• Share
  • Email
  • Embed
  • Like
  • Save
  • Private Content
[Part 2] Analysis and Simulation Of Channel Switching In Mobile Live Multi-Channel TV Streaming
 

[Part 2] Analysis and Simulation Of Channel Switching In Mobile Live Multi-Channel TV Streaming

on

  • 3,756 views

Bagian 2 - Dasar Teori dari Tugas Akhir : Analysis and Simulation Of Channel Switching In Mobile Live Multi-Channel TV Streaming ...

Bagian 2 - Dasar Teori dari Tugas Akhir : Analysis and Simulation Of Channel Switching In Mobile Live Multi-Channel TV Streaming

--
Please contact trough lailiaidi at gmail.com for download request

Statistics

Views

Total Views
3,756
Views on SlideShare
3,734
Embed Views
22

Actions

Likes
6
Downloads
0
Comments
1

5 Embeds 22

http://lailiaidi.blogspot.com 9
http://www.techgig.com 8
http://www.lmodules.com 2
http://www.infoberguna.co.cc 2
http://www.slideshare.net 1

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Adobe PDF

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel

11 of 1 previous next

  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

    [Part 2] Analysis and Simulation Of Channel Switching In Mobile Live Multi-Channel TV Streaming [Part 2] Analysis and Simulation Of Channel Switching In Mobile Live Multi-Channel TV Streaming Document Transcript

