Babet Final Report

7/31/2019 Babet Final Report

1/127

Broadband applications

on limited bandwidth

networks

A survey on the suitability of current

and emerging access technologies


2/127


3/127

Copyright 2001 Ministerie van Verkeer en Waterstaat

Persoonlijk gebruik is toegestaan. U heeft toestemming nodig van of via het Ministerie van Verkeer en Waterstaat (http://www.minvenw.nl/dgtp) voor het

kopieren en/of publiceren van dit materiaal voor reclame of promotionele doeleinden of voor het maken van verzamelde werken met als doel verkoop of

distributie via servers of lijsten of voor het hergebruik van enig auteursrechtelijk beschermd deel van dit werk in andere werken.

Personal use of this material is permitted. However, permission to reprint/republish this material for advertising or promotional purposes or for creating new

collective works for resale or redistribution to servers or lists, or to reuse any copyrighted component of this work in other works must be obtained from or via

Ministerie van Verkeer en Waterstaat.

Colophon

Date : 01.11.01

Version : 1

Project Reference: Babet

TI Reference: TI/RS/2001/100

URL: https://doc.telin.nl/dscgi/ds.py/Get/File-18723/Babet_Final_Report.pdf

Access permissions :

AnyoneStatus : Final

Editor : S. M. Iacob

Company : Telematica Instituut (http://www.telin.nl )

Author(s) : Martin Alberink, Mortaza Bargh, Frank Biemans, Henk Eertink, Sorin Iacob,

Daan Velthausz


4/127


5/127

T A B L E O F C O N T E N T S V

Table of Contents

Samenvatting 1

Conclusies 13

Summary 15

Conclusions 25

1 Introduction 27

1.1 Goal and scope of the project 27

1.2 Structure of the report 29

2 Communicat ion services and applications 31

2.1 Networked multimedia applications 31

2.1.1 Relevant categories of networked multimedia applications 31

2.1.2 Bandwidth requirements 32

2.2 Quality of service parameters 32

2.3 Graceful degradation and adaptability 34

3 Compression techniques 37

3.1 Source coding 37

3.1.1 Lossless compression 37

3.1.2 Lossy compression 39

3.1.3 Pushing the limits 41

3.1.4 Theoretical limits of compression 43

3.1.5 Beyond the limits? 45

3.2 Compression standards 45

3.2.1 Image compression 46

3.2.2 The MPEG standard 473.3 Compression technologies 51

3.3.1 RealVideo from RealNetworks 51

3.3.2 Quicktime 51

3.3.3 Windows media player 52

3.3.4 DivX from DivXNetworks 52

3.3.5 On2 Technologies 52

3.3.6 Wavelet-based technologies 52

3.3.7 Fractals 53

4 Multimedia distr ibution techniques 55

4.1 Network-level multicasting or broadcasting 554.2 Distribution technology 56

4.3 Storage versus transport 57

5 Developments in access technologies 59

5.1 DSL networks 60

5.1.1 Description 60

5.1.2 Deployment 61

5.1.3 Innovation 61

5.2 CATV-based networks 62

5.2.1 Description 62

5.2.2 Deployment 635.2.3 Innovation 63

5.2.4 Comparison between Cable and DSL technologies 63


6/127

VI T E L E M A T I C A I N S T I T U U T

5.3 Power Line Communication (PLC) 64

5.4 Wireless local loop 66

5.4.1 Data-access: fixed wireless connections 67

5.4.2 Free space optics (FSO) 69

5.5 Cellular technologies 71

5.6 Hot-spot technologies and home networks 71

5.7 Hybrid networks 745.7.1 Multiple communication channels 74

5.7.2 Complementary hybrid networks 75

5.8 New developments in access technologies 77

5.8.1 Future cellular technologies 77

5.8.2 Bi-directional satellite links 77

5.8.3 T-spectrum technology 78

6 Wrap up 79

6.1 Bandwidth requirements for different categories of applications 79

6.2 Compression 80

6.3 Channel coding techniques 806.4 Multimedia distribution mechanisms 81

6.5 Access technologies 81

6.6 Suitability of access technologies for the given applications 82

References 87

Appendix A: Some theory on compression 91

A.1 Lossless compression techniques 91

A.1.1 Shannon's theory of coding for noiseless channe ls 91

A.1.2 The counting argument 91

A.1.3 Pixel based compression techniques 91

A.1.4 Redundancy and auto-correla tion 93A.1.5 Predic tive techniques 94

A.1.6 The Karhunen-Loeve transform 95

A.1.7 The Discrete Cosine Transform (DCT) 96

A.2 Lossy compression techniques 96

A.2.1 Block truncation coding 96

A.2.2 Quantisation of transform coefficients 97

A.2.3 Vector quantisation 97

A.2.4 Perceptual coding 98

A.2.5 Hybr id techniques - the JPEG algori thm 99

A.2.6 MPEG-1 video compression 100

Appendix B: Modulation and channel coding 103

B.1 Channel coding techniques 103

B.1.1 Communication channel and message transmission 103

B.1.2 Channel coding 103

B.2 Modulation techniques 107

B.3 Multiple access protocols 108

Appendix C: Access technologies - Technical detai ls 113

C.1 Cable TV access networks 113

C.2 Copper twisted pairs (subscriber loops) 116

C.3 WLAN standards 120


7/127

S A M E N V A T T I N G 1

Samenvatting

De beschikbaarheid van telecommunicatiediensten wordt gezien als een publiek belang en is n

van de overheidstaken waarvoor het Directoraat1

Generaal Telecommunicatie en Post (DGTP)

zorg heeft. Dit beleid houdt in dat er op wordt toegezien dat elke Nederlander toegang heeft tot

(spraak)telefonie tegen een betaalbaar tarief. Dit wordt ook wel universele dienst (UD)

genoemd.

Sinds een aantal jaren kennen we nieuwe telecomdiensten gebaseerd op Internet-technologie

zoals e-mail, web en chat-diensten. Het is mogelijk dat over een aantal jaren bepaalde

Internetdiensten ook als universele dienst worden benoemd. Daarvoor zou kunnen worden

gekozen wanneer toegang tot die diensten voor alle burgers van dermate belang is (geworden) dat

deelname aan activiteiten van sociale en/of economische activiteiten er van af hangt, en wanneer

de toegang daartoe (soms) problematisch is.

Een bepaalde categorie Internetdiensten is die van breedband. Hierbij wordt dan gedacht aan

zaken zoals teleconferencing, telewerken, onderwijs op afstand, de toepassing van webcameras

in de gezondheidszorg, het raadplegen van overheidsinformatie, enzovoort. Voor

breedbanddiensten is ook een breedbandig toegangsnetwerk nodig. Dit wordt vaak geassocieerd

met het leggen van glasfibers naar iedere woning (fibre to the home). Uitrol van zon op glasvezel

gebaseerd toegangsnet is al gaande. Maar het moment waarop een dergelijke infrastructuur

nationale dekking heeft bereikt zal waarschijnlijk nog een flink aantal jaren duren. Sterker nog, in

de komende jaren zal moeten blijken of dit in wat afgelegen gebieden berhaupt haalbaar is .Dezestudie is een verkenning van de perspectieven voor particulieren en kleine bedrijven in gebieden

zonder glasvezeltoegang, vanuit een technologisch perspectief.

De centrale vraag in dit rapport is:

"In hoeverre maken nieuwe aanstaande technologische ontwikkelingen, waaronder

compressie, het mogelijk om de bestaande capaciteit in het huidige en aanstaande

vaste en mobiele aansluitnet beter te benutten zodat over een aantal jaren daarlangs

ook breedband-informatie- en communicatiediensten naar particulier en kleinbedrijf te

transporteren zijn.

Hoever zal de praktijk over 5 jaar zijn gevorderd om via deze netwerken diensten aan

te bieden die nu als 'breedband' te boek staan (zoals bijvoorbeeld video en

audiostreaming), door gebruik te maken van compressie en/of slimme algoritmes en

protocollen. Waar za l naar verwachting ongeveer de grens van het mogel ijke liggen

gerekend in termen van de transmissie-bandbreedte die betreffende diensten

vereisen."

In zijn algemeenheid is ons dus gevraagd de ontwikkelingen te inventariseren die in de komende

jaren bandbreedtebesparend kunnen gaan werken, d.w.z. technologien en ontwikkelingen die

het mogelijk maken dat ondanks een geringe(re) bandbreedte in het toegangsnetwerk toch

diensten kunnen worden ontvangen die als (relatief) breedbandig kunnen worden getypeerd.

1

Dit directoraat is onderdeel van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat.


8/127

2 T E L E M A T I C A I N S T I T U U T

Bovenstaande vragen kunnen en zullen niet met een absoluut antwoord worden afgedaan. Het

antwoord is resultante van interacterende maar ook onzekere effecten van technologie, markt en

ook van beleid. In verband hiermee moet dit rapport eerder als een visie worden beschouwd dan

als een voorspelling. Met het oog op de onzekerheid voor wat betreft de behoefte aan

elektronische diensten en de snelheid van de technologische ontwikkelingen kijken we tot vijf

jaar in de toekomst.

