ODB (Outside Direct Broadcasting) the Homing Camera

Transkript

1 ODB (Outside Direct Broadcasting) the Homing Camera JOHAN HOLMSTRÖM och MATTIAS KALLIO Examensarbete Stockholm, Sverige 2004 TRITA-NA-E04109

2 Numerisk analys och datalogi Department of Numerical Analysis KTH and Computer Science Stockholm Royal Institute of Technology SE Stockholm, Sweden ODB (Outside Direct Broadcasting) the Homing Camera JOHAN HOLMSTRÖM och MATTIAS KALLIO TRITA-NA-E04109 Examensarbete i medieteknik om 10 poäng vid Högskoleingenjörsprogrammet för medieteknik, Kungliga Tekniska Högskolan år 2004 Handledare var Jan-Olof Plato, KTH Examinator var Roger Wallis

3 Sammanfattning Denna rapport är ett examensarbete skrivet av två stycken mediateknologer på uppdrag av och i samarbete med KTH-AMT. Rapporten är förstudien till ett projekt som går under arbetsnamnet ODB (Outside Direct Broadcast). Projektet undersöker möjligheterna till att konstruera en modul till en videokamera, som via samhällets befintliga trådlösa nätstrukturer möjliggör en audiovisuell transmission i realtid från kameran direkt hem till studion. Efter studerande av olika relevanta tekniker avser vi lämna rekommendationer för fortsatt utveckling. Ett potentiellt användningsområde är nyheter som rapporteras direkt från en plats där idag alternativa tekniker kräver relativt dyra och svårtillgängliga satellitlänkar. De transmissionstekniker vi har utrett är; 3G, GSM, WLAN, FWA/LMDS och bluetooth. Av dessa tekniker visade sig 3G, GSM och WLAN vara av intresse för projektet, men tyvärr finns brister som gör att transmissionen inte ger tillräcklig kapacitet eller täckning. Som komprimering vi har utrett de två relativt nya komprimeringteknikerna MPEG-4 och JPEG2000. Vi har kommit fram till att MPEG-4 h.264 är den teknik som lämpar sig bäst för projektet. Rapporten tar även upp frågor som format och kvalitet, kryptering och hårdvara. I dagsläget är klyftan mellan komprimeringsgrad och transmissionskapacitet för stor för att projektet skall vara möjligt att genomföra enligt de krav som finns för en professionell användare. Nyckelord Transmission, Komprimering, Video, Mobilitet. 3

4 Abstract This thesis is an examination work written by two media technology students on assignment by, and in co-operation with KTH-AMT. The report is the feasibility study of a project with the working name ODB (Outside Direct Broadcast). The project is examining the possibilities to construct a part of a video camera to transmit audio-visual video streams through the existing wireless net structures. Based on studies of different relevant technologies, our aim is to present recommendations for further development initiatives. The potential area of usage would be television news reporting from remote locations, where the current alternatives involve relatively expensive satellite links. The transmission techniques we have investigated are 3G, GSM, WLAN, FWA/LMDS and Bluetooth. Of these techniques 3G, GSM and WLAN demonstrated the greatest potential for this project; unfortunately these same technologies suffer some shortcomings regarding capacity and coverage. The compression techniques for streaming video we have investigated are the two relatively new techniques MPEG-4 and JPEG2000. We concluded that MPEG-4 h.264 is the technique most suitable for the project. The report also covers variables such as format and quality, coding and hardware. Today the distance between compression efficiency and transmission capacity is too extensive for such a project to be implemented in a fashion that satisfies the requirements of professional users. Keywords Transmission, Compression, Video, Mobility. 4

5 Förord Vi har genomfört vårat examensarbete på KTH-AMT vi vill tacka våran handledare Bo Jedeskog som har gett oss inspiration och förmedlat kontakter. Vi riktar även ett särskilt tack till Aurelian Brian på KTH som tålmodigt förklarat grunderna i transmissionsteknik för oss och Gunnar Kihlander på SVT. Självklart vill vi även tacka alla de som har ställt upp och hjälpt oss genom projektet. Campus Valhallavägen mars 2004 Johan Holmström och Mattias Kallio 5

6 Innehållsförteckning 1 Problemdiskussion Bakgrund Målbeskrivning Projekt delar Avgränsningar Kvalitet och format Komprimeringsteknik Sändningsteknik Kryptering Kostnader / ekonomi Hårdvara Metodiken Internet Intervjuer Litteraturstudier ODB Format och Kvalitet Komprimeringsteknik MPEG JPEG Slutsats komprimeringsteknik Transmissionsteknik G GSM WLAN FWA/LMDS Bluetooth Slutsats transmission Kryptering Kostnader/ekonomi Hårdvara Slutsats Referenser Internet Transmissionsteknik Komprimeringsteknik Diskussions och Intervju personer

