Diplomarbeit

II

Diplomarbeit

Abstrakt

Die Nutzung von WiMAX ¹ als Medium ist noch relatives Neuland, daher ist es wichtig erste Daten zu sammeln im Bezug auf QoS ² , Streaming und anderen Applikationen über WiMAX. Solche Applikationen önnen simuliert, die Datenraten rechnerisch ermittelt werden. Ob diese allerdings mit den tatsächlichen Werten Übereinstimmen und unter realen Bedingungen verwendbar sind, muss noch untersucht werden.

Die Menge an Parametern, die den Kanal beeinflussen, ist vielfältig. Einige dieser Parameter unterliegen stochastischem Verhalten und können daher weder in einer Messung noch einer Berechnung berücksichtigt werden.

Wie schon erwähnt, gibt es viele Simulationen und Tools um Bandbreiten und Verhalten eines WiMAX Kanals zu berechnen. Tests unter realistischen Bedingungen sind jedoch unabdingbar, um eine sichere Aussage zu treffen.

In dieser Arbeit wurden unterschiedliche Messungen durchgeführt, indem ein Video-Stream über WiMAX subjektiv betrachtet und analysiert wird. Mit den Daten dieser Studie soll eine Abschätzung des Verhaltens von WiMAX im Bezug auf Streaming und hochbreitbandinge, zeitkritische Anwendungen getroffen werden.

¹ Worldwide Interoperability for Microwave Access

² Quality of Service

III

Diplomarbeit

IV

Diplomarbeit  Inhaltsverzeichnis  

Inhaltsverzeichnis

Eidesstattliche  Erklärung  I

Abstrakt   III

Inhaltsverzeichnis   V

Tabellenverzeichnis VIII   

Abbildungsverzeichnis   XI

1  Einleitung  1

2  WiMAX  3

2.1  Was ist WiMAX?  3

2.1.1  Technische Grundlagen  3

2.1.2  Vorteile von WiMAX  5

2.1.3  Das WiMAX-Forum  6

2.1.4  IEEE 802.16-2004 Standard für Frequenzen zwischen 2 und 11 GHz  7

2.1.5  IEEE 802.16-2005 Standard für Frequenzen zwischen 2 und 11 GHz  7

2.1.6  Unterschiede zwichen WiMAX und Wireless Lan  8

2.1.7  Praxis  8

2.2  Technische Daten  10

2.2.1  Technische Daten MacroMax  10

2.2.2  Technische Daten EasyST  12

2.2.3  Technische Daten WayMax  13

2.2.4  Technische Daten WayMax CPE  15

2.2.5  Technische Daten der Antennen  16

2.3  Sektorenaufteilung  17

3  Video Kompression  19

3.1  MPEG-1/2 Standard  19

3.1.1  Systemschicht  19

3.1.2  Kompressionsverfahren  20

3.1.2.1  Struktur der Video-Elementarströme  20

V

Diplomarbeit Inhaltsverzeichnis

3.1.3 Decodieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4 H.264 25

4.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.2 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.3 Dekorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.3.1 Örtliche Prädiktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.3.2 Bewegungskompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.3.3 Prädiktion von Bewegungsvektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.3.4 Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.4 Quantisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.5 Codierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.6 Unterdrückung von Block Artefakten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.7 Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5 MPEG-4 31

5.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.2 Codierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.3 Video Objekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 5.4 Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5.5 MPEG-4 Derivate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5.5.1 DivX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 5.5.2 XviD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6 QuickTime 35

6.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6.2 Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6.3 Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 6.3.1 Movie-Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 6.3.2 Media-Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 6.3.3 Movie-Data-Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 6.3.4 Sample-Table-Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7 Windows Media 41

7.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 7.2 AVI-Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 7.3 AVI-Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

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Diplomarbeit Inhaltsverzeichnis

8 Audiokompression 43

8.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 8.2 Psychoakustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 8.3 MP3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 8.3.1 Datenkompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 8.3.2 Anwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 8.4 MPEG-Audio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 8.4.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 8.4.2 Audio-Codierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 8.4.3 Audio-Datenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 8.4.4 MPEG-2-AAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 8.4.5 MPEG-4-Audio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 8.5 Dolby Digital (AC3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.5.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.5.2 AC-3-Codierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 8.5.3 AC-3-Datenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