In Nederland is op dit moment sprake van een behoorlijk hoge dichtheid van de communicatie-

infrastructuur, zowel voor vaste als draadloze toegangsnetwerken. Het is daarom zinvol om vast

te stellen in welke mate huidige en aankomende toegangstechnologien waaronder ADSL,

kabeltelevisie, GPRS, satellietcommunicatie en vast-draadloze verbindingen (WLL) kunnen

voorzien in de eisen van essentile breedbanddiensten in de nabije toekomst. Hierbij is het ook

belangrijk om vast te stellen of op dit gebied nog belangrijke technologische ontwikkelingen

kunnen worden verwacht of dat de huidige prestaties het maximaal haalbare al dicht benaderen.

Deze studie beschrijft de voor DGTP van belang zijnde technologische ontwikkelingen op het

genoemde gebied.

De aanpak

Om vast te stellen in welke mate breedbanddiensten kunnen worden aangeboden via bestaande

toegangsnetwerken moet eerst worden bekeken welke eisen door de belangrijkste toepassingen en

diensten daarvan worden gesteld. Het probleem hierbij is natuurlijk dat het niet mogelijk is om

exact te voorspellen welke breedbanddiensten de komende jaren als essentieel zullen worden

beschouwd. In overleg met het Directoraat-Generaal Telecommunicatie en Post hebben we vier

categorien basisdiensten gekozen die als karakteristiek en dekkend worden gezien voor de

essentile breedbandtoepassingen en waartoe in zeer brede kring eventueel toegang moet worden

geboden. Daarnaast hebben we verschillende mogelijk essentile toepassingen genoemd op het

gebied van onderwijs, de gezondheidszorg, telewerken, enzovoort. Dit staat weergegeven inonderstaande tabel.

Voorbeelden van essentile toepassingen Bijbehorende Basisdiensten

Video (nieuws) op aanvraag, asynchrone

virtuele radio- en TV-zenders

Audio en video streaming

Internetradio en -TV, leren op afstand voor

besloten groepen, controle of toezicht op

afstand

Audio en video multicast

Adviseren op afstand, Internettelefonie,

videoconferencing, telewerken

Conferencing

Toegang tot digitale bibliotheken, nationale

archieven, multimedia e-mail, individueel

afstandsonderwijs, telewerken

Interactieve toegang tot documenten en

berichten

Deze basisdiensten stellen zodanig verschillende eisen aan de infrastructuur voor wat betreft

bandbreedte en quality of service (QoS) dat hiermee waarschijnlijk aan de eisen van

toekomstige essentile toepassingen kan worden voldaan.

De basisdiensten stellen verschillende eisen aan netwerkinfrastructuren. Het betreft eisen op het

gebied van

1. de door de netwerken te leveren bandbreedte voor de volledige realisatie van de diensten


9/127


2. de door de netwerken te realiseren quality of service (vertraging, verlies van data endergelijke)

3. de door de netwerken te leveren bandbreedte voor een beperkte realisatie van de dienstenOnderstaande tabel geeft de eisen aan de bandbreedte weer voor de basisdiensten. Niet alleen de

hoeveelheid data maar ook eisen aan de tijd tussen het verzenden en het ontvangen van data

bepalen de vereiste bandbreedte. De kolom kwaliteit geeft aan in welke gevallen strikte eisenaan de vertraging en variaties in de vertraging worden gesteld. Laag betekent dat er in een

bepaald geval geen sprake is van strikte eisen omdat er hierbij geen sprake is van audio- of

videosignalen. Medium kwaliteit geeft aan dat vertraging niet zo erg is zolang deze maar constant

is. Met een constante vertraging kan men namelijk nog wel een constante kwaliteit van beeld en

geluid garanderen. Hoge kwaliteit betekent dat slechts een beperkte vertraging is toegestaan

omdat het interactieve communicatie betreft.

Basisdienst Toepassing Minimum

bandbreedte

[Mbit/s]

Maximum

bandbreedte

[Mbit/s]

Vereiste

kwaliteit

Asynchrone radiozenders 0.05 0.2 Medium

MPEG audio streaming 0.08 0.2 Medium

HDTV 20 340 Medium

A/V streaming

en

A/V multicast

MPEG video TV 0.4 8 Medium

Videoconferencing 0.128 1.5 HoogConferencing

(bandbreedte

per

deelnemende

partij)

Internettelefonie 0.064 0.25 Hoog

e-learning, e-government 0.5 2 Laag

Gezondheidszorg 0.5 20 Laag

Interactieve

toegang totdocumenten en

berichten Telewerken 0.014 6 Laag

Bij deze tabel moet overigens wel opgemerkt worden dat applicaties als gezondheidszorg,

telewerken ook componenten als videoconferencing of internettelefonie kunnen bevatten. In

dat geval zijn de kwaliteitseisen voor die functies natuurlijk niet Laag, maar juist Hoog.

Om concrete uitspraken over technologische innovaties te kunnen doen, hebben we eerst gekeken

naar de typische structuur van de toepassingen. Elk van deze toepassingen is opgebouwd uit

verschillende componenten. In de eerste plaats de encoding-decodingcomponent waarbij

natuurlijke of fysische signalen worden omgezet in digitale datastromen. Deze worden via

netwerken verstuurd naar andere plaatsen (bijvoorbeeld van een televisiestudio naar een

eindgebruiker of tussen eindgebruikers bij een conferencingdienst), gebruikmakend van

distributietechnieken. Deze studie kijkt naar technologische innovaties in elk van deze drie

gebieden (de gekleurde vlakken in onderstaande figuur).


10/127


(Toegangs) netwerken

Multimedia Distributie Technieken

encoder decodertranscoder

applicatie applicatie

(Toegangs) netwerken

We bespreken nu eerst kort deze gebieden, en daarna wordt een en ander gentegreerd en

gellustreerd middels een scenario.

Ontwikkelingen in data compressietechnieken

Compressie is een van de meest doeltreffende manieren om de efficintie van dataoverdracht te

vergroten. Vooral data afkomstig van natuurlijke audio- of videosignalen kan flink wordengecomprimeerd met bepaalde compressietechnieken waarbij verlies van informatie optreedt maar

niet van de menselijke waarneming van die informatie. Het oorspronkelijke signaal kan hierbij

niet worden gereconstrueerd. Compressietechnieken worden gemplementeerd in encoders,

transcoders en decoders. Data compressie technieken kunnen onderverdeeld worden in twee

categorien: 1) kwaliteitsbehoudende compressie en 2) kwaliteitsverlagende compressie.

Bij kwaliteitsbehoudende compressie gaat het altijd om een verlaging van de redundantie. De

mate van compressie is dan ook niet zo heel hoog (een typische reductie is 2:1 bij standaard

afbeeldingen). Door gebruik te maken van verschillende intrinsieke eigenschappen van de te

comprimeren objecten kunnen kwaliteitsbehoudende compressietechnieken echter wel verbeterd

worden. Bijvoorbeeld, wanneer een afbeelding bestaat uit verschillende objecten, kan elk van

die objecten onafhankelijk gecomprimeerd worden. Dit levert een optimale representatie van de

afbeelding, omdat de deelobjecten context-onafhankelijk kunnen worden behandeld. Dit soort

methoden brengt echter de maximale haalbare compressiefactor niet verder dan 5:1. Voor een

videofilm is, door bovendien extra redundantie tussen de verschillende frames te benutten, zo een

maximale kwaliteitsbehoudende compressie in de ordegrootte van 10:1 haalbaar. Maar voor TV

kwaliteit video signalen (640x480 resolutie, 24 bits kleur, 25 frames/seconde = 18 Mbits/s)

resulteert dit nog steeds in een gecomprimeerde bandbreedte van 2 Mbit/s. Let wel, zonder

geluid!

Bij kwaliteitsverlagende compressietechnieken vinden bepaalde onomkeerbare transformatiesplaats op de originele data met als gevolg dat het origineel niet voor 100% gereconstrueerd kan

worden. Dit is acceptabel wanneer nog steeds dezelfde persoonlijke communicatie tot stand

gebracht wordt, of wanneer de verschillen onmerkbaar zijn. Oftewel: kwaliteitsverlagende

compressie verbergt niet alleen de redundantie binnen de originele data maar ook de irrelevante

details.

Er bestaan een groot aantal verschillende kwaliteitsverlagende compressietechnieken voor spraak,

geluid, afbeeldingen, fotos en/of video. Hierbij worden tactieken gebruikt die zijn gebaseerd op

benadering van het origineel (bijvoorbeeld door middel van kwantitatieve transformatie codering)

of door een model te definiren waarmee de data gereconstrueerd kan worden met een kleinere

set van parameters en een groot aantal van tevoren opgeslagen prototypes (bijvoorbeeld metvector kwantisatie of componenten analyse).

Slechts een klein aantal van deze technieken is gestandaardiseerd (en alleen gestandaardiseerde


11/127


formaten worden breed gebruikt). Momenteel zijn de JPEG ISO serie and de MPEG open

standaard specificaties koploper bij beelden videocompressie. Moderne producten die gebaseerd

zijn op JPEG2000 and MPEG4 bieden niet alleen een zeer hoge compressieverhouding (100:1

voor MPEG4 video met DVD kwaliteit) maar bieden ook aanpassingsmechanismen om tegemoet

te komen aan de verschillende bandbreedtes en mogelijkheden van terminals. Echter, de

complexiteit van het coderen is hoog. Dit leidt tot een aanzienlijke vertraging waardoor hun

gebruik in peer-to-peer applicaties zoals videoconferencing nog steeds geremd wordt.

