Verfahren, Sende- sowie Empfangseinrichtung zur Übertragung von digitalen Informationspaketen in einem Datennetz

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von di¬ gitalen Informationspaketen gemäß dem Oberbegriff des An¬ spruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des An¬ spruchs 13. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Sende- einrichtung gemäß Anspruch 14 sowie eine Empfangseinrichtung gemäß Anspruch 15.

In der digitalen Datenübertragung tritt das Problem auf, dass Daten aufgrund von schlechten Übertragungsverbindungen oder geringen Bandbreiten während der Übertragung verloren gehen. Insbesondere bei paketorientiertem Datenverkehr führen feh¬ lerhafte bzw. verlorengegangene Daten zu einem Verlust von vollständigen Paketen, wodurch der Inhalt nicht mehr korrekt wiedergegeben werden kann. Besonders problematisch sind Da- tenverluste bei sog. Multimedia-Anwendungen, bei denen die Daten oftmals in Echtzeit ohne Verzögerung beim Empfänger an¬ gezeigt werden sollen.

Aus J. Rosenberg, H. Schulzrinne: "An RTP payload format for generic forward error correction", IETF RFC 2733, Dec. 1999, sind zur Lösung dieses Problems Verfahren zur Rekonstruktion verloren gegangener Datenpakte bekannt.

Auch sog. Broadcast- und MuIticast-Datenübertragungen sind bekannt, bei denen Daten von einem einzigen Sender gesendet werden und von einer Vielzahl von Empfängern empfangen werden können. Bei diesen Datenübertragungen können zum Fehlerschutz sog. Reed-Solomon-Codes verwendet werden, wie aus Shu Lin and Daniel Costello, "Error Control Coiding", Prentice Hall, 1983, bekannt. Mit Hilfe der Reed-Solomon-Codes wird den Da¬ ten Redundanz hinzugefügt, so dass bei nicht allzu großen Da¬ tenverlusten beim Empfänger die ursprünglichen Daten rekon- struiert werden können. Bekannte Fehlerschutzverfahren mit- hilfe von Reed-Solomσn-Codes eignen sich beispielsweise be¬ sonders für den in "DVB-H System Description", Doc. DVB- H153rl TM2939rl, 09.09.2003, spezifizierten DVB-H-Standard (Digital Video Broadcast - Handheld) . So können z.B. mit Hil¬ fe eines aus Shu Lin and Daniel Costello, "Error Control Coi- ding", Prentice Hall, 1983, bekannten (N,K)-Read Solomon Co¬ des die Daten auch dann rekonstruiert werden, wenn von insge¬ samt N Paketen, wobei K Pakete Nutzdaten und N-K Paritäts- (Parity- oder Redundanz-)Daten enthalten, maximal N-K belie¬ bige Pakete verloren gehen. Nachteilig hierbei ist, dass Read Solomon Codes auf Basis von Galois Field GF (28) eine Be¬ schränkung dahingehend aufweisen, dass N maximal den Wert 255 aufweisen darf.

Für darüber hinausgehende Paketzahlen werden häufig daher auch die in R.G. Gallager: "Low density parity check codes", IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 8(!), Jan. 1962, beschriebenen Low Density Parity Check Codes (LDCP- Codes) verwendet. Diese haben jedoch den Nachteil, dass sie im nicht so effizient sind, wie beispielsweise bei Anwendung von Read Solomon Code basierten Verfahren; d.h. sie es können nicht alle N-K verloren gegangenen Pakete rekonstruiert wer¬ den.

