Next Generation Media – Medien für die nächste Generation Prof. Dr. Th. Herfet Lehrstuhl für Nachrichtentechnik Fachrichtung Informatik GB 22, Raum 10.02 herfet@nt.uni-saarland.de Einführungsveranstaltung zur Nachrichtentechnik Wieso Nachrichtentechnik in der Informatik? Weil die Informatik und die Kommunikationstechnik immer näher rücken. Weil die Komplexität mobiler Endgeräte heute ein Studium zwischen der klassischen Informatik und der klassischen Elektrotechnik ermöglichen.

Inhalt Medien und Moden (Multimedial vs. Multimodal) Generationen und Evolution (Text, Audio, Video) Was bringt die nächste Generation (Multicast) Ein großer Werkzeugkasten (Spektren und Dichten) Vom Störenfried zum Mitspieler (Echos; früher und heute) Quality of Service (Dienste und ihre Qualität) Schlösser und Burgen (Vom schnellen Schlössertausch) Netzwerke der nächsten Generation (IEEE 802.11n) Zusammenfassung

Medien und Moden „Ein Medium (v. lat.: medium = Mitte(lpunkt), Zentrum, dazwischen liegend, in der Mitte befindlich; Plural Medien oder Media) ist im allgemeinen ein Träger oder ein Übermittler von Jemandem oder Etwas.” (Wikipedia) In der Informatik wird unter Medium ein eigenständiger Informationsträger verstanden. „"Multimedial" (…) bedeutet "Kombination mindestens zweier (Präsentations-)Medien", ... "multimodal" bedeutet "mindestens 2 Sinnesorgane ansprechend“.“ (http://is.uni-sb.de/studium/handbuch/multimedia.php) In der Informatik wird unter Modus ein physischer Ein-/Ausgabekanal verstanden (Sprache, Mimik, Gestik, Haptik) Multimediale Systeme werden durch die explizite Verknüpfung verschiedener Moden multimodal (z. B. gesprochener Text synchron mit Ticker) Die Synchronisation von Audio & Video ist hier ein Grenzfall

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Übertragung – Die Historie Mitte 19.Jh. James Clerk Maxwell (GB) leitet Gleichungen für den Elektromagnetismus her, Grundlage für die gesamte Elektrotechnik (Maxwell’sche-Gleichungen), theoretische Vorhersage, dass sich elektromagnetische Wellen im Raum ausbreiten können (Licht, Radiowellen) 1837 Samuel Morse (USA) erfindet die Telegraphie, ‘digitale’ Übertragung über Metallleitungen 1843 S.Morse richtet erste Telegraphen-Teststrecke entlang der Bahnlinie Washington-Baltimore ein 1848 Werner Siemens (D) und J.G.Halske (D) bauen erste deutsche Telegraphenlinie von Berlin nach Frankfurt/Main 1861 Phillip Reis (D) macht Versuche zur analogen Telephonie 1876 praktisch gleichzeitig entwickeln Alexander Graham Bell (Can.) unter Mithilfe von Thomas A. Watson sowie E.Gray erste Telefonsysteme für die Übertragung von Sprache 1888 Heinrich Hertz erzeugt Radiowellen mit einem Oszillator (31 MHz - 1.25 GHz) 1894 Guglielmo Marconi (I) entwickelt erstes Funk-Übertragungssystem für eine Strecke von ca. 1km, 1896 erreichte er 3km von Schiffen aufs Land, 1899 erste Übertragung über den Kanal von Frankreich nach Dover, 1902 erste transatlantische Übertragung von England nach Neufundland 1908 Lee DeForest (USA) erfindet die Verstärkerröhre, erstmals können elektrische Signale verstärkt werden 1920 Rundfunkstationen in den USA nehmen regelmäßigen Betrieb auf (Detroit und Pittsburgh), Amplitudenmodulation (AM) 1930 erste Schwarzweiß-Fernsehsysteme 1939 Erste Sender verwenden Frequenzmodulation (FM), die 1933 durch Edwin H. Armstrong (USA) erfunden wird

