DE60313377T2

DE60313377T2 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung der funktionsweise mehrerer kommunikationsschichten in einem geschichteten kommunikations-szenario

Info

Publication number: DE60313377T2
Application number: DE60313377T
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kellerer; Eckehard Steinbach; Lai-U Choi
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2023-10-16
Also published as: US7656815B2; EP1678920A2; AU2003278085A1; WO2005041516A2; WO2005041516A3; US20060268933A1; JP2007515832A; CN1879389B; DE60313377D1; CN1879389A; JP4287429B2; EP1678920B1

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Telekommunikation und insbesondere auf dem Gebiet von Kommunikationssystemen, die Protokollschichten zum Verarbeiten von zu sendenden Informationen und/oder zum Verarbeiten empfangener Informationen verwenden.
In einer Umgebung einer mobilen drahtlosen Kommunikation ist es aufgrund eines dynamischen Verhaltens einer Kommunikationsverbindung, beispielsweise einer drahtlosen Verbindung, eine herausfordernde Aufgabe, zuverlässige, qualitativ hochwertige Dienste zu liefern. Deshalb müssen Systementwerfer mit einer unvorhersehbaren Schwankung der Sendequalität zurechtkommen, die sich aus einer zeitlich veränderlichen Ressourcenverfügbarkeit, Fadingfehlern, Ausfällen oder einer Übergabe ergibt. Für drahtlose Netzwerke über Systeme der dritten Generation (B3G) hinaus wird dieses dynamische Verhalten negativ beeinflusst, da man erwartet, dass B3G-Systeme sich über heterogene Drahtloser-zugriff-Netzwerktechnologien mit unterschiedlichen Sendecharakteristika erstrecken. Jedoch erwartet man, dass die drahtlosen Netzwerke der nächsten Generation den Kunden zuverlässige und transparente Dienste liefern, so dass eine nahtlose Nutzung der Diversität des Netzwerks erzielt werden kann.
Eine Bereitstellung von Diensten und Anwendungen in B3G muss nicht nur die Dichte des Netzwerks in Betracht ziehen, sondern auch eine Anwendungsvielfalt als neue Geschäftsmodelle, von denen man erwartet, dass sie Drittanbietern ermöglichen, ihre Anwendung zusätzlich zu den Dienstplattformen der Betreiber, die hochentwickelte offene Schnittstellen nutzen, anzubieten. Um sich dynamisch verändernde Anwendungsanforderungen, die z. B. aus variierenden Benutzer präferenzen oder einem variierenden Benutzerkontext resultieren können, zu berücksichtigen, benötigen die Betreiber eine Fähigkeit, die Systemparameter dynamisch zu verändern, um auf die variierenden Anforderungen zu reagieren.
Üblicherweise wenden herkömmliche Kommunikationssysteme eine Mehrzahl von Kommunikationsschichten, die zu einem Protokollstapel angeordnet sind, zur Informationsverarbeitung an. 4 zeigt einen Protokollstapel, der eine Mehrzahl von hierarchisch angeordneten Kommunikationsschichten umfasst. Der in 4 gezeigte Protokollstapel des Standes der Technik ist bei Andrew Tanenbaum, Computer Networks, 4. Ausgabe, Francis Hall, 2003, offenbart.
Der Protokollstapel umfasst eine physische Schicht 901, eine Datenverbindungsschicht 903, die über der physischen Schicht 901 angeordnet ist, eine auf der Datenverbindungsschicht 903 angeordneten Netzwerkschicht 905, eine auf der Netzwerkschicht 905 angeordnete Transportschicht 907 und eine auf der Transportschicht 907 angeordnete Anwendungsschicht 911.
Allgemein gesagt ist die Anwendungsschicht bezüglich eines Verwaltens der zu sendenden Informationen wirksam. Beispielsweise umfassen die Informationen einen Mediendatenstrom, beispielsweise einen Videodatenstrom, als Informationen, die durch einen Kommunikationskanal gesendet werden sollen. Alternativ dazu können die Informationen einen Multimedia-Datenstrom umfassen, der aus Video- und Audioinformationen besteht, die durch den Kommunikationskanal gesendet werden sollen. Ferner kann die Anwendung eine elektronische Post usw. umfassen. Mit anderen Worten ist die Anwendungsschicht bezüglich eines Umwandelns der zu sendenden Anwendung in einen sendefähigen Informationsstrom wirksam.
Die Anwendungsschicht 911 kommuniziert direkt mit der Transportschicht 907, die bezüglich eines Lieferns eines Transportdienstes wirksam ist, so dass die Informationen in Abhängigkeit von dem für die Kommunikation verwendeten physischen Netzwerk an einen Zielverbraucher gesendet werden können. Beispielsweise hängt die Transportschicht eine Transportprotokolldateneinheit (TPDU – transport protocol data unit) an den Informationsdatenstrom an, um eine Partner-Zu-Partner-Kommunikation zu bewahren, die allen Kommunikationsnetzwerken gemein ist. Partner-Zu-Partner-Kommunikation bedeutet, dass beispielsweise die Transportschicht 907 direkt mit einer anderen Transportschicht, die in einem Zielnetzwerk implementiert ist, kommuniziert.
Die Transportschicht 907 kommuniziert direkt mit der Netzwerkschicht 905, die bezüglich eines Verarbeitens eines durch die Transportschicht 907 gelieferten Informationsrahmens wirksam ist, so dass eine Ende-Zu-Ende-Kommunikation, d. h. eine Kommunikation zwischen zwei Computerentitäten, möglich ist.
Die Netzwerkschicht 905 liefert einen Netzwerkschichtrahmen an eine Netzwerkschicht, die die Datenverbindungsschicht 903 und die physische Schicht 901 umfasst, wobei die Datenverbindungsschicht 903 und die physische Schicht 901 eine Mehrzahl von Teilschichten, beispielsweise eine Medienzugriffssteuerteilschicht, umfassen können.
Die Verbindungsschicht ist bezüglich eines Verwaltens des Sendens der durch Bits dargestellten Informationen durch den Kommunikationskanal wirksam. Beispielsweise ist die Datenverbindungsschicht 903 bezüglich eines Anlegens einer Vorwärtsfehlerkorrekturcodierung (FEC – forward error correction encoding) oder einer Vorwärtsfehlererfassungscodierung, eines erneuten Sendens von fehlerhaften Datenrahmen (Paketen) und beispielsweise eines Bestätigens eines korrekten Empfangs jedes Rahmens durch Senden eines Bestätigungsrahmens wirksam. Ferner kann die Datenverbindungsschicht 903 bezüglich eines Planens der Rahmen, die in beispielsweise einem aus mehreren Benutzern bestehenden Szenario gesendet werden sollen, wirksam sein. Planen bedeutet, dass ein Rahmen bei einem vorbestimmten Zeitschlitz (Sendezeitrahmen) gesendet wird.
Die Datenverbindungsschicht 903 kommuniziert direkt mit der physischen Schicht 901, die bezüglich eines weiteren Codierens der durch die Datenverbindungsschicht 903 gelieferten Ströme durch z. B. ein Durchführen einer Modulation unter Verwendung eines Modulationsschemas, das einen Träger gemäß den zu sendenden Informationen moduliert, wirksam ist.
Das Ausführungsbeispiel des in 4 gezeigten Protokollstapels entspricht einem in dem oben genannten Dokument beschriebenen TCP/IP-Referenzmodell (TCP = transmission control protocol, Sendesteuerungsprotokoll, IP = internet protocol, Internetprotokoll). Der Zweckmäßigkeit halber ist zu beachten, dass der in 4 gezeigte Protokollstapel auch dem OSI-Referenzmodell (OSI = open system interconnect, Kommunikation offener Systeme) entspricht, mit Ausnahme von zwei Schichten, nämlich einer Sitzungsschicht und einer Präsentationsschicht, die zwischen der Anwendungsschicht 901 und der Transportschicht 907 angeordnet sind.
