DE10101092B4 - Improvement of the bandwidth efficiency in a packet-oriented transmission with forward error correction - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur paketorientierten Übertragung
von Daten (D) von einer Sendeeinheit (S) zu einer Empfangseinheit
(E) über
ein Übertragungsmedium
mit einem Datenkanal (DK) und einem Antwortkanal (AK) mit folgenden
Verfahrensschritten:
– Segmentierung
(1) eines zu übertragenden
Datenpakets (DP) in mehrere Datensegmente (DS1 ...DSm),
– Redundanzgenerierung
(R) durch Codierung (2; C) der Datensegmente (DS1 ...DSm) mit einem
fehlererkennenden Code und/oder einem fehlerkorrigierenden Code,
– Übertragung
(3) der codierten Datensegmente (DS1 ...DSn) von der Sendeeinheit
(S) zur Empfangseinheit (E) in mehreren Schritten (n) durch inkrementelles
Senden aufeinanderfolgender codierter Datensegmente über den
Datenkanal (DK),
dadurch gekennzeichnet, dass
von der
Sendeeinheit (S) solange codierte Datensegmente (DS1 ...DSn) mit
zusätzlicher
Redundanz (R) inkrementell gesendet werden, bis die Sendeeinheit
(S) entweder über den
Antwortkanal (AK) eine Nachricht (ACK) über die erfolgreiche fehlerfreie
Decodierung (4; DC) des zu übertragenden
Datenpakets (DP) durch die Empfangseinheit (E) erhält oder
bis sämtliche
Redundanz (R) der codierten...Method for the packet-oriented transmission of data (D) from a transmitting unit (S) to a receiving unit (E) via a transmission medium having a data channel (DK) and a response channel (AK), comprising the following method steps:
Segmentation (1) of a data packet (DP) to be transmitted into a plurality of data segments (DS1 ... DSm),
Redundancy generation (R) by coding (2; C) of the data segments (DS1 ... DSm) with an error-detecting code and / or an error-correcting code,
- Transmission (3) of the coded data segments (DS1 ... DSn) from the transmitting unit (S) to the receiving unit (E) in several steps (n) by incrementally transmitting successive coded data segments via the data channel (DK),
characterized in that
from the transmitting unit (S) as long as coded data segments (DS1 ... DSn) with additional redundancy (R) are sent incrementally until the transmitting unit (S) either via the response channel (AK) a message (ACK) on the successful error-free decoding ( 4, DC) of the data packet (DP) to be transmitted by the receiving unit (E) or until all the redundancy (R) of the coded ...
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten von einer Sendeeinheit zu einer Empfangseinheit über ein Übertragungsmedium mit einem Datenkanal und einem Antwortkanal mit folgenden Verfahrensschritten:
- – Segmentierung eines zu übertragenden Datenpakets in mehrere Datensegmente,
- – Redundanzgenerierung durch Codierung der Datensegmente mit einem fehlererkennenden Code und/oder einem fehlerkorrigierenden Code,
- – Übertragung der codierten Datensegmente von der Sendeeinheit zur Empfangseinheit in mehreren Schritten durch inkrementelles Senden aufeinanderfolgender codierter Datensegmente über den Datenkanal.
- Segmentation of a data packet to be transmitted into several data segments,
- Redundancy generation by coding the data segments with an error-detecting code and / or an error-correcting code,
- - Transmission of the coded data segments from the transmitting unit to the receiving unit in several steps by incrementally transmitting successive coded data segments over the data channel.
Bei der paketorientierten Übertragung von Daten kommt es im allgemeinen aus den verschiedensten Gründen zu Paketverlusten. In paketorientierten Festnetzen werden Paketverluste vor allem durch Überlast an Netzknoten verursacht. Dies geschieht beispielsweise in Folge eines Buffer-Overflows und Queue-Overflows in Datenpaketvermittlern bzw. Routern. Ein Router wertet in den Datenpaketen enthaltene Adressierungsinformationen aus und ermittelt anhand von Routingtabellen den günstigsten weiteren Weg. Anhand dieser Information wird entschieden, was mit dem Datenpaket weiterhin geschieht.at the packet-oriented transmission Data is generally available for a variety of reasons Packet loss. In packet-switched fixed networks, packet losses occur especially by overload caused at network nodes. This happens, for example, in succession a buffer overflow and queue overflow in data packet mediators or routers. A router evaluates in the Data packets contained and determined addressing information using routing tables the cheapest further Path. Based on this information it is decided what to do with the data packet continues to happen.