7 1 Problemdiskussion 1.1 Bakgrund För den allt mer rörliga nyhets- och diskussions baserade TV-produktionen skulle en friare, mer tekniskt obunden sändningsteknik skapa nya möjligheter, sända direkt från vilken plats som helst när som helst. Att, till exempel ett nyhetsteam ska kunna vara snabbt på plats och inom bara minuter få hem bilder och ljud av godtagbar kvalitet direkt till studion. Idag krävs för direktsändning en fast uppkoppling med hög kapacitet eller satellittransmission som kräver omfattande hårdvara och mänsklig teknikinsats. I större sammanhang där en lokal produktionsplats upprättas i en OB-buss (Outside Broadcasting) är transmissionstekniken bara en del av en komplex verksamhet. Handlar det om en enkel intervju med en politiker eller annan aktuell intervjuperson, en bildrapport från nu någonstans i landet är transmissionsteknik idag ofta skälet till att det inte blir någon direktsändning även om inslaget skulle vara intressant. ODB är en mobil, direktsändande kamera för professionellt bruk som utnyttjar existerande trådlösa nätstrukturer. Kameran ska kunna sända bilder med lägre upplösning i enda syfte, att få hem bilder direkt. Den kommer även att lagra de högupplösta bilderna som kan ersätta de lågupplösta bilderna i senare sändningar. De olika upplösningarnas tidskod kommer att vara identisk för att de lågupplösta bilderna ska kunna ersättas senare. För att skicka bilder och ljud skulle till exempel en kombination av 3G, GSM och Radiolan kunna användas för transmission, där bild och ljud realtidskomprimeras med t.ex. MPEG4 encoder. I de fall då man i förväg vet om vad, vart och när någonting ska hända ges en möjlighet att planera och sätta upp nödvändig utrustning för direktsändning till exempel: sportarrangemang och presskonferenser. I andra fall uppstår händelser med kort varsel och dessa går förlorade på grund av den komplexa och tidkrävande insatsen som krävs för direktsändning. I ett annat tänkt senario där tv-teamet övervakar ett händelsecentrum där en demonstration pågår, mitt i tv-sändningen startar ett upplopp där demonstranter och polis sammandrabbar några hundra meter bort. Med dagens tekniska lösningar skulle trots att händelsernas inte centrum är speciellt långt bort skulle det missas av tv-teamet medan en ODB-kamera bara skulle slängas på axeln och springa efter. 1.2 Målbeskrivning Examensarbetet består i en förstudie till projektet ODB. Vi utgår från en tidig idéplan där förmodade tekniker utreds och ställs i relation till alternativa tekniker. Förstudien skall utmynna i en skriftlig sammanställning med rekommendationer och riktlinjer för fortsatt utveckling. 1.3 Projekt delar Under projektets gång kommer flera olika tekniker att studeras bland dem kan dessa vara av intresse: MPEG4 realtidskomprimering från digital komponent med embeded audio, JPEG 2000, 3G transmission, GSM transmission, radiolan, komprimering och kryptering. 1

8 2 Avgränsningar Det här projektet kommer inte att utmynna i en färdig produkt. Det kommer vara en del av ett större projekt där den här delen är förstudien. Examensarbetet kommer att värdera, rekommendera och avfärda olika tekniska lösningar med avseende på: 2.1 Kvalitet och format Format och kvalitet kommer att diskuteras fram med det som kan kallas en slutanvändare vilket i det här fallet är större tv-bolag. Vad som kommer att utredas är vilken kvalitet som kan sättas som lägsta acceptabla och vilka bildformat som är användbara för samma slutanvändare. 2.2 Komprimeringsteknik Eftersom det primära problemet i projektet är att skicka stora mängder data över låg bandbredd undersöks vilka tekniker för bild och ljudkomprimering som finns. Sedan rekommenderas den enligt utredningen för projektet mest lämpade tekniken. 2.3 Sändningsteknik Olika typer av sändningstekniker för audiovisuell transmission i befintliga trådlösa nätverk kommer att utredas. Teknikerna kommer att granskas med avseende på täckning, överföringskapacitet och tillgänglighet. 2.4 Kryptering Behöver signalen krypteras och i så fall vilken krypteringsmetod bör användas. 2.4 Kostnader / ekonomi Vilka vinster kan göras med ett ODB-system jämfört med de tekniker som används i dag Hårdvara Vilka olika komponenter kommer ett sådant här system innehålla. 2

9 3 Metodiken Eftersom studien i stora drag kommer att gå ut på insamlande och värdering av information så kommer vi intervjua i området relevanta experter. Vi kommer även att utföra litteraturstudier. 3.1 Internet Internet kommer att användas för att söka information då teknikerna är så pass nya att det inte finns speciellt mycket litteratur i tryckt form. Informationens riktighet kommer att styrkas genom kontroll med experter inom respektive område samt jämföra ett flertal källor. 3.2 Intervjuer Vi kommer att genomföra en rad intervjuer med relevanta personer som är kunniga inom de olika områdena. På så sätt kommer vi ges vägledning och informeras om vad som finns att tillgå och vad som i praktiken fungerar. 3.3 Litteraturstudier Vi kommer att använda oss av litteraturstudier för att fördjupa oss i de tekniker som vi blir rekommenderade vid våra intervjuer. Internet kommer att bli den huvudsakliga källan då de berörda teknikerna är av spjutspettskarraktär och det ännu inte finns så mycket material tillgängligt i tryckt format. 3