    • 2. Landasan Teori 2.1 Real Time Video Streaming Streaming adalah teknologi transmisi pengiriman data, video atau audio secara real time / pre-recorded dari sender ke receiver. Stream adalah aliran paket data berisi konten media tertentu yang di generated oleh streaming media server [9]. Gambar 2-1 : Perbandingan Download dan Streaming [15] Ciri – ciri aplikasi Streaming [13] : Distribusi audio, video atau multimedia secara real time / on demand, transfer media data digital oleh server dan diterima oleh client sebagai real time stream simultan, client tidak perlu menunggu keseluruhan data didownload karena server mengirimkan data yang diperlukan setiap selang waktu tertentu Sehingga, content dapat dijalankan seketika dengan periode buffer pendek dan data yang diterima tidak dapat disimpan permanen atau di-forward oleh client. Gambar 2-2 : Arsitektur Video Streaming [14]
    • Multimedia Streaming adalah transmisi data real time (audio, video, graphic, image, serta text) dari sender ke receiver. Model pengiriman Multimedia Streaming terbagi 2 yaitu: • Live, dimana server meng-capture dan encode serta mengirim stream secara real time • Pre Recorded / On Demand, dimana server melakukan pre-encoded dan menyimpan content lalu mengirimkan pada client saat ada permintaan. Client dapat meng-interupt pengiriman file content tersebut. Mobile Streaming adalah pengaksesan konten streaming dari terminal dengan kapabilitas packet-switched dan streaming media player software melalui jaringan kemunikasi bergerak. Jenis aplikasi pada komunikasi video [16] : 1. Broadcast. Bersifat One-to-all, sender menggunakan channel berbeda untuk tiap receiver, contoh Digital Video Broadcast for Handled / DVB-H 2. Multicast. Bersifat One-to-many, hanya pada client tertentu, contoh IP-Multicast over the Internet, Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) [8] Gambar 2-3 : Multicast Video Streaming [16] 3. Unicast / Point-to-point. Bersifat One-to-one dengan property available back channel yaitu back channel atau tidak. Contoh: Videophone, unicast over the Internet, VOD dan Live Streaming [8] Gambar 2-4 : Unicast Video Streaming [16] Layanan Mobile TV terdiri dari kategori Interactive Mobile TV (contoh DVB-H), Buffered Personalized Infotainment (contoh berita, learning lesson, movie guide), Multiplayer Online Games, Location Bases Traffic Guide, Passive Mobile TV (contoh Schedulle TV Program (no intetactivity))
    • 2.1.1 Teknologi Video dan Audio Digital Kekurangan utama video analog adalah penurunan kualitas ketika dilakukan penyimpanan atau produksi ulang, cacat seperti snow pada gambar karena noise atau efek interferensi. Sebaliknya, video digital merepresentasikan informasi sebagai angka digital, dibuat dengan sampling dan quantisasi sinyal. Variabel yang mempengaruhi kualitas video digital [15]: 1. Frame Rate, yaitu banyak gambar ditampilkan per detik (frame per second / fps). Frame rate digunakan untuk sinkronisasi gambar-suara dan tergantung pada kecepatan koneksi internet. 2. Color Depth / Bit Depth, yaitu banyak warna yang dapat disajikan pada waktu tertentu (bit / second atau pixel / second ). Semakin tinggi Bit Depth maka makin besar ukuran video. Tabel 2-1 : Jumlah warna berdasarkan Bit depth 3. Frame Resolution / Image Size, yaitu jumlah pixel dalam frame (lebar x tinggi). 4. Data Rate / Bit Rate, adalah banyak data yang dikirimkan / detik (bits per second / bps), sangat dipengaruhi oleh Frame Resolution, Bit Depth dan Frame Rate. Penggunaan Bit Rate dan Codec yang tepat dapat menambah kualitas dari data streaming [13]. Tabel 2-2 : Nilai Bit Rate pada beberapa Video Coding Standard [8]. Bit Rate dapat ditentukan dengan strategi berikut [1] : 1. Contstant Bit Rate / CBR adalah mengkonstankan bit rate / frame, buffer dan feedback pada encoding. Strategi ini digunakan pada real-time dan non-buffered video streaming karena ketersediaan bandwidth tetap namun kapastitas channel terbatas, contoh videoconferencing pada channel dengan fixed bandwidth 2. Variable Bit Rate / VBR adalah minimalisir Bit Rate, karena hal ini berbanding lurus dengan distorsi yang terjadi pada setiap frame, contoh DVD.
