DE102010032218A1

DE102010032218A1 - Verfahren zur paketvermittelten Datenübertragung, insbesondere zwischen einem Transportmittel und einer mit dem Transportmittel kommunizierenden Infrastruktur

Info

Publication number: DE102010032218A1
Application number: DE102010032218A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schwingenschlögl Christian; Andreas Ziller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2012-01-26
Also published as: WO2012016756A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur paketvermittelten Datenübertragung, insbesondere zwischen einem Transportmittel (T, T1, Tn) und einer mit dem Transportmittel (T, T1, Tn) kommunizierenden Infrastruktur (I). In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein zu übertragender Datenstrom (D) mit einer Vielzahl von Datenpaketen (P) mittels einer Codierung codiert, welche dem Datenstrom (D) Redundanz hinzufügt. Der codierte Datenstrom (CD) wird anschließend mit einem Multiplexer (M) in eine Mehrzahl von parallelen Teildatenströmen (D1, D2) aufgeteilt und über eine Mehrzahl von Pfaden (PA1, PA2) übertragen, wobei ein jeweiliger Teildatenstrom (D1, D2) auf einem Pfad (PA1, PA2) aus der Mehrzahl von Pfaden übermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur paketvermittelten Datenübertragung, insbesondere zwischen einem Transportmittel und einer mit dem Transportmittel kommunizierenden Infrastruktur, sowie eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung zur Verwendung in diesem Verfahren.
In Kommunikations-Systemen und insbesondere im Rahmen der Kommunikation eines Transportmittels mit einer Infrastruktur werden oftmals Kommunikationsverbindungen eingesetzt, welche nur bedingt zuverlässige Übertragungsstrecken, wie z. B. drahtlose Übertragungsstrecken, umfassen. Nichtsdestotrotz besteht für viele Anwendungen, insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen, die Notwendigkeit, dass Daten mit hoher Aktualität und geringen Verlusten übertragen werden. Dies ist besonders wichtig, falls Daten zur Steuerung eines Transportmittels von einer Infrastruktur an das Transportmittel übermittelt werden.
Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit einer Datenübertragung zwischen einem Schienenfahrzeug und einer mit dem Fahrzeug kommunizierenden Infrastruktur ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass die Datenpakete des Datenstroms redundant über separate Kanäle zwischen Infrastruktur und Schienenfahrzeug übermittelt werden. Dabei wird jedoch eine hohe Bandbreite benötigt. Ferner ist es bekannt, dass bei Datenpaketverlusten sog. automatische Repeat-Requests (englisch: ARQ = Automatic Repeat Request) zum nochmaligen Anfordern von verlorenen Datenpakete von dem Empfänger der Datenpakete an den Sender übermittelt werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass es zu einer Verzögerung bei der Datenübertragung kommt, welche für bestimmte Anwendungen nicht tolerabel ist.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur paketvermittelten Datenübertragung zu schaffen, bei dem eine hohe Zuverlässigkeit und Aktualität der übertragenen Daten gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Sendeeinrichtung gemäß Patentanspruch 15 bzw. die Empfangseinrichtung gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein zu übertragender Datenstrom mit einer Vielzahl von Datenpaketen mittels einer Codierung codiert, welche dem Datenstrom Redundanz hinzufügt. Dabei können z. B. an sich bekannte Codierverfahren basierend auf einer FEC-Codierung (FEC = Forward Error Correction) bzw. Erasure-Codes eingesetzt werden. Das Codierverfahren ist insbesondere derart ausgestaltet, dass für eine Gruppe von n Datenpaketen eine codierte Gruppe von n + k Datenpaketen generiert wird, wobei eine Decodierung immer dann möglich ist, wenn von n + k codierten Datenpaketen eine beliebige Anzahl von n Datenpaketen empfangen wird. Nach der Codierung wird der erhaltene codierte Datenstrom mit einem Multiplexer in eine Mehrzahl von parallelen Teildatenströmen aufgeteilt und über eine Mehrzahl von Pfaden übertragen, wobei ein jeweiliger Teildatenstrom auf einem Pfad aus der Mehrzahl von Pfaden übermittelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine Kombination einer Codierung des Datenstroms mit einem Multiplexen des Datenstroms aus, wobei durch die Übertragung von Teildatenströmen auf mehreren Pfaden die Verlässlichkeit der Datenübertragung erhöht wird, da bei Ausfall einer Übertragung über einen Pfad weiterhin Datenpakete auf anderen Pfaden empfangen werden können, die aufgrund der enthaltenen Redundanz im codierten Datenstrom in der Regel auch wieder decodiert werden können. Es ist dabei unerheblich, über welchen der Pfade die zur Decodierung verwendeten Datenpakete empfangen wurden. Das heißt, Pakete, die auf einem Pfad verloren gegangen sind, können für die Decodierung durch Pakete ersetzt werden, die über einen Pfad empfangen werden. Die Pfade der einzelnen Teildatenströme sind in einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung weitestgehend unabhängig voneinander, so dass ein Ausfall von Datenpaketen auf einem Pfad keine oder nur geringe Auswirkungen auf die Teildatenströme auf anderen Pfaden hat. Aufgrund der Übertragung des codierten Datenstroms über disjunkte Teildatenströme wird ferner sichergestellt, dass in jedem Teildatenstrom neue Informationen des Datenstroms empfangen werden, so dass die Wahrscheinlichkeit abnimmt, dass bei einem Paketverlust auf mehreren Pfaden der ursprüngliche Datenstrom nicht wieder rekonstruiert werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren zur paketvermittelten Datenübertragung auf der L3-Schicht verwendet. Dabei wird die Nutzlast der entsprechenden L3-Datenpakete, welche insbesondere IP-Datenpakete sind, codiert. Die codierte Nutzlast sowie Codierparameter betreffend die codierten Datenpakete werden dabei in einer über der L3-Schicht liegenden Schicht übermittelt, insbesondere in einer Zwischenschicht zwischen der L3-Schicht und der L4-Schicht gemäß dem OSI-Referenzmodell. Die Codierparameter, welche insbesondere die weiter unten beschriebenen Codiervektoren umfassen, werden im Rahmen eines Headers der Zwischenschicht übertragen, an den sich dann die entsprechende codierte Nutzlast anschließt.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Datenstrom über zumindest ein drahtloses Teilstück übertragen, wobei zu dieser Übertragung insbesondere WLAN (WLAN = Wireless Local Area Network) genutzt wird. Vorzugsweise ist dabei jedem Pfad eine andere Übertragungsfrequenz und/oder eine andere räumliche Übertragungsstrecke (z. B. über verschiedene Zugangspunkte des drahtlosen Teilstücks) für die Übertragung über das zumindest eine drahtlose Teilstück zugeordnet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Pfade weitestgehend unabhängig voneinander sind und sich die Datenübertragungen auf den unterschiedlichen Pfaden nicht stören.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Codierung des Datenstroms eine Mehrzahl von aufeinander folgenden Datenpaketen des Datenstroms zu einer Datenpaket-Gruppe zusammengefasst, wobei die Codierung einer Datenpaket-Gruppe über eine Satz von aufeinander folgenden Codiervektoren erfolgt, wobei ein jeweiliger Codiervektor zur Erzeugung eines codierten Datenpakets vorgesehen ist und Einträge für jedes uncodierte Datenpaket der Datenpaket-Gruppe enthält, so dass durch einen Codiervektor eine gewichtete Summe der Nutzlast der Datenpakete der Datenpaket-Gruppe und hierdurch die codierte Nutzlast eines codierten Datenpakets gebildet wird. Durch die aufeinander folgende Datenpakete bzw. die aufeinander folgenden Codiervektoren wird die Reihenfolge der Datenpakete im uncodierten bzw. codierten Datenstrom festgelegt. Datenpakete und Codiervektoren sind somit gemäß der entsprechenden Reihenfolge nummeriert.
