DE60118269T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Synchronisierung und Übertragung von Echtzeit-Medieninhalt in einem Paketnetz - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Synchronisierung und Übertragung von Echtzeit-Medieninhalt in einem Paketnetz Download PDF

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    • H04L69/28—Timers or timing mechanisms used in protocols

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft Multimedien-Netzwerke und insbesondere die Synchronisation von mit Mehrpunktverbindung verteilten Medieninhalten bei Wiedergabe in mehreren Multimedien-Vorrichtungen, z. B. Monitoren und Audio-Systemen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In manchen Situationen, wie etwa bei Tagungen und in Ausstellungshallen, ist es erforderlich, dieselben Videoinhalte synchronisiert auf mehreren Video-Monitoren abzuspielen. Allgemein ist es ebenso erforderlich, Audioinhalte und Videoinhalte zwischen verschieden positionierten Monitoren und Lautsprechern zu synchronisieren. Gegenwärtige Echtzeit-Medien-Übertragungstechnologie ermöglicht ein Übertragen eines Audio/Video-Datenstroms über nicht-garantierte Dienstgüte(QoS, Quality of Service)-Paket-Netzwerke mit angemessener Qualität und zu geringeren Kosten im Vergleich zu Netzwerken mit höherer Qualität. Somit liegt ein Bedürfnis zum Abspielen von Multimedien-Inhalten vor, die an eine Mehrzahl von Empfängern über ein Paket-Netzwerk in synchronisierter Weise verteilt werden.
  • 1 zeigt ein bekanntes Multimedien-Inhalt-Verteilungssystem, allgemein mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet, welches ein Paket-Netzwerk verwendet. Ein Multimedien-Server 12 erzeugt einen Datenstrom von Multimedien-Paketen 14 mit einer konstanten Rate (Paketrate); z. B. ein Paket alle 20 ms. Die Paketgröße hängt vom Multimedien-Codec ab, der zu Paketen mit fester Größe oder variabler Größe führen kann. Die erzeugten Multimedien-Pakete werden dann über ein Paketnetzwerk 16 mit mehreren Routern oder Knoten 18, 20, 22, 24, 26, 28 und 30 darin übertragen und an eine Mehrzahl von Multimedien-Empfängern 32, 34, 26 und 38 verteilt. Der Mechanismus des Verteilens an eine Vielzahl von Vorrichtungen ist als "Mehrpunktverbindung" wohlbekannt. Alle Empfänger, die Multimedien-Inhalte von einem Server empfangen wollen, bilden eine Mehrpunktverbindungs-Gruppe. Die Router im Paket-Netzwerk 16 sind über die Mehrpunktverbindungs-Gruppe unterrichtet und übertragen empfangene Multime dien-Pakete an mehrere Verbindungen. Jeder Empfänger ist mit einem Lautsprecher und/oder einer Video-Anzeige ausgestattet und spielt jeweils die Inhalte der empfangenen Multimedien-Pakete in Echtzeit ab. Die Multimedien-Empfänger können empfangene Multimedien-Pakete für einige Zeit puffern, um die durch das Netzwerk verursachte Verzögerungsstreuung zu kompensieren und Multimedien-Pakete in der richtigen Reihenfolge wiederzugeben.
  • In üblichen Paket-Netzwerken wie einem IP-Netzwerk werden Pakete in jedem Router eingereiht. Wie lange ein Paket in einer Reihe verbleibt, hängt von der Menge des Verkehrs ab, die ein entsprechender Router zu handhaben hat. Somit weist jedes an jeden Multimedien-Empfänger verteilte Multimedien-Paket eine nicht-vorhersehbare Verzögerung auf. Dadurch lassen sich Audio-/Video-Inhalte an verschiedenen Orten ohne Synchronisation abspielen.
  • Wie vorhergehend erwähnt wurde, ermöglicht eine Echtzeit-Multimedien-Übertragungstechnologie derzeit ein Übertragen eines Audio/Video-Datenstroms über nicht-garantierte Dienstgüte(QoS)-Paket-Netzwerke mit angemessener Qualität. Wie bei mobilen Internet-Zugängen mit ihrer Datenübertragung über Bandbegrenzte Kommunikationskanäle, wie drahtlosen Datennetzwerken, ist die Technologie zum Übertragen von Echtzeit-Multimedien-Paketen mit minimaler Bandbreite wesentlich und von zunehmender Bedeutung.
  • Ein Paket-basiertes Echtzeit-Multimedien-Übertragungssystem ist in 2 dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 40 gekennzeichnet. Eine Multimedien-Quelle oder -Server 42 überträgt periodisch Multimedien-Pakete 44 mit Audio/Video-Multimedien-Inhalten an ein Paket-Netzwerk 46. In dem Paket-Netzwerk 46 wird jedes Multimedien-Paket von einer Mehrzahl von Netzwerkknoten oder Routern 48, 50, 52 und 54 weitergeleitet und an einen Empfänger 56 verteilt. Jedes Multimedien-Paket enthält Zeitsteuerungsinformation, die zum Einstellen der Zeitsteuerung für die Wiedergabe in einem Empfänger 56 verwendet wird. Die mehrfachen Router und Empfänger in 1 sind in 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
  • Das Paket-Netzwerk 46 verursacht Verzögerungen variabler Länge bei der Verteilung jedes Multimedien-Pakets. Zusätzlich garantiert das Netzwerk 46 keine Verteilung der Multimedien-Pakete in einer mit der Übertragung übereinstimmenden Reihenfolge. Somit ist ein Empfänger normalerweise mit einem Puffer ausge stattet, um Verzögerungsstreuungen und/oder Umordnungen im Multimedien-Paketemfang zu bewältigen. Aufgrund der Echtzeit-Eigenschaften der Inhalte verwirft der Empfänger ein empfangenes Multimedien-Paket, falls die Verzögerung bei dessen Ankunft einen bestimmten Wert übersteigt oder falls das Multimedien-Paket nicht zum Zeitpunkt ankommt, zu dem es abgespielt werden soll.
