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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein Satelliten-Datennetze und speziell Systeme und Verfahren zum
Verwalten von wechselseitig betriebenen Satelliten-Datennetzsystemen
durch einen zentralisierten Zentralserver unter Nutzung einer erdgebundenen Übertragungsstrecke.
Es werden auch Verfahren und Systeme zur dynamischen Bandbreitenzuweisung
angegeben unter Anwendung einer hybriden Ratenzuweisungs- und Zeitscheibenzuweisungs-Einrichtung
mit verteilter hierarchischer Steuerung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die Datenübertragung über Satelliten nimmt seit kurzem
sprunghaft zu. Dieses Wachstum hat zwar die Übertragungskosten gesenkt und
die Nutzung gesteigert, jedoch auf Kosten einer Überbelegung der Bandbreiten.
Teilweise geht der Stau auf eine Betriebsumgebung zurück, die
statische Kanalzuweisungen nutzt, wobei die Zeitplansteuerung auf
manuellen Zeitreservierungsmechanismen basiert.
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In der Vergangenheit erfolgte beispielsweise
die Verteilung von Fernseh-, Kabel- und anderen Bild-/Tondateien zu lokalen
Stationen im ganzen Land durch manuelle Zeitplansteuerung der Einspeisung.
Typischerweise hat ein Satellitensender eine feste Bandbreitenzuordnung,
und wenn ein Nutzer Daten mit einem Umfang von 10 Minuten zu senden
hat, stellt er manuell eine Telefonverbindung mit einem Provider
her und sagt, daß er
um 16:00 Uhr 10 Minuten Transponderzeit benötigt. Diese Verhandlung um
Transponderzeit ist zeitaufwendig und ineffizient und kann zur Folge
haben, daß der
Nutzer gezwungen ist, eine Stunde Transponderzeit zu kaufen, wenn
er gerade 10 Minuten benötigt.
Wenn der Nutzer die Übertragung
seiner Daten abgeschlossen hat, bleibt der Transponder für die übrigen 50
Minuten ungenutzt, was eine Vergeudung von Kapazität ist. Derzeit
hat kein Provider ein System, das die effiziente Nutzung von Transponderzeit
durch erneute Nutzung und Aufteilung von bisher dedizierten Einrichtungen
fördert.
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Frühere Versuche einer effizienten
Zuweisung von Ressourcen umfassen die
US-PS
4 009 344 , bei der jede Station ihre eigene neue Zuordnung
auf der Basis der momentan bekannten Anforderungen an diesen Standort
berechnet. Die berechnete Zuordnung ist eine Versuchszuordnung,
die über
einen Dienstleistungskanal an alle anderen Stationen gesendet wird,
um festzustellen, ob miteinander in Konflikt gelangende Zuordnungen
durchgeführt
wurden. Nach Ablauf einer vorbestimmten zeitlichen Verzögerung,
die Einstellungen möglich
macht, werden sämtliche
neuen Zuordnungen gleichzeitig ausgeführt. Dieses Dokument zeigt
jedoch eine frühe
Version von TDMA, die Bandbreite nur einer Vielzahl von Nutzern
zuweist, die eine vorbestimmte Framegröße oder einen vorbestimmten
Zeitbereich nutzen.
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Ein weiterer Versuch umfaßt die
US-PS 4 599 720 , bei der
ein zeitsynchronisiertes Burst-Modem, und zwar eines an jeder Erdstation
in einem System, TDMA-Rahmentaktsignale zu einer damit verbundenen
Datenverarbeitungsmaschine überträgt. Die
Maschine kann dann die Informationsübertragung an das Modem in Übereinstimmung
mit den TDMA-Rahmentaktsignalen
synchronisieren. Auch dieses Dokument zeigt die Nutzung von festgelegten
oder vorbestimmten Zeitschlitzen, die bei herkömmlichen TDMA-Systemen und
Verfahren vorgesehen werden.
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Noch ein weiterer Versuch wird von
Marshall et al. in "Mixed
Channel Resource Allocation Analysis", Proceedings of the annual Military
Communications Conference (MILCOM), IEEE, Conf. 12, 11. Okt. 1993,
S. 983–987,
angegeben, wobei eine Mischung aus ECCM-, TDMA- und FDMA-Signalverkehr
auf demselben Transponder kombiniert wird. Die TDMA- und FDMA-Signale
werden jedoch auf verschiedenen Kanälen desselben Transponders
gehalten und erlauben keine effiziente Zuweisung von Netzressourcen.
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Einige alternative Satelliten-Provider
meinen, daß eine
zuverlässige
Multicastübertragung
eine Schlüsseltechnologie
ist, die genutzt werden kann, um den Netzverkehr zu minimieren.
Bei der Multicast-Dateiverteilung über einen Satelliten ist die
Koordination ein Hauptproblem. Mit anderen Worten: Wie können Vielfachinhalt-Provider
(z. B. Kanäle,
Nachrichtenorganisationen usw.) ihre Inhalte verteilen, ohne die
Netzbandbreite zu überlasten?
Dies ist speziell dann ein Problem, wenn die Bandbreitenzuweisung
durch ein manuelles System erfolgt.
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Ein zweites Problem beim Rundsenden
von Dateien über
ein Satelliten-Nachrichtennetz
besteht darin, daß man
nicht genau bestimmen kann, wann eine Datei gesendet wird. Niemand
weiß mit
Sicherheit, wann eine bestimmte Übertragung
endet. Bisher ist man mit diesem Problem dadurch fertig geworden,
daß man
die Datenübertragungsinformation
statistisch ausgewertet hat, um einen statistischen Endpunkt über die
Zeit zu bestimmen. Das heißt,
daß man
durch Betrachten einer Reihe von Übertragungen nach deren Abschluß ausrechnen
kann, wie viele davon tatsächlich
innerhalb der Zeit übertragen
wurden. Gewöhnlich
ist dieser Prozentsatz sehr hoch – im Bereich von 90%. Er kann
auch noch weiter gesteigert werden, aber der Nachteil, der dabei
in Kauf zu nehmen ist, besteht typischerweise in einer weniger effizienten
Nutzung der Satelliten-Transponderzeit. Mit anderen Worten: Wenn
man wirklich wissen möchte,
daß eine
Datei zu der Zeit über
den Satelliten gesendet wird, die man geplant hat, muß man insgesamt
weniger Verkehr einplanen, als das System handhaben kann. Im Grunde
ist dies der Planung eines Arztes hinsichtlich der Patiententermine
sehr ähnlich – wenn der
Arzt sicher sein möchte,
daß er
die maximale Zahl von Patienten sieht, wird er viele Termine über den
Tag vereinbaren. Im Lauf des Tages wird jedoch die Verzögerung zwischen
dem Zeitpunkt, zu dem der Arzt die Patienten sieht, und den Terminen
der Patienten immer länger.
Der Art kann dem abhelfen, indem er die Zahl der Termine verringert,
aber dann läuft
er Gefahr, daß er
eine gewisse Leerzeit hat, in der kein Patient eingeplant ist.
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In jedem Fall werden, wenn die Bandbreite
auf der Basis dieser statistischen Mittelwerte zugewiesen wird,
einige Aufträge
unvermeidlich nicht innerhalb der zugewiesenen Übertragungszeit abgeschlossen.
Fachleute sagen, daß das
bedeutet, daß die
Dateiabschlußzeiten "nicht-deterministisch" sind. Die nichtdeterministische
Dateiübertragung
führt zu
Planungsschwierigkeiten bei der Vorausplanung von zukünftigen
Startzeiten für
andere Datenübertragungen.
Dies kann ein kritisches Problem sein. Man denke beispielsweise
an eine Schlagzeilengeschichte wie etwa eine Nachrichtenkonferenz
mit dem Präsidenten,
wobei ein Netz sicher sein möchte,
daß diese
Schlagzeile über
das ganze Land zu verschiedenen lokalen Tochternetzen hinausgeht.
Es ist kritisch für
das Netz, sicher zu sein, daß die
Nachricht zu der bestimmten Zeit übertragen wird. Normalerweise
könnte
man denken, daß,
um das Übertragen
von Dateien zum richtigen Zeitpunkt zu garantieren und damit die
oben beschriebenen Planungsprobleme zu lösen, einfach die Rate erhöht werden
könnte,
mit der die Daten über
den Satelliten gesendet werden. Aber dies führt zu einem weiteren bei Rundsendungen
auftretenden Problem: Der Datendurchsatz ist veränderlich. Es seien beispielsweise
fünf von
sechs Kabelkopfempfangsstellen angenommen, bei denen die Betreiber
der Einrichtungen, die dem Stand der Technik entsprechen, diese
in gutem Zustand halten, wobei diese Empfangsstellen Daten mit 100
Mbps empfangen können (ein
MBps ist äquivalent
einer Million Datenbits pro Sekunde). Eine der sechs Kabelkopfempfangsstellen
kann Daten nur mit 10 Mbps empfangen. Wenn in dieser Situation alle
sechs die Datei innerhalb einer bestimmten angegebenen Zeit empfangen
müssen,
garantiert eine Vergrößerung der
Sendebandbreite keine Übertragungsstoppzeit,
weil sich ein "schwaches
Glied in der Kette" befindet,
und zwar das Kopfende mit 10 Mbps. Daher müssen die Übertragungen unter Verwendung
einer "dynamischen" Bandbreitenzuweisung
und Übertragungszeit
durchgeführt
werden, die den unterschiedlichen Durchsatz der verschiedenen Systemkomponenten
berücksichtigt.