Bei mobilen Übertragungskanälen (z.B. packet switched modes bei Global System for Mobile Communication GSM, General Packet Radio Service GPRS oder Universal Mobile Telecommunication System UMTS) werden die übertragenen Daten aufgrund von atmosphärischen Störungen und Mehrwegeausbreitung stark ge stört. Durch die Mehrwegeausbreitung erzeugt ein ausgesendeter Impuls mehrere Echos. Durch die Überlagerung mehrerer solcher Signalkomponenten bzw. Mehrwegekomponenten mit jeweiliger Phasenverschiebung gegenüber dem direkten Ausbreitungspfad kommt es zu Auslöschungen, die den sogenannten schnellen Schwund (fast fading) verursachen. Diese und andere Mehrwege-Schwunderscheinungen führen zu teilweise erhebliche Schwankungen der Empfangsfeldstärke. Neben frequenzselektiven Schwunderscheinungen tritt auch eine zeitliche Dispersion auf, mit der Folge, dass am Empfänger einzelne Symbole der übertragenen Daten über teilweise mehrere Symboldauern "verschmieren" und Bitfehler bei digitalen Übertragungsdaten auftreten.at mobile transmission channels (e.g. packet switched modes in Global System for Mobile Communication GSM, General Packet Radio Service GPRS or Universal Mobile Telecommunication System UMTS) are transmitted Data due to atmospheric disorders and multipath propagation strongly bothers. Through the multipath propagation a transmitted pulse generates several echoes. By the overlay several such signal components or multipath components with respective phase shift relative to the direct propagation path it comes to extinctions, which cause the so-called fast fading (almost fading). These and other multipath fades to lead sometimes considerable fluctuations in the reception field strength. Next frequency-selective fading occurs also a temporal Dispersion on, with the result that at the receiver individual symbols of the transmitted Data about sometimes several symbol durations "blur" and bit errors digital transmission data occur.
Die
zur Zeit am weitesten verbreiteten Übertragungsprotokolle auf Transportebene
(Schicht bzw. Layer
TCP ist ein verbindungsorientiertes Transportprotokoll, das eine logische Vollduplex-Punkt-zu-Punkt-Verbindung ermöglicht. Es stellt dabei sicher, dass Daten fehlerfrei und in der gewünschten Reihenfolge über ein darunterliegendes IP-Netz übertragen werden. Es erweitert das darunterliegende IP (Internet Protocol) um Funktionen zur Datensicherung und Verbindungssteuerung.TCP is a connection-oriented transport protocol that is a logical Full-duplex point-to-point connection. It makes sure that data is accurate and in the desired order over one transmit the underlying IP network become. It extends the underlying IP (Internet Protocol) for functions for data backup and connection control.
Sobald ein Bitfehler innerhalb eines Pakets durch einen fehlererkennenden Code detektiert wird, wird das betroffene Paket verworfen oder ausgelöscht (Erasure). In anderen Worten, es tritt ebenfalls ein Paketverlust auf. Sogenannte reliable transport protocols wie TCP verwenden Wiederholmechanismen (Automatic Repeat Request Verfahren), um verlorengegangene oder verworfene Pakete trotz gestörter Kanäle sicher zum Empfänger transportieren zu können. Fehlerhafte oder verlorengegangene Daten werden beim Sender erneut angefordert. Dies ist jedoch mit einem sehr erheblichen Zuwachs der Übertragungsverzögerung (Delay) verbunden, das aber von vielen Applikationen nicht toleriert werden kann (z.B. Kommunikationsanwendungen).As soon as a bit error within a packet by an error-detecting one Code is detected, the affected packet is discarded or erased (erasure). In other words, packet loss also occurs. So-called Reliable transport protocols such as TCP use repeating mechanisms (Automatic Repeat Request method) to get lost or discarded packets despite disturbed channels safe to the recipient to be able to transport. Erroneous or lost data will be redone at the sender requested. However, this is a very significant increase the transmission delay connected, but that can not be tolerated by many applications (e.g., communications applications).
Hier kommen deshalb unreliable transport protocols wie z.B. UDP zum Einsatz. Im Vergleich zum wesentlich häufiger verwendeten TCP verzichtet UDP auf Fehlererkennung und -korrektur. UDP arbeitet daher aber schneller und verfügt über einen kleineren Header, weshalb das Verhältnis von Anzahl Nutzdaten (in Bit) zu Datenpaketlänge (in Bit) besser ist. UDP ist besser geeignet bei Anwendungen, die kurze Nachrichten versenden und diese notfalls komplett wiederholen können, oder bei Anwendungen, die in Echtzeit durchgeführt werden müssen (Sprach- oder Videoübertragung).Here Therefore, unreliable transport protocols such as e.g. UDP used. Compared to much more common TCP does not use UDP for error detection and correction. UDP works faster and has a smaller header, why the ratio from the number of user data (in bits) to data packet length (in bits) is better. UDP is more suitable for applications that send short messages and if necessary, they can repeat completely, or in applications that done in real time Need to become (Voice or video transmission).
