Alkulause I sisällysluettelo II tiivistelmä III abstract IV lyhenteet V

3.4 Langattomat verkot

Maanpäälliset langattomat radio- ja televisioverkot perustuvat vapaasti eteneviin radioaaltoihin. Verkko koostuu lähettimistä, vastaanottimista sekä ohjelma-siirtoverkoista, joilla ohjelmat siirretään varsinaisille lähettimille. Ohjelmasiirtover-kossa käytetään radiolinkkien lisäksi kiinteitä valokuituverkkoja. [Li97]

Verkot ovat luonteeltaan Broadcast-tyyppisiä, eli niissä on tavallisesti yksi lä-hettäjä ja useita vastaanottajia. Verkot eivät myöskään mahdollista informaation kulkua vastaanottajalta takaisin lähettäjälle, vaan paluukanava on hoidettava jol-lain muulla medialla, mikäli palveluihin halutaan saada interaktiivisuutta. Paluu-kanavana käytetään tavallisesti puhelinverkon välityksellä toimivaa modeemi- tai ISDN-yhteyttä.
Jakeluverkkojen digitalisoiminen moninkertaistaa käytössä olevien taajuusalu-eiden välityskapasiteetin. Digitaalisen TV-kuvan välityksessä käytettävällä MPEG2-kompressiolla saavutetaan nykyinen kuvanlaatu keskimäärin 6 Mbit/s siirtonopeudella. Nykyisillä taajuusalueille saadaan siten sopimaan 4 - 10 kertaa enemmän ohjelmavirtoja kuin tällä hetkellä. [Li97]
Satelliittiverkkkojen digitalisoituminen mahdollistaa niiden käytön myös Internet-palveluiden tuottajille. Tällöin kuluttaja saisi kaksisuuntaisten Internet-yhteyden kokonaan satelliitin välityksellä. Eutalsat on esitellyt asymmetrisen ratkaisun, jossa asiakkaalle tuleva bittivirta on 15 Mbit/s ja paluusuunta takaisin tilaajalta palvelun tarjoajalle on 64 kbit/s. Järjestelmä vastaanotto- ja lähetyslaitteineen maksaa tällä hetkellä noin 60 000 mk. [Li97]
Eräänä mielenkiinnon kohteena on myös erilaiset hybridiverkot. Näissä tilaajalle tuleva data tulee usein satelliitin kautta suoraan tilaajalle tai esimerkiksi kaapeli-TV operaattorille, joka edelleen jakaa sen kaapeliverkossa eteenpäin tilaajille. Paluukanava tilaajalta palveluntuottajalle puolestaan hoidetaan puhelinlinjaa käyttävän modeemin välityksellä. Euroopassa on käynnissä myös tutkimuksia, joissa tarkastellaan, miten satelliittien välityksellä voitaisiin tehokkaasti tuottaa multimediapalveluita mobiilikäyttäjille, jolloin kaikki liikenne kulkisi suoraan satelliitin ja esimerkiksi satelliittiyhteydellä varustetun kannettavan tietokoneen välillä [LoLuVaPa97].

3.5 Kaapelitelevisioverkot

Kaapelitelevisioverkko koostuu pääteasemasta, runkoverkosta, jakeluverkosta ja liitäntäyksiköstä. Pääteasemalla otetaan vastaan eri lähteistä tulevat video- ja ohjelmasignaalit ja vahvistetaan ne koaksaali- tai kuituverkkoon lähettämistä varten. Signaalit tulevat pääteasemalle maanpäällisen lähetysverkon, satelliitin, mikroaaltolinkin tai kiinteän kuituverkon kautta. Runko- ja jakeluverkko siirtää oh-jelmasignaalit tilaajan läheisyyteen ja edelleen tilaajayksikölle, joka mahdollistaa kaapelisignaalin vastaanoton ja tulkinnan tavallisella televisiolla. [Gi96] [Ke96]

Error! No topic specified.