Übertragung – Die Historie 1948 Erfindung des Transistors in den Bell Telephone Laboratories durch William Shockley, Walter Brattain und John Bardeen (USA) 1948 Shannon (USA) und Kotelnikov (SU) leitet die Grundlagen der Informationstheorie her 1950 erste Farbfernsehsysteme werden entwickelt 1958 Kilby (USA) entwickelt erste Integrierte Schaltung 1962 Funkverbindungen über Satelliten 1963 C.Kao, Erfinder der optischen Nachrichtenübertragung, beginnt sich mit dem Thema optische Lichtwellenleiter zu beschäftigen 1980 Einführung der CD 1987 Einführung von ISDN 1996 Einführung der DVD 2003 Erste europäische HDTV-Ausstrahlung Der Zeitraum zwischen der Applikation von Sprache, derjenigen von Audio und derjenigen von (HD-)Video wird immer kürzer! Die (nachrichtentechnische) Forschung konzentriert sich auf audiovisuelle Objekte

Lehrstuhl Nachrichtentechnik Mission To foster and shape the era of audiovisual networking by research and education on the technical elements of content retrieval, analysis, distribution and management. Vision To facilitate ubiquitous networks and the handling of audiovisual objects in a manner that is superior in its applicability but at least as convenient, flexible and easy to use as it is common for today’s textual objects.

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Ein neues Paradigma Kommunikation: Rundfunk: In (ferner?) Zukunft: Punkt zu Punkt; leitungs- oder paketvermittelt ISDN, GSM, IMT2000/UMTS, aber auch WLAN Rundfunk: Punkt zu Mehrpunkt; standardisierte Übertragungsverfahren UKW, PAL, DVB In (ferner?) Zukunft: GRID Computing Audiovisuelle Information ist überall, jederzeit verfügbar „HDTV aus der Steckdose“ – oder besser – aus der Luft IP-basiert Geschützt Mit hoher Dienstequalität

Und was gibt‘s da zu tun? Die IP-basierte, drahtlose Übertragung audiovisueller Inhalte steckt noch in den Kinderschuhen. Viele drahtlose Systeme (z. B. 802.11) liefern nicht die erforderliche Bandbreite und nicht die erforderliche Dienstequalität Lösungsansätze mit 802.11n in Sicht Quality of Service braucht globaleren Ansatz Für den Schutz digitaler Inhalte, ohne die Nutzung einzuschränken, gibt es noch keine Lösungen (bisherige Lösungen kommen aus dem Rundfunk bzw. dem Mobilkommunikationsbereich) DRM-Systeme sind heute proprietär; übergeordnete Frameworks gibt es noch nicht. Harware-token schränken die allgemeine Nutzung stark ein (Premiere CI-Modul passt nur in STB...) Software-token kommt auf. Viele Protokolle sind nicht Multicast-fähig GRIDs müssen audiovisuelle Inhalte im Multicast anbieten

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Werkzeuge der Nachrichtentechnik Komplexe Zahlen Euler-Relation: Spektrale Dichten Dekomposition in Eigenfunktionen: , die sog. Fourier-Transformierte von , ist eine spektrale Dichte Beispiel mit Euler-Relation:

Weitere Werkzeuge Viele weitere Transformationen (Laplace, Hilbert, z) Aber alle lassen sich auf Fourier zurückführen Deterministische und stochastische Systemanalyse Harmonische Analyse Algebra auf finiten Körpern (sog. Galois-Feldern) Bsp.:

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Echos bei der drahtlosen Übertragung Klassische Übertragung Echos stören: Geisterbilder im analogen Fernsehen, Auslöschungen (Fading) bei FM-Emfang im Auto. Echokompensation notwendig Im Falle sich ändernder Echos adaptiv! Echos werden „gelöscht“; Signalenergie wird nicht genutzt Moderne Übertragung mit OFDM Echoenergie wird genutzt T 0.3 + + - T 0.3

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex Statt einer schnell geschalteten viele langsam geschaltete Sinus-schwingungen Guard-Interval „sammelt“ Echos ein Sinus plus Echo bleibt Sinus Wenn komplexe Dämpfung bekannt, dann Erkennung einfach Keine Echokompensation nötig