  • 3 zeigt ein Beispiel empfangener und vom Empfänger wiedergegebener Pakete, wobei jedes Paket die Zeitsteuerungsinformation enthält. Die Reihe I kennzeichnet sieben Multimedien-Pakete, die in aufeinander folgender Reihenfolge von dem Server 42 übertragen werden. Die Reihe II kennzeichnet die Reihenfolge des Empfangs der Multimedien-Pakete im Empfänger. Die Reihe III kennzeichnet eine Spielabfolge des Empfängers. Die Abbildung macht deutlich, dass das Multimedien-Paket mit der Zeitsteuerungsinformation 3 aufgrund einer erheblichen Verzögerung verworfen wird. Prinzipiell sind die Router des Paket-Netzwerkes beim Stand der Technik nicht über Verzögerungen bei Übertragung und Empfang der Pakete unterrichtet und ebenso sind diese nicht hinsichtlich der Umordnung von Paket-Übertragungen unterrichtet. Somit leitet jeder Router jedes empfangene Echtzeit-Multimedien-Paket an den nächsten Router oder den Empfänger weiter, selbst falls das Multimedien-Paket keine Aussicht hat, im Empfänger abgespielt zu werden. Falls eine physikalische Verbindung zwischen zwei beliebigen Routern oder die physikalische Verbindung zwischen dem Empfänger und dem benachbarten Router eine begrenzte Bandbreite aufweist, wird die Übertragung von Multimedien-Paketen, die vom Empfänger verworfen werden, möglicherweise einen wesentlichen Teil der wertvollen Bandbreite der Verbindung verschwenden. Eine Verzögerung und Umordnung ist anhand der variablen Umleitung von Multimedien-Paketen von dem Router 48 bis zum Router 50, dem Router 52 und dem Router 54 oder unmittelbar vom dem Router 48 zum Router 54 dargestellt.
  • US 4,506,358 , betreffend "Time stamping for a packet switching system", von Montgomery, erteilt am 19. März 1985, beschreibt ein Verfahren zum Messen der Netzwerkverzögerung in einem Paket-Netzwerk durch Einschluss eines Informationsfeldes in jedem Paket, das die kumulative Netzwerkverzögerung kennzeichnet, zur Zeiteinprägung der Paketankunft und Weiterübertragung in jedem Netzwerkknoten und zum Aktualisieren des Informationsfeldes in jedem Netzwerkknoten für jedes Paket durch Hinzufügen der in jedem Knoten auftretenden Verzögerung, d. h. der Wiederübertragungszeit – Ankunftszeit.
  • US 4,530,091 , betreffend "Synchronization of real-time clocks in a packet switching system", von Crocket, erteilt am 16. Juli 1985, beschreibt ein Mittel zum Synchronisieren eines dezentralen Echtzeit-Taktes an einen Standard-Echtzeit-Takt über ein X.25(CCITT)-Netzwerk, jedoch findet sich hierin keine Lehre oder ein Hinweis darauf, wie ein Multimedien-Datenstrom zu synchronisieren ist und eine in einem Paket-Netzwerk verursachte Netzwerkverzögerung wird nicht berücksichtigt.
  • US 4,918,687 , betreffend "Digital packet switching networks", von Bustini et al., erteilt am 17. April 1990, beschreibt ein Verfahren zum Vermeiden von aufeinander folgenden Paketverlusten durch Abtrennen von Sprachpaketen, deren Inhalte darauf hinweisen, ob das Paket, falls erforderlich, in einer Knotenreihe innerhalb des Netzwerks geeignet ist.
  • US 5,432,790 , betreffend "Method for allocating intermodal link bandwidth in a packet oriented communication network to guarantee delay quality-of-service", von Hluchyj et al., erteilt am 11. Juli 1995, beschreibt ein Verfahren zum Vergeben einer Bandbreite auf Interknoten-Verbindungen, so dass maximale Verzögerungen im schlechtesten Falle und gemittelte Verzögerungen im schlechtesten Falle garantiert werden können, während statistische Zuwächse hinsichtlich des Aufrechterhaltens vorbestimmter End-zu-End-Verzögerung QoS angegeben werden.
  • US 5,444,709 , betreffend "Protocol for transporting real time data", von Riddle, erteilt am 22. August 1995, beschreibt ein Verfahren zum Aufrechterhalten der isochronen Natur von Echtzeit-Datenübertragung durch Verwerfen von Daten, die nicht zeitlich abgestimmt empfangen werden.
  • US 5,450,394 , betreffend "Delay monitoring of telecommunication networks", von Gruber et al., erteilt am 12. September 1995, beschreibt ein Mittel zum Messen einer Umlaufverzögerung einer Netzwerk-Transitzeit, wobei jedoch die Verzögerung, welche für eine Multimedien-Übertragung und -Synchronisation bekannt sein muss, eine Einweg-Netzwerkverzögerung ist.
