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Die
Erfindung betrifft eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Übertragung
digitaler Daten in einem hybriden Datenübertragungsnetzwerk mit einem
Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk,
das zur Übertragung
von Daten gleichzeitig an eine Vielzahl von Empfängern eingerichtet ist, und
mit einem Punkt-zu-Punkt-Netzwerk, das zur adressierten Einzelübertragung
von Daten an einzeln ansprechbare Empfänger eingerichtet ist, wobei die
Anfragen nach zur Übertragung
wahlweise über
das Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk
oder das Punkt-zu-Punkt-Netzwerk vorgesehenen Daten in einer Sammelwarteschlange
gesammelt werden und die Steuerungseinrichtung zur Optimierung der
Lastverteilung und lastverteilungsoptimierten Weiterleitung der Daten über das
Punkt-zu-Punkt-Netzwerk oder das Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk eingerichtet
ist.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung digitaler
Daten in einem hybriden Datenübertragungsnetzwerk
mit einem Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk, das zur Übertragung von Daten gleichzeitig
an eine Vielzahl von Empfängern
eingerichtet ist, und mit einem Punkt-zu-Punkt-Netzwerk, das zur
adressierten Einzelübertragung
von Daten an einzeln ansprechbare Empfänger eingerichtet ist, mit
den Schritten:
- – Sammeln der Anfragen nach
zur Übertragung
wahlweise über
das zur Punkt-zu-Multipunkt- oder das Punkt-zu-Punkt-Netzwerk vorgesehenen
Daten in einer Sammelwarteschlange, und
- – lastverteilungsoptimiertes
Weiterleiten der angeforderten Daten über das Punkt-zu-Multipunkt-
oder Punkt-zu-Punkt-Netzwerk.
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Mit
dem Rundfunkmedium DVB-H (Digital Video Broadcasting-Handhelds)
und IP Datacast steht ein neues leistungsfähiges Kommunikationssystem
zur Verfügung,
das für
die Datenübertragung
zu kleinen batteriebetriebenen Endgeräten entwickelt wurde. Hierfür spezifiziert
DVB-H die physikalische Schicht und IP Datacast die oberen Protokollschichten,
die DVB-H zu einem vollständigen
Ende-zu-Ende-System erweitern. Zusätzlich besitzt IP Datacast
auch die Option, einen Mobilfunkkanal mit einzubeziehen. Für den Fall,
das DVB-H und ein Mobilfunksystem zur Datenübertragung genutzt werden,
muss der Datenverkehr in einer geeigneten Weise über die verfügbaren Netze
verteilt werden.
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Herkömmliche
Verfahren zur Optimierung der Nutzung von Rundfunkmedien in hybriden
Systemen gehen davon aus, dass neben einem breitbandigen unidirektionalen
Rundfunkmedium mit einer hohen verfügbaren Datenrate eine schmalbandige
Uplink-Verbindung mit einer niedrigen verfügbaren Datenrate existiert. Des
weiteren wird von einer sehr hohen Ankunftsrate von Anfragen ausgegangen.
Beispielsweise treffen diese Annahmen für Satellitensysteme zu, die
einen Uplink-Kanal bereitstellen. Solche Satellitensysteme decken sehr
große
Gebiete, z.B. Kontinente ab und müssen somit eine potenziell
sehr große
Anzahl von Kunden bedienen. Unter diesen Voraussetzungen versuchen
die bisherigen Verfahren eine optimale Ausnutzung des Rundfunkmediums
zu erreichen und die sehr unpopulären Daten über den bidirektionalen Kanal
zu übertragen.
Ein wesentliches Problem ist dabei die richtige Einschätzung des
Datenverkehrs, wobei nur eine kleine Teilmenge der eintreffenden
Anforderungen ausgewertet werden darf. Dadurch wird verhindert,
dass der Server, der die Steuerung des Datenverkehrs übernimmt,
aufgrund der sehr hohen Ankunftsrate von Anforderungen nach populären Daten überlastet
wird. Dabei muss die Stichprobe der auszuwertenden Anfragen derart gewählt werden,
dass die Anzahl der berücksichtig ten
Anfragen möglichst
klein ist und der angeforderte Datenverkehr möglichst gut beschrieben werden
kann.