Ondanks een scala aan methodieken en algoritmen voor kwaliteitsverlagende compressie is het

onmogelijk om een theoretisch maximum voor deze categorie compressietechnieken te bepalen.

Hiervoor zijn 2 redenen: Ten eerste is er geen eenduidig perceptiemodel dat de minimale

informatie uitrekent die nodig is voor het begrijpen van een visuele scne. Ten tweede, ook al

zouden er zulke modellen bestaan, dan nog kunnen context afhankelijkheden, ervaringen,

verwachtingen een invloed hebben op de algehele perceptie van het beeld.

Het gevolg hiervan is dat er verschillende limieten gedefinieerd worden voor verschillende

toepassingen. Bij beeldtelefonie, bijvoorbeeld, communiceren de betrokken partijen niet alleen

verbaal, maar mogelijk ook emotioneel. Dit wordt als vanzelfsprekend bereikt door zowel een

audio als een video communicatiekanaal te gebruiken. Desalniettemin, de enige informatie die

nodig is, is datgene wat de andere partij zegt en hoe de partij zich gedraagt tijdens het gesprek.

Met andere woorden, het versturen van de woorden en een interpretatie van de non-verbale

communicatie zou in feite voldoende zijn om hetzelfde resultaat te behalen. Samen met een text-

to-speech applicatie die een audiosignaal genereert uit deze woorden via een van tevoren

opgenomen audiomodel van de andere partij, en mogelijk zelfs een animatie van het hoofd

gebaseerd op emotionele gezichtsuitdrukkingen, zou een bitrate van 300 bit/s voldoende zijn om

deze communicatievorm te ondersteunen. Echter, deze methoden zijn erg academisch van aard en

vereisen heel wat aanpassingen aan de terminals van de eindgebruikers en aan de

distributietechnieken om de verschillende modellen (mogelijk off-line) te synchroniseren. Het is

daarom zeer onwaarschijnlijk dat we zulke scenario's binnen de eerst komende vijf jaar buiten delaboratoria zullen zien.

Kortom, wanneer we de bestaande (vrijwel) gestandaardiseerde compressietechnieken in

ogenschouw nemen, kunnen we concluderen dat het onwaarschijnlijk is dat deze

compressietechnieken binnen de komende vijf jaar sterk zullen verbeteren. Wel zullen recent

gestandaardiseerde adaptieve coderingsschema's zoals MPEG4 de komende jaren meer en meer

gebruikt worden. Ondanks de hoge encoding-kosten bieden deze coderingen veel toegevoegde

waarde ten opzichte van de huidige standaarden, met name voor mensen met een lage

toegangscapaciteit tot het Internet.

Ontwikkelingen in distr ibutietechnologie

Distributiemechanismen worden ingezet voor een efficinter transport van multimedia objecten.

Dit soort technieken wordt met name gebruikt door operators voor het optimaliseren en ontlasten

van hun netwerk. Voorbeelden hiervan zijn onder andere het cachen van informatie en het

repliceren van informatie naar die locaties binnen het netwerk die dicht bij de klant staan. Dit

soort technieken valt hierdoor buiten de scope van dit onderzoek, omdat het met name betrekking

heeft op backbone netwerken van operators. Echter, een tweetal aspecten van

distributietechnologien zijn wel interessant voor eindgebruikers:

1. Intelligente (adaptieve) broadcasting van informatie vanaf n verzender naar meerdereontvangers. Binnen academische en bedrijfslaboratoria wordt op dit moment gewerkt aan

oplossingen waarbij de intermediaire systemen niet alleen gewoon de informatie

verspreiden naar de klanten, maar indien nodig ook de informatie in een specifiek formaat


12/127


doorstuurt. Deze technieken kunnen dus gebruikt worden om op een schaalbare manier

klanten een optimale kwaliteit aan te bieden, afhankelijk van bijvoorbeeld de

toegangsnelheid. Gelijksoortige technieken kunnen gebruikt worden binnen conferenties waar

meerdere partijen met verschillende terminals met elkaar communiceren.

2. Pro-actief ophalen van data. Met deze techniek wordt de overtollige bandbreedte gebruiktvoor het van tevoren binnenhalen van informatie. De mogelijkheden van deze methode zijngroot, hoewel enige terughoudendheid op zijn plaats is: de methode is alleen bruikbaar als de

benodigde objecten van tevoren bepaald kunnen worden (zoals bijvoorbeeld het geval is bij

asynchrone tele-educatie scenario's). Die distributie kan eventueel zelfs via CD-ROMs of

DVDs plaatsvinden. On-line kun je dan, bijvoorbeeld, de toegang regelen of alleen de

parameters versturen waarmee de data gepresenteerd kan worden aan eindgebruikers.

Ontwikkelingen in Toegangstechnologie

Toegangsnetwerken bestaan uit een fysieke laag (koper, coax, glas, ether, ) waar bovenop

coderings- en modulatietechnieken gebruikt worden voor de versturing van data. De service

providers bieden aan eindgebruikers altijd een combinatie van fysieke laag en codering/modulatie

aan (uitgezonderd de dark fibre oplossingen). In deze studie wordt alleen gekeken naar

draadloze media, kabeltelevisienetwerken en telefoonbekabeling. Nieuwe modulatietechnieken

kunnen zorgen voor grote winst in efficintie (vergelijk bijvoorbeeld ADSL met analoge

telefonie).

Voor bestaande vaste toegangsnetwerken zullen modulatietechnieken alleen niet bijdragen in een

efficintieverhoging: de theoretische limieten van de verbindingscapaciteiten zijn al bereikt. Als

gevolg hiervan blijven er nog maar enkele manieren over om de capaciteit in deze netwerken teverhogen:

Beperk de lengte van de (telefoon)kabel, waardoor hogere frequenties gebruikt worden2 metals resultaat meer bandbreedte. Scenario's met glasvezelnetwerken naar de stoep (fibre to the

curb, FttC) maken gebruik van dit principe en leveren zo toegangssnelheden van 50 Mbit/s

over een afstand van maximaal 300 meter.

Verhoog het frequentiespectrum dat gebruikt wordt voor kabel TV gebaseerde netwerken (inCATV netwerken wordt momenteel maar een klein frequentiebereik gebruikt voor

datatoegang).

Voor draadloze netwerken wordt momenteel veel onderzoek gedaan naar oplossingen voor

nieuwe modulatietechnieken die optimaal zijn voor bepaalde nieuwe frequenties. Voorbeelden

van dit soort digitale modulatietechnieken zijn frequency shift keying (FSK), phase shift keying

(PSK), quadrature PSK (QPSK). De selectie van de modulatiemethode gebeurt op grond van de

fysieke karakteristieken van het medium, en dan met name de frequentie- en de

ruiskarakteristieken. Omdat vele gebruikers vaak hetzelfde communicatiekanaal delen, wordt de

bandbreedte vaak onderverdeeld in meerdere kanalen. Voor de toewijzing van die kanalen zijn

MultipleAccess (MAC) technieken nodig; hiermee wordt geregeld hoe die opsplitsing werkt.

Belangrijke MAC technieken zijn frequency division multiple access (FDMA), time division

2 Waarbij vaak ook andere modulatiemethoden gekozen worden die beter werken bij de nieuwe fysische

structuur van het netwerk. De innovatie komt echter uit de veranderde eigenschappen van de fysieke

netwerkverbinding.


13/127


multiple access (TDMA), code division multiple access (CDMA), wide-band CDMA (W-

CDMA), enz. Nieuwe ontwikkelingen in deze toegangsmethodes staan zelfs hogere bandbreedtes

toe per eindgebruiker of ondersteunen standaard QoS reserveringsmethoden. Echter, veel

vooruitgang door innovaties op het gebied van modulatietechnieken of MAC technologie wordt

niet verwacht.

Daadwerkelijke bandbreedtewinst kan geput worden uit ontwikkelingen binnen nieuwefrequentiegebieden. Zo zijn er WLL oplossingen (punt-naar-punt; niet mobiel, wel draadloos)

met een maximale capaciteit van 155 Mbit/s over een afstand van meerdere kilometers, en ook de

wireless LANs (beperkt mobiel; nieuwe ontwikkelingen als 802.11a levert een 55 Mbit/s

capaciteit over een korte afstand van max. 30 meter).

Met de uitrol van landelijk dekkende mobiele netwerken zullen ook de toegangssnelheden in

vergelijking met het huidige GSM sterk verbeteren. GPRS wordt momenteel uitgerold (30

Kbit/s), UMTS zal binnen 5 jaar uitgerold worden, en zal, afhankelijk van de architectuur,

zorgen voor een toegangssnelheid van enkele honderden Kbit/s met een theoretisch maximum

van 2 Mbit/s.

Daarnaast is er een aantal nieuwe, opkomende, technieken die via nieuwe fysieke media een

efficinte oplossing kunnen bieden voor het ondersteunen van breedband diensten.

Communicatie via het elektriciteitsnet (power-line networks), bi-directionele

satellietverbindingen, T-spectrum draadloze verbindingen en free-space optics zijn enkele van

deze opkomende technologien die de potentie hebben om eindgebruikers een breedbandige

verbinding te bieden. De keuzemogelijkheden nemen dus toe, de komende jaren.