10 4 ODB I det här kapitlet kommer vi att gå igenom format, kvalitet, komprimeringsteknik, transmissionsteknik, kryptering, hårdvara och kostnader. Inom de olika områdena kommer tänkbara alternativ att presenteras grundligt med avseende på för/nackdelar och om de överhuvudtaget är intressanta. Systemet behöver vissa nyckeldelar, en multiplexor (MUX) för uppdelning av signalen för transmission över de olika näten (GPRS, GSM och WLAN). En codec som ska användas för att koda signalen till det format som är bäst lämpat eg. MPEG-4 eller JPEG2000. Dessutom behövs något för att välja vilken del eller hur mycket av bildströmmen som ska skickas, bildströmmen sparas i fullkvalitet på någon form av lagringsmedia. Fig. 4.1 Skiss över hur systemet kan tänkas se ut rent tekniskt. Ett av de grundläggande problemen i projektet är att komprimera bilden tillräckligt mycket för att med god kvalitet kunna skickas i trådlösa nät. Då fördröjningsacceptansen mellan kameran och studion är mycket liten ställs mycket höga krav på komprimering och transmissionsteknik. Fig. 4.2 problematiken mellan komprimering och transmission 4

11 4.1 Format och Kvalitet Format och kvalitet har i huvudsak diskuterats fram i samarbete med personal på SVT, vi har även tagit fram en del egna förslag på format. Bandbredden och komprimeringsgraden är det som styr vilken kvalitet och format som är möjlig att uppnå. När man vill uppnå höga bandbredder i trådlösa nätstrukturer kan det vara svårt att garantera en stabil och hög uppkopplingshastighet. För att räkna ut den ungefärliga bandbreddsåtgången kan nedanstående förhållande användas: Fig. 4.3 Förhållande mellan bandbreddsåtgång och kvalitet. Minimal kvalitet: För ett nyhetsinslag med ett normalt nyhetsvärde är lägsta acceptabla bildkvalitet S-VHS med konstant ljud i god kvalitet. Då nyhetsvärdet är högt kan en lägre bildkvalitet accepteras, till exempel under kravallerna i Göteborg vid EU-toppmötet skulle en ganska låg bildkvalitet kunnat accepteras för att direkt kunna illustrera demonstranterna som sprang förbi och kastade gatstenar. Ett bra exempel då nyhetsvärdet är högt och bildkvaliteten är låg med relativt bra ljud är några av de första bilderna som skickades från Irakkriget. Bilderna var av exremt dålig kvalitet, det syntes enbart konturer av stridsfordon och spårljus till bilderna var det ljud och speaker av skaplig kvalitet. De extremt dåliga bilderna var acceptabla eftersom nyhetsvärdet var mycket högt och det fanns ljud med i bilden. Ett konstant ljud av god kvalitet kan i många fall uppväga en bild av sämre kvalitet. Önskvärd kvalitet för systemet är självklart så hög så möjligt med en ambition att uppnå DV kvalitet. Tänkbara format: Alla format har konstant ljud av god ljudkvalitet. Format 1 Vid god bandbredd körs en streamande videosekvens med ljud i så hög kvalitet som möjligt i helfönster. Den minsta möjliga bandbreddsåtgången för det här formatet är ca 1Mb/s. Format 2 Vid lägre bandbredder, då inte kvaliteten duger för full storlek, visas bilden i halv eller kvarts ruta med konstant ljud. Format 3 Vid extremt låg bandbredd räcker inte kvalitetn att köra strömmande bilder, då skickas istället konstant ljud i god kvalitet och en högupplöst bild ca var 5:e till 10:e sekund. Fig. 4.4 Format 1 Format 2 Format 3 5

