentwicklung von AAC unter Verwendung der SBR-Technologie von Coding Technologies ( ). AAC, das innerhalb MPEG2 und 4 standardisierte Verfahren zählt zu den qualitativ hochwertigsten Codieralgorithmen mit der Zieldatenrate von 128kBit/s. Viele Anwendungen benötigen so geringe Bitraten, die von AAC nicht mehr mit hoher Qualität encodiert werden können. Deshalb hat man bei Coding Technologies, einer schwedisch-deutschen Kooperation, eine Technologie namens SBR, der so genannten Spectral Band Replication entwickelt, die genau hier entgegenwirkt und nun erlaubt, AAC auch bei niedrigen Bitraten, z.b. 32, oder 48kBit/s joint stereo zu verwenden. Dabei werden über 90% der verwendeten Bitrate weiterhin für die klassische AAC-Codierung und nur ein sehr kleiner Teil (<4kBit/s) für die SBR-Information verwendet. Der konventionell codierte AAC-Teil der Codierung wird mit halber Abtastrate, also 16, oder 24kHZ durchgeführt. Dies resultiert in einer Erhöhung der Codiereffizienz, 16 17

12 Die Verbindung von SBR und AAC ist ein qualitativ hochwertiges Format. Man verabschiedet sich zwar vom Anspruch der Transparenz, da die Frequenzen oberhalb 7, bzw. 8 khz nicht mehr transparent übertragen werden, man erreicht jedoch mit wesentlich niedrigeren Bitraten eine CD-ähnliche Qualität. CD-ähnlich heißt im Fall von HE AAC sehr gut, was sich insbesondere durch die mittlerweile sehr weite Verbreitung dieses Formats im Rundfunk, aber auch bei Übertragungssystemen zeigt. Da SBR die Bitrate generell um ca % optimiert hat HE AAC eine Zieldatenrate von 48 kbit/s für Stereosignale. In Verbindung mit einer sogenannten parametric stereo Codierung heißt das Verfahren HE AACv2 und es werden auch die für das stereofone Bild notwendigen Daten parametrisiert übertragen. Die Zieldatenraten gehen damit sogar auf 16, 20 und 24 kbit/s. 2.6 apt-x und Enhanced apt-x Apt-X wurde erstmalig 1990 als Tonübertragungsverfahren mit sehr kurzer Verzögerungszeit bekannt und hat sich seit dem als de-facto Industriestandard insbesondere in privaten Produktionsstudios hervorgetan. Die Stärken liegen in der hohen Tonqualität verbunden mit sehr kurzen Verzögerungszeiten. Es kommt die ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation) zum Einsatz, die bei den verwendeten Datenraten selbst bei mehreren En-/Decodier- Prozessen, der so genannten Kaskadierung noch eine sehr gute Qualität hat. Die theoretische Verzögerungszeit liegt bei 3ms mit eine Abtastrate von 48kHz. Der Algorithmus ist bei vielen Abtastraten einsetzbar und wurde erst kürzlich um den sogenannten Enhanced apt-x Algorithmus erweitert. Enhanced apt-x bringt eine signifikante Verbesserung, speziell bei der Verzögerungszeit und dem Dynamikumfang, da hier Abtastwerte mit einer Wortbreite von bis zu 24 Bit verarbeitet werden. Schlüsselfunktionen sind: 4:1:4 Datenreduktion Mono/stereo audio encoder/decoder Flexible Abtastrate bis zu 96kHz Zusatzdaten bis zu 12kbit/s 2.7 Lineares Audio und AES/EBU transparent Mit zunehmender Verfügbarkeit an Bandbreite kommen auch die Übertragung von linearem Audio und AES/EBU Transparent in Betracht. Unter linearem Audio versteht man ein PCM Signal mit einer bestimmten Wortbreite von 16, 20 oder 24 Bit sowie einer festgelegten Abtastrate von im Rundfunk stets 48 oder 96kHz. Die resultierende Bitrate beträgt bei einem Stereosignal demnach zwischen 1,5 bis 4,5 MBit/s. Bei der Übertragung von AES/EBU Transparent geht es darum, dass im AES/ EBU Signal auch encodierte Datensignale wie Dolby E oder DTS, etc. enthalten sein können und dieses Signal keiner Abtastratenkonvertierung unterzogen wird, da ansonsten die encodierte Datensignale irreversible manipuliert wären. Die Datenrate des AES/EBU Signals beträgt 3,072 MBit/s. Sollen Mehrkanalsignale, z.b. 5.1 oder 7.1 übertragen werden erhöhen sich die Bitraten entsprechend. 2.8 Mehrkanalton Die Encodierung von 5.1 oder 7.1 Mehrkanalsignalen wird von vielen Audioformaten unterstützt. Hervorzuheben sind HE AAC mit sehr effizienter Codierung und geringen Bitraten bis 128 kbps, Eapt-X mit diskret encodierten Signalen und Bitraten von 1-2 Mbit/s sowie linearen Formaten mit Bitraten bis zu 18 MBit/s. apt-x ist heute eines der weltweit verbreitetsten Systeme für kurze Verzögerungszeiten