Het grote geheel

Voor concrete applicaties kunnen keuzes gemaakt worden uit het voorafgaande portfolio aanmogelijkheden. Dit resulteert dan in specifieke oplossingen waarmee voor een bepaalde applicatie

optimaal omgegaan kan worden met de beperkingen in toegangssnelheid. Om een beetje een

gevoel te creren voor de opties, beschrijven we in deze sectie een hypothetische medische tele-

consultatiedienst.

Een thuisgebonden patint wil een arts consulteren. Zowel de arts als de patint hebben een computer die

uitgerust is met een webcam, microfoon en luidsprekers. De arts heeft een ADSL netwerkverbinding (1

Mbit/s downstream en 256 kbit/s upstream), terwijl de patint gebruikt maakt van een ISDN verbinding (128

kbit/s verzamelde bandbreedte). Laten we nu gaan kijken in hoeverre een applicatie de werkelijke,

levensechte situatie kan benaderen door gebruik te maken van bestaande technologien.

De patint maakt een connectie met zijn Internet service provider via zijn inbel account. Daarna opent hij

de webpagina van de tele-consultatiedienst van de arts. De Internetverbinding van de arts is "always on"

zodat hij direct opmerkt dat er een verzoek voor een tele-consultatiesessie is. Hi j start onmiddellijk zijn

videoconferentie applicatie. Ondanks de lage kwaliteit van de beelden (180x140 pixels, 8 bit per pixel en 5

beelden per seconde), komt de arts toch na een aantal vragen tot de voorlopige diagnose van griep. Hij

vraagt vervolgens de patint om goed in het licht te gaan zitten en om de applicatie op 'hoge kwaliteit

opname' te zetten. Deze instelling verandert de standaard modelgebaseerde MPEG4 compressie naar

MPEG2. Deze omzetting vereist natuurlijk veel meer bandbreedte voor de audio/video gegevens maar zal de

arts duidelijker beeldmateriaal van de patint geven, maar met hoog verlies aan frames (320x240 pixels, 16

bit per pixel, en een beeld per seconde). De applicatie van de arts zelf zal nog steeds de modelgebaseerdecompressie gebruiken om het door hem gegenereerde verkeer naar de patint toe tot een minimum te

beperken. Hierdoor houdt de patint een goede verbinding met de arts.


14/127


De arts zal in de ogen van de patint moeten kijken. Hiervoor heef t hij een afbeelding van hoge kwaliteit

nodig. Om dit te doen vraagt hij de patint om in plaats van de huidige video transmissie een snapshot te

sturen met de hoogste kwaliteit van zijn camera(800x600 pixels, 24 bit per pixel) en om deze foto dan ook

zonder kwaliteitsverl ies ("lossless" gecomprimeerd) door te sturen. Door de grote omvang van de foto duurt

het een halve minuut voordat de arts de foto ontvangt. Vervolgens wil de arts de reflexen van de patint

testen. Hiervoor vraagt hij de patint om de 'hoge-snelheid' instelling van de video te selecteren. De

beeldsnelheid wordt nu 25 beeldjes per seconde met een kleurdiepte van 8 bits per pixel. Dit houdt wel in

dat de maximaal haalbare resolutie nog maar 120 bij 80 pixels zal zijn. Deze instelling is onbruikbaar. De

arts besluit dat het beter is om wat meer compressienauwkeurigheid te verliezen; details zijn niet voor deze

test niet zo heel belangrijk. De applicatie schakelt daarom intern om naar MPEG4 compressie met een

kwaliteitsfactor van 70. Het gevolg van deze acties is dat de arts de gewenste beelden binnenkrijgt: een

video met 25 beeldjes per seconde en een beeldresolutie van 320 bij 240 pixels. Dit is genoeg om een goede

indruk te krijgen van de reflexen van de patint. Dan komt er een collega van de arts binnen, iemand die in

dezelfde groepspraktijk werkt. De collega heeft enkele hoge resolutie rntgen scans nodig uit de database

van het ziekenhuis; hij heeft daarvoor meer bandbreedte nodig. De arts schakelt terug naar de standaard

MPEG4 compressie en zet het consult als een gewone tele-consultatie voort.

De arts heeft intussen voldoende zekerheid over de diagnose van griep. Hij stelt de patint

hiervan op de hoogte en adviseert een paar dagen het bed te houden. Hij ziet dat deze mededeling

de patint gerust stelt. De twee besluiten dat het tele-consult kan worden beindigd.

Dit scenario illustreert dat voor elke gebruikte applicatie verschillende kwaliteitsinstellingen

mogelijk, en wellicht ook nodig zijn. Hierdoor moeten situatie-specifieke en applicatie-specifieke

afwegingen en instellingsmogelijkheden zijn nodig om een optimaal communicatiekanaal tot

stand te brengen. Een eenduidig advies is niet eenvoudig te geven.

In de onderstaande tabellen wordt een overzicht gegeven van de bandbreedte eisen van de

verschillende basisdiensten, de effecten van compressietechnieken, en de bruikbaarheid van deverschillende inzetbare toegangstechnieken. De tabellen illustreren per basisdienst de bandbreedte

eisen in situaties met en zonder het gebruik van bandbreedte reducerende technologien. Uit de

tabellen kan geconcludeerd worden dat de huidige bandbreedte reducerende technologien al

behoorlijk effectief zijn in de zin dat ze de bruikbaarheid van de toegangstechnologien voor het

toepassen van de diensten sterk verbeteren. Merk op dat deze gegevens gelden voor n gebruiker

tegelijkertijd; wanneer er meerdere sessies lopen over hetzelfde netwerk - iets wat vrij normaal is

in veel huishoudens - heeft dit een sterk negatief effect op de bruikbaarheid van een bepaald

toegangsnetwerk. De onderstaande tabel is gebaseerd op het gebruik van n enkele applicatie op

een bepaald tijdstip.


15/127


Basisdiensten

(geselecteerd door DGTP)

Toegangs-

techniek

Beschikbare

Bandbreedte

(down-

/upstream)

[Mbit/s]

A/V

stream.

A/V m-

cast.

Conf. Interactive

rich doc.

access

Opmerkingen3

ADSL 5/0.64 +

(MPEG)

+

(MPEG)

+/- + Tot 3.66 km

VDSL 51/6.5 + + + + - Tot 300 m

- Testversie

beschikbaar

CATV 0.2/0.015 +

(MPEG)

- +/-

(Audio)

- (Video)

+/- Voor 200 abonnees

per netwerkdeel

PLC 0.15-

symmetrisch

+

(MPEG)

- +/- +/- Voor 50 gebruikers

per netwerkdeel

UMTS 0.2-

symmetrisch

+

(MPEG)

- +/- +/- Verwachte

bandbreedte voor2006

LMDS 2.8-

symmetrisch

+

(MPEG)

+

(MPEG)

+ + Voor 16-QAM,

TDMA en 200

gebruikers

IEEE802.11

b

11-

symmetrisch

+

(MPEG)

+

(MPEG)

+ + Een verbeterde

versie (54 Mbit/s) is

naar verwachting

binnen enkele jaren

beschikbaar

FSO 155-

symmetrisch

+ + + +

satelliet 0.5- 0.05 +

(MPEG)

+

(MPEG)

- +/- Nog niet overal

beschikbaar

Near T-

spectrum

622-

symmetrisch

+ + + + Tot 400 m

T-spectrum 100000-

symmetrisch

+ + + + Binnen vier jaar

beschikbaar

3 De getallen in deze kolom zijn de werkelijke getallen of realistische schattingen.


16/127


Table 1. Geschiktheid van toegangstechnologien voor ruwe audio-video data streaming

Source video format Source audio format Geschiktheid van verschillende

toegangstechnologien

Spatial

resolution

[pixels]

Temporal

resolution

[fps]

Pixel

accuracy

[bit/pixel]

Sampling

frequency

[kHz]

Sample

accuracy

[bits/sample]

Number

of

channels

Relative

quality

class

Required

bandwidth

[Mbit/s] ISDN CATV UMTS ADSL IEEE

802.11b

720x575 25 16 44 16 2 Broadcast

TV/DVD

160 - - - - -

320x240 25 16 44 16 2 Near VHS 120 - - - - -

180x120 25 16 44 16 2 Quarter-

VHS

9.5 - - - - +

180x120 12 8 44 16 1 - 2.5 - - - + +

Table 2. Geschiktheid van toegangstechnologien voor met MPEG-4 gecomprimeerde data voor audio/video streaming



Spatial

resolution

[pixels]

Temporal

resolution

[fps]

Pixel

accuracy

[bit/pixel]

Sampling

frequency

[kHz]

Sample

accuracy

[bits/sample]

Number

of

channels

Relative

quality

class

Required

bandwidth

[Mbit/s] ISDN CATV UMTS ADSL IEEE

802.11b

720x575 25 16 44 16 2 Broadcast

TV/DVD

1.5 - - - + +

320x240 25 16 44 16 2 Near VHS 0.3 - +/- - + +

180x120 25 16 44 16 2 Quarter-

VHS

0.1 - + + + +

180x120 12 8 44 16 1 - 0.05 + + + + +


17/127


Table 3. Geschiktheid van toegangstechnologien voor ruwe data voor videoconferencing



Spatial

resolution

[pixels]

Temporal

resolution

[fps]

Pixel

accuracy

[bit/pixel]

Sampling

frequency

[kHz]

Sample

accuracy

[bits/sam-

ple]

