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Die
Erfindung betrifft ein Multiplexierverfahren und einen Multiplexer,
welche die Optimierung der Verwaltung des Durchlassbands eines digitalen Übertragungskanals
ermöglichen,
insbesondere für die
Systeme zur Rundsendung von Diensten.
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Die
Rundsender von digitalen Fernsehprogrammen, von digitalem Rundfunk
und sogar von Multimediadaten teilen sich die Übertragungskanäle. Diese
Kanäle
sind verschiedenartig. Es geht darum, entweder über Kabel, oder über Satellit,
oder über Funk
und sogar unter Verwendung des Internets zu übertragen.
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Die
Multiplexbetriebe der audiovisuellen Dienste (S
1,
S
2, S
3) mit konstantem
Durchsatz, wie in
1 gezeigt, und mit variablen
Durchsätzen,
wie in
2 gezeigt, sind bekannt. Eine solche Lösung wird im
amerikanischen Patent
US 5 446
738 beschrieben, das von der Firma "Electronics and Telecommunications Research
Institute", Daejeon,
Rep. of Korea, am 28. Dezember 1993 angemeldet wurde. Unabhängig vom
zur Sendung seines Dienstes verwendeten Netz ist das Durchlassband
begrenzt und teuer. Der Multiplexbetrieb mit variablen Durchsätzen ermöglicht bereits
eine erste Optimierung der Verwaltung des Durchlassbands. Aber unabhängig von
der Art des Multiplexbetriebs können
die Multiplexieralgorithmen nicht ohne Füllpakete P
∅ arbeiten.
Sie ermöglichen
es, einen Randbereich des Durchlassbands beizubehalten, um die möglichen
Verluste auszugleichen.
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Ein
Vorschlag, den Durchlassbandverlust auszugleichen, der mit der Verpflichtung
verbunden ist, die Füllpakete
P∅ in den aktuellen Multiplexieralgorithmen
zu verwenden, ist es, die Füllpakete
P∅ nach dem Multiplexieren durch
Daten D zu ersetzen, wie dies in den 1 und 2 gezeigt
ist. Die Daten D ersetzen die Füllpakete
P∅ entweder zum Teil (Pfeil 1),
indem sie einen Teil B∅ des Durchlassbands definitiv
unbenutzt lassen, oder insgesamt (Pfeil 2). Dann entsteht das Problem,
dass der Rundsender nicht Meister dieses Datenflusses ist, da er
von den multiplexierten Diensten abhängt. Je nach dem Typ der anstelle
der Füllpakete übertragenen
Daten beklagt sich dann der Nutzer über die Langsamkeit des Dienstes,
wenn der Durchsatz zu langsam ist, und wenn der Durchsatz zu schnell
ist, kann der Decoder den ankommenden Datenfluss nicht mehr verarbeiten.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
einen neuen Versuch der Optimierung der Verwaltung des Durchlassbands
des digitalen Übertragungskanals vor.
Dieser neue Versuch hat den Vorteil, einfacher anwendbar zu sein
als die vorhandenen Multiplexer. Die Erfindung hat ein Verfahren
zum Multiplexieren von M Diensten zum Gegenstand (M ist eine ganze Zahl > 1), das es ermöglicht,
Datenpakete einer vorbestimmten Größe Tp mit Ausgangsdurchsatz
zu übertragen,
wobei der maximale Ausgangsdurchsatz DSmax vorbestimmt
ist, dadurch gekennzeichnet, dass es das Speichern der von jedem
Dienst eingehenden Daten in einer zugeordneten Pufferzone, die Lieferung
eines Pakets von Daten an den Ausgang, die von allen oder einem
Teil der in der Pufferzone vorhandenen Daten gebildet werden, wenn
die Füllung der
Pufferzone mindestens gleich der Größe Tp eines Pakets ist, und
die Ausgabe der am Ausgang der Pufferzone vorliegenden Daten aufweist.