9 Kanalkodierung 55

9.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 9.2 Fehlerkorrekturverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 9.3 Kodierungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 9.3.1 Blockcode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

9.3.2 Faltungscodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

10 Streaming 65

10.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 10.2 Übertragungsstandards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 10.3 Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

11 Bit Error Rate 71 12 Streaming-Software 73

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Diplomarbeit Inhaltsverzeichnis

13 VLC-Streaming 77 14 Streaming Vorbereitung 85 15 Auswertung Kabelnetzwerk 89

15.1 Limitierung von Seiten des Clients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 15.2 Limitierung von Seiten des Servers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

16 Wimax Basisstation 97

16.1 Airspan-Management-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 16.2 Siemens-WayMAX-Management-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

17 Bandbreiten Messung 105

17.1 WiMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 17.2 WayMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

18 Auswertung Streaming über WiMAX 113

19 Auswertung Streaming über WayMAX 117 20 Auswertung 121

20.1 Bandbreitenmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 20.2 Streaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 20.3 Basisstation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 20.4 Codecs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

21 Schlussbemerkung 125

21.1 Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 21.2 Für die Zukunft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

Glossary 127 Literaturverzeichnis 147 Anhang 151 A MacroMax Datenblatt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 B EasyST Datenblatt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 C Siemens Gigaset SE461 Datenblatt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 D Siemens WayMAX@vantage Datenblatt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

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Diplomarbeit Tabellenverzeichnis

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2.1 Softwarestände MacroMax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2 Softwarestände WayMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.1 MPEG-2-Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Level-Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

14.1 Video-Arten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 14.2 Standard-Bandbreiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

15.1 Streaming 1024 kb/s Kabel-Client . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 15.2 Streaming 512 kb/s Kabel-Client . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 15.3 Streaming 256 kb/s Kabel-Client . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 15.4 Streaming 1024 kb/s Kabel-Server . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 15.5 Streaming 512 kb/s Kabel-Server . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 15.6 Streaming 256 kb/s Kabel-Server . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

18.1 Streaming 1024 kb/s WiMAX-Client . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 18.2 Streaming 512 kb/s WiMAX-Client . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 18.3 Streaming 256 kb/s WiMAX-Client . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

19.1 Streaming 1024 kb/s WayMAX-Client . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 19.2 Streaming 512 kb/s WayMAX-Client . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 19.3 Streaming 256 kb/s WayMAX-Client . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

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Diplomarbeit Tabellenverzeichnis

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Diplomarbeit Abbildungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

2.1 MacroMax Airspan (mac) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Airspan CPE EasyST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3 WayMAX-Aufbau (waya) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4 WayMAX @vantage Station (waya) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.5 Siemens WayMAX CPE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.6 Antenne der Basisstation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.7 Sektor Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1 MPEG-Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.2 MPEG-GOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.3 MPEG-Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.4 MPEG-Makroblock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.1 Zick-Zack-Scan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.1 MPEG-4 ASP Dekoder Blockschaltbild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.2 Videoszene aus drei Video-Objekten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 5.3 Videoszene zusammengeführt aus unterschiedlichen Video-Objekten . . . . . 33

6.1 QT Container-Atomstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 6.2 QT Movie-Atom-Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 6.3 QT Track-Atom-Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 6.4 QT Media-Atom-Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 6.5 QT Sample-Table-Atom-Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7.1 AVI-Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

8.1 Die Hörfläche der Psychoakustik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 8.2 MP3 Codiertes Rechtecksignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 8.3 MPEG-3-Audio-Codierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 8.4 Maskierungsschwelle und die Maximalpegel in vier Subbändern . . . . . . . 48 8.5 Audiocodierung nach MPEG-2-AAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 8.6 AC-3 Datenstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

9.1 Übertragungsstrecke mit Fehlerkorrektur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

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Diplomarbeit Abbildungsverzeichnis

9.2 Verschiedene Kanalkodierungsalgorithmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 9.3 Matlab Simulation eines BCH-Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 9.4 R=1/2 Faltungs-Encoder mit m=2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 9.5 Trellis Diagramm Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 9.6 Viterbi-Decoder Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

