Next Generation Media –
Medien für die nächste Generation
Prof. Dr. Th. Herfet
Lehrstuhl für Nachrichtentechnik
Fachrichtung Informatik
GB 22, Raum 10.02
[email protected]
Inhalt
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Medien und Moden (Multimedial vs. Multimodal)
Generationen und Evolution (Text, Audio, Video)
Was bringt die nächste Generation (Multicast)
Ein großer Werkzeugkasten (Spektren und Dichten)
Vom Störenfried zum Mitspieler (Echos; früher und heute)
Quality of Service (Dienste und ihre Qualität)
Schlösser und Burgen (Vom schnellen Schlössertausch)
Netzwerke der nächsten Generation (IEEE 802.11n)
Zusammenfassung
Medien und Moden
• „Ein Medium (v. lat.: medium = Mitte(lpunkt), Zentrum, dazwischen
liegend, in der Mitte befindlich; Plural Medien oder Media) ist im
allgemeinen ein Träger oder ein Übermittler von Jemandem oder
Etwas.” (Wikipedia)
– In der Informatik wird unter Medium ein eigenständiger
Informationsträger verstanden.
• „"Multimedial" (…) bedeutet "Kombination mindestens zweier
(Präsentations-)Medien", ... "multimodal" bedeutet "mindestens 2
Sinnesorgane ansprechend“.“ (http://is.uni-sb.de/studium/handbuch/multimedia.php)
– In der Informatik wird unter Modus ein physischer Ein-/Ausgabekanal
verstanden (Sprache, Mimik, Gestik, Haptik)
• Multimediale Systeme werden durch die explizite Verknüpfung
verschiedener Moden multimodal (z. B. gesprochener Text synchron
mit Ticker)
– Die Synchronisation von Audio & Video ist hier ein Grenzfall
Inhalt
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Medien und Moden (Multimedial vs. Multimodal)
Generationen und Evolution (Text, Audio, Video)
Was bringt die nächste Generation (Multicast)
Ein großer Werkzeugkasten (Spektren und Dichten)
Vom Störenfried zum Mitspieler (Echos; früher und heute)
Quality of Service (Dienste und ihre Qualität)
Schlösser und Burgen (Vom schnellen Schlössertausch)
Netzwerke der nächsten Generation (IEEE 802.11n)
Zusammenfassung
Übertragung – Die Historie
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Mitte 19.Jh. James Clerk Maxwell (GB) leitet Gleichungen für den Elektromagnetismus her,
Grundlage für die gesamte Elektrotechnik (Maxwell’sche-Gleichungen), theoretische Vorhersage,
dass sich elektromagnetische Wellen im Raum ausbreiten können (Licht, Radiowellen)
1837 Samuel Morse (USA) erfindet die Telegraphie, ‘digitale’ Übertragung über Metallleitungen
1843 S.Morse richtet erste Telegraphen-Teststrecke entlang der Bahnlinie Washington-Baltimore
ein
1848 Werner Siemens (D) und J.G.Halske (D) bauen erste deutsche Telegraphenlinie von Berlin
nach Frankfurt/Main
1861 Phillip Reis (D) macht Versuche zur analogen Telephonie
1876 praktisch gleichzeitig entwickeln Alexander Graham Bell (Can.) unter Mithilfe von Thomas A.
