DE10118192A1

DE10118192A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Übertragung von digitalen Signalen

Info

Publication number: DE10118192A1
Application number: DE10118192A
Authority: DE
Inventors: Benoit Bossu; Tim Fingscheidt; Tobias Faerber; Bernhard Wimmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2002-10-24
Also published as: WO2002084929A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur digitalen Übertragung von Echtzeitanwendungen bei dem bzw. mittels der der empfangsseitige Qualitätsverlust aufgrund von Paketverlusten minimiert wird. Dazu werden einzelne Rahmen redundant übertragen. Um jedoch die Gesamtkapazität nicht zu belasten, wird für einzelne Rahmen die Bitrate heruntergesetzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine An ordnung zur Übertragung von digitalen Signalen, insbesondere zur Übertragung in Echtzeit mittels paketvermittelten Dien sten bei schwierigen Übertragungsbedingungen.

Heutzutage werden auch echtzeitsensitive Anwendungen, wie beispielsweise Sprach- oder Videoübertragungen, über paket vermittelte Dienste übertragen. In diesem Zusammenhang wurde der Begriff "VoIP" (Voice-over IP), d. h. bidirektionale Echtzeittelephonie, und "Streaming", d. h. unidirektionale Echtzeitübertragung über das Internet einem breiteren Publi kum ein Begriff. Ziel ist es hierbei, bestehende Netzinfra strukturen zu benutzen und ohne zusätzliche Kosten beispiels weise Telefongespräche zu ermöglichen. Bei der Sprachübertra gung im GSM-Netz (GSM: Global System for Mobile Communica tions) fallen die Daten in Untereinheiten, sogenannten Rahmen (Frames) an, welche im GSM-Netz eine Länge von 20 ms besit zen. Für Anwendungen in paketvermittelten Netzen muß eine Pa ketierung der rahmenweise anfallenden sprach-, bild- oder vi deocodierten Bits (Rahmenbits) in sogenannte Payload-Bits (Nutzlastbits) eines Paketes vorgenommen werden. Dabei können die Nutzlastbits eines Paketes identisch sein mit den Bits eines Rahmens, es besteht jedoch prinzipiell auch die Mög lichkeit, die Bits mehrerer Rahmen in ein Paket zu packen. Einige für paketvermittelte Dienste spezifische Probleme sind insbesondere für echtzeitsensitive Applikationen kritisch:

1. Toleranzen in der Zeitverzögerung

Das Internetprotokoll wurde ursprünglich zur Übertragung militärischer Kommandos und nicht zur Datenübertragung in Echtzeit konzipiert. Daher kann grundsätzlich nicht garantiert werden, daß alle Datenpa kete den Adressaten wirklich erreichen, geschweige denn, daß alle Datenpakete den Adressaten in der richtigen Reihenfolge erreichen. Dies ist insbesondere bei Sprachübertragung nicht tolerierbar.

2. Paketverluste

In paketvermittelten Netzen treten aufgrund verschiedener Ursachen Paketverluste auf. Im Fall von Paket verlusten wird bei nicht echtzeitsensitiven Applikationen das Paket erneut übertragen. Dies ist wegen der damit einherge henden Zeitverzögerung bei echtzeitsensitiven Applikationen nicht möglich. Der Informationsgehalt eines verlorengegange nen Paketes muß daher durch schon bekannte Signaldaten bei spielsweise aus vorhergehenden Paketen geschätzt werden. Ein solches Verfahren nennt man Fehlerverdeckung (Error Conceal ment). Zusätzlich oder alternativ wurde das Verlustproblem bisher dadurch gelöst, daß im Falle von schwierigen Übertra gungsbedingungen Rahmenbits redundant gesendet werden, d. h. beispielsweise, daß jeder Rahmen zweimal in unterschiedlichen Paketen gesendet wird. Im Falle des Verlustes eines Pakets, kann über das empfangsseitige Zwischenspeichern oder Buffe ring doch noch eine fehlerfreie Decodierung vorgenommen wer den.

