Review II: done.

Review (Aufteilung in PUs, URLs, captions) done.

Acronyme, Absätze und Wordanführungszeichen done.

Unbekannte Character ausgebessert.

@ Prof. Kosch: Review wurde nicht durchgeführt (da nicht im pdf) done.

Audio/Video Netzwerkanforderungen

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Hauptanforderungen

• Bit-Raten
• Übertragungsverzögerungsvariation (Jitter)
• Inter-media Synchronisation

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Hauptanforderungen

Die Hauptanforderungen bei der Übertragung von Audio und Video betreffen die Bit-Rate, den Jitter und die Inter-Media Synchronisation.

• Die Bitrate bezeichnet die Geschwindigkeit, mit der Daten übertragen werden. Die Bitrate wird in bit/s bzw. in den entsprechenden Zehnerpotenzen als kbit/s, Mbit/s, Gbit/s angegeben. Abhängig von den Anforderungen der zu übertragenden Daten können sie entweder mit CBR449 (konstante Bitrate), VBR450 (variable Bitrate) oder ABR451 (verfügbare Bitrate) übertragen werden. Diese drei unterschiedlichen Möglichkeiten werden in den nächsten Abschnitten näher erläutert.
• Als Jitter bezeichnet man Störungen im Zeitablauf eines digitalen Signals, die zu Verzerrungen führen können.
• Die Inter-media Synchronisaton bezieht sich auf die zeitlichen Beziehungen zwischen verschiedenen Medienobjekten. Ein Beispiel der zeitlichen Beziehung einer Multimedia-Synchronisation ist eine Audio-Video Sequenz, auf die eine Reihe von Bildern und eine Animation folgt, die von einer Audio-Sequenz kommentiert wird.

Bit-Raten

1

Arten von Bitraten

Traditionelle Echtzeit-Applikationen:

• konstante Bitrate (CBR449): zeitempfindlich
  • Telefon PABXs, CBR449 Videokonferenz System, ...

Traditionelle Massendaten-Applikationen:

• verfügbare Bitrate (ABR451): nicht zeitempfindlich
  • Dateiübertragung, Email

Modern/Interaktiv: Echtzeit-Applikationen:

• variable Bitrate (VBR450): zeitempfindlich
  • Audio/Video komprimiert
  • Fernzugriff

Anforderung an die Bitrate für Audio

Anforderungen an die Bitrate für Video

(1): zukünftig; aktuelle Implementationen: 4 bis 7
(2): zukünftig; aktuelle Implementationen: 6 bis 10

Welche Bit-Rate wird gebraucht?

Welche Bit-Rate wird gebraucht?

• Die originale Bitrate von digitalisiertem Ton entspricht nicht exakt der Netzwerk-Bitrate
• Netzwerk-Overheads inkl.:
  • Echtzeit Protokol (normalerweise RTP106) Header (12 Bytes)
  • Transport Protokol (normalerweise UDP141, 8 Bytes) Header
  • IP Paket Header (20 Bytes)
  • Beispiel:
    original G.711 64 Kb/s benötigt von 68 bis 80 Kb/s

Jedoch beinhaltet Sprache auch Pausen

Auto PC

Auto PDA_Phone

Sprechpausen

Monolog

• 15% Pause ist typisch

Auto PC

Auto PDA_Phone

Auto

Telefon Konversation zwischen zwei Parteien

• 20% Pause für die gesamte Konversation
• 60% Pause für jede Partei
• Werden die Pausen unterdrückt, so senkt sich die benötigte Bitrate im Vergleich zur Original-Bitrate um bis zu 40%

Auto PC

Auto PDA_Phone

2

Arten von Bitraten

Wie schon erwähnt, gibt es verschiedene Arten von Bitraten. Im folgenden werden beispielhaft die CBR449 (konstante Bitrate), ABR451 (verfügbare Bitrate) und VBR450 (variable Bitrate) erklärt. Es sind drei von fünf vom ATM-Forum (http://www.atmforum.com/) spezifizierte Service-Klassen.