Eine Zuweisung ist dynamisch, wenn das System den Zeitscheibe oder
Datenrate der Übertragung ändern kann.
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Herkömmliche Systeme und Verfahren
sehen keine effiziente oder optimale Ressourcenzuweisung vor, wenn
ein Steuerungssystem eine Vielzahl von lokalen Anforderungen erfüllen soll.
Die vorliegende Erfindung sieht ein verteiltes hierarchisches Planungssteuerungssystem
vor, das das Netz überwacht
und die dynamische Ratenzuweisung, die Zeitaufteilung und die logische
Synchronisierung adaptiert, um die Systemressourcen zu optimieren.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die Erfindung löst diese Probleme durch Einführen einer
dynamischen Ratenzuweisung, einer dynamischen Zeitaufteilung und
logischen Synchronisierung sowie eines verteilten hierarchischen
Steuerungssystems. Gemäß den Verfahren
und Systemen der vorliegenden Erfindung wird die Ressourcenzuweisung
durch adaptive Netzprogrammierung optimiert. Die vorliegende Schrift
beschreibt kurz Systeme und Verfahren für die effektive Aufteilung
eines Satelliten-Transponders zwischen einer Vielzahl von Satelliten-Uplink-Stationen,
die erdgebundene bzw. terrestrische Außerband-Signalgabe/-Steuerung nutzen. Bei Nutzung
einer Außerband-Verbindungsstrecke
wie des Internets, VSAT oder Frame-Relay mit einem effizienten Protokoll
kann die Aufteilung des Transponders zwischen Satelliten-Uplinkstationen
gesteuert und automatisiert werden. Der Automatisierungsvorgang
minimiert Leerzeiten, was wiederum zusätzliche Satellitenkapazität für die Nutzer
bedeutet.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht auf
vorteilhafte Weise, daß eine
verteilte Menge von Uplinkstationseinrichtungen eine Außerband-Satellitenverbindung
effizient nutzt, ohne daß der
Aufwand für
eine Zweirichtungs-RF- oder Satellitenübertragung erforderlich ist.
Anforderungen und resultierende Kanalzuweisungen werden als planmäßige Sendezeiten
innerhalb eines variablen Zeithorizonts angegeben. Daher kann das
System entweder einen planmäßigen Stapelsende-Servicemodus
oder einen verschachtelten Vielfachzugriff im Zeitmultiplex bzw.
TDMA-Modus bieten. Der Hauptvergabeserver liefert eine Master-Taktreferenz
für die
Synchronisierung. Diese Taktreferenz kann von einer hochpräzisen lokalen
Referenz (z. B. einer Atomuhr) erzeugt werden oder als lokaler Takt
zu einer äußeren Quelle
wie etwa dem GPS-Netz geleitet werden.
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Die Erfindung teilt auf effektive
Weise eine begrenzte Menge von Satelliten-Ressourcen mit einer Vielzahl von entfernten
Orten und Satellitensendern. Die Nutzung einer Außerband-Steuerung
gemäß der vorliegenden
Erfindung unterstützt
die Nutzung des Satelliten-Transponders entweder für analoge
Bildübertragungen
oder Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen.
Die Zweirichtungs-Datenübertragung
ist ebenfalls möglich
unter Nutzung des Satelliten für
die abgehende Hochgeschwindigkeits-Datenübermittlung und des Steuerungswegs
als Rückdatenweg
sowie eine "Wegeumschaltung" zwischen zwei oder
mehr Übertragungsstellen auf
eine Halbduplex-Übertragungsweise.
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Unter anderem trachtet die Erfindung
danach, die Probleme der heutigen Umgebung von Satellitenübertragungen
zu überwinden,
die statische Kanalzuweisungen nutzen, wobei die Ablaufplanung auf
manuellen Zeitreservierungsmechanismen basiert. Die nicht-deterministischen
Dateiverteilungs-Vorhersagen, die bei bekannten Systemen verfügbar sind,
führen
insofern zu Planungsschwierigkeiten, als spätere Startzeiten nicht exakt
vorhersagbar sind. Da andererseits der Multicast-Durchsatz variabel
ist, wird das Problem auch nicht durch eine Multicast-Dateiverteilung
gelöst,
die nur auf einer Änderung
der Rate oder Bandbreite der Verbindung basiert.
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Bei einer Ausführungsform verwendet die Erfindung
ein System von Haupt- und Nebensteuerungen, um auf adaptive oder/und
dynamische Weise Raten- und Zeitscheibenzuweisungen einem gemeinsamen
Set von Netztransportressourcen zu überlagern. Diese Netzübertragungsressourcen
können
als Drahtleitungs-, drahtlose, Satelliten- oder andere Kommunikationsnetz-Kapazitäten ausgebildet
sein. Ein Master-Arbitrationserver empfängt Zugangsanforderungen von
einer Vielzahl von lokalen (oder entfernten) Steuerungen, von denen
jede eine Dateiübertragung über eine
Nachrichtenübertragungs-Ressource
wie etwa einen Satelliten planen möchte. Die Zugangsanforderungen
umfassen Informationen, die der Master-Arbitrationserver nutzt,
um die Priorität
der Dateiübertragung
zu bewerten. Ein Ablaufplan für
die Satellitennutzung wird auf der Basis dieser Informationen erstellt.
Der Master-Arbitrationserver sendet an jeden lokalen Arbitrationserver
Informationen in bezug auf die Zeitscheibe zurück, in der dieser Zugang zu
dem Satellitentransponder zur Nutzung der Kapazität des Satelliten
hat.
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Lokale Arbitrationserver haben ihrerseits
die Hoheit über
ihre Nutzung der für
ihren Gebrauch zugewiesenen Zeitscheibe. Die lokalen Arbitrationserver
können
ihre Zeitscheiben auf der Basis ihrer lokalen Bedürfnisse
und der Prioritäten
der Dateien, die übermittelt
werden müssen,
unterteilen, was in einem Dateiübermittlungsschema
resultiert, das einem Zeitmultiplexschema ähnlich ist. Außerdem können jedoch
die lokalen Arbitrationserver auch die Dateiübertragungsrate (z. B. die
Bandbreite) festlegen, die einer bestimmten Übertragung zugewiesen werden
soll. Prinzipiell sieht dieses System eine Überlagerung der Zeitscheibenaufteilung und
Ratenzuweisung vor, womit das verteilte Steuerungssystem ein Zeitfenster
und eine Rate bezeichnen kann, um eine bessere Dateiübermittlung
sicherzustellen.
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Ein weiterer Vorteil der Nutzung
von lokalen Arbitrationservern ist, daß die in dem System erzielte
verteilte Intelligenz eine dynamische Reaktion auf Ereignisse zuläßt. Dies
ist am besten an einem Beispiel zu erläutern. Frühere Übertragungssystem-Schemata
haben ein statisches Wiederholungsübertragungsschema. Das System
versucht etwa, eine Datei siebenmal zu übertragen, bevor es aufgibt.
Das Problem bei dieser Vorgehensweise ist, daß die statischen Schemata die
Starrheit des Netzes noch verstärken.
Das System kann instabil werden, weil es Problemaufträge empfängt, die
Wiederholungsversuche erfordern, so daß entweder andere Aufträge verzögert werden,
was zu einem Überlagerungseffekt
in bezug auf den Ablaufplan führt,
oder diese anderen Aufträge
werden überhaupt
nicht gesendet. Inzwischen gelangen neue Aufträge zur Übertragung in das System. Die
lokalen Arbitrationserver der Erfindung ermöglichen es dem System, dynamisch
zu entscheiden, ob es weiterhin versuchen soll, eine bestimmte Datei
oder einen bestimmten Auftrag zu senden, oder ob es zur nächsten Datei
weitergehen soll.
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Außerdem können die lokalen Arbitrationserver
entscheiden, daß sie
einen Teil der Datei jetzt senden und den Rest zur Übertragung
in einer anderen Zeitscheibe zurückhalten,
was dazu führt,
daß der
lokale Arbitrationserver einen Teil der zugewiesenen Kapazität effizient
nutzt und mindestens einen Teil der Datei komplettiert. Durch Nutzung
eines Systems mit einem Master-Arbitrationserver
und einer Reihe von lokalen Arbitrationservern fördert die Erfindung die effiziente
erneute Nutzung und gemeinsame Nutzung von bisher dedizierten Netztransportressourcen.
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Die Erfindung kann zur Nutzung eines
Multicast-basierten Internetprotokoll- bzw. IP-Dienstes zur Verteilung
verschiedener Dateien adaptiert werden. Dieser Dienst ermöglicht die
großangelegte
Verteilung von Dateien wie etwa Mediendateien, die Shows, Werbefilme,
Nachrichtenereignisse, Sportveranstaltungen usw. umfassen, über einen
IP-Multicast innerhalb einer adaptiven Zuverlässigkeitsschicht. Die Master-
und lokalen Arbitrationserver testen die Nutzung der Netztransport-Ressourcen
mit den jeweiligen Prioritäten
und Serviceverpflichtungen, die jeder Datei oder jeder Gruppe von
Dateien zugewiesen sind, die über
das nächste
System verteilt werden müssen.