10.1 Flow des Streaming Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 10.2 Anycast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 10.3 Unicast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 10.4 Multicast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 10.5 Broadcast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

13.1 VLC-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 13.2 VLC-Streaming-Assistent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 13.3 VLC-Stream-Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 13.4 VLC-Stream-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 13.5 VLC-Stream-Verkapselung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 13.6 VLC-Stream-Zusatz-Optionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 13.7 VLC-Stream-transkodieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

14.1 Kabel-Streaming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 14.2 NetLimiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

15.1 Fehler bei DivX3 1024 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 15.2 Snapshot DivX3 512 + DivX3 256 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 15.3 Fehler bei 128 kbit/s und MPEG1+2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 15.4 Streaming 512 kb/s Kabel-Client . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 15.5 Fehler bei 512 kbit/s und MPEG1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

16.1 WiMAX-Darstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 16.2 Airspan Service Class . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 16.3 Airspan Service Product . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 16.4 Airspan Service Product Edit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 16.5 Airspan Service Product Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 16.6 WayMAX Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 16.7 WayMAX Ext. Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 16.8 WayMAX Profile List . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 16.9 WayMAX Profile Create . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 16.10WayMAX Connection List . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

17.1 IPERF-Messung 16000 kbit/s Airspan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 17.2 IPERF-Messung 6016 kbit/s Airspan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 17.3 IPERF-Messung 3072 kbit/s Airspan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

XII

Diplomarbeit Abbildungsverzeichnis

17.4 IPERF-Messung ISDN Airspan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 17.5 IPERF-Messung 16000 kbit/s WayMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 17.6 IPERF-Messung 6016 kbit/S WayMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 17.7 IPERF-Messung 3072 kbit/s WayMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

18.1 Fehler bei 16000 kbit/s Kanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 18.2 Fehler bei 3072 kbit/s Kanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

19.1 Fehler bei 1536 kbit/s Kanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 19.2 Fehler bei 1536 kbit/s Kanal und DivX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

XIII

Diplomarbeit Abbildungsverzeichnis

XIV

Diplomarbeit 1 Einleitung

1 Einleitung

Ein bisher noch unbekanntes oder wenig beachtetes Einsatzgebiet von WiMAX ist Video-Streaming. Es ist weder bekannt, wie die Bandbreitenvergabe einen angeforderten Stream behandelt, noch welche Streaming-Qualitäten erreicht werden können. Könnte ein Stream bezüglich seiner benötigten Bandbreite rechnerisch Übertragen werden, kann sich dennoch ein Bild ergeben, dass den subjektiven Anforderungen eines Betrachters nicht entspricht. Gründe hierfür sind meist Blockfehler oder Ruckler, die sich durch Schwankungen im Übertragunsverhalten des Mediums ergeben. Dies ergibt sich aus dem verwendetem Codec des Streams und der Bandbreite des CPE ¹ .

Es soll in verschiedenen, klar definierten Tests jeweils ein Stream über das WiMAX-Medium ausgeführt werden, dieser dann begutachtet und subjektiv beurteilt werden. Hierzu müssen ein paar Rahmenbedingungen eingehalten werden:

• feste Kodierung der Videodaten

• feste Klassen für die Bandbreiten

• Überschaubares Netzwerk

Es werden die gängigsten Bandbreitenkonfigurationen genutzt, welche von DSL ² her schon bekannt sind und dort auch genutzt werden. Sowohl Up- als auch Downstream orientieren sich an Vorgaben.

¹ Customer Premises Equipment

² Digital Subscriber Line

1

Diplomarbeit 1 Einleitung

Des Weiteren wird zum Streamen eine „Open-Source“ Software verwendet, um Lizensprobleme zu vermeiden. Der Stream wird über diese Server-Software ausgegeben und von der passenden Client-Software empfangen und dargestellt. Als Codec werden die gängigsten im Internet für Video-Streaming verwendete Codec ³ genutzt, um hier „State of the Art“ zu sein. Die Video-Daten werden in 3 Klassen aufgeteilt:

• hochauflösende

• mittelauflösende

• niedrigauflösende

Dies bezieht sich sowohl auf die Bildqualität als auch auf die Datenrate der einzelnen Streams.