  • US 5,557,724 , betreffend "User interface, method, and apparatus selecting and playing channels having video, audio, and/or text streams", von Sampat et al., erteilt am 17. September 1996, beschreibt eine Nutzer-Schnittstelle in einem Computersystem zur Wiedergabe von Multimedien-Datenströmen.
  • US 5,594,660 , betreffend "Programmable audio-video synchronization method and apparatus for multimedia systems", von Sung et al., erteilt am 14. Januar 1997, beschreibt ein Mittel zum synchronen Wiedergeben von Audio- und Video-Datenströmen an einen einzelnen Netzwerk-basierten Empfänger.
  • US 5,598,352 , betreffend "Method and apparatus for audio and video synchronization in MPEG playback systems", von Rosenau et al., erteilt am 28. Januar 1997, beschreibt ein Mittel zum synchronen Wiedergeben eines Audio- und Video-Datenstroms an einen einzelnen Netzwerk-basierten Empfänger.
  • US 5,623,483 , betreffend "Synchronization system for networked multimedia streams", von Agrawal et al., erteilt am 22. April 1997, beschreibt ein Mittel einer Empfangsvorrichtung zum Bestimmen der Gesamt-End-zu-End-Verzögerung aus einer statistischen Netzwerk-Verzögerungsverteilung und die Synchronisation der beiden Medien-Datenströme von verschiedenen Quellen durch Bereitstellung eines in jedem Server und in jedem Empfänger vorhandenen Synchronisationstaktes.
  • US 5,629,936 , betreffend "Control of consecutive packet loss in a packet buffer", von Lee et al., erteilt am 13. Mai 1997 beschreibt ein Verfahren zur Abnahme von Paketen zur Steuerung aufeinander folgender Paket-Verluste basierend auf einer gewünschten Paket-Lücke.
  • US 5,675,573 , betreffend "Delay-minimizing system with guaranteed bandwidth delivery for real-time traffic", von Karol et al., erteilt am 7. Oktober 1997, beschreibt einen Bandbreite-Verteilungsmechanismus basierend auf individuell zugesicherten Bandbreite-Anforderungen, welche mit jedem Verkehrsfluss verknüpft sind.
  • US 5,682,384 , betreffend "Apparatus and methods achieving multiparty synchronization for real-time network application", von Zarros, erteilt am 28. Oktober 1997, beschreibt ein Mittel zum synchronen Wiedergeben von Inhalten von mehrfachen Quellen an einen einzelnen Empfänger in einem Netzwerk.
  • US 5,768,527 , betreffend "Device, system and method of real-time multimedia streaming" von Zhu et al., erteilt am 16. Juni 1998, beschreibt ein Verfahren zur Rückgewinnung verloren gegangener Pakete durch erneute Übertragung.
  • US 5,802,060 , betreffend "Data network and a process for real time transmission of data packets in a data network", von Fischbach et al., erteilt am 1. September 1998, beschreibt ein Verfahren zur Priorisierung von Paket-Übertragungen für Stationen, deren Netzwerkzugang durch Wertmarken-Austausch gesteuert wird.
  • US 5,815,634 , betreffend "Stream synchronization method and apparatus for MPEG playback system", von Daum et al., erteilt am 29. September 1998, beschreibt ein Mittel zum synchronen Wiedergeben von Audio- und Video-Datenströmen an einen einzelnen Netzwerk-basierten Empfänger.
  • US 5,844,600 , betreffend "Methods, apparatus, and systems for transporting multimedia conference data streams through a transport network", von Kerr, erteilt am 1. Dezember 1998, beschreibt ein Mittel für eine Audio/Video-Konferenz über ein ATM-Netzwerk. Audio-Datenströme werden in einem Netzwerk-basierten Mixer kombiniert und an Endgeräte verteilt. An jedem Endgerät werden die empfangenen Audio- und Video-Datenströme synchron abgespielt, jedoch besteht keine Einrichtung zum synchronen Abspielen an mehreren Endgeräten in einem Netzwerk.
  • US 5,874,997 , betreffend "Measuring and regulating synchronization of merged video and audio data", von Haigh, erteilt am 23. Februar 1999, beschreibt ein Mittel zum synchronen Wiedergeben von Audio- und Video-Datenströmen an einen einzelnen Netzwerk-basierten Empfänger.
  • Die Internet Engineering Task Force (IETF) veröffentlicht Requests for Comments (RFC) und eingereichte Kommentare als Antwort hierauf.
    RFC 1889: Ein Echtzeit-End-zu-End-Protokoll unter Verwendung existierender Transportebenen für Daten, das Echtzeit-Eigenschaften aufweist.
    RFC 2508: Komprimieren von IP/UDP/RTP-Köpfen für serielle Verbindungen bei geringer Geschwindigkeit
    RFC 1144: Komprimieren von TCP/IP-Köpfen für serielle Verbindungen bei geringer Geschwindigkeit,
    ähnlich zu RFC 2508, jedoch für TCP/IP-Pakete.
  • Willebeck-Lemaier M H et al.: "Video conferencing over packet-based network", IEEE Journal on selected areas in communications, IEEE Inc. New York, US, Vol. 15, Nr. 6, 1. August 1997, Seiten 1101–1114, XP000694456, offenbart ein Verfahren zum Übertragen und Synchronisieren von Echtzeit-Multimedien-Inhalten, bei denen ermittelt wird, ob ein Multimedien-Paket ein brauchbares oder nicht-brauchbares Paket ist, wobei nicht-brauchbare Pakete verworfen werden.