Die gesamte Fehlerkorrektur erfolgt daher innerhalb der Anwendung. Dies betrifft nicht nur Bitfehler, sondern auch den Totalverlust von Datenpaketen, da Router bei hoher Netzlast UDP-Datagramme sofort verwerfen. Die Anwendung kann bei speziellen Anwendungen, z.B. im Echtzeit-Bereich, bei der Fehlererkennung und Fehlerkorrektur von weiteren, speziellen Protokollen höherer Schichten unterstützt werden, z.B. dem RTP (Real-time Protocol). Das Grundprinzip von RTP ist die Nutzung von Forward Error Control. Dies wird durch einen erweiterten Header ermöglicht, in dem Zusatzinformationen stehen. Diese sind z.B. die Art der übertragenen Nutzdaten (Sprache, Bilddaten etc.) oder der Zeitpunkt der Erzeugung der Daten, wodurch die Daten einfacher in eine bestimmte korrekte Reihenfolge gebracht oder nach Ablauf einer bestimmten Zeit verworfen werden können.The overall error correction therefore occurs within the application. This not only affects bit errors, but also the total loss of Data packets, because routers at high network load UDP datagrams immediately discard. The application can be used in special applications, e.g. in the Real-time range, in error detection and error correction of support additional, higher-layer protocols e.g. the RTP (Real-time Protocol). The basic principle of RTP is the use of Forward Error Control. This is enhanced by an extended Header allows in the additional information stand. These are e.g. the type of transferred User data (language, image data, etc.) or the time of creation the data, making the data easier to get into a specific correct Order brought or discarded after a certain time can be.
Durch die Notwendigkeit der kompletten Wiederholung von Nachrichten bei Fehlern benötigt die Verwendung von UDP in einem Netz allerdings auch dann größere Bandbreiten als TCP und erfordert ein komplizierteres Bandbreitenmanagement des Netzbetreibers.Due to the necessity of the complete Repetition of messages in case of errors requires the use of UDP in a network, however, even greater bandwidths than TCP and requires a more complicated bandwidth management of the network operator.
UDP allein verursacht somit zwar keinen Zuwachs an Übertragungsverzögerung bzw. Delay, bietet dafür aber auch keinerlei Mechanismen um Paketverluste auszugleichen. Deshalb gibt es intensive Bestrebungen, Verfahren zur Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) und paketorientierte Übertragung mit unreliable transport protocols wie z.B. UDP zu verbinden.UDP alone thus causes no increase in transmission delay or Delay, offers for it but also no mechanisms to compensate for packet losses. Therefore, there are intensive efforts, forward error correction methods (Forward Error Correction, FEC) and packet-oriented transmission with unreliable transport protocols such as e.g. Connect UDP.
Idealerweise sollten sich die resultierenden Verfahren an die Eigenschaften des Übertragungskanals anpassen, um nicht mehr Bandbreite zu benötigen als unbedingt notwendig ist. Das gilt insbesondere bei der Übertragung über mobile Kanäle, da dort die Resource Bandbreite besonders wertvoll, d.h. für den Subscriber sehr teuer ist.Ideally The resulting methods should adapt to the characteristics of the transmission channel adjust to not need more bandwidth than absolutely necessary is. This is especially true when transmitting over mobile channels, since there the Resource bandwidth particularly valuable, i. very expensive for the subscriber is.
Herkömmlich wird diese Anpassung des Fehlerschutzes an den Übertragungskanal hauptsächlich durch die Verwendung von hybriden ARQ-Verfahren realisiert. ARQ steht für Automatic Repeat Request und stellt ein Verfahren zur Datenübertragung dar, bei dem eine Sendeeinheit Daten sendet und auf deren korrekte Quittierung durch die Empfängereinheit wartet. Sofern erforderlich sendet die Sendeeinheit die Daten noch einmal. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis die Daten korrekt übertragen worden sind. Es werden im wesentlichen zwei Verfahren unterschieden:
- – Stop-And-Wait-ARQ bei zeichenorientierten Protokollen, bei denen nach jedem übertragenen Zeichen auf dessen Quittierung gewartet wird,
- – Continous-ARQ
bei bitorientierten Protokollen, bei denen die Quittierung durch
einen Fenstermechanismus geregelt wird, so dass bei richtiger Dimensionierung
der Fenstergröße kontinuierlich gesendet
werden kann (z.B. bei High Level Data Link Control HDLC, ein bitorientiertes
synchrones Steuerungsprotokoll auf der Schicht
2 des OSI-Referenzmodells).
- - Stop-and-wait ARQ for character-oriented protocols, which wait for acknowledgment after each transmitted character,
- - Continuous-ARQ for bit-oriented protocols, in which the acknowledgment is controlled by a window mechanism so that, given correct sizing, the window size can be transmitted continuously (eg high-level data link control HDLC, a bit-oriented synchronous control protocol on the layer
2 of the OSI reference model).