Es wird erwartet, dass der Internetprotokollstapel, wie er in 4 gezeigt ist, als grundlegende Plattform für B3G-Systeme und -Anwendungen verwendet wird. Um jedoch eine gute Übertragungsqualität in einer variierenden Übertragungsumgebung zu erzielen, ist eine effiziente Nutzung der verfügbaren Netzwerkressourcen notwendig, um das aufkommende Kommunikationssystem oder die aufkommende Anwendung beispielsweise an variierende Übertragungscharakteristika und Anwendungsanforderungen anzupassen. Im Fall eines frequenzselektiven Kommunikationskanals ist z. B. eine geeignete Codierung des zu sendenden Datenbitstroms notwendig, so dass eine vorbestimmte Bitfehlerwahrscheinlichkeit, d. h. 10-6, nicht erhöht wird. Zu diesem Zweck kann die physische Schicht beispielsweise dahingehend wirksam sein, das Modulationsschema an die aktuelle Kanalcharakteristik anzupassen. Demgemäss kann an allen Protokollschichten des Proto kollstapels eine Systemanpassung vorgenommen werden, indem die jeweiligen Parameter, die einen Betriebsmodus einer jeweiligen Kommunikationsschicht bestimmen, angepasst werden.
Herkömmlicherweise wird die Optimierung des Systems für eine spezifische Anwendung, beispielsweise einen Videostrom, auf vertikale Weise durchgeführt, beispielsweise in einem System, das lediglich einen Dienst in einem nichtgeschichteten Szenario trägt, beispielsweise im Fall von POTS (Plain Old Telephony Service – herkömmlicher Telefondienst).
Bei geschichteten Kommunikationssystemen wie z. B. dem drahtlosen Internet werden herkömmlicherweise bestimmte Schichten unabhängig voneinander bezüglich eines erwarteten Schlimmster-Fall-Szenarios (schlimmste Bedingung) optimiert, was zu einer ineffizienten Nutzung der verfügbaren Kommunikationsressourcen führt, beispielsweise einer verfügbaren Bandbreite, einer erreichbaren Datenrate, die einer bestimmten Bitfehlerwahrscheinlichkeit zugeordnet ist, usw.
Bei vorhandenen Systemen wird die Intra-Schicht-Anpassung durchgeführt, ohne Inter-Schicht-Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Bei P. A. Chou und Z. Miao, "Rate-Distortion Optimization Streaming of Packetized Media", Technical Report MSR-TR-2001-35, Microsoft Research, Microsoft Corporation, Feb. 2001, wird ein Kommunikationssystem offenbart, bei dem eine Medienrahmenplanung durch die Anwendungsschicht durchgeführt wird, wobei lediglich in einer gegenseitigen Abhängigkeit der Medienrahmen, die Video- und Audioinformationen transportieren, berücksichtigt wird. Bei M. Kalman, E. Steinbach und B. Girod, "R-D Optimized Media Streaming Enhanced with Adaptive Media Playout", International Conference an Multimedia und Expo, ICME 2002, Lausanne, August 2002, wird ein adaptives Medienplayoutschema beschrieben, bei dem die Playoutgeschwindigkeit von Audiodaten (beispielsweise Sprache) und Videodaten in Abhängigkeit von Ka nalbedingungen variiert wird. Bei S. Saha, M. Jamtgaard, J. Villasenor, „Bringing the wireless Internet to mobile devices", Computer, Band 34, Ausgabe 6, S. 54-58, Juni 2001, wird eine adaptive Mittelschicht beschrieben, die eine Umcodierung von Mediendaten anwendet, um das derzeit verwendete Codierungsschema an variierende Kanalbedingungen anzupassen. Bei H. Imura u. a, „TCP over Second (2.5 G) und Third (3 G) Generation Wireless Networks", IETF RFC 3481, Feb. 2003, wird ein drahtloser TCP-Protokollstapel beschrieben, der zwischen Paketverlusten aufgrund einer Netzwerküberbelastung und Verlusten aufgrund von Löschungen auf einer drahtlosen Verbindung unterscheidet. Bei F. H. Fitzek und M. Reisslein, „A prefetching protocol for continuous media streaming in wireless environments", IEEE Journal an Selected Areas in Communications, Band 19, Nr. 10, S. 2.015-2.028, Oktober 2001, wird eine Datenverbindungsschicht-Neuübertragung beschrieben, bei der eine Verzögerungseinschränkung berücksichtigt ist. Die bekannten differenzierten angesteuerten Dienste (DIFFSERV) beruhen auf einer festgelegten Priorität bei Medienpaketen, so dass wichtigere Medienpakete bevorzugt geplant werden. Außerdem ist eine adaptive Modulierung und Codierung an der physischen Schicht bekannt, wie beispielsweise in dem Standard IEEE 802,11a beschrieben ist.
Jedoch weisen die oben angegebenen Lösungsansätze des Standes der Technik den Nachteil auf, dass bezüglich eines Erreichens eines Optimierungsziels lediglich eine Schicht optimiert wird. Um eine Übertragungsqualität zu verbessern, kann beispielsweise die physische Schicht dahingehend wirksam sein, die Sendeleistung je nach einer aktuellen Kanalbedingung, beispielsweise einer aktuellen Kanaldämpfung, adaptiv anzupassen. Mit anderen Worten stützen sich die oben angegebenen Lösungsansätze des Standes der Technik auf eine Optimierung lediglich eines Parametersatzes, der ein Betriebsmodus der jeweiligen Kommunikationsschicht bestimmt.
Um die Ressourcen effizienter auszunutzen, kann eine Anpassung von zwei Schichten durchgeführt werden. Bei K. Stuhlmüller, N. Färber und B. Girod, „Analysis of video transmission over lossy channels", IEEE Journal an Selected Area in Communication, Band 18, Nr. 6, S. 1.012-1.032, Juni 2000 und T. Fingscheidt, T. Hindelang. R. V. Cox, N. Seshadri, „Joint Source-Channel (De)Coding for Mobile Communications", IEEE Transactions an Communications, Band 50, Nr. 2, S. 200-212, Februar 2002, ist ein Quellen- und Kanalcodierungsschema beschrieben. Das Anpassungsschema beruht auf einer Anpassung einer Quellenrate und einer Codierungsrate in Abhängigkeit von den Kanalbedingungen bezüglich der Übertragungsqualität. Genauer gesagt wird eine analytische Formel offenbart, die eine Berechnung einer Quellenrate und einer Kanalrate ermöglicht.
In der Schrift von W. Yuan, K. Nahrstedt, S. Adve, D. Jones, R. Kravets: Design and Evaluation of a Cross-Layer Adaptation Framework for Mobile Multimedia Systems, die auf der SPIE/ACM Multimedia Computing and Networking Conference (MMCN) 2003, erscheinen soll, wird eine Optimierung einer Leistungssteuerung und Übertragungsdatenrate offenbart. Bei S. Toumpis, A. Goldsmith: Performance, Optimization, and Cross-Layer Design of Media Access Protocols for Wireless Ad Hoc Networks, IEEE International Conference an Communications (ICC), 2003, wird eine Medienzugriffssteuerungs (MAC- (MAC = media access control)) Schicht- und Physische-Schicht-Optimierung für Ad-Hoc-Netzwerke beschrieben.
Jedoch weisen die Konzepte des Standes der Technik, die einen schichtübergreifenden Entwurf zu Optimierungszwecken anwenden, einen Nachteil auf, dass in dem Kommunikationssystem lediglich ein bestimmter Optimierungsansatz für die Intra-Schicht-Anpassung in Betracht gezogen wird. Außerdem ziehen die Lösungsansätze des Standes der Technik Inter-Schicht-Abhängigkeiten nicht in Betracht, was zu einer ineffektiven Nutzung der verfügbaren Ressourcen führt.