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Dieses System kann implementiert
werden, indem ein Master-Arbitrationserver mit einem Nachrichtenübertragungsnetz
verbunden wird, das es dem Master-Arbitrationserver erlaubt, mit verschiedenen
lokalen Arbitrationservern zu kommunizieren, von denen jeder mit
einem Bereich der Netztransporteinrichtungen gekoppelt ist. Beispielsweise
kann ein lokaler Arbitrationserver mit einem Satellitensender und
der entsprechenden Hardware assoziiert sein, die notwendig ist,
um die Daten zur Übertragung
via Satellit zu packen. Der Master-Arbitrationserver kann einen
Ablaufplanungsserver aufweisen, der die Grundverteilungszeiten für eine Datei
oder eine Gruppe von Dateien vorgibt. Der Master-Arbitrationserver
kann eine Zeitscheibe und einen Kanal für eine bestimmte Datei zuweisen.
Der Master-Arbitrationserver leitet diese Zuweisungsdaten an den
lokalen Arbitrationserver weiter. In Abhängigkeit von den sonstigen
Aufträgen,
die der lokale Arbitrationserver empfängt, und/oder von den Netzverkehrsdaten
weist der lokale Arbitrationserver selbst jedem der Vielzahl von Aufträgen adaptiv
eine bestimmte Rate zu und kann gegebenenfalls die Zeitscheiben,
denen jeder Auftrag zugeordnet ist, weiter unterteilen. Der lokale
Arbitrationserver überlagert
somit dynamisch und adaptiv eine Ratenzuweisung auf der ursprünglichen
Zeitscheibe, die von dem Master-Arbitrationserver
zugewiesen wurde.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung
umfaßt
die Bestimmung der Rate, mit der Dateien gesendet werden können. Der
Fachmann weiß,
daß bei
Rundsendungen auf Verbindungsstrecken Engpässe auftreten. Außerdem treten
aber Engpässe
auch deshalb auf, weil die Server und Clients die Dateien empfangen.
Jedesmal, wenn ein Clientcomputer eine neue Anwendung öffnet, vermindert
diese Anwendung Ressourcen, die sonst für die Annahme von Dateien verfügbar wären, wodurch
wiederum die Rate verringert wird, mit der der Clientcomputer die
Dateiübertragungen
empfangen kann. Durch Bereitstellen von Rückmeldungen über die
Datenraten, die von Teilen des Nachrichtennetzes abgewickelt werden,
was sowohl die Verbindungsstrecke als auch die die Dateien empfangenden
Clients betrifft, kann die vorliegende Erfindung das Multicast-Dateiübertragungsverhalten
weiter verbessern.
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Daher geht die Nutzung der Methoden
und Systeme der vorliegenden Erfindung mit mindestens einem oder
mehreren Vorteilen oder Kombinationen von Vorteilen wie folgt einher.
Die Erfindung:
- • kann die Zahl von Dateien
maximieren, die zu der maximalen Zahl von Orten mit Erfolg mit der
höchstmöglichen
Rate übertragen
werden;
- • nutzt
zwei Freiheitsgrade (Rate und Zeit), um Datenübertragungen mit und ohne Priorität zu verwalten;
- • bietet
sehr günstige
und garantierte Serviceleistungen;
- • nutzt
verteilte Steuerungsmittel und hierarchische Bandbreiten- Verwaltungsmittel;
- • nutzt
Netzverwaltungs-Statistiken zur Anpassung der Bandbreitenzuweisung;
- • kann
eine raten-proportionale Aufteilung (TCP/IP) für IP-Multicast emulieren;
- • kann über Standard-RF-Medienzugangs-Steuermechanismen
eingesetzt werden.
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Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile
der Erfindung ergeben sich aus dem übrigen Dokument einschließlich der
Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch eine beispielhafte Topologie für eine Ausführungsform des Systems der
vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt
weitere Einzelheiten von Systemkomponenten und -ressourcen, die
zur Implementierung der Ausführungsform
von 1 dienen können;
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3 zeigt
schematisch die Beziehungen zwischen den lokalen Arbitrationservern
und dem Master-Arbitrationserver der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
ein Logikdiagramm, das ein Verfahren zur Verwaltung der Kanal-,
Rate-Zeit- und Bandbreiten-Hierarchie verschiedener Dateien zeigt,
die gemäß der Erfindung
rundgesendet werden sollen;
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5 ist
eine allgemeine Übersicht,
die den logischen Koppelpunkt von verschiedenen Komponenten des
Systems der Erfindung zeigt;
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6 ist
eine Schablone, die die dynamische Rate-Zeit-Zuweisung für die Multicast-Dateiverteilung zeigt,
die nach den Verfahren und Systemen der Erfindung erreicht wird;
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7 zeigt
die Prioritätswarteschlangen-
und Bandbreitenzuweisung, die von dem Multicastserver gemäß den Verfahren
und Systemen der Erfindung durchgeführt wird;
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8 ist
ein Hochpegel-Diagramm, das die Beziehungen zwischen dem Master-Arbitrationserver
und verschiedenen lokalen Arbitrationservern zeigt;
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9 zeigt
ein Anforderung-Erlaubnis-Protokoll zur Implementierung von Aspekten
der vorliegenden Erfindung; und
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10 ist
ein Logikschema, das den Adaptierungsmechanismus zeigt, nach dem
die Verfahren und Systeme der vorliegenden Erfindung an veränderliche
Netzbedingungen anpaßbar
sind, um Dateien effizienter zu verteilen.
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Genaue Beschreibung
der Zeichnungen
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Bevor die Zeichnungen und Ausführungsformen
im einzelnen beschrieben werden, sollen nachstehend einige Ausdrücke erläutert werden,
um die hier verwendete Terminologie zu klären. Ein weitergehendes und
volles Verständnis
dieser Ausdrücke
ist für
den Fachmann auf dem Gebiet aus der Gesamtbeschreibung ersichtlich.
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baseT: Ethernet-Netz 100 Mbps-Verbindung.
- • Client:
Ein Client ist ein Programm, das mit einem Serverprogramm zusammenwirkt,
das sich auf einer entfernten Maschine befinden kann.
- • CRC:
Cyclischer Redunanz-Check – eine
Art von Prüfsumme,
die zur Validierung von Daten allgemein nach Speicherung oder Transport
dient.
- • DNS:
Domänennamesystem
- • DVB:
digitales Fernsehen
- • EDI:
elektronischer Datenaustausch
- • FDM:
Frequenzduplex
- • IP:Internetprotokoll
- • Lokaler
Arbitrationserver: Dies ist ein Computer wie etwa eine Workstation,
auf dem Software läuft,
so daß er
bestimmen kann, welche Aufträge
nach welchem Ablaufplan und auf welcher Bandbreite in die Warteschlange
zu stellen sind. Der lokale Arbitrationserver hat lokal Überblick über den
Bedarf an Ressourcen.
- • Master-Arbitrationserver:
Dies ist ein Computer wie etwa eine Workstation, auf dem Netzsteuerungssoftware
läuft,
die die Gesamtressourcen verwaltet, und der eine Ablaufplanungsfunktion
hat. Der Master-Arbitrationserver weist Kanäle, eine Sammelrate und/oder
eine Sammelzeitscheibe zu. Der Master-Arbitrationserver "entscheidet" zwischen den Anforderungen nach Satellitenressourcen
von verschiedenen Inhaltsprovidern, den Netzkapazitäten und
den lokalen Arbitrationservern.
- • Multicast:
Ein Verfahren zum Senden einer Übertragung
an eine ausgewählte
Untergruppe von Empfängern
(im Gegensatz zu Punkt-zu-Punkt-Senden oder Rundsenden).
- • MPEG2:
Digitaler Bildkompressions- und -übertragungsstandard der zweiten
Generation, formalisiert durch die Moving Pictures Experts Group.
- • NT:
Kurz für
Windows NT Server, ein Betriebssystem von Microsoft Corporation.
- • Außerband:
Nicht mit dem betreffenden Signal gesendet. Kann auf einer anderen
Frequenz sein oder über eine
vollständig
andere Einrichtung (z. B. Internet im Gegensatz zu Satellit).
- • PIDs:
Programmidentifizierer gemäß der Definition
durch MPEG.
- • Prioritätsinformation:
Dies betrifft Informationen, die die Arbitrationserver nutzen können, um
einem Auftrag eine bestimmte Priorität zuzuweisen. Die Information
kann einfach nur ein vorher zugewiesener Prioritätscode und eine Abgabezeit
für detailliertere
Information sein wie etwa der Kreditwürdigkeit des Sendenden, dem
vom Sendenden gebotenen Geschäftsvolumen,
dem Wert der Informationen, ob der Sendende eine Extragebühr für eine bestimmte
Dienstgarantie zahlt, usw. Mit diesen Informationen in der Hand
können
Fachleute erkennen, daß die
Server oder zugewiesenen Programme eine Priorität zuweisen können. Ein
weiterer beachtenswerter Faktor im Hinblick auf Prioritätsinformation
kann am Server gespeichert und bei der Zuweisung der endgültigen Priorität genutzt
werden.
- • QPSK:
Quadratur-Phasenumtastung.
- • Ablaufsteuerung:
Ein Programm, das garantiert, daß ein angeforderter Inhalt
erfolgreich nach Ablaufplan übertragen
worden ist.