3. Kapazität

Dieses mehrfache Senden von Daten führt zu ei nem erhöhten Verkehrsaufkommen im Netz und vergrößert daher die Wahrscheinlichkeit von Paketverlusten. Mittlerweile exi stieren diverse Sprach-, Bild- und Videocodierverfahren, die in Abhängigkeit von der erwünschten oder erforderlichen Qua lität und den Übertragungsbedingungen bei verschiedenen Bi traten betrieben werden können. Der AMR-Sprachcodec (AMR: Ad aptive Multi-Rate, Codec: Codierer-Decodierer), welcher als Standardcodec bei GSM eingeführt wurde, läßt sich bei den acht Bitraten (Modi) 4.75, 5.15, 5.9, 6.7, 7.4, 7.95, 10.2 und 12.2 kbps (Kilobit pro Sekunde) betreiben. Bei Bedarf wird rahmenweise, d. h. alle 20 ms, auf eine andere Bitrate umgeschaltet. Die Verwendung dieses Codecs eröffnet die Mög lichkeit, die Bitraten für einzelne Rahmen zu reduzieren und somit kürzere Pakete zu versenden. Bei bestimmten Rahmenbe dingungen führt dies wegen der geringeren Belastung des Net zes zu niedrigeren Paketverlusten.

Nachteilig wirkt sich jedoch hierbei aus, daß die Senkung der Bitrate in jedem Fall eine Absenkung der empfangsseitigen Si gnalqualität nach sich zieht.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß eine Optimierung eines der drei beschriebenen Parameter zu Verschlechterungen bei den anderen Parametern führt und daher in einer nicht zufrie denstellenden Übertragung resultiert.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die objektive techni sche Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur im Vergleich zum Stand der Technik robusten und aufwands günstigen Übertragung von digitalen Signalen anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche 1 und 8 gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Signal gesendet. Das Signal weist verschiedene Bitraten auf, die beispielsweise durch die Be triebsmodi des AMR-Codec's vorgegeben sind. Die Daten des Si gnals fallen wie oben beschrieben rahmenweise an und sind zum Zwecke der Übertragung in Paketen zusammengefaßt. Die Länge eines Rahmens ist bei einer Verwendung des AMR-Codec's im Wesentlichen durch dessen Betriebsmodus bestimmt. Bei dem er findungsgemäßen Verfahren läßt sich während der Übertragung mit der Anzahl der Rahmen in einem Paket auch die Länge von zumindest einem Rahmen in dem Paket über eine Änderung der Bitrate des ursprünglichen Signals ändern.

Die Paketgröße kann über zwei Parameter geändert werden, die Anzahl der Rahmen im Paket sowie die Größe der enthaltenen Rahmen. Aufwendige, eigens zu diesem Zweck erstellte Simula tionen haben ergeben, daß durch eine korrelierte Änderung dieser Parameter eine im Vergleich zum Stand der Technik ver besserte Übertragung realisiert wird.

Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, die Veränderung der Anzahl der Rahmen, welche sich in einem Paket befinden, mit tels einer Steuergröße vorzunehmen, durch welche angegeben wird, wie und ob eine Veränderung erfolgen soll. Beispiels weise geschieht die Umschaltung zwischen den verschiedenen Bitraten beim AMR-Codec aufgrund von extern vorgegebenen Mo de-Kommandos, welche auch als Steuergröße herangezogen werden können.

Vorteilhaft daran ist, daß die Menge der übertragenen Daten extern gesteuert werden kann. Besondere Vorteile weist dieses Verfahren auf, wenn die Steuergröße von der Empfangsqualität des Signals abhängt und somit die Qualität auf der Empfangs seite optimiert werden kann.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung werden die Bits des digitalen Signals bezüglich eines Qualitätsmaßes in wich tige Bits eines Rahmens und weniger wichtige Bits eines Rah mens unterteilt. In zumindest einem Rahmen pro Paket werden nur die wichtigen Bits übertragen, wodurch die Länge des Rah mens reduziert wird.

Dadurch besteht die Möglichkeit, beispielsweise mehr Rahmen innerhalb eines Paketes zu senden, ohne die Paketgröße zu verändern.

Das Qualitätsmaß kann beispielsweise die Qualität eines Sprachsignals, eines Audiosignals, eines Bildsignals oder ei nes Videosignals beschreiben.

In einer anderen Weiterbildung befinden sich in einem Paket zeitlich aufeinanderfolgende Rahmen. Dies kann die Verzöge rungszeit der Übertragung reduzieren.

In einer anderen Weiterbildung wird eine Anzahl N zeitlich aufeinanderfolgender Rahmen in einem Paket zusammengefaßt. Zugleich wird jeder dieser Rahmen N-mal gesendet oder N-mal empfangsseitig verarbeitet. In dieser Weiterbildung kann die Datenübertragung optimal an den im Netz herrschenden Daten verkehr angepaßt werden, indem die Bitrate in den Rahmen und redundantes Senden der Rahmen abhängig voneinander variiert wird.