Kuva 3-5. Kaapelitelevision verkon tyypillinen rakenne [Ke96]
Kiinnostus olemassa olevien kaapeliverkkojen käyttämiseen muuhunkin kuin te-levisio- ja radiolähetysten välittämiseen on koko ajan kasvamassa. Maailmalla on käynnissä useita eri projekteja, joissa olemassa olevan alunperin yksisuun-taiseksi rakennetun kaapeliverkon vahvistimet ja haaroittimet muutetaan kaksi-suuntaisiksi, mikä mahdollistaa erilaiset interaktiiviset Internet-sovellukset. Siirto-nopeudet vaihtelevat sadoista kilobiteistä sekunnissa aina useisiin kymmeniin megabittiteihin sekunnissa riippuen siirtosuunnasta, käytettävästä modulaatiosta ja käytettävästä siirtokaistasta. Verkon asymmetrisestä - paluusuunnan siirtono-peus on huomattavasti pienempi kuin asiakkaalle (tilaajalle) päin tuleva – luon-teesta johtuen kaapeliverkko ei sovellu laajakaistaisten interaktiivisten sovellus-ten kuten videoneuvottelun käyttöön [Li97]. Datasiirtoa varten yhdestä tai use-ammasta kaapeliverkon TV-kanavasta ja paluusuunnasta muodostetaan lähi-verkko. Yleisin toteutus tulee olemaan 10Base-T Ethernet, mutta myös ATM- ja CDMA-pohjaisia ratkaisuja on kehitettävänä [Ke96].
Kaapelimodeemeja on Yhdysvalloissa jo kaupallisessa käytössä. Kaliforniassa toimiva @Home-palvelu rakentuu HFC-arkkitehtuurille (Hybrid Fiber Coax) ja ATM-verkkoon. Palvelu tarjoaa asiakkaan suuntaan 10 Mbit/s:n ja paluusuun-taan 128 kbit/s:n nopeuden. Suomessa Telecom Finland on tehnyt pilottikokeilu-ja kaapelimodeemeilla Lappeenrannassa. [Ke96]

4 VIDEONEUVOTTELULAITTEISTOT ETÄOPETUKSESSA

Monet etäopetuksessa käytettävistä laitteistoista perustuvat tavallisiin tieto-verkkoa hyväksi käyttäviin multimediaominaisuuksilla varustettuihin tietokonei-siin. Näiden lisäksi tarvitaan kuitenkin usein erilaista AV-kalustoa ja etäopetuk-sesta riippuen erilaisia lisäkortteja, jotka mahdollistavat esimerkiksi hyvälaatui-sen videoneuvotteluyhteyden eri paikkakuntien välille.

Laitteistoissa on enimmäkseen keskitytty videoneuvottelun ympärille rakennet-tuun etäopetusympäristöön. Tälläisissä ympäristöissä on lähtöajatuksena, että ainakin osa opetuksesta annetaan videoneuvottelun kautta, joko point-to-point-yhteydellä tai eriasteisilla multipoint-yhteyksillä.
Point-to–point yhteyksillä tarkoitetaan kahden pisteen välillä olevaa yhteyttä. Multipoint-yhteydet voivat puolestaan olla joko point-to-multipoint tai multipoint-to-multipoint yhteyksiä. Point-to-multipoint yhteydessä yhdestä paikasta on mon-ta yhtäaikaista yhteyttä moneen eri paikkaa, mutta muilla paikoilla ei ole yhteyttä toisiinsa. Multipoint-to–multipoint yhteydessä kaikkilla osallistujilla on yhteys kaikkiin muihin.
Videoneuvottelu on yksi sovellus, jonka käyttö on viime vuosina lisääntynyt etä-opetuksessa. Syitä videoneuvottelun kasvaneeseen suosioon on useita: video-neuvottelulaitteistojen hinnat ovat laskeneet voimakkaasti koko 90-luvun, laitteistojen käyttäminen on tullut helpommaksi parantuneiden käyttöliittymien ansiosta, tietoliikenneyhteydet on parantuneet ja tietoliikenneyhteyksien käyttö-kustannukset ovat laskeneet.

4.1 Videokuvan pakkaaminen

Videokuvan lähettäminen sellaisenaan ei yleensä onnistu vaaditun siirtokapa-siteetin vuoksi. Esimerkiksi tavallisen tietokonenäytön (640x480-resoluutiolla, 25 kuvaa sekunnissa, 24 bittiä/pikseli) siirtäminen vaatisi siirtokapasiteettia noin 200 Mbit/s [Ke96]. Käytettyjen värien määrää, kuvan resoluutiota ja virkistystaa-juutta laskemalla sekä pakkaamalla (kompressoimalla) kuvia aika- ja taajuusta-sossa saadaan tarvittavaa siirtokaistaa laskettua huomattavasti.