- • Server:
Ein Programm, das Clients spezifische Dienste bietet (z. B. Datenbank-
oder Protokollverwaltung). Es ist häufig ausreichend wichtig (oder
hinreichend beschäftigt),
um allein auf einer dedizierten Maschine zu laufen.
- • Zeichengabekanal:
Ein separater Kanal, der zur Steuerung der Aktivität auf anderen
Kanälen
oder von anderen Prozessen genutzt wird.
- • TDM:
Zeitmultiplex
- • Uplink-Station:
Dies betrifft eine Zusammenstellung von Einrichtungen zum Senden
(oder auch Empfangen). Jede Station kann Datenübertragungseinrichtungen zur
Verbindung mit einem Netz oder Computer zum Empfang von Dateien,
Aufwärtsumwandlungseinrichtungen,
einen HF-Verstärker
und die eigentliche Sendeantenne enthalten.
- • WWW:
World Wide Web, eine Internet-Hypermedienanwendung.
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Überblick über die vorliegende Erfindung
(1-3):
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1 zeigt
verschiedene Komponenten, die einen Teil der Architektur des Systems
der Erfindung bilden. Ein Master-Steuerungsnetz 100 erlaubt
einem Master-Arbitrationserver 110, verschiedene lokale
Arbitrationserver 120 zu steuern. Jeder lokale Arbitrationserver 120 ist
mit einem lokalen Multicastserver 122 und einem Satellitensender 130 verbunden.
Jeder lokale Multicastserver 122 speichert den Inhalt,
der über
die Netztransporteinrichtungen wie etwa das Satellitennetz von 1 zu verteilen ist. Konzeptuell
zeigt 1 ein verteiltes
hierarchisches System, bei dem jeder Satellitensender 130 eine
Gruppe von Clients hat, die verschiedene Satellitenempfänger 150 aufweisen.
Die Satellitensender 130 haben ihrerseits lokale Multicastserver 122,
die als Ablaufsteuerungen wirken, und einen lokalen Arbitrationserver 120.
Es ist zu beachten, daß die Funktionalität der Multicastserver 122 und
Bandbreitenverwalter 120 an einer oder mehreren Workstations oder
Computerplattformen implementiert werden kann.
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Der Satellitensender 130 kommuniziert über Satellit 140 mit
verschiedenen Satellitenempfängern 150, die über einen
Fern-Rückkanal 160 mit
den lokalen Arbitrationservern 120 und dem Master-Bandbreitenverwalter 110 gekoppelt
sind. Der Master-Arbitrationserver 110 ist mit einer Datenbank 112 verbindbar,
die über ein
Netzverwaltungs-Untersystem 114 mit Netzverwaltungsdaten
versorgt wird. Das Mastersteuerungsnetz 100 erlaubt eine
Außerband-Verbindung zwischen
verschiedenen Komponenten des Systems von 1. Beispielsweise kann das Mastersteuerungsnetz 100 ein Übertragungsnetz
sein, das für
TCP/IP-, VSAT-, Frame-Relay-, ATM- oder Internetverbindungen ausgelegt
ist. Ebenso kann der Fern-Rückkanal 160 ein
Rückkanal
zum Empfang von Downlink-Information sein (z. B. Bestätigung des
Dateiempfangs/Sendestatus), die ein Übertragungsnetz wie etwa ein
paketvermittelndes öffentliches
Datennetz oder das Internet sein kann.
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2 zeigt
eine Implementierung der in 1 gezeigten
Architektur. 2 zeigt
eine Implementierung des Steuerungssystems der Erfindung, wobei
eine Vielzahl von Satelliten-Uplink-Stationen 210 sich
eine Einwegbandbreite eines Satelliten 202 teilen durch
Ablaufsteuerung des Zugangs zu Uplink-Erdstationen 210 über einen
zentralen Server 220, der an einem zentralen Ort zur Speicherung
von Bilddaten 222 angeordnet ist. Jede der Uplink-Erdstationen 210 hat
Zugang zu dem zentralen Server 220 durch das Internet (oder
irgendeine andere geeignete Verbindungsstrecke). Der zentrale Server 220 kann
die Zuweisung von Bandbreite innerhalb eines Transponders, die Zuweisung
von Vielfach-Transpondern an einem Satelliten und/oder die Zuweisung
von Bandbreite über
eine Vielzahl von Satelliten 202 steuern.
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Jede Uplink-Station 210 umfaßt Satelliten-Übertragungs-
und Formatierungseinrichtungen, die dem Fachmann bekannt sind. Den
Uplink-Stationen 210 sind
ein oder mehr fokale Multicast-Server 212, 214 zugeordnet,
von denen jeder die Zugangssteuerung an der Erd-Uplinkstation 210 und
den lokalen Speicher für
Daten 222, die über
den Satelliten 202 zu senden sind, bereitstellt. Die Multicast-Server 212, 214 haben
Zugang zum Internet (oder einem anderen geeigneten Übertragungsweg)
zur Nachrichtenverbindung mit dem zentralen Server 220 über einen
lokalen Zeichengabeserver. Außerdem
kann die Uplink-Erdstation 210 Satelliten-Modemeinrichtungen,
die mit dem lokalen Multicast-Server verbunden sind, sowie Satelliten-Erdstation-Übertragungseinrichtungen haben.
Eine beispielhafte Ausführungsform
einer Steuersystemarchitektur gemäß der vorliegenden Erfindung
ist in 2 dargestellt,
wobei zwei einer möglichen
Vielzahl von Uplinks gezeigt sind.
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Jeder lokale Multicast-Server 212, 214 kann
Datenpakete in Dateien speichern. Jede Datei kann einzelnen zur Übertragung
ausgewählt
werden oder zur Übertragung
im Stapelbetrieb gruppiert sein. Wenn eine Datei zur Übertragung
ausgewählt
ist, folgt man zur Übertragung
einem ausgewählten
Protokoll.
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Beispielsweise kann der lokale Multicast-Server 212 ein Übertragungsfenster
vom zentralen Server 220 anfordern. Ein Master-Arbitrationserver 220 priorisiert Übertragungen über die
verfügbaren
Ressourcen des Satelliten 202. Zugang zu den Satelliten-Ressourcen
kann entweder auf der Basis der "Abfragegerechtigkeit" oder nach irgendeinem
Prioritätsschema
gewährt
werden, um eine spezielle garantierte Dienstequalität (QOS)
zu ermöglichen.
Der zentrale Server 220 kann auch ein Bandbreiten-Verwaltungssystem
aufweisen, das sicherstellt, daß die
verfügbare
Satelliten-Ressource niemals überbelegt
wird. Bei einem Protokoll gemäß der Erfindung
kann der zentrale Server 220 dem anfragenden lokalen Multicast-Server 212 eine
Nachricht übermitteln,
die das Sendefenster für
die spezielle Dateiübertragung
genau auflistet. Der zentrale Server 220 erlaubt die eigentliche Übertragung über den
Satelliten 202, indem er eine Autorisierungsmeldung für die bezeichnete
Satelliten-Ressource an den lokalen Multicast-Server 212 sendet,
der planmäßig senden
soll. Kein lokaler Multicast-Server darf mit dem Übertragen
von Daten über
die Satelliten-Ressource
beginnen, bevor er die Autorisierungsmeldung erhalten hat, und auch
nicht vor der autorisierten Startzeit. Das Steuersystem nutzt Autorisierungsmeldungen
als die Methodik, um sicherzustellen, daß in jedem Augenblick nur eine
Uplink-Erdstation Zugang zu den Ressourcen des Satelliten 202 hat.
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Nach Empfang der Autorisierungsmeldung
vom zentralen Server 220 verwaltet der Multicast-Server 212 die Übertragung
der Daten durch den Satelliten- Transponder.
Genau zu der autorisierten Zeit wird der Träger für die Uplink-Station 210 aktiviert,
und der Ausgang des Multicast-Servers 212 speist die Modulationseinrichtung
der Uplink-Erdstation 210. Nach der Modulation erfolgt
die Aufwärtsumwandlung
und Verstärkung
zur Übertragung
durch den Transponder des Satelliten 202. Es kann jede
Anzahl von Anwendungen genutzt werden, um den Datenfluß über den
Satelliten zu verwalten. Dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannte
Protokolle können
angewandt werden, um selektiv Daten erneut zu senden, die verfälscht waren,
bevor sie von den Erdstationen empfangen wurden.
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Der Multicast-Server nutzt das Internet
(oder einen anderen geeigneten Verbindungsweg) für Kommunikationen mit den empfangenden
Stationen oder "Clients". Nach Ablaufsteuerung
einer Übertragung
mit dem zentralen Server 220 stellt er Kontakt mit den
Client-Stellen 230 durch eine offene Multicast-Gruppenadresse her.
Kontakt mit der offenen Gruppe wird hergestellt, und die Mitglieder
der kleineren Übertragungsgruppe
werden angewiesen, damit zu beginnen, in eine Satelliten-Ressource "hineinzuhören", um die Übertragung
zu erhalten. Nach dem Umschalten zu der neuen geschlossenen Gruppenadresse
wird jeder Client in der neu gebildeten "geschlossenen Gruppe" angewiesen, sich bei dem Multicast-Server 212, 214 zu
registrieren, der die Sitzung initiiert hat. Die IP-Adresse des
Servers für
diese Antwort wird während
des Registrierungsvorgangs weitergegeben. Diese Antwort erfolgt über das
Internet (oder einen anderen geeigneten Übertragungsweg für Rückdaten),
und dieser Client (oder diese Empfangsstelle 232, 234)
kann nunmehr damit beginnen, die in dieser speziellen geschlossenen
Sitzung zu verteilenden Multicast-Daten zu empfangen.