12 4.2 Komprimeringsteknik Med tanke på de höga kraven på kvalitet och den låga bandbredden ställs det mycket höga krav på komprimeringen av bild och ljud. I ursprungsidén antogs MPEG-4 vara en lämplig komprimeringsteknik, vi har även valt att studera en annan ny teknik JPEG2000. Eftersom de båda teknikerna är helt nya, är det förenat med stora svårigheter att få tag på litteratur och kompetens om vad som fungerar i praktiken. Det som finns skrivet är specifikationer och riktlinjer men få färdiga tekniska lösningar finns. Vi har varit i kontakt med Robert Forsheimer, chef för image coding group vid Linköpings tekniska universitet, som har hjälpt oss med fakta och frågeställningar. Fig. 4.5 Komprimeringskvarnen MPEG-4 MPEG-4 är inte bara en komprimering, det är en verktygslåda med olika algoritmer för komprimering och dekomprimering. Man kombinerar de olika verktygen för att få den komprimering man vill ha. Om inte rätt verktyg existerar finns det möjligheter att lägga till egen för ändamålet anpassad kod. MPEG-4 är mycket flexibelt, det kan skickas i bitrates mellan 5Kb/s till 1Gbit/s och upplösningar från mobiltelefonfönster till studiokvalitet. Intressant för projektet är bildkomprimering av pixelbaserade bilder och videostreams. Den del som används för avancerad videokodning heter h.264. För ljud finns ett verktyg som heter MPEG-4 AAC. Fig. 4.6 Verktygslådan MPEG-4 h.264 Är en del av MPEG-4-verktygslådan men den kan också tillämpas som en egen komprimering. H.264 utvecklades av ITU-T VCEG och ISO/IEC MPEG som arbetade tillsammans för att skapa en ny standard för bildkomprimering. Tanken med h.264 är att den ska kunna användas i allt från mobiltelefoner till HDTV i studiokvalitet. Systemet ska också kunna användas till videokonferenser där det behövs tvåvägskommunikation, men även till broadcasts och streaming trafiken är helt enkelriktad. Komprimeringstekniken är på många sätt lik den som återfinns i vanlig MPEG men kodningen är ändå smartare. De nya tekniker som används gör att h.264 sparar upp till 50 % av överföringshastigheten jämfört med tidigare algoritmer i MPEG-4. Datatakten brukar variera mellan 500 kb/s till 6 Mb/s. Den första siffran gäller för VHS-kvalitet eller sämre och för relativt "snällt" bildmaterial, dvs. inte för kraftiga rörelser. Den högre siffran motsvarar DVD-kvalitet för i stort sett vilket bildmaterial som helst. 6

13 MPEG-4 AAC AAC är det ljudkompringsverktyg i MPEG-4 som lämpar sig bäst för den här typen av ljud. Den är en vidareutvecklig av tidigare komprimeringstekniker i MPEG-familjen, som nu har blivit än mer effektiv. Den är 100 % effektivare än Layer II och 30 % effektivare än Layer III. Den stödjer ett stort antal samplingsfrekvenser mellan 8-96 khz och datahastigheter mellan kb/s och allt från 1 till 48 ljudkanaler JPEG 2000 Är en ny internationell standard för bildkomprimering. Det är uppföljaren till det välkända JPEG. JPEG2000 baseras på så kallade wavelets. Teorin bakom waveltes är en matematisk funktion för digital signalbehandling som fungerar på ungefär samma sätt som fouriertransform. Principen är att matematiska funktioner kan beskriva olika våglängder. Genom olika ingångsvärden i funktionen kan en mänga olika våglängder beskrivas. Det gör komprimeringen väldigt bra, i vissa fall kan man komprimera ner till 25 % av JPEGkomprimering utan kvalitetsförluster. JPEG2000 kan även vara lossless eller inte dvs. det går att komprimera utan att bilden förstörs vid komprimering. För att komprimera JPEG2000 krävs det ungefär 4ggr större processorkraft än vanlig JPEG. I JPEG2000 finns metoder för att eliminera den blockighet som kan uppstå i vanlig JPEG Slutsats komprimeringsteknik MPEG-4 h.264 är den komprimeringsteknik som lämpar sig bäst för ODB. h.264 är enligt Robert Forsheimer effektivare i sin komprimering än JPEG2000. Intresset för h.264 är mycket stort vilket driver på utvecklingen av användbara kretsar. Det har även börjat komma kameror som använder MPEG-4 kodning på marknaden. Tekniken är relativt ny och standarden beskriver enbart avkodaren, eftersom det ännu inte kommit speciellt många encoders är det svårt att säga exakt hur bra komprimeringen är, eftersom det är i encodern som den slutliga kvaliteten bestäms För ljudkomprimering används MPEG-4 AAC. 7

14 4.3 Transmissionsteknik Transmissionstekniken är under ständig utveckling och de olika operatörerna är väldigt förtegna om vad som komma skall. Genom samtal med operatörer, hårdvarutillverkare och experter inom området så kommer den här delen av rapporten pressentera en rad olika tekniker: 3G, GSM (GPRS, HSCSD och Edge), RadioLAN(WLAN och LMDS/FWA) och BlueTooth. Fig. 4.7 Det trånga transmissionsröret. I beskrivningen till ursprungsidén antogs följande Transmissionssystemen som vi ser det idag är Bluetooth, UMTS och RadioLAN. UMTS delen är det landstäckande systemet där man använder 3 samtidiga UMTS koppel multiplexerade till c:a 1Mbits kapacitet. Redan 1 kanal på 384 kbit ger en bild medan 3 kanaler ger fullgod transmission.. Överföring Ett problem med luftburen transmission är att datamängden uplink ofta är betydligt lägre än downlink. Det beror i allmänhet på en rad olika faktorer. Sändarna i de mobila enheterna kan av flera anledningar inte vara så starka. Dels på grund av att det går åt mycket ström, dels för att strålningen ökar med sändarens styrka vilket då kan överstiga PTS gränser. Från basstationerna till de mobila enheterna är förhållandena annorlunda, basstationerna är stationära och har tillgång till ström och de är inte placerade någon centimeter/meter från huvudet och därmed är strålningsrisken mindre. När signalerna sänds ut från basstationen skickas paketen efter varandra och är då inget problem att synkronisera. Signalerna som kommer in från användarna är inte synkroniserade med varandra och de sända paketen kommer att krocka med paket skickade från andra Fig. 4.8 Risken med strålning användare. I dag är den typiska användaren mer intresserad av att ta emot information än att sända. 8

