Kapitel 6: Broadcast-Systeme. Mobilkommunikation. Unidirektionale Verteilmedien DVB DAB. High-Speed Internet. Architektur Container

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1 Mobilkommunikation Kapitel 6: Broadcast-Systeme Unidirektionale Verteilmedien DAB DVB Architektur Container High-Speed Internet Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS02 6.1

2 Unidirektionale Verteilmedien Asymmetrische Kommunikationsumgebungen durch Bandbreitenbeschränkungen des Übertragungsmediums durch Art der Informationen oder Einsatzgebiet Beispiele: Drahtlose Netzwerke mit Basistation und Mobilteilnehmern Client-Server Umgebungen (Diskless Terminal) Kabelfernsehen mit Set-Top-Box Informationsdienste (Pager, SMS) Extremfall: Unidirektionalen Verteilmedien hohe Bandbreite vom Server zum Client (downstream), aber kein Rückkanal (upstream) Probleme des Rundsendemediums: Die zu übertragende Information kann nur für eine einzige virtuelle Benutzergruppe optimiert werden Hilfsmittel für Zugriff müssen geliefert werden, die eine angemessene Berücksichtigung des individuellen Zugriffsverhaltens erlauben Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS02 6.2

3 Unidirektionale Verteilkommunikation Dienstgeber Dienstnehmer A B Empfänger A Sender A B unidirektionales Verteilmedium A A B B A A Empfänger... Empfänger Optimiert für erwartetes Zugriffsverhalten aller Dienstnehmer Individuelles Zugriffsverhalten eines Dienstnehmers Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS02 6.3

4 Strukturierungskonzept Sendeseite zyklische Wiederholung der Daten Verschiedene Sendefolgen der Daten (Wissen über Inhalte notwendig um eine Optimierung zu erreichen) flat disk A B C A B C skewed disk A A B C A A multi-disk A B A C A B Empfängerseite Einsatz von Caching-Algorithmen kostenbasierte Strategie: Welche Kosten (Wartezeit) entstehen, wenn ein Datenobjekt angefordert wird und sich nicht im Cache befindet? Anwendung bzw. Cache benötigt Wissen über Art der übertragenen Datenobjekte und Zugriffsprofil des Nutzers Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS02 6.4

5 DAB: Technische Spezifikation Ausstrahlungsverfahren COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex) SFN (Single Frequency Network) 192 bis 1536 Unterträger innerhalb eines 1,5 MHz Frequenzblocks Frequenzen Erste Bedeckung: einer von 32 Blöcken im Bereich der Fernsehkanäle 5 bis 12 ( MHz, 5A - 12D) Zweite Bedeckung: einer von 9 Blöcken im L-Band ( ,5 MHz, LA - LI) Sendeleistung: 6,1 kw (VHF, Ø 120 km) bzw. 4 kw (L-Band, Ø 30 km) pro Gleichwellennetz Datenrate: 2,304 MBit/s (netto 1,2 bis 1,536 MBit/s) Modulation: Differentielle 4-Phasenmodulation (QPSK) Audio-Programme pro Frequenzblock: typisch 6, max. 192 kbit/s Digitale Dienste: 0,6-16 kbit/s (PAD), 24 kbit/s (NPAD) Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS02 6.5

6 Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) Daten parallel auf mehreren parallelen (orthogonalen) Unterträgern mit geringerer Rate übertragen c k 3 f t Maximum einer Trägerfrequenz liegt im Frequenzbereich genau auf den Nullstellen aller anderen Trägerfrequenzen Überlagerung der Frequenzen im selben Frequenzbereich Amplitude Unterträger: SI-Funktion= sin(x) x f Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS02 6.6

7 OFDM II Eigenschaften Geringere Datenrate auf den Unterträgern geringere ISI Störungen einer Frequenz führen nur zu Störungen auf einem Unterträger Kein Schutzabstand notwendig Orthogonalität erlaubt Trennung des Signals auf Empfängerseite (IFFT) Genaue Synchronisation von Sender und Empfänger notwendig Vorteile Keine Entzerrer (Equalizer) notwendig Keine (steilflankigen) Filter notwendig Bessere spektrale Effizienz (im Vergleich zu Codemultiplex) Anwendung a, HiperLAN2, DAB, DVB, ADSL Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS02 6.7

8 Reale Umgebungen ISI aufeinanderfolgernder Symbole durch Mehrwegeausbreitung Symbol muss während der Analyse für T nutz konstant sein Guard-Intervall (T G ) wird jedem Symbol vorangestellt (HIPERLAN/2: T G = 0,8 µs; T nutz = 3,2 µs; 52 Unterträger) (DAB: T nutz = 1 ms; bis 1536 Unterträger) Impulsantwort Ausschwingen OFDM-Symbol Einschwingen OFDM-Symbol OFDM-Symbol OFDM-Symbol OFDM-Symbol OFDM-Symbol Analysefenster t T G T nutz T G T nutz T G Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS02 6.8

