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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung
von Datenpaketen, die mindestens ein Feld enthalten, der einen komprimierten
Wert enthält.
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IP-Multimedia-Pakete
oder ähnliche
Dateneinheiten enthalten üblicherweise
eine lange Kopfinformation, die zum Zweck der Spektraleffizienz
zur Übertragung
auf einer Funkschnittstelle komprimiert werden muss. Der Komprimierungs-Mechanismus nutzt
die Redundanz zwischen den Kopfinformationen aufeinander folgender
Pakete, um eine effiziente Komprimierungsrate zu erhalten. Diese
Redundanz, die aus zuvor gesendeten bzw. empfangenen Paketen entnommen
wird, wird in einem Kontext in den Komprimierungs-Mitteln des Senders
bzw. in dem Dekomprimierungs-Mitteln des Empfängers gespeichert. Dieser Kontext
muss entsprechend aktualisiert werden, damit der Mechanismus fehlerfrei
funktioniert. Darüber
hinaus erfordert ein robustes Kopfinformations-Komprimierungs-Verfahren Mechanismen
zur Vermeidung von Kontext-Inkonsistenzen.
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RFC
3095, wobei es sich um den am nächsten
liegenden Stand der Technik handelt, des IETF legt eine robuste
Kopfinformations-Komprimierung offen. Diese Kopfinformations-Komprimierung ist
durch die Tatsache möglich,
dass zwischen Werten der Kopfinformations-Felder in aufeinander
folgenden Datenpaketen viel Redundanz vorliegt. Ein Komprimierungs-Verfahren, das Least-Significant-Bit-Codierung
genannt wird, arbeitet wie folgt: Anstelle des Original-Wertes werden
die k niederwertigsten Bits eines Feld-Wertes übertragen. Nach dem Empfang
der k Bits leitet der Dekomprimierer den Original-Wert ab, wobei
er einen zuvor empfangenen Wert als Referenz verwendet, die mit
v_ref bezeichnet wird. Dieses Verfahren ist garantiert korrekt, wenn
der Komprimierer und der Dekomprimierer jeweils Interpretations-Intervalle
benutzen, in denen:
- 1) sich der Original-Wert
befindet
- 2) der Original-Wert der einzige Wert ist, der exakt k niederwertigste
Bits hat, wie die zur Übertragung
gewählten.
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Im
Folgenden wird eine vereinfachte Prozedur zur Least-Significant-Bit-Komprimierung
und Dekomprimierung erläutert.
- 1) Der Komprimierer bzw. Dekomprimierer benutzt
immer den letzten Wert, der komprimiert bzw. dekomprimiert wurde,
als Referenzwert v_ref
- 2) Wenn ein Wert v komprimiert wird, findet der Komprimierer
den Mindestwert k, so dass v in das Interpretations-Intervall [v_ref,
v_ref + 2k – 1] fällt. Wenn mehrere Werte von
k möglich
sind, wird der kleinste gewählt
- 3) Wenn die k niederwertigsten Bits empfangen werden, berechnet
der Dekomprimierer das Interpretations-Intervall als Funktion von
v_ref und k. Er nimmt als dekomprimierten Wert den, für den die
k niederwertigsten Bits gleich den empfangenen sind.
- 4) Die zu komprimierenden Werte haben einen endlichen Bereich,
zum Beispiel von 0 bis 0xFFFF. Wenn der zu komprimierende Wert nahe
an 0xFFFF liegt, kann sich das Interpretations-Intervall über die Überlauf-Grenze
zwischen 0 und 0xFFF erstrecken.
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In
Echtzeit-Datenpaketen ist ein wichtiges Feld das Zeitstempel-Feld
(TS), das dazu benutzt wird, die Zeit des Sendens eines Echtzeit-Paketes
anzuzeigen. Im Gegensatz zu einer Folgenummer, die üblicherweise um
1 inkrementiert wird, wird das TS-Feld für jedes Paket um ein Vielfaches
einer Einheit inkrementiert (z.B. TS_STRIDE = 160 für eine Abtastrate
von 8kHz und eine Paketdauer von 20ms). TS ergibt sich durch folgende Gleichung: TS = TS_SCALED·TS_STRIDE + T_OFFSET
- TS_SCALED
- ist der zu komprimierende
Wert.
