Next Generation Media

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Next Generation Media Medien für die nächste
Generation

• Prof. Dr. Th. Herfet
• Lehrstuhl für NachrichtentechnikFachrichtung
  Informatik
• GB 22, Raum 10.02herfet_at_nt.uni-saarland.de

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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

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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/handbu
  ch/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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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

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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
  (Maxwellsche-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

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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

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Lehrstuhl Nachrichtentechnik

• MissionTo foster and shape the era of
  audiovisual networking by research and education
  on the technical elements of content retrieval,
  analysis, distribution and management.
• VisionTo 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 todays textual objects.

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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

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Ein neues Paradigma

• Kommunikation
• 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

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Und was gibts 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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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

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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

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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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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

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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
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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

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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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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

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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

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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

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QoS Parameter

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

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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)

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QoS in a Wireless Network
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Infrastructure Wireless Network
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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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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

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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
  EigentumIT Information Technology
• Juristisch Urheberrechtsschutzgesetze
• Technisch bedingt
• analoge Kopien ? Qualitätsverlust physische
  Lieferung ? hohe Vertriebskosten effizienter
  Kopierschutz

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DRM (contd)

• 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)

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Datenströme (Streaming Contents)

• DRM für Dateien eine einzige Autentifizierung/Nu
  tzungserlaubnis/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

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Pay-TV Modell(Gemplus, Oberthur)
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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.

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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)

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Weitere Entwicklung, IP-TV

• Internet Streaming Media Alliance (ISMA) DRM
  Modell
• Während DVB ein In-Band Schema
  verfolgtverfolgen viele alternative Ansätze ein
  Out-of-Band Schema

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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

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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

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Schlüsselhierarchie (Vorschlag)

• Man nehme OMAs 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

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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

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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

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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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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

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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)