Überdies kann eine kanalbewusste Planung angewendet werden, um eine Sendezeit eines Medienpakets als Funktion einer Kanalbedingung auszuwählen.
Der oben angegebene Stand der Technik beschreibt Verfahren zur Optimierung. Jedoch offenbaren die oben angegebenen Dokumente des Standes der Technik keinen Lösungsansatz bezüglich eines Ermöglichens unterschiedlicher Arten von schichtübergreifenden Anpassungsmechanismen.
Ein weiterer Nachteil der Lösungsansätze des Standes der Technik besteht darin, dass die offenbarten Optimierungsschemata nicht flexibel sind. Da die oben angegebenen Lösungsansätze des Standes der Technik lediglich einen oder zwei bestimmte Parameter für eine Optimierung in Betracht ziehen, beispielsweise Leistungssteuerungs- und Sendedatenrate, werden weitere Optimierungsszenarios nicht in Betracht gezogen, um die verfügbaren Kommunikationsressourcen vollständig auszuschöpfen.
Da derzeitige Systemarchitekturen nicht für eine schischichtübergreifende Anpassung ausgelegt sind, Prehofer, W. Kellerer, R. Hirschfeld, H. Berndt und K. Kawamura, „An Architecture Supporting Adaptation and Evolution in Fourth Generation Mobile Communication Systems". Journal of Communications and Networks (JCN), Band 4, Nr. 4, Dezember 2002, wird ein offenes programmierbares Kommunikationssystem, das das schichtübergreifende Apassungskonzept verwendet, beschrieben. Jedoch bestehen die programmierbaren Plattformen lediglich auf jeder Systemebene. Jede Plattform besteht aus einer stabilen und minimalen Plattformbasis, die eine koordinierte Konfiguration ermöglicht, und zusätzlichen Plattformkomponenten, die hinzugefügt oder weggenommen werden könnten. Jedoch offenbart das zuletzt genannte Dokument des Standes der Technik kein Konzept zum Bestimmen der Parameter, die Operationsmodi der programmierbaren Plattformen steuern.
Die US 2002/0004827 A1 offenbart ein Verfahren zum Liefern von Breitbandkommunikationen über ein Mehrschichtnetzwerk, das eine Mehrzahl von OSI-Referenzmodellschichten (OSI = Open System Interconnection, Kommunikation offener Systeme) aufweist, die in demselben funktionieren, das ein Überwachen zumindest einer OSI-Referenzmodellschicht, die in dem Mehrschichtnetzwerk funktioniert, umfasst. Das Dienstgüteereignis wird dahingehend bestimmt, ob es in dem mehrschichtigen Netzwerk aufgetreten ist. Das Dienstgüteereignis wird dahingehend bestimmt, ob es an einer Schicht N in dem OSE-Referenzmodell stattgefunden hat. Eine Netzwerkbereitstellung wird an einer Schicht von weniger als N ansprechend auf das Dienstgüteereignis verändert, und ein Signal wird geliefert, wenn die Netzwerkbereitstellung an der Schicht von weniger als N verändert wurde. Ein System zum Liefern von Breitbandkommunikationen umfasst ein mehrschichtiges Netzwerk, eine Netzwerküberwachungseinrichtung und eine Netzwerksteuerung. Das Mehrschichtnetzwerk weist eine Mehrzahl von OSI-Referenzmodellschichten (OSI = Kommunikation offener Systeme) auf, die in demselben funktionieren. Die Netzwerküberwachungseinrichtung ist mit dem mehrschichtigen Netzwerk gekoppelt, und eine Netzwerküberwachungseinrichtung ist dahingehend angepasst, zumindest eine OSI-Referenzmodellschicht, die in dem mehrschichtigen Netzwerk fungiert, zu überwachen, zu bestimmen, dass ein Dienstgüteereignis in dem Mehrschichtnetzwerk stattgefunden hat, und zu bestimmen, dass das Dienstgüteereignis an einer Schicht N in dem OSI-Referenzmodell stattgefunden hat. Die Steuerung ist mit dem mehrschichtigen Netzwerk gekoppelt, und die Netzwerküberwachungseinrichtung ist dahingehend angepasst, auf das Dienstgüteereignis in dem mehrschichtigen Netzwerk anzusprechen, indem sie die Netzwerkbereitstellung an einer Schicht von weniger als N, verändert.
Die US 2003/0081580 A1 offenbart ein(e) rekonfigurierbare(s) Multimediasystem, -verfahren und -vorrichtung, das bzw. die eine Überwachung und Rekonfiguration einer Mehrzahl von Kommunikationsschichten eines Kommunikationssta pels liefert, um die Modulation und Codierung eines software-definierten Funks (SWR – software defined radio) dynamisch zu rekonfigurieren. Das System umfasst eine Softwareobjektfunk- (SWR-)bibliothek, die rekonfigurierbare Objektspezifikations-, Entwurfs- und Leistungsfähigkeitsparameter aufweist, wobei der SWR zumindest entweder zum Senden und/oder zum Empfangen eines Multimediainhalts über eine drahtlose Kommunikation angepasst ist; eine Steuerung, die mit der SWR-Bibliothek in Kommunikation steht; ein Leistungsverwaltungsvorrichtungsmodul, das mit der Steuerung in Kommunikation steht; einen rekonfigurierbaren Codierer/Decodierer, der mit der Steuerung in Kommunikation steht, um den SWR mit dynamischen Codierungsinformationen zur Modulierung zu versorgen; eine TCP/IP-Schnittstelle, die mit dem rekonfigurierbaren Codierer/Decodierer und der Steuerung in Kommunikation steht; und eine Anwendungsschicht, die eine Verbindungsschicht und eine rekonfigurierbare physische Schicht umfasst, die in Kommunikation miteinander und mit der Steuerung stehen, wobei die physische Schicht zur Kommunikation mit einem Kanal angepasst ist und die Anwendungsschicht zumindest einen Treiber zur Multimedialieferung umfasst. Die Steuerung überwacht die Physische-Schicht- und Verbindungsschichtinformationen, und der rekonfigurierbare Codierer/Decodierer rekonfiguriert dynamisch eine Modulationscodierung eines Multimediainhalts gemäß einem schichtübergreifenden Optimierungsansatz.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Konzept für ein effizientes schichtübergreifendes Anpassungsschema in einem Kommunikationssystem unter Verwendung von Kommunikationsschichten zum Verarbeiten von zu sendenden Informationen zu liefern.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Steuern eines Betriebs einer Mehrzahl von Kommunikationsschichten gemäß Anspruch 1 oder durch eine Kommunikationsvorrichtung zum Verarbeiten von zu sendenden Informationen gemäß Anspruch 20 oder durch eine Kommunikationsvorrichtung zum Verarbei ten eines empfangenen Signals gemäß Anspruch 21 oder durch ein Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer Mehrzahl von Kommunikationsschichten gemäß Anspruch 22 oder durch ein Verfahren zum Verarbeiten von zu sendenden Informationen gemäß Anspruch 23 oder durch ein Verfahren zum Verarbeiten eines empfangenen Signals gemäß Anspruch 24 oder durch ein Computerprogramm gemäß Anspruch 25 gelöst.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Mehrzahl von Kommunikationsschichten effizient gesteuert werden kann, wenn die Parameter, die einen Betriebsmodus der jeweiligen Kommunikationsschicht bestimmen, gemeinsam bestimmt werden, indem Abstraktionsmodelle, die ein Verhalten einer bestimmten Kommunikationsschicht beschreiben, gemeinsam emuliert werden. Insbesondere hat man festgestellt, dass auf der Basis der Abstraktionsmodelle optimale Parameter gefunden werden können, so dass eine Leistungsfähigkeit der Kommunikationsschichten bezüglich eines Optimierungsziels, beispielsweise der Übertragungsqualität, und auf eine Berücksichtigung einer Kanaleigenschaft, beispielsweise der Bitfehlerwahrscheinlichkeit hin optimiert, werden kann.