Daher ergibt sich, dass in den in der Praxis eingesetzten Verfahren in der Regel nicht alle verlorengegangenen bzw. fehlerbehafteten Pakete rekonstruierbar sind, so dass man er¬ gänzend solche Pakete separat auf Punkt-zu-Punk-Verbindungen zu den einzelnen empfangenden Teilnehmern (Stationen) erneut zu versenden. Dazu wird von den empfangenden Stationen im Falle verlorengegangener (nicht empfangener) oder fehlerhaf¬ ter Pakete ein sogenanntes NACK-Protokoll (Not-ACKnoledge) - also eine negative Empfangsbestätigung - an die sendende Sta- tion (Server) des Broadcast/Multicast Netzes gesendet, wobei das NACK angibt, welches Paket fehlerhaft bzw. nicht empfan¬ gen wurde, so dass der Server weiß, welche Pakete über die als zuverlässig betrachte Punkt-zu-Punk-Verbindung an die einzelnen empfangenden Stationen erneut gesendet werden müs¬ sen.

Ein hierzu alternativer Ansatz ist aus M. Luby et. al..: "The use of forward error corrextion (FEC) in reliable multicast", IETF RFC 3453, Dec. 2002, bekannt, bei dem statt der Wieder¬ holung verloren gegangener bzw. fehlerhafter Pakete lediglich zusätzliche Redundanzpakete, welche es ermöglich dennoch eine Rekonstruktion der Pakete durchzuführen, über die Punkt-zu- Mehrpunkt-Verbindung an alle empfangenden Teilnehmerstationen zu versenden. Durch dieses Verfahren werden aber unnötig gro¬ ße Datenmengen über die Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung über¬ tragen, da unabhängig von der tatsächlichen Anzahl der Emp- fänger (empfangenden Stationen) , welche Pakete nicht oder nur fehlerhaft empfangen haben, stets an alle Teilnehmerstationen zusätzliche Redundanzpakete gesandt werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, ein Ver— fahren, eine Sendeeinrichtung sowie eine Empfangseinrichtung zur Übertragung von digitalen Informationspaketen in einem Datennetz anzugeben, welche eine erhöhte Effizienz gewähr¬ leisten.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren gemäß dem O— berbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merk¬ male sowie dem Verfahren gemäß den Oberbegriff des Anspruchs 13/ der Sendeeinrichtung gemäß dem Anspruch 14 sowie der Emp¬ fangseinrichtung gemäß dem Anspruch 15 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Übertragung von digi¬ talen Informationspaketen in einem Datennetz wird zum Daten¬ austausch ausgestalteten Stationen von zumindest einer sen¬ denden Station zu zumindest zwei empfangenden Stationen, bei dem die zu übertragenden Informationspakete in der sendenden Station in eine oder mehrere Datenpaketgruppen aufgeteilt werden und den Datenpaketgruppen jeweils Redundanzinformation in Form von Redundanzpaketen hinzugefügt wird und bei dem bei fehlerhaften sowie fehlenden Empfang eines Datenpaketes der Datenpaketgruppe seitens der empfangenden Station von dieser ein negatives Empfangsprotokoll an die sendende Station über- mittelt und hierdurch durch die sendende Station Maßnahmen zum Fehlerschutz ausgelöst werden, wird durch die sendende Station ein Grad der Fehlerschutzmaßnahmen in Abhängigkeit von einer statistischen Auswertung von zu einem Informations¬ paket zugehöriger empfangener negativer Empfangsprotokolle je empfangender Station festgelegt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Adaption von Fehlerschutzmaßnahmen an die aktuellen Gegebenheiten des Da¬ tennetzes erreicht, so dass eine effizientere Nutzung der Ressourcen ermöglicht wird. Vorzugsweise erfolgt dabei die statistische Auswertung durch Ermittlung einer statistischen Verteilung der empfangenen negativen Ξmpfangsprotokolle. Hierdurch wird die sendende Station in die Lage versetzt, ei¬ ne Anzahl notwendiger Redundanzpakete zu ermitteln, welche notwendig ist, um gewährleisten zu können, dass eine Mehrzahl der empfangenen Stationen die fehlenden Datenpakete mit Hilfe der Redundanzpakete rekonstruieren kann. Hierdurch wird er¬ reicht, dass nicht stets an alle empfangenden Stationen Re¬ dundanzpakete übermittelt werden, sondern dies beispielsweise tatsächlich nur dann erfolgt, wenn es notwendig wird und dies auch nur in einem Maße, welches das Netz nicht belastet bzw. die Ressourcen effizient nutzt.