MIMO Multiple Input Multiple Output Relativ neue Entwicklung (Ende der 90er Jahre) Nutzt mehrere Sende- und mehrere Empfangsantennen Nutzt Echos; überträgt „in Richtung der Eigenvektoren des Kanals“ Quelle: University of Oulu, Finnland

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QoS Background Der Bedarf an Multimedia Applikationen steigt Audio & Video streaming Video Konferenz Voice over IP Interaktive Spiele Konvergenz der Medien Audio, Video, Daten über ein Netzwerk Multimedia-Daten vs. Best-Effort Paket-Daten Echtzeit vs. Nicht-Echtzeit

Quality of Service: Definition Dienstequalität ist Die Qualität der Anwendung, wie sie vom Endgebraucher wahrgenommen wird (z. B. Audio- und Videoqualität oder Verzögerung bei Sprachanwendungen) - Anwendung/Nutzer level Die Fähigkeit, Netzwerkverkehre zu steuern und Ihnen die bestmögliche Qualität zu ermöglichen (bzgl. der Netzwerk QoS-Parameter wie Bandbreite, Verzögerung, Jitter und Paketfehler) - Netzwerk level in the networking community, QoS refers to the service quality or service level that the network offers to applications or users in terms of network QoS parameters, including latency or delay of packets traveling across the network, reliability of packet transmission, and throughput. However, in application communities, QoS generally refers to the application quality as perceived by the user—that is, the presentation quality of the video, the responsiveness of interactive voice, and the sound quality (CD-like or FM-radiolike sound) of streaming audio.

QoS Parameter Für Multimedia Anwendungen relevante QoS-Parameter sind: Bandbreite oder Datendurchsatz Verzögerung Verzögerungs- bzw. Laufzeitschwankungen Fehler- und Verlustrate

QoS Dienste Best-Effort Dienste Keinerlei Garantien Quantitativ („Guaranteed“) Dienstequalität Garantiert die Netzwerkperformanz (z. B. Bandbreite. Verzögerung, Jitter) auf deterministische oder mindestens statistische Weise. Qualitative („Differentiated“) Dienste Klassifiziert Dienste (z. B. geringere Verzögerung für Sprachdienste oder höhere Bandbreite für Videodienste) Networks receive from the applications (implicitly or explicitly) their QoS requirements through quantitative or qualitative expression. Networks need to respond to these requests by supplying QoS services using a number of QoS mechanisms (next slide).

QoS in a Wireless Network Intermediate Devices (i.e. access point, base station, satellite) Host Traffic Handling Mechanisms Classification Channel Access Packet Scheduling Traffic Policing Bandwidth Management Mechanisms Resource Reservation Admission Control QoS Mechanisms Wireless Network QoS mechanisms can be categorized into two groups based on how the application traffic is treated: 1) traffic handling mechanisms, and 2) bandwidth management mechanisms. Traffic handling mechanisms (sometimes called In-traffic mechanisms) are mechanisms that classify, handle, police, and monitor the traffic across the network. The main mechanisms are: 1) classification, 2) channel access, 3) packet scheduling, and 4) traffic policing. Bandwidth management mechanisms (sometimes called Out-of-traffic mechanisms) are mechanisms that mange the network resources (e.g., bandwidth) by coordinating and configuring network devices' (i.e., hosts, base stations, access points) traffic handling mechanisms. The main mechanisms are: 1) resource reservation signaling and 2) admission control.

Infrastructure Wireless Network Data Traffic Resource Reservation Channel Access Queue Packet Scheduling Traffic Policing Classification Application End Host Access Point or Base Station Admission Control Wireless Medium Data flow Signaling flow In infrastructure wireless networks, there are two types of stations: end stations (hosts) and a central station (i.e., access point, base station). All traffic handling (classification, traffic policing, packet scheduling, and channel access) and resource reservation mechanisms reside in all stations (end hosts and central station). In addition, the central station also includes an admission control mechanism.