  • Übersicht über die Erfindung
  • Ein System zum Übertragen und Synchronisieren von Echtzeit-Multimedien-Inhalten enthält einen Multimedien-Server zum Erzeugen eines Multimedien-Pakets, welches Multimedien-audio-/visuelle Information in einer Spielsequenz aufweist und zum Übertragen des Multimedien-Pakets; ein mit dem Multimedien-Server verbundenes, Paket-basiertes Kommunikationsnetzwerk zum Empfangen des Multimedien-Pakets von diesem; wobei das Netzwerk mehrere Router enthält, um die Multimedien-Pakete (64) an mehrere Ziele zu leiten; Mittel zum Einfügen von Gesamtverzögerungsinformation (TDI) in die Multimedien-Pakete, wobei die TDI eine Gesamt-End-zu-End-Verzögerung (TED) und eine kumulative Netzwerkverzögerung (CND) enthält; und mehrere Multimedien-Empfänger zum Empfangen der Multimedien-Pakete mit enthaltener TDI, wobei jeder Multimedien-Empfänger einen Puffer zum Speichern empfangener Multimedien-Pakete, ein Sequenziermittel zum Rückholen von gespeicherten Multimedien-Paketen aus dem Puffer und Sequenzieren der Multimedien-Pakete in der Spielsequenz und einen Spielmechanismus zum Spielen der rückgeholten, sequenzierten Multimedien-Pakete zu einer Zeit TED–CND nachdem die Multimedien-Pakete von dem Multimedien-Empfänger empfangen worden sind, enthält. Ein Verfahren zum Übertragen und Synchronisieren von Echtzeit-Multimedien-Inhalten umfasst Laden von Multimedien-audio-/visueller Information in mehrere Multimedien-Pakete; Einfügen von Gesamtverzögerungsinformation (TDI) in wenigstens eines der Multimedien-Pakete, wobei TDI eine Gesamt-End-zu-End-Verzögerung (TED) und eine kumulative Netzwerkverzögerung (CND) enthält; Übertragen der Multimedien-Pakete an mehrere Multimedien-Empfänger über ein Paket-basiertes Netzwerk in einer Spielsequenz; Puffern der Multimedien-Pakete in jedem Multimedien-Empfänger; Rückholen der Multimedien-Pakete in einer Spielsequenz; und Spielen der Multimedien-Pakete an jedem Empfänger zu einer Zeit TED–CND nachdem die Multimedien-Pakete von dem Multimedien-Empfänger empfangen worden sind.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine A/V-Ausgabe für eine Mehrzahl von Empfängern über ein Multimedien-Transport-Netzwerk anzugeben.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Übertragungen beliebiger Medienpakete zu verhindern, die nicht von einem Empfänger des Netzwerks verwendet werden.
  • Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung, die im Zusammenhang mit den Abbildungen zu lesen ist, verständlich.
  • Kurzbeschreibung der Abbildungen
  • 1 zeigt ein Multimedien-Inhalt-Verteilungssystem bekannter Art.
  • 2 zeigt ein Paket-basiertes Echtzeit-Multimedien-Inhalt-Übertragungssystem.
  • 3 zeigt ein Blockdiagramm des Paketempfangs und -wiedergebens.
  • 4 zeigt ein LAN-Multimedien-Inhalt-Verteilungssystem, das erfindungsgemäß aufgebaut ist.
  • 5 zeigt ein Multimeden-Inhalt-Verteilungssystem, wobei die Video- und Audio-Ströme getrennt voneinander weitergeleitet werden.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die Synchronisation und Übertragung von Mehrpunktverbindungs-Multimedien, insbesondere über Paket-basierte Systeme, stellt eine effiziente und kostengünstige Technik zur Verteilung von Information dar. Bekannte Systeme betrachten die mit dem Synchronisieren und Übertragen eines Multimedien-Datenstroms von einer oder mehreren Quellen über ein Paket-basiertes System an mehrere Empfänger verknüpften Probleme nicht. Obwohl eine Anzahl Technologien existiert, die es ermöglichen, eine Mehrzahl von korrelierten Medien-Datenströmen, welche von verschiedenen Orten übertragen werden, an einem einzelnen Empfänger in synchronisierter Weise zu spielen, ist es laut Stand der Tech nik nicht möglich, von einer einzelnen Quelle oder mehreren Quellen erzeugte Medien-Datenströme als Mehrpunktverbindung über ein Paket-basiertes Netzwerk synchron an mehreren Orten zu spielen. Diese Erfindung gibt ein System als auch ein Verfahren zum Übertragen und synchronen Spielen derselben Audio/Video-Datenströme an verschiedenen Orten, als auch zum Unterdrücken des Übertragens eines Multimedien-Paketes an, falls ersichtlich ist, dass das Multimedien-Paket am Ziel nicht gespielt werden wird.