Der erfindungsgemäße Lösungsansatz liefert ein Konzept für eine gemeinsame Optimierung einer Mehrzahl von Kommunikationsvorrichtungen, um eine Mehrzahl von Optimierungszielen zu erreichen. Insbesondere bei einem aus mehreren Benutzern bestehenden Szenario ist ein Kommunikationssystem bezüglich eines Sendens eines ersten Benutzersignals und eines zweiten Benutzersignals durch einen Kommunikationskanal wirksam. Das erste Benutzersignal kann zu sendende Informationen, beispielsweise einen Videostrom, umfassen, bei denen eine bestimmte Übertragungsqualität notwendig ist, um eine Signalverzerrung zu verringern. Demgemäss kann der zweite Benutzerstrom zu sendende Informationen umfassen. In diesem Fall besteht das Optimierungsziel darin, die Leistungsfähigkeit der Kommunikationsschicht, die bezüglich eines Verarbeitens der Informationen wirksam ist, und der Kommunika tionsschicht, die bezüglich eines Sendens wirksam ist, gemeinsam zu optimieren. Insbesondere kann die Kommunikationsschicht, die bezüglich eines Verwaltens oder Verarbeitens der Informationen wirksam ist, die zuvor erörterte Anwendungsschicht sein. Demgemäss kann die Kommunikationsschicht, die bezüglich eines Verwaltens des Sendens durch den Kommunikationskanal wirksam ist, die physische Schicht umfassen, die in Verbindung mit dem Protokoll des Standes der Technik in 4 gezeigt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Kommunikationsschichten gemeinsam optimiert, indem beispielsweise ein erster Satz von Parametern, die einen Betriebsmodus einer ersten Kommunikationsschicht bestimmen, und ein zweiter Satz von Parametern, die einen Betriebsmodus einer zweiten Kommunikationsschicht bestimmen, bestimmt werden. Jedoch kann ein Betriebsmodus einer bestimmten Kommunikationsschicht aufgrund von Zwischenschicht-Abhängigkeiten, einer Komplexität von durch die jeweilige Kommunikationsschicht durchgeführten Operationen und einer Mehrzahl von zu erledigenden Aufgaben, die durchzuführen sind, nicht analytisch beschrieben werden. Um dieses Problem zu überwinden, können Abstraktionsmodelle verwendet werden, die ein Verhalten (oder eine Charakteristik) eines bestimmten Kommunikationskanals modellieren. Abstraktionsmodelle, die durch Zustandsdiagramme ausgedrückt werden, sind bei Andrew Tanenbaum, Computer Networks, vierte Ausgabe, Prentice Hall, 2003, offenbart. Jedoch werden die dort offenbarten Abstraktionsmodelle üblicherweise zum Modellieren einer einzigen Kommunikationsschicht verwendet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der optimale Satz von Parametern ermittelt, indem ein Verhalten zumindest zweier Protokollschichten, die auf der Basis von Abstraktionsmodellen, die eine bestimmte Charakteristik der zu optimierenden Protokollschicht modellieren, optimiert werden müssen, gemeinsam emuliert wird.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein optimaler Satz von Parametern in Abhängigkeit von einer aktuellen Kanalzustandsbedingung und von dem Optimierungsziel dynamisch gefunden werden kann. Somit kann eine Flexibilität bezüglich eines adaptiven Optimierens des Protokollstapels, um eine Mehrzahl von Optimierungszielen in unterschiedlichen Sendeszenarios zu erzielen, erzielt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Kommunikationsschichten gemeinsam optimiert werden. Deshalb können die verfügbaren Kommunikationsressourcen, z. B. eine verfügbare Bandbreite, vollständig oder nahezu vollständig ausgenutzt werden, da eine globale Optimierung auf eine Berücksichtigung von Zwischenschicht-Abhängigkeiten hin durchgeführt wird.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass jegliche Protokollschichten optimiert werden können, da Informationen eines aktuellen Zustands einer Protokollschicht oder Informationen einer aktuellen Kanalbedingung allen Kommunikationsschichten zur Verfügung stehen. Somit wird der ineffektive vertikale Informationstransport, der den Lösungsansätzen des Standes der Technik gemein ist, vermieden. Somit können je nach dem Optimierungsziel, der Kanaleigenschaft usw. jegliche Kommunikationsschichten, die die besten Optimierungsergebnisse versprechen, optimiert werden, um das Optimierungsziel zu erreichen.
Ein Optimierungsschema, das zur Optimierung eines Kommunikationssystems, das Kommunikationsschichten (Protokollschichten) verwendet, d. h. B3G-Systeme, verwendet wird, ist ein schichtübergreifender Entwurf. Hier werden mehrere Schichten des Protokollstapels, der sich von Anwendungsparametern bis zu einer physischen Übertragung erstreckt, in Betracht gezogen. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kommunikationssystems, bei dem eine Optimierung des Kommunikationssystems auf der Basis der schichtübergreifen den Optimierung auf vertikale Weise für eine spezifische Anwendung demonstriert wird.
Das in 5 gezeigte System umfasst einen Sender 1001 (Basisstation) und einen Empfänger 1003. Der Sender 1001 wendet einen Protokollstapel 1005 zum Verarbeiten der zu übertragenden Anwendung(sinformationen) an. Der Protokollstapel 1005 umfasst eine Anwendungsschicht, eine Transportschicht, eine Netzwerkschicht und eine Verbindungsschicht, umfassend, z. B., eine Medienzugriffssteuerschicht (MAC) und eine physische Schicht (PHY). Demgemäss wendet der Empfänger 1003 einen Protokollstapel 1007 zum Verarbeiten eines Empfangssignals an, das eine Version eines durch den Sender 1001 übertragenen Sendesignals ist. Der Protokollstapel 1007 (der Empfangsprotokollstapel) umfasst demgemäss eine Verbindungsschicht, eine IP-Schicht (die der Netzwerkschicht entspricht), eine TCP/UDP-Schicht (die der Transportschicht entspricht) und eine Anwendungsschicht.
5 zeigt ferner ein Prinzip einer Partner-Zu-Partner-Kommunikation, bei dem die entsprechenden Schichten, beispielsweise die Transportschichten und die TCP/UDP-Schicht, miteinander kommunizieren.
Um das System bezüglich der spezifischen Anwendung zu optimieren, wird beispielsweise eine von unten nach oben erfolgende Informationslieferung durchgeführt. Beispielsweise extrahiert die Verbindungsschicht eine Kanaleigenschaft als einen physischen Einschränkungsparameter, beispielsweise ein Signal/Rausch-Verhältnis (SNR – signal to noise ratio) oder eine maximale mögliche Sendeleistung. Die physischen Einschränkungsparameter werden dann zu der Anwendungsschicht transportiert, wo ein Video-Streaming, das Echtzeit-Codierungs- und -Codierungsschemata (Codec) verwendet, durchgeführt wird. Mit anderen Worten passt die Anwendungsschicht das Echtzeit-Codec an die physischen Einschränkungsparameter an, so dass die erforderliche Übertragungsqualität für ein Video-Streaming erzielt werden kann.
Demgemäss kann die Anwendungsschicht die Verbindungsschicht über Dienstgüte-Anforderungen (QOS-Anforderungen, QOS = quality of service, Dienstgüte) (beispielsweise eine bestimmte Bitfehlerwahrscheinlichkeit, die einem bestimmten Dienst zugeordnet ist) informieren. In diesem Fall kann die Verbindungsschicht ein umfassenderes Codierungsschema anwenden, so dass die Dienstgüte-Anforderung erfüllt ist.