Es soll auch die „Zweckmässigkeit“ der verwendeten Codecs unter dem Aspekt WiMAX-Streaming getestet werden, da sich nicht jeder Codec gleich verhält und Datenverlust bei sehr stark komprimierten Codecs sich anders äussern als bei weniger komprimierten. Ebenfalls mit dem Streaming-Test ist ein Bandbreitentest verbunden, durch welchen gemessen wird, inwieweit die eingestellten Kanalparameter der Basisstation eingehalten werden.

³ Kunstwort aus engl. coder und decoder

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Diplomarbeit 2 WiMAX

2 WiMAX

2.1 Was ist WiMAX?

2.1.1 Technische Grundlagen

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) ist ein Synonym für den Standard IEEE ¹ 802.16(Vgl.(Soc04)). Beim IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) handelt es sich um einen weltweit agierenden Berufsverband von Elektro- und Informatikingenieuren, die unter anderem für die Standardisierung von Technologien, Hardware und Software zuständig sind. Mit der WiMAX-Technik sollen Internetdienste über regionale Funknetze angeboten werden. Da diese Technologie die so genannte „letzte Meile“Überbrücken kann, entsteht damit direkte Konkurrenz zu bestehenden Telefon- und Internetdiensten wie zum Beispiel DSL.

WiMAX kann in erster Linie zur Datenübertragung eingesetzt werden. Allerdings wird Wi-MAX im Moment noch nicht auf breiter Basis eingesetzt und hat daher noch keine kommerzielle Bedeutung. Der Standard befindet sich noch in der Testphase und es wird versucht die Vor- und Nachteile von WiMAX für Anbieter und Kunden auszuloten. Diese Vor- und Nachteile werden in Pilotprojekten in Deutschland und anderen Ländern evaluiert und vor allem von Expertenkreisen diskutiert.

Der Standard IEEE 802.16 gehört zur Familie der 802-Standards, wie auch 802.3 Ethernet, 802.5 Token Ring, oder 802.11 Wireless LAN ² . Es existieren daher einige Gemeinsamkeiten zu diesen Standards, wie zum Beispiel das zugrunde liegende Schichtenmodell (OSI ³ -Modell).

WiMAX spezifiziert in diesem Modell lediglich die beiden untersten Schichten.

¹ Institute of Electrical and Electronics Engineers

² Local Area Network

³ Open Systems Interconnection Reference Model

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Diplomarbeit 2 WiMAX

Im Unterschied zu Wireless LAN ist bei WiMAX die so genannte Basisstation eine zentrale Instanz, die entscheidet, wer senden darf und wer nicht. Lediglich bei der erstmaligen Anmeldung konkurrieren verschiedene Endgeräte um die Kommunikation mit der Basisstation.

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Viel Wert wurde auf große Übertragungsraten mit sehr kurzen Latenzzeiten (Reaktionszeiten) gelegt. Auch wurde ein Betriebsmodus mit zugesicherten Bandbreiten integriert. Diese QoS Option ist wichtig z. B. für Telefon und Video-Anwendungen, damit diese nicht plötzlich wegen mangelnder Bandbreite unterbrochen werden. Es kann also, im Gegensatz zu anderen Funktechniken, durch bevorzugte Behandlung der Sprachdatenpakete für eine bessere Sprachqualität gesorgt werden.

Die Möglichkeiten für unterschiedliche Einsätze in diesem Bereich sind aber noch nicht ganz klar, so dass die nächsten Jahre und die Weiterentwicklung von WiMAX die Entscheidung über dessen Einsatz bringen werden. Grundsätzlich hat die WiMAX - Technologie aber das Potential nach Wireless Lan die nächste viel genutzte kabellose Technologie zu werden und die alten Technologien sogar zu ersetzen. (Vgl.(wik)(MF06))

2.1.2 Vorteile von WiMAX

WiMAX unterscheidet sich in einigen Punkten von den bisher bekannten Standards, woraus sich einige Vorteile ergeben. Bis zu dieser neuen Technologie gab es keinen einheitlichen Standard. WiMAX sendet im Gegensatz zu den bisher bekannten Richtfunkverbindungen im Mikrowellen Bereich zwischen 2 und 66 GHz. Dadurch ergeben sich enorme Reichweiten, im Idealfall von bis zu 50 km. Zudem ist die Datenrate wesentlich höher als bei WLAN ⁴ oder UMTS ⁵ und es ist keine „LoS ⁶ “ erforderlich.