  • In 4 wird ein Inhalt-synchronisertes Multimedien-Übertragungssystem, welches erfindungsgemäß aufgebaut ist, allgemein mit dem Bezugszeichen 60 gekennzeichnet. Das System 60 enthält einen Multimedien-Server 62, der das Mittel zum Einfügen von TED- und CND-Information, welche später definiert und beschrieben wird, in jedes hindurchgeleitete Multimedien-Paket 64 aufweist. Ein Paket-Netzwerk 66 weist zwei Router 68, 70 auf, obwohl wahrscheinlich erheblich mehr Router in einem derartigen allgemeinen Netzwerk vorliegen. Der Router 68 ist an ein Local Area Network (LAN) 72 angeschlossen, das ein Gateway 74 und Router 76, 78 aufweist. Multimedien-Empfänger 80, 82 und 84 sind an das LAN 72 angeschlossen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren schließt das Laden von Multimedien-Information in eine Serie von Paketen 64 ein, auf welche hierin mit Multimedien-Paketen Bezug genommen wird. Der Multimedien-Server 62 fügt Felder von Gesamt-End-zu-End-Verzögerung (TED) und kumulativer Netzwerkverzögerung (CND) in jedes Multimedien-Paket ein, worauf hierin mit Gesamtverzögerungsinformation (TED) Bezug genommen wird. TED kennzeichnet die Zeitspanne zwischen dem Übertragen des Multimedien-Pakets von dem Server bis zum Spielen des Multimedien-Pakets am Empfänger, wobei CND die tatsächliche von den Routern in dem Kommunikationsnetzwerk vor dem Verteilen des Multimedien-Pakets an einen Empfänger verursachte Verzögerung kennzeichnet. Der Multimedien-Server 62 bestimmt den Wert der TED aus einer Netzwerkstatistik. Beim Übertragen eines Multimedien-Pakets stellt der Server 62 den Wert des Jitters auf CND. Der Jitter wird aus einem Zeitintervall der Übertragung von zwei aufeinander folgenden Paketen – der Paketrate (1) erhalten. Beträgt die Paketrate beispielsweise 20 ms und wird ein Paket tatsächlich 30 ms nach dem vorhergehenden Paket übertragen, beträgt der Jitter 10 ms und die CND jedes Pakets wird auf 10 ms festgelegt.
  • Jeder Router in dem Netzwerk, unabhängig davon, ob der Router in dem Paket-Netzwerk 66 oder dem LAN 72 angeordnet ist, misst die Verzögerung des Einreihens jedes Multimedien-Pakets, welche von diesem Router verursacht wird. Die Verzögerung des Einreihens wird aus Zeitprägungen des Empfangs und des Übertragens des Multimedien-Pakets erfasst. Beim Übertragen des Multimedien-Pakets aktualisiert jeder Router die CND durch Hinzufügen der Verzögerung des Einreihens zu dem gegenwärtigen CND-Wert. Falls der Router ein empfangenes Multimedien-Paket in mehrere Richtungen weiterleitet, d. h., eine Mehrpunktverbindung durchführt, wie etwa eine Mehrpunktverbindung des Routers 68 zu dem Router 70 und dem Gateway 74, wird das Multimedien-Paket dupliziert und die Verzögerung des Einreihens für das duplizierte Multimedien-Paket wird getrennt von dem Original bearbeitet. Es kann mehr als ein dupliziertes Paket vorliegen und die Verzögerung des Einreihens wird in jedes duplizierte Paket platziert.
  • Jeder Multimedien-Empfänger enthält einen Puffer "B" zum Speichern von eingehenden Multimedien-Paketen und dieser gewinnt ein Multimedien-Paket von dem Puffer zum Spielen des Inhalts eines Multimedien-Pakets zum Zeitpunkt (TED–CND) nach dessen Empfang zurück. Somit wird ein an die mehrfachen Multimedien-Empfänger verteiltes Multimedien-Paket bei TED nach Übertragung an den Server gespielt, unabhängig von der auf dem Weg zu jedem Empfänger verursachten Netzwerkverzögerung.
  • Wie in dem vorhergehenden Beispiel beschrieben ist, enthält CND lediglich eine Verzögerung der Einreihung und diese enthält keine physikalische Verzögerung, welche durch die physikalische Übertragung zwischen zwei Routern verursacht wird. Die physikalische Verzögerung wird als klein und deshalb vernachlässigbar angenommen. Alternativ hierzu kann ein Router mit einer bekannten physikalischen Verzögerung bereitgestellt werden, welche der Verzögerung der Einreihung für eine erhöhte Genauigkeit hinzugefügt werden kann.
  • Falls alle Empfänger von der Paket-Rate unterrichtet sind, genügt ein Durchführen der oben beschriebenen Vorgänge für das erste Multimedien-Paket des Medien-Datenstroms, da ein Empfänger, der ein Medien-Paket mit TED und CND empfängt, davon Kenntnis hat, wann die folgenden Multimedien-Pakete gespielt werden sollen, falls jedoch das TED und CND enthaltende erste Multimedien-Paket "verloren" geht, d. h. nicht von einem oder mehreren Empfängern empfangen wird, kann es für den Server erforderlich sein, TED und CND in mehreren ersten Multimedien-Paketen einzufügen. Alternativ hierzu kann es für den Server erforderlich sein, TED und CND einzufügen, bis dieser eine Bestätigung erhält, dass ein Multimedien-Paket mit TED und CND von allen einer Mehrpunktverbindung zugehörigen Empfängern empfangen wurde.
  • Wie vorhergehend erläutert wurde, bestimmt der Multimedien-Server 62 den Wert der TED basierend auf Netzwerk-Statistiken. TED kann dem Server über einen Netzwerk-Administrator bereitgestellt, oder dynamisch gemessen werden. Die tatsächliche Festlegung der TED geht über den Schutzbereich dieser Erfindung hinaus, jedoch gibt US 5,623,483 ein Verfahren zum Bestimmen der TED aus der statistischen Verteilung der Netzwerkverzögerung an. Die übergreifende Lösung von US 5,623,483 liegt jedoch darin, dass der Server und die Empfänger synchronisierte Takte aufweisen. Der Server spezifiziert in jedem Paket den Zeitpunkt, zu dem der Empfänger den Paket-Inhalt abspielen soll. Jedoch ist es unrealistisch anzunehmen, dass die Server und Empfänger eines Paket-Netzwerks exakt dieselbe Zeit auf deren synchronisierten Takten aufrechterhalten.