Number

of

channels

Number

of

parties

Relative

quality

class

Downstream/

upstream

bandwidth

[Mbit/s]ISDN CATV UMTS ADSL IEEE

802.11b

720x560 25 16 44 16 2 4 TV/DVD 465/155 - - - - -

360x280 25 16 44 16 2 4 Near VHS 117/39 - - - - -

360x280 12.5 8 44 16 2 4 Near VHS 32/10.9 - - - - -

360x280 12.5 8 22 16 2 2 Near VHS 10.9/10.9 - - - - +/-

360x280 12.5 8 22 8 1 4 Near VHS 31/10.3 - - - - -

180x140 12,5 8 44 16 2 4 1/4 VHS 11/3.7 - - - - +/-

180x140 4 8 11 8 1 4 - 2.79/0.9 - - - +/- +

Table 4. Geschiktheid van toegangstechnologien voor gecomprimeerde data voor videoconferencing, met compressieniveau zoals bij MPEG-4



Spatial

resolution

[pixels]

Temporal

resolution

[fps]

Pixel

accuracy

[bit/pixel]

Sampling

frequency

[kHz]

Sample

accuracy

[bits/sam-

ple]

Number

of

channels

Number

of

parties

Relative

quality

class

Downstream/

upstream

bandwidth


802.11b

720x560 25 16 44 16 2 4 TV/DVD 3/1 - - - +/- +

360x280 25 16 44 16 2 4 Near VHS 1.1/0.36 - - - + +

360x280 12.5 8 44 16 2 4 Near VHS 0.56/0.2 - - - + +

360x280 12.5 8 22 16 2 2 Near VHS 0.2/0.2 - +/- - + +

360x280 12.5 8 22 8 1 4 Near VHS 0.54/0.18 - - - + +

180x140 12,5 8 44 16 2 4 1/4 VHS 0.16/0.06 - + +/- + +

180x140 4 8 11 8 1 4 - 0.05/0.03 - + + + +


18/127


19/127

C O N C L U S I E S 13

Conclusies

Als we de gekozen categorien van breedbanddiensten als uitgangspunt nemen en vervolgens

kijken naar de eisen die deze diensten aan het toegangsnetwerk stellen, naar de vooruitgang in de

compressietechnieken en naar de ontwikkelingen binnen de toegangsnetwerken voor de komende

jaren dan komen we tot de volgende conclusies:

1. Bestaande toegangstechnologien, met name DSL, kunnen de meest essentile diensten zoalsbeschreven in dit document faciliteren voor de komende vijf jaar. Hierbij nemen we aan dat

per huishouden niet meer dan n persoon tegelijkertijd gebruik maakt van

breedbanddiensten. Merk echter op dat technologische randvoorwaarden de uitrol van DSL-

technologie beperken, zodat in een bepaald gebied niet alle huishoudens ervan gebruik zullen

kunnen maken.

2. Het is zeer onwaarschijnlijk dat compressietechnieken een substantile bijdrage zullenleveren aan het toepasbaar maken van de verschillende diensten over de verschillende

toegangsnetwerken binnen een periode van vijf jaar. Spectaculaire verbeteringen zijn op deze

termijn niet te verwachten. Wel kunnen intelligente, applicatie- en domeinspecifieke

compressietechnieken ingezet worden om zeer hoge compressie verhoudingen te behalen.

3. Zonder veel afbreuk te doen aan semantische of emotionele aspecten van de over te brengeninformatie, kan die informatie toch in verschillende kwaliteitsniveaus aangeboden worden.

Dit kan door verschillende formaten aan te leveren, die verschillen in kleurdiepte of resolutie.

Hierdoor kan men, bij een gegeven bandbreedte, de semantische waarde van communicatie

toe laten nemen door het optimale kwaliteitsniveau te kiezen. Het op deze manier degraderen

van informatie is een goede mogelijkheid om via de huidige netwerkinfrastructuur toch eenbepaalde mate van toegang tot pseudo-breedband informatie te bieden.

4. Een groot aantal nieuwe en interessante toegangstechnologien staan op het punt om door tebreken voor praktisch gebruik. Voorbeelden van deze technologien zijn communicatie via

hoogspanningskabels, hybride netwerken, free-space optics, bi-directionele satelliet

verbindingen, draadloze verbindingen, et cetera. Deze technologien vergroten de

mogelijkheden om breedband diensten naar de eindgebruikers te brengen, met name in dun

bevolkte gebieden waar de glasvezel naar het huis nog lange tijd op zich zal laten wachten.

5. Voor bedrijven en huishoudens in perifere gebieden is het met wireless local loop technologie('fixed-wireless') eenvoudig mogelijk om aansluitingen van enkele Mbit/s te realiseren over

afstanden van enkele tientallen kilometers. Via wireless LAN technieken kan vervolgens deze

bandbreedte gedeeld worden over meerdere locaties in een straal van enkele tientallen meters.


20/127


21/127

S U M M A R Y 15

Summary

The Directorate4-General for Telecommunications and Post's mission includes the development of

policies to safeguard the public interest with respect to telecommunication services access. This

policy of safeguarding the public interest has ensured that everyone has access to telephone

services for reasonable prices. In the future it is possible that public interest will also include

particular Internet services, even in the broadband domain, that are considered very desirable or

even essential for citizens to participate in basic social or economic activities. Consider

teleconferencing, telecommuting, services to follow education, webcam application in healthcare,

consulting governmental information, et cetera.

Although it is widely recognised that deployment of a fibre access infrastructure will enable real

service integration, it is also an economic reality that the national rollout of such an infrastructure

may take a considerable number of years, assuming that an all-fibre access connection is a

realistic perspective for households located in rural areas. This study explores the perspectives for

households and companies in regions without a fibre-infrastructure from a technology point of

view.

The central question that is addressed in this report is:

To what extent do new and upcoming technological developments, such as data

compression, contribute to more efficient use of the current capacity of actual and

future fixed and mobile communication networks, so that these networks can support

high-bandwidth information and communication services between small-scale

business companies and private users in a couple of years? In five years time, to

what extent will it be possible to deploy services via these networks which are called

high-bandwidth services now, such as services based on video and audio

streaming, by data compression or smart algorithms or protocols? What is by

approximation the expected highest possible transmission bandwidth required for

these services?

We were asked to answer these questions and to assess the impact of new, so-called bandwidth

reducing, technologies. These are technologies that could potentially be used to reduce the need

for data transfer while delivering broadband services. In other words, technologies that allow the

delivery of broadband services over current, common access networks that are typically referred

to as narrow or medium band.

It must be pointed out that the above questions cannot be answered in absolute terms. The

answers will depend both on policy decisions that qualify particular services as universal as

well as on technological developments. Both cannot be predicted with absolute certainty. This

report therefore reflects our vision rather than absolute wisdom. Moreover, given the

uncertainties regarding the need for electronic services and the speed of technological

developments we will consider a time frame of five years.

The Netherlands already has a quite dense communication infrastructure for both fixed and

mobile services, covering virtually the whole country. So it is worth investigating to what extent,4 The Directorate is part of the Dutch Ministry of Transport and Communication (Ministerie van Verkeer en

Waterstaat).


22/127


and under what circumstances, current and emerging access technologies (ADSL, CATV, GPRS,

satellite, WLL, etc.) can satisfy the bandwidth requirements of essential broadband services in the

near future. Moreover, it is important to evaluate whether significant technological improvements

can be expected here, or whether their current performances are close to their intrinsic limits.

This study gives insight in the technological developments in this domain that are important for

DGTP.

The approach

A key issue is to evaluate to what extent broadband services can be deployed over existing access

networks. Therefore, the first thing to estimate is the bandwidth requirements for most important

applications and services, and their relevance with respect to the overall network traffic.

However, it is impossible to predict exactly which broadband services will be considered

essential in the coming years.

Together with the Directorate-General for Telecommunications and Post we have identified four

categories of "basic" services that are considered to be characteristic for the essential broadband

applications to which universal access should be guaranteed. In other words, we have listed

numerous potential essential applications for education, healthcare, telecommuting, etc.

Subsequently, we have identified four basic categories of services that include most of these

essential applications. The following table summarises the result of this analysis.

Examples of essential applications Basic categories of services

Video (news) on demand, time-shifted virtual

radio-TV stations

Audio and video streaming

Internet radio and TV, distance learning forclosed groups, tele monitoring

Audio and video multicast

Tele consulting, internet telephony,

videoconference, telecommuting

Conferencing

Access to digital libraries, national archives,

multimedia e-mail, individual distance

learning, telecommuting

Interactive rich documents access

We conclude that, whereas the exact nature of the future essential applications is unknown, we

may reasonably assume that they can be deployed as long as the basic services listed in the table

can be deployed. Moreover, these basic services put such diverse requirements on the

infrastructure in terms of bandwidth and quality of service that it is likely that they will cover the

requirements of future essential applications.

It should be noted that the above categories do not cover the entire range of applications that

could require a broadband connection. For instance, applications where data is not directly

destined to a human (inter-system applications) cannot be included in any of these categories.

Although some inter-system applications (e.g. grid computing) have been given much attention

lately, we estimate that there will be no need for such applications in the residential or small

business environment within five years. Also, information provisioning by end-users is not part of

the list. Although this may become quite important, providers can easily supply hosting services

for this. Hence, it is not relevant for this discussion.