Die in 5 gezeigte erfindungsgemäße Schichtübergreifende-Anpassung-Technik beruht auf einem Informationsaustausch zwischen einzelnen Schichten über die herkömmlichen Schichten des Protokollstapels hinweg, um die Systemteile an eine sich dynamisch verändernde Umgebung anzupassen. Wie oben erwähnt wurde, wandern die Informationen in beiden Richtungen in dem Protokollstapel nach oben und nach unten. Ein über Schichten hinweg erfolgender Informationsaustausch bedeutet, dass die Anwendung Informationen von unteren Schichten (beispielsweise der Verbindungsschicht) über die aktuellen Netzwerkbedingungen und vorhersehbare Ereignisse, die die Übertragungsqualität, d. h. die Übergabe, beeinflussen, empfängt. Demgemäss können die unteren Schichten Informationen über die aktuellen Übertragungsanforderungen der Anwendung empfangen, wie oben erörtert wurde.
Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die folgenden Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die einen Betrieb einer Mehrzahl von Kommunikationsschichten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung steuert;
2 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Steuern eines Betriebs einer Mehrzahl von Kommu nikationsschichten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 erfindungsgemäße Sendezeitanordnungen in einem aus mehreren Benutzern bestehenden Planungsszenario;
4 ein Ausführungsbeispiel eines Protokollstapels;
5 einen schichtübergreifenden Ansatz;
6a eine mehrere Benutzer betreffende Planung mit unterschiedlichen Zeitanordnungen;
6b eine Größe (in Paketen) für eine Gruppe von Bildern in 3 gemessenen Videos;
7 ein Blockdiagramm eines in Betracht gezogenen Kommunikationssystems;
8 eine erfindungsgemäße Systemarchitektur für eine gemeinsame Schichtoptimierung;
9 einen MSE für eine Gruppe von Bildern in 3 gemessenen Videos;
10 eine Rahmenfehlerrate bezüglich eines Signal/Rausch-Verhältnisses;
11 einen Leistungsfähigkeitsvergleich für ein Szenario 1;
12 einen Leistungsfähigkeitsvergleich für ein Szenario 2;
13 einen Leistungsfähigkeitsvergleich für ein Szenario 3; und
14 einen Leistungsfanigkeitsverbesserungsvergleich der 3 untersuchten Szenarios.
Bei 1 ist ein Protokollstapel, der eine erste Kommunikationsschicht 101 und eine zweite Kommunikationsschicht 103 umfasst, gezeigt. Um einen Betriebsmodus der ersten Kommunikationsschicht 101 und der zweiten Kommunikationsschicht 103 zu steuern, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Betriebs der Mehrzahl von Kommunikationsschichten (in dem Protokollstapel enthalten) eine Extraktionseinrichtung 105, die einen ersten Eingang 107, einen zweiten Eingang 109, einen ersten Ausgang 111 und einen zweiten Ausgang 113 aufweist. Die erste Kommunikationsschicht 101 ist über den ersten Eingang 107 mit der Extraktionseinrichtung 105 gekoppelt, wodurch die zweite Kommunikationsschicht 103 über den zweiten Eingang 109 mit der Extraktionseinrichtung 105 gekoppelt ist. Der erste Ausgang 111 und der zweite Ausgang 113 sind mit einer Einrichtung 115 zum Bestimmen eines optimierten ersten Satzes von Parametern und eines optimierten zweiten Satzes von Parametern gekoppelt. Die Einrichtung 115 zum Bestimmen umfasst ferner einen Eingang 117 und einen Eingang 119. Außerdem umfasst die Einrichtung 115 zum Bestimmen einen Eingang 123, einen ersten Ausgang 125 und einen zweiten Ausgang 127. Der erste Ausgang 125 und der zweite Ausgang 127 sind mit einer Einrichtung 129 zum Liefern des optimierten ersten Satzes und des optimierten zweiten Satzes von Parametern gekoppelt. Die Einrichtung 129 zum Liefern weist einen ersten Ausgang 131, der mit der ersten Kommunikationsschicht 101 gekoppelt ist, und einen zweiten Ausgang 133, der mit der zweiten Kommunikationsschicht 103 gekoppelt ist, auf.
Ferner umfasst die in 1 gezeigte Vorrichtung eine Einrichtung (135) zum Liefern des Optimierungsziels, die mit dem Eingang (123) der Einrichtung (115) zum Bestimmen des optimierten Satzes von Parametern gekoppelt ist.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung umfasst ferner eine Einrichtung 135 zum Liefern einer Eigenschaft eines Kommunikationskanals. Die Einrichtung 135 zum Liefern der Eigenschaft ist mit der zweiten Kommunikationsschicht 103 gekoppelt. Ein Ausgang der Einrichtung 135 zum Liefern der Eigenschaft ist mit dem Eingang 117 der Einrichtung 115 zum Bestimmen des optimierten ersten Satzes von Parametern und des optimierten zweiten Satzes von Parametern gekoppelt.
Außerdem umfasst die Vorrichtung der 1 eine Einrichtung 137 zum Liefern eines ersten Abstraktionsmodells und eines zweiten Abstraktionsmodells an die Einrichtung 115 zum Bestimmen des optimierten ersten und zweiten Satzes von Parametern. Im Einzelnen weist die Einrichtung 137 zum Liefern des ersten Abstraktionsmodells und eines zweiten Abstraktionsmodells einen Ausgang auf, der mit dem Eingang 119 der Einrichtung 115 zum Bestimmen gekoppelt ist.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung ist bezüglich eines Steuerns des Betriebs der Mehrzahl von Kommunikationsschichten wirksam, wobei lediglich beispielhaft die erste Kommunikationsschicht 101 und die zweite Kommunikationsschicht 103 gezeigt sind. Das geschichtete Kommunikationssystem ist bezüglich eines Sendens von Informationen durch einen Kommunikationskanal an einen entfernten Empfänger wirksam. Ein Betrieb der ersten Kommunikationsschicht 101 wird durch einen ersten Satz von Parametern bestimmt. Demgemäss bestimmt ein zweiter Satz von Parametern einen Betriebsmodus der zweiten Kommunikationsschicht. Um den Betrieb der ersten Kommunikationsschicht 101 und der zweiten Kommunikationsschicht 103 zu steuern, extrahiert die erfindungsgemäße Extraktionseinrichtung 105 den ersten Satz von Parametern der ersten Kommunikationsschicht und den zweiten Satz von Parametern der zweiten Kommunikationsschicht, um einen aktuellen Status der ersten und der zweiten Kommunikationsschicht zu bestimmen. Um auf zwei oder mehr Kommunikationsschichten der Mehrzahl von Kommunikationsschichten zuzugreifen, kann die Extraktionseinrichtung 105 durch die Einrichtung 115 zum Bestimmen des optimierten Satzes von Parametern gesteuert werden, so dass lediglich bestimmte Kommunikationsschichten gemeinsam optimiert werden, um das Optimierungsziel zu erreichen. Der extrahierte erste und zweite Satz von Parametern werden an die Einrichtung 115 zum Liefern des optimierten ersten Satzes von Parametern und des optimierten zweiten Satzes von Parametern geliefert, um einen optimierten Betriebsmodus des Protokollstapels zu erreichen. Die Einrichtung 115 zum Bestimmen ist dahingehend wirksam, den optimierten ersten Satz von Parametern, die durch die erste Kommunikationsschicht 101 verwendet werden sollen, und den zweiten optimierten Satz von Parametern, die durch die zweite Kommunikationsschicht 103 verwendet werden sollen, auf der Basis des ersten Abstraktionsmodells, das das Verhalten des ersten Kommunikationskanals 101 modelliert, des zweiten Abstraktionsmodells, das das Verhalten des zweiten Kommunikationskanals 103 modelliert, der durch die Einrichtung 135 zum Liefern der Kanaleigenschaft und eines Optimierungsziels, beispielsweise der Übertragungsqualität bezüglich der Datenrate oder Bitfehlerrate, gelieferten Kanaleigenschaft, zu bestimmen.