15 Fig. 4.9 Paketen skickas synkroniserat ut från basstationen inga krockar sker. Fig. 4.10Paketen som tas emot av basstationen från de mobila sändarna är inte synkroniserade med varandra och krockar sker vid basstationen. Täckning Eftersom det är viktigast att så många människor som möjligt får tillgång till de mobila näten är de byggda på de platser där folk bor eller vistas. Detta gör att det inte kommer att finnas någon mobil täckning i större utsträckning i de områden som är mindre befolkade. Överföringshastigheten som uppnås beror på avståndet till närmaste basstation. Är kameran placerad långt från närmaste basstation blir överföringshastigheten låg och därmed upplösningen och/eller bildfrekvensen låg G 3G som den tredje generationens mobiltelefoni kallas för här i Sverige är en av de tre grenar som finns inom UMTS (Universal mobile telecommunications system) tekniken. De tre olika grenarna kallas Cdma2000, Td-dma och WCDMA som är den teknik som används i Europa. Namn Cdma2000 Td-dma WCDMA Fördel, område Använder gamla NMT-master, utvecklas för närvarande för Japan. Billigt, Kina. Bra för storstäder, Europa, Sverige. Ett system av den här typen erbjuder en betydligt högre kapacitet än tidigare mobiltelefonnät kunnat erbjuda. Till en början kommer överföringshastigheterna inte att vara så höga men de kommer att öka med tiden. Även om tekniken finns och det är teoretiskt genomförbart så kommer inte kapaciteten bli högre än vad operatörerna beslutar. Operatörerna är mycket förtegna om den framtida utvecklingen av näten på grund av konkurrensskäl. Sändningsteknik 3G utnyttjar frekvenser runt 2GHz, frekvensspektrumet är mycket bredare än i tidigare mobiltelefonsystem. Alla paket som tillhör ett samtal eller en dataöverföring märks upp med en unik kod som används för att filtrera fram de intressanta paketen, moduleringstekniken för filtreringen kallas för WCDMA här i Europa. Överföringshastigheter som kommer att erbjudas i start skedet är 384kb/s downlink och 64kb/s uplink. En av anledningarna till att basstationerna ligger så nära varandra är en pilot-ton som inte får understiga fältstyrkan 9

16 54µV/m. En annan anledning är att kapaciteten är mycket avståndsberoende, de tidigare nämnda hastigheterna skall kunna uppnås inom basstationens räckvidd, på kortare avstånd kan hastigheten teoretiskt bli mycket högre. Ett problem i tekniken är att alla användare får dela på en begränsad bandbredd, är det många enheter som sänder och tar emot i närheten av varandra så påverkas överföringshastigheten negativt. Från början var visionen att använda flera stycken multiplexerade UMTS uppkopplingar parallellt för att uppnå en hög bandbredd. Efter samtal med Aurelian Bria framkom att det är möjligt att parallellkoppla flera stycken UMTS sändare för att uppnå en högre kapacitet, detta ger dock ingen större vinning, möjligen kan man komma upp i en hastighet runt 100kb/s. Utbyggnad I UMTS tillstånden som delats ut lovar de berörda operatörerna att täcka 99,98 procent av Sveriges befolkning till årsskiftet 2003/2004, detta har dock inte varit fullt möjligt på grund av byggnadslovstvister. I dagsläget är det bara en operatör som har öppnat sitt nät för kommersiellt bruk och det är företaget Tre. Teliasonera planerar att lansera sitt 3G nät i mars 2004, de andra stora operatörerna vill inte kommentera när de tänker lansera men förmodligen blir även det under våren G-tillstånd Post- och telestyrelsen, PTS, beslutade den 16 december 2000 att tilldela följande operatörer 3G-tillstånd: Europolitan (numera Vodafone), HI3G (numera Tre), Orange och Tele2. Tele2 och Teliasonera har bildat ett gemensamt bolag, svenska UMTS-Nät AB, för 3G vilket gör det möjligt för Teliasonera att erbjuda ett 3G nät. Fördelar/nackdelar 3G erbjuder en högre bandbredd än GSM. Kapaciteten i basstationerna är mycket högre än GSM, det är möjligt med väldigt många olika uppkopplingar simultant. Tillgängligheten i 3G kommer aldrig att bli större än i GSM, men den är avsevärt mycket större än t.ex. WLAN. En nackdel är den koncentrerade befolkningen, de 99,98 procenten människor bor i samma områden och därför är inte täckningen i yta räknat alls lika imponerande GSM GSM är den andra generationens mobiltelefoni. GSM har sedan starten utvecklats mycket och har bland annat byggts ut med extra frekvensband och GPRS. GSM är en teknik som är väl utbyggd och har god täckning i de flesta välbefolkade områden i Sverige. Sändningsteknik I Sverige används två olika frekvensområden GSM 900 och GSM Frekvenserna delas upp i block om 200kHz, varje block kallas för en kanal. Varje kanal hanterar 7 samtal och styrsignaler. GSM har en överföringshastighet på 9.6kb/s, hastigheten kommer inte att ändras och GSM kommer att finnas parallellt med de nyare standarderna. Då dessa till en början, förmodligen aldrig kommer uppnå samma täckning. Utbyggnad Är redan väl utbyggt i Sverige och täcker de områden där människor befinner sig så som tätorter, vägar och turistmål. 10