    • Gambar 2-5 : Perbandingan VBR dan CBR Variabel yang mempengaruhi ukuran pada kompresi audio, yaitu: 1. Sample / Frekwensi Rate, yaitu frekwensi bit yang diambil secara acak (Kilohertz / KHz). Makin tinggi sample rate maka makin baik kualitas audio, namun makin sulit mengatur singkronisasi audio dan video. 2. Sample Size, yaitu banyak bit yang merepresentasikan amplitudo sampel audio. Nilai umum untuk audio codec menggunakan 16 bit – 8 bit sample size. 3. Channel, yaitu jenis audio signal tediri dari Mono atau Stereo. 2.1.2 Kompresi Video Sistem Kompresi (Encoding System) adalah proses mengurangi redudansi data. Encoding Video Streaming terbagi atas Encoding Video dan Encoding Audio. Codec terdiri Coder untuk encoding file sehingga memiliki ukuran lebih kecil dengan memperkecil pixel, lebar, fewer frame, fewer pixel serta Decoder untuk decoding file yang telah di encode dan memainkannya pada receiver. Gambar 2-6 : Mekanisme Encoder dan Decoder [15] Sistem kompresi dipengaruhi oleh Video codec, Audio codec, Bit rate video dan audio, Frame rate video, Frekwensi audio, dan Size video. Kompresi video dilakukan untuk mengurangi redudansi dengan mengurangi dan tidak mengirimkan video signal yang tidak relevan.
    • 1. H-263 Video Codec H263 adalah video codec standar ITU-T yang dipublikasikan pada tahun 1995/1996 yang didesain untuk low-bitrate communication. H263 merupakan update dari pendahulunya, yaitu H261 dengan beberapa kelebihan. Algoritma coding dari H263 sama dengan H261 dengan peningkatan dan perubahan untuk meningkatkan performansi dan error recovery. Perbedaan yang mencolok antar H263 dengan H261 adalah format gambar yang didukung oleh masing-masing. H263 menggunakan 5 standar format gambar, yaitu subQCIF, QCIF, CIF, 4CIF dan 16CIF. Hal ini berbeda dengan pendahulunya yang hanya mendukung format CIF dan QCIF. Perbedaan format didasarkan pada format CIF dengan 352, pixel perbaris, 288 baris dan frekuensi gambar 30.000/1001 yaitu sekitar 29.97 gambar per detik. Tabel 2-3 : Standar format gambar H263 Picture Format Pixels Lines Sub-QCIF 128 96 QCIF 176 144 CIF 352 288 4CIF 704 576 16CIF 1408 1152 2. AMR Audio Codec AMR speech codec adalah standar audio codec dari Third Generation Partnership Project (3GPP) untuk jaringan GSM, UMTS dan WCDMA. AMR memberikan kualitas transmisi suara yang baik dan memiliki efisiensi penggunaan spektrumsehingga cocok untuk next generation wireless dan jaringan packet-switched. AMR codec memiliki 8 rate dengan range antara 4,75 sampai 12,2 kbps. Encoder melakukan 160 sampling dalam waktu 20 millidetik sehingga frekuensi untuk AMR adalah 8000 Hz. Gambar 2-7 : AMR frame structure (3GPP TS 26.101)
    • Header AMR mengandung 4 bit yang menunjukkan mode rate AMR, silence descriptor atau No transmission. Frame quality indicator menunjukkan apakah suatu frame suara dikatakan rusak atau good frame. Mode indication menunjukkan mode rate yang digunakan saat ini sedangkan Mode request meminta pergantian mode rate sesuai kondisi kanal. Codec CRC berfungsi untuk mendeteksi dan koreksi bit error. AMR core frame terdiri dari data suara atau silence descriptor yang dikelompokkan berdasarkan bit class. Bit-bit hasil encoding AMR memiliki kepekaan yang berbeda terhadap bit-error. Bit-bit yang ada pada kelas A adalah bit yang paling sensitif dan tidak boleh mengalami kerusakan. Format payload untuk AMR mendukung Forward Error Control (FEC) dan frame interleaving untuk meningkatkan ketahanan terhadap packet loss. FEC akan melakukan koreksi terhadap bit- error yang terjadi. 2.2 Mobile Video Streaming 2.2.1 3GPP Standarization Third Generation Partnership Project (3GPP) adalah kumpulan kesepakatan antara badan standarisasi telekomunikasi untuk menciptakan spesifikasi teknis global pada jaringan 3G serta maintanence dan pengembangan teknologi GSM [11]. 3GPP Packet Switched Streaming (3GPP PSS) adalah spesifikasi yang mendefenisikan lingkungan kerja interoperable, servis end- to-end streaming pada packet-switched mobile network. Packet-switched streaming dikenalkan pada 3GPP rilis 4 yang juga mendefenisikan basic framework, protokol, codec, dan 3GPP file format. Berdasarkan stadarisasi 3GPP, tipe codec yang dapat digunakan pada layer presentasi yaitu AMR, AMR-WB, AMR-WB+ dan AAC untuk voice dan music audio, H263, H264, MPEG -4 SP untuk video. Kedua nya di-multiplexing dalam format file tertentu. Output format video pada mobilephone umumnya RealMedia (.rm) dan 3GPP (.3gp).
