37MK Mobilní komunikace Video v mobilních sítích Jiří Welser 5. ročník 2006-2007
Stručný vývoj mobilních sítí Mobilní sítě prošly poměrně rychlým vývojem. Od analogových sítí 1. generace se přešlo na již digitalizované sítě 2. generace (2G). 2G sítě byly schopny nabízet hlasové i datové přenosy, a však fungovali stále ne principu přepojování okruhů. Mimo jiné i vysoká poptávka po datových službách ze strany zákazníků vedla k vytvoření efektivnějších metod přenosu v mobilních sítích. Proto byly vytvořeny prostředky pro zavedení paketových přenosů do stávajících GSM sítí se zachováním současných technologií. To vedlo ke vzniku nové technologie GPRS ( General Packet Radio Service), která nabízí vyšší přenosové rychlosti. Sítě využívající GPRS jsou označovány za sítě 2,5G. V současné době jsou v provozu již sítě 3G založené na technologii UMTS nabízející opět o něco vyšší přenosové rychlosti, i když teoretických předpokladů nedosahují. Přenos videa Video pro mobilní koncová zařízení má svá specifika. Díky menšímu displeji je požadované rozlišení nižší než jsme zvyklí např. z PC nebo televize. A také počet snímků zobrazených za sekundu může být v tomto případě menší. Spolu s těmito skutečnostmi se navíc pro kompresi videa v mobilních sítí využívá kodeků s vysokým kompresním poměrem např. MPEG-4. Výsledkem je video s malým datovým tokem od desítek kbit/s. Sítě 2,5G a 3G tak splňují předpoklady pro přenos tohoto videa. Dalším úskalím v této oblasti mobilních komunikací je výdrž mobilních zařízení. Neboť tato zařízení jsou napájena bateriemi a při přenosu videa jsou na ně kladeny vysoké nároky na spotřebu energie. V případě streamovaného videa, kdy je přenos malou rychlostí kontinuální, musí zařízení neustále přijímat signál a má tím pádem vysokou spotřebu. Vyvíjejí se proto jiné způsoby přenosu, kdy jsou data vysílána v rychlých a krátkých sekvencích. Mobilní zařízení přijímá jen po dobu této sekvence a do vyslání další sekvence je v klidu. Každá sekvence pak obsahuje údaj o tom kdy má zařízení opět začít přijímat. Tímto způsobem je ušetřena podstatná část energie a prodlouží se výdrž mobilního zařízení. Streamované video Streamované video přínáší výhodu v tom, že ho lze sledovat, aniž bychom museli nejprve stáhnout celý soubor. Ovšem na druhou stranu má přísné požadavky na kvalitu služby (QoS) poskytovanou přenosovou sítí: maximální ztráty paketu by se měly pohybovat do max 2% a maximální jednosměrné zpoždení do 5s. Konkrétní garantovaná šířka pásma závisí na formátu kódování a rychlosti toku videa. Na pomalých bezdrátových spojích bylo dosud obtížné dosáhnout potřebné kvality obrazu vnímané uživatelem. Proto se vyvíjejí nové algoritmy ke zlepšení kvality streamovaného videa pro mobilní zařízení. Systém před odesláním na mobilní zařízení obrazový soubor nejprve zkomprimuje a některá data v obrazu vynechá. Přijímající zařízení pak použije vektor pohyblivosti pro aproximaci a znovuvložení chybějících částí obrazu. Mobilní zařízen je schopné zpracovat obrazový materiál vysílaný rychlostí 4 až 7 rámců za sekundu, ikdyž pro přijatelnou kvalitu videa je potřeba alespoň 15 rámců za sekundu. Nový algoritmus totiž umožňuje přesnější intrapolaci nových rámců, takže dokáže až zdvojnásobit rychlost přenosu rámců. Tuto technologii lze aplikovat na všechna mobilní zařízení, jejichž platformy podporují streaming video a pracují s vektorem pohyblivosti.