23/127

S U M M A R Y 17

We started with an analysis of the requirements put onto network infrastructures by the four

categories of basic services. These are requirements in terms of

1. Bandwidth to be offered by the networks to deploy the services to their full extent,2. Quality of service (delay, packet loss, etc.) to be offered by the networks,3. Bandwidth to be offered by the networks to deploy the services in a degraded mode.The table below summarises the bandwidth requirements for the basic categories of services. Note

that not only the volume of data, but also temporal relations between sent and received data have

an important impact on the required bandwidth. The quality column indicates whether strong

requirements exist with respect to delay variance and delay. "Low" means that no strong

requirements exist (there is no audio/video involved), medium quality means that delay is not

very relevant (as long as the delay is constant), and high quality means that low delay is

necessary (communication is interactive).

Basic service Application Minimum

bandwidth

[Mbit/s]

Maximum

bandwidth

[Mbit/s]

Required

quality

Time-shifted radio stations 0.05 0.2 MediumA/V streaming

MPEG Audio streaming 0.08 0.2 Medium

HDTV 20 340 MediumA/V Multicast

MPEG video TV 0.4 8 Medium

Video conferencing 0.128 1.5 HighConferencing

(bandwidth per

party)Internet telephony 0.064 0.25 High

e-learning, e-government 0.5 2 Low

Tele-medicine 0.5 20 Low

Interactive rich

documentsaccess

Telecommuting 0.014 6 Low

It should be noted that applications like tele-medicine, or telecommuting may include

videoconferencing or internet telephony as well. In such cases, the quality requirements will, of

course, be "High" rather than "Low".

Each of the broadband applications in the above table makes use of several components. First,

there is the encoding-decodingcomponent that is used to map natural or physical signals to

digital streams. These streams are distributed to other entities (e.g. from a television studio to an

end-user, or between end-users in conferencing services) using networks. This is illustrated

below.


24/127


This study addresses efficiency gains in the coloured parts of this figure. In more detail, we focus

on advances in the following areas:

Compression is one of the most effective ways of increasing transport efficiency. Particularlydata resulting from natural aural or visual signals is highly compressible using lossy

compression techniques (i.e. the original signal cannot be reconstructed completely).

Compression techniques are implemented in encoders, transcoders and decoders.

Distribution techniques are used to optimise the delivery of content. Examples are network-level multicasting, on-the-fly transcoding, or pre-fetching of content.

Coding and modulation techniques are intrinsic parts of (access) network technologies, andmap data onto physical communication media (this study limits the physical media to wireless

techniques, cable TV networks and telephony copper wires). New modulation techniques

may result in large efficiency gains (compare ADSL with analogue telephony). These

techniques are implemented in interface boards.

Advances in data compression

Data compression methods can be subdivided in two categories: lossless compression and lossy

compression.

Lossless compression basically performs redundancy reduction. Their compression ratio is rather

poor (e.g. 2:1 for natural images). Advances of lossless compression techniques take advantage of

additional properties of original data to achieve a more convenient statistical representation of

data samples. In the case of images, for instance, lossless compression can be improved when

applied separately to the different objects that make up a given scene. This way, an optimal

representation is achieved for the image as a whole, and not only for every pixel separately.

Either way, the usual compression ratio achievable for natural images does not get higher than

5:1. In the case of video sequences, lossless compression can reach a ratio of about 10:1. For TV-

quality video signals (640x480 resolution, 24 bits colour, 25 frames/second = 18 Mbit/s) this still

amounts to a bandwidth of 2 Mbit/s. Without audio!

Lossy compression techniques imply certain irreversible transformations on the original data,

causing thus some unrecoverable loss of information. This is though acceptable when compressed

data mediates an interpersonal communication, and if a human observer cannot perceive data

alteration. This way, lossy compression reduces not only the redundancy of original data, but also

its irrelevancies. A large number of lossy compression techniques have been proposed for speech,

audio, graphics, image, and video. The strategies followed in all these are either to find an

approximation of the original data samples (e.g. quantised transform coding), or to define a model

(recipe) by which data can be reconstructed from a reduced set of parameters and a large number

of previously stored prototypes (e.g. vector quantisation, principal components analysis).

(Access) network (Access) networkMultimedia Distribution Techniques

encoder decodertranscoderapplication application


25/127

S U M M A R Y 19

Only a few of these techniques have been widely accepted, and eventually incorporated in major

compression standards and technologies. For now, the ISO series of JPEG and MPEG open

standard specifications led to the development of most efficient technologies for image and video

compression. The state of the art products based on JPEG2000 and MPEG4 offer not only high

compression ratios (e.g. 100:1 for MPEG4 video at near DVD quality), but also provide

adaptation mechanisms to accommodate different bandwidths and terminal capabilities. However,

the complexity of the encoder is high, and products may suffer from a significant delay that stillprohibits their usage in peer-to-peer applications like videoconferencing.

Despite the plethora of methods and algorithms for lossy compression, it is still hard to point out

a theoretical limit for lossy compression. The reason is twofold. First, there is no comprehensive

model of perception to allow evaluating the minimum amount of information needed for

understanding a certain aural or visual scene. Second, even if such a model was available,

subjects experience, immediate goals, and context would always influence the perception.

Consequently, different limits for lossy compression could eventually be defined for different

applications. For instance, in video telephony the parties involved only need to communicate

verbally and possibly emotionally. This is achieved, obviously, through an audio-video

communication. Nevertheless, the only information they really need is whatthe other party is

saying, and how does he or she act during the conversation. So one could only send the words and

the facial expressions to achieve the same results. Together with an application that actually

generates audio from the words using a pre-fetched audio-model of the other party, and possibly

even an animation of a pre-fetched model of the head based on the transmitted facial expressions,

a bitrate of 300 bit/s would be sufficient to have a realistic discussion. However, these methods

are quite academic, and require a lot of configuration on end-users terminals. Therefore, it is not

likely that these will be fully deployed within the next five years.

If we take into account the compression techniques currently known and subject to

standardisation we conclude that it is unlikely that compression techniques will be improved verymuch for the next five years. However, adaptive coding schemes like MPEG4 will be used more

and more, in particular aimed at people with lower access-speed.

Advances in d ist r ibut ion technology

Distribution mechanisms can be used to gain efficiency in the transport of multimedia. They are

typically used inside networks, to optimise operators resource usage. For instance, by caching

content, replication of content to locations close to particular user-communities, and so on.

Therefore, they fall out of scope for this study. However, two aspects of distribution technology

are interesting:

Adaptive multicasting. This is used in point-to-multipoint content distribution settings, whereeach intermediate system is not only splitting content to its clients, but also may transcode the

content from one format into another. These techniques can be used to give low-speed access

to high quality content in a scalable way. Similar techniques can be used in conferencing

bridges to support multi-party conferences with heterogeneous terminals.

Pre-fetching of content. With this technique unused bandwidth is used to pre-fetch largeamounts of data. This is a promising method, although reservations apply: it is only useful

when the types of data that need to be accessed can be determined ahead of time (which may

be the case for asynchronous telecommuting or tele-education scenarios).


26/127


Advances in Access technology

For existing wireline access networks, modulation techniques will not result in efficiency gains:

the theoretical limits of line capacities have already been reached. Hence, the only possible ways

to enhance the capacity of these networks are to:

limit the length of each link in DSL networks (which allows one to use higher frequencies,and, hence, obtain more bandwidth). Fibre-to-the-curb scenarios use this method, and deliver

access speeds of 50 Mbit/s over distances of 300 meters max.

Increase the frequency range used for cable-based networks (in CATV networks currentlyonly a small frequency range is used for data-access).

For wireless networks there is a lot of effort going on in defining new modulation techniques that

are optimal on particular new frequencies. Examples of digital modulation techniques are

frequency shift keying (FSK), phase shift keying (PSK), quadrature PSK (QPSK), etc.

Modulation methods should be carefully selected based on the physical characteristics of the

medium, notably the frequency and the noise characteristics. For wireless networks also several

logical channels are multiplexed in the same frequency band (using e.g. frequency division

multiplexing (FDM), time division multiplexing (TDM)). As many users often share a single

communication channel,Multiple Access (MAC) techniques are necessary that define how a

medium is subdivided effectively into multiple channels. Important MAC techniques are

frequency division multiple access (FDMA), time division multiple access (TDMA), code

division multiple access (CDMA), wide band CDMA (W-CDMA), etc. There are advances in

these access methods that allow for higher bandwidths or that natively support QoS reservation

methods. However, many advances cannot be expected from innovative modulation techniques or

MAC-developments.

Real bandwidth gains can be obtained from the deployment of new frequency ranges in WLL-solutions (point-to-point with up to 155 Mbit/s over distances of approximately 40 km) and in

wireless LANs (802.11a has 55 Mbit/s capacity; short range).

The roll-out ofmobile networks will also improve access speeds compared to the current GSM

figures: GPRS is currently rolled out (30Kbit/s), UMTS will be rolled out within 5 years, and,

depending on the deployment architecture, will provide at most a few hundreds of kbit/s

(theoretical maximum is 2 Mbit/s, when close to a base station).

There are also emerging technologies that might be deployed within the next year. These

technologies could provide an efficient solution for supporting residential broadband services.

Power line communication, free-space optics, bi-directional satellite links, "T-spectrum" wireless

links are just a few of the emerging technologies having a high potential for providing broadband

connections to residential users.

This wealth of opportunities asks for a proper gateway-concept between the in-house

infrastructure and the different types of access networks, both wireline and wireless. This

residential gateway concept still requires additional research.