Präzisiert werden kann diese Anpassung an die aktuellen Gege- benheiten, wenn die statistische Auswertung durch Ermittlung eines zu der Verteilung gehörigen statistischen Mittelwerts und/oder durch Ermittlung einer zu der Verteilung zugehörigen statistischen Standardabweichung ergänzt wird.

Stellt die sendende Station anhand der statistischen Auswer¬ tung den Grad der Fehlerschutzmaßnahmen derart ein, dass die sendende Station eine für ein Einhalten eines festlegbaren Kriteriums erforderliche Anzahl von Redundanzpaketen für zu übertragende Informationspakete ermittelt, lässt sich durch Festlegen des Kriteriums eine weitere Optimierung des Verfah¬ rens erzielen, wobei das Kriterium beispielsweise durch Simu- lation oder experimentelle Ansätze bestimmt werden kann.

Vorzugsweise gibt dabei das Kriterium eine Anzahl derjenigen empfangenden Stationen an, die durch das Festlegen der Anzahl von Redundanzpaketen vollständig in der Lage sein sollen, fehlende und fehlerbehaftete Datenpakete anhand der ermittel¬ ten Anzahl von Redundanzpaketen zu rekonstruieren. Hierdurch lässt sich in geeigneter Weise ein Parameter zur Reduktion der Kosten festlegen, da die Anzahl der Stationen auch die zu übertragende Datenmenge bestimmt. Insbesondere ergänzend ist es daher von Vorteil, wenn für die verbleibenden empfangenden Stationen eines der gemäß dem Stand der Technik bekannten Fehlerschutzmechanismen, insbesondere jenes, bei dem an die jeweilige verbleibende empfangende Station ein wiederholtes Übertragen von Datenpaketen mit negativer Empfangsprotokollen über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung übertragen wird, Anwen¬ dung findet, so dass sich hier insgesamt ein Grad der Fehler- schutzmaJinahmen durch eine Verteilung auf bekannte Fehler¬ schutzmaßnahmen definiert. Hierdurch wird es möglich, eine geeigneten Mischung zu finden, welche die Einhaltung gegebe- ner Kriterien optimal ermöglicht.

Insbesondere, wenn es sich bei der zu erzielenden Effizienz um ein Reduzieren des Kostenfaktors handelt, ist es von Vor¬ teil, wenn das Kriterium derart festgelegt wird, dass ein Kostenwert Kqesarat minimiert wird, wobei sich der Kostenwert

Kgessmf aUS KgRanrrt- = DmKm + DυK,j mit Du: = Datenmenge mittels Punkt-zu-Punkt-Verbindung, Dm: = Datenmenge mittels Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung, κu: = Kosten für die Übertragung einer vorgebenen Datenmenge über eine Punkt-zu-Punkt-Verbinung, Kn, := Kosten für die Übertragung einer vorgebenen Datenmenge über eine Punkt-zu Mehrpunkt- verbinung,

Zudem hat diese Weiterbildung den Vorteil bei Datennetzen, die zu Punkt-zu-Punkt-Verbindungen oder zu Punkt-zu-Mehr- punkt-Verbindungen ausgestaltet sind, eine präzise Optimie¬ rung auf Grundlage einer genauen Kostenabschätzung zu erzie¬ len.

Gerade, wenn es sich bei der sendenden Station um einen Ser¬ ver für ein Download Broadcast Multicast Dienst handelt und zumindest ein Teil der empfangenden Stationen diesen Dienst als Punkt über einen Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung nutzt, ist es von Vorteil, wenn während des Aussendens eines Informati- onsdatenpaketes eine Erfassung von empfangenen negativen Emp¬ fangsprotokollen erfolgt, nach Abschluss des Aussendens des Informationspaketes die statistische Auswertung der empfange¬ nen negativen Empfangsprotokolle durchgeführt wird, sowie auf Grundlage der Auswertung die Anzahl der für eine Übertragung über die Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung zur Erfüllung des Kri¬ teriums erforderlichen Redundanzpakete sowie die Anzahl der über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung erneut zu übertragenden fehlenden oder fehlerbehafteten Datenpakete bestimmt wird. Alternativ kann auch die Auswertung während des Aussendens der Informationspakete erfolgen, so dass dies für eine be¬ schleunigte Abwicklung und damit eine bessere Anpassung bei zeitkritischen Anwendungen erlaubt.

