Bagian 2 - Dasar Teori dari Tugas Akhir : Analysis and Simulation Of Channel Switching In Mobile Live Multi-Channel TV Streaming -- Please contact trough lailiaidi at gmail.com for download request

1. 2. Landasan Teori
2.1 Real Time Video Streaming
Streaming adalah teknologi transmisi pengiriman data, video atau audio secara real time /
pre-recorded dari sender ke receiver. Stream adalah aliran paket data berisi konten media
tertentu yang di generated oleh streaming media server [9].
Gambar 2-1 : Perbandingan Download dan Streaming [15]
Ciri – ciri aplikasi Streaming [13] : Distribusi audio, video atau multimedia secara real
time / on demand, transfer media data digital oleh server dan diterima oleh client sebagai real
time stream simultan, client tidak perlu menunggu keseluruhan data didownload karena server
mengirimkan data yang diperlukan setiap selang waktu tertentu Sehingga, content dapat
dijalankan seketika dengan periode buffer pendek dan data yang diterima tidak dapat disimpan
permanen atau di-forward oleh client.
Gambar 2-2 : Arsitektur Video Streaming [14]

2. Multimedia Streaming adalah transmisi data real time (audio, video, graphic, image, serta
text) dari sender ke receiver. Model pengiriman Multimedia Streaming terbagi 2 yaitu:
• Live, dimana server meng-capture dan encode serta mengirim stream secara real time
• Pre Recorded / On Demand, dimana server melakukan pre-encoded dan menyimpan content
lalu mengirimkan pada client saat ada permintaan. Client dapat meng-interupt pengiriman
file content tersebut.
Mobile Streaming adalah pengaksesan konten streaming dari terminal dengan kapabilitas
packet-switched dan streaming media player software melalui jaringan kemunikasi bergerak.
Jenis aplikasi pada komunikasi video [16] :
1. Broadcast. Bersifat One-to-all, sender menggunakan channel berbeda untuk tiap receiver,
contoh Digital Video Broadcast for Handled / DVB-H
2. Multicast. Bersifat One-to-many, hanya pada client tertentu, contoh IP-Multicast over the
Internet, Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) [8]
Gambar 2-3 : Multicast Video Streaming [16]
3. Unicast / Point-to-point. Bersifat One-to-one dengan property available back channel yaitu
back channel atau tidak. Contoh: Videophone, unicast over the Internet, VOD dan Live
Streaming [8]
Gambar 2-4 : Unicast Video Streaming [16]
Layanan Mobile TV terdiri dari kategori Interactive Mobile TV (contoh DVB-H), Buffered
Personalized Infotainment (contoh berita, learning lesson, movie guide), Multiplayer Online
Games, Location Bases Traffic Guide, Passive Mobile TV (contoh Schedulle TV Program (no
intetactivity))

3. 2.1.1 Teknologi Video dan Audio Digital
Kekurangan utama video analog adalah penurunan kualitas ketika dilakukan
penyimpanan atau produksi ulang, cacat seperti snow pada gambar karena noise atau efek
interferensi. Sebaliknya, video digital merepresentasikan informasi sebagai angka digital, dibuat
dengan sampling dan quantisasi sinyal.
Variabel yang mempengaruhi kualitas video digital [15]:
1. Frame Rate, yaitu banyak gambar ditampilkan per detik (frame per second / fps). Frame rate
digunakan untuk sinkronisasi gambar-suara dan tergantung pada kecepatan koneksi internet.
2. Color Depth / Bit Depth, yaitu banyak warna yang dapat disajikan pada waktu tertentu (bit /
second atau pixel / second ). Semakin tinggi Bit Depth maka makin besar ukuran video.
Tabel 2-1 : Jumlah warna berdasarkan Bit depth
3. Frame Resolution / Image Size, yaitu jumlah pixel dalam frame (lebar x tinggi).
4. Data Rate / Bit Rate, adalah banyak data yang dikirimkan / detik (bits per second / bps),
sangat dipengaruhi oleh Frame Resolution, Bit Depth dan Frame Rate. Penggunaan Bit Rate
dan Codec yang tepat dapat menambah kualitas dari data streaming [13].
Tabel 2-2 : Nilai Bit Rate pada beberapa Video Coding Standard [8].
Bit Rate dapat ditentukan dengan strategi berikut [1] :
1. Contstant Bit Rate / CBR adalah mengkonstankan bit rate / frame, buffer dan feedback pada
encoding. Strategi ini digunakan pada real-time dan non-buffered video streaming karena
ketersediaan bandwidth tetap namun kapastitas channel terbatas, contoh videoconferencing
pada channel dengan fixed bandwidth
2. Variable Bit Rate / VBR adalah minimalisir Bit Rate, karena hal ini berbanding lurus
dengan distorsi yang terjadi pada setiap frame, contoh DVD.