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Bei
den hybriden Rundfunk-/Mobilfunknetzen werden durch das Medium DVB-H
sehr viel kleinere Gebiete (z.B. Teile einer Stadt) abgedeckt. Somit
liegen sehr viel niedrigere Ankunftsraten von Anfragen vor. Des Weiteren
ist der durch moderne Mobilfunknetze, wie z.B. durch UMTS (Universal
Mobile Telecommunications System), bereitgestellte bidirektionale
Kanal sehr leistungsfähig
und kann sehr hohe Datenraten sowohl im Uplink, als auch im Downlink
zur Verfügung
stellen. Jedoch wird der bidirektionale Kanal, der durch die Mobilfunknetze
bereitgestellt wird, auch zum Übertragen
der Daten von individuellen Diensten, wie z.B. Telefonie- oder Web-Browsing verwendet.
Der aus der Nutzung dieser Dienste resultierende Datenverkehr ändert sich über die
Zeit sehr schnell und somit variiert die Auslastung der Mobilfunknetze
sehr stark. Entsprechend verändert
sich auch die zur Verfügung
stehende Datenrate zur Übertragung
der unpopulären
Dateien. Durch diese veränderten
Randbedingungen ergeben sich andere Anforderungen an den Aufbau
eines Lastverteilungsverfahrens, die berücksichtigt werden müssen. Aufgrund
der niedrigen Anfragenrate ist es möglich, den gesamten Datenverkehr
zu messen und somit den Datenverkehr sehr viel besser einzuschätzen.
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US 2006/0135 091 offenbart
ein hybrides Netzwerk, bei dem Prioritätsinformationen für ein Funkübertragungsgerät generiert
und weitergeleitet werden. Beim Empfang einer Nachricht, die in
einem primären
Gebiet übertragen
wurde und mindestens die Bestimmung eines sekundären Gebiets enthält, das
das primäre Gebiet
einschließt,
wird überprüft, ob das
Funkkommunikationsgerät
in dem sekundären
Gebiet ist, um einen Prioritätsruf
zu veranlassen.
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US 2005/0043 020 A1 offenbart
ein hybrides Kommunikationssystem, bei dem ein mobiles Terminal Serviceinformationen über eine
Rundfunkübertragung
in einem Rundfunkübertragungsnetzwerk über ein
Mobilfunknetzwerk empfängt,
um hierdurch den Energieverbrauch des mobilen Terminals zu verringern.
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In
C. Heuck: Analysis of the performance of hybrid (broadcast/mobile)
networks, in: IEEE International Symposium an Consumer Electronics
2004, Reading Proceedings S. 503-508, 01.-03. September 2004 ist
ein Verfahren zur lastverteilungsoptimierten Übertragung von Daten in einem
hybriden Netzwerk bestehend aus einem DVB-T/H-Rundfunknetz und einem Mobilfunktelefonnetz
beschrieben. Die entweder über
das Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk DVB-T/H oder das interaktive Punkt-zu-Punkt-Netzwerk zu übertragenden
populären
Daten werden in eine Sammelwarteschlange eingeschleust und in Abhängigkeit
von einer Lastverteilung auf die beiden Netzwerke verteilt. Die
Lastverteilung entfernt Verkehrslast von dem interaktiven Kanal durch Übertragen
geeigneter Daten über
den Rundfunkkanal. Für
die Lastverteilung wird die maximale akzeptierbare Übertragungszeit
eines Karussellzyklus in der Sammelwarteschlange ausgewertet.
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In
C. Heuck, P. Unger: Einflussfaktoren bei der Planung hybrider DVB-H/UMTS-Netze in: Dortmunder Fernsehseminar,
Dortmund, ITG Fachbericht Tagungsband S. 127-132. 26.-28. September
2005 ist das Verfahren zur Lastverteilung in einem hybriden Netz
weitergehend untersucht worden. Die nach einer Vorentscheidung im
Hinblick auf die Applikation, zu der die angeforderten Daten gehören und
einer Schätzung
der Übertragungszeit
der angeforderten Daten werden die populären Daten in einer Warteschlange
gesammelt. Die Popularitätsverteilung
der angefragten Daten sowie die Wartezeit zur Sammlung populärer Anfragen
hat einen erheblichen Einfluss auf die Antwortzeit eines hybriden
Netzes.
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WO 03/094550 A1 beschreibt
ein Funkkommunikationssystem mit Punkt-zu-Multi-Punkt–Verbindungen, wobei eine Übertragungssteuerung,
die zur Nachrichtenübertragung
erforderliche Datenlatenzzeit und den Durchsatz sowie physikalische
Ausbreitungsbedingungen berücksichtigt.