Entgegen dem beschriebenen ist bei Datennetzen, bei denen die sendende Station als ein Server für einen Streaming Broadcast Multicast Dienst betrieben und zumindest einem Teil der emp¬ fangenden Station in Form einer Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung genutzt wird, von Vorteil, wenn während des Aussendens eines Informationsdatenpaketes eine Erfassung von empfangenen nega¬ tiven Ξmpfangsprotokollen erfolgt, während des Aussendens des Informationspaketes innerhalb eines ersten Zeitfensters die statistische Auswertung der empfangenen negativen Empfangs¬ protokolle durchgeführt wird und auf Grundlage der Ermittlung die Anzahl der für eine Übertragung über die Punkt-zu-Mehr- punkt—Verbindung zur Erfüllung des Kriteriums erforderlichen Redundanzpakete bestimmt wird.

Vorzugsweise wird hierbei die Dauer des ersten Zeitfensters derart festgelegt, dass sie kleiner einer Dauer eines vorge¬ gebenen zweiten Zeitfensters gewählt ist. Hierdurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass in Streaming Systemen eine Restriktion bezüglich der erlaubten Verzögerungszeiten exis¬ tiert, der dergestalt ist, dass eine Verzögerung eines vorge¬ gebenen Zeitwertes nicht überschreiten darf. Wird also wie gemäß der Weiterbildung vorgeschlagen, das erste Zeitfenster derart gewählt, dass seine Dauer kleiner ist als die Zeitre¬ striktion in Streaming Datennetzen, so besteht nach Ermitteln und Aussenden von Redundanzpaketen noch genügend Zeit, um zu¬ mindest ein Teil der fehlenden bzw. fehlerbehafteten Datenpa¬ kete zu rekonstruieren. Alternativ aber vor allem ergänzend zu den beschriebenen Verfahrensweisen ist es bei einem Daten¬ netz, bei dem die sendende Station als ein Server für einen Streaming Broadcast Multicast Dienst betrieben wird und zu¬ mindest ein Teil der empfangenen Stationen diesen Dienst in Form einer Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung nutzt, wobei die empfangene Station zur Speicherung von Daten ausgestaltet sind, von vorteil, dass zu Informationspaketen zugehörige fehlende und fehlerbehaftete Datenpakete erneut über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung gesendet und in der jeweiligen emp¬ fangenen Station gespeichert werden. Hierdurch ist es mög— lieh, dass teilnehmende empfangende Stationen zwar während der Übertragung fehlerbehaftete Daten wiedergeben, einem Nut¬ zer dieses Dienstes aber die Möglichkeit gegeben wird, nach erfolgter Übertragung eine fehlerlose Wiedergabe der Daten durchzuführen.

Die Aufgabe wird ferner durch eine Sendeeinrichtung sowie ei¬ ne Empfangseinrichtung gelöst, welche Mittel für die Durch- führung der einzelnen Verfahrensschritte gemäß dem erfin¬ dungsgemäßen Verfahren aufweisen und in der Regel beide in einer Station implementiert sind, und den Vorteil aufweisen, eine Station des Datennetzes zur Durchführung des Verfahrens und damit das Erzielen der oben angeführten Vorteile des er¬ findungsgemäße Verfahren zu befähigen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Figuren 1 bis 3 erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 die schematische Darstellung eines Datennetzes, in dem das erfindungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt;

Figur 2 Beispielhaftes Ablaufdiagram des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 3 Histogramm von Teilnehmern obigen Datennetzes, die eine Anzahl n Pakete verloren haben.