QoS at the various network layers Inter-layer resource interaction and coordination Adaptive compression, transcoding and transrating algorithms, content adaptation Application Resource reservation and management, rate control, error corrections Transport Intelligent routers/switches using application specific information. Mobility management. DiffServ, MPLS, QoS Routing Network QoS priority queues, class-based scheduling, data rate management MAC protocol improvements for providing QoS guarantees Data Link Adaptive modulation, various SNR improvements channel estimation, MIMO Physical Layer

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DRM DRM steht für „Digital Rights Management“ “DRM is a system of IT components and services along with corresponding law, policies and business models which strive to distribute and control IP and its rights” – NIST (National Institute for Standards and Technology, USA) “IP” = Intellectual Property, geistiges Eigentum “IT” = Information Technology Juristisch: Urheberrechtsschutzgesetze Technisch bedingt: analoge Kopien  Qualitätsverlust + physische Lieferung  hohe Vertriebskosten = effizienter Kopierschutz

DRM (cont‘d) Änderungen im elektronischen Zeitalter digitale Daten  billiges Kopieren ohne Qualitätsverluste Netzwerke  billige und schnelle Verbreitung DRM als Gegenmaßnahme: Der Inhalt wird durch Verschlüsselung versteckt Der Zugriff wird von einer sicheren kryptografischen Vorrichtung (Soft/Hardware), in Abhängigkeit von den Benutzerrechten gewährt Die Vorrichtung zu Umgehen soll extrem teuer (d. h. unmöglich für alle praktischen Zwecke) sein Leichter gesagt als getan (siehe z. B. CSS für DVD)

Datenströme („Streaming Contents“) DRM für Dateien: eine einzige Autentifizierung/ Nutzungserlaubnis/Schlüsselsatz pro Datei DRM für Datenströme (Audio/Video): Der Empfäger kann Teile des Datenstroms – inklusive Schlüssel – verpassen (z. B. auf Grund von Übertragungsfehlern) Der Empfänger kann sich erst nach dem Beginn der Übertragung einschalten Deshalb müssen die Rechte kontinuierlich überwacht und überprüft werden Einfachste Anwendung Conditional Access Nur zwei Optionen: Zugriff erlaubt oder nicht Sehr bekannte Anwendung: Pay-TV CA Kontrolle realisiert als Set Top Box (Gerät geschaltet zwischen der Antenne und dem Empfänger, oft physisch auf dem Fernseher sitzend) Die Sicherheit wird üblicherweise durch die SmartCard (Mikrokontroller im Scheckkartenformat) gewährleistet

Pay-TV Modell (Gemplus, Oberthur)

Pay-TV Komponenten EMM (Entitlement Management Message) beinhaltet: Benutzeridentifikator (Subscriber ID) Aktualisierung der Rechte EMM wird für den Versand mit einem kartenspezifischen Schlüssel verschlüsselt Kann individuell oder für Gruppen sein ECM (Entitlement Control Message) beinhaltet: Control Word (CW) – Schlüssel für den Inhalt Inhaltidentifikator (Content ID) Liste der benötigten Rechte, um auf den Inhalt zuzugreifen ECM wird selbst durch den Broadcast Key (BK) verschlüsselt. Der ist der SmartCard bekannt.

Pay-TV-Arbeitsweise Entschlüsselung des Inhalts durch das CW in der Set-Top Box verläuft nach standardisiertem, aber nicht offen gelegtem Algorithmus. Modelle: Ein CW für die Dauer der Sendung: nicht sehr sicher CW wird periodisch geändert: neue ECM wird gelegentlich (z. B. alle 2 Sekunden) versandt Das ECM/EMM Format ist anbieterproprietär Entschlüsselung und Interpretation auf der SmartCard ECMs können zusätzlich dürch EMMs verschlüsselt werden (müssen aber nicht)

Weitere Entwicklung, IP-TV Internet Streaming Media Alliance (ISMA) DRM Modell: Während DVB ein „In-Band“ Schema verfolgt verfolgen viele alternative Ansätze ein „Out-of-Band“ Schema

ISMA Merkmale Übertragung über Internet Protocol (IP) Multicast and unicast möglich Unterschiedliche Bit-Raten Rückmelde-Kanal (Benutzer→Sender) vorhanden Detailliertes DRM: Inhalt sehen/hören, auf die DVD schreiben, an einen Freund versenden… Die Verschlüsselung muss nach standardisierten, offen gelegten und akzeptierten Algorithmen erfolgen (Voreinstellung: AES) Einfach zu implementierendes Pay-Per-View