-
Während
ein lokaler Multicast-Server 212, 214 zum Übertragen
autorisiert wird, kann der zentrale Server 220 ihm eine
Aktualisierungsmeldung senden, die eine vergrößerte oder reduzierte Bandbreite
zuweist und/oder die Frequenzzuordnung ändert. Er kann den lokalen
Multicast-Server 212 sogar auffordern, eine Übertragungspause
einzulegen. Der Multicast-Server 212 unternimmt dann geeignete
Schritte, um seine Gruppe zu dieser Änderung zu veranlassen, und sendet
dann eine Bestätigungsmeldung
an den zentralen Server 220 zurück. Das ermöglicht dem zentralen Server 220 die
Abwicklung von QOS-Anforderungen höherer Priorität und das
Verhindern der Fragmentierung von Bandbreite innerhalb eines Transponders.
Wenn der Multicast-Server 212 vor seiner zugewiesenen Zeit
fertig ist, kann er den zentralen Server 220 von seiner
Absicht in Kenntnis setzen, auf die übrige Zeit zu verzichten. Das
ermöglicht
dem zentralen Server 220 eine Neuzuweisung dieser Zeit.
Er muß seinen
Träger
aktiv lassen, bis er eine aktualisierte Autorisierungsmeldung vom zentralen
Server 220 erhält,
die ihm den genauen Zeitpunkt mitteilt, zu dem er seinen Träger abschalten
muß. Er
kann auf die gleiche Weise zusätzliche
Zeit anfordern, aber der Vorgang der Zuteilung von zusätzlicher
Zeit muß vor
dem Ende der ursprünglichen
Autorisierung abgeschlossen sein. Der Multicast-Server 212 muß seinen
Träger
zu dem genauen Zeitpunkt abschalten, der in der aktuellen Autorisierungsnachricht
bezeichnet ist.
-
3 ist
eine Zusammenfasssung der Architektur eines Systems zur Implementierung
der Erfindung. Ein Master-Arbitrationserver 300, der zwischen
den verschiedenen Anforderungen nach Satelliten-Uplinkzeit und den
lokalen Arbitrationservern 302 entscheidet, ist über ein Übertragungsnetz 310 mit
verschiedenen Multicast-Servern 320 verbunden, die entfernt
von dem Arbitrationserver 300 vorgesehen sind. Durch einen IP-Gateway 330 schieben
die Server 320 Inhalte in einen Standard-DVB-Modulator 340 zur
Aufwärtsübertragung über eine
Einrichtung 350 mit dem von dem Master-Server und den lokalen
Arbitrationservern vorgegebenen Ablauf und der Rate, wie nachstehend
beschrieben wird. Die Uplink-Station hat verschiedene Komponenten
einschließlich
des Modulators 340, der Uplink-Einrichtung 350 oder
der Antenne 360 zur Übertragung von
Dateien zu dem Satelliten 370.
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Dynamische Bandbreiten-
und Zeitscheiben-Zuweisung (4-9):
-
4 zeigt
eine logische Übersicht über ein
Verfahren gemäß der Erfindung
zur dynamischen Zuweisung von Raten und Zeiten zu Dateien für die Übertragung über Netztransportressourcen
wie etwa einen Satelliten. 4 zeigt
eine verteilte Steuerungshierarchie, wobei die Schritte im Bereich 420 von
einem Master-Arbitrationserver 410 und die Schritte im
Bereich 430 von den lokalen Arbitrationservern ausgeführt werden.
Der Master-Arbitrationserver 410 empfängt eine Vielzahl von Anforderungen
zur Verteilung von Inhalten und weist jeder Anforderung einen bestimmten
Kanal zu, der durch Frequenzen F1, F2, Fn dargestellt ist. Jeder
Kanal hat eine Anzahl Zeitschlitze, denen der Master-Arbitrationserver 410 bestimmte
Aufgaben zuweist. Somit unterteilt der Master-Arbitrationserver 410 den Kanal 1 in
die Zeitschlitze T1 1, T1 2, T1 n, wobei der erste Zusatz den Kanal
und der zweiten die Zeitscheibe bezeichnet. Der Master-Arbitrationserver 410 kann eine
Datenbank unterhalten, die die Kapazität auf jedem Kanal beschreibt,
die für
das Netz verfügbar
ist.
-
Die lokalen Arbitrationserver empfangen
von dem Master-Arbitrationserver die ursprüngliche Zeit- und Kanalinformation
sowie eine anfängliche
Bandbreitenmenge. Danach weist jeder lokale Arbitrationserver seinen
Aufträgen
eine Rate zu und kann die Aufträge
weiter in verschiedene Zeitscheiben mit verschiedenen Raten unterteilen,
um die Ressourcen, die diesem lokalen Arbitrationserver zugewiesen
wurden, effizienter zu nutzen. So zeigt 4 in dem Bereich 430, wo lokale
Arbitrationserver dem Kanal 1, Zeitscheibe 1,
einen Ratenbezeichner 1 zuweisen, was in T111 bis T11n
verschiedenen Raten resultiert, die auf den ersten Zeitschlitz in
dem ersten Kanal angewandt werden. Als Beispiel sei in 4 angenommen, daß der Master-Arbitrationserver r dem
Kanal 1 eine Zeitscheibe von 30 Sekunden zuweist. Wie 5 zeigt, wird der nächste Level
hierarchisch von den lokalen Arbitrationservern 520 gesteuert,
die jeweils mit dem Master-Arbitrationserver 510 (der gleich
dem Server 410 in 4 ist)
und mit verschiedenen Clients 530, 532 kommunizieren,
die beispielsweise die Uplink-Stationen oder lokalen Multicast-Server
umfassen. Jeder lokale Arbitrationserver 520 weist eine
Rate zu und kann ferner den Zeitschlitz in zwei Schlitze von jeweils
15 Sekunden mit einer Rate von jeweils 5 Mbps unterteilen. Ohne
die weitere Zeitaufteilung wäre
das System den Zufallsfehlern ausgeliefert, die bei der Dateiübertragung
immer vorhanden sind, mit dem Ergebnis, daß ein Fehler auftritt und den
Auftrag verzögert.
-
6 ist
ein Versuch, die Freiheitsgrade zu zeigen, die das hierarchische
System der Erfindung bei der Zuweisung von Rate und Zeit für die Multicast-Dateiverteilung bietet.
Die in 6 gezeigten Spalten
repräsentieren
die verschiedenen zugewiesenen Raten, wogegen die Reihen die Zeitschlitze
darstellen. Für
jede Frequenz gibt es also eine Raten- und Zeitmultiplexierung der
IP-Pakete, in die die Dateien unterteilt sind. Die 7 und 8 zeigen
auf ähnliche
Weise, wie die lokalen und Master-Arbitrationserver 720 und 722 (oder 810, 820 in 8) mit dem lokalen Multicast-Server 710 (der
den Übertragungsinhalt
bereitstellt) zusammenwirken, um eine Prioritäts-Warteschlange zu schaffen, die die Raten-
und Zeitzuweisung für
verschiedene Aufträge umfaßt.
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9 zeigt
eine spezielle Implementierung eines Anforderungs-/Gewährungs-Protokolls, über das
die lokalen Arbitrationserver den Master über ihren Bedarf an neuen Zuweisungen
informieren. Wie 9 zeigt, sendet
in der Übertragungseinrichtungsphase
der Client, der den Auftrag übertragen
möchte,
zuerst eine Anforderung. In diesem Fall kann der Client der lokale
Arbitrationserver sein, der eine Anforderung für eine Dateiübertragung
und die zugehörige
Prioritätsinformation
empfangen hat. Die Anforderung von dem lokalen zu dem Master-Arbitrationserver
bildet einen Warteschlangen-Deskriptor, der Prioritätsinformation über den
Auftrag detailliert, sowie eine Abgabeanforderung, die die Beendigungszeit
bezeichnet. Der Master-Arbitrationserver,
der den Bedarf am Gesamtnetz kennt, empfängt eine Vielzahl von Anforderungen
von einer Vielzahl von Clients. Er analysiert, priorisiert und steuert
den Ablauf der Anforderungen auf der Basis der Netzressourcen, der
Leistungs- und der Anforderungsprioritätsdaten. Er leitet dann jedem
der lokalen Arbitrationserver eine Anforderungsantwort zu, die Rate,
Zeitscheibe, Kanal-ID (z. B. Frequenz) und eine Transaktions-ID
für Verfolgungszwecke
vorgibt.
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Als nächstes erfolgt die Ablaufsteuerung
und Durchführung
der Übertragung
von dem lokalen Arbitrationserver und zugehörigen Einrichtungen. Es kann
sein, daß während oder
nach der Übertragung
der Master-Arbitrationserver erkennt, daß der lokale Arbitrationserver
mehr Kapazität
zum Abschluß seines
speziellen Auftrags benötigt.
Beispielsweise kann der Master-Arbitrationserver
dem lokalen Arbitrationserver nur genügend Netztransportkapazität gegeben
haben, um einen Teil des betreffenden Auftrags abzuschließen, kann diesen
Mangel bemerkt und zusätzliche
Systemressourcen gesucht haben, um die Übertragung der restlichen Datei
zu ermöglichen.