4. Gambar 2-5 : Perbandingan VBR dan CBR
Variabel yang mempengaruhi ukuran pada kompresi audio, yaitu:
1. Sample / Frekwensi Rate, yaitu frekwensi bit yang diambil secara acak (Kilohertz / KHz).
Makin tinggi sample rate maka makin baik kualitas audio, namun makin sulit mengatur
singkronisasi audio dan video.
2. Sample Size, yaitu banyak bit yang merepresentasikan amplitudo sampel audio. Nilai umum
untuk audio codec menggunakan 16 bit – 8 bit sample size.
3. Channel, yaitu jenis audio signal tediri dari Mono atau Stereo.
2.1.2 Kompresi Video
Sistem Kompresi (Encoding System) adalah proses mengurangi redudansi data. Encoding
Video Streaming terbagi atas Encoding Video dan Encoding Audio. Codec terdiri Coder untuk
encoding file sehingga memiliki ukuran lebih kecil dengan memperkecil pixel, lebar, fewer
frame, fewer pixel serta Decoder untuk decoding file yang telah di encode dan memainkannya
pada receiver.
Gambar 2-6 : Mekanisme Encoder dan Decoder [15]
Sistem kompresi dipengaruhi oleh Video codec, Audio codec, Bit rate video dan audio,
Frame rate video, Frekwensi audio, dan Size video. Kompresi video dilakukan untuk
mengurangi redudansi dengan mengurangi dan tidak mengirimkan video signal yang tidak
relevan.

5. 1. H-263 Video Codec
H263 adalah video codec standar ITU-T yang dipublikasikan pada tahun 1995/1996
yang didesain untuk low-bitrate communication. H263 merupakan update dari pendahulunya,
yaitu H261 dengan beberapa kelebihan. Algoritma coding dari H263 sama dengan H261 dengan
peningkatan dan perubahan untuk meningkatkan performansi dan error recovery.
Perbedaan yang mencolok antar H263 dengan H261 adalah format gambar yang
didukung oleh masing-masing. H263 menggunakan 5 standar format gambar, yaitu subQCIF,
QCIF, CIF, 4CIF dan 16CIF. Hal ini berbeda dengan pendahulunya yang hanya mendukung
format CIF dan QCIF. Perbedaan format didasarkan pada format CIF dengan 352, pixel
perbaris, 288 baris dan frekuensi gambar 30.000/1001 yaitu sekitar 29.97 gambar per detik.
Tabel 2-3 : Standar format gambar H263
Picture Format Pixels Lines
Sub-QCIF 128 96
QCIF 176 144
CIF 352 288
4CIF 704 576
16CIF 1408 1152
2. AMR Audio Codec
AMR speech codec adalah standar audio codec dari Third Generation Partnership
Project (3GPP) untuk jaringan GSM, UMTS dan WCDMA. AMR memberikan kualitas
transmisi suara yang baik dan memiliki efisiensi penggunaan spektrumsehingga cocok untuk
next generation wireless dan jaringan packet-switched. AMR codec memiliki 8 rate dengan
range antara 4,75 sampai 12,2 kbps. Encoder melakukan 160 sampling dalam waktu 20
millidetik sehingga frekuensi untuk AMR adalah 8000 Hz.
Gambar 2-7 : AMR frame structure (3GPP TS 26.101)