Dabei wird die zu übertragende Information zunächst im Rahmen einer Kanalcodierung mit einem fehlererkennenden Code codiert. Ein bekannter Vertreter solcher fehlererkennender Codes ist CRC (Cyclic Redundancy Check). Dabei handelt es sich um bestimmte Gruppe von Algorithmen, die aus einem Bitmuster nach einer bestimmten mathematischen Vorschrift ein Kontrollbitmuster bilden (üblicherweise 16 oder 32 Bit lang) und dieses zusätzlich den Nutzdaten hinzufügen. Anschließend erfolgt eine Codierung mit einem sehr leistungsfähigen fehlerkorrigierenden Code, d.h. es wird sehr viel Redundanz hinzugefügt.there becomes the to be transferred Information first as part of a channel coding with an error-detecting code coded. A well-known representative of such error-detecting codes is CRC (Cyclic Redundancy Check). These are certain Group of algorithms that consist of a bit pattern after a given mathematical rule form a control bit pattern (usually 16 or 32 bits long) and add this additionally to the user data. Then done a coding with a very powerful error-correcting Code, i. a lot of redundancy is added.
Die Übertragung der codierten Sequenz über den gestörten Kanal erfolgt dann inkrementell in mehreren Schritten. Zunächst wird nur ein Teil der codierten Daten übertragen. Die Empfängereinheit führt eine Decodierung anhand der bei ihm vorliegenden Daten aus und evaluiert mit Hilfe des fehlererkennenden Codes, ob die empfangene Datenmenge für eine fehlerfreie Rekonstruktion ausreichend ist oder nicht.The transfer the coded sequence over the disturbed Channel is then incrementally in several steps. First, will only a part of the coded data is transmitted. The receiver unit leads one Decoding based on the data available to him and evaluated using the error-detecting code, whether the amount of data received for a flawless Reconstruction is sufficient or not.
Ist eine fehlerfreie Decodierung möglich, wird dies der Sendeeinheit über einen Rückkanal mitgeteilt (z.B. über eine Quittierung oder Bestätigung, auch als Acknowledgement ACK bezeichnet) und die Übertragung des nächsten Informationspakets wird vorbereitet. Ist dagegen eine fehlerfreie Decodierung nicht möglich, fordert die Empfangseinheit über den Rückkanal zusätzliche Redundanz an (häufig bezeichnet mit NACK) und unternimmt nach deren Eintreffen einen erneuten Decodierversuch, bei der die Empfangseinheit die bereits empfangenen Daten mit der neu hinzugekommenen Redundanz kombiniert. Es wird solange zusätzliche Redundanz angefordert, bis eine fehlerfreie Decodierung möglich ist. Eine ausführliche Beschreibung von hybriden ARQ-Verfahren findet sich in Lin, S./Costello, D.: "Error Control Coding: Fundamentals and Applications", Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, N.J., 1983.is error-free decoding is possible this the transmitting unit via a return channel communicated (e.g. an acknowledgment or confirmation, too referred to as acknowledgment ACK) and the transmission of the next information packet is prepared. If, however, an error-free decoding is not possible, requests the receiving unit the return channel additional Redundancy (often designated with NACK) and undertakes after their arrival one again decoding attempt, in which the receiving unit already received data combined with the newly added redundancy. It will be additional as long Redundancy requested until an error-free decoding is possible. A detailed Description of hybrid ARQ methods can be found in Lin, S./Costello, D .: "Error Control Coding: Fundamentals and Applications ", Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, N.J., 1983.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass tatsächlich nur so viel Redundanz übertragen wird, wie tatsächlich benötigt wird. Jedoch weist dieses bekannte Verfahrens bei Paketverlustkanälen auch gravierende Nachteile auf.Of the The advantage of this method is that actually only so much redundancy is transmitted will, as indeed needed becomes. However, this known method also has packet loss channels serious disadvantages.
So muss der Rückkanal eine gesicherte Übertragung garantieren, d.h. es müssen auch dort ARQ-Verfahren zum Einsatz kommen. Dies bedingt die Implementierung von komplexen Protokoll-Stacks (z.B. Timern). In Abhängigkeit von der Anzahl der Wiederholungen und des Round-Trip-Delays (der Zeit zwischen dem Aussenden einer Information durch die Sendeeinheit und dem dortigen Eintreffen einer Reaktion der Empfangseinheit über den Rückkanal) ist gerade bei mobilen Übertragungsszenarien mit sehr hohen Verzögerungen zu rechnen. Bei Multimediaanwendungen, wie z.B. Streaming Video, bedeutet dies, dass im Empfänger ein sehr großer Puffer vorhanden sein muss. Dies führt ebenfalls zu einer erhöhten Komplexität im Empfangsterminal.So must the return channel a secure transmission guarantee, i. to have to ARQ procedures are also used there. This requires the implementation complex protocol stacks (e.g., timers). Dependent on the number of repetitions and the round-trip delay (the Time between the sending of information by the transmitting unit and the local arrival of a reaction of the receiving unit via the return channel) is currently in mobile transmission scenarios with very high delays to count. In multimedia applications, such as Streaming video, this means that in the receiver a very big one Buffer must be present. This also leads to increased complexity in the receiving terminal.