13 !UDIO #ODIER &ORMATE!BTASTRATEN IN K(Z!UDIO #ODIER &ORMATE 1UALITÊT UND,ATENZ ' ' S G ' ' SEHR GERING -0%',AYER -0%',AYER -0%',AYER -0%',AYER -0%',AYER -0%',AYER -0%',AYER -0%',AYER -0%',AYER -0%',AYER MS VARIABEL BIS K(Z MP 02/ MP 02/ MS VARIABEL BIS K(Z -0%'!!# -0%'!!# -0%'!!#,$ -0%'!!#,$ -0%'!!# (%V -0%'!!# (%V * * SEHR GERING K(Z!$0#- 3" -)#$!!$0#- 3" -)#$! SEHR GERING K(Z %APT 8 APT 8 %APT 8 APT 8 SEHR GERING * * SEHR GERING,INEAR!UDIO,INEAR!UDIO SEHR GERING!%3 %"5 4RANSPARENT!%3 %"5 4RANSPARENT!!# UND!!# (%V!!# UND!!# (%V +ANAL LINEAR!UDIO +ANAL LINEAR!UDIO SEHR GERING VARIABEL K(Z MÚGLICH +ANAL APT 8 %APT 8 +ANAL APT 8 %APT 8 SEHR GERING VARIABEL K(Z MÚGLICH PROPRIETÊRE %RWEITERUNG VON &RAUNHOFER K(Z K(Z MS VARIABEL BIS K(Z MS VARIABEL BIS K(Z MS VARIABEL BIS K(Z MS VARIABEL BIS K(Z MS VARIABEL BIS K(Z MS VARIABEL BIS K(Z MS VARIABEL BIS K(Z VARIABEL K(Z MÚGLICH K(Z VARIABEL K(Z MÚGLICH MS VARIABEL BIS K(Z PROPRIETÊRE %RWEITERUNG VON &RAUNHOFER Audio Codier Formate: Bitraten in kbit/s *proprietäre Erweiterung von Fraunhofer 20 21