Eine besonders einfache Codierung basierend auf den oben genannten Codiervektoren wird in einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erreicht, dass der Satz von Codiervektoren derart ausgestaltet ist, dass für j ≤ n, wobei n der Anzahl von Datenpakete einer Datenpaket-Gruppe entspricht, der j-te Codiervektor linear unabhängig von dem ersten bis zum (j – 1)-ten Codiervektor ist. Ein Verfahren zur Generierung solcher linear unabhängiger Codiervektoren ist in der detaillierten Beschreibung angegeben.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Satz von Codiervektoren derart ausgestaltet, dass für i > n, wobei n der Anzahl von Datenpaketen einer Datenpaket-Gruppe entspricht, der i-te Codiervektor zumindest teilweise aus zufälligen Einträgen gebildet ist, wobei in einer bevorzugten Variante die Einträge ausgewählt sind aus 0 und 1.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Satz von Codiervektoren derart ausgestaltet, dass zumindest für i < n und insbesondere für i < m, wobei n der Anzahl von uncodierten Datenpaketen einer Datenpaket-Gruppe und m der Anzahl von aus der Datenpaket-Gruppe hervorgehenden codierten Datenpaketen entspricht, der (1 + 1)-te Eintrag und alle größeren Einträge des i-ten Codiervektors aus Nullen bestehen. Gemäß dieser Variante wird es ermöglicht, dass ein Datenstrom auch vor dem Einlesen aller Datenpakete einer Datenpaket-Gruppe codiert bzw. decodiert werden kann, wodurch eine durch die Codierung bzw. Decodierung hervorgerufene Verzögerung bei der Datenübertragung vermieden wird.
In einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die jeweiligen Teildatenströme bei der Übertragung entlang des jeweiligen Pfads ein oder mehrere Male neu codiert, wobei einem codierten Teildatenstrom bei jeder Neucodierung Redundanz hinzugefügt wird. Die Neucodierung kann dabei analog zu den oben beschriebenen Varianten der Codierung durchgeführt werden. Gemäß dieser Ausführungsform wird eine zuverlässige Datenübertragung auch im Falle von mehreren unzuverlässigen Übertragungsstrecken erreicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Rahmen einer Unicast-Übertragung eingesetzt werden, bei der der Datenstrom an einen einzelnen Empfänger, insbesondere an ein einzelnes Transportmittel, übermittelt wird. Zusätzlich oder alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die Datenübertragung eine Multicast-Übertragung ist, bei der der Datenstrom an eine Mehrzahl von Empfängern, insbesondere an eine Mehrzahl von Transportmitteln, übermittelt wird.
Wie bereits oben erwähnt, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise für eine Übertragung zwischen einem Transportmittel und einer entsprechenden Infrastruktur eingesetzt. Bei dieser Übertragung werden in dem Datenstrom vorzugsweise Steuerdaten und/oder Daten eines Passagier-Informations-Systems an das Transportmittel und/oder an die Infrastruktur übertragen. Die Steuerdaten sind dabei insbesondere Daten betreffend die Steuerung der Fahrt des Transportmittels. Gegebenenfalls kann über die Steuerdaten das Transportmittel vollautomatisch ohne Fahrzeugführer kommandiert werden. Die Daten des Passagier-Informations-Systems umfassen insbesondere Daten, mit denen den Passagieren Informationen während der Fahrt zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise können diese Daten einen Videostrom umfassen, der auf einer entsprechenden Anzeigeeinrichtung den Passagieren im Transportmittel gezeigt wird.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Datenübertragung zwischen einem Transportmittel in der Form eines Schienenfahrzeugs und einer Infrastruktur für das Schienenfahrzeug durchgeführt, wobei entlang der Fahrspur des Schienenfahrzeugs drahtlose Sende- und/oder Empfangseinheiten vorgesehen sind, welche zur Datenübertragung mit einer oder mehreren drahtlosen Sende- und/oder Empfangseinheiten des Schienenfahrzeugs kommunizieren. Die Sende- und/oder Empfangseinheiten arbeiten dabei vorzugsweise basierend auf der WLAN-Protokollfamilie IEEE 802.11.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Datenübertragung auch die Wiederherstellung der ursprünglich generierten Datenpakete aus den codierten Datenpaketen. Dabei werden die parallelen Teildatenströme von zumindest einem Empfangs- und Verarbeitungsmittel empfangen, wobei das zumindest eine Empfangs- und Verarbeitungsmittel die Teildatenströme zu dem ursprünglichen codierten Datenstrom zusammenführt und diesen decodiert.
Die Erfindung betrifft ferner eine Sendeeinrichtung zum Aussenden von Daten zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Sendeeinrichtung umfasst eine Codiereinrichtung zum Codieren eines zu übertragenden Datenstroms mit einer Vielzahl von Datenpaketen mittels einer Codierung, welche dem Datenstrom Redundanz hinzufügt. Ferner beinhaltet die Sendeeinrichtung einen Multiplexer zum Aufteilen des codierten Datenstroms in eine Mehrzahl von parallelen Teildatenströmen sowie ein Sendemittel zum Aussenden der parallelen Teildatenströme über eine Mehrzahl von Pfaden, wobei ein jeweiliger Teildatenstrom auf einem Pfad aus der Mehrzahl von Pfaden ausgesendet wird.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Empfangseinrichtung zum Empfangen von Daten, welche in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendbar ist. Die Empfangseinrichtung umfasst ein Empfangs- und Verarbeitungsmittel, welches derart ausgestaltet ist, dass es im Betrieb die parallelen Teildatenströme empfängt und zu dem ursprünglichen codierten Datenstrom zusammenführt und diesen codierten Datenstrom decodiert.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Übertragungssystem, umfassend die oben beschriebene Sendeeinrichtung und die oben beschriebene Empfangseinrichtung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Netzstruktur eines Zug-Kommunikations-Systems, in dem eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt wird;
2 eine schematische Darstellung einer Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Zug-Kommunikations-System gemäß 1;
3 eine schematische Darstellung einer anderen Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in dem Zug-Kommunikations-System der 1; und