• CBR449 ist für Echtzeitanwendungen gedacht, die keinerlei Toleranz gegenüber Bandbreite und Latenz sowie Paketverlust haben, wo also eine bestimmte Dienstgüte unbedingt gewährleistet sein muss. Hier wird der Applikation für die gesamte Übertragungsdauer eine konstante Bitrate zugeteilt. Die Service-Klasse CBR449 muss für zeitkritische Anwendungen verwendet werden, die eine garantierte, kontinuierliche Übertragungsrate erfordern (beispielsweise die Echtzeitübertragung von Sprache oder Video). Bei dieser Service-Klasse gibt es keine Nachsendung verlorengegangener Pakete, also keine Übertragungssicherung. Zum einen wäre dieses auch nicht sinnvoll, da mit nachgesendeten Paketen bei Video- oder Audio-Echtzeitanwendungen nichts anzufangen ist, zum anderen wird so der Verwaltungsaufwand beträchtlich gesenkt.
• Wie der Name ABR451 ("verfügbare Bitrate") schon sagt, ändert sich die Bitrate während der Übertragungsdauer. Die Daten werden mit der jeweils verfügbaren Bitrate übertragen. ABR451 eignet sich speziell für Verbindungen, die keine garantierte Übertragungsrate erfordern und demnach nicht zeitkritisch sind, wie z.B. die Dateiübertragung und E-Mail. Diese Service-Klasse wird von traditionellen Massendaten-Applikationen verwendet.
• Moderne Echtzeit-Applikationen verwenden zumeist eine variable Bitrate bei der Datenübertragung. Hier bewegt sich die Bitrate innerhalb bestimmter Grenzen. VBR450 ist für Verbindungen geeignet, bei denen eine bestimmte Untergrenze bei der Übertragungsrate eingehalten werden muss, die jedoch bestimmte Schwankungen bezüglich der oberen Übertragungsrate und somit auch zeitweilige Übertragungsspitzen zulassen. Das ATM-Forum hat für die Datenübertragung mit variabler Bitrate zwei Servicetypen definiert: die Übertragung in Echtzeit (VBR/rt) und die Übertragung in Nicht-Echtzeit (VBR/nrt). Beide Servicetypen unterstützen Datenverkehr mit variabler Bitrate. Bei der Echtzeitübertragung ist allerdings die strikte Einhaltung der Zeitsynchronisation bei mittleren Verkehrsströmen und bei Spitzenlast erforderlich, da diese für die Übertragung von Sprache und Video benutzt wird. Bei der Übertragung in Nicht-Echtzeit wird eine veränderliche, aber vorhersagbare Verzögerung toleriert. VBR450 in Echtzeit ist ideal für die Übertragung von komprimierter Sprache und interaktiven multimedialen Anwendungen. Auch bei VBR/rt gibt es wie bei CBR449 keine Übertragungssicherung. Die Nicht-Echtzeit-Version von VBR450 ist optimal für die Übertragung von kritischen Daten, da hier die Übertragung auch gesichert ist.

Anforderung an die Bitrate für Audio

Anforderung an die Bitrate für Audio

Auto

Die obige Tabelle zeigt die Anforderungen an die Bitrate für verschiedene Audio-Applikationen.
Für Telefonverbindungen liegt die benötigte Bitrate zwischen 64 und 5 kbit/s. Unkomprimierte Standard Telefon Qualität, welche mit der ITU-Empfehlung G.711 PCM38 (Pulscodemodulation: Verfahren der Signalformkodierung, welches analoge Signale in digitale umwandelt) kodiert wurde, benötigt eine Bitrate von 64 kbit/s.
Die Empfehlung der CCITT453 G.721 beschreibt ein Verfahren zur Kompression von typischen 64 kbit/s-Audiosingalen auf 32 kbit/s. Es wird allgemein Adaptive Differential Pulsecodemodulation (ADPCM100) genannt.
Mit dieser Technik komprimierte Standard Telefon Qualität benötigt wie oben erwähnt eine Bitrate von 32 kbit/s.
Daten von verbesserter Telefon Qualität, welche mit G.722 kodiert wurden, benötigen bei der Übertragung eine Bitrate zwischen 48 und 64 kbit/s.
Unter der Bezeichnung G.722 ist das Prinzip der Teilbandkodierung bekannt. Diese arbeitet nach dem Prinzip der Signalformkodierung und zerlegt das Ausgangssignal in verschiedene Frequenzbereiche, die getrennt voneinander mit differentieller Pulscodemodulation (DPCM103) kodiert werden. Bei differentieller PCM wird eine Datenreduktion durch die Übertragung der Differenz zwischen Vorhersagewert und dem tatsächlichen Abtastwert erreicht.
Verminderte Telefon Qualität wird oft CELP452-kodiert (Code-Excited Linear Prediction) übertragen. Bei CELP452 wird nicht das eigentliche Signal übertragen, sondern nur ein "Code" mit geringerer Bandbreite. Ein Codec-Typ, der dieses Verfahren nutzt ist G.728 mit einer Bitrate von 16 Kbit/s.
Mittels GSM (Global System for mobile Communication) übertragene Telefongespräche benötigen eine Bitrate bei der Übertragung von 13 Kbit/s.

Die Bitrate bei der Speicherung auf CD liegt je nach Qualität zwischen 1441 und 192 Kbit/s. Eine Konsument Audio-CD (Stereo) nach dem CD-DA-Standard (Digital Audio CD) benötigt eine Bitrate von 1441 Kbit/s.
Eine MPEG Audio-CD,welche mit FFT417 (Fast Fourier Transformation) komprimiert wurde, benötigt zwischen 192 und 256 Kbit/s.
Eine MPEG Audio-CD mit Tonstudio-Qualität, welche mit FFT417 komprimiert wurde, benötigt 384 Kbit/s.