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Die
Erfindung schlägt
auch einen Multiplexer mit M Eingängen (M ist eine ganze Zahl > 1) und einem Ausgang
vor, der es ermöglicht,
Datenpakete einer vorbestimmten Größe Tp mit
Ausgangsdurchsatz zu übertragen,
wobei der maximale Ausgangsdurchsatz DSmax vorbestimmt
ist, dadurch gekennzeichnet, dass er M Pufferzonen zum Speichern
der von jedem der M Eingangsdienste eingehenden Daten aufweist, wobei
jede Pufferzone mit einem Eingang und einer Auswahlvorrichtung verbunden ist,
welche die Pufferzone, deren Füllung
größer ist
als die Größe Tp eines Pakets, mit dem Ausgang verbindet,
wodurch die Präsentation
eines Pakets von Daten am Ausgang, die aus allen oder einem Teil
der in der Pufferzone vorhandenen Daten bestehen, und die Ausgabe
der Daten, die am Ausgang der Pufferzone vorhanden sind, ermöglicht wird.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine digitale Sendekette von
Diensten verschiedener Art auf verschiedenen Arten von synchronen und/oder
asynchronen Datennetzen, die aufweist:
- – M Eingänge, deren
Funktionen die Datenerfassung, die Umwandlung in Pakete von fester
Größe sind,
die an das Verteilungsprotokoll angepasst ist,
- – M
Puffer, in denen die M Eingänge
die Pakete speichern,
- – einen
Multiplexer, dessen M Eingänge
mit den M Puffern verbunden sind,
- – J
Puffer, die mit den J Ausgängen
des Multiplexers verbunden sind und es ermöglichen, die synchronen und
asynchronen Daten zu verarbeiten,
- – J
Ausgänge,
deren Funktionen die Erfassung der Daten der J Puffer, die Anpassung
an das Format des Übertragungskanals
und die Verteilung sind.
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Die
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen klarer aus der nachfolgenden,
als Beispiel dienenden Beschreibung und der sich darauf beziehenden
Figuren hervor, die darstellen:
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1 die
Verwaltung des Durchlassbands mit einem Durchsatz mit konstanter
Durchsatzrate gemäß dem Stand
der Technik,
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2 die
Verwaltung des Durchlassbands mit einem Durchsatz mit einer variablen
Durchsatzrate gemäß dem Stand
der Technik,
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3 einen
Teil der Sendekette, die den erfindungsgemäßen Multiplexer enthält,
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4 ein
schematisches Darstellungsbeispiel des erfindungsgemäßen Multiplexers,
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5 die
Verwaltung des Durchlassbands unter Verwendung der erfindungsgemäßen Multiplexierung.
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3 zeigt,
dass ein Multiplexer 3 am Eingang verschiedenartige Datenpakete
verarbeitet. Diese Daten können
aus Video-, Audio- oder audio-visuellen Daten, die entweder direkt
oder zeitverzögert
gesendet werden, Dateien, oder sogar Daten, die von Netzen von der
Art Internet kommen, bestehen. Diese Datenpakete haben eine feste
Größe. Im Beispiel
der 3 empfängt
ein Eingang 1a direkt gesendete Daten, ein Eingang 1b empfängt Dateien, und
ein Eingang 1c ist mit einem Netz verbunden.
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Der
Multiplexer 3 erzeugt eine Verkettung dieser Pakete gemäß den reellen
Eingangsdurchsätzen
oder den gewünschten
Eingangsdurchsätzen der
Daten. Die Datenaustauschvorgänge
zwischen den Eingängen 1/Ausgängen 5 und
dem Multiplexer 3 erfolgen mit Hilfe von Pufferzonen 2 und 4,
die im Englischen mit Buffer bezeichnet werden. Die Buffer 4 sind
von zwei Arten: Flip/Flop für
die synchronen Daten und FIFO für
die asynchronen Daten. Im Beispiel der 3 ermöglicht der
Ausgang 5i die direkte Sendung
der multiplexierten Daten, und der Ausgang 5ii verteilt
die Daten auf ein Netz, wie zum Beispiel Internet, ATM, ...