- TS_STRIDE
- ist eine vorher festgelegte
Einheit.
- T_OFFSET
- ist ein Versatz zwischen
dem Zeitmaßstab
am Sender und am Empfänger.
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Um
die Größe des TS-Feldes
zu verringern, wird nur TS/TS_STRIDE komprimiert und zum Empfänger gesendet.
Als Folge davon ist der Bereich von TS/TS_STRIDE von 0 bis 26843545,
wenn der Bereich für
TS [0, 0xFFFF] ist (TS wird üblicherweise
mit 32 Bit codiert). Als Folge davon springt TS/TS_STRIDE bei einem Überlauf
von 26843545 auf 0.
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Die
Kopfinformations-Dekomprimierung bei einem Überlauf bietet einige Schwierigkeiten.
Es ist in der Tat möglich,
dass das Interpretations-Intervall beim Überlauf mehr als einen einzigen
Wert enthält,
der als die k niederwertigsten Bits die k empfangenen Bits hat.
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Beispiel:
Im Folgenden sind die 10 niederwertigsten Bits für die Werte in der Nähe der Überlauf-Grenze
aufgelistet. In diesem Beispiel ist k = 5 und v_ref = 26843536.
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Zwei
Werte 26843538 und 18 haben die gleichen niederwertigsten Bits 10010.
Es ist für
den Dekomprimierer unmöglich,
zwischen den beiden Werten zu unterscheiden.
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Eine
von RFC 3095 vorgeschlagene Lösung
besteht darin, im Komprimierer für
den Fall des Überlaufs eine
ausreichende Anzahl, die mit b bezeichnet wird, von "0" anzuhängen, um in der Lage zu sein,
im Dekomprimierer zwischen mehreren möglichen Werten zu unterscheiden.
In dem oben angegebenen Beispiel sind drei zusätzliche Bits erforderlich,
um zwischen 10 01 00 10 (= 26843538) und 00 01 00 10 (= 18) zu unterscheiden.
Der übertragene
komprimierte Wert enthält
dann k + b Bits, wobei b die Anzahl zusätzlicher Bits ist, die erforderlich
sind, um den empfangenen Wert eindeutig zu machen, und k die Anzahl
von komprimierten Bits ist, wenn kein Überlauf stattfindet.
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Der
Nachteil dieser Lösung
ist, dass das Komprimierungsverhältnis
nicht optimal ist, da im Fall eines Überlaufs ein Zuschlag hinzugefügt werden
muss.
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Es
ist eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
bereitzustellen, um einen Wert zu komprimieren, der in einem Datenpaket
enthalten ist, wobei der Zuschlag im Fall eines Überlaufs im Vergleich zu Verfahren
nach dem bisherigen Stand der Technik verringert wird.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sender und einen Empfänger bereitzustellen,
die angepasst sind, ein solches Verfahren auszuführen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese
Ziele und weitere, die unten erscheinen, werden durch ein Verfahren
zum Senden von Datenpaketen erreicht, wobei die Datenpakete einen
komprimierten Wert gemäß Anspruch
1, einen Sender gemäß Anspruch
8 und einen Empfänger
gemäß Anspruch
9 enthalten.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird auf der Senderseite, wenn der Abstand
zwischen dem zu komprimierenden Wert und einer vordefinierten Überlauf-Grenze
kleiner als ein vordefinierter Schwellwert ist, ein zusätzliches
Bit (1 Bit) an den komprimierten Wert (k Bits) angehängt, wobei
das zusätzliche
Bit eindeutig die relative Position des zu komprimierenden Wertes
zur Überlauf-Grenze
anzeigt.