Mit WiMAX können Daten sehr viel schneller und kostenünstiger Übertragen werden. Zudem können Regionen mit breitbandigem Internet versorgt werden, die bisher mit DSL noch nicht erreicht wurden. Somit könnten mit Hilfe von WiMAX mehr Kunden erreicht werden, als das bisher der Fall ist. Typische Reichweiten von WiMAX werden im Moment mit etwa 600 m angegeben, wobei dann eine Bitrate von um die 20 Mbit/s möglich ist. Damit ist Wi-MAX immer noch deutlich besser als WLAN, obwohl diese Technologie eigentlich noch in den Kinderschuhen steckt. WiMAX bietet den großen Vorteil, nicht mehr auf die sogenannte letzte Meile, die meist in Telekom Besitz ist, angewiesen zu sein. Und darüber hinaus sind bei WiMAX, Quality of Service Funktionalitäten implementiert. (Vgl.(vor))

⁴ Wireless Local Area Network

⁵ Universal Mobile Telecommunications System

⁶ Line of Sight

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2.1.3 Das WiMAX-Forum

In Diskussionen um die neue WiMAX-Technologie taucht immer wieder das WiMAX-Forum auf. Dieses Forum hat entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung und den kommenden Erfolg der WiMAX-Technologie.

Drahtlose Internetzugänge, wie die WiMAX-Technologie, werden schon seit Beginn der 1990er Jahre diskutiert. Vor WiMAX scheiterten die meisten Anläufe aber letztlich daran, dass es keinen einheitlichen Standard gab. Dadurch war die Verfolgung engagierter Umsetzungspläne immer zu kostspielig und daher nicht rentabel.

Mit dem WiMAX-Forum haben die Hersteller drahtloser Vernetzungstechnologien versucht, auf diesen Umstand zu reagieren. Nach der Gründung des WiMAX-Forums im April 2001 haben es sich die Mitglieder dieser Vereinigung zur Aufgabe gemacht, die Kompatibilität und Interoperabilität der Produkte, die nach dem WiMAX-Standard 802.16 produziert werden, zu zertifizieren. Dies sollte durch verschiedene Kontrolleinheiten geschehen und gewährleistet werden. Außerdem plant das WiMAX-Forum Veranstaltungen zur Interoperbilität der WiMAX-Technologie durchzuführen.

Wenn ein Produkt die Kompatibilitätstests erfolgreich absolviert, darf das Etikett „WiMAX Certified“ angebracht werden, was dem Verbraucher zeigt, dass er ein kompatibles und sehr gut einsetzbares Produkt erworben hat. Dies ist äußerst wichtig für den Erfolg der WiMAX-Technologie. Zwar entwickeln weiterhin unterschiedlichste Firmen Produkte in diesem Bereich, jedoch kann man durch das WiMAX-Forum und sein Zertifikat sicher gehen, dass die verschiedenen Produkte untereinander kompatibel sind. Die Konkurrenz zwischen den verschiedenen Anbietern drahtloser Vernetzungstechnologien bleibt natürlich trotzdem bestehen, aber sie halten sich an gemeinsame Standards. Dies ist für den Verbraucher ein großer Vorteil, denn dadurch werden von Anfang an die Kosten im WiMAX-Bereich gesenkt und gleichzeitig wird die Entwicklung schneller vorangetrieben.

Die genauen Ziele und Aufgaben, die sich das WiMAX-Forum gesetzt hat, können auf deren Homepage unter „www.WiMaxforum.org“ eingesehen werden. Auf dieser Homepage findet man auch Intel, Siemens oder Nokia unter den Mitgliedern. Vor allem Intel fördert mit seiner Chipherstellung die WiMAX-Technik. So konnten für 2007 vom WiMAX-Forum die ersten Chips für Notebooks und Handys angekündigt werden. Weil Intel parallel mit anderen Firmen und Unternehmen des WiMAX-Forums zusammenarbeitet, kann davon ausgegangen werden, dass auch die dazugehörigen Mobilfunk-Basisstationen bereit stehen werden, wenn die Intel-Chips ausgereift sind. (Vgl.(wimb)(MF06))