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Die
Aufgaben eines Eingangs 1 sind aufgeteilt in Datenerfassung,
Umwandlung in Pakete von fester Größe, die an das Protokoll angepasst
sind, und Speicherung in einem Buffer 2, der für den Multiplexer 3 bestimmt
ist. Die Aufgaben eines Ausgangs sind aufgeteilt in die Erfassung
der Daten eines Buffers 4, die vom Multiplexer berechnet
werden, Anpassung an das Format des Übertragungskanals und das Senden.
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Wenn
der Multiplexer 3 mehrere Ausgänge (Si,
Sii) hat, wie dies in 3 dargestellt
ist, werden alle Pakete des Multiplexierkerns an die Gesamtheit der
Ausgänge übertragen,
im vorliegenden Fall an die beiden Ausgänge des Multiplexers 3 der 3. Dann
können
an jedem Ausgang die Pakete nach Bedarf gefiltert werden, um nur
bestimmte Pakete zu übertragen.
Zum Beispiel kann das Filtern durchgeführt werden, um ausgehend von
einem der Ausgänge
nur synchrone Daten und vom anderen nur asynchrone Daten zu senden
...
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Wie
das schematische Darstellungsbeispiel des Multiplexers 3,
das in 4 vorgeschlagen wird, zeigt, weist der Multiplexer 3 Buffer 31 und
eine Auswahlvorrichtung 32 auf, die das Füllen der
Buffer 31 mit Daten ausgehend von den Eingängen und
die Übertragung
dieser Daten an den Ausgang steuert.
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Die
Buffer 2 sind reelle Buffer. Sie füllen sich in Abhängigkeit
von der Ankunft der Daten (bei direkten Daten) oder in vollständigen Blöcken bei
Dateien.
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Die
Buffer 31 können
virtuell sein, das heißt, nicht
real existieren. Es sind Wertetabellen. Sie haben einen für einen
gegebenen Eingang vorbestimmten Füllpegel (der zum Beispiel vom
Benutzer festgelegt wird). Wenn der Füllwert der reelle Pegel des Buffers 2 wäre, wäre die Wirksamkeit
stark vermindert (insbesondere im Fall von asynchronen Daten). Die
Füllpegel
würden
von voll auf leer übergehen, und
am Ausgang des Multiplexbetriebs wäre der Durchsatzpegel dann
stark "sägezahnartig". Wenn im Fall der Übertragung
einer Datei die Pakete direkt in einem reellen Buffer 2 gelesen
würden,
anstatt sie blockweise in einem Buffer 31 zu nehmen, würden die
globalen Leistungen des Systems dadurch beeinträchtigt.
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Der
Vorteil der Verwendung der Buffer 31 ist es, die Verarbeitung
der Eingangsdaten vom eigentlichen Multiplexbetrieb zu trennen.
Dies ist umso einfacher, wenn die Buffer 31 virtuell sind.
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Der
Multiplexer 3 besitzt M Eingänge, an denen M Dienste präsentiert
werden. Der Datendurchsatz an jedem Eingang ist {DE[i](t)}1≤i≤M, und
der maximal von den Übertragungskanälen aller
Ausgänge des
Multiplexers 3 geforderte Durchsatz ist DSmax.
Die Paketzeit tp ist dann gleich Tp/DSmax wobei Tp die Größe eines
Pakets ist. BE[i](t) stellt den Füllzustand
des Buffers 31 des Eingangs i dar. Dann ist das allgemeine
Prinzip des Füllzustands
der Buffer 31 wie folgt: im Zeitpunkt
t = 0, ∀i∈[1, M]
BE[i](0) = 0,und im
Zeitpunkt tN+1 = tN +
tp, ∀i∈[1, M]
BE[i](tN+1) = BE[i](tN) + DE[i](tN+1)·tp.
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Und
das allgemeine Prinzip der Auswahl eines Buffers 31 zum
Ausgang des Multiplexers 3, das von der Auswahlvorrichtung 32 angewandt
wird, ist wie folgt:
- – gilt si∃i/BE[i](tN+1) ≥ Tp, dann ist das Paket des Buffers 31 am
Eingang i am Ausgang vorhanden und BE[i](tN+1) = BE[i](tN+1) – Tp,
- – ansonsten
ist ein Füllpaket
am Ausgang vorhanden.