  • Es ist vorhersehbar, dass Situationen auftreten, bei denen Verzögerungen des Einreihens und physikalische Verzögerungen sich bis zu einem Punkt addieren, bei dem ein Multimedien-Paket einen Empfänger erreicht und "spät" ist. Bei Systemen bekannter Art sind hörbare und sichtbare Diskontinuitäten von einem Nutzer wahrnehmbar, ohne jegliche Mittel, diese Situation zu korrigieren. Das System und Verfahren der Erfindung weist Vorkehrungen auf, die in dem Fall wirken, dass einer der Empfänger eine CND in einem Multimedien-Paket, welches die TED für das Multimedien-Paket übersteigt, detektiert. In diesem Fall kann das Multimedien-Paket nicht synchron abgespielt werden, da der Zeitpunkt zum Abspielen des Multimedien-Pakets bereits vorüber ist. Der Empfänger enthält ein Mittel zum Anfordern einer größeren TDI und sendet eine Nachricht an den Server mit dem Wert CND–TED. Der Server erhöht dann den Wert von TED und somit denjenigen von TDI für nachfolgende Multimedien-Pakete.
  • In der in 4 gezeigten Ausführungsform unterstützen der Server 62 und all die in dem Paket-Netzwerk 66 und dem LAN 72 enthaltenen Router der Mehr punktverbindung TED und CND. Wie in 4 gezeigt ist, befinden sich alle der Multimedien-Empfänger in der Mehrpunktverbindungs-Gruppe in einem Local Area Network (LAN), jedoch kann ein Multimedien-Empfänger ebenso an einen Router im Paket-Netzwerk 66 angeschlossen sein. Ein Multimedien-Server erfordert keine spezielle Hardware oder Software zum Einfügen von TDI in die Multimedien-Pakete, wie oben beschrieben ist. Stattdessen erzeugt ein Gateway, dass das LAN an das (öffentliche) Paket-Netzwerk anschließt, TDI aus TED und CND für von dem Server empfangene Multimedien-Pakete. Das Gateway muss in der Lage sein, den Wert der TED zu erzeugen und mit der Paketrate bereitgestellt werden. Die Router und die Empfänger in dem LAN können dieselbe Funktion ausführen. Infolgedessen kann die Erfindung implementiert werden, selbst falls das gesamte Paket-Netzwerk das hierin beschriebene Verfahren nicht unterstützt. Anders ausgedrückt kann das Mittel zum Einfügen von TED in einem Multimedien-Server, einem Router, oder einem Gateway vorgesehen sein.
  • Eine weitere in 5 gezeigte Ausführungsform, die allgemein mit dem Bezugszeichen 90 bezeichnet wird, enthält einen Multimedien-Server 92, der einen Video-Datenstrom 94 und einen Audio-Datenstrom 96 erzeugt, ein Paket-Netzwerk 98 mit Routern 100, 102, 104, 106 und 108 sowie einen Video-Monitor 110 und einen Lautsprecher 112. Der Video-Datenstrom 94 und der Audio-Datenstrom 96 sollen getrennt und dennoch synchron auf dem entsprechenden Video-Monitor 110 und dem Lautsprecher 112 abgespielt werden, welche an das Paket-Netzwerk 98 angeschlossen sind. Die Zieladresse der Video-Pakete und Audio-Pakete stellen entsprechende Adressen für den Video-Monitor und für den Lautsprecher dar. Der Server 92 enthält ein Mittel zum Einfügen von TDI, einschließlich TED und CND, in sowohl die Video- und Audio-Pakete. Die Router führen das in Zusammenhang mit den weiteren Ausführungsformen gezeigte Verfahren durch.
  • Das Verfahren in US 4,506,358 unterscheidet sich von der hierin beschriebenen Erfindung dadurch, dass die Erfindung ein Informationsfeld in jedem Paket eines Typs verwendet, der im Stand der Technik weder gelehrt noch vorgeschlagen wird, wobei das Informationsfeld den Zeitpunkt kennzeichnet, zu dem Audio/Video-Inhalte in dem Paket gespielt werden sollen. Dies ermöglicht es, dieselben Inhalte synchron an mehreren Empfängern ohne Notwendigkeit von synchronisierten Server/Empfänger-Takten zu spielen.
  • Die Erfindung maximiert ebenso die Effizienz hinsichtlich der Bandbreite von physikalischen Verbindungen zwischen den Routern und Empfängern, indem verhindert wird, dass ein Router Multimedien-Pakete überträgt, welche am endgültigen Ziel nicht abgespielt werden, d. h. an einem Medien-Spieler oder Empfänger, was der Fall ist, falls CND > TED.