6. Header AMR mengandung 4 bit yang menunjukkan mode rate AMR, silence descriptor
atau No transmission. Frame quality indicator menunjukkan apakah suatu frame suara dikatakan
rusak atau good frame. Mode indication menunjukkan mode rate yang digunakan saat ini
sedangkan Mode request meminta pergantian mode rate sesuai kondisi kanal. Codec CRC
berfungsi untuk mendeteksi dan koreksi bit error. AMR core frame terdiri dari data suara atau
silence descriptor yang dikelompokkan berdasarkan bit class.
Bit-bit hasil encoding AMR memiliki kepekaan yang berbeda terhadap bit-error. Bit-bit
yang ada pada kelas A adalah bit yang paling sensitif dan tidak boleh mengalami kerusakan.
Format payload untuk AMR mendukung Forward Error Control (FEC) dan frame interleaving
untuk meningkatkan ketahanan terhadap packet loss. FEC akan melakukan koreksi terhadap bit-
error yang terjadi.
2.2 Mobile Video Streaming
2.2.1 3GPP Standarization
Third Generation Partnership Project (3GPP) adalah kumpulan kesepakatan antara
badan standarisasi telekomunikasi untuk menciptakan spesifikasi teknis global pada jaringan 3G
serta maintanence dan pengembangan teknologi GSM [11]. 3GPP Packet Switched Streaming
(3GPP PSS) adalah spesifikasi yang mendefenisikan lingkungan kerja interoperable, servis end-
to-end streaming pada packet-switched mobile network.
Packet-switched streaming dikenalkan pada 3GPP rilis 4 yang juga mendefenisikan basic
framework, protokol, codec, dan 3GPP file format. Berdasarkan stadarisasi 3GPP, tipe codec
yang dapat digunakan pada layer presentasi yaitu AMR, AMR-WB, AMR-WB+ dan AAC untuk
voice dan music audio, H263, H264, MPEG -4 SP untuk video. Kedua nya di-multiplexing dalam
format file tertentu. Output format video pada mobilephone umumnya RealMedia (.rm) dan
3GPP (.3gp).

7. Gambar 2-8 : Kompresi pada Mobile Video Streaming [18]
Tabel 2-4 : Rekomendasi Konfigurasi Standar 3GPP PSS pada Wireless Network
Network Total Bit Voice Audio Music Video FPS
Rate Audio
GPRS 15 - 25 AMR-NB AAC-LC H.263 or MPEG-4 5 – 6
kbps
4750 - 7950 bps 8 kbps 10 - 20 kbps
SQCIF or QCIF
UMTS 50 kbps AMR-NB AAC-LC H.263 or MPEG-4 6 – 15
or less
10200 bps 12 - 16 39.8 kbps (voice)
kbps
34 - 38 kbps (music)
QCIF
Protokol IP pada network layer yang dipakai pada mobile video streaming menyebabkan
terdapat Best effort, Fragmentation, Routing dan Addressing yang menjadi keterbatasan pada
mobile video streaming. Pada platform IP, seluruh paket dikirimkan dengan best effort. Padahal
physical layer mempunyai bandwidth yang terbatas dan harus melewatkan paket yang besar
dalam waktu bersamaan sehingga tidak ada garansi pada performa pengiriman paket. Beberapa
variabel yang mempengaruhi implementasi video streaming pada sistem wireless internet :
1. Mobile device
Kualitas komponen mobile device mempangaruhi faktor optimasi penggunaan network
bandwidth dan adaptasi media. Faktor yang diperhitungkan seperti Display Type (resolution,
size, refresh rate, color capabilities), Audio capabities, storage capacity, Processing power,
battery life, end-to-end delay, Maximum frame rate / maximum permissible rate dari display of
frames yang berhubungan dengan refresh rate dari device screen [5].
2. Loss Rate
Pada jaringan wireless, loss rate dapat disebabkan oleh bit error dan bursh error. Loss rate
dapat menimbulkan kerusakan pada kualitas video hasil rekonstruksi. Untuk menangani hal ini
dapat dilakukan dengan Forward Error Control (FEC), retransmission, error concielment dan
error resilient [8].