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Dieses
Multiplexierverfahren, das das Füllen von
Eingangsbuffern 31 innerhalb des Multiplexers und die Auswahl
von demjenigen unter ihnen, der eine Füllrate mindestens gleich der
Größe eines
Pakets aufweist, um mindestens einen Teil der in ihm gespeicherten
Daten an den Ausgang des Multiplexers 3 zu übertragen,
ist einfacher anzuwenden als diejenigen, die gemäß dem Stand der Technik vorgeschlagen
werden. Die Füllpakete sind
nur dann am Ausgang vorhanden, wenn kein Buffer ausreichend gefüllt ist.
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Nun
soll dieses Prinzip ausgeweitet werden, um nicht mehr nur einen
einzigen Füllzustand
pro Buffer 31, sondern zwei Füllzustände BEmin[i](t)
und BEmax[i](t) zu betrachten, die dem minimalen
Solldurchsatz bzw. dem maximalen Solldurchsatz DEmin[i](t)
bzw. DEmax[i](t) entsprechen. Es gilt dann im Zeitpunkt t = 0, ∀i∈[1, M]
BEmin[i](0)
= (0),
BEmax[i](0) = (0),und im Zeitpunkt tN+1 = tN + tp ∀i∈[1, M]
BEmin[i](tN+1) = BEmin[i](tN) + DEmin[i](tN+1)·tp
und BEmax[i](tN+1) = BEmax[i](tN) + DEmax[i](tN+1)·tp.
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Die
Auswahlvorrichtung 32 kann wählen, Daten vom Buffer 31 des
Eingangs zu übertragen,
wenn sein minimaler Füllzustand
oder sein maximaler Zustand mindestens gleich der Größe eines
Pakets ist, wie es das folgende Verfahren zeigt:
- 1)
Wenn gilt Si∃i/BEmin[i](tN+1) ≥ Tp, dann ist das vom Buffer 31 des
Eingangs n°i
kommende Paket am Ausgang vorhanden, BEmin[i](tN+1) = BEmin[i](tN+1) – Tp undBEmax[i](tN+1) = BElin[i](tN+1),
- 2) ansonsten, wenn gilt Si∃i/BEmax[i](tN+1) ≥ Tp, dann ist das vom Buffer 31 des
Eingangs n°i
kommende Paket am Ausgang vorhanden, BEmin[i](tN+1) = BEmin[i](tN+1) – Tp undBEmax[i](tN+1) = BElax[i](tN+1) – Tp,
- 3) ansonsten ist ein Füllpaket
am Ausgang vorhanden.
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Die
Solldurchsätze
können
als ein garantierter Durchsatz für
den minimalen Durchsatz und als ein bestmöglicher Durchsatz für den maximalen Durchsatz
angesehen werden.
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Wenn
der minimale Durchsatz eines Dienstes i gleich dem maximalen Durchsatz
dieses gleichen Dienstes i ist, wird der Dienst i mit einem festen und
garantierten Durchsatz gesendet. Wenn der minimale Durchsatz des
Diensts i auf Null festgelegt und der maximale Durchsatz des gleichen
Dienstes i auf den maximalen Ausgangsdurchsatz festgelegt ist, wird
der Sendemodus des Diensts i "opportunistisch" genannt, d. h.,
dass der Dienst einen fluktuierenden Durchsatz entsprechend dem
frei gelassenen Durchlassband hat.
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Aufgrund
der Einfachheit des angewandten Verfahrens können die Buffer 31 sowie
die Auswahlvorrichtung 32 virtuell sein.