  • Nicht-brauchbare Multimedien-Pakete können verworfen werden, falls ermittelt wird, dass diese nicht erforderlich sind oder falls ermittelt wird, dass diese nicht verwendet werden. Das nachfolgende Verfahren kann als alleinstehendes Verfahren oder in Zusammenhang mit dem vorhergehend beschriebenen Synchronisationsverfahren verwendet werden. Ein Router platziert eine Zeitprägung und Sequenznummer in jedem empfangenen Multimedien-Paket, das zwischen der Medien-Quelle und dem Empfänger übertragen wurde. Es seien folgende Annahmen getroffen:
    • tts[n]:
    Zeitprägung des Multimedien-Pakets mit der Sequenznummer n, und
    tp[n]:
    in dem Multimedien-Paket mit der Sequenznummer n enthaltene Zeitsteuerungsinformation, die kennzeichnet, wann der Inhalt in diesem Multimedien-Paket am Empfänger abzuspielen ist. Diese Information gibt eine relative Zeitsteuerungsinformation in einer Serie von Multimedien-Paketen an und kennzeichnet nicht den absoluten Zeitpunkt.
  • Beim Empfang des ersten Multimedien-Pakets mit der Sequenznummer n0 speichert der Router tts[n0] und tp[n0] in dem Speicher und leitet das Multimedien-Paket an den nächsten Router oder den Empfänger um. Es sei nun Tts = tts[n0] (2)und Tp = tp[n0]. (3)
  • Beim Empfang jedes nachfolgenden Multimedien-Pakets mit der Sequenznummer n kontrolliert der Router die Werte von tts[n] und tp[n] und falls tts[n] – Tts < tp[n] – Tp + D, (4)wobei D die maximal erlaubte TED kennzeichnet, einschließlich der Pufferver zögerung in dem Empfänger, leitet der Router das Multimedien-Paket weiter und stellt Tts = tts[n] (5)und Tp = tp[n] (6)ein und legt fest, dass das Multimedien-Paket ein brauchbares Paket ist. Andernfalls verwirft der Router das Multimedien-Paket.
  • Der Wert tts[n] – Tts entspricht der Differenz zwischen der Ankunftszeit des Multimedien-Pakets von Interesse und dem letzten erfolgreich an den Router weitergeleiteten Multimedien-Paket. Ebenso kennzeichnet tp[n] – Tp das Zeitintervall bei der Wiedergabe dieser beiden Multimedien-Pakete. Gilt somit tts[n] – Tts > tp[n] – Tp + D, (7)hat das Multimedienpaket mit der Sequenznummer n die gesamte erlaubte TED verbraucht. In diesem Falle besteht für das Multimedien-Paket keine Möglichkeit mehr am Empfänger abgespielt zu werden, da das Multimedien-Paket den Empfänger nicht vor oder zum Zeitpunkt zu dem es abgespielt werden soll erreicht. Durch Unterdrücken einer unnötigen Übertragung eines solchen Multimedien-Pakets, hierin als nicht-brauchbares Paket bezeichnet, kann die Bandbreite der physikalischen Verbindung zwischen diesem Router und der gesamten Umgebung, unabhängig davon, ob die nächste Umgebung einen Router oder einen Empfänger darstellt, effizient verwendet werden. Somit enthält der Router Mittel zum Bestimmen, ob ein Multimedien-Paket ein brauchbares Multimedien-Paket ist, in welchem Falle das Multimedien-Paket übertragen wird; oder ob das Multimedien-Paket ein nicht-brauchbares Multimedien-Paket ist, in welchem Falle das Multimedien-Paket verworfen wird.
  • Der Wert von D an einem beliebigen Router kann bereitgestellt werden in Form von: (1) feste Programmierung in der Software oder Hardware des Knotens; (2) manuelle Konfiguration durch einen Systemadministrator; oder (3) Bereitstellung in jedem Echtzeit-Multimedien-Paket durch den Multimedien-Server. Der Wert wird durch die erforderliche QoS festgelegt und muss größer als die Pufferverzögerung in dem Empfänger sein. D wird ein kleiner Wert für verzögerungsempfindliche Anwendungen wie einer Zwei-Weg-Sprachkonversation sein. Der Empfänger kann den Wert von D mit der Medienquelle unter Verwendung bekannter Kommunikationsprotokolle aushandeln.
  • Das erfindungsgemäße Übertragungsverfahren funktioniert mit IP/UDP/RTP-Kopfkomprimierung, die in RFC 2508 spezifiziert sind, wobei die Kopfinformation des Echtzeit-Multimedien-Pakets von einem differenziellen Codierschema komprimiert wird. Der Komprimierer, der in einem Übertragungsbereich eines Routers implemeniert sein kann, stellt ein Mittel zur Identifizierung eines spezifischen Echtzeit-Medien-Datenstroms zwischen einer Medienquelle und einem Empfänger bei weiterem Datenverkehr bereit. Aufgrund der differenziellen Codierung ist es für den Komprimierer erforderlich, die Zeitsteuerungsinformation in dem Kopf der Echtzeit-Multimedien-Pakete in einem beliebigen Paket-basierten Netzwerk zu untersuchen und die zusätzlich erforderliche Verarbeitungsleistung zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist minimal.
  • Somit wurde ein System und ein Verfahren zum Übertragen und Synchronisieren von Multimedien-Paket-basierten Inhalten in Echtzeit über ein Paket-basiertes Netzwerk beschrieben. Obwohl verschiedene Variantionen des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens beschrieben wurden, ist zu erkennen, dass weitere Variationen und Modifikationen durchgeführt werden können ohne vom Schutzbereich der in den Patentansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.