Die Figur 1 zeigt ein bevorzugtes Szenario, in dem das erfin¬ dungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann. Es handelt sich hierbei um die Übertragung von Multimediadaten eines Broad- cast Dienstes, der Daten aussendet, die gleichzeitig von meh¬ reren Empfängern (Stationen) empfangen werden können. Die Multimediadaten werden von einem Broadcast Multicast Service Center BM-SC bereitgestellt und über ein beliebiges Zwischen- netz Z an ein Mobilfunknetz RAN (RAN = Radio Access Network) übertragen. Das Mobilfunknetz RAN umfasst eine Vielzahl von Basisstationen Bl bis B5, mittels derer über eine Luft¬ schnittstelle L die Multimediadaten an Benutzerendgeräte (empfangende Stationen) UEl..UE3 (UE = User Equipment) in der Form eines Handys übertragen werden. Der Broadcast Multicast Service Center BM-SC erzeugt Informationspakete, die einen Header und eine Nutzlast umfassen, wobei die Informationspa- kete Datenpakete sind, welche mit Hilfe einer Transport¬ schicht gemäß OSI-Referenzmodell übertragen werden, wobei die -Übertragung hierbei drahtgebunden und/oder drahtlos erfolgt. Bei dem in Figur 1 dargestellte Szenario erfolgt also eine Datenübertragung über ein Mobilfunknetz und zum anderen er¬ folgt der Datentransport paketorientiert über die Transport¬ schicht.

Ausgehend von diesem bevorzugten Szenario werden nun drei mögliche Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens näher erläutert.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel, welches in dem genann¬ ten Broadcast Multicast Szenario zum Einsatz kommt, wird in einem ersten Schritt Sl von dem Broadcast Multicast Service Center BM-SC, die man auch als sendende Station betrachten kann, und die als Server eines in diesem Broadcast Multicast Szenario angebotenen Download Dienstes (Service) fungiert, derart verfahren, dass zuerst alle Nutzdaten (informationspa- kete) über den Broadcast Kanal, d.h. über eine Punkt-zu- Mehrpunkt-Verbindung an die empfangenen Stationen UE (im Aus- führungsbeispiel nur eine Station dargestellt) übermittelt werden.

Parallel zum Aussenden, in der Regel als Hintergrundprozess ablaufenden Algorithmus, werden in einem zweiten Schritt S2 negative Empfangsprotokolle (NACKs, Negative ACKnowledges) durch den Server BM-SC erfasst.

In einem dritten Schritt S3 wird nach Abschluss des Aussen- dens des Informationspaketes durch den Server BM-SC eine sta¬ tistische Verteilung der negativen Empfangsprotokollsignale (NACK Signale) berechnet.

Diese Verteilung stellt sich beispielsweise als Histogramm der Anzahl der empfangenen Stationen, welche eine Anzahl N von Datenpaketen verloren haben, dar. In einem vierten Schritt S4 wird nun aus der Verteilung er¬ mittelt, wie viele Redundanzpakete über den Broadcast Kanal, d.h. über die Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindung ausgesendet wer- den und zudem wie viele der fehlenden bzw. fehlerbehafteten Datenpakete zu den empfangenden Teilnehmern jeweils über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung wiederholt gesendet werden müssen, d.h. im vierten Schritt S4 wird im Grunde festgelegt, wie die Verteilung aus Fehlersσhutzmaßnahmen, wie die inkrementelle Redundanz und die Paketwiederholung festzulegen ist.

Dabei kann in einem fünften Schritt S5 festgestellt werden, dass erneut Datenpakete inklusive Redundanzpakete verloren gegangen sind und dies wiederum von den betreffenden empfan- genden Stationen mit NACK Signalen quittiert, so dass bei¬ spielsweise in einem sechsten Schritt S6 die als Server die¬ nende sendende Station BM-SC entscheiden kann, Redundanzpake¬ te solange nachzusenden, bis eine hinreichend kleine Menge von über Punkt-zu—Punkt-Verbindungen zu wiederholende Daten- pakete verbleibt. Hierbei berücksichtigt der Server BM-SC al¬ so stets eine über die Punkt—zu-Mehrpunkt-Verbindung zu über¬ tragende Datenmenge sowie eine über die Punkt-zu-Punkt-Ver¬ bindung übertragende Datenmenge und kann hiermit vorteilhaft auf die dadurch auflaufenden Gesamtkosten der Übertragung Einfluss nehmen, so dass diese idealer Weise minimiert wer¬ den.