Aus der WO 99/22481 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Übertragung von Datenblöcken bekannt, welche ohne Fehlerkodierung übertragen werden. Dabei wird, falls ein solcher Datenblock ohne Fehler empfangen wird, einfach der nächste Block übertragen, während wenn ein Datenblock mit Fehlern empfangen wird, eine jeweilige empfangende Station eine Nachricht sendet, die eine Fehlerkorrekturinformation anfordert. Im Anschluss hieran, sendet die Datenblockquelle die geforderte Fehlerkorrekturinformation so lange bis die empfangende Station den Datenblock ohne Fehler dekodieren kann, wobei die hierfür übertragene Fehlerkorrekturinformation schrittweise so lange weiter Redundanzen hinzufügt, bis die empfangende Station in der Lage ist die Korrektur durchzuführen. Ist nun der betreffende Datenblock ohne Fehler empfangen worden, wird das Verfahren mit der Übertragung des nächsten Blocks fortgeführt.From WO 99/22481 a method and an arrangement for the transmission of data blocks is known, which are transmitted without error coding. In this case, if such a data block is received without error, simply the next block is transmitted, while if a data block is received with errors, a respective receiving station sends a message indicating an error Request for correction information. Following this, the data block source transmits the requested error correction information until the receiving station can decode the data block without error, the error correction information transmitted for this steping further adding redundancies until the receiving station is able to perform the correction. If the relevant data block has now been received without error, the method continues with the transmission of the next block.
Es ist bekannt, bei Point-to-Multipoint Übertragungen Datenpakete einer Nachricht zu codieren und mit zusätzlicher Redundanz zu versenden, und anhand einer Mehrzahl von positiven oder negativen Antworten zu entscheiden, ob und wie die Übertragung der Nachricht fortgesetzt oder abgebrochen und wiederholt werden soll.It is known in point-to-multipoint transmissions data packets Encode message and send it with additional redundancy, and by means of a plurality of positive or negative answers to decide if and how the transfer the message continues or aborts and repeats should.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindungsmeldung besteht somit darin, die Übertragung gegenüber dem bekannten Stand der Technik zu vereinfachen und dennoch eine Anpassung an den Übertragungskanal zu erzielen.The The object of the present disclosure is therefore to the transfer across from to simplify the prior art and yet a Adaptation to the transmission channel to achieve.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem das eingangs beschriebene Verfahren nach dem Oberbegriff dadurch weitergebildet wird, dass von der Sendeeinheit solange codierte Datensegmente mit zusätzlicher Redundanz inkrementell gesendet werden, bis die Sendeeinheit entweder über den Antwortkanal eine Nachricht über die erfolgreiche fehlerfreie Decodierung des zu übertragenden Datenpakets durch die Empfangseinheit erhält oder bis sämtliche Redundanz der codierten Datensegmente übertragen wurde.According to the present Invention solves this problem by the method described in the preamble by is further developed that coded by the transmitting unit as long Data segments with additional Redundancy be sent incrementally until the transmitting unit either over the Answer channel a message about the successful error-free decoding of the data packet to be transmitted receives the receiving unit or until all Redundancy of coded data segments was transmitted.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung erfolgt die Codierung in der Weise, dass zu übertragende Nutzdaten eines Datenpakets in aufeinander folgende Datensegmente gleicher Länge aufgeteilt werden, die um die jeweiligen Redundanzsymbole eines fehlerkorrigierenden Codes zu jeweiligen Codewörtern ergänzt werden, wobei die Codewörter zur Übertragung derart angeordnet werden, dass jedes Codewort eine Spalte aller aufeinanderfolgend zu übertragenden codierten Datensegmente bildet.To a first advantageous embodiment of the method according to the invention the coding is done in such a way that to be transmitted payload of a Data packets are divided into consecutive data segments of equal length which are around the respective redundancy symbols of an error-correcting Codes are added to respective codewords, where the code words for transmission be arranged so that each codeword is a column of all to be transmitted sequentially forms coded data segments.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zuerst solche codierte Datensegmente übertragen werden, die ausschließlich Nutzdaten des zu übertragenden Datenpakets beinhalten, bevor codierte Datensegmente übertragen werden, die Redundanzinformationen beinhalten.there it has proven to be advantageous if coded first such Transfer data segments Be that exclusively User data of the transferred Contain data packets before transmitting encoded data segments which contain redundancy information.
Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip soll im folgenden kurz skizziert werden. Die in einer Mehrzahl von zu übertragenden Informationspaketen bzw. Datenpaketen vorliegenden Daten werden Datenpaket für Datenpaket übertragen. Dabei wird jedes Datenpaket zunächst in einzelne Datensegmente segmentiert und ebenfalls mit einem fehlererkennenden und anschließend mit einem leistungsfähigen fehlerkorrigierenden Code codiert. Anschließend beginnt die Übertragung ebenfalls mit dem inkrementellen Senden der codierten segmentierten Daten. Sobald die Empfangseinheit das Informationspaket bzw. Datenpaket anhand der bereits empfangenen Datensegmente fehlerfrei decodieren kann, teilt sie dies der Sendeeinheit über den Antwortkanal in Form einer Bestätigung bzw. Quittung ACK mit. Erhält die Sendeeinheit die ACK-Nachricht, so stoppt diese die aktuelle Übertragung und beginnt mit der Übertragung des nächsten Datenpakets. Geht die ACK-Nachricht auf dem Antwortkanal verloren oder liegt kein Antwortkanal vor, so setzt die Sendeeinheit die Übertragung solange fort, bis die gesamte Redundanz gesendet ist und beginnt dann mit der Übertragung eines neuen Datenpakets.The underlying principle of the invention will be briefly outlined in the following become. The in a plurality of information packets to be transmitted or Data packets present data are transmitted packet by data packet. In doing so, each data packet is first segmented into individual data segments and also with an error-detecting and subsequently with a powerful error-correcting code coded. Then the transmission begins also with the incremental transmission of the coded segmented Dates. Once the receiving unit, the information packet or data packet decode error-free on the basis of the already received data segments , it shares this with the transmitting unit via the response channel in the form of a confirmation or acknowledgment ACK with. receives the sending unit sends the ACK message, this stops the current transmission and starts the transmission the next Data packet. If the ACK message is lost on the answer channel or if there is no answer channel, the transmitting unit sets the transmission until all redundancy has been sent and begins then with the transfer a new data package.
Im Vergleich zu bekannte hybriden ARQ Verfahren kann somit die Komplexität einer Empfangseinheit erheblich reduziert werden. Allerdings kann es zu einem totalen Informationsver lust kommen, wenn der verwendete Fehlerschutz nicht ausreichend hoch gewählt wird. Dies kann allerdings weitgehend vermieden werden, wenn der fehlerkorrigierende Code entsprechend der Langzeitcharakteristik des Übertragungskanals, insbesondere des Datenkanals, und der QoS-Parameter (Quality of Servie, QoS) des Bearer Services gewählt wird.in the Compared to known hybrid ARQ methods, the complexity of a Receiving unit can be significantly reduced. However, it may too a total loss of information, if the error protection used not high enough becomes. However, this can be largely avoided if the error-correcting code corresponding to the long-term characteristic of the transmission channel, especially the data channel, and the QoS parameter (Quality of Servie, QoS) of the bearer service.
Um die Möglichkeit eines totalen Informationsverlusts auszuschließen, wird daher nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung der fehlerkorrigierende Code anhand von Informationen einer Langzeitcharakteristik des Datenkanals so gewählt, dass auch bei der schlechtesten anzunehmenden Übertragungsqualität des Datenkanals ein ausreichender Fehlerschutz besteht.Around the possibility a total loss of information, therefore, after another advantageous embodiment of the method of the invention of the error-correcting Code based on information of a long-term characteristic of the data channel chosen so that even with the worst possible transmission quality of the data channel there is sufficient error protection.
Dies kann beispielsweise mit Hilfe des Real-time Control Protocol (RTCP) erreicht werden, das als Teil von RTP verschiedene Statistiken über die aktuelle Verbindung auswertet (Fehlerrate, Delay etc.) und damit eine Überprüfung von QoS ermöglicht (nicht jedoch eine hohe QoS selbst ermöglicht).This For example, using the Real-time Control Protocol (RTCP) achieved as part of RTP various statistics on the current Evaluates connection (error rate, delay, etc.) and thus a check of QoS allows (not However, a high QoS allows itself).
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung setzt als fehlerkorrigierenden Code einen Reed-Solomon-Code ein. Beispiele für solche fehlerkorrigierende Codes sind dem oben angeführten Werk von Lin, S./Costello, D. zu entnehmen.A particularly advantageous embodiment The invention uses a Reed-Solomon code as the error-correcting code one. Examples of such error-correcting codes are the above-mentioned work by Lin, S./Costello, D. to take.
Nach der voranstehend beschriebenen Erfindung lassen sich zur Erzielung der angeführten Vorteile auch eine Sendeeinheit oder eine Empfangseinheit schaffen, die über entsprechende Mittel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur paketorientierten Übertragung von Daten verfügen.To The invention described above can be achieved of the cited Advantages also create a transmitting unit or a receiving unit, the above appropriate means of implementation of the inventive method for packet-oriented transmission of data.