9 Flächendeckung von DAB Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS02 6.9

10 DAB-Transportmechanismen MSC (Main Service Channel) übertragt alle Nutzdaten (Audio, Multimedia,...) besteht aus mehreren CIF (Common Interleaved Frames) jeder CIF ist bit groß und wird alle 24 ms übertragen (je nach Übertragungsmodus unterschiedlich)a CIF enthält CU (Capacity Units) von 64 bit Größe FIC (Fast Information Channel) überträgt alle Steuerdaten besteht aus FIB (Fast Information Block) jeder FIB ist 256 bit groß (inkl. 16 bit Prüfsumme) beschreibt Konfiguration und Inhalt des MSC Stream-Modus transparente Datenübertragung mit einer festen Datenrate Paket-Modus Übertragung einzeln adressierbarer Datenpakete Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

11 Übertragungsrahmen Rahmendauer T F Schritt T s Symbol T u Schutzzeit T d L L-1 L 0 1 Datensymbol Datensymbol Nullsymbol Referenzsymbol Datensymbol SC Synchronisation Channel FIC Fast Information FIC Channel MSC Main Service Channel Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

12 DAB-Signalerzeugung MSC Multiplexer Dienstinformation FIC Multiplex- Information DAB-Signal Träger f Datendienste Audiodienste Audio Encoder Packet Mux Channel Coder Channel Coder Transmitter Transmission Multiplexer OFDM Trägerfrequenz 1,5 MHz FIC: Fast Information Channel MSC: Main Service Channel OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

13 DAB-Empfänger Tuner OFDM- Demodulator (partial) MSC Channel Decoder Audio Decoder FIC Control Bus Steuerung Packet Demux Benutzerschnittstelle Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS Audiodienst Unabhängiger Datendienst

14 Audiocodierung Ziel: Audioübertragung in (annähernd) CD-Qualität weitgehende Immunität gegen Mehrwegeausbreitung minimale Verzerrung der Tonsignale bei schwächer werdendem Empfang Wird erreicht durch: Tonsignale digital abgetastet (PCM, 16 Bit, 48 khz, stereo) Kompression nach MPEG-Standard, Kompressionsrate 1:10 Einfügen von Schutzbits zur Fehlererkennung und Korrektur häufig Bündelfehler in der Funkübertragung, daher wird das Signal vor der Übertragung nach festem Schema verwürfelt. Bündelfehler werden so beim Empfänger zu korrigierbaren Einzelfehlern Geringe Schrittgeschwindigkeit, großer Symbolvorrat: Übertragung der digitalen Daten als Folge von langen Symbolen, getrennt durch Schutzintervalle. Durch Reflexionen verzögerte Symbole fallen in die Schutzintervalle Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

15 Bitratenmanagement DAB-Ensemble vereinigt Audioprogramme und Datendienste mit unterschiedlichen Ansprüchen an die Übertragungsqualität und die benötigen Datenraten. Der Standard ermöglicht es, den DAB-Multiplex dynamisch, also während des laufenden Programmbetriebes, zu rekonfigurieren. Datenraten können im Diensteensemble variabel gehalten werden. Freiwerdende Kapazitäten können dann für andere Angebote genutzt werden. Da das Bitratenmanagement technisch im Multiplexer vorgenommen wird, können zusätzlichen Angebote von unterschiedlichen Anbietern kommen. Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

16 Beispiel einer Rekonfiguration DAB - Multiplex Audio Kbit/s Audio Kbit/s Audio Kbit/s Audio Kbit/s Audio Kbit/s Audio Kbit/s PAD PAD PAD PAD PAD PAD D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 DAB - Multiplex - vorübergehend rekonfiguriert Audio Kbit/s PAD Audio Kbit/s PAD Audio Kbit/s PAD D10 D11 Audio Kbit/s PAD Audio Kbit/s PAD Audio 7 96 Kbit/s PAD Audio 8 96 Kbit/s PAD D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

17 Multimedia Object Transfer Protocol (MOT) Probleme: Empfangsgeräte mit stark unterschiedlichen Leistungsmerkmalen (Audio-Only-Gerät mit ein- bzw. mehrzeiligem LCD, Geräte mit angeschlossenem Schwarzweiß- oder Farbmonitor, PC-Karten). Unterschiedlichen Empfängertypen sollen alle Arten von programmbegleitenden wie programmunabhängige Datendiensten verarbeiten oder wenigstens erkennen können. Lösung: Einheitlicher Standard für die Datenübertragung. Ein wesentlicher Aspekt bei der Definition des MOT-Protokolls ist, dass damit Datenformate unterstützt werden, die auch in anderen multimedialen Systemen (Online-Dienste, Internet, CD-ROM) benutzt werden. So lassen sich etwa HTML-Dokumente aus dem WorldWideWeb mit relativ geringem Aufwand auch über DAB ausstrahlen. Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