8. 3. Bandwidth
Keterbatasan antara dua titik pada jaringan internet secara umum tidak dapat diketahui. Jika
sender mengirim data lebih cepat dibanding kesetediaan bandwdith, terjadi congestion, packet
loss dan kualitas video yang jelek. Tapi bila sender mengirimkan paket lebih lambat dari
bandwidth, maka kualitas video tidak optimal [8].
Gambar 2-9 : Playout Buffer [4]
Untuk mengatasi ini dapat dilakukan dengan mencocokan bit rate video yang ditransmisikan
dengan estimasi bandwidth (Rate Control) disisi sender / receiver [1] atau menggunakan codec
yang tepat.
4. Delay
Adalah waktu untuk mengirim paket dari Sender ke Receiver, terdiri dari :
a. Source-processing / digitization and packetizing delay, terjadi pada Sender mencakup proses
encode dipengaruhi kecepatan CPU, memory dan motherboard.
b. Transmission delay / waktu transmisi semua paket, dipengaruhi ukuran paket dan kecepatan
transmisi.
c. Network delay:
• Propagation delay, merupakan fungsi jarak dari Sender ke Receiver.
• Protocol delay, komunikasi protokol yang dieksekusi ketika melewati perangkat jaringan
dan tergantung pada jenis protocol, trafik jaringan dan konfigurasi hardware.
• Output queuing delay, terjadi karena antrian pada jaringan, dipengaruhi network
congestion, konfigurasi hardware dan link speed.
d. Destination processing delay, waktu rekonstruksi paket disisi receiver, dipengaruhi oleh
spesifikasi hardware.

9. Gambar 2-10 : End-to-end delay diagram
Faktor terbesar penyebabkan delay adalah antrian paket pada media transmisi. Pada proses
streaming, data video dan audio dikirim secara bergantian sehingga menambah delay untuk
perhitungan per paket video maupun per paket audio.
5. Jitter
Paket yang ditransmisikan diterima receiver dengan delay yang fluktuatif / delay jitter [8].
Karena frame harus dikodekan dan ditampilkan pada rate konstan, maka akumulasi
keterlambatan akan menyulitkan rekonstruksi, jika media player tidak mempu meng-encode
secara benar, terjadi error packet. Streaming pada pre-recorded / non interactive video dapat
ditoleransi dengan long delay (5-15 detik) sedangkan Real-time interactive video tidak dapat
(kurang lebih 150 ms) [4].
Tradeoff antara playout delay dan loss (late packet) adalah, makin besar delay maka makin
kecil lost packet, atau sebaliknya. Untuk itu digunakan Buffering [8], media player
mengumpulkan packet dalam jumlah tertentu pada buffer. Setelah buffer terisi penuh, secara
otomatis dilakukan playing oleh client. Client membaca informasi pada buffer dan tetap
melakukan proses downloading stream.
Proses buffering aplikasi video streaming pada mobile device dilakukan karena storage
memory terbatas dan troughput kanal transmisi wireless system rendah / kurang stabil.
Mekanisme buffering pada proses playout mengabaikan paket yang melebihi time scheduling /
loss, sehingga video tetap sesuai playtime.
2.2.2 Protocol Layer
QoS (Quality of Service) menjadi trade off pada mobile video streaming untuk

10. mendapatkan performa pengiriman data real-time agar network delay dan delay jitter dapat
diminimalisasi. Pada model protokol IP, apabila ada kerusakan pada salah satu segmen maka
segmen lainnya dalam satu paket itu akan dibuang sehingga saat rekontruksi paket tersebut
dianggap loss packet.
Gambar 2-11 : Fragmentasi dan pemaketan pada model IP [10]
Untuk memaksimalkan recovering packet loss pada mobile video streaming maka
digunakan fragmen (chunk) lebih kecil, kemudian di-interleaved pada paket terpisah saat
streaming agar dapat di-transmisikan melalui bandwidth terbatas. Apabila terjadi packet loss
akibat proses transmisi, maka masih ada chunk lainnya untuk direkonstruksi menjadi paket lagi
di sisi receiver.
Pada Upper Transport Layer, mobile video streaming memanfaatkan kombinasi Transport
Control Protocol (TCP) dan User Datagram Protocol (UDP). Proses signalling mengunakan
TCP yang bersifat reliable agar transfer data tidak mengalami packet loss, karena paket tersebut
adalah informasi penting untuk mendapatkan metafile media data yang menentukan media player
yang dipakai receiver dan disesuaikan dengan video codec. Protokol TCP juga melakukan
estimasi dan session setting dalam sebuah streaming session. Streaming media data transfer
menggunakan UDP karena walaupun unreliable, tetapi bersifat connectionless dan timely untuk
meminimalisasi network added delay dan delay jitter. Berikut protokol yang menjadi Standar
Streaming Protocol berdasarkan rekomendasi 3GPP :
Gambar 2-12 : Layering IP untuk aplikasi streaming [11]