In einem siebten Schritt S7 ist das Verfahren schließlich be¬ endet.

Alternativ zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann auch in dem gleichen bevorzugten Szenario die im dritten Schritt S3 erfolgte Berechnung der statistischen Verteilung auch be¬ reits während des Aussendens der Nutzdaten erfolgen, so dass bereits durch diese Statistik, welche auf den NACK Signalen beruht, schon frühzeitig damit begonnen werden kann, weitere Redundanzpakete auszusenden. Eine drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens ergibt sich, wenn bei dem zugrundeliegenden bevorzug¬ ten Szenario, also dem Broadcast Multicast System, ein Strea- ming Dienst angeboten wird.

Ein derartiges Streaming System ist zeitkritisch, so dass ei¬ ne Verzögerung aufgrund von notwendigen Rekonstruktionen von Datenpaketen der Informationspakete auf Grundlage von zusätz- lieh versandten Redundanzpaketen einer Restriktion unterwor¬ fen ist, d.h. z.B. eine Zeit von 5 s nicht überschreiten darf.

Hierbei ist es von Vorteil, dass wie im zweiten Ausführungs- beispiel genannt, die zusätzlichen Redundanzpakete schon wäh¬ rend des Aussendens zu den Informationspaketen zugehörigen Datenpakete ausgesendet werden, d.h. also die Auswertung der Verteilung bzw. die Statistik der NACK Signale schon bereits während des Aussendens für ein gegebenes Zeitfenster von bei- spielsweise 3 s erfolgt, so dass innerhalb der verbleibenden Zeit bis zur maximal erlaubten Verzögerung die Anzahl an aus¬ zugebenden Redundanzpaketen erfindungsgemäß bestimmt werden kann, so dass zumindest eine vorgegebene relative Anzahl der teilnehmenden empfangenden Stationen, beispielsweise 95 % der Stationen, alle verloren gegangenen Nutzdatenpakete rekon¬ struieren kann. Diese hohe vorgegebene Anzahl ist daher von Nöten oder insbesondere deswegen von Vorteil, da wegen der Verzögerungsrestriktion es beim vorliegende Ausführungsbei¬ spiel nicht möglich ist, fehlende Pakete über eine Punkt—zu- Punkt-Verbindung an die jeweiligen Empfänger erneut zu sen¬ den.

Dies ist lediglich möglich, wenn die empfangenden Teilnehmer¬ stationen die Möglichkeit haben, d.h. derart ausgestaltet sind, dass sie die zu den Streaming Diensten zugehörigen Da¬ ten speichern können. In so einem Fall wird erfindungsgemäß vorgesehen, die Redundanzdatenpakete während der Übertragung der Streaming Daten zu speichern. Hierdurch können die emp¬ fangenen Stationen, also jene die im Ausführungsbeispiel 3 nicht die Möglichkeit hatten, fehlende oder fehlerbehaftete Datenpakete zu rekonstruieren, zumindest nach Übertragung, d.h. nach erstmaligem Empfang der Streaming Daten ein fehler¬ freies Darstellen der Daten ermöglichen können, wobei dies vierte beschriebene Ausführungsbeispiel auch als eigenständi¬ ge Lösung des Problems, nämlich der effizienten Nutzung der Datennetze ausgestaltet sein kann, und zwar dann, wenn die Speicherung durch alle empfangenen TeilnehmerStationen und nicht nur durch diejenigen, welche keine Rekonstruktion ver¬ loren gegangener Daten gemäß Ausführungsbeispiel 3 durchfüh¬ ren können, realisiert werden kann.