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GB 2 394 862 A offenbart
ein hybrides Datennetzwerk mit einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Übertragung
digitaler Daten in einem hybriden Datennetzwerk. Ein Agent sucht
relevante Dateninhalte im Internet und bestimmt anhand nutzerspezifisch
vorgegebener Präferenzen
hinsichtlich der Zeit und Lieferung von Daten ein für die Auslieferung
der Dateninhalte an das Terminal eines Nutzers geeignetes Netzwerk.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Übertragung digitaler Daten
in einem hybriden Datenübertragungsnetzwerks
sowie ein verbessertes Verfahren zu schaffen, um die Verteilung
der angeforderten Daten dynamisch so zu adaptieren, dass Überlastungen
im Punkt-zu-Punkt-Netzwerk vermieden und gleichzeitig das Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk
sehr effizient genutzt wird.
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Die
Aufgabe wird mit der Steuerungseinrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst,
dass die Steuerungseinrichtung zur Ermittlung einer optimalen Wartezeit
auf Basis einer Anfrageratenmessung in Abhängigkeit der über einen
Beobachtungszeitraum bei einer Daten bereitstellenden Datenbereitstellungseinrichtung
ankommenden Anfragen nach Daten durch Empfänger sowie der im Punkt-zu-Punkt-Netzwerk
verfügbaren
Datenrate derart, dass für
das hybride Datenübertragungsnetzwerk
eine minimale Antwortzeit und die notwendige Bedienrate zur Beantwortung
der eintreffenden Anfragen erreicht werden kann und zur Verteilung
der Datenlast auf das Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk und Punkt-zu-Punkt-Netzwerk
in Abhängigkeit
von der Ermittlung der optimalen Wartezeit und der verfügbaren Datenraten
im Punkt-zu-Punkt-Netzwerk und Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk eingerichtet ist.
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Durch
die Steuerungseinrichtung wird erreicht, dass eine schnelle Reaktion
auf ein verändertes
Anfrageverhalten der Nutzer und eine Änderung der verfügbaren Datenrate
im Punkt-zu-Punkt-Netzwerk erfolgen kann. Hierdurch wird eine optimale
Ausnutzung beider Netzwerke erreicht. Der Datendurchsatz im Gesamtsystem
kann damit wesentlich erhöht
werden und die Antwortzeiten können
reduziert werden.
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Die
an sich bekannte Lastverteilung wird dadurch verbessert, dass die
Lastverteilung auf Basis der in der Sammelwarteschlange enthaltenen
Anfragen und der optimalen Wartezeit sowie der verfügbaren Datenraten
im Punkt-zu-Punkt-Netzwerk und Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk erfolgt. Die
optimale Wartezeit der Sammelwarteschlange wird erfindungsgemäß auf Basis
einer Anfragenratenmessung und der verfügbaren Datenrate im Punkt-zu-Punkt-Netzwerk
sowie die festgelegte oder ggf. gemessene Datenrate im Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk
geschätzt.
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Die
Daten sind vorzugsweise Dateien, können aber auch Datenpakete
eines paketweise übertragenen Datenstroms
o.ä. sein.
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Die
Steuerungseinrichtung ist vorzugsweise zur Messung der Menge von
Anfragen nach Daten eingerichtet, die bei der Datenbereitstellungseinrichtung
ankommt. Das Messergebnis kann zur Bestimmung der Popularität der angefragten
Daten und zur Ermittlung der optimalen Wartezeit genutzt werden.
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Die
Schätzung
der Übertragungszeit
populärer
Daten zum Empfänger
kann beispielsweise aus einer ermittelten verfügbaren Datenrate im Punkt-zu-Punkt-Netzwerk erfolgen.
Die Datenrate im Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk kann als festgelegter
Wert einer fixen Datenrate für
den genutzten Downlinkkanal des Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerkes angenommen
werden. Es kann aber auch bei variabler Datenrate die aktuell verfügbare Datenrate
gemessen werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Anzahl der in der Warteschlange aktuell
befindlichen Anfragen genutzt wird, um die bei der Datenbereitstellungseinrichtung
ankommenden Anfragen zu bestimmen. Damit kann die in der Sammelwarteschlange
ohnehin verfügbare
Information unmittelbar zur Ermittlung einer optimalen Wartezeit
genutzt werden.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn in an sich bekannter Weise vor dem Einleiten
der Anfragen nach Daten in die Sammelwarteschlange eine Überprüfung des
Typs der angeforderten Daten erfolgt. Die Steuerungseinrichtung
ist dann zum wahlweisen Leiten der Anfragen nach Daten entweder
in die Sammelwarteschlange oder zur Vermittlung der Übertragung
der angeforderten Daten über
eines der beiden Netzwerke in Abhängigkeit von dem Typ der Daten
eingerichtet. Die Vorentscheidung ist vorteilhaft, um zur Rundfunkübertragung
ungeeignete Daten direkt in das Mobilfunknetz weiterzuleiten. Das
Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk kann beispielsweise DVB-T/H-Netzwerk
sein. Das Punkt-zu-Punkt-Netzwerk ist vorzugsweise ein Mobiltelefonnetzwerk,
wie beispielsweise ein UMTS-Netz.