Demnächst erhältlich... Digital Video Broadcast for Handhelds (DVB-H): PDAs, Mobiltelefone... Zusätzliche Punkte: Benutzerroaming Zugriff auf Dienste über fremde Netzwerke Zahlung für Dienste über fremde Netzwerke Erweiterte Schlüsselhierarchie

Schlüsselhierarchie (Vorschlag) Man nehme OMA‘s Rezept OMA: Open Mobile Alliance Rezept: OMA DRM 2.0 Inhalt in Packeten (IP!), mit speziellem Schlüssel verschlüsselt Wie versendet man sicher solche Schlüssel? Verschlüsselt mit z. B. weiterem Schlüssel, der für die Dauer einer Sendung gültig ist! Sendungs-Schlüssel: Für Abos: Wird versandt verschlüsselt durch den Abo-Schlüssel Pay-Per-View: In Rechteobjekten, verschlüsselt durch den Benutzer-Schlüssel Abo-Schlüssel: Gilt für den Dienst (Kanal, oder ein Bündel von Kanälen) In Rechteobjekten beinhaltet, die durch Benutzer-Schlüssel verschlüsselt werden Benutzer- oder Gruppen-Schlüssel: Dem Nutzer bzw. Gerät zugeordnet Wird erteilt, wenn sich das Gerät durch seinen Private-Key identifiziert

Sicherheit in DVB-H Wiedergabe muss in Echtzeit erfolgen Packete schnell entschlüsseln  einfache Algorithmen Gewährleistung der Sicherheit: Wechsle Schlüssel mehrmals pro Sekunde Offene Fragen: Optimale Wechselrate? Optimale Hierarchietiefe? Was steht zur Beantwortung zur Verfügung? Infrastruktur (DVB-Receiver, Stream-Server, LAN (Gigabit) und WLAN) Media Clients (HDTV Echtzeit-fähig, HD-Audio, XP oder Linux) Media-Labor mit Akustik-Dämpfung, Mehrkanal-Ton, HD-Projektor

Inhalt Medien und Moden (Multimedial vs. Multimodal) Generationen und Evolution (Text, Audio, Video) Was bringt die nächste Generation (Multicast) Ein großer Werkzeugkasten (Spektren und Dichten) Vom Störenfried zum Mitspieler (Echos; früher und heute) Quality of Service (Dienste und ihre Qualität) Schlösser und Burgen (Vom schnellen Schlössertausch) Netzwerke der nächsten Generation (IEEE 802.11n) Zusammenfassung

Die nächste Generation WLAN Zusammenfassung PHY des TGn Sync Vorschlages MIMO Erweiterung des 802.11 OFDM PHY – bis zu 4 räumliche Ströme 20 und 40MHz* Kanalraster – vollständig interoperabel 2x2 Architektur – 140 Mbps in 20 MHz und 315 Mbps in 40 MHz Skalierbar bis zu 630 Mbps Preamble erlaubt nahtlose INteroperabilität mit herkömmlichen 802.11a/g Modems Optionale Verbesserungen Strahlformung am Sender, ohne den Empfänger zu verkomplizieren Bessere Kanalcodier-Techniken (RS, LDPC) 1/2 Guard Interval (z. B. 400ns) 7/8 Coderate *Nur da, wo auch regulatorisch erlaubt.

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Zusammenfassung LS NT beschäftigt sich mit audiovisuellen Medien Dienstequalität insbesondere in drahtlosen Netzen Rechtemanagement und dessen Architektur Übertragungskapazität in dynamischen, echo-behafteten Umgebungen LS NT bietet an Infrastruktur HDTV-fähige Medienverteilung Sat-Anlage (inkl. HH-Motor) Media-Server (Linux und MSFT 2003 Server) Damit eigene „Programmgestaltung“ möglich Gigabit und 802.11a-lokale Verteilung HDTV- und mehrkanalfähiger Medienraum LS NT schafft die Verbindung zwischen Informatik und Ingenieurwissenschaften (hier Mechatronik)