Anforderungen an die Bitrate für Video

Anforderungen an die Bitrate für Video

(1): zukünftig; aktuelle Implementationen: 4 bis 7
(2): zukünftig; aktuelle Implementationen: 6 bis 10

Auto

Obige Tabelle zeigt die Anforderungen an die Bitrate für Video abhängig von der Darstellungsqualität.
Mit dem Standard H.261, welcher von der CCITT453 (Commité Consultatif Internationale Télégrafique et Téléfonique) entwickelt wurde, können Videos mit Videokonferenz Qualität mit einer Bitrate von 0,1 Mbit/s in komprimierter Form übertragen werden.
Mit MPEG31-1 Standard kodierte Videos mit VCR Qualität benötigen eine Bitrate von 1,2 Mbit/s und werden komprimiert übertragen.
Broadcast Qualität wird mit MPEG31-2 erreicht. Ein so kodiertes Video benötigt mit den heutigen Implementationen eine Bitrate zwischen 4 und 7 Mbit/s, mit zukünftigen Implementationen wird die Bitrate auf 2 bis 4 Mbit/s gesenkt werden können.
Die Übertragung von digitalem TV in Studio Qualität benötigt in unkomprimierter Form nach ITU-R 601 (internationale Videonorm um Videosignale zu digitalisieren) eine Bitrate von 166 Mbit/s. Mittels MPEG31-2 kodiert senkt sich die benötigte Bitrate auf 6 bis 10 Mbit/s. Mit aktuellen Implementierungen in MPEG-4 kann sie weiter auf 3 bis 6 Mbit/s gesenkt werden.
Die unkomprimierte Übertragung von HDTV307 (High Definition Television) nach dem CD-DA Standard benötigt 2000 Mbit/s, mittels MPEG31-2 komprimiert benötigt sie nur mehr eine Bitrate von 25 bis 34 Mbit/s.

Welche Bit-Rate wird gebraucht?

Auto PC

Auto PDA_Phone

Auto

Die Ausgangs-Bitrate der zu übertragenen Daten entspricht nicht genau der Netzwerk-Bitrate bei der Übertragung. Das liegt daran, dass die einzelnen Pakete, in welche die Daten zur Übertragung unterteilt werden, noch um die Header der verschiedenen Übertragungsprotokolle ergänzt werden müssen (siehe Abbildung). Das ist nötig, damit die Daten an den Empfänger gesandt werden und damit dieser in der Lage ist, sie auch richtig auszuwerten.
Die benötigten Protokolle sind ein Echtzeitprotokoll (normalerweise RTP106), ein Transportprotokoll (normalerweise UDP141) und das Internetprotokoll (IP). Ein RTP106 Header benötigt 12 Byte, ein UDP141 Header besteht aus 8 Byte und der IP Header aus 20 Byte.

Zum Beispiel bei Audiodaten, die mit der G.711 Technik komprimiert werden, benötigen die Ausgangsdaten, wie schon erwähnt eine Bitrate von 64 Kb/s. Durch das Hinzufügen der einzelnen Protokoll-Header wird bei der Übertragung allerdings eine Bitrate von 68 bis 80 Kb/s gebraucht.

Jedoch beinhaltet die Sprache auch Pausen. Durch eine Unterdrückung der Pausen kann die benötigte Bitrate wieder gesenkt werden. Betrachten wir dieses Phänomen näher.

Sprechpausen

Auto PC

Auto PDA_Phone

Auto

Hält eine Person einen Monolog, so wird durchschnittlich 15% der Gesamtzeit nicht gesprochen (siehe obige Abbildung).

Auto PC

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Auto

Eine Studie über die Verteilung von Sprechpausen Thema für Telefongespräche erstellte Paul Brady bei den Bell Laboratories im Jahre 1969. Er belegte, dass bei einer normalen Konversation Sprechen und Sprechpausen exponentiell verteilt sind. So folgt einer Sprechphase von durchschnittlich 400 ms eine Sprechpause von durchschnittlich 650 ms. Dies zeigt, dass eine Person bei einem längeren Gespräch ungefähr nur 40% der Zeit spricht (siehe obige Abbildung).

Werden diese Pausen unterdrückt, so ist es möglich die Bitrate bei der Übertragung im Vergleich zur Bitrate der Ausgangsdaten um bis zu 40% zu senken.