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2.1.4 IEEE 802.16-2004 Standard für Frequenzen zwischen 2 und

11 GHz

Bei diesen Frequenzen benötigt man oft noch keine Sichtverbindung. Die Antennenmontage ist somit einfacher bzw. kann bei mobilen Geräten ganz entfallen. Als Modulationsart wird die für mobile Zwecke gut geeignete OFDM ⁷ zugrunde gelegt. Diese aufwendige Modulationsart geht einerseits sehr sparsam mit den benötigten Frequenzspektren um, andererseits verträgt die OFDM einen Mehrfachempfang durch Reflexionen.

Als Nachteile müssen bei diesen Frequenzen geringere Antennengewinne, eine größere Störung durch Teilnehmer untereinander sowie geringere Datenübertragungsraten aufgrund fehlender breitbandiger Frequenzspektren in Kauf genommen werden. (Vgl.(neta))

2.1.5 IEEE 802.16-2005 Standard für Frequenzen zwischen 2 und

11 GHz

Der neue Standard IEEE 802.16e-2005 spezifiziert ein weiteres funktechnisches Übertragungsverfahren für Frequenzen bis 6 GHz. Es handelt sich um die so genannte SOFDMA ⁸ , bei der Qualität des Übertragungsweges und der Rechenleistung mobiler Endgeräte Rechnung getragen werden kann. Dies geschieht durch ein zusätzliches Aufsplitten des Frequenzspektrums auf verschiedene Empfänger und durch Wechsel der Modulationsart der Teilträger. Darüber hinaus bietet IEEE 802.16e-2005 die Möglichkeit, die Funkzelle während des laufenden Betriebes zu wechseln (Handover). IEEE 802.16e-2005 ist keine Erweiterung des IEEE 802.16-2004-Standards, sondern inkompatibel dazu. (Vgl.(neta))

⁷ Orthogonal Frequency Division Multiplex

⁸ Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplex Access

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2.1.6 Unterschiede zwichen WiMAX und Wireless Lan

WiMAX und WLAN haben viele Gemeinsamkeiten. Grundsätzlich können beide Techniken auch für ähnliche genutzt werden, z. B. zur einfachen Datenübertragung. Wireless Lan (Wireless Local Area Network) bezeichnet ein drahtloses lokales Funknetz, während WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) für regionale Funknetze eingesetzt werden kann.

Die Unterschiede dieser beiden Systeme sind hauptsächlich auf die unterschiedlichen Reichweiten zurückzuführen. Wireless Lan ist im Moment der gängigste Standard für lokale Netzwerke, die drahtlos sein sollen. Mit ihm können Reichweiten von 30 bis 300 Metern problemlos Überbrückt werden. Im Idealfall können auch größere Weiten von 3 bis 6 Kilometern erreicht werden, dies ist jedoch in der Praxis selten der Fall. WiMAX dagegen ermöglicht Datenübertragungen über eine Entfernung von bis zu 50km und ist damit im Bereich der Reichweite der Wireless Lan-Technik weit überlegen. Das gleiche gilt auch für die Datenübertragung, denn die möglichen Raten liegen bei der WiMAX-Technologie weitaus höher als bei Wireless Lan.

Beide Techniken bieten zudem die Möglichkeit der Sprachübertragung, das heisst im Bereich der Internet-Telefonie sind beide Techniken nutzbar. Allerdings ist für den Einsatz von Wi-MAX eine bessere Qualitätssicherung dieser Sprachübertragungen geplant, so dass WiMAX auch hier Wireless Lan übertreffen wird.

Grundsätzlich muss man aber eingestehen, dass diese Hächstleistungen der WiMAX Technologie noch nicht in der Praxis erreicht wurden. Auch WiMAX wird nicht über eine Entfernung von 30 oder mehr Kilometern von einem Endgerät aus eine 75 MBit/s Verbindung aufbauen können. Dies ist technisch derzeit noch nicht möglich.