Oder der Master-Arbitrationserver kann Informationen hinsichtlich
der Ressourcenleistung im Netz empfangen haben (siehe 10), die ihn zu einer Neubewertung
dahingehend veranlassen, ob die freigegebenen Ressourcen ausreichen.
In beiden Fällen
sendet der Master-Arbitrationserver automatisch eine inkrementelle
Zuweisung an den lokalen Arbitrationserver und erlaubt ihm zusätzliche
Bandbreite (z. B. Rate) oder Zeit auf dem gleichen oder einem anderen
Kanal. Umgekehrt kann der lokale Arbitrationserver auch den Master über eine
inkrementelle Anforderungszuweisung um zusätzliche Bandbreite, Zeit, Kanalkapazität usw. bitten
auf der Basis der Anforderungen und der Leistung der ihm zur Verfügung stehenden
lokalen Ressourcen. Auch hier wird eine spezielle Transaktions-ID
als Teil dieser Anforderungs-/Gewährungs-Protokolle ausgetauscht
sowie geeignete Auftragsinformation wie etwa zum Transport verbleibende
Dateigröße usw.
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Durch die Nutzung dieser Techniken
stellt das System der Erfindung eine viel größere Flexibilität für den Dateitransport
bereit. Statt daß beispielsweise
die lokalen Ressourcen gebunden bleiben müssen, während sie versuchen, eine Dateiübertragung
während
einer vorgegebenen Anzahl von Malen zu komplettieren, während gleichzeitig
andere Dateien oder Teile davon nicht über die Netzressource gesendet
werden können, erlaubt
die Anwendung der Erfindung den lokalen Arbitrationservern eine
intelligente Anpassung an Netzbedingungen. Auf diese Weise können die
lokalen Arbitrationserver entscheiden, daß ein Teil der Paketdatei gesendet
und der Rest in die Ablaufsteuerung für später eingeplant wird, oder sie
können
entscheiden, daß auf einen
vollkommen anderen Auftrag umgeschaltet wird. Diese Flexibilität nutzt
die lokalen Ressourcen besser, weil die lokalen Arbitrationserver
sicherstellen können,
daß etwaige
Kapazitäts-"Zwischenräume" mit Teilen von Aufträgen ausgefüllt werden.
Dabei unterhält
der Master-Arbitrationserver immer noch die Steuerung über die
Gesamtnutzung der Netzressourcen und kann ein Bild der Netznutzung
und -kapazität
auf der Basis der Anforderungen für Zuweisungen erstellen, die
von den lokalen Arbitrationservern erzeugt werden.
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Adaptive Bandbreiten-
und Zeitscheiben-Zuweisung (10):
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10 zeigt
im einzelnen einen anderen Aspekt der Erfindung. In jedem Kommunikationsnetz
ist es wichtig, das Betriebsverhalten von verschiedenen Netzressourcen
wie Schaltern, Routern, Links und dergleichen zu überwachen.
Die Erfindung ist auch an Änderungen
in Netzbedingungen anpaßbar,
wobei die Überwachungsinformation
den Master-Arbitrationserver über
die Änderungen
der Netzbedingungen in Kenntnis setzt. Beispielsweise zeigt 10 schematisch eine vereinfachte
Rückführungsschleife,
wobei die Ablaufsteuerung, z. B. der Master-Arbitrationserver, Information von einem
Netzüberwachungs-Untersystem 1010 wie etwa
einem Solarris Openview oder dergleichen empfängt, das eine Verkehrsdateneinspeisung
in Bezug auf Netzbedingungen bereitstellt. Diese Information wird
mit den Zielen der Systemoptimierung wie Servicegüte, Nutzung
der Kapazität
usw. verglichen. Diese Parameter werden von dem Master-Arbitrationserver
gemeinsam berücksichtigt,
wenn er seine ursprüngliche
Ablaufsteuerungs- oder Bandbreiten-Zuweisungstabelle 1020 erstellt.
Selbstverständlich
kann jeder lokale Arbitrationserver ebenfalls eine Dateneinspeisung
erhalten, die allgemeine Netzbedingungen oder das Betriebsverhalten
und die Kapazität
der Übertragungseinrichtungen beschreibt,
die diesem lokalen Arbitrationserver zugeordnet sind.
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Zeitmultiplexbetrieb
-
Eine andere Betriebsart des zentralen
Servers und von Zeichengabesystemservern der Erfindung erlaubt eine
TDM-Betriebsart, wobei jede Uplink-Station eine periodische feste
Zeitscheibe auf Reihumbasis erhält.
Die Dauer der Zeitscheibe kann in jedem Fall u. a. von den Fähigkeiten
der Uplink-Station abhängen,
ihre Übertragung
zu beginnen, durchzuführen
und zu beenden, könnte
aber in Millisekunden oder Mikrosekunden gemessen werden.
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Jede Uplink-Station hat eine Absolutzeit-Referenz
(etwa GPS), die ihre genaue Synchronisierung mit anderen Uplink-Stationen
ermöglicht.
Die Übergangszeit
von jeder Uplink-Station zu dem in Gebrauch befindlichen Satelliten
ist durch die physische Lage der Uplink-Station relativ zu der Umlaufbahn
des Satelliten festgelegt. Es ist daher möglich, daß der Master-Arbitrationserver
jeder Uplink-Station
mitteilt, wann sie ihre Übertragungen
beginnt und beendet, so daß die Übertragungen
von sämtlichen
Uplink-Stationen in der TDM-Gruppe bei ihrer Ankunft am Satelliten
möglichst
eng verkettet sind.
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Die von dem Master-Arbitrationserver
jeder Uplink-Station für
den TDM-Betrieb übermittelte
Autorisierungsmeldung umfaßt
die Startzeit und Endzeit wie üblich
und umfaßt
ferner die exakte Zeitscheibendauer und -periode (die Zeitdauer
von einer Zeitscheibe für
diese Uplink-Station bis zu nächsten).
Alle lokalen Berechnungen von Sendeintervallen sind absolut deterministisch,
so daß alle
Uplink-Stationen in der Gruppe während der
gesamten Übertragungsperiode
absolut synchron bleiben, ohne daß der zentrale Server weiter
eingreift (obwohl Aktualisierungsmeldungen, wie vorher erwähnt, zulässig sind).
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Der Vorteil dieser Betriebsart ist,
daß sie
einer TDM-Gruppe nahezu jeder Größe erlaubt,
einen Satellitenkanal für
die Echtzeit-Audio- oder Videokonferenzschaltung oder den Datenaustausch
gemeinsam zu nutzen, und zwar mit einem einzigen Set von Uplink-/Empfangs-Einrichtungen.
Eine Frequenzmultiplex-Vorgehensweise (wobei jeder Uplink-Station
ihre eigene Bandbreite zugewiesen ist) erfordert separate Einrichtungen
zum Empfangen und Senden zu jedem Teilnehmer an jedem Ort.
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Neues Systemprotokoll
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Dieser Abschnitt des Dokuments beschreibt
eine Ausführungsform
einer Architektur, die Außerband-Zeichengabe
und -Steuerung für
gemeinsame Transpondernutzung unterstützt. Bei Verwendung einer einzigen
Steuereinheit pro Kanal an einem Transponder können Uplink-Stationen mit der
Steuereinheit kommunizieren und um Transponderkapazität verhandeln.
Bei Nutzung von TCP/IP als Zeichengabemechanismus ist die Unterstützung einer
Wählverbindung
ebenfalls möglich.
Dies sollte für
jeden, der ein mobiles Uplink verwendet, nützlich sein. Die Steuereinheit
und die Uplink-Stationen können
einander unter Anwendung des folgenden Protokolls Zeichen senden.
Dabei ist zu beachten, daß runde
Klammern den Zustand von Parametern bezeichnen.
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Die Nutzung der IP-Kommunikation über Satellit
in einer Richtung erfordert einen IP-Gateway an der Uplink-Station.
Die Übertragung
kann zu jedem Computersystem mit einer DVB-Satellitenkarte und einem
Modem zur Schaffung eines Rückwegs
erfolgen, obwohl der Fachmann viele andere Implementierungen kennt (wichtig
ist, daß Intelligenz
und eine Kommunikationsleitung für
Rückmeldungen
vorhanden sind). Entweder kann eine Punkt-zu-Punkt- oder Punkt-zu-Multipunkt-Kommunikation
(Multicast-Kommunikation) genutzt werden. Für die Multicast-Implementierung
kann der Serviceprovider den Multicast-Dienst von Video Networks, Inc.
(VNI) nutzen oder eine der Methoden implementieren, die von der
Internet Engineering Task Force (IETF) vorgeschlagen wurden, um
eine Wiederholungsübertragung
zu minimieren.
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Zusätzlich zu dem Zeichengabeprotokoll
kann das Hinzufügen
einer Anwendungsschnittstelle oder API zusätzlich zu TCPAP auch TCPAP-Anwendungen ermöglichen,
die an der Uplink-Station laufen, mit der Option, selektiv zu wählen, welche
Daten über
das Internet oder über
das Hochgeschwindigkeits-Satellitennetz gehen. Beispielsweise kann
die API eine "h-Write"- bzw. Hochgeschwindigkeitsschreib-Routine
enthalten, die das IP über
Satellit nutzt, wenn der Transponder frei ist. Andere Routinen können Methoden
zur Abfrage des Status der Satellitenverbindung enthalten. Die API
umfaßt
Schnittstellen zu dem Zeichengabeprotokoll für die Anforderung der Nutzung
des Transponders. Das Hinzufügen
dieser API erlaubt es IP-Anwendungen, die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung
zu verlangen und dann mit der Datenübertragung eventuell über den
Zeichengabekanal zu beginnen, bis die Kapazität am Transponder verfügbar ist.