4 eine schematische Darstellung, welche die im erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführte Codierung eines Datenstroms verdeutlicht.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen eine verlässliche, effiziente und schnelle Kommunikation zwischen Kommunikations-Endpunkten in einem Kommunikations-System, wobei die Kommunikations-Endpunkte über ein Backbone-Netz und ein drahtloses Zugangsnetz miteinander verbunden sind. Im Folgenden wird das Verfahren basierend auf einer Kommunikation beschrieben, bei der sich ein Kommunikations-Endpunkt auf einem sich bewegenden Objekt in der Form eines fahrenden Zugs befindet. Die Kommunikation ist dabei bidirektional zwischen einem Sender und einem Empfänger (Unicast) oder zwischen einem Sender und mehreren Empfängern (Multicast). Dabei werden in den hier beschriebenen Ausführungsformen ein Zug-Kontroll-Dienst sowie PIS-Dienste (PIS = Passenger Information System) zwischen dem Zug und einer entsprechenden Infrastruktur bereitgestellt, wobei die Infrastruktur das oben erwähnte Backbone-Netz umfasst. Die Kommunikation läuft dabei zwischen der Infrastruktur und dem Zug sowie in umgekehrter Richtung ab. Im Folgenden wird eine Datenübertragung von der Infrastruktur hin zum Zug beschrieben, wobei jedoch analog auch die umgekehrte Richtung der Datenübertragung gemäß der Erfindung realisiert werden kann.
1 zeigt in schematischer Darstellung das oben erwähnte Kommunikations-System, in dem die nachfolgend beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens implementiert sind. In 1 ist ein fahrender Zug mit dem Bezugszeichen T bezeichnet. Dieser Zug umfasst eine Steuereinheit CU in der Form einer sog. On-Board-Control-Unit, welche wiederum mit zwei sog. Train-Units TU verbunden ist. Jede Train-Unit umfasst zwei Antennen A', welche über eine drahtlose Kommunikationsverbindung basierend auf der WLAN-Protokollfamilie IEEE 802.11 drahtlos mit einer Infrastruktur I kommuniziert, wobei hierzu entlang der Schiene, auf der sich der Zug bewegt, entsprechende WLAN-Zugangspunkte AP mit WLAN-Antennen A vorgesehen sind. Die Train-Unit im Zug arbeitet auf der L3-Schicht des OSI-Referenzmodells und die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beruhen auf einer paketvermittelten Übertragung in dieser Schicht. Wie bereits erwähnt, sind die beiden Train-Units TU mit der Steuereinheit CU verbunden, welche im Rahmen der erfindungsgemäßen Kommunikation einen Kommunikations-Endpunkt auf der Seite des Zugs darstellt. Dabei ist ein Decodierpunkt zwischen den Train-Units und der Kontrolleinheit CU vorgesehen, mit dem empfangene codierte Datenpakete decodiert werden, wie weiter unten noch näher erläutert wird. Der Decodierpunkt kann dabei ein eigenes Gerät sein oder er kann in jeder Train-Unit TU integriert sein. Im Betrieb arbeitet immer nur ein Decodierpunkt und weitere Decodierpunkte fungieren als Ersatz, wenn ein aktiver Decodierpunkt ausfallen sollte.
Die bereits oben erwähnten schienenseitigen Zugangspunkte AP stellen sicher, dass sich der fahrende Zug T immer drahtlos mit der Infrastruktur I verbinden kann. Die Zugangspunkte sind dabei mit einem Backbone-Netz verbunden, welches fest sein kann und gegebenenfalls auch drahtlose Zwischenverbindungen aufweisen kann. Das Backbone-Netz kann z. B. eine Ring-Struktur, eine Stern-Struktur oder auch eine Mesh-Topologie aufweisen. Das Backbone-Netz ist über einen Zugangs-Router AR mit Applikations-Servern AS1 bzw. AS2 verbunden. Diese Applikations-Server stellen im Rahmen der erfindungsgemäßen Kommunikation den Kommunikations-Endpunkt auf der Seite der Infrastruktur dar und können direkt oder gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines weiteren Netzes mit dem Backbone-Netz verbunden sein. Diese Kommunikations-Endpunkte sind über einen Codierpunkt mit dem Backbone-Netz verbunden, um einen Datenstrom, der von den Applikations-Servern AS1 bzw. AS2 generiert wird, zu codieren, wie weiter unten noch näher beschrieben wird. In der Ausführungsform der 1 stellt dabei der Applikations-Server AS1 einen Server zur Zug-Steuerung dar, der Steuerbefehle innerhalb eines paketbasierten Datenstroms an den Zug übermittelt. Demgegenüber ist der Applikations-Server AS2 ein PIS-System, mit dem Informationen in der Form eines paketbasierten Datenstroms für die Passagiere des Zugs T generiert werden. Diese Informationen können beispielsweise ein Videostrom sein, der über eine entsprechende Anzeigevorrichtung im Fahrgastraum des Zugs wiedergegeben wird.
Mit den nachfolgend beschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine robuste und verlässliche Kommunikation basierend auf einer paketbasierten Datenübertragung auf der L3-Schicht erreicht. Das Verfahren ist dabei komplett transparent für die darunter liegende MAC-Schicht und die physikalische Schicht. Zur Erhöhung der Verlässlichkeit der Kommunikation wird dabei eine Netzwerk-Codierung für die L3-Datenpakete verwendet, welche als Zwischenschicht (englisch: „shim layer”) zwischen der L3-Schicht und der L4-Transportschicht implementiert sein kann.
Gemäß der verwendeten Netzwerk-Codierung wird ein Satz von n ursprünglichen L3-Datenpaketen in einen größeren Satz von m codierten Datenpaketen transformiert, so dass hierdurch dem Datenstrom Redundanz hinzugefügt werden. Solche Arten der Codierverfahren sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und auch unter dem Begriff der FEC-Codierung (FEC = Forward Error Correction) bzw. Erasure-Codierung bekannt. Weiter unten wird eine spezielle Variante einer solchen Codierung beschrieben. Die m codierten Datenpakete werden zwischen dem Codierpunkt und dem Decodierpunkt übertragen. Um die ursprünglichen Datenpakete wieder zu decodieren, ist es erforderlich, dass n beliebige codierte Pakete aus insgesamt m decodierten Paketen empfangen werden. Die Grundidee ist dabei, dass die Anzahl m groß genug ist, so dass trotz Paketverlusten wenigstens n Pakete korrekt empfangen werden und eine Rekonstruktion der ursprünglichen Information ermöglichen. Es ist dann nicht mehr erforderlich, sog. ARQ-Anfragen (ARQ = Automatic Repeat Request) auszusenden, um verlorene Datenpakete nochmals anzufordern. Wie bereits erwähnt, wird der Codier-Mechanismus zwischen der L3- und L4-Schicht des ursprünglichen Paketstroms implementiert, so dass der Paketstrom aus UDP- bzw. TCP-Paketen besteht. Da die codierten Pakete auf ihrer Übertragung zwischen Quelle und Ziel nicht modifiziert werden müssen, können sie in normale IP-PDUs (PDU = Protocol Data Unit) gekapselt sein.
2 zeigt in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Datenübertragungs-System am Beispiel von Unicast-Verkehr zwischen einem Sender und einem Empfänger. Die Quelle des Datenstroms ist dabei mit SO bezeichnet und kann einen Applikationsserver AS1 bzw. AS2 gemäß 1 darstellen. Die Quelle erzeugt den ursprünglichen Datenpaketstrom D. Dieser fließt logisch zwischen der Quelle SO und dem Ziel, welches in 1 mit DE bezeichnet ist. Dieses Ziel ist eine Einheit auf dem Zug T und insbesondere die Kontrolleinheit CU gemäß 1.
Gemäß 2 wird die Codieroperation durch einen Codierpunkt CP durchgeführt und die Decodieroperation durch einen Decodierpunkt DP. Der Codierpunkt CP, der den Datenstrom D in einen codierten Datenstrom CD wandelt, kann der Einheit entsprechen, welche den ursprünglichen Datenstrom erzeugt. An den Codierpunkt CP schließt sich ein Multiplexer M an, der ein weiteres Element der Erfindung darstellt. Über den Multiplexer M wird ein Multiplexen bzw. Aufteilen des codierten Paketstroms CD in mehrere codierten Teildatenströme ermöglicht, wobei in 2 beispielhaft zwei Teildatenströme D1 und D2 gezeigt sind. Diese Teildatenströme werden unter Zwischenschaltung eines Netzes N, welches das Backbone-Netz sowie die WLAN-Übertragungsstrecke gemäß 1 umfasst, über getrennte Pfade PA1 und PA2 an sog. Empfangspunkte RP1 bzw. RP2 eines Zugs T übermittelt. Die einzelnen Empfangspunkte RP1 bzw. RP2 können dabei entsprechende Antennen A' einer einzelnen Train-Unit TU gemäß 1 darstellen. Durch die einzelnen Pfade wird dabei ein Tunnel zwischen dem Multiplexer M und jedem Empfangspunkt aufgebaut. Im Folgenden werden Pfade zwischen Multiplexer und unterschiedlichen Empfangspunkten auch als parallele Pfade bezeichnet.