Man darf also gespannt sein, in welchem Maße die WiMAX-Technologie Wireless Lan in den nächsten Jahren noch übertreffen wird, gesetzt den Fall, dass eine flächendeckende Einführung dieser Technologie stattfinden wird. (Vgl.(wima)(MF06))

2.1.7 Praxis

Mit in Labortests erreichten 50 km Reichweite und einer Datentransferrate von bis zu 108 Mbit/s (bei 28 MHz Bandbreite) übertrifft WiMAX die derzeit aktuelle WLAN-Technik (die-

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Diplomarbeit 2 WiMAX

se kommt im Außenbereich unter Verwendung des 802.11a/h-Standards auf bis zu 20 km Reichweite, bei Datenraten bis zu 108 Mbit/s).

In der Praxis wird bei portablem Betrieb ein Radius von ca. 2 Kilometer erwartet. Außerdem müssen sich alle beteiligten Nutzer die zur Verfügung stehende Bandbreite teilen. Wegen der möglichen Übertragungsraten wird die WiMAX-Technik unter anderem auch als Alternative zu DSL-Leitungen und UMTS-Verbindungen diskutiert. Die Technik wird maßgeblich vom Chiphersteller Intel unterstützt, welcher Chips für Notebooks und Telefone angekündigt hat. Strategische Partnerschaften, wie z. B. mit Alcatel, sichern die parallele Entwicklung dazugehöriger Mobilfunk-Basisstationen. Bisher haben sich 350 Technologieunternehmen im WiMAX-Forum zusammengeschlossen, um durch Standardisierung von WiMAX die Kompatibilität der einzelnen Produkten untereinander zu gewährleisten. Dazu gehören auch führende Netzwerkausrüster wie Siemens sowie große Netzbetreiber wie AT&T und British Telecom. Der weltgrößte Konzern für mobile Endgeräte Nokia hatte sich aus dem WiMAX-Forum zurückgezogen, ist jedoch inzwischen wieder beigetreten. Auch der weltgrößte Hersteller von Mobilfunknetzen, Ericsson aus Schweden, gehört mittlerweile dem Forum an. (Vgl.(neta))

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2.2 Technische Daten

2.2.1 Technische Daten MacroMax

• unterstützt 802.16-2004 (256 OFDM PHY)

• aufrüstbar auf 802.16e

• FDD ⁹ oder TDD ¹⁰ ; 3,5MHz / 7MHz / 10MHz

⁹ Frequency Division Duplex

¹⁰ Time Division Duplex

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• adaptive Modulation

- QPSK ¹¹ , QAM16 ¹² , QAM64 13

- FEC ¹⁴ Raten von 1/2 bis 3/4

- Guard Intervall von 1/32, 1/16, 1/8 und 1/4

• RX/TX Antennen Diversity

• Inter-Zellen Interferenz kann umgangen werden mit unterschiedlichen Sub-Carriers in Sub-Channels

¹¹ Quadratur-Phasenumtastung

¹² Quadraturamplitudenmodulation

¹³ Quadraturamplitudenmodulation

¹⁴ Forward Error Correction

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2.2.2 Technische Daten EasyST

• Selbst-Installierende CPE

• Optional IEE 802.11b/g Wi-Fi Acces Point

• VoIP ¹⁵ Station für 1 oder 2 POTS 16

• 8.5dBi, 4x90 ^◦ selbst wählende Antennen

• 13dBi externe Fenster-Antenne

• Mobil inerhalb der Zelle (Vgl.(cpe))

¹⁵ Voice over IP

¹⁶ Plain old telephone service

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2.2.3 Technische Daten WayMax

• unterstützt 802.16-2004 (256 OFDM PHY)

• Duplex Mode FDD

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• Adaptive Modulation

- BPSK ¹⁷ , QPSK, QAM16, QAM64

- Kanalbandbreite 3.5 MHz

- Ausgangsleistung an der Antenne bis zu +35dBm

- Empfänger Empfindlichkeit -100 dBm bis -82 dBm

¹⁷ Binarie Phase-Shift Keying

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2.2.4 Technische Daten WayMax CPE

• Selbst-Installierende CPE

• Optional IEE 802.11b/g Wi-Fi Acces Point

• Frequenzbereiche

- 2,3 GHz - 2,5 GHz

- 3,4 GHz - 3,6 GHz

- 3,6 GHz - 3,8 GHz

• 9.5dBi Gain (Vgl.(wayb))

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2.2.5 Technische Daten der Antennen

Die am Mast montierten Antennen sind 5,5 kg schwer und horizontal polarisiert. Sie haben einen Gewinn von 13,5 dBi und der Öffnungswinkel beträgt 120°. Die Elevation beträgt 10°.