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Wenn
das gesendete Datenpaket, das den komprimierten Wert enthält (k +
1 Bits = k Bits + zusätzliches
Bit), am Empfänger
empfangen wird, erkennt letzterer, dass er in einem ersten Interpretations-Intervall, das
aus den k + 1 empfangenen Bits berechnet wird, nicht eindeutig zwischen
zwei Werten unterscheiden kann. Dann berechnet der Empfänger ein
zweites Interpretations-Intervall mit nur k empfangenen Bits. Das
zusätzliche
Bit wird dazu benutzt, zwischen zwei möglichen Werten des zweiten
Interpretations-Intervalls zu unterscheiden, um nur einen passenden
dekomprimierten Wert zu haben.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung hat den Vorteil, ein höheres
Komprimierungs-Verhältnis
für das
komprimierte Feld bereitzustellen.
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Eine
weitere vorteilhafte Eigenschaft des Verfahrens besteht in der Verwendung
dieses Verfahrens zur Komprimierung des Zeitstempel-Feldes eines
Echtzeit-Protokolldaten-Paketes.
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Leistungsmerkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der
folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführung deutlich, die als nicht
einschränkendes
Beispiel angegeben wird, sowie aus den begleitenden Zeichnungen,
in denen:
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1 ein
System zeigt, das einen Sender und einen Empfänger enthält, in denen das Verfahren
der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann;
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2 ein Flussdiagramm zeigt, das die verschiedenen
Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung an einem Sender (2a) und
an einem Empfänger
(2b) darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
ein System, das einen Sender 11 und einen Empfänger 12 enthält, in denen
das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung angewendet werden kann. Der Sender 11 enthält Mittel 111 zur
Erzeugung eines Datenpaketes, das eine Kopfinformation H und Nutzinformations-Daten
D umfasst. Der Sender 11 enthält weiterhin einen Komprimierer 112 zur
Komprimierung der Datenpaket-Kopfinformation H und eine Antenne 113,
um das komprimierte Datenpaket, das eine komprimierte Kopfinformation
CH und Nutzinformations-Daten D enthält, über eine Luftschnittstelle
zum Empfänger 12 zu
senden.
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Der
Empfänger 12 enthält eine
Antenne 123 zum Empfang von komprimierten Datenpaketen,
einen Dekomprimierer 122 zur Dekomprimierung der komprimierten
Kopfinformation CH und Mittel 121 zur weiteren Verarbeitung
der dekomprimierten Datenpakete.
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In
einer bevorzugen Ausführung
der vorliegenden Erfindung sind Datenpakete Echtzeit-IP-Datagramme
entsprechend dem Echtzeit-Protokoll (RTP), wie in RFC 1889 des IETF
spezifiziert. Es ist einem Fachmann jedoch klar, dass andere Datenpaket-Typen
benutzt werden können,
ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen (zum Beispiel
RTP/UDP/IP-Datenpakete).
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Die
Kopfinformation H umfasst vorzugsweise mehrere Felder (z.B. Sequenznummer,
Ursprungs- und Zieladresse, Zeitstempel für Echtzeit-Protokoll und so
weiter ...). Der Komprimierer 112 komprimiert vorzugsweise
jedes Feld unabhängig
voneinander. Alternativ kann der Komprimierer 112 nur vordefinierte
Felder der Kopfinformation komprimieren, wobei er die Felder, die
sich auf unvorhersehbare Weise ändern,
unkomprimiert lässt.
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Das
Komprimierungs-Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung kann für
alle Felder in der Kopfinformation H oder nur für einige von ihnen verwendet
werden. In einer bevorzugten Ausführung wird das Verfahren nur
auf Felder angewendet, für
die sich die Variation des zu komprimierenden Wertes in einem begrenzten,
aber nicht vorhersehbaren Bereich zwischen zwei aufeinander folgenden
Datenpaketen ändert.
Eines dieser Felder ist das Zeitstempel-Feld (TS) für die Kopfinformation,
das dazu benutzt wird, den Zeitstempel anzuzeigen, bei dem das Datenpaket
in Echtzeit-Protokollen erzeugt wurde.