Osa pakkausmenetelmistä on informaatiota hukkaavia ja osa hukkaamattomia [StNa95]. Hukkaavat pakkausmenetelmät poistavat osan informaatiosta pysy-västi ja alkuperäistä kuvaa tai kuvajaksoa ei voida enää pakkauksen jälkeen pa-lauttaa. Hukkaamattomat vastaavasti eivät kadota mitään alkuperäisestä infor-maatiosta ja kuvat voidaan palauttaa samanlaisiksi kuin ne olivat ennen pak-kausta. Videoneuvottelusovelluksissa käytettävät pakkausmenetelmät ovat yleensä informaatiota hukkaavia.
Pakkausmenetelmät voivat olla joko symmetrisiä tai asymmetrisiä. Symmetriset pakkausmenetelmät vaativat yhtä paljon laskentakapasiteettia prosessorilta niin kuvien pakkaamisessa kuin purkamisessakin. Epäsymmetrisissä pakkausmene-telmissä pakkaaminen on tavallisesti huomattavasti purkamista raskaampaa ja vaatii siten käytettävältä prosessorilta suurempaa laskentakapasiteettia. [Ke96]
Kuvien pakkaaminen aikatasossa perustuu siihen, että peräkkäisistä kuvista tal-letetaan ainoastaan muutokset verrattuna edelliseen kuvaan. Yksinkertaisin tapa on vain verrata peräkkäisiä kuvia ja tallettaa ainoastaan niiden erotus. Tämä pe-rustuu siihen, että suurin osa kahden peräkkäisen kuvan informaatiosta on sa-maa, joten sitä ei tarvitse tarvitse välittää kahteen kertaan.
Pakatussa videokuvassa voidaan käytetään neljänlaisia kuvia. I-kuvat (Intra-coded images) ovat kokonaisia, muista kuvista riippumattomasti pakattuja yksit-täisiä kuvia. Ne pakataan kaikkein pienimmällä pakkaussuhteella eli niiden pak-kaaminen vaatii kaikkein vähiten laskentatehoa. P-kuvat (Predictive-coded frames) sisältävät tiedon vain muutoksista, suhteessa edellisiin I-kuviin ja/tai P-kuviin. Niiden käyttö perustuu siihen, että peräkkäisissä kuvissa tapahtuu melko vähän muutoksia. B-kuvat (Bi-directionally predictive-coded frames) puolestaan sisältävät tietoa niin edellisestä kuin seuraavastakin I- tai P-kuvasta. Jotta B-ku-va voidaan purkaa täytyy dekooderilla olla tieto myös B-kuvaa seuraavasta kuvasta, jolloin kuvat täytyy lähettää dekooderille käänteisessä järjestyksessä. Näiden lisäksi on olemassa vielä D-kuva (DC-coded frames), joka on suunniteltu käytettäväksi eteen- tai taaksepäin tapahtuvassa pikakelauksessa. [StNa95]
I-kuvat pakataan useimmiten JPEG-menetelmällä. Pakkauksessa kuva jaetaan tavallisesti 8*8 pikselin lohkoihin, joille tehdään DCT-muunnos (Discrete Cosine Transformation; diskreetti kosinimuunnos). Muunnos perustuu siihen, että erilai-set alueet lohkossa koodataan sen mukaan kuvaavatko ne taustaa vai jotain yksityiskohtaa. Lohkoilla, joilla ei tapahdu paljoa, saadut kertoimet ovat matalia ja vastaavasti yksityiskohtia kuvaavilla lohkoilla kertoimet ovat suurempia. Saa-dut kertoimet skannataan zig-zag-skannuksella ja saatu jono koodataan esimer-kiksi Huffman-taulukoilla tai aritmeettisesti. Kuvan pakkauksen purkaminen ta-pahtuu vastaavasti käänteisellä operaatiolla.

4.1.1 Motion-JPEG (MJPEG)

Motion-JPEG:ssä (MJPEG) videokuva koostuu peräkkäin laitetuista JPEG kompressoiduista kuvista [StNa95]. Koska siinä ei käytetä minkäänlaista liike-kompensointia voidaan videokuvan laatuun ja tarvittavaan siirtokaistaan vaikut-taa ainoastaan käytettävällä kompressiosuhteella. Mitä enemmän yksittäisiä kuvia kompressoidaan, sitä vähemmän niiden siirtämiseen tarvitaan kaistanle-veyttä ja sitä huonompilaatuista siirrettävä videokuva on. Johtuen huonosta hyö-tysuhteesta (kuvan laatu/vaadittava siirtokapasiteetti) MJPEG ei ole saavuttanut kovin suurta suosiota videoneuvottelusovelluksissa. Kuvien keskinäisen riippu-mattomuuden vuoksi MJPEG-kuvavirtaa on helppo editoida ja se onkin saavut-tanut suosiota juuri videoiden digitoinnissa ja editoinnissa.