Watson sowie E.Gray erste Telefonsysteme für die Übertragung von Sprache
1888 Heinrich Hertz erzeugt Radiowellen mit einem Oszillator (31 MHz - 1.25 GHz)
1894 Guglielmo Marconi (I) entwickelt erstes Funk-Übertragungssystem für eine Strecke von ca.
1km, 1896 erreichte er 3km von Schiffen aufs Land, 1899 erste Übertragung über den Kanal von
Frankreich nach Dover, 1902 erste transatlantische Übertragung von England nach Neufundland
1908 Lee DeForest (USA) erfindet die Verstärkerröhre, erstmals können elektrische Signale
verstärkt werden
1920 Rundfunkstationen in den USA nehmen regelmäßigen Betrieb auf (Detroit und Pittsburgh),
Amplitudenmodulation (AM)
1930 erste Schwarzweiß-Fernsehsysteme
1939 Erste Sender verwenden Frequenzmodulation (FM), die 1933 durch Edwin H. Armstrong
(USA) erfunden wird
Übertragung – Die Historie
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1948 Erfindung des Transistors in den Bell Telephone Laboratories durch William Shockley,
Walter Brattain und John Bardeen (USA)
1948 Shannon (USA) und Kotelnikov (SU) leitet die Grundlagen der Informationstheorie her
1950 erste Farbfernsehsysteme werden entwickelt
1958 Kilby (USA) entwickelt erste Integrierte Schaltung
1962 Funkverbindungen über Satelliten
1963 C.Kao, Erfinder der optischen Nachrichtenübertragung, beginnt sich mit dem Thema
optische Lichtwellenleiter zu beschäftigen
1980 Einführung der CD
1987 Einführung von ISDN
1996 Einführung der DVD
2003 Erste europäische HDTV-Ausstrahlung
• Der Zeitraum zwischen der Applikation von Sprache,
derjenigen von Audio und derjenigen von (HD-)Video
wird immer kürzer!
– Die (nachrichtentechnische) Forschung konzentriert sich auf
audiovisuelle Objekte
Lehrstuhl Nachrichtentechnik
• Mission
To foster and shape the era of audiovisual networking by research
and education on the technical elements of content retrieval,
analysis, distribution and management.
• Vision
To facilitate ubiquitous networks and the handling of audiovisual
objects in a manner that is superior in its applicability but at least as
convenient, flexible and easy to use as it is common for today’s
textual objects.
Inhalt
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Medien und Moden (Multimedial vs. Multimodal)
Generationen und Evolution (Text, Audio, Video)
Was bringt die nächste Generation (Multicast)
Ein großer Werkzeugkasten (Spektren und Dichten)
Vom Störenfried zum Mitspieler (Echos; früher und heute)
Quality of Service (Dienste und ihre Qualität)
Schlösser und Burgen (Vom schnellen Schlössertausch)
Netzwerke der nächsten Generation (IEEE 802.11n)
Zusammenfassung
Ein neues Paradigma
• Kommunikation:
– Punkt zu Punkt; leitungs- oder paketvermittelt
• ISDN, GSM, IMT2000/UMTS, aber auch WLAN
• Rundfunk:
– Punkt zu Mehrpunkt; standardisierte Übertragungsverfahren
• UKW, PAL, DVB
• In (ferner?) Zukunft:
– GRID Computing
– Audiovisuelle Information ist überall,
jederzeit verfügbar
• „HDTV aus der Steckdose“ – oder
besser – aus der Luft
• IP-basiert
• Geschützt
• Mit hoher Dienstequalität
Und was gibt‘s da zu tun?
• Die IP-basierte, drahtlose Übertragung audiovisueller Inhalte steckt
noch in den Kinderschuhen.
– Viele drahtlose Systeme (z. B. 802.11) liefern nicht die erforderliche
Bandbreite und nicht die erforderliche Dienstequalität
• Lösungsansätze mit 802.11n in Sicht
• Quality of Service braucht globaleren Ansatz
– Für den Schutz digitaler Inhalte, ohne die Nutzung einzuschränken, gibt
es noch keine Lösungen (bisherige Lösungen kommen aus dem
Rundfunk bzw. dem Mobilkommunikationsbereich)
• DRM-Systeme sind heute proprietär; übergeordnete Frameworks gibt es
noch nicht.
• Harware-token schränken die allgemeine Nutzung stark ein (Premiere CIModul passt nur in STB...)
– Software-token kommt auf.