Die Einrichtung 115 zum Bestimmen empfängt das erste und das zweite Abstraktionsmodell von der Einrichtung 137 zum Liefern des ersten und des zweiten Abstraktionsmodells. Beispielsweise umfasst die Einrichtung 137 zum Liefern des ersten und des zweiten Abstraktionsmodells ein Speicherungselement zum Speichern einer Mehrzahl verschiedener Abstraktionsmodelle für verschiedene Kommunikationsschichten. Insbesondere modelliert das erste Abstraktionsmodell eine Charakteristik (ein Verhalten) der ersten Kommunikationsschicht, wo Abhängigkeiten zwischen einzelnen Schichten berücksichtigt werden können. Die Charakteristik der ersten Kommunikationsschicht, die durch das erste Abstraktionsmodell modelliert wird, hängt von dem ersten Satz von Parametern ab, der beispielsweise Informationen über ein zu verwendendes Codierungsschema umfasst. Demgemäss modelliert das zweite Abstraktionsmodell eine Charakteristik der zwei ten Kommunikationsschicht, die von dem zweiten Satz von Parametern abhängt.
Wie oben erwähnt wurde, können die Abstraktionsmodelle Zustandsdiagramme umfassen, die den jeweiligen Betriebsmodus beschreiben. Genauer gesagt umfasst das erste Abstraktionsmodell ein erstes Zustandsdiagramm, das einen Zustand und einen weiteren Zustand und einen Übergang zwischen den Zuständen aufweist. Demgemäss umfasst das zweite Abstraktionsmodell ein zweites Zustandsdiagramm, das einen Zustand und einen weiteren Zustand und einen Übergang zwischen den Zuständen aufweist. Die Zustandsdiagramme können beispielsweise als Markov-Modelle, Petri-Netze usw. implementiert sein. Allgemein modelliert das erste Zustandsdiagramm ein parameterabhängiges Verhalten der ersten Kommunikationsschicht. Demgemäss modelliert das zweite Zustandsdiagramm ein parameterabhängiges Verhalten der zweiten Kommunikationsschicht. Die Parameterabhängigkeit bedeutet, dass beispielsweise ein Übergang zwischen zwei Zuständen oder ein in einem bestimmten Zustand erzeugter Ausgang im Grunde durch den entsprechenden Satz von Parametern bestimmt wird.
Um den optimierten ersten und zweiten Satz von Parametern zu bestimmen, kann die Einrichtung 115 zum Bestimmen bezüglich eines Auswählens der Abstraktionsmodelle, die zur Optimierung verwendet werden sollen, aus der Einrichtung 137 zum Bereitstellen des ersten Abstraktionsmodells und des zweiten Abstraktionsmodells wirksam sein. Das erste und das zweite Abstraktionsmodell, die zur Optimierung verwendet werden sollen, können festgelegt sein, da die Emulation der Abstraktionsmodelle durch die Einrichtung 115 zum Bestimmen durchgeführt werden kann.
Die Einrichtung 115 zum Bestimmen empfängt den ersten Satz von Parametern und den zweiten Satz von Parametern und fügt den ersten Satz von Parametern in das erste Abstraktionsmodell und den zweiten Satz von Parametern in das zweite Abstraktionsmodell ein und bestimmt gemeinsam den ersten opti mierten Satz von Parametern und den zweiten Satz von Parametern, um das Optimierungsziel durch ein gemeinsames Emulieren des ersten Abstraktionsmodells und des zweiten Abstraktionsmodells in Abhängigkeit von der Kanaleigenschaft, von dem Optimierungsziel und von dem aktuellen Zustand der ersten und der zweiten Kommunikationsschicht, der durch den ersten und den zweiten Satz von Parametern bestimmt wird, zu erreichen.
Die Einrichtung 115 zum Bestimmen des optimierten Satzes von Parametern kann ferner einen Analysator zum Analysieren des ersten Abstraktionsmodells unter Verwendung des ersten Satzes von Parametern und zum Analysieren des zweiten Abstraktionsmodells unter Verwendung des zweiten Satzes von Parametern in Abhängigkeit von der Kanaleigenschaft zum Signalisieren, dass der optimierte erste Satz von Parametern und der optimierte zweite Satz von Parametern bestimmt werden sollen, wenn das Optimierungsziel unter Verwendung des ersten Satzes von Parametern und des zweiten Satzes von Parametern nicht erreicht werden kann, umfassen.
Überdies kann die Einrichtung 115 zum Bestimmen des optimierten Satzes von Parametern bezüglich eines Bestimmens, welche Kommunikationsschichten optimiert werden müssen, um das Optimierungsziel zu erreichen, wirksam sein.
Um den optimierten Satz von Parametern an die entsprechenden Kommunikationsschichten zu liefern, umfasst die in 1 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung die Einrichtung 129 zum Liefern des optimierten ersten Satzes von Parametern an die erste Kommunikationsschicht und des optimierten zweiten Satzes von Parametern an die zweite Kommunikationsschicht. Vorzugsweise kann die Einrichtung zum Liefern des optimierten ersten Satzes und des optimierten zweiten Satzes von Parametern eine Protokollschnittstelle zum schnittstellenmäßigen Verbinden mit der ersten Kommunikationsschicht und der zweiten Kommunikationsschicht umfassen.
Wie oben erwähnt wurde, ist die Einrichtung 115 zum Bestimmen des optimierten Satzes von Parametern dahingehend wirksam, die Kanaleigenschaft zu berücksichtigen. Die zweite Kommunikationsschicht kann eine Protokollschicht sein, die bezüglich eines Verwaltens eines Sendens der Informationen durch den Kommunikationskanal wirksam ist. Beispielsweise umfasst die zweite Kommunikationsschicht 103 eine physische Schicht, die ferner bezüglich eines Extrahierens der Eigenschaft des Kommunikationskanals wirksam ist, was eine bei herkömmlichen Kommunikationssystemen verwendete übliche Technik ist. Die Einrichtung 135 zum Liefern der Eigenschaft des Kommunikationskanals ist mit der zweiten Kommunikationsschicht 103 zum Empfangen der Eigenschaft des Kommunikationskanals gekoppelt. Vorzugsweise umfasst die Einrichtung 135 zum Liefern der Eigenschaft eine Protokollschichtschnittstelle zum schnittstellenmäßigen Verbinden mit der physischen Schicht. Die durch die Einrichtung 135 zum Liefern der Eigenschaft an die Einrichtung 115 zum Bestimmen gelieferte Kanaleigenschaft kann eine Bitfehlerwahrscheinlichkeit oder/und eine Kanaldatenrate, die der Bitfehlerwahrscheinlichkeit zugeordnet ist, oder/und eine Übertragungsverzögerung oder/und eine der Bitfehlerwahrscheinlichkeit zugeordnete Übertragungsleistung oder/und eine Kanalkohärenzzeit oder/und eine Kanalkohärenzbandbreite sein.