    • Gambar 2-8 : Kompresi pada Mobile Video Streaming [18] Tabel 2-4 : Rekomendasi Konfigurasi Standar 3GPP PSS pada Wireless Network Network Total Bit Voice Audio Music Video FPS Rate Audio GPRS 15 - 25 AMR-NB AAC-LC H.263 or MPEG-4 5 – 6 kbps 4750 - 7950 bps 8 kbps 10 - 20 kbps SQCIF or QCIF UMTS 50 kbps AMR-NB AAC-LC H.263 or MPEG-4 6 – 15 or less 10200 bps 12 - 16 39.8 kbps (voice) kbps 34 - 38 kbps (music) QCIF Protokol IP pada network layer yang dipakai pada mobile video streaming menyebabkan terdapat Best effort, Fragmentation, Routing dan Addressing yang menjadi keterbatasan pada mobile video streaming. Pada platform IP, seluruh paket dikirimkan dengan best effort. Padahal physical layer mempunyai bandwidth yang terbatas dan harus melewatkan paket yang besar dalam waktu bersamaan sehingga tidak ada garansi pada performa pengiriman paket. Beberapa variabel yang mempengaruhi implementasi video streaming pada sistem wireless internet : 1. Mobile device Kualitas komponen mobile device mempangaruhi faktor optimasi penggunaan network bandwidth dan adaptasi media. Faktor yang diperhitungkan seperti Display Type (resolution, size, refresh rate, color capabilities), Audio capabities, storage capacity, Processing power, battery life, end-to-end delay, Maximum frame rate / maximum permissible rate dari display of frames yang berhubungan dengan refresh rate dari device screen [5]. 2. Loss Rate Pada jaringan wireless, loss rate dapat disebabkan oleh bit error dan bursh error. Loss rate dapat menimbulkan kerusakan pada kualitas video hasil rekonstruksi. Untuk menangani hal ini dapat dilakukan dengan Forward Error Control (FEC), retransmission, error concielment dan error resilient [8].
    • 3. Bandwidth Keterbatasan antara dua titik pada jaringan internet secara umum tidak dapat diketahui. Jika sender mengirim data lebih cepat dibanding kesetediaan bandwdith, terjadi congestion, packet loss dan kualitas video yang jelek. Tapi bila sender mengirimkan paket lebih lambat dari bandwidth, maka kualitas video tidak optimal [8]. Gambar 2-9 : Playout Buffer [4] Untuk mengatasi ini dapat dilakukan dengan mencocokan bit rate video yang ditransmisikan dengan estimasi bandwidth (Rate Control) disisi sender / receiver [1] atau menggunakan codec yang tepat. 4. Delay Adalah waktu untuk mengirim paket dari Sender ke Receiver, terdiri dari : a. Source-processing / digitization and packetizing delay, terjadi pada Sender mencakup proses encode dipengaruhi kecepatan CPU, memory dan motherboard. b. Transmission delay / waktu transmisi semua paket, dipengaruhi ukuran paket dan kecepatan transmisi. c. Network delay: • Propagation delay, merupakan fungsi jarak dari Sender ke Receiver. • Protocol delay, komunikasi protokol yang dieksekusi ketika melewati perangkat jaringan dan tergantung pada jenis protocol, trafik jaringan dan konfigurasi hardware. • Output queuing delay, terjadi karena antrian pada jaringan, dipengaruhi network congestion, konfigurasi hardware dan link speed. d. Destination processing delay, waktu rekonstruksi paket disisi receiver, dipengaruhi oleh spesifikasi hardware.
    • Gambar 2-10 : End-to-end delay diagram Faktor terbesar penyebabkan delay adalah antrian paket pada media transmisi. Pada proses streaming, data video dan audio dikirim secara bergantian sehingga menambah delay untuk perhitungan per paket video maupun per paket audio. 5. Jitter Paket yang ditransmisikan diterima receiver dengan delay yang fluktuatif / delay jitter [8]. Karena frame harus dikodekan dan ditampilkan pada rate konstan, maka akumulasi keterlambatan akan menyulitkan rekonstruksi, jika media player tidak mempu meng-encode secara benar, terjadi error packet. Streaming pada pre-recorded / non interactive video dapat ditoleransi dengan long delay (5-15 detik) sedangkan Real-time interactive video tidak dapat (kurang lebih 150 ms) [4]. Tradeoff antara playout delay dan loss (late packet) adalah, makin besar delay maka makin kecil lost packet, atau sebaliknya. Untuk itu digunakan Buffering [8], media player mengumpulkan packet dalam jumlah tertentu pada buffer. Setelah buffer terisi penuh, secara otomatis dilakukan playing oleh client. Client membaca informasi pada buffer dan tetap melakukan proses downloading stream. Proses buffering aplikasi video streaming pada mobile device dilakukan karena storage memory terbatas dan troughput kanal transmisi wireless system rendah / kurang stabil. Mekanisme buffering pada proses playout mengabaikan paket yang melebihi time scheduling / loss, sehingga video tetap sesuai playtime. 2.2.2 Protocol Layer QoS (Quality of Service) menjadi trade off pada mobile video streaming untuk