– Viele Protokolle sind nicht Multicast-fähig
• GRIDs müssen audiovisuelle Inhalte im Multicast anbieten
Inhalt
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Medien und Moden (Multimedial vs. Multimodal)
Generationen und Evolution (Text, Audio, Video)
Was bringt die nächste Generation (Multicast)
Ein großer Werkzeugkasten (Spektren und Dichten)
Vom Störenfried zum Mitspieler (Echos; früher und heute)
Quality of Service (Dienste und ihre Qualität)
Schlösser und Burgen (Vom schnellen Schlössertausch)
Netzwerke der nächsten Generation (IEEE 802.11n)
Zusammenfassung
Werkzeuge der Nachrichtentechnik
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Komplexe Zahlen
–
z  Rez j  Imz mit
j : 1
– Euler-Relation: exp(j 2f 0t )  cos2f 0t   j  sin2f 0t 
•
Spektrale Dichten

–
Dekomposition in Eigenfunktionen:
st    S  f  exp j 2ft  df

–
S  f , die sog. Fourier-Transformierte von s t , ist eine spektrale Dichte
–
Beispiel mit Euler-Relation:
st   cos2f 0t 
4
1
S  f      f  f 0     f  f 0 
2
Weitere Werkzeuge
•
Viele weitere Transformationen (Laplace, Hilbert, z)
– Aber alle lassen sich auf Fourier zurückführen
•
Deterministische und stochastische Systemanalyse
– Harmonische Analyse
•
Algebra auf finiten Körpern (sog. Galois-Feldern)
– Bsp.:
GF5 mit a  b  a  b modb

0
1
2
3
4
 0 1 2 3 4
0
1
0
1
1
2
2
3
3
4
4
0
0 0 0 0 0 0
1 0 1 2 3 4
2
3
2
3
3
4
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0
0
1
1
2
2 0 2 4 1 3
3 0 3 1 4 2
4
4
0
1
2
3
4 0 4 3 2 1
i
0
1
2
3
4

0
1
2
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
2
4
0
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Medien und Moden (Multimedial vs. Multimodal)
Generationen und Evolution (Text, Audio, Video)
Was bringt die nächste Generation (Multicast)
Ein großer Werkzeugkasten (Spektren und Dichten)
Vom Störenfried zum Mitspieler (Echos; früher und heute)
Quality of Service (Dienste und ihre Qualität)
Schlösser und Burgen (Vom schnellen Schlössertausch)
Netzwerke der nächsten Generation (IEEE 802.11n)
Zusammenfassung
Echos bei der drahtlosen Übertragung
•
Klassische Übertragung
– Echos stören: Geisterbilder im analogen Fernsehen, Auslöschungen (Fading)
bei FM-Emfang im Auto.
– Echokompensation notwendig
• Im Falle sich ändernder Echos adaptiv!
• Echos werden „gelöscht“; Signalenergie wird nicht genutzt
•
Moderne Übertragung mit OFDM
– Echoenergie wird genutzt
T
0.3
+
-
+
0.3
H C z  
z  0 .3
z
H R z  
T
z
z  0.3
OFDM
• Orthogonal Frequency Division Multiplex
1
ts

ts

f0
•
•
Statt einer schnell geschalteten
viele langsam geschaltete Sinusschwingungen
Guard-Interval „sammelt“ Echos
ein
–
–
Sinus plus Echo bleibt Sinus
Wenn komplexe Dämpfung
bekannt, dann Erkennung einfach
•
Keine Echokompensation nötig
MIMO
• Multiple Input Multiple Output
– Relativ neue Entwicklung (Ende der 90er Jahre)
• Nutzt mehrere Sende- und mehrere Empfangsantennen
• Nutzt Echos; überträgt „in Richtung der Eigenvektoren des Kanals“
Quelle: University of Oulu, Finnland
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Medien und Moden (Multimedial vs. Multimodal)
Generationen und Evolution (Text, Audio, Video)
Was bringt die nächste Generation (Multicast)
Ein großer Werkzeugkasten (Spektren und Dichten)
Vom Störenfried zum Mitspieler (Echos; früher und heute)
Quality of Service (Dienste und ihre Qualität)
Schlösser und Burgen (Vom schnellen Schlössertausch)
Netzwerke der nächsten Generation (IEEE 802.11n)
Zusammenfassung
QoS Background
• Der Bedarf an Multimedia Applikationen steigt
–
–
–
–
Audio & Video streaming
Video Konferenz
Voice over IP
Interaktive Spiele
• Konvergenz der Medien
– Audio, Video, Daten über ein Netzwerk
– Multimedia-Daten vs. Best-Effort Paket-Daten
– Echtzeit vs. Nicht-Echtzeit
Quality of Service: Definition
• Dienstequalität ist
– Die Qualität der Anwendung, wie sie vom Endgebraucher
wahrgenommen wird
(z. B. Audio- und Videoqualität oder Verzögerung bei
Sprachanwendungen)
- Anwendung/Nutzer level
– Die Fähigkeit, Netzwerkverkehre zu steuern und Ihnen die bestmögliche
Qualität zu ermöglichen
(bzgl. der Netzwerk QoS-Parameter wie Bandbreite, Verzögerung, Jitter
und Paketfehler)
- Netzwerk level
QoS Parameter
• Für Multimedia Anwendungen relevante QoS-Parameter sind:
–
–
–
–
Bandbreite oder Datendurchsatz
Verzögerung
Verzögerungs- bzw. Laufzeitschwankungen
Fehler- und Verlustrate
QoS Dienste
• Best-Effort Dienste
• Keinerlei Garantien
• Quantitativ („Guaranteed“) Dienstequalität
• Garantiert die Netzwerkperformanz (z. B. Bandbreite. Verzögerung, Jitter)
auf deterministische oder mindestens statistische Weise.