Im ursprünglich generierten Datenstrom D wird die Quelle SO und das Ziel DE über entsprechende IP-Adressen eindeutig spezifiziert. Der Codierpunkt OP verwendet diese Adressen aus dem ursprünglichen Datenstrom auch für den codierten Datenstrom. Der Multiplexer M übersetzt die Adressen des codierten Datenstroms in geeignete Adressen von jeweiligen Empfangspunkten, um hierdurch eine Aufteilung der Datenströme in Teildatenströme und eine Übermittlung dieser Teildatenströme über unterschiedliche Pfade zu erreichen. Im Multiplexer kann dabei beispielsweise eine Tabelle verwendet werden, welche Zieladressen auf entsprechende Empfangspunkte abbildet.
Nach der Übermittlung der Teildatenströme D1 und D2 über das Netzwerk N hin zu den Empfangspunkten RP1 und RP2 werden diese Datenströme im Decodierpunkt DP wieder zusammenführt, der anschließend eine Decodierung durchführt, so dass die ursprüngliche Nutzlast der Datenpakete wieder hergestellt wird. Es wird hierdurch der ursprüngliche Datenstrom D erhalten, der dann an das Ziel DE weitergeleitet wird. Dabei kann gegebenenfalls das Ziel DE mit dem Decodierpunkt DP zusammenfallen.
Im Unterschied zur Ausführungsform der 2 zeigt die Ausführungsform der 3 eine sog. Multicast-Kommunikation, bei der der ursprünglich generierte Datenstrom D nicht an einen einzelnen Zug T, sondern an eine Mehrzahl von Zügen T1 bis Tn übertragen wird, wobei in 3 beispielhaft Züge T1 und Tn wiedergegeben sind. Eine Multicast-Übertragung kommt insbesondere in einem Szenario in Betracht, in dem von den jeweiligen Zügen das gleiche PIS-System genutzt wird, um z. B. ein Video von einem PIS-Applikationsserver zu empfangen. Der Aufbau des Kommunikations-Systems der 3 entspricht auf Seiten der Infrastruktur I dem Kommunikations-System der 2. Im Unterschied zur 2 verwendet der Multiplexer M zur Aufteilung des codierten Datenpaketstroms nunmehr jedoch Multicast-Adressen, mit denen kein einzelner Empfangspunkt, sondern eine Multicast-Gruppe von Empfangspunkten angesprochen wird.
In 3 wird dabei eine Multicast-Gruppe durch alle Empfangsknoten R21 der Züge T1 bis Tn und eine andere Multicast-Gruppe durch alle Empfangsknoten RP2 der Züge T1 bis Tn gebildet. Die über den Multiplexer M gemultiplexten Teildatenströme D1 und D2 werden dabei jeweils über einen Pfad an alle Empfänger einer Multicast-Gruppe adressiert, so dass ein Pfad PA1 für den Teildatenstrom D1 zu allen Empfängern RP1 und ein Pfad PA2 für den Teildatenstrom D2 zu allen Empfängern RP2 der Züge T1 bis Tn führt. In 2 ist somit jeder parallele Pfad an eine unterschiedliche Multicast-Gruppe gerichtet. Jeder Zug weist dabei so viele Empfangspunkte auf, wie es parallele Pfade gibt. Optional können gegebenenfalls auch mehrere parallele Pfade an den gleichen Empfangspunkten enden. Vorzugsweise ist jedem Empfangspunkt genau eine Multicast-Gruppe zugewiesen. Ferner ist jeder Empfangspunkt in dem gleichen Zug einer anderen Multicast-Gruppe zugewiesen.
Analog zu 2 werden auch in 3 nach Empfang der Teildatenströme D1 und D2 in dem jeweiligen Zug diese Teildatenströme wieder in einem Decodierpunkt des entsprechenden Zugs zusammengeführt und decodiert, so dass der ursprüngliche Paketstrom D erhalten wird, der dann wieder die ursprüngliche Zieladresse enthält und an das Ziel DE weitergeleitet wird. Dabei kann die Decodieroperation mit jedem, im Decodierpunkt DP eingehenden Datenpaket verwendet werden, unabhängig über welchen Pfad dieses empfangen wurde.
In dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren wird neben der Netzwerk-Codierung eine zusätzliche Robustheit des Datenstroms gegenüber Paketverlusten durch das Multiplexen des codierten Paketstroms auf mehrere parallele Pfade zwischen der Quelle und dem Ziel erreicht. Die parallelen Pfade sind dabei vorzugsweise derart gewählt, dass sie unabhängig voneinander sind, d. h. die Ursache für eine Dienstgüteverschlechterung auf dem einen Pfad darf keine Auswirkung auf die Dienstgüte des anderen parallelen Pfads haben. Der kritische Abschnitt eines Pfads ist dabei die drahtlose Verbindung zwischen der Infrastruktur I und dem Zug T. Deshalb werden in einer besonders bevorzugten Variante zwei parallele Pfade auf der drahtlosen Übertragungsstrecke in der räumlichen oder in der Frequenz-Domäne voneinander getrennt. Auf den unterschiedlichen Pfaden werden nicht die gleichen Paketströme, sondern Teildatenströme des codierten Paketstroms übertragen. Somit kann nicht der Fall auftreten, dass das gleiche Datenpaket auf mehreren Paketströmen verloren geht und unter Umständen nochmals übertragen werden muss.
Die oben beschriebenen Pfade stellen den Weg des entsprechenden L3-Pakets in der L3-Schicht dar. Sie werden durch die Zieladresse des L3-Pakets bestimmt. Vorzugsweise läuft dabei ein Pfad über einen anderen Zugangspunkt AP und eine andere WLAN-Frequenz zu einem Zug als jeder andere parallele Pfad. Insbesondere laufen zwei Pakete mit unterschiedlichen Adressen, welche jedoch zu dem gleichen codierten Datenstrom gehören, über unterschiedliche Pfade, welche in der räumlichen und/oder Frequenz-Domäne, insbesondere über die drahtlosen Verbindungen, separiert sind. Im Falle einer Multicast-Übertragung wird jeder Pfad durch seine eigene Multicast-Adresse identifiziert. Eine Multicast-Adresse ist im Falle von IP eine Adresse zwischen 224.0.0.0 und 239.255.255.255. Da eine Multicast-Übertragung mehrere Empfänger impliziert, ist ein Pfad bei einer Multicast-Übertragung nicht an eine bestimmte physikalische Route gebunden. Die soeben dargelegte Definition eines Pfads ist analog auch für eine Unicast-Übertragung anwendbar.
Unter dem oben beschriebenen Multiplexing wird ein Verfahren verstanden, bei dem ein Paketstrom in Teilströme aufgeteilt wird, welche auf verschiedenen Pfaden übermittelt werden. Die Pakete des Datenstroms können dabei mit an sich bekannten Verfahren auf Teildatenströme aufgeteilt werden, beispielsweise basierend auf einem Rundlauf-Verfahren (englisch: round robin). Um Kanalbandbreite zu sparen, übertragen die schienenseitigen Zugangspunkte AP nur Multicast- oder Unicast-Pakete, falls ein Empfänger mit dem jeweiligen Zugangspunkt assoziiert ist. Im Falle einer Multicast-Übertragung kann ein Ressourcen-Reservierungs-Protokoll, wie z. B. IGMP, verwendet werden, um einen Multicast-Baum einzurichten. Ein Zugangspunkt entlang der Schiene kann IGMP verwenden, falls er ein L3-Gerät ist. Im Falle, dass der Zugangspunkt ein L2-Gerät ist, kann er ein sog. IGMP-Snooping einsetzen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird jeder Pfad zwischen einem schienenseitigen Zugangspunkt AP und einer Train-Unit TU über einen anderen Kanal eingerichtet, um Diversität in der Frequenz-Domäne zu erreichen. Demzufolge ist einem Pfad eine Übertragungsfrequenz zugeordnet, welche im Falle der WLAN-Protokollfamilie ein Kanal ist. Ein schienenseitiger Zugangspunkt AP, der auf einen bestimmten Kanal eingestellt ist, wird deshalb nur dann einen Paketstrom weiterleiten, wenn er zu einem bestimmten Pfad gehört, der dem gleichen Kanal wie der schienenseitige Zugangspunkt AP zugeordnet ist. Dies kann durch eine selektive Paketfilterung erreicht werden. Alle Pakete, welche an dem schienenseitigen Zugangspunkt eingehen, werden verworfen, sofern ihre Zieladresse nicht dem Kanal des entsprechenden Zugangspunkts AP zugeordnet ist. Eine Train-Unit TU kann einer bestimmten Multicast-Gruppe über einen Subskriptionsmechanismus zugeordnet werden. Da eine Multicast-Adresse einem Frequenzkanal zugeordnet ist, ist die Train-Unit TU ebenfalls diesem Frequenzkanal zugeordnet. Deshalb assoziiert sich die Train-Unit nur mit denjenigen schienenseitigen Zugangspunkten, welche auf dem Frequenzkanal gemäß der Multicast-Gruppe eingestellt sind. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Zuordnung zu einer Multicast-Gruppe sowie zu einem Frequenzkanal für die Train-Unit flexibel.
Im Folgenden wird eine beispielhafte Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens basierend auf dem Zug-Kommunikations-System der 1 erläutert. Dabei stellt der Applikations-Server AS2 im Rahmen eines Passagier-Informations-Systems einen Videostrom bereit, der durch Multicast-Übertragung einer Mehrzahl von Zügen bereitzustellen ist, welche über zwei Train-Units TU verfügen, die sich jeweils mit schienenseitigen Zugangspunkten verbinden. Der PIS-Server AS2 stellt dabei die Quelle und den Codierpunkt CP für den Videostrom dar. Die Train-Units TU sind entsprechende Empfangspunkte RP1 bzw. RP2. Sie empfangen den codierten Paketstrom über mehrere der oben beschriebenen Pfade und leiten die codierten Pakete an die Kontrolleinheit CU, welche den Decodierpunkt DP für den Videostrom darstellt.
Der PIS-Server generiert den Videostrom, wendet die entsprechende Netzwerk-Codierung auf diesen Strom an und multiplext die codierten Datenpakete auf zwei feste Multicast-Gruppen, welche beispielsweise die IP-Adressen 239.0.0.1 und 239.0.0.2 aufweisen können. Die Multicast-Adresse 239.0.0.1 ist mit dem Kanal 1 der drahtlosen Übertragung zwischen Infrastruktur und Zug verknüpft, wohingegen die Multicast-Adresse 239.0.0.2 mit dem Kanal 6 der drahtlosen Übertragung verknüpft ist. Die schienenseitigen Zugangspunkte sind derart eingestellt, dass sie zwischen dem Kanal 1 und dem Kanal 6 wechseln und deshalb abwechselnd den zwei Multicast-Adressen zugeordnet sind. Die jeweilige Multicast-Adresse ist die Ziel-Adresse der IP-Pakete auf den jeweiligen Pfaden. Die schienenseitigen Zugangspunkte filtern diejenigen Multicast-Pakete heraus, welche nicht zu deren Kanal passen. Falls sich eine Train-Unit TU mit einem schienenseitigen Zugangspunkt AP verbindet, subskribiert sie sich wieder auf die Multicast-Gruppe, um den Multicast-Baum wieder herzustellen. Deshalb sendet sie eine IGMP-Nachricht an die Wurzel der Multicast-Gruppe. Die in den jeweiligen Train-Units empfangenen Pakete werden von beiden Train-Units an die Kontrolleinheit CU weitergeleitet, wo sie schließlich decodiert werden.
In einem Szenario einer Datenübertragung sind die Codierparameter der Netzwerk-Codierung so eingestellt, dass aus acht ursprünglichen Paketen durch die Codierung zwölf codierte Pakete generiert werden. Es wird angenommen, dass ein Drittel der Pakete verloren geht und der codierte Paketstrom zu gleichen Teilen auf zwei Pfade gemultiplext wird. Während der Übertragung von sechs Paketen über jeden Pfad gehen zwei Pakete verloren, so dass jede Train-Unit vier Pakete erhält. Da insgesamt über beide Pfade acht Pakete empfangen werden, kann der Decodierpunkt DP der Kontrolleinheit CU die ursprünglichen Pakete aus den empfangenen codierten Paketen decodieren und den ursprünglichen Videostrom wieder herstellen.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Netzwerk-Codierung erläutert. Die Netzwerk-Codierung beschreibt dabei die Codierung zwischen einem Codierpunkt CP und einem Decodierpunkt DP. Sie umfasst eine Codierfunktion, welche durch den Codierpunkt CP auf den ursprünglichen Paketstrom D angewendet wird, sowie eine Decodierfunktion, welche von dem Decodierpunkt DP auf den codierten Datenstrom CD angewendet wird. Sowohl der codierte als auch der decodierte Datenstrom sind logisch in Generationen bzw. Gruppen unterteilt, welche jeweils einen Satz von n aufeinander folgenden Datenpaketen in dem ursprünglichen Datenstrom beschreiben. Die Pakete einer Gruppe sind dabei vorzugsweise disjunkt zu den Paketen einer anderen Gruppe. Jedes Paket gehört vorzugsweise exakt zu einer bestimmten Gruppe. Unter einer Generation bzw. Gruppe kann somit ein Satz von ursprünglichen Datenpaketen verstanden werden, welche zusammen mit einem Satz von Codiervektoren codiert werden, wobei ein Codiervektor im Folgenden auch mit EV bezeichnet wird. Der Codierpunkt CP wendet wiederholt eine Codieroperation auf eine Gruppe von n ursprünglichen Paketen mit entsprechenden Codiervektoren als zusätzliche Eingangsparameter an, um insgesamt n + k codierte Datenpakete zu generieren.
Die gerade beschriebene Codieroperation ist schematisch in 4 wiedergegeben. Diese Figur zeigt den ursprünglichen Datenstrom D, der aus einzelnen Datenpaketen in der L3-Schicht besteht, welche aus Übersichtlichkeitsgründen nur teilweise mit Bezugszeichen P bezeichnet sind. Wie oben erwähnt, werden bei der Codieroperation jeweilige Gruppen von aufeinander folgenden Datenpaketen zusammen codiert, wobei eine solche Gruppe in 1 mit G angedeutet ist. Die darauf angewendete Codieroperation ist in 4 mit CO bezeichnet und wandelt unter Verwendung des Satzes von Codiervektoren EV die Gruppe G in eine Gruppe CG von codierten Datenpaketen CPA um, wobei dieser codierten Gruppe Redundanz hinzugefügt ist. Insbesondere enthält die codierte Gruppe CG eine höhere Anzahl von (codierten) Datenpaketen als die ursprüngliche Gruppe G. Das heißt, besteht die ursprüngliche Gruppe G aus n Datenpaketen, so enthält die codierte Gruppe CG n + k Datenpakete, wobei die Anzahl k je nach Anwendungsfall in der Codieroperation geeignet eingestellt werden kann. In 4 sind aus Übersichtlichkeitsgründen nur einige der codierten Datenpakete mit CPA bezeichnet. Ferner ist der gesamte codierte Datenstrom mit dem Bezugszeichen CD referenziert.
Für die Codier- und Decodieroperationen wird in der hier beschriebenen Ausführungsform die Nutzlast der Datenpakete (d. h. der Inhalt der Datenpakete ohne den Header der L3-Schicht) als ein Vektor von Bytes angesehen, auf den algebraische Operationen angewendet werden können. Die nachfolgend beschriebene Codierung interpretiert jedes Byte als ein Polynom aus dem finiten Galois-Feld GF(2^s), wobei s 8 ist, jedoch in anderen Varianten auch einen anderen Wert annehmen kann. Die Dimension eines Codiervektors EV ist dabei n und entspricht der Anzahl an Datenpaketen in der zu codierenden Gruppe. Die Elemente des Codiervektors sind ebenfalls aus dem finiten Galois-Feld GF(2s).
In dem finiten Galois-Feld wird die Multiplikations- und Additionsfunktion wie folgt definiert:

⊗:: a, b → modulo (a × b, r)
⊗:: a, b → modulo (a + b, r)

Dabei ist ® eine multiplikative Operation und ⊕ eine additive Operation. In einer weiter unten beschriebenen Variante der Erfindung entsprechen ⊗ und ⊕ der XOR-Funktion. Moduln ist die übliche Moduln-Operation. a × b ist die typische Multiplikation von zwei Polynomen a und b. r ist ein irreduzierbares Polynom aus dem Galois-Feld GF(2). Vorzugsweise gilt r = 1 + X + X³ + X⁴ + X⁸.
Nachfolgend wird die in einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführte Codier-Operation erläutert, wobei folgende Definitionen eingeführt werden:
i und j sind Indexwerte;
M ist eine Matrix der ursprünglichen Pakete einer Gruppe;
Mⁱ ist das i-te ursprüngliche Paket in einer Gruppe;
X ist die Matrix der codierten Pakete einer codierten Gruppe;
X¹ ist das i-te codierte Paket einer codierten Gruppe;
V ist ein Satz von (n + k) aufeinander folgenden Codiervektoren, welche zur Codierung einer Gruppe verwendet werden;
V j / i ist das i-te Element im j-ten Codiervektor;
n ist die Größe der zu codierenden Gruppe;
m ist die Breite von M und entspricht der Anzahl an Bytes von Nutzlast in einem Datenpaket einer Gruppe;
k ist eine ganze Zahl, welche größer oder gleich Null ist;
Σ ist eine Summenfunktion.
In der Matrix M bezeichnet M 1 / t das Element in der i-ten Zeile und der t-ten Spalte, welche dem t-ten Byte im i-ten ursprünglichen Datenpaket einer Gruppe entspricht. In der Matrix X bezeichnet X j / t das Element in der j-ten Zeile und t-ten Spalte, wobei dieses Element dem t-ten Byte im j-ten codierten Paket entspricht. Es wird angenommen, dass alle Pakete M¹ mit einem beliebigen, aber festen Symbol aufgefüllt werden, so dass sie alle die gleiche Länge von m Bytes aufweisen.
Der Codierpunkt CP bestimmt (n + k) codierte Pakete Byte für Byte für j ∊ [1, n + k] und t ∊ [1, m] mittels der folgenden Gleichung:
Der Codiervektor v ist in der hier beschriebenen Ausführungsform derart definiert, dass alle Vektoren mit j = j_c ≤ n linear unabhängig von allen zuvor bestimmten Codiervektoren mit j < j_c sind. Für Variablen j_c > n werden Zufallswerte für die Einträge des entsprechenden Codiervektors verwendet. In einer weiteren Variante der Erfindung weisen die erzeugten zufälligen Codiervektoren die Eigenschaft auf, dass sie so maximal unabhängig wie möglich von einer maximalen Gruppe von erzeugten Codiervektoren für eine bestimmte zu codierende Gruppe sind.
Im Folgenden wird entsprechender Pseudo-Code zur Generierung der Einträge der Codiervektoren angegeben. Es werden bei dem nachfolgenden Pseudo-Code sowie auch bei den späteren Pseudo-Codes die üblicherweise verwendeten englischen Bezeichnungen für Schleifen und Bedingungen verwendet, wobei dem Fachmann die englischen Bezeichnungen dieser Schleifen hinlänglich bekannt sind, so dass sich eine nähere Erläuterung bzw. Übersetzung erübrigt. Kommentare sind in den Codes dabei immer durch zwei vorangestellte Schrägstriche gekennzeichnet.
In einer weiteren Variante können die erzeugten zufälligen Codiervektoren die Eigenschaften aufweisen, dass sie linear unabhängig von jedem zuvor erzeugten Codiervektor einer Gruppe sind.
Im obigen Pseudo-Code wurde die Operation zur Generierung eines Codiervektors basierend auf einer Matrix V beschrieben, welche als Zeilen die einzelnen Codiervektoren enthält. Im Folgenden wird ein Beispiel für eine solche Matrix gegeben.
Die Matrix V gibt für n = 4 und j ≤ 4 folgende Codiervektoren zurück:
V(1, 4) = [1, 0, 0, 0], V(2, 4) = [1, 1, 0, 0], V(3, 4) = [1, 1, 1, 0], V(4, 4) = [1, 1, 1, 1].
Für n = 4 und j > 4 gibt die Matrix zufällige Codiervektoren zurück, z. B. V(5, 4) = [23, 199, 3, 225].
Nach der Codierung überträgt der Codierpunkt die codierten Pakete gekapselt in einer Zwischenschicht, welche für ein codiertes Datenpaket als Codierparameter im Header denjenigen Codiervektor enthält, der für die Generierung des codierten Pakets verwendet wurde. Die Decodierung eines empfangenen codierten Paketstroms auf Seiten des Decodierpunkts läuft in an sich bekannter Weise ab und beruht auf der Lösung eines linearen Gleichungssystems für jede Gruppe gemäß Gleichung (1). Bei der Decodierung werden dabei n empfangene codierte Datenpakete ausgewählt, welche zu der gleichen Gruppe gehören, deren Codiervektoren unabhängig voneinander sind. Dann wird M basierend auf den Codiervektoren und der Matrix X bestimmt, wobei die Codiervektoren aus den Headern der Datenpakete der Zwischenschicht entnommen sind und die Matrix X die codierte Nutzlast der codierten Pakete darstellt.
Nachfolgend wird eine Variante zur Erzeugung der Matrix X beschrieben, welche gegenüber der Generierung der Matrix X gemäß obiger Gleichung (1) vereinfacht ist. Es wird dabei eine vereinfachte Algebra eingesetzt, welche auf XOR-Operationen beruht. Diese Variante kann dann eingesetzt werden, wenn die Elemente der Codiervektoren ausgewählt sind aus {0, 1}. Mit dieser Variante wird eine effizientere Implementierung ermöglicht, da vereinfachte Codier- bzw. Decodierfunktionen eingesetzt werden. Durch die Verwendung einer vereinfachten Algebra ist die Generierung der oben beschriebenen Matrix V derart modifiziert, dass die zufälligen Einträge der Codiervektoren nur die Elemente 0 oder 1 annehmen können.
Die Codierfunktion mit der vereinfachten XOR-Algebra wird im Folgenden wiederum mit Pseudo-Code beschrieben, wobei die Codierung basierend auf den beiden unten genannten Funktionen encodeGF2CompleteX und encodeXiGF2 durchgeführt werden.
Es gelten dabei folgende Definitionen:
M ist die Matrix, welche die ursprünglichen Pakete einer bestimmten Gruppe enthält;
V ist die Matrix, welche als Zeilen die Codiervektoren für eine Gruppe enthält;
n ist die Größe einer zu codierenden Gruppe;
k ist Null oder ein positiver ganzzahliger Wert;
m ist eine feste, mit Zeichen aufgefüllte Paketlänge.
Die Funktion encodeGF2CompleteX bestimmt eine Matrix X mit (n + k) codierten Paketen pro Gruppe. Die Funktion encodeXiGF2 wird durch die Funktion encodeGF2CompleteX angewendet, um Xi zu bestimmen.
Die Decodierfunktion zur Decodierung der mit dem obigen Pseudo-Code erzeugten Matrix X lautet in der vereinfachten XOR-Algebra wie folgt:
Bei den oben beschriebenen Codier- bzw. Decodier-Operationen tritt eine Verzögerung dahingehend auf, dass die Codier- bzw. Decodier-Operation eines Pakets erst dann durchgeführt wird, wenn alle Pakete einer Gruppe eingelesen wurden. Dies führt zu einer Verzögerung in der Datenübertragung. In einer Abwandlung der erfindungsgemäßen Codierung wird diese Verzögerung vermieden. Dabei können codierte Pakete bereits erzeugt und übertragen werden, auch wenn noch nicht alle Pakete einer Gruppe im Codierpunkt eingelesen wurden. Hierzu wird eine bestimmte Art von Codiervektoren verwendet. Es muss dabei sichergestellt werden, dass die Codiervektoren Nullen für diejenigen Einträge aufweisen, welche sich auf Pakete beziehen, die noch nicht verfügbar sind. Dies hat den Vorteil, dass Pakete, welche am Decodierpunkt noch nicht verfügbar sind, nicht zur Decodierung benötigt werden und keine Verzögerung auftritt.
Betrachtet man beispielsweise eine zu codierende Gruppe an aus fünf ursprünglichen Datenpaketen P1 bis P5, von denen die letzten zwei Pakete noch nicht verfügbar sind, so kann die Codieroperation mit einem Codiervektor EV zur Generierung des dritten codierten Datenpakets wie folgt lauten:

Gruppe (n = 5)

Original Paket EV

1 p₁ 1

2 p₂ 0

3 p₃ 1

4 - 0

5 - 0
Man erkennt aus obiger Tabelle, dass zur Codierung des dritten Datenpakets nur das bereits eingelesene erste bzw. dritte ursprüngliche Datenpaket verwendet wird, denn der Codiervektor EV weist in der vierten und fünften Zeile den Wert Null auf. Eine Codierung ist somit möglich, obwohl noch nicht das vierte und fünfte Datenpaket der Gruppe empfangen wurden.
Demgegenüber ist nachfolgend ein nicht erlaubter Codiervektor EV wiedergegeben, der nach dem Einlesen von drei Datenpaketen noch nicht das dritte codierte Datenpaket erzeugen kann:

Gruppe (n = 5)

Original Paket EV

1 p₁ 1

2 p₂ 0

3 p₃ 1

4 - 0

5 - 1
Man erkennt in obiger Tabelle, dass zur Codierung des dritten codierten Datenpakets nicht nur bereits eingelesene Datenpakete benötigt werden, sondern auch das fünfte, noch nicht zur Verfügung stehende Datenpaket. Dies ergibt sich daraus, dass der Codiervektor als Eintrag in der fünften Zeile eine 1 enthält.
Basierend auf der oben beschriebenen Codierung, bei welcher der i-te Codiervektor zur Generierung des i-ten codierten Pakets für alle Einträge größer i Nullen enthält, kann der Codierpunkt neue Pakete unter Verwendung von bereits verfügbaren Paketen codieren und übertragen, ohne darauf zu warten, dass alle Datenpakete einer zu codierenden Gruppe eingelesen wurden. Der Decodierpunkt ist dann in der Lage, empfangene codierte Pakete einer Gruppe sofort zu decodieren, ohne dass darauf gewartet werden muss, dass alle codierten Datenpakete einer Gruppe empfangen wurden. Nach dem Empfang eines codierten Datenpakets bestimmt dabei der Decodierpunkt ein lineares Gleichungssystems basierend auf den bereits empfangenen codierten Datenpaketen und dem gerade neu empfangenen Datenpaket. Der Decodierpunkt muss hierzu alle codierten Datenpakete einer Gruppe wenigstens bis zu dem Zeitpunkt, bis die Gruppe komplett decodiert ist. Die Dimension des linearen Gleichungssystems muss der maximalen Position eines Eintrags ungleich Null in jedem Codiervektor der jeweiligen Gruppe entsprechen.
Die Dimension des Gleichungssystems kann basierend auf dem folgenden Pseudo-Code ermittelt werden:
Beispielhaft sei angenommen, dass die Größe einer Gruppe fünf codierte Datenpakete umfasst und der Empfänger aktuell drei von fünf codierten Datenpaketen mit folgenden Codiervektoren empfangen hat:
v₁ = [1, 0, 0, 0, 0]
v₂ = [1, 1, 0, 0, 0]
v₃ = [0, 1, 1, 0, 0]
In diesem Fall muss die Dimension des zur Decodierung verwendeten linearen Gleichungssystems 3 sein.
Das sich ergebende lineare Gleichungssystem, in dem p_i die ursprünglichen Datenpakete und x_i die codierten Datenpakete darstellen, lautet in diesem Fall wie folgt:
Im Folgenden wird eine Variante der Erfindung erläutert, welche insbesondere dann zum Einsatz kommt, wenn die Datenpakete zwischen Quelle und Ziel über mehrere aufeinander folgende unzuverlässige Kanäle mit hohen Ausfällen (z. B. einer Vielzahl von drahtlosen Hops) übertragen werden. In diesem Fall werden weitere Codierpunkte verwendet, um die Verlässlichkeit zu verbessern. Insbesondere wird der ursprünglich codierte Datenstrom ein oder mehrere Male entlang der Übertragung in weiteren Codierpunkten codiert. Dabei wird die Codieroperation nochmals auf die codierten Pakete angewandt, wobei je nach Ausgestaltung die Codierung sofort bei Empfang eines Datenpakets beginnen kann (entspricht der soeben beschriebenen Variante der Erfindung) oder erst dann einsetzt, wenn alle codierten Datenpakete einer Gruppe empfangen wurden. Gemäß dieser mehrmaligen Codierung muss eine Modifikation bei der Bestimmung der Codiervektoren vorgenommen werden, welche wie folgt lautet:

– Ein Codierpunkt wählt einen beliebigen geeigneten Codiervektor wⁱ für das i-te neu codierte Datenpaket qⁱ aus.
– Der Codierpunkt bestimmt den Codiervektor zⁱ aus wⁱ und allen Codiervektoren v^j (j = 1, ..., d), welche aus den gepufferten empfangenen codierten Datenpaketen erhalten werden.

Die Operation zur Bestimmung von zⁱ lautet dabei wie folgt:

– Der Codierpunkt codiert ein neues Paket qⁱ erneut mit dem Codiervektor zⁱ aus den codierten Paketen und überträgt es. Die Codieroperation entspricht dabei der oben beschriebenen Codieroperation.
– Der Decodierpunkt decodiert die eingehenden mehrfach codierten Datenpakete analog zu der obigen Beschreibung.

Wie oben beschrieben wurde, wird die erfindungsgemäße Codierung als Zwischenschicht zwischen der L3- und L4-Schicht in der Form eines sog. Shim-Layers realisiert. Das Paketformat für einen solchen Shim-Layer, der nachfolgend als NetworkCodingShimLayer bezeichnet ist, lautet dabei wie folgt:
Im Vorangegangenen wurde die Datenübertragung von einer Infrastruktur zu einem oder mehreren Zügen beschrieben. Die Datenübertragung in umgekehrter Richtung läuft dabei derart ab, dass die Kontrolleinheit CU eines Zugs den ursprünglichen Paketstrom generiert und daraus den codierten Paketstrom mit entsprechender Netzwerk-Codierung ermittelt. Anschließend wird der Paketstrom wiederum über mehrere logische Pfade gemultiplext, wobei die Pfade über die Train-Units TU laufen. Die Verarbeitung der codierten Pakete in der Infrastruktur läuft dabei analog wie bei der Übertragung in umgekehrter Richtung von der Infrastruktur zum Zug ab.
Die oben beschriebenen Parameter n und k der verwendeten Netzwerk-Codierung bestimmen die Größe einer zu codierenden Datenpaket-Gruppe und die Anzahl der codierten Datenpakete, welche zu einer Gruppe gehören. n und k werden vorzugsweise in Abhängigkeit von der Fehlerrate des Kanals bestimmt. Deshalb wird in einer bevorzugten Ausführungsform in regelmäßigen oder auch unregelmäßigen Abständen durch den Decodierpunkt ein Empfangsreport an den Codierpunkt übermittelt, wobei dieser Report eine Information über die Paketfehlerrate in dem Kanal enthält. Diese Information kann z. B. die durchschnittliche Anzahl oder die minimale Anzahl von empfangenen codierten Datenpaketen pro Gruppe umfassen. In Abhängigkeit von dieser Anzahl kann dann der Codierpunkt die Parameter n und k geeignet einstellen. Üblicherweise wird zu Beginn der Datenübertragung ein Standardwert für n und k verwendet.
Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird die Zuverlässigkeit der Datenübertragung aufgrund einer Netzwerk-Codierung und der Übermittlung über mehrere Pfade im Falle von unzuverlässigen Übertragungskanälen erhöht. Die Mechanismen der Erfindung können dabei in ein bestehendes Kommunikations-System basierend auf einer Schicht oberhalb der L3-Schicht realisiert werden. Der Gewinn an Zuverlässigkeit wird dabei zusätzlich zu bestehenden Zuverlässigkeitsmechanismen auf anderen Schichten erreicht, so dass das erfindungsgemäße Verfahren neben anderen Mechanismen coexistieren kann. Aufgrund der Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einer Schicht oberhalb der L3-Schicht wird ferner der Vorteil erreicht, dass keine Modifikationen von Firmware bzw. Hardware von an der Kommunikation beteiligten Komponenten erforderlich sind.
In einer speziellen Ausführungsform stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine Netzwerk-Codierung bereit, bei der nicht alle Datenpakete einer zu codierenden Datenpaket-Gruppe vor der Durchführung der Codierung eingelesen werden müssen. Hierdurch werden Verzögerungen bei der Datenübertragung vermieden. Insbesondere wird eine Decodierung des codierten Datenpaketstroms bereits dann ermöglicht, wenn das erste codierte Datenpaket der entsprechenden codierten Gruppe empfangen wird, ohne dass gewartet werden muss, bis die gesamte codierte Gruppe am Empfänger ankommt. Dies hat besondere Vorteile bei der Übertragung von Steuerdaten zwischen einer Infrastruktur und einem Zug, da diese Daten sehr aktuell sein müssen und somit nur eine begrenzte Zeit gültig sind. Das Verfahren hat ferner die Eigenschaft, dass die Zuverlässigkeit durch Endpunkte des Kommunikations-Systems gesteuert und durchgesetzt wird. Es müssen somit keine Anforderungen an dazwischen liegende Kommunikations-Systeme gestellt werden. Das Verfahren ist dabei über die Einstellung von Codierparametern derart adaptierbar, dass ein Kompromiss zwischen dem Daten-Overhead und der Zuverlässigkeit der Datenübertragung gefunden werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der Datenübertragung auch durch die Verwendung von mehreren Pfaden, wobei auf jedem Pfad ein Teildatenstrom übertragen wird. Hierdurch können die Vorteile einer Frequenz- bzw. räumlichen Diversität ausgenutzt werden. Dabei müssen wiederum keine Anforderungen an das Kommunikations-System zwischen den Endpunkten gestellt werden. Es kann eine verlässliche Datenübertragung erreicht werden, selbst wenn einzelne Datenverbindungen ausfallen oder gestört sind. Eine Decodierung des ursprünglichen Dateninhalts wird erfindungsgemäß bereits basierend auf nur einem Teil von empfangenen Datenpaketen gewährleistet. Kommt es z. B. zu einem Ausfall eines Pfads, führt dies nicht zu einem Informationsverlust, da die gesamte Information im Datenstrom in der Regel aus den verbleibenden Pfaden hergestellt werden kann.
Die Erfindung hat besondere Vorteile im Rahmen der Datenübertragung zwischen einem Transportmittel und einer mit dem Transportmittel kommunizierenden Infrastruktur. Besonders vorteilhaft ist dabei der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens im Rahmen eines Zug-Steuer-Systems, bei dem Steuerdaten an den Zug mit hoher Aktualität zu übertragen sind. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wahrscheinlichkeit abnimmt, dass eine Verbindung zwischen dem Zug und der entsprechenden Infrastruktur abbricht, wird auch die Wahrscheinlichkeit verringert, dass ein Notfall-Ereignis (z. B. eine Notbremsung) dadurch ausgelöst wird, dass aufgrund eines Verbindungsverlusts keine aktuellen Steuerdaten mehr empfangen werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE 802.11 [0017]
IEEE 802.11 [0029]