In einer anderen Weiterbildung ändert sich die Bitrate, wel che zur Codierung des Signals S verwendet wird, in etwa umge kehrt proportional zur Anzahl der Rahmen, welche in einem Pa ket sind. Damit bleibt die Größe eines Pakets im wesentlichen gleich. Vorteilhaft daran ist, daß die Übertragung der Daten an die jeweiligen Qualitätserfordernisse angepaßt werden kann, ohne andere Benutzer durch eine Veränderung der Netz last zu beeinträchtigen, was die gesamte Dienstqualität (Qua lity of Service), für alle Benutzer gesehen, verbessert.

Die Erfindung wird nun anhand einiger Beispiele näher erläu tert, welche in den nachfolgenden Figuren dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Paketes für einen mög lichen Übertragungsmodus,

Fig. 2 und 3 Alternativen für eine Übertragung nach Modus 1,

Fig. 4 eine mögliche Lösung nach dem erfindungsgemäßen Ver fahren,

Fig. 5 die Ergebnisse von Simulationen.

Betrachtet wird nun ein digitales Signal, welches zumindest die Ausgangsbits eines Sprach-, Audio-, Bild- oder Videoco dierers umfaßt. Die folgenden Beispiele beleuchten Ausfüh rungsvarianten der Erfindung anhand von Sprachübertragung. Natürlich ist die Erfindung nicht auf Sprachübertragung be schränkt, sondern für den Fachmann anhand dieser Ausführungen auch auf ähnliche Problemstellungen übertragbar.

Es werde ein AMR-Sprachcodec verwendet, der gerade im Modus 12.2 kbps operiert und für die Übertragung werde ein Rahmen in einem Paket gesendet. Dieses Paket 1 ist in Fig. 1 zu se hen. Es besteht aus einem Paketkopf 2 (Header), der durch den schraffierten Bereich gekennzeichnet ist, und dem Nutzdatenvolumen 3, in welchem sich die Nutzlastbits oder Payload-Bits befinden. Im Nutzdatenvolumen 3 können sich nun die Bits ei nes oder mehrerer Rahmen befinden. Wie oben beschrieben wird im gezeigten Fall ein Rahmen in einem Paket. Im gezeigten Fall ist also das Nutzdatenvolumen 3 identisch mit dem Daten inhalt eines Rahmens. Die vom AMR-Codec herrührende Bitrate des Signals von 12.2 kbps ergibt bei einer Rahmenlänge von 20 ms 244 Bit pro Rahmen. Im gezeigten Fall beträgt also auch das Nutzdatenvolumen 3 dann 244 Bit. Die Bits des jeweiligen Paketkopfes und der Nutzdaten (für ein oder mehrere Rahmen pro Paket) können - anders als dargestellt - hier und im fol genden natürlich noch in beliebiger Weise miteinander ver schachtelt werden (Interleaving).

Während der Übertragung sollen nun zunehmend Paketverluste auftreten. In diesem Fall bieten sich verschiedene Lösungs möglichkeiten an: Wie in Fig. 2 gezeigt besteht die Möglich keit, im AMR-Sprachcodec auf eine niedrigere Bitrate, bei spielsweise 5.9 kbps umzuschalten. In diesem Falle beträgt das reduzierte Nutzdatenvolumen 4 nur 118 Bits. Der Vorteil dieser Lösung ist, daß aufgrund der niedrigeren Bitrate unter Umständen die Paketverlustrate leicht sinkt, da die Kollisi onswahrscheinlichkeit der Pakete untereinander herabgesetzt wird. Dem steht eine schlechtere Grundqualität aufgrund der niedrigeren Bitrate entgegen, so daß in der praktischen An wendung diese Lösung gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Über tragungsweise keine ausgeprägten Vorteile bietet.