    • mendapatkan performa pengiriman data real-time agar network delay dan delay jitter dapat diminimalisasi. Pada model protokol IP, apabila ada kerusakan pada salah satu segmen maka segmen lainnya dalam satu paket itu akan dibuang sehingga saat rekontruksi paket tersebut dianggap loss packet. Gambar 2-11 : Fragmentasi dan pemaketan pada model IP [10] Untuk memaksimalkan recovering packet loss pada mobile video streaming maka digunakan fragmen (chunk) lebih kecil, kemudian di-interleaved pada paket terpisah saat streaming agar dapat di-transmisikan melalui bandwidth terbatas. Apabila terjadi packet loss akibat proses transmisi, maka masih ada chunk lainnya untuk direkonstruksi menjadi paket lagi di sisi receiver. Pada Upper Transport Layer, mobile video streaming memanfaatkan kombinasi Transport Control Protocol (TCP) dan User Datagram Protocol (UDP). Proses signalling mengunakan TCP yang bersifat reliable agar transfer data tidak mengalami packet loss, karena paket tersebut adalah informasi penting untuk mendapatkan metafile media data yang menentukan media player yang dipakai receiver dan disesuaikan dengan video codec. Protokol TCP juga melakukan estimasi dan session setting dalam sebuah streaming session. Streaming media data transfer menggunakan UDP karena walaupun unreliable, tetapi bersifat connectionless dan timely untuk meminimalisasi network added delay dan delay jitter. Berikut protokol yang menjadi Standar Streaming Protocol berdasarkan rekomendasi 3GPP : Gambar 2-12 : Layering IP untuk aplikasi streaming [11]
    • • Media Transport Delivery [8] 1. Real- Time Transport Protocol (RTP) mendukung unicast dan multicast namun tidak menjamin service quality / QOS, untuk data transfer streaming audio dan video pada jaringan IP, dan mendefenisikan fungsi end-to-end transport. Streaming server memotong media data untuk tiap track menjadi paket RTP, lalu ditransmisikan melalui UDP connection dengan beberapa informasi yaitu RTP header, RTP payload header, RTP payload data. RTP header memuat informasi RTP version, sequence number (inisialisasi paket yang dikirimkan dan penghitungan packet loss), timestamp (menunjukkan waktu paket yang dipakai untuk sinkronisasi dan penghitungan jitter), Synchronization Source Identifier / SSRC ( mengindikasikan keunikan dan keaslian paket dalam suatu session). Ketika terjadi inisialisasi RTP session maka server akan membuka 2 port untuk pengiriman payload data, yaitu RTP stream dan RTCP. Gambar 2-13 : RTP Payload Format [10] 2. Real - Time Control Protocol (RTCP) bekerja dengan RTP untuk synchronization process dan QOS management dengan menggunakan channel distribusi yang sama, sehingga underlying transport protocol harus dapat melakukan multiplexing untuk RTP data dan RTCP control packet, pada UDP connection keduanya diarahkan pada port yang berbeda. Protokol ini memberikan feedback dari streaming session user pada transport quality, menambahkan identifikasi dan fungsi kontrol. Encoder dan streaming server dapat menganalisa informasi feedback itu untuk melakukan perubahan data stream yang dikirimkan. • Media Session Control [8] Real - Time Streaming Protocol (RTSP) / video remote control adalah application level protocol berbasis text, digunakan untuk establishing dan kontrol untuk single / several time- synchronized stream pada media content (RFC 2326). RTSP tidak mengirimkan payload data sendiri dan menghubungkan server - client sesuai permintaan salah satu pihak. Streaming server menerima RTSP request melalui TCP connection. RTSP command meliputi : § OPTIONS – server merespon dengan daftar perintah yang disediakan oleh server yaitu OPTIONS, DESCRIBE, SETUP, PLAY dan TEARDOWN. § DESCRIBE – server melakukan parsing file dan meresponnya dengan memberikan informasi tentang media stream dalam format SDP.