Claims

Verfahren zur paketvermittelten Datenübertragung, insbesondere zwischen einem Transportmittel (T, T1, Tn) und einer mit dem Transportmittel (T, T1, Tn) kommunizierenden Infrastruktur (I), bei dem: – ein zu übertragenden Datenstrom (D) mit einer Vielzahl von Datenpaketen (P) mittels einer Codierung codiert wird, welche dem Datenstrom (D) Redundanz hinzufügt; – der codierte Datenstrom (CD) mit einem Multiplexer (M) in eine Mehrzahl von parallelen Teildatenströmen (D1, D2) aufgeteilt und über eine Mehrzahl von Pfaden (PA1, PA2) übertragen wird, wobei ein jeweiliger Teildatenstrom (D1, D2) auf einem Pfad (PA1, PA2) aus der Mehrzahl von Pfaden übermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die paketvermittelte Datenübertragung auf der L3-Schicht stattfindet und die Nutzlast der L3-Datenpakete codiert wird, wobei die codierte Nutzlast und Codierparameter der codierten Datenpakete (CPA) in einer über der L3-Schicht liegenden Schicht, insbesondere in einer Zwischenschicht zwischen der L3- und der L4-Schicht, übermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Datenstrom (D) über zumindest ein drahtloses Teilstück übertragen wird, insbesondere basierend auf WLAN, wobei vorzugsweise jedem Pfad (PA1, PA2) eine andere Übertragungsfrequenz und/oder eine andere Übertragungsstrecke zur Datenübertragung über das zumindest eine drahtlose Teilstück zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Codierung des Datenstroms (D) eine FEC-Codierung umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehende Ansprüche, bei dem zur Codierung des Datenstroms eine Mehrzahl von aufeinander folgenden Datenpaketen (P) des Datenstroms (D) zu einer Datenpaket-Gruppe (G) zusammengefasst wird, wobei die Codierung einer Datenpaket-Gruppe (G) über einen Satz von aufeinander folgenden Codiervektoren (EV) erfolgt, wobei ein jeweiliger Codiervektor (EV) zur Erzeugung eines codierten Datenpakets (CPA) vorgesehen ist und Einträge für jedes Datenpaket (P) der Datenpaket-Gruppe (G) enthält, so dass durch einen Codiervektor (EV) eine gewichtete Summe der Nutzlast der Datenpakete (P) der Datenpaket-Gruppe (G) und hierdurch die codierte Nutzlast eines codierten Datenpakets (CPA) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Satz von Codiervektoren (EV) derart ausgestaltet ist, dass für j ≤ n, wobei n der Anzahl von Datenpaketen (P) einer Datenpaket-Gruppe (G) entspricht, der j-te Codiervektor (EV) linear unabhängig von dem ersten bis zum (j – 1)-ten Codiervektor (EV) ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der Satz von Codiervektoren (EV) derart ausgestaltet ist, dass für i > n, wobei n der Anzahl von Datenpaketen (P) einer Datenpaket-Gruppe (G) entspricht, der i-te Codiervektor (EV) zumindest teilweise aus zufälligen Einträgen gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der Satz von Codiervektoren (EV) derart ausgestaltet ist, dass zumindest für i < n und insbesondere für i < m, wobei n der Anzahl von Datenpaketen (P) einer Datenpaket-Gruppe (G) und m der Anzahl von aus der Datenpaket-Gruppe (G) hervorgehenden codierten Datenpaketen (CPA) entspricht, der (i + 1)-te Eintrag und alle größeren Einträge des i-ten Codiervektors (EV) aus Nullen bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die jeweiligen Teildatenströme (D1, D2) bei der Übertragung entlang des jeweiligen Pfads (PA1, PA2) ein oder mehrere Male neu codiert werden, wobei einem codierten Teildatenstrom (D1, D2) bei jeder Neucodierung Redundanz hinzugefügt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Datenübertragung eine Unicast-Übertragung ist, bei der der Datenstrom (D) an einen einzelnen Empfänger, insbesondere an ein einzelnes Transportmittel (T, T1, Tn), übermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Datenübertragung eine Multicast-Übetragung ist, bei der der Datenstrom (D) an eine Mehrzahl von Empfängern, insbesondere an eine Mehrzahl von Transportmitteln (T, T1, Tn), übermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem Datenstrom (D) Steuerdaten und/oder Daten eines Passagier-Informations-Systems an ein Transportmittel und/oder an eine mit dem Transportmittel kommunizierende Infrastruktur (T, T1, Tn) übertragen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehende Ansprüche, bei dem eine Datenübertragung zwischen einem Transportmittel (T, T1, Tn) in der Form eines Schienenfahrzeugs und einer Infrastruktur (I) für das Schienenfahrzeug durchgeführt wird, wobei entlang der Fahrspur des Schienenfahrzeugs drahtlose Sende- und/oder Empfangseinheiten (A) vorgesehen sind, welche zur Datenübertragung mit einer oder mehreren drahtlosen Sende- und/oder Empfangseinheiten (A') des Schienenfahrzeugs kommunizieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die parallelen Teildatenströme (D1, D2) von zumindest einem Empfangs- und Verarbeitungsmittel (TU, CU) empfangen werden, wobei das zumindest eine Empfangs- und Verarbeitungsmittel (TU, CU) die Teildatenströme (D1, D2) zu dem ursprünglichen codierten Datenstrom (CD) zusammenführt und diesen decodiert.
Sendeeinrichtung zum Aussenden von Daten zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: – eine Codiereinrichtung (CP) zum Codieren eines zu übertragenden Datenstrom (D) mit einer Vielzahl von Datenpaketen (P) mittels einer Codierung, welche dem Datenstrom (D) Redundanz hinzufügt; – einen Multiplexer zum Aufteilen des codierten Datenstroms (CD) in eine Mehrzahl von parallelen Teildatenströmen (D1, D2); – ein Sendemittel zum Aussenden der parallelen Teildatenströme (D1, D2) über eine Mehrzahl von Pfaden (PA1, PA2), wobei ein jeweiliger Teildatenstrom (D1, D2) auf einem Pfad (PA1, PA2) aus der Mehrzahl von Pfaden ausgesendet wird.
Empfangseinrichtung zum Empfangen von Daten zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest ein Empfangs- und Verarbeitungsmittel (TU, CU), welches derart ausgestaltet ist, das es im Betrieb die parallelen Teildatenströme (D1, D2) empfängt und zu dem ursprünglichen codierten Datenstrom (CD) zusammenführt und diesen decodiert.
Übertragungssystem, umfassend die Sendeeinrichtung gemäß Anspruch 15 und die Empfangseinrichtung gemäß Anspruch 16.