Wie oben erwähnt wurde, kann das Optimierungsziel eine Optimierung der Übertragungsqualität umfassen. In diesem Fall ist die Einrichtung 115 zum Bestimmen bezüglich eines gemeinsamen Bestimmens des optimierten ersten Satzes von Parametern und des optimierten zweiten Satzes von Parametern durch ein Emulieren eines Verhaltens der ersten Kommunikationsschicht unter Verwendung des ersten Abstraktionsmodells und eines Verhaltens der zweiten Kommunikationsschicht unter Verwendung des zweiten Abstraktionsmodells, wobei der erste Satz von Parametern und der zweite Satz von Parametern Anfangsparameter sind, so dass die Emulation der Abstraktionsmodelle beginnend bei den aktuellen Zuständen der jeweiligen Kommunikationsschichten begonnen werden kann, wirksam.
Beispielsweise ist die erste Kommunikationsschicht bezüglich eines Codierens der Informationen, um ein Informationssignal, das eine einer Verzerrung zugeordnete Informationsrate aufweist, zu liefern, wirksam. Die erste Kommunikationsschicht kann beispielsweise die Anwendungsschicht sein, die in Verbindung mit dem bekannten Protokollstapel erörtert wird. Die Verzerrung beschreibt eine Differenz zwischen gesendeten und empfangenen Informationen. Gemäß der (bekannten) Ratenverzerrungstheorie können Informationen mit einer minimalen Informationsrate, die einer bestimmten Verzerrung oder einem bestimmten Verzerrungsprofil zugeordnet ist, gesendet werden, so dass die Informationen in dem Empfänger rekonstruiert werden können.
Beispielsweise ist die erste Kommunikationsschicht bezüglich eines Codierens der Informationen, um das Informationssignal zu liefern, wobei eine Datenkomprimierung erreicht wird, wirksam. Demgemäss ist die zweite Kommunikationsschicht bezüglich eines Codierens des Informationssignals, um ein Sendesignal für ein Senden durch den Kommunikationskanal zu erhalten, wirksam. Beispielsweise umfasst die zweite Kommunikationsschicht eine Datenverbindungsschicht und eine physische Schicht, die zuvor beschrieben wurden. Vorzugsweise weist das Sendesignal eine Datenrate auf, die einer bestimmten Bitfehlerwahrscheinlichkeit, beispielsweise 10^-1, zugeordnet ist, die die Informationsrate unterstützt. In diesem Fall umfasst das Optimierungsziel eine Optimierung der Übertragungsqualität durch ein Codieren der Informationen derart, dass eine minimale erreichbare Informationsrate erreicht wird, so dass ein Verzerrungsprofil nicht überschritten wird, und durch ein Codieren des Informationssignals, um das Sendesignal, das die Datenrate aufweist, zu erhalten, wodurch die Bitfehlerwahrscheinlichkeit nicht überschritten wird, so dass die Informationen an dem Empfänger rekonstruiert werden können. Um das Optimie rungsziel zu erreichen, ist die Einrichtung 115 zum Bestimmen bezüglich eines gemeinsamen Bestimmens des optimierten ersten Satzes von Parametern, die zum Codieren der Informationen verwendet werden sollen, um das Informationssignal zu erhalten, das die der Verzerrung zugeordnete Informationsrate aufweist, und des optimierten zweiten Satzes von Parametern, die zum Codieren des Informationssignals verwendet werden sollen, um das Sendesignal zu erhalten, das die die Informationsrate unterstützende Datenrate aufweist, wirksam.
Wie oben erwähnt wurde, kann das erfindungsgemäße Konzept auch auf eine Optimierung der Protokollschicht für den Fall eines Mehrbenutzer-Übertragungsschemas angewandt werden. In diesem Fall umfassen die Informationen erste Informationen, die einem ersten Benutzer zugeordnet sind, und zweite Informationen, die einem zweiten Benutzer zugeordnet sind, gemäß einem aus mehreren Benutzern bestehenden Szenario. Das Optimierungsziel ist beispielsweise eine optimierte Übertragungsqualität für die ersten Informationen, d. h. für den ersten Benutzer, und für die zweiten Informationen, d. h. für den zweiten Benutzer. Die erste Kommunikationsschicht wird in diesem Fall bezüglich eines Codierens der ersten Informationen betrieben, um ein erstes Informationssignal, das dem ersten Benutzer zugeordnet ist, und ein zweites Informationssignal, das dem zweiten Benutzer zugeordnet ist, zu erhalten. Demgemäss ist die zweite Kommunikationsschicht dann bezüglich eines Codierens des ersten Informationssignals und des zweiten Informationssignals, um ein zusammengesetztes Signal zu erhalten, das durch den Kommunikationskanal gesendet werden soll, wirksam. Um das Optimierungsziel zu erreichen, ist die Einrichtung 115 zum Bestimmen bezüglich eines gemeinsamen Bestimmens des optimierten ersten Satzes von Parametern, die durch die erste Kommunikationsschicht zum Codieren der ersten Informationen und der zweiten Informationen verwendet werden sollen, und des optimierten zweiten Satzes von Parametern, die durch die zweite Kommunikationsschicht zum Codieren des ersten Informationssignals und des zweiten Informationssignals verwendet werden sollen, um die Übertragungsqualität der ersten Informationen und der zweiten Informationen zu optimieren, wirksam.
Beispielsweise ist die zweite Kommunikationsschicht bezüglich eines Planens des ersten Informationssignals und des zweiten Informationssignals unter Verwendung des optimierten zweiten Satzes von Parametern wirksam. In diesem Kontext ist ein Planen eine bestimmte Form eines Codierens. Daher wird das erste Informationssignal in einem ersten Zeitrahmen gesendet, und das zweite Informationssignal wird in einem zweiten Zeitrahmen gesendet, wobei der erste und der zweite Zeitrahmen beispielsweise durch einen Zeitrahmen bestimmt werden, der zum Senden des zusammengesetzten Signals erforderlich ist. Vorzugsweise ist die Einrichtung 115 zum Bestimmen bezüglich eines Bestimmens des optimierten ersten Satzes von Parametern, um das erste Informationssignal zu erhalten, das eine einer ersten Verzerrung zugeordnete erste Informationsrate aufweist, und um das zweite Informationssignal zu erhalten, das eine einer zweiten Verzerrung zugeordnete zweite Informationsrate aufweist, wirksam. Gleichzeitig ist die Einrichtung 115 zum Bestimmen bezüglich eines Bestimmens des zweiten Satzes von Parametern, um das zusammengesetzte Signal zu erhalten, das eine Datenrate aufweist, die die erste Informationsrate und die zweite Informationsrate unterstützt, wirksam. Mit anderen Worten ist die erste Kommunikationsschicht bezüglich eines Verarbeitens der zu sendenden Informationen wirksam, und die zweite Kommunikationsschicht ist bezüglich einer Benutzerplanung wirksam.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch eine Informationsplanung, beispielsweise eine Mediendatenplanung, durchgeführt werden, während der Betriebsmodus des Protokollstapels optimiert wird. In diesem Fall umfassen die dem ersten Benutzer zugeordneten ersten Informationen erste Teilinformationen und zweite Teilinformationen. Die Einrichtung 115 zum Bestimmen ist ferner bezüglich eines Bestimmens des ersten optimierten Satzes von Parametern, die durch die erste Kommunikationsschicht verwendet werden sollen, um die ersten Teilinformationen und die zweiten Teilinformationen selektiv zu codieren, um das erste Informationssignal zu erhalten, wirksam. Beispielsweise ist die Einrichtung 115 zum Bestimmen bezüglich eines Bestimmens des optimierten ersten Satzes von Parametern zum Planen der ersten Teilinformationen und der zweiten Teilinformationen in dem ersten Informationssignal, so dass die ersten Teilinformationen und die zweiten Teilinformationen an unterschiedlichen Positionen des ersten Informationssignals platziert werden, wirksam. Mit anderen Worten werden die ersten Teilinformationen und die zweiten Teilinformationen zu unterschiedlichen Zeitpunkten innerhalb eines Senderahmens gesendet.