Einzelheiten der API sind auch in dem Dokument von VNI, Shared Transponder
Technical Specifications, enthalten. Andere Überlegungen sind die folgenden:
- • Zeichengabe
ausgesetzt und wieder aufgenommen
- • Periode
der Transpondernutzung verlängern,
was eine Trennung des Zeichengabekanals während eines langen Einrichtungs-Datentransports
erlauben würde.
- • Servicequalität-Anforderung
und Zeichengabesteuerung
- • Verwalten
einer Vielzahl von Trägern
an einem Transponder.
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Es gibt verschiedene Standardsteuerungen
an dem Modulator, am Frequenz-Aufwärtswandler
und am Hochleistungsverstärker,
die genutzt werden können,
um die Ausgangsleistung der Übertragungsstrecke
zu steuern. Jede ermöglicht
es, die Übertragungsstrecke
in einen Bereitschaftszustand zu bringen, so daß sie Daten innerhalb von Millisekunden überträgt. Die
geeignete Wahl von Steuerungen ist diejenige, die die Latenzzeit
von dem autorisierten Zeitpunkt für den Übertragungsbeginn bis zur Anwesenheit
des Trägers
am Satelliten minimiert.
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Zusätzlich zu der potentiellen
Forderung nach einer physischen Umschaltung gibt es eine Forderung nach
Synchronisierungsbits am Beginn jeder Übertragung. Ein Muster von
alternierenden 1 und 0 ähnlich
dem Beginn eines Ethernet-Datenpakets
(10101010) ist für
einen gewissen Zeitraum erforderlich, um der Empfängerhardware
zu ermöglichen,
sich auf einen neuen Sender am Netz aufzuschalten. Wie in der Einleitung
vorgeschlagen wird, ist auch ein Synchronsierungstaktgeber zwischen
Sendern erforderlich. Das trägt
dazu bei, eine zu lang dauernde Signalaufschaltverzögerung jedesmal,
wenn eine Änderung
der Steuerung für
das Netz eingeführt
wird, zu eliminieren.
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Die Außerband-Zeichengabe über das
Internet erlaubt Zweirichtungs-Halbduplexübertragungen.
(Das Internet wird als Steuerungsstrecke für den Hochgeschwindigkeitspfad
genutzt.) Infolgedessen muß das
Protokoll mit dem Zeichengabesystem 7 (SS7) oder einem äquivalenten
Protokoll für
die Hochgeschwindigkeits-Kommunikation erweitert werden. SS7 oder
das Äquivalent
sollte verfügbar
sein.
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Beispielhafte
Anwendungen der vorliegenden Erfindung
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Es gibt eine Reihe von potentiellen
Anwendungen der vorliegenden Erfindung, die immer dann verwendet
werden können,
wenn es erforderlich ist, einen einzelnen Satellitentransponder
oder eine Reihe von Satellitenverbindungen in einem Netz von Uplink-Erdstationen
gemeinsam zu nutzen.
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Anwendungsfall 1 – Ablaufgesteuerte Übertragung
durch eine einzige Satelliten-Ressource
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In diesem Anwendungsfall bietet eine
einzelne Uplink-Erdstation Übertragungsdienste
für eine
Reihe von unabhängigen
Quellen durch eine einzige Satelliten-Ressource. Die Uplink-Erdstation
ist der einzige Ort, der Zugang zu der Satelliten-Ressource hat,
aber die mit der Uplink-Station gekoppelten Quellen konkurrieren um
Zugangszeit zum Satelliten. Bei diesem Anwendungsfall kann das Steuerungssystem
genutzt werden, um den Zugang zum Satelliten zu priorisieren und
den Ablauf zu steuern.
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Bei diesem Beispiel werden von den
Quellen digitalisierte Videodaten bereitgestellt und an dem Uplink-Ort
in einem Videoserver gespeichert. Das System besteht aus einer Eingangsanwendung
und erlaubt dem Anwender das Betrachten, Durchblättern und Auswählen von
Dateien zur Übertragung.
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Wenn eine Datei zur Übertragung
ausgewählt
ist, fordert der Multicast-Server eine Übertragungszeit für diese
Datei vom Master-Arbitrationserver an. Bei diesem Beispiel können der
Multicast- und der Master-Arbitrationserver ein und derselbe sein,
da es nur eine Uplink-Station gibt. Der Arbitrationserver priorisiert Übertragungen über das
Satelliten-Datenlink.
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Der Multicast-Server nutzt das Internet
(oder einen anderen geeigneten Übertragungsweg)
für Kommunikationen
mit den Empfangsstationen oder "Clients". Nach Ablaufsteuerung
einer Übertragung
mit dem Master-Arbitrationserver
nimmt er Kontakt mit den Client-Lokationen durch eine offene Multicast-Gruppenadresse
auf. Es wird Kontakt mit der offenen Gruppe aufgenommen, und die
Mitglieder der kleineren Übertragungsgruppe
werden angewiesen, damit zu beginnen, in eine Satelliten-Ressource
für die Übertragung "hineinzuhören". Nach Umschalten
zu der neuen geschlossenen Gruppenadresse wird jeder Client in der
neu gebildeten "geschlossenen
Gruppe" angewiesen,
sich bei dem Multicast-Server, der die Sitzung initiiert hat, zu registrieren.
Die IP-Adresse des
Servers für
diese Antwort wird während
des Registrierungsvorgangs weitergegeben. Diese Antwort erfolgt über das
Internet (oder einen anderen Kommunikationsweg für Rückdaten), und dieser Client
(oder die Empfangsstelle) kann nunmehr damit beginnen, die Multicast-Daten
zu empfangen, die in dieser speziellen geschlossenen Sitzung verteilt
werden.
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Der Ausgang des Multicast-Servers
wird in einen IP-Gateway eingespeist. Die meisten Hersteller von DVB-Sendekarten
bieten einen IP-Gateway zum Kapseln des Netzverkehrs innerhalb des
MPEG2-Transportdatenformats, bevor er den Satelliten-Übertragungsmodulator
erreicht. Der Modulator nutzt eine digitale Modulationstechnik zur
Modulation der Daten. Das resultierende Signal wird dann aufwärtsumgewandelt
und anschließend
verstärkt,
um über
den Satelliten zu den Clients übertragen
zu werden.
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Anwendungsfall 2 – Zugang
zu einem einzelnen Transponder über
eine Vielzahl von Uplink-Erdstationen
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Bei diesem Anwendungsfall verlangen
die Vielzahl von Uplink-Erdstationen Zugang durch eine einzelne
Satelliten-Ressource. Die Uplink-Erdstationen konkurrieren um Zugangszeit
zu der Satelliten-Ressource. Das Steuerungssystem kann verwendet
werden, um den Zugang zum Satelliten auf einer Nichteingriffsbasis innerhalb
eines Netzwerks von unabhängigen
Sendern zu verwalten.
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Bei diesem Beispiel sendet eine Vielzahl
von Uplink-Lokationen analoge Videorundsendungen zu einer zentralen
Stelle unter Nutzung eines "wenig
genutzten" Transponders.
Das Steuerungssystem hat einen Zeitblock für die Uplink-Lokationen reserviert,
um Bilder zurück
zu einer zentralen Stelle zu senden. Der Master-Arbitrationserver
steuert den Zugangsablauf zu dem Transponder durch eine Vielzahl
von Stellen für
kurze Zeiträume
innerhalb dieses Zeitblocks.
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Jede Uplink-Erdstation ist mit einem
Multicast-Server versehen, der die Zugangssteuerung an der Erdstation
bereitstellt. Die Multicast-Server können für Kommunikationen mit dem Master-Arbitrationserver
den Zugang über
Internet (oder einen anderen Übertragungsweg)
verwenden. Zusätzlich
kann die Uplink-Erdstation
eine Satelliten-Modemeinrichtung haben, die mit dem Multicast-Server
und Sendeeinrichtungen der Satelliten-Erdstation verbunden ist.
Der Master-Arbitrationserver
steuert den Zugangsablauf für
jeden einzelnen Multicast-Server,
der an einer Uplink-Erdstation angeordnet ist. Die Funktionalität des lokalen
Arbitrationservers, der oben beschrieben wurde, kann auf derselben
Plattform sein, die den Multicast-Server entfaltet.
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Der Master-Arbitrationserver sendet
an den anfordernden Multicast-Server/lokalen
Arbitrationserver eine Nachricht zurück, die sein Sendefenster enthält. Der
Master-Arbitrationserver autorisiert die eigentliche Übertragung über den
Satelliten durch Senden einer Autorisierungsnachricht für die bezeichnete
Satelliten-Ressource zu dem Multicast-Server/lokalen Arbitrationserver,
der gemäß dem Plan
senden soll. Eine Übertragung über die
Ressource kann erst beginnen, wenn eine Autorisierungsnachricht
empfangen wird. Der Master-Arbitrationserver nutzt Autorisierungsnachrichten
als die Methodik, um sicherzustellen, daß der Zugang zu der Satelliten-Ressource
in jedem gegebenen Augenblick nur durch eine Uplink-Erdstation erfolgt.