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Für andere
Felder, die entweder konstant bleiben oder sich auf deterministische
Weise ändern,
können übliche Komprimierungs-Algorithmen
(z.B. die Least-Significant-Bit-Komprimierung
oder eine auf Fenstern basierende LBS-Codierung) verwendet werden.
Diese bieten den Vorteil, das Komprimierungs-Verhältnis weiter
zu optimieren, da nicht alle Felder die Behandlung gemäß der vorliegenden
Erfindung erfordern.
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2 zeigt ein Flussdiagramm, das die verschiedenen
Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung an einem Sender (2a) und
an einem Empfänger
(2b) darstellt.
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Am
Sender 11 werden die folgenden Schritte vom Komprimierer 112 durchgeführt.
- – In
Schritt 211 empfängt
der Komprimierer 112 einen zu komprimierenden Wert. Der
komprimierte Wert wird in einem Feld für die komprimierte Kopfinformation
CH gespeichert.
- – In
Schritt 212 berechnet der Komprimierer ein Interpretations-Intervall,
als ob er den Wert unter Verwendung des Least-Significant-Bit-Komprimierungs-Mechanismus oder
einer seiner Varianten, wie in RFC 3095 gezeigt, komprimieren würde.
- – In
Schritt 213 überprüft der Komprimierer,
ob das Interpretations-Intervall eine Überlauf-Grenze enthält (z.B.
die Überlauf-Grenze
26853545).
- – Falls
nicht, wird die Komprimierung unter Verwendung des üblichen
Komprimierungs-Algorithmus fortgeführt (Schritt 214).
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Wenn
ein Überlauf
erkannt wird, werden Schritt 215 und die folgenden Schritte
durchgeführt:
- – Schritt 215 besteht
aus der Erzeugung eines komprimierten Wertes, der k Bits entsprechend
dem üblichen Komprimierungs-Algorithmus
enthält.
Es muss darauf hingewiesen werden, dass dieser komprimierte Wert wegen
des Überlaufs
nicht eindeutig einen Wert des Interpretations-Intervalls darstellt.
Im Gegensatz dazu können
zwei mögliche
Werte des Interpretations-Intervalls mit dem komprimierten Wert übereinstimmen, wenn
der LBS-Komprimierungs-Algorithmus
ohne Änderung
verwendet wird.
- – Schritt 216 besteht
aus der Überprüfung, ob
der zu komprimierende Wert vor oder nach dem Überlauf liegt. Wenn der Überlauf
am Wert N auftritt, werden Werte, die zum Intervall ]N/2, N[ gehören, als
vor dem Überlauf
liegend angesehen, während
Werte, die zum Intervall [0, N/2] gehören, als nach dem Überlauf
liegend angesehen werden.
- – Schritt 217 besteht
darin, an den komprimierten Wert ein zusätzliches Bit anzuhängen, das
gleich 0 ist, wenn sich der zu komprimierende Wert vor dem Überlauf
befindet.
- – Schritt 218 besteht
darin, an den komprimierten Wert ein zusätzliches Bit anzuhängen, das
gleich 1 ist, wenn sich der zu komprimierende Wert nach dem Überlauf
befindet.
Dann wird, wenn der Überlauf beim Wert von 26843545
stattfindet, der Wert 18 mit fünf
Bits 1 00 10 komprimiert. Da sich 18 nach der Überlauf-Grenze befindet, wird
ein sechstes Bit gleich 1 als höchstwertiges
Bit angehängt.
Der komprimierte Wert besteht aus den folgenden sechs Bits 11 00
10.
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Es
ist einem Fachmann klar, dass das zusätzliche Bit 1 für vor dem Überlauf
liegende Werte und 0 für nach
dem Überlauf
liegende Werte sein kann. Die einzige Anforderung ist, dass der
Komprimierer und der Dekomprimierer dieselbe Regel zur Bestimmung
der Bedeutung des zusätzlichen
Bits benutzen.
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In
einer bevorzugten Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird das zusätzliche Bit als höchstwertiges
Bit an den komprimierten Wert angehängt. In einer anderen Ausführung der vorliegenden
Erfindung kann das zusätzliche
Bit als niederwertigstes Bit des komprimierten Wertes angehängt werden.