Claims (17)

  1. System (60) zum Übertragen und Synchronisieren von Echtzeit-Multimedien-Inhalt, welches umfasst: einen Multimedien-Server (62) zum Erzeugen eines Multimedien-Pakets (64), welches Multimedien-audio-/visuelle Information in einer Spielsequenz aufweist und zum Übertragen des Multimedien-Pakets (64); ein mit dem Multimedien-Server (62) verbundenes, Paket-basiertes Kommunikationsnetzwerk (66) zum Empfangen des Multimedien-Pakets von diesem; das Netzwerk enthält mehrere Router (68, 70), um die Multimedien-Pakete (64) an mehrere Ziele zu leiten; Mittel zum Einfügen von Gesamtverzögerungsinformation (TDI) in die Multimedien-Pakete (64), wobei die TDI eine Gesamt-End-zu-End-Verzögerung (TED) und eine kumulative Netzwerkverzögerung (CND) enthält; und mehrere Multimedien-Empfänger (80, 82, 84) zum Empfangen der Multimedien-Pakete (64) mit enthaltener TDI, wobei jeder Multimedien-Empfänger (80, 82, 84) einen Puffer zum Speichern empfangener Multimedien-Pakete, ein Sequenziermittel zum Rückholen von gespeicherten Multimedien-Paketen aus dem Puffer und Sequenzieren der Multimedien-Pakete in der Spielsequenz und einen Spielmechanismus zum Spielen der rückgeholten, sequenzierten Multimedien-Pakete zu einer Zeit TED–CND nachdem die Multimedien-Pakete (64) von dem Multimedien-Empfänger (80, 82, 84) empfangen worden sind, enthält.
  2. System (60) nach Anspruch 1, bei welchem sich das Mittel zum Einfügen in dem Multimedien-Server (62) befindet.
  3. System (60) nach Anspruch 1, bei welchem sich das Mittel zum Einfügen in einem Router (68, 70) befindet.
  4. System (60) nach Anspruch 1, welches weiterhin ein sich zwischen dem Paket-basierten Netzwerk (66) und wenigstens einigen der Multimedien-Empfänger (80, 82, 84) befindliches Local Area Network (LAN) (72) enthält, wobei das LAN (72) ein Gateway (74) enthält.
  5. System (60) nach Anspruch 4, bei welchem sich das Mittel zum Einfügen in der Gateway (74) befindet.
  6. System (60) nach Anspruch 1, bei welchem wenigstens einer der Router (68, 70) Duplikationsmittel zum Duplizieren von Multimedien-Paketen (64) enthält, wobei sich das Mittel zum Einfügen in dem Router (68, 70) befindet, und wobei der Router (68, 70) TDI in jedes duplizierte Multimedien-Paket einfügt.
  7. System (60) nach Anspruch 1, welches ferner Mittel zum Bestimmen, ob ein Multimedien-Paket (64) ein brauchbares Paket oder ob ein Multimedien-Paket ein nicht-brauchbares Paket ist, enthält, und wobei die nicht-brauchbaren Pakete verworfen werden.
  8. System (60) nach Anspruch 1, bei welchem der Multimedien-Empfänger (80, 82, 84) Mittel zum Anfragen einer größeren TDI von dem Mittel zum Einfügen enthält.
  9. Verfahren zum Übertragen und Synchronisieren in Echtzeit von Multimedien-Inhalt, welches umfasst: Laden von Multimedien-audio-/visueller Information in mehrere Multimedien-Pakete (64); Einfügen von Gesamtverzögerungsinformation (TDI) in wenigstens eines der Multimedien-Pakete (64), wobei TDI eine Gesamt-End-zu-End-Verzögerung (TED) und eine kumulative Netzwerkverzögerung (CND) enthält; Übertragen der Multimedien-Pakete (64) an mehrere Multimedien-Empfänger (80, 82, 84) über ein Paket-basiertes Netzwerk (66) in einer Spielsequenz; Puffern der Multimedien-Pakete (64) in jedem Multimedien-Empfänger (80, 82, 84); Rückholen der Multimedien-Pakete (64) in einer Spielsequenz; und Spielen der Multimedien-Pakete (64) an jedem Empfänger (80, 82, 84) zu einer Zeit TED–CND nachdem die Multimedien-Pakete (64) von dem Multimedien-Empfänger (80, 82, 84) empfangen worden sind.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Einfügen das Einfügen von TDI in einen Multimedien-Server (62) enthält.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Einfügen das Einfügen von TDI in einen sich in dem Paket-basierten Netzwerk (66) befindlichen Router (68, 70) enthält.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem das Einfügen das Einfügen von TDI in eine sich in einem Local Area Network (LAN) (72) befindliche Gateway (74) enthält, welche sich zwischen dem Paket-basierten Netzwerk (66) und einem Multimedien-Empfänger (80, 82, 84) befindet.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, welches das Duplizieren eines Multimedien-Pakets (64) zum Mehrfachversenden an mehrere Multimedien-Empfänger (80, 82, 84) enthält, und wobei das Duplizieren das Einfügen von TDI in einige der duplizierten Multimedien-Pakete enthält.
  14. Verfahren nach Anspruch 9, welches das Verwerfen eines Multimedien-Pakets (64) enthält, wenn zu einem Zeitpunkt während des Übertragens TND > TED ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, welches das Erhöhen des Werts von TED enthält, wenn CND > TED ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 9, welches das Bestimmen, ob ein Multimedien-Paket (64) ein brauchbares Paket oder ein nicht-brauchbares Paket ist, enthält, und welches ferner das Verwerfen jeglicher nicht-brauchbarer Pakete enthält.
  17. Verfahren nach Anspruch 9, welches den Schritt des Verwerfens eines Multimedien-Pakets (64) umfasst, wenn zu einem Zeitpunkt während des Übertragens CND > TED ist.
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