11. • Media Transport Delivery [8]
1. Real- Time Transport Protocol (RTP) mendukung unicast dan multicast namun tidak
menjamin service quality / QOS, untuk data transfer streaming audio dan video pada
jaringan IP, dan mendefenisikan fungsi end-to-end transport. Streaming server memotong
media data untuk tiap track menjadi paket RTP, lalu ditransmisikan melalui UDP connection
dengan beberapa informasi yaitu RTP header, RTP payload header, RTP payload data.
RTP header memuat informasi RTP version, sequence number (inisialisasi paket yang
dikirimkan dan penghitungan packet loss), timestamp (menunjukkan waktu paket yang
dipakai untuk sinkronisasi dan penghitungan jitter), Synchronization Source Identifier /
SSRC ( mengindikasikan keunikan dan keaslian paket dalam suatu session). Ketika terjadi
inisialisasi RTP session maka server akan membuka 2 port untuk pengiriman payload data,
yaitu RTP stream dan RTCP.
Gambar 2-13 : RTP Payload Format [10]
2. Real - Time Control Protocol (RTCP) bekerja dengan RTP untuk synchronization process
dan QOS management dengan menggunakan channel distribusi yang sama, sehingga
underlying transport protocol harus dapat melakukan multiplexing untuk RTP data dan
RTCP control packet, pada UDP connection keduanya diarahkan pada port yang berbeda.
Protokol ini memberikan feedback dari streaming session user pada transport quality,
menambahkan identifikasi dan fungsi kontrol. Encoder dan streaming server dapat
menganalisa informasi feedback itu untuk melakukan perubahan data stream yang
dikirimkan.
• Media Session Control [8]
Real - Time Streaming Protocol (RTSP) / video remote control adalah application level
protocol berbasis text, digunakan untuk establishing dan kontrol untuk single / several time-
synchronized stream pada media content (RFC 2326). RTSP tidak mengirimkan payload data
sendiri dan menghubungkan server - client sesuai permintaan salah satu pihak. Streaming
server menerima RTSP request melalui TCP connection. RTSP command meliputi :
§ OPTIONS – server merespon dengan daftar perintah yang disediakan oleh server yaitu
OPTIONS, DESCRIBE, SETUP, PLAY dan TEARDOWN.
§ DESCRIBE – server melakukan parsing file dan meresponnya dengan memberikan
informasi tentang media stream dalam format SDP.

12. § SETUP – client mengidentifikasi track yang ingin diterima, server membuat RTSP
session baru dengan session ID unik.
§ PLAY – server mulai mentransfer data untuk tiap track yang diminta client pada proses
SETUP.
§ PAUSE – request ini meminta server menghentikan transfer data tetapi masih
menyimpan session alive, memungkinkan untuk memainkan streaming kembali.
§ TEARDOWN – request untuk mengakhiri semua session streaming.
• Media Description and Announcement [8]
1. Session Announcement Protocol (SAP), menginformasikan ketersediaan session multicast
(RFC 2974) [15].
2. Session Description Protocol (SDP) mendefenisikan informasi multimedia session berupa
identifikasi nama session dan tujuan jika requested session telah disetup, deskripsi media
seperti format dan codec yang dipakai, informasi jaringan seperti address, port, transport
protocol, informasi bandwidth yang digunakan pada session, informasi track yang dapat di-
streaming, bit rate, durasi (RFC 2327) [15].