Putt ing it al l together

To give the reader a clearer perspective on the complex relations between bandwidth

requirements, quality of service, and application functionality, we describe a hypothetical service

for medical tele consulting. This example illustrates the possibilities and limitations imposed by


27/127


28/127


The following tables summarise the bandwidth requirements of some of the basic services, the

effects of bandwidth reducing techniques, and the suitability of various access techniques for

their deployment. The tables illustrate per basic category of service the bandwidth requirements

for two cases, i.e. without and with the use of bandwidth reducing technologies. It may be

concluded that current bandwidth reducing technologies are already quite effective in the sense

that they improve the suitability of access technologies for deploying the basic services.

Note that running multiple user sessions over the same access link (as may be very common in

many households; particularly those with children!) may have a strong negative impact on the

suitability of particular access networks. The table below is based on the use of a single

application at a given moment in time.

Basic categories of services

(selected by DGTP)

Access

Technique

Achievable

Bandwidth

(down-

/upstream)

[Mbit/s]

A/V

stream.

A/V m-

cast.

Conf. Interactive

rich doc.access

Remarks5

ADSL 5/0.64 +

(MPEG)

+

(MPEG)

+/- + Assuming a range of

3.66 km

VDSL 51/6.5 + + + + - Assuming a range

of 300 m

- almost available

CATV 0.2/0.015 +

(MPEG)

- +/-

(Audio)

- (Video)

+/- Assuming 200

subscribers per

network segment.

PLC 0.15-

symmetric

+

(MPEG)

- +/- +/- Assuming 50 users

per section

UMTS 0.2-

symmetric

+

(MPEG)

- +/- +/- The bandwidth

expected for 2006

LMDS 2.8-

symmetric+

(MPEG)

+

(MPEG)

+ + Assuming 16-QAM,

TDMA, and 200

users

IEEE802.11b 11-

symmetric

+

(MPEG)

+

(MPEG)

+ + - another version

providing 54 Mbit/s

will be available

within a few years

FSO 155-

symmetric

+ + + +

satellite 0.5- 0.05 +

(MPEG)

+

(MPEG)

- +/- - Not yet widely

available

Near T-

spectrum

622-

symmetric

+ + + + - over a range of 400

m

T-spectrum 100000-

symmetric

+ + + + To be deployed

within four years

5 The figures in this column are either actual, or realistic estimations of what is possible to achieve


29/127

S U M M A R Y 23

Table 5. Suitability of access technologies for raw data audio/video streaming

Source video format Source audio format Suitability of several access technologies

Spatial

resolution

[pixels]

Temporal

resolution

[fps]

Pixel

accuracy

[bit/pixel]

Sampling

frequency

[kHz]

Sample

accuracy

[bits/sample]

Number

of

channels

Relative

quality

class

Required

bandwidth


802.11b

720x575 25 16 44 16 2 Broadcast

TV/DVD

160 - - - - -

320x240 25 16 44 16 2 Near VHS 120 - - - - -

180x120 25 16 44 16 2 Quarter-

VHS

9.5 - - - - +

180x120 12 8 44 16 1 - 2.5 - - - + +

Table 6. Suitability of access technologies for MPEG-4 compressed data audio/video streaming


Spatial

resolution

[pixels]

Temporal

resolution

[fps]

Pixel

accuracy

[bit/pixel]

Sampling

frequency

[kHz]

Sample

accuracy

[bits/sample]

Number

of

channels

Relative

quality

class

Required

bandwidth


802.11b

720x575 25 16 44 16 2 Broadcast

TV/DVD

1.5 - - - + +

320x240 25 16 44 16 2 Near VHS 0.3 - +/- - + +

180x120 25 16 44 16 2 Quarter-

VHS

0.1 - + + + +

180x120 12 8 44 16 1 - 0.05 + + + + +


30/127


Table 7. Suitability of access technologies for raw data video conferencing


Spatial

resolution

[pixels]

Temporal

resolution

[fps]

Pixel

accuracy

[bit/pixel]

Sampling

frequency

[kHz]

Sample

accuracy

[bits/sam-

ple]

Number

of

channels

Number

of

parties

Relative

quality

class

Downstrea

m/ upstream

bandwidth

[Mbit/s]

ISDN CATV UMTS ADSL IEEE

802.11b

720x560 25 16 44 16 2 4 TV/DVD 465/155 - - - - -

360x280 25 16 44 16 2 4 Near VHS 117/39 - - - - -

360x280 12.5 8 44 16 2 4 Near VHS 32/10.9 - - - - -

360x280 12.5 8 22 16 2 2 Near VHS 10.9/10.9 - - - - +/-

360x280 12.5 8 22 8 1 4 Near VHS 31/10.3 - - - - -

180x140 12,5 8 44 16 2 4 1/4 VHS 11/3.7 - - - - +/-

180x140 4 8 11 8 1 4 - 2.79/0.9 - - - +/- +

Table 8. Suitability of access technologies for compressed data video conferencing, assuming a compression approaching MPEG-4 performance


Spatial

resolution

[pixels]

Temporal

resolution

[fps]

Pixel

accuracy

[bit/pixel]

Sampling

frequency

[kHz]

Sample

accuracy

[bits/sam-

ple]

Number

of

channels

Number

of

parties

Relative

quality

class

Downstrea

m/ upstream

bandwidth

[Mbit/s]

ISDN CATV UMTS ADSL IEEE

802.11b

720x560 25 16 44 16 2 4 TV/DVD 3/1 - - - +/- +

360x280 25 16 44 16 2 4 Near VHS 1.1/0.36 - - - + +

360x280 12.5 8 44 16 2 4 Near VHS 0.56/0.2 - - - + +

360x280 12.5 8 22 16 2 2 Near VHS 0.2/0.2 - +/- - + +

360x280 12.5 8 22 8 1 4 Near VHS 0.54/0.18 - - - + +

180x140 12,5 8 44 16 2 4 1/4 VHS 0.16/0.06 - + +/- + +

180x140 4 8 11 8 1 4 - 0.05/0.03 - + + + +


31/127

C O N C L U S I O N S 25

Conclusions

Taking into account the basic categories of services, the requirements they put onto access

networks, the advances in compression techniques and the advances in access networks for the

coming years, we reached the following conclusions.

1. Existing infrastructure technologies, in particular DSL, can accommodate most of theessential services considered in this study for the coming five years, assuming that at a given

point in time, one person per household would make use of one such service. Note, however,

that rollout of DSL-technology is hampered by physical limitations that may restrict

deployment to only a part of the households.

2. Compression techniques are unlikely to substantially alter our assessment of the suitability ofthe various existing infrastructure technologies for the deployment of essential services, since

no spectacular improvements are likely to occur within five years. However, intelligent,application and domain-specific compression techniques can be used to obtain much higher

compression rates.

3. A service can be delivered at different levels of quality, since information can in many casesbe properly degraded without losing the semantic or emotional communication value. Many

of the future services offered in high quality (for example colour video) could be gracefully

degraded to a lower quality (for example black and white video) without losing their core

functionality. Hence, given a fixed bandwidth, one can increase the semantic value of

communication by degrading the perceptual quality of the signals. Graceful degradation

therefore is a fallback option to deploy essential services via current network infrastructures.

4. An extensive number of new access technologies that could be interesting for the studiedapplications are on the verge of deployment. Examples of these technologies are power line

communication, hybrid networks, free-space optics, bi-directional satellite links, wireless

links, et cetera. These have a high potential for providing broadband connections to

residential users, particularly in rural areas where fibre to the home or fibre to the curb is not

available.

5. Wireless local loop (fixed wireless) technologies are possible solutions for offeringconnections of a few Mbit/s over distances of tens of kilometres to residential or business

users situated in peripheral areas. Using wireless LAN techniques, the bandwidth can then be

used from several locations within a range of a few tens of meters.


32/127


33/127

I N T R O D U C T I O N 27

1 Introduction

1.1 Goal and scope of the project

The Directorate-General for Telecommunications and Post's mission includes the development of

policies to safeguard the public interest with respect to access to telecommunication services.

This policy of safeguarding the public interest has ensured that everyone has access to telephone

services for reasonable prices. In the future it is possible that public interest will also include

particular Internet services, even in the broadband domain, that are considered very desirable or

even essential for citizens to participate in basic social or economic activities. Consider

teleconferencing, telecommuting, services to follow education, webcam application in healthcare,

consulting governmental information, et cetera.

Although it is widely recognised that deployment of a fibre access infrastructure will enable real

service integration, it is also an economic reality that the national rollout of such an infrastructuremay take a considerable number of years, assuming that an all-fibre access connection is a

realistic perspective for households located in rural areas. This study explores the perspectives for

households and companies in regions without a fibre-infrastructure from a technology point of

view.

This is not only based on existing access technologies and expected advances in access

technologies, but also on possible breakthroughs in compression techniques. There has been a lot

of attention lately on such breakthroughs that might result in extremely low-bandwidth video

transmissions.