18 MOT-Struktur MOT-Formate MHEG, Java, JPEG, ASCII, MPEG, HTML, HTTP, BMP, GIF,... Header core Länge von header und body, Inhaltsformat Header extension Body Angaben über die Bearbeitung des Inhalts (Abstand von Wiederholungen, Segmentierung, Priorität etc.) Information unterstützt Caching-Mechanismen beliebige Nutzdaten 7 byte header core header extension body DAB erlaubt vielfältige Wiederholungsmuster Objekte, Segmente, Paketköpfe Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

19 Digital Video Broadcasting 1991 Gründung der ELG (European Launching Group) Ziel: Entwicklung des digitalen Fernsehens in Europa 1993 Umbenennung in DVB (Digital Video Broadcasting) Ziel: Einführung des digitalen Fernsehens auf Basis von Satellitenübertragungstechnik Kabelübertragungstechnik zu einem späteren Zeitpunkt: Terrestrische Übertragung DVB-S Satelliten DVB SDTV EDTV HDTV Digital Video Broadcasting Multipoint Distribution System Integrated Receiver-Decoder DVB-C Kabel DVB-T Terrestrischer Empfang B-ISDN, ADSL,etc. DVD, etc. DVTR, etc. Multimedia PC Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

20 DVB Container DVB überträgt MPEG-2 Container Hohe Flexibilität bei der Übertragung digitaler Daten Keine Einschränkungen bzgl. der Art der Informationen DVB Service Information spezifiziert den Container-Inhalt NIT (Network Information Table): Fasst die Dienste eines Providers zusammen. Beinhaltet Zusatzinformationen für Set-Top-Boxen SDT (Service Description Table): Liste der Namen und Parameter für jeden Dienst in einem MPEG-Mux-Kanal EIT (Event Information Table): Statusinformationen der aktuellen Übertragung. Optional Zusatzinformationen für die Set-Top-Box TDT (Time and Date Table): Updateinformationen für die Set-Top-Box MPEG-2/DVB container HDTV MPEG-2/DVB container EDTV MPEG-2/DVB container SDTV MPEG-2/DVB container Einzelner Kanal high definition television Mehrere Kanäle enhanced definition Mehrere Kanäle standard definition Multimedia data broadcasting Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

21 Beispiel: High-Speed Internet Asymmetrischer Datenaustausch Downlink: DVB-Empfänger, Datenrate pro Anwender: 6-38 Mbit/s Rückkanal vom Anwender zum Dienstanbieter: z.b. Modem mit 9,6-56 kbit/s, ISDN mit 64 kbit/s, DSL mit einigen 100 kbit/s etc. Satellitenempfänger DVB/MPEG2 - Multiplex parallel zum digitalen TV PC Internet Standleitung Informationsanbieter Satellitenbetreiber DVB-S-Karte TCP/IP Dienstanbieter Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

22 Aktuelle Verbreitung der DVB-Standards Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

23 Konvergenz von Rundfunk und Mobilkommunikation Definition von Interaktionskanälen Interaktion mit/steuerung von Rundfunk via GSM, UMTS, DECT, PSTN, Beispiel: mobile Internet Dienste mit IP über GSM/GPRS oder UMTS als Interaktionskanäle für DAB/DVB TV/Rundfunk ISP TV MUX Internet DVB-T, DAB (TV plus IP-Daten) Rundfunk Daten Mobilnetzbetreiber Kanäle GSM/GPRS, UMTS (IP-Daten) mobiles Endgerät Interaktion Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS

24 Vergleich von UMTS, DAB and DVB Frequenzen [MHz] (abhängig von nationalen Regelungen) UMTS DAB DVB 2000 (terrestrial), 2500 (satellite) Regulierung Telekom., lizenziert , (UK) Rundfunk, lizenziert , (UK) Rundfunk, lizenziert Bandbreite 5 MHz 1,5 MHz 8 MHz Effektiver Durchsatz kbit/s (pro Nutzer) 1,5 Mbit/s (geteilt) 5-30 Mbit/s (geteilt) Mobilität Niedrig bis hoch Sehr hoch Niedrig bis hoch Anwendung Sprache, Daten Audio, push Internet, Bilder, einfaches Video Hochwertiges Video, Audio, push Internet Abdeckung Lokal bis regional regional/national regional/national Installationskosten für Flächendeckung Sehr hoch Niedrig Niedrig Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, MC SS