Fig. 3 zeigt eine alternative Lösung, bei der die Bitrate nicht reduziert wird, sondern jeder Rahmen mehrmals gesendet wird: In Fig. 3 ist ein erstes Paket 5 und ein zweites Paket 6 gezeigt. In jedem dieser Pakete 5 und 6 werden zwei Rahmen gesendet, ein erster Rahmen 7 und ein zweiter Rahmen 8. Die Rahmenlänge jedes Rahmens ist identisch oder annähernd gleich zu derjenigen, die in Fig. 1 gezeigt ist. Der Unterschied besteht nun darin, daß jeder Rahmen redundant gesendet wird, also in diesem Fall in zwei Paketen und mehrere Rahmen zu einem Paket zusammengefaßt werden. Somit erreicht im Fall des Verlustes des ersten Paketes 5 trotzdem jeder Rahmen mittels des zweiten Paketes 6 die Empfangsseite. Auf diese Weise kön nen Datenverluste kompensiert werden, jedoch geht dies zu La sten der Kapazität des Netzes, welches die paketvermittelte Übertragung realisiert: Damit kann zwar die durch die doppel te Bitrate eventuell leicht höhere Paketverlustrate in der eigenen Verbindung kompensiert werden, die Übertragung ande rer Teilnehmer wird jedoch signifikant schlechter, da deren Paketverlustrate ebenfalls steigt und nicht durch redundante Datenübertragung kompensiert wird.

Daher ist diese Lösung ein nachteiliges Verfahren, um allen Benutzern gute Übertragungsqualitäten zu bieten. Zudem treten aufgrund der größeren Pakete auch je nach Konzeption des Net zes höhere Verzögerungszeiten hinzu.

In den Fig. 4a und 4b sind nun beispielhafte Ausführungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt. Diese Lösungen machen sich die Bitratenskalierbarkeit von Multiratencodier verfahren zu nutze. Damit ist eine redundante Übertragung der einzelnen Rahmen möglich, ohne daß das Nutzdatenvolumen si gnifikant verändert werden muß. In Fig. 4a sind drei Pakete 5, 6 und 11 gezeigt. In jedem der Pakete werden zwei Rahmen übertragen. Im Unterschied zu Fig. 3 ist dabei jedoch das Nutzdatenvolumen im Vergleich zu Fig. 1 nicht wesentlich er höht. In der in Fig. 4a gezeigten Ausführung werden die Rah men fortlaufend gesendet: Im ersten Paket 5 ein erster und ein zweiter Rahmen 7 und, im zweiten Paket 6 dann ein zweiter und ein dritter Rahmen 8 und 9 usw. In Fig. 4b werden zwei zeitlich aufeinanderfolgende Rahmen 7 und 8 auf zwei Pakete verteilt. In den Fig. 4a und 4b arbeitet der AMR- Sprachcodec mit einer Bitrate von 5.9 kbps. Damit beträgt die Rahmenlänge 118 Bit mit zwei Rahmen pro Paket ergibt sich so mit das Nutzdatenvolumen 3 zu 236 Bit, also in etwa das glei che Netzdatenvolumen wie in Fig. 1 gezeigt.

In Fig. 5 sind die Ergebnisse einer Simulation von verschie denen, in den Fig. 1, 4a und 4b dargestellten, Übertra gungsmodi gezeigt. Hierbei ist auf der y-Achse die Qualität des Sprachsignals aufgetragen gegen die Paketverlustrate. Die Qualität des Sprachsignals wird mittels des Mean Opinion Sco res (MOS) auf einer Skala von 1 bis 5 klassifiziert. Dabei bedeutet ein MOS von 5 eine ausgezeichnete Sprachqualität, ein MOS von 1 hingegen inakzeptable Sprachqualität. Simuliert wurde die Übertragung selbst, die Qualitätseinstufung des übertragenen Signals wurde von Testpersonen vorgenommen. Die Kurve 1 entspricht dem in Fig. 1 gezeigten Übertragungsmodus mit einer Bitrate von 12.2 kbps und einen Rahmen pro Paket. Die Kurven 4a und 4b zeigen die Lösungen, wie sie in den Fig. 4a und 4b detailliert geschildert werden.

Die Zahl der Nutzlastbits ist in allen drei Simulationen in etwa gleich, d. h. daß kein anderer Netzteilnehmer aufgrund dieses Verfahrens Nachteile bezüglich der Netzkapazität hin nehmen muß. In allen drei Fällen wurden verlorene Rahmenbits mit den bekannten Standard-Fehlerverdeckungsverfahren des AMR-Decoders behandelt.