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Die
Aufgabe wird weiterhin durch das in Anspruch 9 beschriebene Verfahren
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Die
Erfindung wird anhand der beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 – Blockdiagramm
eines hybriden Datenübertragungsnetzwerkes;
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2 – Skizze
einer idealisierten Netzstruktur eines hybriden Datenübertragungsnetzwerkes;
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3 – Blockdiagramm
einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung
zur Steuerung digitaler Daten in einem hybriden Datenübertragungsnetzwerk.
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1 lässt ein
Blockdiagramm eines hybriden Datenübertragungsnetzwerkes erkennen,
das ein Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk in Form eines DVB-H-Rundfunknetzes und
ein Punkt-zu-Punkt-Netzwerk in Form eines UMTS-Mobiltelfonnetzes aufweist. Von mindestens
einer Datenerzeugungseinrichtung 1 werden Daten unterschiedlichster
Art erzeugt und an eine Datenbereitstellungseinrichtung 2 weitergeleitet,
die eine Dienste-Plattform darstellt, die unterschiedliche Dienste
des so genannten IP-Datacast-Systems für den Kunden bereitstellt.
Die Daten werden wahlweise über
das Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk 3a (Rundfunknetz) oder das
Punkt-zu-Punkt-Netzwerk 3b (Mobilfunknetz) an die Empfänger 4,
d.h. die Kundenendgeräte
durch Funkübertragung
weitergeleitet. Die Anforderungen nach Daten durch die Nutzer hingegen
können
nur über
den Punkt-zu-Punkt-Kanal übermittelt
werden, da der Rundfunkkanal (Punkt-zu-Multipunkt) keinen Rückkanal
zur Verfügung
stellt. Zur Sicherstellung der Steuerung und der Signalisierung
innerhalb des IP-Datacast-Systems ist ein logisches Teilsystem notwendig.
Diese Aufgabe wird von dem so genannten Dienste-Management 5 und den
jeweiligen Schnittstellen sowie den entsprechenden Kommunikationspartnern übernommen.
Die wichtigsten Dienste des Dienste-Managements 5 sind
die Verwaltung und die Optimierung der verfügbaren Übertragungskapazitäten und
die Steuerung der Rechte für
den Zugriff auf der in der Datenbereitsstellungseinrichtung 2 (Dienste-Plattform)
befindlichen Dateninhalte. Des Weiteren stellt das Dienst-Management 5 eine
Signalisierungs schnittstelle zur Verfügung, die es dem Nutzer ermöglicht,
auf die unterschiedlichen in der Dienste-Plattform 2 enthaltenen
Inhalte zuzugreifen.
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2 lässt eine
Skizze einer idealisierten Netzstruktur eines hybriden Datenübertragungsnetzwerkes mit
einem Punkt-zu-Punkt-Netzwerk PP und einem Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk
PM erkennen. Es wird deutlich, dass die Netzwerke PP, PM zellular
aufgebaut sind, wobei die Versorgungsgebiete einer Zelle eines Punkt-zu-Punkt-Netzwerkes
PP, beispielsweise einer UMTS-Zelle, wesentlich kleiner als das
Versorgungsgebiet einer Zelle des Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerks
PM, beispielweise einer DVB-H-Zelle, ist.
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Das
Mobilfunknetz (Punkt-zu-Punkt-Netzwerk) stellt jedem Nutzer eine
bidirektionale Punkt-zu-Punkt-Verbindung zur Verfügung. Die
verfügbare Übertragungskapazität wird unter
allen in einer Mobilfunk-Zelle befindlichen aktiven Kunden aufgeteilt.
Für den
Fall, dass viele Kunden gleichzeitig aktiv sind, sinkt die für einen
einzelnen Nutzer verfügbare
Datenrate, auch wenn alle Nutzer dieselben Dateninhalte anfordern.
Somit steigt auch die Antwortzeit. Die Abfertigungsrate der Mobilfunknetz-Zelle
bleibt hingegen konstant. Im Gegensatz dazu kann mit einem Rundfunknetzwerk
eine unidirektionale Punkt-zu-Multipunkt-Verbindung mit einer hohen
verfügbaren
Datenrate realisiert werden. Bei einmaligem Aussenden von Dateninhalten können sehr
viele Nutzer erreicht werden, die diese Daten konsumieren möchten. Die
Anzahl der Nutzer beeinflusst nicht die verfügbare Datenrate für den betrachteten
Dienst und somit auch nicht die aus Sicht des individuellen Nutzers
gemessene Antwortzeit des Systems. Hingegen variiert die Abfertigungsrate
des Rundfunksystems maßgeblich
mit der Anzahl der Anfragen, die den ausgesendeten Dateninhalt zuvor
angefordert haben, da alle Anfragen mit der Aussendung der Daten
gleichzeitig bedient werden können.