• Qualitative („Differentiated“) Dienste
• Klassifiziert Dienste (z. B. geringere Verzögerung für Sprachdienste oder
höhere Bandbreite für Videodienste)
QoS in a Wireless Network
Wireless Network
QoS Mechanisms
Traffic Handling Mechanisms
-Classification
-Channel Access
-Packet Scheduling
-Traffic Policing
Bandwidth Management Mechanisms
-Resource Reservation
-Admission Control
Host
Host
Intermediate Devices
(i.e. access point, base station, satellite)
Infrastructure Wireless Network
End Host
Access Point or Base Station
Application
End Host
Admission Control
Resource
Reservation
Resource
Reservation
Data Traffic
Data Traffic
Resource
Reservation
Application
Classification
Classification
Classification
Traffic Policing
Traffic Policing
Traffic Policing
Queue
Packet
Scheduling
Channel Access
Queue
Packet
Scheduling
Queue
Packet
Scheduling
Channel Access
Channel Access
Wireless Medium
Data flow
Signaling flow
QoS at the various network layers
Transport
Adaptive compression, transcoding and transrating
algorithms, content adaptation
Resource reservation and management, rate control,
error corrections
Network
Intelligent routers/switches using application specific information.
Mobility management. DiffServ, MPLS, QoS Routing
Data Link
QoS priority queues, class-based scheduling, data rate management
MAC protocol improvements for providing QoS guarantees
Physical Layer
Adaptive modulation, various SNR improvements
channel estimation, MIMO
Inter-layer resource interaction and coordination
Application
Inhalt
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Medien und Moden (Multimedial vs. Multimodal)
Generationen und Evolution (Text, Audio, Video)
Was bringt die nächste Generation (Multicast)
Ein großer Werkzeugkasten (Spektren und Dichten)
Vom Störenfried zum Mitspieler (Echos; früher und heute)
Quality of Service (Dienste und ihre Qualität)
Schlösser und Burgen (Vom schnellen Schlössertausch)
Netzwerke der nächsten Generation (IEEE 802.11n)
Zusammenfassung
DRM
• DRM steht für „Digital Rights Management“
• “DRM is a system of IT components and services along with
corresponding law, policies and business models which strive to
distribute and control IP and its rights” – NIST (National Institute for
Standards and Technology, USA)
– “IP” = Intellectual Property, geistiges Eigentum
“IT” = Information Technology
• Juristisch: Urheberrechtsschutzgesetze
• Technisch bedingt:
– analoge Kopien
+ physische Lieferung
= effizienter Kopierschutz
 Qualitätsverlust
 hohe Vertriebskosten
DRM (cont‘d)
• Änderungen im elektronischen Zeitalter
– digitale Daten
– Netzwerke
 billiges Kopieren ohne Qualitätsverluste
 billige und schnelle Verbreitung
• DRM als Gegenmaßnahme:
– Der Inhalt wird durch Verschlüsselung versteckt
– Der Zugriff wird von einer sicheren kryptografischen Vorrichtung
(Soft/Hardware), in Abhängigkeit von den Benutzerrechten gewährt
– Die Vorrichtung zu Umgehen soll extrem teuer
(d. h. unmöglich für alle praktischen Zwecke) sein