Mobilní TV S rozvojem přenosu videa v mobilních sítích se čím dál častěji objevuje i spojení mobilní TV. Otázky kvality příjmu a zobrazení na displeji již nepředstavují velkou potíž. Problémem zůstává existence několika technologických přístupů k přenosu TV v mobilních sítích a výběr toho nejvhodnějšího s ohledem na shodu v této oblasti není jednoduchý. Pro vysílání na mobilní zařízení tedy vzniklo několik specifikací : V Evropě DVB-H (Digital Video Broadcasting for Handhelds, založené na DVB T) a DMB (Digital Multimedia Broadcasting, založené na normě Eureka-147 DAB, Digital Audio Broadcasting) v Japonsku ISDB T (Integrated Services Digital Broadcasting using Terrestrial networks) a v USA Media FLO (Forward Link Only). Všechny specifikace se musejí nějakým způsobem vypořádat s několika problémy. Jednak ej vyžadována určitá šířka pásma pro přenos obrazu i zvuku v reálném čase a jednak se jedná o vysílání (broadcasting), což je způsob přenosu signálu všem, nebo skupině uživatelů, k němuž ovšem mobilní sítě nebyly principiálně určeny. Vývoj naznačuje spíše vhodnost kombinace mobilní sítě se sítěmi televizního vysílání. Sítě pro televizní vysílání jsou navrženy pro skupinové vysílání (multicast), až vysílání všem (broadcast), zatímco v mobilních sítích se komunikace většinou odehrává s každým uživatelem jednotlivě. Mobilní TV v Evropě Studie v EU prokazují, že 17 členských zemí včetně ČR sází na technologii DVB-H, která největšího úspěchu dosahuje v Itálii. Další vsadily naopak na technologii DMB. Patří mezi ně zejména Velká Británie, a dále Německo. Své rozhodnutí ve prospěch DMB již oznámila i Francie a další země jako Irsko, Itálie, Portugalsko či Švédsko již DMB zkouší, nebo rovněž plánují její nasazení. Co do počtu nasazení je právě DMB dokonce jasně nejúspěšnější nejen v Evropě, ale i mimo ni. Například v Číně nebo v Jižní Koreji, kde byl zaznamenán vysoký prodej mobilních zařízení schopných příjmu vysílání na bázi DMB. DMB vs. DVB-H Mezi technologiemi DMB a DVB-H je zajímavý rozdíl i v tom, jaké mají požadavky na kmitočty. Zatímco DVB-H je odvozeno od klasického televizního vysílání DVB-T, a je pouze upraveno pro potřeby mobilního příjmu. Například tak, aby přijímač nemusel být stále na příjmu a mohl tak šetřit energií. Nebo menším rozlišením obrazu, které umožňuje vměstnat do jednoho digitálního multiplexu (DVB-H multiplexu) více programů, až 40. I přesto však DVB-H potřebuje klasické televizní frekvenční kanály, stejně jako DVB-T. Tyto kanály ovšem zatím nejsou k dispozici a čeká se až na digitální dividendu (na to, co zbude po vypnutí stávajících analogových televizních vysílačů). Naopak DMB je odvozené od "rozhlasového" standardu DAB, a má ještě jednu "sestru", která také slouží potřebám mobilního televizního vysílání (standard DAB-IP, používaný hlavně v Británii). DAB pak využívá rozhlasové frekvenční kanály, které mohou být přeci jen dostupnější než dosud neuvolněné části digitální dividendy. Na druhou stranu DMB (i DAB-IP) předpokládají menší počet souběžně vysílaných programů než DVB-H, a jsou proto vhodnější pro "menší" a více lokalizovaná vysílání než DVB-H.
obr. 1 princip vysílání DVB-H tab. 1 porovnání DVB-H a streamovaného videa
Kodeky pro mobilní video MPEG-4 MPEG-4 je jeden z nejnovější video formátů a jeho cílem je poskytnout co nejlepší kvalitu při co nejnižším datovém toku 10 kbit/s 1 Mbit/s. Přenos posloupnosti obrazů není pro televizní vysílaní nejlepší způsob. Některé složky (pozadí, titulky...) se přidávají do každého obrazu, ačkoliv jejich samostatné kódování by bylo mnohem jednodušší a úspornější. Proto MPEG-4 kóduje každý druh informace zvlášť vhodnou metodou. Byla zde použita nová metoda pro přístup k objektům obrazu. Celá scéna jednotlivých snímků je rozdělena na objekty a ty pak mohou být zpracovávány separátně. Hlavním výhodou je tedy využití tohoto kodeku pro přenos videa přes internet a při mobilní komunikaci. Oproti předchozím normám přináší navíc mnoho dalších výhod: flexibilní obsah, vysokou znovu použitelnost, správu a ochranu autorských práv, vysoký stupeň interakce a přináší multimédia do dalších sítí s nižším bitrate. H.263 Přenosové rychlosti, kterých dosahujeme u současných bezdrátových sítí jsou z pohledu kódování videa velmi nízké. Kódování pro tyto přenosové rychlosti se označuje jako "Kódování pro velmi nízké přenosové rychlosti" (Very Low Bit-Rate Coding -VLBR). U těchto aplikací se vyžadují vysoký stupeň komprese a odolnost vůči chybám vzniklým při přenosu. Byl vyvinut standard H.263 určený především pro videotelefonii. Standard H.263 vychází z doporučení H.261 a podporuje pět formátů rozlišení obrazu. tab. 2 obrazové formáty H.263 H.263 má hierarchickou strukturu jednotlivých vrstev snímku: Obraz (Picture) Skupina bloků (Group ofblocks -GOB) Makroblok (Macroblock) Blok (Block). Standard H.263 je stejně jako řada dalších založen na hybridním kódování, které využívá predikce a pohybové kompenzace pro snížení časové korelace a transformace snižující prostorovou korelaci obrazových bodů. Pro zvýšení komprese jsou v tomto standardu navrženy čtyři zdokonalené kódovací volby na jejichž použití se musí kodér a dekodér domluvit. Z doporučení H.263 pak vycházejí další standardy nabízející větší počet obrazových formátů a volitelných kódovacích módů.