4.1.2 MPEG-1 ja –2

Videoneuvotteluun sopivatkin paremmin pakkausmenetelmät, jotka osaavat hyö-dyntää liikekompensointia tehokkaasti ja siten minimoida vaadittavaa siirtokais-taa. Tälläisiä ovat esimerkiksi eri MPEG-videostandardit [StNa95]. Ne yhdistele-vät tehokkaasti I-, P- ja B-kehyksiä minimoiden siirrettävän tiedon määrää. Kehysten ryhmittelyä ja ennustamista on esitetty kuvassa 4-1 [Ke96]. Yleisimmät MPEG-1 ja MPEG-2 eivät kuitenkaan sovellu erityisen hyvin videoneuvotteluun nykyisillä siirtoyhteyksillä. MPEG-1 on suunniteltu käytettäväksi erilaisissa multi-mediasovelluksissa suoraan CD-ROM:lta, jolloin siirtonopeudet ovat tyypillisesti luokkaa 1.2 - 1.5 Mbit/s ja maksimissaan 1.856 Mbit/s. MPEG-2 taas on suunni-teltu käytettäväksi digitaalisissa TV-lähetyksissä siirtonopeuden vaihdellessa 4 Mbit/s ylöspäin aina useisiin kymmeniin megabitteihin sekunnissa.

------ Kuva MPEG kehyksistä ----

Kuva 4-1. Kehysten ryhmittely (I-, B- ja P-kehykset) ja kehysten

välinen reaaliaikainen ennustaminen [Ke96].

Tällä hetkellä MPEG-1 ja -2 tekniikoiden yleistymistä videoneuvottelussa rajoit-tavat paitsi vaadittava minimisiirtokapasiteetti, myös suuret hankintakustannuk-set, etenkin MPEG-2 laitteiden kohdalla. Kummallakaan menetelmällä kompres-soidun videon vastaanottaminen puolestaan ei vaadi enää kalliita investointeja kalustoon. Molemmat ovat kuitenkin luonteeltaan epäsymmetrisiä, jolloin videon pakkaaminen on huomattavasti raskaampaa kuin purkaminen ja pakkaamiseen tarvittavien laitteistojen hinnat ovat vielä melko korkeita. Reaaliaikaisessa video-neuvottelussa molemmilla osapuolilla on oltava sekä videon pakkaamiseen että purkamiseen soveltuvat laitteistot. MPEG-2:n käyttö saattaa yleistyä myös videoneuvottelukäytössä tulevaisuudessa, kun digitaalisen television ja massa-markkinoiden myötä laitteissa vaadittavien piirisarjojen hinnat laskevat. Myös yhteinen standardi ITU-T:n kanssa (H.262) auttanee sen leviämistä tulevaisuu-den laajakaistaisissa videoneuvottelusovelluksissa, koska sen avulla saavutet-tava kuvanlaatu on huomattavasti parempi kuin nykyisillä H.261 pohjaisilla laitteilla. Hitaammille siirtoyhteyksille (4.8 kbit/s – 64 kbit/s) suunniteltu MPEG-4 tulee sen sijaan varmasti valtaamaan oman osansa videoneuvottelumarkkinois-ta, mikäli standardin taakse saadaan riittävä määrä halukkaita laitevalmistajia ja käyttäjät alkavat haluta videoneuvottelua myös mobiiliverkkoihin.

4.1.3 H.261

Yleisin videoneuvottelusovelluksissa käytettävä pakkausmenetelmä on ITU-T:n vuonna 1990 standardoima H.261 [Sc96]. Se on suunniteltu kapeakaistaiselle (siirtonopeus alle 2 Mbit/s) ISDN:lle ja on tarkoitettu käytettäväksi ISDN-yhteyk-sillä erilaisissa videoneuvottelu- ja kuvanpuhelinratkaisuissa. Videokuvan komp-ressiosuhdetta voidaan muuttaa käytössä olevan siirtokapasiteetin (n * 64kbit/s; n=1,2,…30) mukaan. H.261 käytettävä pakkausmenetelmä on pitkälle saman-lainen kuin MPEG-1, jonka kehityksessä hyödynnettiin H.261:n hyviä ominai-suuksia. Vaikka niillä on paljon samoja ominaisuuksia, ne eivät ole suoraan yhteensopivia. H.261:n liikekompensointimenetelmät eivät ole yhtä tehokkaita kuin MPEG-1:ssä ja sen vuoksi itse pakkausalgoritmi on yksinkertaisempi, mikä tekee siitä paremmin soveltuvan juuri reaaliaikaisuutta vaativiin sovelluksiin, ku-ten videoneuvottelulaitteistoihin. Yksinkertaisemmasta pakkausalgoritmista joh-tuen kuvan laatu ei kuitenkaan ole yhtä hyvä kuin MPEG-1:ssä. Algoritmi on suunniteltu käytettäväksi matalilla kiinteänopeuksisilla yhteyksillä, jolloin paljon muutoksia sisältävät kohdat kuvissa koodataan huonommalla resoluutiolla ja siir-tonopeus pysyy vakiona.