13. Tabel 2-5 : SDP Parameter
Sistem Video Streaming dibentuk oleh elemen [16] : Encoding Station, Video Server
(secara umum terdiri dari 3 sub sistem yaitu Communicator, Operating System, Storage System),
Network Infrastructure, Playback Client.

14. Gambar 2-14 : Video Streaming Server [16]
Step 1. Capture : Merekam video dari analog source seperti camcorder atau VHS tape dan
kemudian disimpan dalam disk atau buffer.
Step 2. Edit / Author : video dapat di-edit menggunakan berbagai macam tool yang juga
digunakan untuk menggabungkan video dengan file multimedia lain.
Step 3. Encode : Video diencoded menjadi streaming file format tertentu dan
menspesifikansikan output resolution, frame rate, data rate, dll
Step 4. Serve : Client dan server melakukan pembentukan koneksi transport layer TCP dan
protokol RTSP. Client lalu mengirim request (RTSP DESCRIBE) kemudian server akan
memberikan respons meta file video. Informasi tersebut mendeskripsikan content dan track
media streaming.
Client mengirimkan RTSP SETUP untuk masing-masing track yang diinginkan dan menentukan
media player yang sesuai dengan file yang akan di-streaming. Server lalu menginisialisasikan
RTP session untuk tiap track serta membuat RTP dan RTCP port untuk masing-masing nya. Lalu
melakukan sending data yang sesuai dengan request client. Pada proses ini transport layer yang
digunakan adalah UDP connection pada packet-switched network connection.
Gambar 2-15 : Basic RTP/RTSP operation [11]
Step 5. Play : Client menerima video stream pada buffer dan melakukan decode. Client lalu
menginisialisasi sebuah player yang sesuai dengan file format yang ada pada server. Client

15. melakukan kontrol untuk melakukan sinkronisasi media player software dengan data source
yang diterima oleh client dan time scheduling video yang sedang di-playing dengan :
§ PLAY – server memulai pengiriman paket RTP dan RTCP untuk feedback.
§ PAUSE – server menghentikan pengiriman paket RTP tetapi tetap mengirimkan paket RTCP
untuk menjaga session.
§ TEARDOWN – server menghentikan semua koneksi RTP dan RTCP, menghapus RTP
session dan menutup koneksi.
2.3 3G - UMTS Network
Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) adalah teknologi 3G mobile system
yang dibangun oleh International Telecommunications Union (ITU) (European version of IMT-
2000) dan distandarisasikan oleh 3G Partnership Project (3GPP).
UMTS menyediakan trafik dengan bandwidth yang berbeda dan berdasarkan Quality of
Service (QoS). Parameter QoS didasarkan pada delay, jitter dan bit-error. Dari parameter
tersebut, didefiniskan 4 QoS yang berbeda (3GPP TS 23.107), yaitu Conversational class,
Streaming class, interactive class, Background class
Tabel 2-6 : UMTS QoS Classes
QoS class Parameter QoS Aplikasi
Delay Jitter Bit-error
Conversational Stringent Stringent No Video conferencing
Streaming Constrained Constrained No Video on demand
Interactive Loose No Stringent Web-browsing
Background No No Stringent Email, sms, fax
Tabel 2-7 : QoS features for the video streaming service.
Feature Description
System Dapat kompatibel dengan standar streaming internasional
(contoh ASF, SMIL)
Synchronisation Layanan harus mengatur sinkronisasi antara komponen stream
video dan audio. Inter-media skew < 20 ms
Video codec Video codec harus sesuai standar (contoh MPEG-4 dan H.263).
Efisiensi coding tambahan dan error robustnes harus tersedia
Speech codec Audio codec harus sesuai standar dan dapat diterapkan pada 64
kbps dan 128 kbps
Minimum >28 kbit/detik untuk video dan audio. > 9.6 kbit/detik untuk
bandwidth stream audio saja
Playout delay < 30 second
Delay jitter 3 kali waktu retransmisi RLP pada jaringan dengan retransmisi

16. yang diaktifkan
Error rate End-to-end BER untuk circuit switched: 10-3 FER untuk packet
switched: 10-2
Picture size CIF (352x288 pixel) dan QCIF (176x144 pixel)