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Am
Empfänger 12 werden
vom Dekomprimierer 122 folgende Schritte ausgeführt.
- – Schritt 221 besteht
darin, am Dekomprimierer 122 einen komprimierten Wert zu
empfangen, der aus m Bits besteht.
- – Schritt 222 besteht
aus der Berechnung des Interpretations-Intervalls als Funktion von
m und des im Dekomprimierer gespeicherten Referenzwertes.
- – Schritt 223 besteht
aus der Erkennung, ob nur ein Wert des Interpretations-Intervalls
mit dem empfangenen auf m Bit komprimierten Wert übereinstimmt.
- – Wenn
nur ein Wert übereinstimmt,
besteht Schritt 224 in der Dekomprimierung des komprimierten
Wertes entsprechend dem üblichen
Dekomprimierungs-Algorithmus (z.B. LBS-Codierung).
- – Wenn
mehr als ein Wert übereinstimmt,
werden die Schritte 225 und die folgenden ausgeführt.
- – Schritt 225 besteht
darin, das höchstwertige
Bit aus dem auf m Bit komprimierten Wert zu entnehmen und es als
zusätzliches
Bit zur weiteren Verarbeitung zu speichern.
- – Schritt 226 besteht
aus der Berechnung eines zweiten Interpretations-Intervalls als
Funktion von m – 1 und
des im Dekomprimierer gespeicherten Referenzwertes.
- – Schritt 227 besteht
aus der Überprüfung, ob
das zusätzliche
Bit gleich 0 ist.
- – Wenn
das zusätzliche
Bit gleich 0 ist, wird Schritt 228 ausgeführt, andernfalls
wird Schritt 229 ausgeführt.
- – Schritt 228 besteht
darin, als dekomprimierten Wert den einzigen übereinstimmenden Wert des zweiten Interpretations-Intervalls
auszuwählen,
der sich vor dem Überlauf
befindet.
- – Schritt 229 besteht
darin, als dekomprimierten Wert den einzigen übereinstimmenden Wert auszuwählen, der
sich nach dem Überlauf
befindet.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch einen Sender, der Mittel zur
Durchführung
der in 2a beschriebenen Schritte 211 bis 217 enthält, sowie
einen Empfänger,
der Mittel zur Durchführung
der in 2b beschriebenen Schritte 221 bis 229 enthält.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung führt zu einem höheren Komprimierungs-Verhältnis, wie
in dem Beispiel gezeigt, das im Abschnitt "Stand der Technik" und im Abschnitt "Detaillierte Beschreibung der Erfindung" näher beschrieben
wird. Unter der Annahme, dass die Überlauf-Grenze = 26843545 ist,
dass ein synchroner Komprimierer und Dekomprimierer mit v_ref =
26843536 verwendet wird und unter Berücksichtigung, dass der zu komprimierende
Wert v = 18 ist, berechnet der Komprimierer das Interpretations-Intervall {26843536
... ... 26843545 0 1 ... 10 ... 21}. Es folgt, dass für die Lösung nach
dem Stand der Technik entsprechend der Regel RFC 3095 der komprimierte
Wert 00010010 (8 Bits) ist. Entsprechend der vorliegenden Erfindung
wird der Wert auf 010010 (6 Bits) komprimiert.
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Ein
weiteres Beispiel, dass man für
eine Überlauf-Grenze
von 26738713 = 1 10 01 10 00 00 00 00 00 00 01 10 01, v_ref = 26738711
und den zu komprimierenden Wert v = 10 erhält, führt für den in RFC 3095 üblichen
Komprimierungs-Algorithmus zu einem auf 20 Bit komprimierten Wert
und zu einem auf 6 Bit komprimierten Wert für das Komprimierungs-Verfahren
der vorliegenden Erfindung.
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Der
Vorteil im Hinblick auf das Komprimierungs-Verhältnis ist größer, wenn
der Wert von TS_STRIDE größer ist.