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Wenn
bei dem Verfahren, das das allgemeine Prinzip des Füllens und
der Auswahl verwendet, sowie bei demjenigen, das die Solldurchsätze einsetzt,
die Buffer 31 von zwei Eingängen i und j ausgewählt werden,
kann der Auswahlkonflikt gelöst werden,
indem eine Prioritätsordnung
der Buffer 31, oder je nach der Art des Diensts, der in
den Buffern gespeichert ist und/oder der Durchsatzart (opportunistisch,
variabel, garantiert, konstant) und/oder der Art der Daten (Audio,
Video, ...) und/oder dem Sender ..., definiert wird.
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5 zeigt
ein Beispiel der Verwaltung eines Kanals durch den Multiplexer 3.
Sie stellt die Verwendung des vollständigen Durchlassbands durch
sechs verschiedene Dienste dar. Das Durchlassband ist in der Ordinate
und die Zeit in der Abszisse dargestellt. Der Dienst 1 hat
einen konstanten Durchsatz, d. h., dass im vom Multiplexer 3 für diesen
Dienst eingesetzten Verfahren der minimale Durchsatz gleich dem
maximalen Durchsatz ist. Die Dienste 2 bis 4 haben
minimale Durchsätze,
die sich von ihren maximalen Durchsätzen unterscheiden. Ihre minimale Durchsätze sind
ungleich null, und ihre maximalen Durchsätze unterscheiden sich vom
maximalen Ausgangsdurchsatz, dadurch wird eine variable Verwaltung
des Durchlassbands mit Übertragungsgarantie möglich. Der
Dienst SAV enthält Audio/Video-Daten, die direkt
mit einem nicht steuerbaren, variablen Durchsatz gesendet werden.
Der Dienst 5 hat einen rein variablen Durchsatz, da sein
minimaler Durchsatz auf Null und sein maximaler Durchsatz gleich dem
maximalen Ausgangsdurchsatz DSmax festgelegt wurde.
Dieser Dienst füllt
so, was vom Durchlassband übrig
bleibt, ohne dass dies ihm schaden würde.
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Der
maximale und der minimale Durchsatz werden Dienst für Dienst
festgelegt, entweder in vorbestimmter Weise durch die Hersteller
der Dienste oder die Rundsender, oder in Abhängigkeit von der Datenart,
die diese Dienste enthalten (direkte oder zeitverzögerte Dienste,
Datenarten: Audio, Video, Dateien, Multimediadaten). Manche Dienste
können nur
mit konstantem Durchsatz gesendet werden, da sie sich sonst verschlechtern.
Bei anderen ist ein minimaler Solldurchsatz notwendig, da die Langsamkeit
des Diensts eine Störung
bei der Benutzung erzeugt. Wenn manche Dienste mit einem zu hohen Durchsatz
empfangen werden, ist der empfangsseitige Decoder nicht in der Lage,
zu folgen. Und bei Diensten, wie dem Fernladen von Dateien im Hintergrund
usw., ist der Sendedurchsatz unwichtig, es ist also die Art von
Dienst, der die verbleibenden Bits des Durchlassbands nutzen kann,
um dessen Verwaltung zu optimieren.
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So
sind die maximale Nutzung des auf dem Übertragungskanal verfügbaren Durchsatzes,
die gleichzeitige Verwaltung der synchronen und asynchronen Datenflüsse, die
Verwaltung der heterogenen Eingänge und
Ausgänge
und die gleichzeitige Verwaltung der Durchsatzzwänge garantiert.
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Das
erfindungsgemäße Mnultiplexierverfahren
unterscheidet sich von den klassischen Multiplexierverfahren durch
die folgenden Punkte:
- – die Verwendung von Buffern 31,
die es ermöglicht,
das Speichern und die Ankunft von Daten des Multiplexbetriebs zu
unterscheiden;
- – die
Einfachheit des Auswahlalgorithmus mit dem Durchlauf einer Wertetabelle;
- – das
Multiformat der Eingänge/Ausgänge (mehrere
Eingänge
und mehrere Ausgänge,
die Daten jedes Eingangs können
von unterschiedlicher Art sein, wie auch die Daten jedes Ausgangs
von unterschiedlicher Art sein können);
- – die
optimierte Verwaltung des opportunistischen Modus.