In this report we try to evaluate to what extent current and emerging access services would giveeveryone the possibility of using broadband applications. A more accurate description of this goal

is given by the following research question formulated by DGTP:

"In hoeverre maken nieuwe aanstaande technologische ontwikkelingen, waaronder

compressie, het mogelijk om de bestaande capaciteit in het huidige en aanstaande

vaste en mobiele aansluitnet beter te benutten zodat over een aantal jaren daarlangs

ook breedband-informatie- en communicatiediensten naar particulier en kleinbedrijf te

transporteren zijn. Hoever zal de praktijk over 5 jaar zijn gevorderd om via deze

netwerken diensten aan te bieden die nu als 'breedband' te boek staan (zoals

bijvoorbeeld video en audiostreaming), door gebruik te maken van compressie en/of

slimme algoritmes en protocollen. Waar zal naar verwachting ongeveer de grens van

het mogelijke liggen gerekend in termen van de transmissie-bandbreedte die

betreffende diensten vereisen." ("To what extent do new and upcoming technological

developments, such as data compression, contribute to more efficient use of the current

capacity of actual and future fixed and mobile communication networks, so that these

networks can support high-bandwidth information and communication services

between small-scale business companies and private users in a couple of years? In five

years time, to what extent will it be possible to deploy services via these networks

which are called high-bandwidth services now, such as services based on video and

audio streaming, by data compression or smart algorithms or protocols? What is by

approximation the expected highest possible transmission bandwidth required for theseservices?")


34/127


Therefore, the context of our research will be limited to the existing access networks

infrastructure, and to the one likely to emerge within five years, and will only address the

problem of optimising data traffic by:

1. Minimising the bandwidth required for transmitting a certain quantity of information.This is achieved by keeping from the original data only those elements that are needed

for a (more or less) accurate reconstruction of the original data. This process will bereferred to as compression.

2. Maximising the data flow through a certain physical communication channel, whilemaintaining the maximum transmission error of messages below a given limit. This is

obtained by efficient codingmethods, modulation and multiple access techniques inside

access networks.

3. Using optimal distribution techniques in order to minimise duplicate encoded streamsover the network. This helps in preventing overloaded backbone connections and servers

by efficient content-distribution mechanisms and replicated data-storage.

The relation between these aspects is depicted below. Networked applications use compression

techniques implemented in encoding-decodingcomponents, which map natural or physical

signals to digital streams. These streams are distributedto other entities (e.g. from a television

studio to an end-user, or between end-users in conferencing services) using networks. This is

illustrated in the system description below.

However, solving these three problems separately, may not lead to a global optimum with respect

to bandwidth usage for a given network infrastructure. On the other hand, a theoretically optimal

solution may often be impossible to achieve in practice due to a number of side issues, like

implementation costs, legacy components, inadequate business models, or user resilience, et

cetera.

Therefore, our conclusions will be formulated in terms of

i) Estimated bandwidth requirements for residential and (small) business users;ii) Assessment of improvements that can be achieved for compression, coding and distribution

techniques;

iii) Overview of state-of-the-art technologies for compression, coding and distribution;iv) Current and near-future capabilities of existing access networks;v) Possibly discovery of (very) relevant adjacent developments as aspects,vi) Mapping user requirements (i), weighted by a factor resulted from (ii) and (iii) onto

bandwidth availability (iv).

Obviously, these conclusions do not have an absolute character, being the result of a limited

perspective of the whole matter. The elements taken here into account are mainly technical. Some

side-steps are made to directly adjacent matters, like perception and quality of service.

(Access) network (Access) networkMultimedia Distribution Techniques

encoder decodertranscoderapplication application


35/127

I N T R O D U C T I O N 29

Economical and social aspects were ignored, although they may have a great influence on the

evolution of both requirements and availability of network resources.

1.2 Structure of the report

A key issue in the research question stated above is to evaluate to what extent broadband

(wideband) services can be deployed over wideband (narrowband) networks. Consequently, on ahigher level, the logical structure of this report is as follows:

Identification of bandwidth requirements for most important applications and services.Which of these are broadband (wideband), what is their relevance with respect to the

overall network traffic?

Assessment of the possibilities for reducing the bandwidth requirements while preservingthe quality of service parameters by means of compression and distribution techniques.

What are the theoretical limits, if any, what are the practical constraints, what are the

current achievements?

Assessment of the technical characteristics of current and emerging access-networktechnologies.

Matching the original bandwidth requirements, downscaled with a factor resulted fromapplying bandwidth saving techniques, with network parameters.

Section 2 is dedicated to the analysis of relevant applications and services. After selecting several

categories, we present their most important requirements in terms of bandwidth and quality of

service. Their relevance for the present study is assessed according to their bandwidth

requirements. Section 3 gives a survey of the most important principles for reducing bandwidthrequirements in multimedia communication services using compression. Section 4 addresses

distribution techniques. Although they are not part of the main focus, some advances here might

influence the efficiency of access networks. Section 5 addresses the key issue in developing new

communications services, the so-called last mile. A description of currently used and emerging

access technologies is given there, along with a description of the technology used inside these

networks. In section 6 we combine the results of sections 3, 4, and 5 with the requirements put

forward in section 2.

For the reader interested in deeper technical details, background information and examples, these

can be found in the three annexes. These discuss compression algorithms, datalink and physical

layer technologies, and detailed descriptions of access technologies, respectively.


36/127


37/127

C O M M U N I C A T I O N S E R V I C E S A N D A P P L I C A T I O N S 31

2 Communication services and applications

In this section we intend to further define the scope of our research, by identifying those

broadband applications or services that may become more general in the next five years' time and

to which the government may adhere. We will estimate their bandwidth and quality of service

requirements. These applications will be further used throughout the remaining of the report as

main guidelines.

2.1 Networked mult imedia applications

Currently, thousands of different multimedia applications and services are offered and used.

Virtually, every field of economic and social activities makes use of some kind of (multi-) media

communication. So we will identify categories of applications or services that include essential

functionality elements that are shared by most multimedia applications. In order to that, we

propose a number of criteria that will help identifying such relevant categories: media types used for information exchange: data, graphic, voice, audio, image, video temporal dependencies: Interactive applications, like telephony, require a very low delay and

low delay variance (synchronous). Non-interactive applications have lower delay

requirements. These can be subdivided into isochronous applications like video streaming or

voice-mail access that have requirements with respect to delay variance (jitter), and

asynchronous applications like web-browsing that have no strong quality-requirements.

number of participants/topology: point to point, point to multipoint, multipoint to multipoint2.1.1 Relevant categories of networked mult imedia applications

For the present study we selected a number of categories of networked multimedia applicationsthat are most relevant and representative with respect to their bandwidth requirements and their

usage. These are presented in Table 9, together with some of their most relevant properties.

Table 9. Categories of applications

Category of

applications

Typical

topology/configuration

Temporal

dependencies

Examples

Audio and video

streaming

Point-to-point, asymmetric Isochronous,

constant delay

video on demand, time-

shifted virtual radio and

TV channels

Video multicast Point-to-multipoint,

asymmetric

Synchronous Real-time virtual radio-

TV channels, distance

learning

Conferencing

applications

(Multi-) point-to-(multi-)

point, symmetric

Synchronous Internet telephony, video

conference

Interactive rich-

document access

Point-to-point, asymmetric Asynchronous,

variable delay

e-government

applications, e-

commerce, transactions

services, multimedia e-

mail, digital libraries, etc.

Note that the difference between streaming and multicast applications is not directly related to

bandwidth, but rather to quality of service, which may influence the way these applications can be

used in combination with others, or in multiple instances.


38/127


2.1.2 Bandwidth requirements

The table below gives an estimate of the bandwidth requirements for several applications from

each of the categories considered earlier. Note that some of the applications fall into several

categories. For instance, tele-medicine may consist of only access to existing patient files(which is part of interactive rich documents access), but might as well consist of remote video

observation of patients (conferencing). Some applications may even combine these features into a

single application.

Table 10. Bandwidth requirements for several examples of applications

Category Application Minimum

bandwidth

(Mbit/s)

Maximum

bandwidth

(Mbit/s)

Time-shifted radio stations 0.05 0.2A/V streaming

MPEG Audio streaming 0.08 0.2HDTV 20 340A/V Multicast

MPEG video TV 0.4 8

Video conferencing: e.g. in

telemedicine, telecommuting

0.128 1.5Conferencing

(bandwidth per

party) Internet telephony 0.064 0.25

e-learning, e-government 0.5 2

Tele-medicine (multimedia document

access only)

0.5 20

Interactive rich

documents access

and file exchange

Telecommuting (file access) 0.014 6

It should be noted that the above categories do not cover the entire range of applications that

could require a broadband connection. For instance, applications where data is not directly

destined to a human (inter-system applications) cannot be included in any of these categories.

Although some inter-system applications (e.g. grid computing) were given much attention lately,

we estimate that there will be no need for such applications in the residential or small business

environment within five years. Also, information provisioningby end-users is not part of the list.

Although this may become quite important, providers can easily supply hosting services for this.

Hence, it is not relevant for this discussion.

2.2 Quality of service parameters

Quality of service (QoS) is the ability of a network element to have some level of assurance that

its traffic and service requirements can be satisfied [50]. Quality of service does not have a direct

relation with bandwidth, but rather with the way this is allocated to different concurrent

applications. Still, it is important to point out several QoS parameters and to show how their

values or the lack of bandwidth can influence different applications.

In the technical literature there are referred a large number of quality of service parameters. Still,

for the purpose of this study it is appropriate to discuss only those that directly influence data

traffic efficiency: delay,jitter, skew,packet loss, and average error rate. Although these terms

are generally used in many different contexts, for our discussion we implicitly assume a packetswitched network,

Babet Final Report

Documents

Transcript of Babet Final Report