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Der Master-Arbitrationserver sendet
eine Autorisierungsnachricht, wonach der Multicast-Server/lokale Arbitrationserver
die Übertragung
der Daten durch den Satelliten-Transponder verwaltet. Der Ausgang
des Multicast-Servers/lokalen Arbitrationservers wird dann der Modulationseinrichtung
der Uplink-Erdstationen zugeführt
und dann aufwärtsumgewandelt
und verstärkt
zur Übertragung
durch den Satelliten-Transponder. Die Übertragungen werden dann von
der zentralen Stelle empfangen und zur weiteren Verarbeitung gespeichert.
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Anwendungsfall 3 – Zugang
zu Vielfachressourcen an einem einzigen Satelliten durch eine Vielzahl
von Uplink-Stellen
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Bei diesem Anwendungsfall fordert
eine Vielzahl von Uplink-Erdstationen Zugang über eine Vielzahl von Satelliten-Ressourcen
an einem einzigen Satelliten. Die Uplink-Erdstationen konkurrieren
um Zugangszeit zu den einzelnen Satelliten-Ressourcen. Das Steuersystem kann dazu
verwendet werden, verschiedene analoge oder digitale Übertragungsformate
zu unterstützen,
aber nur ein Übertragungsformat
wird in einer jeweiligen bestimmten Anwendung angewandt. Beispielsweise
könnte
das Steuersystem eine Vielzahl von analogen Videoübertragungen
durch eine Vielzahl von Transpondern oder eine Vielzahl von digitalen Übertragungen
durch einen einzigen oder eine Vielzahl von Transpondern verwalten.
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Bei diesem Beispiel sendet eine Vielzahl
von Uplink-Stellen digitalisierte Video-Rundsendungen zu einer zentralen Stelle
unter Anwendung von einem von mehreren Frequenzmultiplex- bzw. FDM-Satellitenkanälen, die
an einem einzigen Satelliten-Transponder vorhanden sind. Die Kanäle sind
auf Vollzeitbasis verfügbar. Das
Steuersystem führt
eine Zufalls-Ablaufsteuerung für
den Zugang zu den Satellitenkanälen
durch eine Vielzahl von Stellen für kurze Zeiträume aus.
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Jede Uplink-Erdstation ist mit einem
Multicast-Server versehen, der die Zugangssteuerung an der Erdstation
ermöglicht.
Die Multicast-Server haben Zugang zum Internet (oder einem anderen
Kommunikationsweg) für
Kommunikationen mit dem Master-Arbitrationserver. Zusätzlich haben
die Uplink-Erdstationsstellen eine
Satelliten-Modemeinrichtung, die mit den Multicast-Server- und Satelliten-Erdstation-Übertragungseinrichtungen
verbunden ist. Der Master-Arbitrationserver plant den Zugang für jeden
einzelnen an einer Uplink-Erdstation
angeordneten Multicast-Server. Bei diesem Beispiel kann der Multicast-Server
auch die Funktionalität
des lokalen Arbitrationservers implementieren und insbesondere die
Fähigkeit
zur Überlagerung einer
neuen Übertragungsrate
oder von neuen Zeitscheiben auf eine bestimmte Übertragungsaufgabe.
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Der Master-Arbitrationserver sendet
eine Nachricht zurück
zu dem anfordernden Multicast-Server, die sein Übertragungsfenster auf einem
der verfügbaren
Satellitenkanäle
enthält.
Der Master-Arbitrationserver autorisiert die eigentliche Übertragung über den
Satelliten, indem er dem Multicast-Server, der für die Übertragung eingeplant ist,
eine Autorisierungsnachricht für
die bezeichnete Satelliten-Ressource übermittelt. Der Multicast-Server
muß sein
Satelliten-Modem
auf den Satellitenkanal abstimmen, dem er für die Dauer der Übertragung
zugewiesen wurde. (Eine Aktualisierungsmeldung kann zu einer späteren Neuzuweisung
führen.) Die
Uplink-Station muß weiterhin
einen Träger übertragen,
auch wenn sie ihre Daten bis zum Ablauf ihrer Autorisierung aufgebraucht
hat. Wenn beträchtliche
Zeit übrigbleibt,
kann sie dem Master-Arbitrationserver
eine Aktualisierungsmeldung senden und um einen früheren Zeitablauf
bitten. Kein Multicast-Server ist autorisiert, mit der Datenübertragung über die
Ressource zu beginnen, solange er keine Autorisierungsmeldung empfangen
hat. Das Steuersystem nutzt Autorisierungsmeldungen als die Methodik,
um sicherzustellen, daß jeweils nur
eine Uplink-Erdstation Zugang zu der Satelliten-Ressource hat. Ein
Multicast-Server muß die
Trägerübertragung
zu dem exakten Zeitpunkt beenden, der in seiner aktuellen Autorisierungsnachricht
angegeben ist.
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Nach dem Empfang einer Autorisierungsnachricht
von dem Master-Arbitrationserver
verwaltet der Multicast-Server die Übertragung der Daten durch
den Satelliten-Transponder. Der Ausgang des Multicast-Servers wird
dann in die Uplink-Erdstation-Modulationseinrichtung gespeist, die
zum Betrieb durch ihre zugewiesene Satelliten-Ressource eingestellt
worden ist. Das Signal wird dann aufwärtsumgewandelt und verstärkt, um
durch den Satelliten-Transponder übertragen zu werden. Die Übertragungen
werden von der zentralen Stelle empfangen und zur Weiterverarbeitung
gespeichert.
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Anwendungsfall 4: Satelliten-/Ü-Wagen-Fernübertragung
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Bei diesem Anwendungsfall enthält ein entfernter Ü-Wagen einen
Zeichengabesystemserver und Multicast-Server mit einer Internet-Verbindung
(eventuell drahtlos, z. B. Zellenfunk). Viele behandelte Ereignisse sind
von kurzer Dauer mit unbestimmter Anfangszeit, und eine Echtzeiteinspeisung
ist nicht erforderlich. Anstatt Satelliten-Bandbreite beim Warten
auf den Beginn eines Ereignisses zu vergeuden, kann der Ü-Wagen das
Ereignis aufnehmen (entweder auf Band, für einen Analog-Transponder,
oder direkt digitalisiert zu dem Multicast-Server für einen
Digital-Transponder), und dann eine Autorisierung anfordern. Wenn
er die Autorisierungsnachricht empfängt, sendet er das Segment.
Bei Ablauf der Autorisierung deaktiviert er den Träger, der Bediener
erhält
eine "Alles-erledigt"-Anzeige, und der Ü-Wagen kann
weiterfahren.
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Anwendungsfall 5: Virtueller
Teleport
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Mehrere Uplink-Stationen, die von
dem gleichen Master-Arbitrationserver für einen bestimmten Satelliten
verwaltet werden, können
Einrichtungen haben, um Satelliten zu erreichen, die für andere
Mitglieder der Gruppe nicht verfügbar
sind. Beispielsweise kann eine Uplink-Station an der Ostküste Teil
derselben Gruppe wie eine Uplink-Station an der Westküste in Bezug
auf einen Satelliten mit kontinentaler Abdeckung der USA sein. Die
Uplink-Station der Ostküste
kann außerdem
Zugang zu einem europäischen
Satelliten haben, und die Uplink-Station
an der Westküste
kann Zugang zu einem asiatischen Satelliten haben. Wenn Master-Arbitrationserver
Ressourcen an allen Satelliten steuern, kann ein virtueller weltweiter
Teleport zur Ablaufsteuerung von Ressourcen zwischen Europa und
Asien oder zwei beliebigen anderen Punkten etabliert werden.
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Anwendungsfall 6: Echtzeit-TDM-basierte
Telekommunikation einschließlich
Videokonferenzschaltungen
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Bei Nutzung der oben umrissenen Echtzeit-Multiplexstrategie
ist es möglich,
einen Master-Arbitrationserver zu verwenden, um Gruppen von verwalteten
Clients für
Telekonferenzen zu versammeln. Vorhandene Videokonferenzeinrichtungen
können
verwendet werden. Dabei gibt es nur eine geringe zusätzliche
Verzögerung
gegenüber
einer Einzelsatelliten-Verzögerung
(etwa in der Größenordnung
von 50 Millisekunden für
fünf interaktive
Teilnehmer). Jede Zahl von zusätzlichen
Stellen kann in einem Nur-Empfangs-Modus mit dem entsprechenden Zeichengabesystem-Server
teilnehmen.
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Die vorstehenden Ausführungen
dienen der Veranschaulichung, Erläuterung und Beschreibung von mehreren
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. Modifikationen und Anpassungen an diese
Ausführungsformen
sind für
den Fachmann ersichtlich und können
erfolgen, ohne vom Umfang der Erfindung und der Ansprüche abzuweichen.
Ferner schränken
die in diesem Dokument beschriebenen Ausführungsformen den Umfang der
nachfolgenden Ansprüche
in keiner Weise ein, da der Fachmann auf dem Gebiet weiß, daß die vorliegende
Erfindung ohne weiteres zum Gebrauch mit anderen Vorrichtungen und
Systemen modifiziert werden kann.