17 GPRS GPRS utnyttjar de tidsluckor som uppstår i GSM-trafiken till att skicka data. Dataöverföring har inte samma krav på direkt överföring som tal och kan därför med fördel utnyttja transmissionssättet. Som exempel så kan en slot ge en hastighet i GSM på 9,05-13,4 kb/sek och om man använder en som kan hantera två så kan en maximal hastighet på 20 kb/sek uppnås. HSCSD HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) är effektivare än GPRS men kretskopplat istället paketförmedlat. Transmissionskapaciteten är något högre än den som uppnås med GPRS. EDGE EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) utnyttjar likt GPRS de tidsluckorna som uppstår i den vanliga GSM-trafiken men är 2-3 gånger effektivare. Eftersom systemet kan implementeras i det redan befintliga GSM-nätet ger det en hög täckningsgrad. Fördelar/nackdelar GSM är från början konstruerat i huvudsak för tal, efter hand har systemet anpassats för dataöverföring. Nackdelarna är låg bandbredd och när många ringer samtidigt räcker inte alltid basstationernas kapacitet. Enligt Gerald McGuire på KTH har det gjorts försök med 8st parallellkopplade GPRSmoduler över GSM. En sån här multiplexering skulle kunna ge en överföringshastighet på mellan 50 och 60 kb/s WLAN WLAN, trådlöst nätverk som är en öppen standard där alla har rättighet att sända inom tilldelade frekvensband. Tekniken har relativt hög kapacitet och används både på företag och i hem för att slippa kablar samt få en god mobilitet, tekniken är även relativt billig. I storstäder har ett flertal företag börjat bygga publika WLAN. Sändningsteknik Idag finns tre system, IEEE b, IEEE g och IEEE a g är bakåtkompatibla med b. Typ Hastighet (Mb/s) Frekvens (GHz) IEEE802.11b 11 2,4 IEEE802.11g 54 2,4 IEEE802.11a 54 5 Avståndet till basstation är mellan 50 och 400 meter men för att komma upp i de hastigheter som är intressanta för projektet så går avståndsgränsen vid ca 50 m. WLAN har en förhållandevis hög overhead, exempelvis b som i dagsläget är det mest använda systemet är dataöverföringen ca 5-6 Mb/s och resterande används till felkorrektion, kryptering och annan overhead. Utbyggnad I dagsläget så finns det ett flertal operatörer som bygger ut publika WLAN så kallade hotspots. Näten byggs i första hand ut i affärstäta områden så som flygplatser, hotell och caféer. Kunderna kan i dessa nät lösa olika typer av abonnemang t.ex. månads, dag mm. Exempel på några operatörer; Telia (homerun) de har ca 500 hotspots i Sverige och ca 1750 utomlands, Defaultcity och Amazingports. I tätorter så finns det även ett inofficiellt WLAN 11

18 där företag och privatpersoners basstationer läcker täckning, den här typen av nät är den mest heltäckande och kallas ofta för parasitnät. Att likt en parasit utnyttja de här läckagen för att skicka sin information kan verka oetiskt. Mats Övergård på PTS säger: Jag kan inte se att det skulle finnas några problem med att sända i andras nät. Det blir upp till den som sätter upp en accesspunkt att se till att låsa den för obehöriga om han så vill.. Fördelar/nackdelar Hastigheten är en klar fördel, tyvärr påverkas hastigheten negativt proportionellt mot antalet användare, vilket gör det svårt att garantera en tillräcklig bandbredd i de publika näten. Täckningen är ett annat stort problem, de publika näten byggs enbart ut i affärstäta områden. De så kallade parasitnäten ger en god täckning i storstäder, men där är pålitligheten ett problem då inga garantier ges för accesspunkternas onlinestatus FWA/LMDS FWA är en teknik för att trådlöst skicka stora mängder information över ganska långa avstånd. När man söker tillstånd på PTS så är det för att skicka information mellan två fasta punkter, t.ex. från en byggnad till en annan. Tillstånd har delats ut av PTS till ett antal olika företag. Sändningsteknik Dataöverföringen kan göras med en mycket hög hastighet. På kortare avstånd, inom en 4km radie så erbjuder systemet en överföringshastighet på mellan 10 och 30 Mb/s, på upp till 10km avstånd avtar överföringshastigheten successivt. Avståndet mellan basstation och mottagaren kan vara så stort som 6-8 kilometer och det är mycket mer än andra system med liknande prestanda. För att uppnå de här hastigheterna och avstånden krävs parabolliknande antenner på både sändare och mottagare som är riktade mot varandra. Eftersom sändare och mottagarna är så snävt riktade mot varandra så är det möjligt att lägga olika sändare på Fig Punkt A till punkt B med vinkelsektorer. samma frekvens i kors för att utnyttja luftrummet maximalt. Däremot kan man inte lägga dem parallellt efter som risken finns att de stör varandra. Utbyggnad PTS har delat ut tillstånd för FWA i 26 och 28 GHz-banden samt i 3,5 och 10,5 GHz-banden. I 26 och 28 GHz-banden har PTS delat ut fyra stycken nationella tillstånd i FWA till Broadnet Norge AS, TeliaSonera AB, Quadracom Wireless AB och Vodafone AB. 21 regionala tillstånd har tilldelats i 3,5 GHz-bandet. I 3,5 GHz-bandet finns även två nationella tillstånd. Därmed finns inga tillstånd tillgängliga för ansökan i 3,5 GHz-bandet. 12