    • § SETUP – client mengidentifikasi track yang ingin diterima, server membuat RTSP session baru dengan session ID unik. § PLAY – server mulai mentransfer data untuk tiap track yang diminta client pada proses SETUP. § PAUSE – request ini meminta server menghentikan transfer data tetapi masih menyimpan session alive, memungkinkan untuk memainkan streaming kembali. § TEARDOWN – request untuk mengakhiri semua session streaming. • Media Description and Announcement [8] 1. Session Announcement Protocol (SAP), menginformasikan ketersediaan session multicast (RFC 2974) [15]. 2. Session Description Protocol (SDP) mendefenisikan informasi multimedia session berupa identifikasi nama session dan tujuan jika requested session telah disetup, deskripsi media seperti format dan codec yang dipakai, informasi jaringan seperti address, port, transport protocol, informasi bandwidth yang digunakan pada session, informasi track yang dapat di- streaming, bit rate, durasi (RFC 2327) [15].
    • Tabel 2-5 : SDP Parameter Sistem Video Streaming dibentuk oleh elemen [16] : Encoding Station, Video Server (secara umum terdiri dari 3 sub sistem yaitu Communicator, Operating System, Storage System), Network Infrastructure, Playback Client.
    • Gambar 2-14 : Video Streaming Server [16] Step 1. Capture : Merekam video dari analog source seperti camcorder atau VHS tape dan kemudian disimpan dalam disk atau buffer. Step 2. Edit / Author : video dapat di-edit menggunakan berbagai macam tool yang juga digunakan untuk menggabungkan video dengan file multimedia lain. Step 3. Encode : Video diencoded menjadi streaming file format tertentu dan menspesifikansikan output resolution, frame rate, data rate, dll Step 4. Serve : Client dan server melakukan pembentukan koneksi transport layer TCP dan protokol RTSP. Client lalu mengirim request (RTSP DESCRIBE) kemudian server akan memberikan respons meta file video. Informasi tersebut mendeskripsikan content dan track media streaming. Client mengirimkan RTSP SETUP untuk masing-masing track yang diinginkan dan menentukan media player yang sesuai dengan file yang akan di-streaming. Server lalu menginisialisasikan RTP session untuk tiap track serta membuat RTP dan RTCP port untuk masing-masing nya. Lalu melakukan sending data yang sesuai dengan request client. Pada proses ini transport layer yang digunakan adalah UDP connection pada packet-switched network connection. Gambar 2-15 : Basic RTP/RTSP operation [11] Step 5. Play : Client menerima video stream pada buffer dan melakukan decode. Client lalu menginisialisasi sebuah player yang sesuai dengan file format yang ada pada server. Client
    • melakukan kontrol untuk melakukan sinkronisasi media player software dengan data source yang diterima oleh client dan time scheduling video yang sedang di-playing dengan : § PLAY – server memulai pengiriman paket RTP dan RTCP untuk feedback. § PAUSE – server menghentikan pengiriman paket RTP tetapi tetap mengirimkan paket RTCP untuk menjaga session. § TEARDOWN – server menghentikan semua koneksi RTP dan RTCP, menghapus RTP session dan menutup koneksi. 2.3 3G - UMTS Network Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) adalah teknologi 3G mobile system yang dibangun oleh International Telecommunications Union (ITU) (European version of IMT- 2000) dan distandarisasikan oleh 3G Partnership Project (3GPP). UMTS menyediakan trafik dengan bandwidth yang berbeda dan berdasarkan Quality of Service (QoS). Parameter QoS didasarkan pada delay, jitter dan bit-error. Dari parameter tersebut, didefiniskan 4 QoS yang berbeda (3GPP TS 23.107), yaitu Conversational class, Streaming class, interactive class, Background class Tabel 2-6 : UMTS QoS Classes QoS class Parameter QoS Aplikasi Delay Jitter Bit-error Conversational Stringent Stringent No Video conferencing Streaming Constrained Constrained No Video on demand Interactive Loose No Stringent Web-browsing Background No No Stringent Email, sms, fax Tabel 2-7 : QoS features for the video streaming service. Feature Description System Dapat kompatibel dengan standar streaming internasional (contoh ASF, SMIL) Synchronisation Layanan harus mengatur sinkronisasi antara komponen stream video dan audio. Inter-media skew < 20 ms Video codec Video codec harus sesuai standar (contoh MPEG-4 dan H.263). Efisiensi coding tambahan dan error robustnes harus tersedia Speech codec Audio codec harus sesuai standar dan dapat diterapkan pada 64 kbps dan 128 kbps Minimum >28 kbit/detik untuk video dan audio. > 9.6 kbit/detik untuk bandwidth stream audio saja Playout delay < 30 second Delay jitter 3 kali waktu retransmisi RLP pada jaringan dengan retransmisi
    • yang diaktifkan Error rate End-to-end BER untuk circuit switched: 10-3 FER untuk packet switched: 10-2 Picture size CIF (352x288 pixel) dan QCIF (176x144 pixel)