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3 lässt ein
Blockdiagramm einer Steuerungseinrichtung 6 zur Steuerung
der Übertragung
digitaler Daten aus der Datenbereitstellungseinrichtung 2 in
einem hybriden Datenübertragungsnetzwerk
erkennen. Unter Daten werden in dem Ausführungsbeispiel Dateien verstanden,
die von den Empfängern 4 aus
einem Speicher der Datenbereitsstellungseinrichtung 2 heruntergeladen
werden können.
Es ist aber auch denkbar, dass die Daten Datenpakete von paketweise übertragenen
Datenströmen
o.ä. sind.
Die Steuerungseinrichtung befindet sich im Dienste-Management 5.
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Die
ankommenden Anfragen nach Daten mit der Ankunftsrate λ treffen
bei der Datenbereitstellungseinheit 2 ein. Die Anfragen
werden in eine Vorauswahleinheit 7 geleitet. Dort wird
zunächst
eine Vorentscheidung im Hinblick auf die Applikation getroffen,
zu der die angeforderten Dateninhalte gehören. So wird der Datenverkehr
von interaktiven Applikationen, die ungeeignet für eine Übertragung über das Rundfunknetz DVB-H sind,
wie z. B. individuelle Dienste, wie E-Mail oder Telefonie, sofort
an das Mobilfunknetz (Punkt-zu-Punkt-Netzwerk) weitergeleitet. Daten
von Streaming-Applikationen
werden von der Lastverteilung ausgenommen und sofort an ein festgelegtes Übertragungsmedium
weitergeleitet. Ein Beispiel dafür
ist mobiles Fernsehen, dessen Datenstrom stets über das Rundfunknetzwerk DVB-H übermittelt
wird. Bei geeigneten Applikationen, wie z.B. dem Download von Musik
oder Video-Dateien wird nach der Überprüfung des Applikationstyps die Übertragungszeit
der angeforderten Daten geschätzt.
Dazu werden in einem Modul 8 die erwarteten Übertragungszeiten
auf den verfügbaren
Netzen (Mobilfunknetz und DVB-H) ermittelt. Bei dem Mobilfunknetz
wird die erwartete Übertragungsdauer
durch die Messung der verfügbaren
Datenrate in der entsprechenden Mobilfunkzelle ermittelt. Hingegen
ergibt sich die geschätzte Übertragungszeit
für eine
Nutzung des Punkt-zu-Multipunkt-Netzes
DVB-H aus der Zeit, die die Anfragen nach einem Dateninhalt bis
zur Entscheidung in einer Sammelwarteschlange 9 verbringt
und der geschätzten Übermittlungsdauer
dieses Dateninhalts über
das Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk DVB-H. Die geschätzte Übermittlungsdauer
in dem Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk PM ergibt sich aufgrund einer
festgelegten Datenrate für
die Übertragung
von dateibasierten Diensten. Optional kann auch in dem Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk
DVB-H eine Messung der Datenrate vorgesehen sein, die zur Steuerung
der Lastverteilung genutzt wird.
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Wird
nun erwartet, dass die Übertragung
bei Verwendung des Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerkes DVB-H schneller ist, als
bei der Nutzung des Punkt-zu-Punkt-Netzwerkes (Mobilfunknetz), so wird
die betrachtete Anfrage in die Sammelwarteschlange 9 weitergeleitet.
Andernfalls werden kleine angefragte Datenpakete sofort dem Punkt-zu-Punkt-Netzwerk
zugeordnet. Für
solche Pakete wäre
die zusätzliche
Wartezeit der zugehörigen
Anfragen in der Sammelwarteschlange 9 nicht sinnvoll, da
sie in sehr kurzer Zeit über
das Punkt-zu-Punkt-Netzwerk übertragen
werden können.