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2.3 Sektorenaufteilung

Die WiMAX-Basisstation befindet sich auf dem Dach der HTW (Goebenstraße). Sie versorgt 3 Sektoren wovon jedoch derzeit nur 2 Sektoren verwendet werden.

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Diplomarbeit 3 Video Kompression

3 Video Kompression

3.1 MPEG-1/2 Standard

3.1.1 Systemschicht

Es befinden sich Audio- und Video-Elementarströme in einem Bitstrom. Des Weiteren ist es möglich, mehrere Systemströme zu Transportströmen zu verbinden. Hierzu werden die Daten paketiert und mit Zusatzinformationen und Fehlerschutzmechanismen versehen, so dass eine parallele Übertragung per ATM ¹ -Netze durchführbar ist. Jedes Paket besitzt einen 4-Byte-Marker (die sog. Startcodes). Anhand diesem werden die Audio- und Videomodule getrennt.

¹ Asynchronous Transfer Mode

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Diplomarbeit 3 Video Kompression

3.1.2 Kompressionsverfahren

3.1.2.1 Struktur der Video-Elementarströme

Die MPEG ² -Video-Spezifikation beschreibt die Decodierung von Bildsequenzen. Jede Bildgruppe setzt sich aus einer Abfolge von Bildern verschiedener Typen zusammen. Das erste ist immer ein Intra-Codiertes Bild (I-Frame). P-Frames sind Prädiktiv-Codierte-Bilder. Zur Verarbeitung wird ein vorheriges I-Frame oder ein P-Frame verwendet. B-Frames sind ebenfalls Intra-Codiert und dienen zur bidirektionalen Prädiktion.

Diese zusammengenommen ergeben die GOP 3

Die Anzahl der Bilder pro GOP sowie der Abstand von I- zu P-Frame kann frei gewählt werden, wobei nur zu beachten ist, dass die B-Frames zwischengespeichert werden müssen, bis das nachfolgende P-Frame Übertragen wurde.

² Moving Picture Experts Group

³ Group of Pictures

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Diplomarbeit 3 Video Kompression

Das Bild setzt sich aus „Scheiben“ zusammen, welche wiederum aus Makroblöcken bestehen. Diese wiederum aus vier 8x8-Luminanzblöcken und aus zwei 8x8-Chrominanzblöcken. MPEG-1 unterstützt nur das 4:2:0-Format, wohingegen MPEG-2 auch 4:2:2 und 4:4:4 zulässt.

Die Codierung der MPEG-Ströme erfolgt asymmetrisch. Zur Decodierung muss der Decoder einfach nur den Anweisungen folgen, schwieriger hingegen ergibt sich die Encodierung. Der Encoder muss die Bewegung detektieren, den optimalen Bewegungsvektor bestimmen und den besten Codierungsmodus auswählen. Des Weiteren müssen die Daten gepuffert werden, um eine Ausgabe mit einer konstanten Bitrate zu ermöglichen.

3.1.2.2 Codierung von I-Frames

Die Codierung der Intra-Frames basiert auf dem Prinzip der JPEG ⁴ -Codierung. Jeder 8x8-Block wird DCT ⁵ -transformiert und anschließend quantisiert. Auf die AC-Koeffizienten werden mit einer Kombination aus Lauflängen-/Huffman-Codierung verarbeitet, wohingegen die DC-Koeffizienten differentiell verarbeitet werden. Beim MPEG-1-Standard sind die Quantisierungswerte für die DC-Koeffizienten auf 8 festgelegt, anders beim MPEG-2-Standard, welcher auch Werte von 4, 2 und 1 erlaubt und somit höhere Bildqualität ermöglicht.

Gleichung zur Erstellung der Koeffizienten:

Die Quantisierungswerte Q [k,l] sind frei wählbar. Der Parameter q scale (1...31) beeinflusst die Quantisierungsstärke und dient zur Variation der Kompressionsrate.

⁴ Joint Photographic Experts Group

⁵ Joint Photographic Experts Group

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