– Leichter gesagt als getan (siehe z. B. CSS für DVD)
Datenströme („Streaming Contents“)
•
•
DRM für Dateien: eine einzige Autentifizierung/
Nutzungserlaubnis/Schlüsselsatz pro Datei
DRM für Datenströme (Audio/Video):
– Der Empfäger kann Teile des Datenstroms – inklusive Schlüssel – verpassen
(z. B. auf Grund von Übertragungsfehlern)
– Der Empfänger kann sich erst nach dem Beginn der Übertragung einschalten
– Deshalb müssen die Rechte kontinuierlich überwacht und überprüft werden
•
Einfachste Anwendung Conditional Access
– Nur zwei Optionen: Zugriff erlaubt oder nicht
– Sehr bekannte Anwendung: Pay-TV
– CA Kontrolle realisiert als Set Top Box (Gerät geschaltet zwischen der Antenne
und dem Empfänger, oft physisch auf dem Fernseher sitzend)
– Die Sicherheit wird üblicherweise durch die SmartCard (Mikrokontroller im
Scheckkartenformat) gewährleistet
Pay-TV Modell
(Gemplus, Oberthur)
Pay-TV Komponenten
• EMM (Entitlement Management Message) beinhaltet:
– Benutzeridentifikator (Subscriber ID)
– Aktualisierung der Rechte
• EMM wird für den Versand mit einem kartenspezifischen Schlüssel
verschlüsselt
– Kann individuell oder für Gruppen sein
• ECM (Entitlement Control Message) beinhaltet:
– Control Word (CW) – Schlüssel für den Inhalt
– Inhaltidentifikator (Content ID)
– Liste der benötigten Rechte, um auf den Inhalt zuzugreifen
• ECM wird selbst durch den Broadcast Key (BK) verschlüsselt. Der
ist der SmartCard bekannt.
Pay-TV-Arbeitsweise
• Entschlüsselung des Inhalts durch das CW in der Set-Top Box
verläuft nach standardisiertem, aber nicht offen gelegtem
Algorithmus.
Modelle:
– Ein CW für die Dauer der Sendung: nicht sehr sicher
– CW wird periodisch geändert: neue ECM wird gelegentlich (z. B. alle 2
Sekunden) versandt
• Das ECM/EMM Format ist anbieterproprietär
– Entschlüsselung und Interpretation auf der SmartCard
– ECMs können zusätzlich dürch EMMs verschlüsselt werden (müssen
aber nicht)
Weitere Entwicklung, IP-TV
• Internet Streaming Media Alliance (ISMA) DRM Modell:
– Während DVB ein „In-Band“ Schema verfolgt
verfolgen viele alternative Ansätze ein „Out-of-Band“ Schema
ISMA Merkmale
• Übertragung über Internet Protocol (IP)
– Multicast and unicast möglich
– Unterschiedliche Bit-Raten
– Rückmelde-Kanal (Benutzer→Sender) vorhanden
• Detailliertes DRM: Inhalt sehen/hören, auf die DVD schreiben, an
einen Freund versenden…
• Die Verschlüsselung muss nach standardisierten, offen gelegten
und akzeptierten Algorithmen erfolgen (Voreinstellung: AES)
• Einfach zu implementierendes Pay-Per-View
Demnächst erhältlich...
• Digital Video Broadcast for Handhelds (DVB-H): PDAs,
Mobiltelefone...
• Zusätzliche Punkte:
–
–
–
–
Benutzerroaming
Zugriff auf Dienste über fremde Netzwerke
Zahlung für Dienste über fremde Netzwerke
Erweiterte Schlüsselhierarchie
Schlüsselhierarchie (Vorschlag)
•
Man nehme OMA‘s Rezept
– OMA: Open Mobile Alliance
– Rezept: OMA DRM 2.0
•
•
Inhalt in Packeten (IP!), mit speziellem Schlüssel verschlüsselt
Wie versendet man sicher solche Schlüssel?