Besonders vorteilhaft lassen sich solche Sendeeinheiten und Empfangseinheiten in Kommunikationsendgeräten oder Kommunikationsnetzwerken einsetzen.Especially Advantageously, such transmission units and receiving units can be in communication terminals or communication networks.
Dabei werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn für ein Kommunikationsnetzwerk Übertragungskanäle mit möglichst geringer Round-Trip-Time vorgesehen sind.there The best results are achieved if for a communication network transmission channels with as possible low round-trip time are provided.
Ein entscheidender Vorteil ist, dass im Gegensatz zu herkömmlichen ARQ-Verfahren nur eine einzige Rückantwort (ACK) nötig ist und nicht mehrere. Außerdem kann diese Rückantwort über einen wenig komplexen Reverse Link bzw. Antwortkanal übertragen werden. Für den Antwortkanal ist somit nicht ebenfalls ein zusätzliches ARQ Verfahren notwendig.One decisive advantage is that, in contrast to conventional ARQ method only a single response (ACK) needed is and not several. Furthermore can this answer about a little bit complex reverse link or response channel are transmitted. For the answer channel Therefore, an additional ARQ procedure is not necessary.
Weitere Details und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand eines im folgenden dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit den Figuren. Dabei sind Elemente mit gleicher Funktionalität mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigt in Prinzipdarstellung:Further Details and advantages of the invention will become apparent from a in following illustrated advantageous embodiment and in conjunction with the figures. Here are elements with the same functionality with the the same reference numerals. It shows in schematic representation:
Das
Prinzip der Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels verdeutlicht
werden. Die Darstellung gemäß
Betrachtet werden soll beispielhaft eine Streaming Multimedia Applikation über einen mobilen Paketverlustkanal DK (d.h. wi reless IP-Szenario). Die QoS-Parameter des ,packet switched bearer Service' seien bekannt anhand der max. packet erasure/loss rate. Damit kann der benötigte Fehlerschutz für den ungünstigsten aller Fälle, d.h. einer Übertragung bei der max. packet erasure/loss rate, bestimmt werden. Somit kann immer eine fehlerfreie Decodierung DC erzielt werden.considered shall be an example of a streaming multimedia application on a mobile packet loss channel DK (i.e., the remote IP scenario). The QoS parameters of the 'packet switched bearer service' are known from the max. pack erasure / loss rate. Thus the required error protection for the most unfavorable all cases, i.e. a transmission at the max. packet erasure / loss rate. Thus, can always a faultless decoding DC can be achieved.
Zunächst sollen
die auf Seiten der Sendeeinheit S zu vollziehenden Maßnahmen
der Erfindung anhand der in
In vorliegendem Beispiel wird der Informationsblock bzw. das Datenpaket DP mit den Nutzdaten N in den Payload-Teil von m aufeinanderfolgenden Übertragungspaketen gleicher Länge, im folgenden als Datensegmente DS1 bis DSm bezeichnet, verteilt. Mit Payload bezeichnet man dabei allgemein das letztlich dem Nutzer zur Verfügung stehende und von ihm zu bezahlende Nutzdatenvolumen in Datenpaketen, die gebührenpflichtig übertragen werden.In The present example is the information block or the data packet DP with the payload N in the payload part of m consecutive transmission packets same length, hereinafter referred to as data segments DS1 to DSm distributed. Payload is generally referred to as the end user to disposal standing payloads to be paid by him in data packets, the paid become.
Die Länge des Payload-Teils sei als l Symbole (z.B. Bytes) gegeben. Im Payload-Teil der weiteren Datensegmente DSm + 1 bis DSn sind die Redundanz-Symbole R des fehlerkorrigierenden Codes, in diesem Falle beispielsweise eines Reed-Solomon (RS) Codes über Gabis Feld GF(2'\8), enthalten. Dabei soll die Codierung in der Weise erfolgen, dass der gesamte Übertragungsblock (n Datensegmente DS1 bis DSn mit Payload-Länge l) aus exakt l RS-Codewörtern CW1 bis CWl der Länge n Bytes besteht.The Length of the Payload part is given as l symbols (e.g., bytes). In the payload part of the further data segments DSm + 1 to DSn are the redundancy symbols R of the error-correcting code, in this case, for example a Reed-Solomon (RS) code over Gabi's field GF (2 '\ 8), contain. The coding should be done in such a way that the entire transmission block (n data segments DS1 to DSn with payload length l) from exactly l RS codewords CW1 to CWl of length n bytes.