Standardin mukaisessa videoneuvottelussa käytetään kahden laatuista kuvaa. CIF (Common Intermediate Format)-kuva (resoluutio 360 * 180 pikseliä) on par-haimmillaan noin puolet NTSC (National Television System Committee)-järjes-telmässä käytetystä resoluutiosta. Heikompi laatuisen QCIF (Quarter CIF)-ku-van resoluution on puolet CIF:ssä käytettävästä resoluutiosta. Standardin mu-kaan H.261 videokoodekin ei tarvitse tukea parempaan CIF-kuvaa, ellei sitä ole tarkoitettu käytettäväksi siirtoyhteyksillä, joiden nopeus on yli 384 kbit/s. Kaik-kien koodekkien on kuitenkin tuettava QCIF:iä, vaikka ne olisi tarkoitettu alun-perin suuremmille bittinopeuksille. Seuraavassa taulukossa (taulukko 4-1) on e-sitetty CIF- ja QCIF-kuvissa käytettyjen parametrien arvot. [Sc96]

Parametrit	CIF	QCIF
Kuvia sekunnissa (sisääntulossa) Luminanssipikselien määrä juovaa kohden Luminanssijuovien määrä kuvaa kohden Krominanssipikseleiden määrä juovaa kohden Krominanssijuovien määrä kuvaa kohden	29.97 352 288 176 144	Tai 29.97 Hz kerrannainen 176 144 88 72

Taulukko 4-1. CIF- ja QCIF-kuvissa käytettyjen parametrien arvot [Sc96].
Luminanssipikseleillä määritellään ruudulla näkyvän kuvan valoisuus ja kromi-nanssipikseleillä kuvassa näkyvät värit. Koska ihmissilmä on herkempi eri valoi-suusasteille kuin pienille värimuutoksille on luminanssipikseleitä nelinkertainen määrä suhteessä krominanssipikseleihin.

H.261 kuuluu ITU-T:n ”sateenvarjo”-standardiin H.320, johon kuuluu sen lisäksi standardit H.221, H.242 ja H.230. Muita vastaavia ”sateenvarjo”-standardeja ovat H.324 (perinteiset puhelinverkot ja mobiiliverkot), H.321ja H.310 (laajakais-tainen ISDN/ATM), sekä H.322 ja H.323 (erilaiset lähiverkkoratkaisut, kuten IsoEthernet, Ethernet ja Token Ring) [Sc96]. Nopeissa verkoissa tultaneen käyt-tämään joko H.261 tai mahdollisesti H.262 videokoodausta, joka on ISO MPEG-2 standardin mukainen. Hitailla yhteyksillä vaihtoehtoiset videon koodausme-netelmät ovat H.261 tai erityisesti hitaille yhteyksille suunniteltu H.263. [Sc96]

4.1.4 Muita videon pakkausmenetelmiä

Muita videokuvan pakkaamisessa käytettäviä menetelmiä on lukuisia. Useimmat niistä suorittavat videokuvan kompressoinnin ohjelmallisesti, joka on aina hi-taampaa kuin erityispiireillä tehtynä. Jotkin niistä ovat saavuttaneet jonkinlaisen de facto standardin aseman laajan levinneisyyden vuoksi. Paljon käytettyjä ovat esimerkiksi Microsoftin Video for Windows, Applen Quicktime ja Intelin Indeo [Ke96]. Varsinkin Microsoftin vaikutus tulee varmasti lisääntymään sen tuot-teiden voimakkaan leviämisen myötä. Tällä hetkellä ehkä merkittävin uusien me-netelmien levittäjä maailmalla on ilman muuta Internet, jota kautta erilaiset kompressointimenetelmät, kuten Xingin Streamworks tai RealAudio voivat tule-vaisuudessa vakiinnuttaa asemansa käyttäjien keskuudessa.