19 Följande tillstånd har tilldelats i 3,5 och 10,5 GHz-banden. Band (GHz) Bolag Orter 3,5 AB Stokab Stockholms län 3,5 & 10,5 Gotlands Energi AB Gotlands län 10,5 Göteborg Energi Gothnet AB Västra Götalands län 3,5 & 10,5 HallWan AB Hallands län 3,5 Jämtkraft Telecom AB Jämtlands län 3,5 Norrsken AB Gävleborgs län 3,5 & 10,5 Paradigm Communication Systems Ltd i Dalarnas, Södermanlands, Uppsala, Värmlands, Västmanlands och Örebro län samt 10,5 GHz i Östergötlands län 3,5 Quadracom Wireless AB Blekinge, Jönköpings, Kalmar, Kronobergs, Norrbottens, Västerbottens, Västernorrlands, Västra Götalands och Östergötlands län 3,5 Region Skåne Skåne län TeliaSonera AB nationellt 3,5 Interloop AB nationellt Fördelar/nackdelar Fördelar är långa avstånd mellan sändare och mottagare och en hög överföringshastighet. Nackdelar är att systemet bara kan användas från fasta punkter och att den tekniska apparaturen är stor och otymplig. Systemet är inte anpassat för att transporteras utan ska vara fast monterad Bluetooth Är till för kortare sträckor och för att koppla ihop olika apparater med varandra. Det används sällan för nätverk utan snarare som ett substitut för kabel. Sändningsteknik Bluetooth sänder på frekvensen 2,5 GHz och har en överförningshastighet på 780kb/s. Det finns 2 olika klasser på bluetooth dels en med en svagare sändare som går runt 10 meter, dels en med kraftigare sändare som går runt 100 meter. En ännu starkare variant är under utveckling, som är tänkt att klara upp till en kilometer. Utbyggnad Nätet är inte utbyggt för allmänheten, men med den starkare sändaren finns det en teoretisk möjlighet att bygga publika nät, men det är dock inte troligt att någon är intresserad av att bygga på grund av den låga överföringshastigheten. Fördelar/nackdelar Nackdelarna är för korta avstånd, finns inte utbyggt i någon form av publika nät och för låg hastighet. Fördelen är att det är billigt. Det skulle till exempel kunna användas för att koppla ihop mikrofonen med sändningsmodulen i kameran. 13

20 4.3.6 Slutsats transmission Projektet kräver en stabil uppkoppling med hög kapacitet och god täckning. Ingen av de ovan nämnda transmissionsteknikerna klarar enskilt eller ihop att uppfylla dessa kriterier. Innan 3G-standarden specificerades i Sverige var förväntningarna skyhöga, där hastigheter upp till 10 Mbit/s både uplink och downlink nämndes. I dagsläget när systemet är under utbyggnad och systemen används är hastigheterna betydligt lägre än de som nämndes i specifikationen, 64k uplink och 384k downlink. Bevisligen var man väl optimistisk till de olika transmissionsteknikerna i ursprungsidén. 3G har idag både för låg överföringskapacitet och dålig täckning, men kan med fördel användas som ett bra komplement, men aldrig fungera som enskild uppkoppling även om täckning och överföringshastighet kommer att öka med tiden. GSM har för låg hastighet för att enskilt klara av överföringskapaciteten, men GSM har ett väl utbyggt nät som kan användas för överföring av mindre datamängder som tal. WLAN har god hastighet som i de flesta fall skulle räcka till, men då flera användare delar på en accesspunkt kan även bandbredden bli ett problem. Det största problemet med de publika näten är ändå täckningen. Parasitnäten kan ge en god täckning i storstäderna, men då omfattningen av examensarbetet inte rymmer att göra en fullständig utredning av huruvida parasitnät är utbyggt och fungerar, kan vi varken rekommendera eller avråda från denna lösning. FWA/LMDS kan inte användas mobilt, sändare/mottagare måste vara monterade på en fast punkt. Bluetooth är endast till för kortare avstånd och kommer aldrig att finnas i någon form av kommersiell nätstruktur. Teknik Del-tekniker För/nackdel 3G Långsamt, dålig täckning. GSM GPRS,EDGE,HSCSD Långsamt WLAN b, g, a Dålig täckning FWA Enbart fasta punkter och fri sikt. Bluetooth Inte konstruerat för överföring av den här typen 14