Das
i-te Codewort CW im Übertragungsblock setzt
sich also von oben nach unten in
Der Grund für diese spezielle Art von Codierung ist folgender: geht ein Datensegment DS1 bis DSn des Übertragungsblocks verloren, so wird in allen l Codewörtern CW1 bis CWl jeweils nur ein einzelnes Symbol (hier: 1 Byte) an der gleichen (bekannten) Position gelöscht. Mittels bekannter ,Erasure-Decodier-Algorithmen' kann nun dieses Symbol in jedem Codewort CW1 bis CWl mittels der beigefügten Redundanz R wieder separat rekonstruiert werden, und damit letztendlich der Inhalt des gesamten Übertragungsblocks DS1 bis DSn bzw. DP. Aufgrund der speziellen Eigenschaft von RS-Codes, die bekanntlich ,maximum-distance-separable' sind, funktioniert diese Art von Rekonstruktion, solange die Anzahl der verlorenen Datensegmente kleiner oder gleich der Anzahl der Redundanzsegmente R bzw. DSm + 1 bis DSn (in diesem Fall also n-m) ist. Diese Erläuterung mag zum Verständnis der folgenden Abläufe genügen.The reason for this special type of coding is as follows: If a data segment DS1 to DSn of the transmission block is lost, then in all 1 code words CW1 to CW1 only one single symbol (here: 1 byte) is deleted at the same (known) position. Using well-known 'erasure decoding algorithms' can now use this symbol in each code word CW1 to CWl be reconstructed separately by means of the attached redundancy R, and thus ultimately the content of the entire transmission block DS1 to DSn or DP. Due to the special nature of RS codes, which are known to be 'maximum-distance-separable', this type of reconstruction works as long as the number of lost data segments is less than or equal to the number of redundancy segments R and DSm + 1 to DSn (in this Case so nm) is. This explanation may be sufficient to understand the following procedures.
Nach
der Anfügung
von Redundanz R durch die Codierung
Dabei
gehen entsprechend den statistischen Eigenschaften des Übertragungskanals
DK Pakete bzw. Datensegmente verloren. Da der Mobilfunkkanal zeitvariant
ist, gibt es zeitliche Abschnitte, in denen die Paketverlustrate
wesentlich geringer als die für
den ,worst case' ist.
Dann benötigt
die in
In
vorliegendem Beispiel mit der RS-Codierung
Im
folgenden wird davon ausgegangen, dass aufgrund eines Fehlerbursts
(z.B. in Folge eines Fading-Lochs auf dem Mobilfunkkanal) das zweite
und das dritte Datensegment DS2 und DS3 verloren gehen, alle anderen
Datensegmente hingegen fehlerfrei übertragen werden. Nach Erhalt
der ersten zwei Redundanzsegmente DSm + 1 und DSm + 2 liegen an
der Empfängereinheit
E die zur Decodierung
Nach
erfolgreicher Decodierung DC der Nutzdaten N eines Datenpakets DP
schickt nun die Empfängereinheit
E über
den Antwortkanal AK eine ACK-Nachricht an die Sendeeinheit S, die
aufgrund der Verzögerung
auf dem Kanal AK (ausgedrückt durch
die sog. Round-Trip-Time) an der Sendeinheit S beispielsweise erst
zu dem Zeitpunkt ankommt, an dem diese gerade das (n-x)-te Datensegment (mit
x < n-m) in der
Sequenz von Datensegmenten (d.h. das (n-x-m)-te Redundanzpaket)
senden will. Die Ü bertragung
Für den Fall,
dass n = 19 und m = 7 beträgt und
die Sendeeinheit S bei Eintreffen der Quittung ACK gerade das 12.
Datensegment überträgt (also das
5. Redundanzsegment), beträgt
die Ersparnis
Eine
Anpassung des Fehlerschutzes an den Übertragungskanal DK mit AK
ist somit relativ leicht auch während
der Übertragung
realisierbar (sog. adaptiver Fehlerschutz). Geht die ACK Nachricht
verloren, werden auch die nicht mehr benötigten x Redundanzsegmente
gesendet. Diese werden in diesem Fall, wenn sie die Empfängereinheit
E erreichen, dort verworfen. Dann wird zwar mehr Redundanz R als benötigt übertragen,
allerdings ist die Terminalkomplexität wesentlich geringer als bei
den bekannten hybriden ARQ Verfahren, weshalb sich Kostenvorteile
gegenüber
dem bekannten Stand der Technik ergeben. Da die ACK-Nachricht in
der Regel sehr klein ist (einige weinige Byte), kann auf Ebene des
Physical Layer (Schicht
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DE (1) | DE10101092B4 (en) |
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2001
- 2001-01-11 DE DE10101092A patent/DE10101092B4/en not_active Expired - Fee Related
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MARTIN, E.; HONARY, B.: New ARQ based on code combining applicable to HF channels. In: 8. Inter-national Conference on HF Radio Systems and Tech- niques, 10.-13. Juli 2000, IEE Conf.Publ.No 474, S. 285-287 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10101092A1 (en) | 2002-04-18 |
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