Zum anderen wird unter Berücksichtigung
der Netzstruktur des Punkt-zu-Punkt-Netzwerkes der entsprechende Schwellenwert
für die
Paketgröße laufend
an die aktuelle Lastsituation angepasst. So sind bei stark belasteten
Mobilfunkzellen die verfügbaren
Datenraten für die
angeforderten Dateien geringer. In diesem Fall werden auch die Anfragen
nach kleinen Dateien in die Sammelwarteschlange 9 weitergeleitet
und überlastete
Mobilfunknetz-Zellen können
geschont werden. Nach einer gewissen Wartezeit W werden dann mit
Hilfe einer Einheit 10 zur optimierten Lastverteilung die
am besten geeignete Dateninhalte innerhalb der nachfolgenden Wartezeit über das
Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk DVB-H übertragen. Aufgrund der Sammlung
der Anfragen nach Daten über
einen gewissen Zeitraum hinweg kann erkannt werden, welche Daten
häufig
und welche nur selten angefordert werden. Somit kann nun eine Trennung von
populären
und unpopulären
Daten erfolgen. Die Einstellung der Wartezeit W hat eine erhebliche
Rückwirkung
auf die Leistungsfähigkeit
des hybriden Datenübertragungsnetzwerkes.
Bei einem hohen Wert der Wartezeit W können viele Anfragen gesammelt
werden. Dadurch erhöht
sich die Anzahl der bedienten Nutzer bei der Aussendung der Daten,
auf die sich die gesammelten Anfragen beziehen, über das Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk
DVB-H. Mit einer größeren Wartezeit
W erhöht
sich aber auch die Zeit, bis die angeforderten Daten beim Nutzer
angekommen sind, da diese sich aus der Wartezeit der Anfragen und
der Ausspielzeit der Daten zusammensetzt. Dagegen sinkt für einen
kleineren Wert der Wartezeit W die Anzahl der bedienten Nutzer bei
der Aussendung der angeforderten Daten über das Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk
DVB-H. Jedoch ergibt sich gleichzeitig eine kurze Antwortzeit für die Übertragung
der angeforderten Daten.
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Durch
eine Einheit
11 zur lastadaptiven Regelung wird daher eine
optimale Wartezeit W
opt auf Basis einer über einen
längeren
Zeitraum erstellten Anfragemessung
12 derart berechnet,
dass für
das hybride Datenübertragungsnetzwerk
eine minimale Antwortzeit und die notwendige Bedienrate zur Beantwortung
der eintreffenden Anfragen erreicht werden kann. Die optimierte
Lastverteilung verteilt die angeforderten Dateien derart, dass die
für eine
Punkt-zu-Multipunkt-Übertragung
DVB-H vorgese henen Dateien möglichst
in der durch die lastadaptive Regelung vorgegebenen optimalen Wartezeit
W
opt gesendet werden können. Dabei können Abweichungen
für die
nächste
Sammelwartezeit W zu der optimalen Wartezeit W
opt entstehen,
da beispielsweise die Ausspieldauer der Dateien, die durch in der
Sammelwarteschlange gespeicherte Anfragen angefordert werden, nicht
derart kombiniert werden kann, dass die optimale Wartezeit erreicht
wird. Entsprechend dem Resultat aus der optimierten Lastverteilung
werden die angeforderten Dateien wahlweise an eines der beiden Systeme
DVB-H und Mobilfunknetz weitergeleitet. Zur Bestimmung der optimalen
Wartezeit werden die in der Dienste-Plattform
2 eintreffenden
Anfragen innerhalb eines Zeitfensters der Dauer M gemessen. Eine solche
zusätzliche
Verkehrsmessung über
einen längeren
Zeitraum hinweg ist notwendig, um den Verkehr im übrigen Datenübertragungssystem
richtig einschätzen
zu können.
Schließlich
repräsentiert
der Verkehr, der durch die Sammlung der Anfragen innerhalb der eingestellten
Wartezeit W in der Sammelwarteschlange
9 erfasst wird,
nur einen kleinen Ausschnitt aus dem gesamten Datenverkehr. Auf
Basis dieser Messung wird die Popularitätsverteilung der Dateien berechnet.
Die geschätzte
Popularität
p
s(i) einer einzelnen Datei i ergibt sich aus
der Beziehung
wobei k
i die
Anzahl der Anfragen innerhalb des Messzeitraumes M ist, die sich
auf die Datei i beziehen. Entsprechend steht k
ges für die Anzahl
aller innerhalb eines Messzeitraumes eingetroffenen Anforderungen.
Somit wird die Popularität
einer Datei i als Wahrscheinlichkeit für die Anforderung dieser Datei
beschrieben. Neben der Popularität
der Dateien wird die Ankunftsrate der Anfrage λ geschätzt. Diese wird auch Anfragerate
bezeichnet. Dazu wird die Anzahl aller Anfragen k
ges die
innerhalb des Messzeitfensters registriert worden sind, ermittelt
und durch den Messzeitraum M geteilt. Es ergibt sich die geschätzte Anfragerate λ nach der
Beziehung
λs = kges/M. -
Auf
Basis der geschätzten
Anfragerate λs kann die mittlere Anzahl von Anfragen ns(w) innerhalb einer Wartezeit W nach der
Formel ns(W) = λs·Wermittelt
werden. Wird ns(W) mit der geschätzten Popularität der verschiedenen
Dateien ps(i) multipliziert, so kann entsprechend
die geschätzte
mittlere Anzahl der Anforderungen nsi(W)
pro Datei i innerhalb der Wartezeit W berechnet werden. nsi(W) = ns(W)·ps(i).