Übertragungsverzögerungsvariation (Jitter)

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Auto

• Empfänger muss eine gewisse Start-up Verzögerung abwarten bevor er die Daten abspielt
  • Ermöglicht es, dass verspätete Pakete rechtzeitig eintreffen
• Wird Verzögerungsausgleich genannt
• Steigert die gesamte Ende-zu-Ende Wartezeit

Verzögerungsausgleich-Buffer

Auto PC

Auto PDA_Phone

Auto

Eingehende Pakete werden vom Eingangsbuffer gespeichert

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Auto

Jitter bezeichnet die Zeitdifferenz bei der Präsentation der Daten zwischen aufeinanderfolgenden Datenkomponenten innerhalb einer einzigen Medienkomponente. Jitter ist nur relevant bei der Übertragung von zeitlich abhängigen Komponenten.
Um den Jitter auf ein möglichst geringes Maß zu reduzieren ist es möglich mit einem Buffer zu arbeiten. Der Empfänger ist gezwungen nach Erhalt eines Paketes eine gewisse Start-up Verzögerung zu tolerieren. So wird es verspäteten Paketen ermöglicht noch rechtzeitig einzutreffen. Dieses Verfahren wird Verzögerungsausgleich genannt.
Allerdings wird dadurch auch die gesamte Ende-zu-Ende Wartezeit gesteigert. Der Verzögerungs-Offset ist somit gut zu wählen um einen möglichst vorteilhaften Kompromiss zwischen der Akzeptanz des Jitters und der gesamten Wartezeit zu erzielen.

Verzögerungsausgleich-Buffer

Auto PC

Auto PDA_Phone

Auto

Obige Abbildung zeigt einen Buffer der dem Verzögerungsausgleich dient. So werden die einzelnen Pakete nach ihrem Eintreffen beim Empfänger in dem Eingangsbuffer zwischengespeichert. Nach einer gewissen Wartezeit, dem schon vorhin erwähnten Verzögerungs-Offset, werden die Pakete in der richtigen Reihenfolge dem Abspielprozess übergeben. Der Buffer hat den Zweck, dass auch etwas verspätete Pakete noch in der richtigen Reihenfolge abgespielt werden können.

Inter-media Synchronisation

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Auto

Inter-media Synchronisation garantiert das korrekte zeitliche Abspielen zusammengesetzer Medien

Ein bestimmter Fall von A/V Synchronisierung

• Lippen-Synchronisation
  Muss nicht genau passen
  • Ein Bitversatz von 80-100 ms liegt oft unter der menschlichen Wahrnehmungsgrenze

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Audio/Video Prioritäten

• Das Ohr verhält sich als Differenzierer
• Das Auge verhält sich als Integrator
• Die Toleranz von Übertragungsfehlern ist bei Audio wesentlich geringer als bei Video
• Wenn Audio- und Videoströme als Teil der selben Applikation übertragen werden und um Netzwerkressourcen konkurrieren, sollte der Audiostrom Priorität haben.

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Auto

Auto PC

Auto PDA_Phone

Auto

Inter-Media Synchronisation hat die Aufgabe, die Aufrechterhaltung der relativen zeitlichen Abhängigkeiten zwischen verschiedenen zusammengehörigen Medienströmen von deren Erstellung bis zu ihrer Präsentation, zu garantieren.
Dieser wichtige Quality of Service Parameter bezieht sich auf die zeitliche Abhängigkeit zwischen separaten Medienkomponenten.
Probleme kann vor allem die scharfe Synchronisation von Audio- und Video-Datenströmen bereiten. Diese wird als Lippensynchronisation bezeichnet. Die beiden zusammenhängenden Audio- und Videoströme müssen nicht exakt gleichzeitig ablaufen. Der Bitversatz, welcher die Zeitdifferenz zwischen den verschiedenen Medienkomponenten bezeichnet, muss allerdings unter 100 ms liegen. Denn erst ab einer zeitlichen Differenz von ca. 100 ms wird diese Verzögerung vom Menschen wahrgenommen.
Möglichkeiten, den Bitversatz unter Kontrolle zu halten und die Mediensynchronisation, falls nötig, wiederherzustellen sind z.B. das Verwerfen von verspäteten Komponenten oder das Verzögern von schneller eingelangten Komponenten. Beide Techniken reduzieren das resultierende QoS72.

Audio/Video Prioritäten

Bei der Übertragung von Audio und Video ist grundsätzlich auch die menschliche Wahrnehmung zu beachten. Das menschliche Ohr verhält sich als Differentiator, wohingegen das Auge als Integrator wirkt.
Aus diesem Grund werden Übertragungsfehler bei Audioströmen in geringerem Maße toleriert, als bei Videoströmen.
Demnach ist der Übertragung des Audiostroms Priorität zu gewährleisten, wenn der Audiostrom mit einem Videostrom der selben Applikation um Netzwerkressourcen konkurriert.

Bibliographie

2

Auto

Flu95