– Verschlüsselt mit z. B. weiterem Schlüssel,
der für die Dauer einer Sendung gültig ist!
•
Sendungs-Schlüssel:
– Für Abos: Wird versandt verschlüsselt durch den Abo-Schlüssel
– Pay-Per-View: In Rechteobjekten, verschlüsselt durch den Benutzer-Schlüssel
•
Abo-Schlüssel: Gilt für den Dienst (Kanal, oder ein Bündel von Kanälen)
– In Rechteobjekten beinhaltet, die durch Benutzer-Schlüssel verschlüsselt werden
•
Benutzer- oder Gruppen-Schlüssel: Dem Nutzer bzw. Gerät zugeordnet
– Wird erteilt, wenn sich das Gerät durch seinen Private-Key identifiziert
Sicherheit in DVB-H
• Wiedergabe muss in Echtzeit erfolgen
– Packete schnell entschlüsseln
–  einfache Algorithmen
• Gewährleistung der Sicherheit:
– Wechsle Schlüssel mehrmals pro Sekunde
• Offene Fragen:
– Optimale Wechselrate?
– Optimale Hierarchietiefe?
• Was steht zur Beantwortung zur Verfügung?
– Infrastruktur (DVB-Receiver, Stream-Server, LAN (Gigabit) und WLAN)
– Media Clients (HDTV Echtzeit-fähig, HD-Audio, XP oder Linux)
– Media-Labor mit Akustik-Dämpfung, Mehrkanal-Ton, HD-Projektor
Inhalt
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Medien und Moden (Multimedial vs. Multimodal)
Generationen und Evolution (Text, Audio, Video)
Was bringt die nächste Generation (Multicast)
Ein großer Werkzeugkasten (Spektren und Dichten)
Vom Störenfried zum Mitspieler (Echos; früher und heute)
Quality of Service (Dienste und ihre Qualität)
Schlösser und Burgen (Vom schnellen Schlössertausch)
Netzwerke der nächsten Generation (IEEE 802.11n)
Zusammenfassung
Die nächste Generation WLAN
• Zusammenfassung PHY des TGn Sync Vorschlages
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MIMO Erweiterung des 802.11 OFDM PHY – bis zu 4 räumliche Ströme
20 und 40MHz* Kanalraster – vollständig interoperabel
2x2 Architektur – 140 Mbps in 20 MHz und 315 Mbps in 40 MHz
Skalierbar bis zu 630 Mbps
Preamble erlaubt nahtlose INteroperabilität mit herkömmlichen
802.11a/g Modems
– Optionale Verbesserungen
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Strahlformung am Sender, ohne den Empfänger zu verkomplizieren
Bessere Kanalcodier-Techniken (RS, LDPC)
1/2 Guard Interval (z. B. 400ns)
7/8 Coderate
*Nur da, wo auch regulatorisch erlaubt.
Inhalt
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Medien und Moden (Multimedial vs. Multimodal)
Generationen und Evolution (Text, Audio, Video)
Was bringt die nächste Generation (Multicast)
Ein großer Werkzeugkasten (Spektren und Dichten)
Vom Störenfried zum Mitspieler (Echos; früher und heute)
Quality of Service (Dienste und ihre Qualität)
Schlösser und Burgen (Vom schnellen Schlössertausch)
Netzwerke der nächsten Generation (IEEE 802.11n)
Zusammenfassung
Zusammenfassung
• LS NT beschäftigt sich mit audiovisuellen Medien
– Dienstequalität insbesondere in drahtlosen Netzen
– Rechtemanagement und dessen Architektur
– Übertragungskapazität in dynamischen, echo-behafteten Umgebungen
• LS NT bietet an Infrastruktur
– HDTV-fähige Medienverteilung
• Sat-Anlage (inkl. HH-Motor)
• Media-Server (Linux und MSFT 2003 Server)
– Damit eigene „Programmgestaltung“ möglich
• Gigabit und 802.11a-lokale Verteilung
• HDTV- und mehrkanalfähiger Medienraum
• LS NT schafft die Verbindung zwischen Informatik und
Ingenieurwissenschaften (hier Mechatronik)

Folien ppt - Dependable Systems and Software