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Zur
Ermittlung der optimalen Wartezeiten Wopt wird
ein binärer
Vektor m → erstellt, dessen Dimension m der Anzahl der unterschiedlichen
innerhalb des Messzeitraums M angeforderten Dateien entspricht.
Dieser Vektor wird im Folgenden als geschätzte Beladungskonfiguration
bezeichnet. Die Vektoreinträge
m1,.... mi,...., mm geben an, ob die entsprechenden Dateien
i über
das Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk (mi = 1)
oder über
das Punkt-zu-Punkt-Netzwerk (mi = 0) übertragen
werden.
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Es
wird nun diejenige geschätzte
Beladungskonfiguration ermittelt, deren Antwortzeit
A s(m →) minimal ist:
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Im
Anschluss wird die mittlere benötigte
Ausspielzeit Wopt dieser Beladungskonfiguration
als Eingabe für
die optimierte Lastverteilung verwendet.
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In
der Gleichung ist T Ri die mittlere geschätzte Übertragungszeit der Datei i über das
Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk. Entsprechend beschreibt T Mi die
mittlerere geschätzte Übertragungszeit
der Datei i über
das Punkt-zu-Punkt-Netzwerk. Zur Ermittlung dieser mittleren geschätzten Übertragungszeit T Mi wird
das gewichtete arimethische Mittel der mittleren verfügbaren Datenraten
in den verschiedenen Mobilfunknetz- Zellen gebildet, aus denen die Datei
i angefordert worden ist. Die gemessene verfügbare Datenrate der jeweiligen
Mobilfunknetzzellen wird dabei mit der Wahrscheinlichkeit gewichtet,
dass eine entsprechende Anfrage aus diesen Zellen kommt. Durch dieses
Vorgehen spiegelt sich bei der Wertung der verschiedenen Beladungskonfigurationen
der Einfluss der Überlastung
einzelner Mobilfunkzellen i in der geschätzten Übertragungszeit T Mi wieder.
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Die
Wartezeit W ist abhängig
von der zu testenden geschätzten
Beladungskonfiguration m →. Sie ergibt sich aus der Zeitdauer, die
benötigt
wird, um alle für
eine Rundfunkübertragung
vorgesehenen Dateninhalte, die mit m
1 =
1 markiert sind, über
das Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk zu übertragen:
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Der
ermittelte Wert der Wartezeit W wird zur Bestimmung der Parameter
ns und nsi verwendet.
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Zur
Berechnung der mittleren geschätzten
Antwortzeit
A s(m →) wird
ein Mittelwert aus den geschätzten Antwortzeiten
aller n
s-Anfragen gebildet. Dazu werden
zwei Fälle
mit dem Faktor p
vi bzw. (1 – p
vi) unterschieden. Diese beiden Fälle ergeben
sich durch den Einfluss der Schätzung
der Übertragungszeit.
Der Wert p
vi gibt die Wahrscheinlichkeit
dafür an,
dass nach der Schätzung
der Übertragungszeit
im Modul
8 in
3 eine Anforderung einer Datei
i sofort an das Mobilfunknetz weitergeleitet wird und daher nicht
in die Sammelwartschlange
9 gelangt. Die Wahrscheinlichkeit
eines Eintreffens einer Anforderung eines Nutzers ist unter der
Annahme eines poissonverteilten Anfrageprozesses zu jedem Zeitpunkt
gleich groß.
Somit ist die Wahrscheinlichkeit für ein Eintreffen einer Anfrage
am Anfang der Sammelwartezeit W genauso hoch wie gegen Ende. Die Wahrscheinlichkeit
dafür,
dass eine eintreffende Anfrage dann eintrifft, wenn die Summe aus
der Übertragungszeit über das
Punkt-zu-Muitipunkt-Netzwerk
und der verbleibenden Wartezeit W größer ist, als die Übertragungszeit
im Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk ergibt sich nach der Gleichung
dabei gibt der Zähler
T Ri +
W – T'Mi die Dauer
des ersten Zeitabschnittes der Wartezeit W an, bei der die Übertragungszeit über das
Punkt-zu-Punkt-Netzwerk kürzer
ist als die Summe aus der Übertragungszeit
des Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerkes und der Wartezeit W. Ist die Übertragungsdauer über das Punkt-zu-Punkt-Netzwerk
zu jedem Zeitpunkt während
der Sammelphase größer als
bei der Nutzung des Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerkes,
so ergibt sich für
p
vi der Wert 0.