Bei geringen Paketverlustdaten von 1% liefert das Standard verfahren gemäß Fig. 1 den besten MOS-Wert. Die Qualität der Übertragung sinkt jedoch mit zunehmender Paketverlustrate drastisch, während bei den hier vorgeschlagenen Verfahren 4a und 4b der Qualitätsverlust geringer ausfällt. Die vorge schlagenen Verfahren ermöglichen also unter aufgrund von Pa ketverlusten schwierigeren Übertragungsbedingungen eine we sentlich robustere, d. h. weniger fehleranfällige und damit qualitativ hochwertige, Übertragung.

Neben den oben erläuterten Beispielen liegt eine Vielzahl weiterer Ausführungsvarianten im Rahmen der Erfindung, welche hier nicht weiter beschrieben werden. Sie lassen sich aber anhand der erläuterten Ausführungsbeispiele von einem Fach mann einfach in die Praxis umsetzen.

Bezugszeichenliste

1

Paket

2

Paketkopf

3

Nutzdatenvolumen

4

reduziertes Nutzdatenvolumen

5

erstes Paket

6

zweites Paket

7

erster Rahmen

8

zweiter Rahmen

9

dritter Rahmen

10

vierter Rahmen

11

drittes Paket

Claims

1. Verfahren zur Übertragung eines digitalen Signals
bei dem das digitale Signal verschiedene vorgegebene Bi traten aufweist,
bei dem Bits des digitalen Signals zu Rahmen (7, 8, 9, 10) zusammengefaßt sind, deren Länge durch die Bitrate des di gitalen Signals bestimmt ist, und
bei dem zumindest ein Rahmen (7, 8, 9, 10) innerhalb eines Paketes (5, 6, 11) übertragen wird,
bei dem die Anzahl der Rahmen (7, 8, 9, 10) in einem Paket (5, 6, 11) verändert wird
und bei dem die Anzahl der Rahmen (7, 8, 9, 10) in zumin dest einem Paket (5, 6, 11) in Abhängigkeit von der Länge zumindest eines Rahmens (7, 8, 9, 10) des Pakets (5, 6, 11) geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Veränderung der An zahl der Rahmen (7, 8, 9, 10) in einem Paket (5, 6, 11) mittels einer Steuergröße erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Steuergröße durch die Empfangsqualität des digitalen Signals bestimmt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bits des digitalen Signals bezüglich eines Qualitätsmaßes in wichtige Bits innerhalb eines Rahmens (7, 8, 9, 10) und weniger wichtige Bits eines Rahmens un terteilt werden, und bei dem in zumindest einem Rahmen pro Paket nur die wichtigen Bits übertragen werden, wobei die Länge von zumindest einem Rahmen (7, 8, 9, 10) in zumindest einem Paket (5, 6, 11) in Abhängigkeit vom Verhältnis der Anzahl der wichtigen Bits zur Anzahl der Bits im digitalen Signal geändert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Paket (5, 6, 11) zeitlich aufeinanderfolgen de Rahmen (7, 8, 9, 10) enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 1-4, bei dem N zeitlich aufein anderfolgende Rahmen (7, 8, 9, 10) in einem Paket (5, 6, 11) zusammengefaßt werden und jeder dieser Rahmen (7, 8, 9, 10) in N Paketen (5, 6, 11) gesendet wird oder/und empfangsseitig verarbeitet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verändern der Bitrate des digitalen Signals derart er folgt, daß die Größe des Pakets (5, 6, 11) mit der verän derten Anzahl von Rahmen (7, 8, 9, 10) im Wesentlichen gleich ist.

8. Umsetzeinrichtung zum Umsetzen von digitalen Signalen,
mit einer Empfangseinrichtung zum Empfangen eines digita len Signals, das in Rahmen (7, 8, 9, 10) untergliedert ist, wobei die Rahmen (7, 8, 8, 10) verschiedene vorgege bene Bitraten aufweisen und die Länge des Rahmens (7, 8, 9, 10) durch die Bitrate bestimmt ist,
und mit einer Prozessoreinheit, die derart ausgestaltet ist, daß
Rahmen (7, 8, 9, 10) zu Paketen (5, 6, 11) zusammen gefaßt werden
zumindest ein Rahmen (7, 8, 9, 10) innerhalb eines Pakets (5, 6, 11) übertragen wird
und die Anzahl der Rahmen (7, 8, 9, 10) in einem Pa ket (5, 6, 11) und die Länge von zumindest einem Rah men (7, 8, 9, 10) in Abhängigkeit voneinander geän dert werden.