14 3 IP als Plattform moderner Media- und Telekom Netze 3.1 Voraussetzungen für Mediatransport / Echtzeit Fähigkeiten nachgerüstet Während klassische Broadcasting-Angebote aus ökonomischer Sicht eine möglichst große Reichweite anstreben, werden Streaming-Media-Angebote mit wachsender Teilnehmerzahl teurer, denn die Daten müssen an jeden Empfänger einzeln versendet werden. In der Netzwerktechnik ist zwar der Multicast-Modus bekannt, bei dem ein vom Streaming-Server ausgehender Datenstrom bei geringer Netzbelastung gleichzeitig an verschiedene Empfänger gesendet werden kann; dieser wird jedoch bis heute praktisch nicht benutzt, weil ihn viele Router im Internet nicht unterstützen. Statt dessen werden für Streaming-Angebote mit einem Massenpublikum (z. B. Übertragungen der Fußballbundesliga, grosse Events, etc.), so genannte Overlay- Netze genutzt, welche die zu übertragenden Daten netztopologisch betrachtet an vielen Orten gleichzeitig zur Verfügung stellen. Hochqualitatives Streaming setzt als Transportprotokoll das RTP/RTCP- Protokoll voraus. Dieses Protokoll ist die Grundlage für alle echtzeitfähige Übertragungen. Zur Steuerung von Streaming- Inhalten existieren die Protokolle SIP, SAP, RTSP, HTTP. Diese Protokolle werden über unterschiedliche Ports angesprochen und stellen entsprechende Steuerungsfunktionen zur Verfügung, greifen aber wiederum gemeinsam auf das RTP-Protokoll zum Austausch von Informationsinhalten zurück. Abb. 5 RTP/TCP: Protokoll-Architektur Applikation () Applikation (Empfänger) RTCP Feedback RTCP Encoder RTP Data RTP Decoder 22 23

15 4 Wählverbindungen im Public Internet 4.1 ISDN SIP ein Vergleich Beim Verbindungsaufbau in einem verbindungsorientierten Netz (z.b. ISDN) wählt der Initiator seinen Kommunikationspartner an, woraufhin dem Netz der Verbindungswunsch angezeigt wird. Das Netz akzeptiert diesen Wunsch, falls es über genügend Kanäle oder entsprechende Bandbreite verfügt, indem es eine Belegungsquittung zurücksendet und reserviert den Kanal bzw. die Bandbreite. Da ein solches Netz klassischerweise in mehrere Netzabschnitte unterteilt ist, wird ein Belegungswunsch und die Quittung zwischen jedem Netzabschnitt mit dem darauffolgenden ausgetauscht. So kann der Verbindungswunsch aus einem Lokalnetz in Regionalnetze und das Weitverkehrsnetz gelangen oder wird sogar zwischen nationalen Weitverkehrsnetzen ausgetauscht. Wird der angerufene Kommunikationspartner gefunden und ist er in der Lage die Verbindung anzunehmen, so werden die Kommunikationspartner direkt über die reservierten Kanäle verbunden. Das Telekommunikationsnetz ist, um diesen Mechanismus effizient umzusetzen, in zwei Netze unterteilt: das Zeichengabe- (Signalisierungs-)Netz und das Nutzkanalnetz. Während über das Signalisierungsnetz alle zum Kommunikationsaufbau notwendigen Nachrichten geschickt werden, besteht das Nutzkanalnetz aus frei schaltbaren (Nutz-) Datenkanälen, die bei ISDN eine Übertragungsgeschwindigkeit von 64 kbit/s haben. Mit der flächendeckenden Verbreitung von paketbasierten Netzen in höherer Bandbreite entstehen nun für viele Dienste Möglichkeiten auf diese Netze überzusiedeln. Ein Netz, das mit reiner Datenübertragung und Nachrichtenaustausch wie z.b. über angefangen hat, ermöglicht jetzt dank hinreichender Kapazitäten auch Dienstleistungen wie Fernsehen, Radio und Telefonie. Voice over IP ist der designierte Nachfolger des heutigen Telefonnetzes. Im Gegensatz zu ISDN werden in paketorientierten Netzen Datenpakete von den Endstellen mit Ursprungs- und Zieladresse versehen und spontan, d.h. ohne vorherigen Verbindungsaufbau versendet. Um in einem solchen nicht verbindungsorientierten Netzwerk ein Wählverbindungen zu ermöglichen, wurde das Session Initiation Protocol (IP) entwickelt. Obwohl die Verbindungssteuerung von SIP sehr an das D-Kanal Protokoll bei ISDN erinnert, wurde es nicht von einer Telekommunikationsbehörde, sondern von der Internet Engineering Task Force 24 25

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