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In
dem ersten Teil der Gleichung zur Berechnung der geschätzten Antwortzeit
werden die Antwortzeiten derjenigen angeforderten Dateien berücksichtigt,
deren Anfragen nach der Schätzung
der Übertragungszeit
in die Sammelwarteschlange weitergeleitet werden. Diese werden wiederum
nach Anfragen unterschieden, die nach Maßgabe der betrachteten Beladungskonfiguration über das
Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk
(mi = 1) bzw. das Punkt-zu-Punkt-Netzwerk
(mi = 0) übertragen werden. Mit dem Summand
W/2 wird dabei die mittlere Verweildauer einer Anfrage in der Wartschlange
berücksichtigt.
Der zweite Teil der Gleichung berücksichtigt die Anfragen, die
sich auf Dateien beziehen, die aufgrund der Entscheidung bei der
Schätzung
der Übertragungszeit
sofort an das Punkt-zu-Punkt-Netzwerk weitergeleitet werden.
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Bei
der sich anschließenden
optimierten Lastverteilung werden nun anstelle der durch die Messung ermittelten
Anfragen die tatsächlich
in der Warteschlange
9 gesammelten Anfragen verwendet.
Wie für
die Messwerte wird ein binärer
Vektor u → aufgebaut. Er hat die Dimension u, die der Anzahl der Anfragen
in der Sammelwarteschlange
9 nach unterschiedlichen angeforderten
Dateien entspricht. Dieser Vektor wird im Folgenden als Beladungskonfiguration
bezeichnet. In der optimierten Lastverteilung wird nun diejenige
Beladungskonfiguration gesucht, die die minimale Übertragungszeit
für die
angeforderten Dateien zur Folge hat. Mit
A(u →) aus der Gleichung
wird die geringste Antwortzeit
aller möglichen
Beladungskonfiguration u → ermittelt. Im Unterschied zur oben genannten
Gleichung der geschätzten
Antwortzeit
A s(m →) wird
nun die tatsächliche
Anzahl der Dateianfragen k
i anstelle der
geschätzten
Anzahl n
si(W) verwendet. Des Weiteren wird
nicht mehr der Einfluss der Schätzung der Übertragungszeit
berücksichtigt,
da die in der Sammelwarteschlange befindlichen Anfragen diese bereits passiert
haben.
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Jedoch
wird nun zusätzlich
die Randbedingung einbezogen, dass die benötigte Ausspielzeit im Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk
der ausgewählten
Beladungskonfiguration möglichst
der durch die lastadaptive Regelung vorgegebenen Wartezeit Wopt entspricht. Dazu wird T(u →) mit einer Funktion G(u →) wie folgt
gewichtet: G(u →) = 1 + (W(u →) – Wopt)2.
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Die
zu minimierende Zielfunktion Z(u →) der optimierten Lastverteilung
ergibt sich daher aus der Multiplikation von A(u →) und der Gewichtsfunktion wie folgt: Z(u →) = A(u →)·G(u →).
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Der
Gewichtungsfaktor G(u →) hat solange keinen Einfluss auf die Zielfunktion
Z(u →), wie die Wartezeit W(u →) nicht von der optimalen Wartezeit Wopt abweicht. Mit steigender Abweichung wird
der Wert der Zielfunktion Z(u →) mit einem Wert größer 1 multipliziert. Die Größe dieses
Wertes erhöht
sich in diesem Vorschlag quadratisch mit der Abweichung der Wartezeit
der untersuchten Beladungskonfiguration von der optimalen Wartezeit
Wopt. Durch den Gewichtungsfaktor werden
die Beladungskonfigurationen mit einer niedrigen Abweichung zur
optimalen Einstellung der Wartezeit W bevorzugt. Bei der Minimierung
der Zielfunktion Z(u →) wird die in die Beladungskonfiguration ausgewählt, die
den kleinsten Wert für
die Zielfunktion Z(u →) zur Folge hat. Diese wird verwendet, um die
angeforderten Daten der in der hat. Diese wird verwendet, um die
angeforderten Daten der in der Sammelwarteschlange 9 enthaltenen
Anfragen auf die verfügbaren
Netze, das Punkt-zu-Multipunkt-Netzwerk
und das Punkt-zu-Punkt-Netzwerk zu übertragen.