21 4.4 Kryptering Vid samtal med Gunnar Kihlander på SVT framkom att kryptering inte är nödvändigt på material som är aktuellt för dem. För material som SVT skickar idag används ingen särskild kryptering. Materialet är inte hemligt och kommer senare sändas ut, om någon får se materialet strax innan det sänds så är ingen större skada skedd. Då ODB systemet är tänkt för den här typen av sändning så utreder vi inte krypteringsfrågan närmare då den är onödig. 15

22 4.5 Kostnader/ekonomi Dagens teknik för direktsändning är väldigt kostsam, då det krävs specialutbildad personal och dyr utrustning i form av bil med satellitlänk. Dessutom är det mer tidskrävande att förflytta och koppla upp utrustningen. Tid är pengar. Med en ODB-lösning skulle kostnaderna för direktsändning kunna minskas radikalt. Eftersom som utrustningen inte är större än att den får plats i en vanlig kameraväska kan en fotograf och en reporter åka bil eller använda kollektiva färdmedel för att ta sig till platsen. Tillgången på mobil satellitlänk är väldigt begränsad, SVT har till exempel bara en bil för satellitlänk i Stockholm och en större modell i Malmö. En satellitlänks-bil kostar runt 4 miljoner kronor i inköp. En ODB skulle kosta under vilket skulle ge ca 40 stycken per inköpt satellitlänks-bil. Själva överföringen kostar kronor per minut med satellitlänk medan en ODB skulle kosta ca kronor. Typ Personalåtgång kronor/min Inköpspris Satellitlänk 2 pers ODB 2 pers Ca

23 4.6 Hårdvara I kameran skall det finnas realtidskomprimeringsutrustning, någon form av lagringsmedia (hårddisk, band, flashminne), uppkopplingsmodul och antenner. Det är viktigt att kameran inte blir för tung eller otymplig eftersom den ska vara smidig att använda och lätt att ta med. Exakt vilka komponenter som skall användas tar vi inte upp här då detta bara är en förstudie för att undersöka om det överhuvudtaget är möjligt att genomföra projektet. Fig ODB-kamera med antenner för trådlös kommunikation. 17

24 5 Slutsats I inledningsfasen av projektet fick vi en beskrivning med en idéplan på olika tekniker och lösningar. Mot bakgrund av dessa uppgifter föreföll projektet fullt genomförbart, problemet låg bara i hur de olika teknikerna skulle kombineras. Teknikerna som har studerats är av spjutspetskaraktär, därför har informationen om dessa bitvis varit mycket bristfällig. Om alla inblandade tekniker klarade av att prestera sin teoretiska kapacitet skulle projektet vara genomförbart enligt de riktlinjer vi fick inledningsvis. Vid möten och rådfrågning med experter inom berörda områden har det framkommit ett antal begränsningar. MPEG-4 h.264 är den komprimeringsteknik som lämpar sig bäst för ODB. Intresset för h.264 är mycket stort vilket driver på utvecklingen av användbara kretsar. För ljudkomprimering används MPEG-4 AAC. Minimal kvalitet för den strömmande videosignalen med ett normalt nyhetsvärde är S-VHS, med ovan nämnda komprimeringsteknik krävs då en bandbredd på ca 1 Mb/s. Det ställs höga krav på transmissionstekniken i avseende på stabilitet, kapacitet och täckning. Ingen av de tänkbara teknikerna 3G, GSM och WLAN uppfyller alla kriterier (se slutsats transmissionsteknik sida 29). I dagsläget är klyftan mellan komprimeringsgrad och transmissionskapacitet för stor för att projektet skall vara genomförbart enligt de krav som finns. En möjlighet i dagsläget är att skicka konstant ljud och en stillbild var 5:e sek, där en kombination av 3G och GSM används för transmission. En starkare känsla av direkt från platsen skulle upplevas, jämfört med dagens stillbild på reportern eller bara en telefonlur. Enligt Gunnar Kihlander på SVT så är detta ett intressant alternativ, den här modellen skulle även kunna tillämpas som en ODB för radions DAB. WLAN modell Parasitnät kan eventuellt vara en lösning för transmissionen av ODB i tätorter. Här krävs dock en ordentlig kartläggning av täckning, tillgänglighet och stabilitet. 18

25 6 Referenser 6.1 Internet Transmissionsteknik G GSM Radiolan FWA/LMDS Komprimeringsteknik MPEG JPEG

26 DG.se535.dbp.asp Diskussions och Intervju personer Bo Jedeskog, KTH-AMT Aurelian Bria, Gerald Maguier, Patrik Rydberg, KTH-AMT Jan-Olov Strömberg, KTH-math Magnus Lundevall, Ericsson Gunnar Kihlander, SVT Leif Hedman, STV Anders Grundell, SVT Leif Ahlqvist, SVT Anders Nyberg, SVT Alf Johnson, Teliasonera Tommy Lindroth, Teliasonera Robert Forsheimer, chef för image coding group vid Linköpings tekniska universitet. 20