Wie oben erwähnt wurde, kann die Einrichtung 115 zum Bestimmen des optimierten Satzes von Parametern auf einer Basis des aktuellen Status der ersten und der zweiten Kommunikationsschicht fungieren. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Einrichtung 115 zum Bestimmen des optimierten ersten und zweiten Satzes von Parametern ferner bezüglich eines Überwachens eines aktuellen Status der ersten Kommunikationsschicht, der durch den ersten Satz von Koeffizienten, d. h. derzeit im Gebrauch befindlichen Koeffizienten, bestimmt wird, und eines aktuellen Status der zweiten Kommunikationsschicht, der durch den zweiten Satz von Koeffizienten, d. h. derzeit im Gebrauch befindlichen Koeffizienten, bestimmt wird, und um aktuelle Statusinformationen zu liefern, wirksam. Die Statusinformationen können beispielsweise angeben, dass das Optimierungsziel unter Verwendung des ersten und des zweiten Satzes von Parametern nicht erreicht werden kann, so dass der optimierte erste und/oder zweite Satz von Parametern bestimmt werden sollen. Die Einrichtung 115 zum Bestimmen ist bezüglich eines Treffens einer Entscheidung bezüglich dessen wirksam, welcher Satz von Parametern optimiert und ersetzt werden muss.
Wie oben erwähnt wurde, kann das erfindungsgemäße Konzept auch bezüglich einer Optimierung des Protokollstapels durch eine Informationsplanung und eine Benutzerplanung angewendet werden. Beispielsweise umfassen die Informationen erste Informationen, die dem ersten Benutzer zugeordnet sind, und zweite Informationen, die einem ersten Benutzer zugeordnet sind, und dritte Informationen, die einem zweiten Benutzer zugeordnet sind, und vierte Informationen, die dem zweiten Benutzer zugeordnet sind. Die erste Kommunikationsschicht ist bezüglich eines Planens der ersten Informationen und der zweiten Informationen, um ein erstes Informationssignal, das dem ersten Benutzer zugeordnet ist, zu erhalten, wirksam.
Außerdem ist die erste Kommunikationsschicht bezüglich eines Planens der dritten und der vierten Informationen, um ein dem zweiten Benutzer zugeordnetes zweites Informationssignal zu erhalten, wirksam. Die zweite Kommunikationsschicht ist bezüglich eines Planens des ersten Informationssignals und des zweiten Informationssignals, um einen geplanten Mehrbenutzer-Strom zum Senden zu erhalten, wirksam. Die Einrichtung 115 zum Bestimmen ist bezüglich eines gemeinsamen Bestimmens des optimierten ersten Satzes von Parametern, die durch die erste Kommunikationsschicht verwendet werden sollen, um das erste Informationssignal und das optimierte zweite Informationssignal zu liefern, und des zweiten Satzes von Parametern, der durch die zweite Kommunikationsschicht verwendet werden soll, um das geplante Mehrbenutzersignal zu liefern, so dass das Optimierungsziel, beispielsweise die Optimierung der Übertragungsqualität für jeden Benutzer, erreicht wird, wirksam.
Um den jeweiligen optimierten Satz von Parametern an die jeweilige Kommunikationsschicht zu liefern, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung die Einrichtung 129 zum Liefern des optimierten ersten und zweiten Satzes von Parametern an die erste Kommunikationsschicht 101 und an die zweite Kom munikationsschicht 103. Die Einrichtung 129 zum Liefern der optimierten Sätze von Parametern kann eine Protokollschnittstelle zum schnittstellenmäßigen Verbinden mit der ersten Kommunikationsschicht und mit der zweiten Kommunikationsschicht umfassen. Beispielsweise umfasst die zweite Kommunikationsschicht eine physische Schicht. In diesem Fall bildet die Einrichtung 129 zum Liefern der optimierten Sätze von Parametern eine schnittstellenmäßige Verbindung mit der physischen Schicht über eine entsprechende Physische-Schicht-Schnittstelle. Üblicherweise ist die physische Schicht für die Modulation, beispielsweise die Amplitudenmodulation, verantwortlich. Daher kann der zweite Satz von Parametern oder der optimierte zweite Satz von Parametern einen Teilsatz von Modulationsparametern umfassen, der ein zu verwendendes Modulationsschema bestimmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Einrichtung 115 zum Bestimmen ferner bezüglich eines Steuerns eines Betriebsmodus der physischen Schicht durch beispielsweise ein Bestimmen des zu verwendenden Teilsatzes von Modulationsparametern wirksam.
Demgemäss kann die zweite Kommunikationsschicht eine Datenverbindungsschicht umfassen, die bezüglich einer Vorwärtsfehlercodierung unter Verwendung eines Teilsatzes von Codierungsparametern, die ein zu verwendendes Vorwärtsfehlercodierungsschema bestimmen, wirksam ist. In diesem Fall ist die Einrichtung 115 ferner bezüglich eines Bestimmens des Teilsatzes von Codierungsparametern, die durch die physische Schicht verwendet werden sollen, um das Optimierungsziel zu erreichen, wirksam.
Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Betriebs der Mehrzahl der Kommunikationsschichten in eine Kommunikationsvorrichtung zum Verarbeiten von Informationen, die gemäß einem Sendeprotokoll gesendet werden sollen, integriert. Das Sendeprotokoll kann eine Mehrzahl von Protokollschichten umfassen, um die zu sendenden Informationen zu verarbeiten, wobei die Informationen durch eine Informationsquelle, z. B. eine CD, geliefert werden. Um die Mehrzahl von Protokollschichten zu steuern, umfasst die erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung die Vorrichtung zum Steuern des Betriebs der Mehrzahl von Kommunikationsschichten gemäß der obigen Beschreibung. Um die Informationen gemäß den Protokollschichten zu verarbeiten, umfasst die erfindungsgemäße Kommunikationsvorrichtung außerdem ferner einen Prozessor zum Verarbeiten der Informationen. Der Prozessor kann ein Netzwerkprozessor sein.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Steuern eines Betriebs einer Mehrzahl von Kommunikationsschichten.
Die in 2 gezeigte Vorrichtung umfasst einen schichtübergreifenden Optimierer 201, der einen Eingang 203, 205, 207 und einen Eingang 209 und einen Ausgang 211 aufweist. Eine erste Schnittstelle 213 ist zwischen die Anwendungsschicht des Protokollstapels 1005 und den Eingang 203 des Querschnittoptimierers gekoppelt. Die erste Schnittstelle 213 weist einen mit einem Eingang eines Blockes 215 gekoppelten Ausgang auf. Der Block 215 weist einen Ausgang auf, der mit dem Eingang 205 des schichtübergreifenden Optimierers, der ein anwendungsorientierter Optimierer ist, gekoppelt ist.
Ferner ist eine zweite Schnittstelle 217 zwischen die Verbindungsschicht der Protokollschicht 1005 und den Eingang 209 des schichtübergreifenden Optimierers 201 gekoppelt. Die zweite Schnittstelle 217 umfasst ferner einen Ausgang, der mit einem Eingang eines zweiten Blocks 219 gekoppelt ist, der einen Ausgang aufweist, der mit dem Eingang 207 des schichtübergreifenden Optimierers gekoppelt ist.
Der Ausgang 211 des schichtübergreifenden Optimierers 201 ist mit einem Entscheidungselement 222 gekoppelt, das einen mit der Anwendungsschicht gekoppelten ersten Ausgang und einen mit der Verbindungsschicht gekoppelten zweiten Ausgang aufweist.
Die erste Schnittstelle 213 ist bezüglich eines Extrahierens der Parameter der Anwendungsschicht, d. h. des ersten Satzes von Parametern, um eine Multimedia-Planung, z. B. Quellenratenplanung, durchzuführen, wirksam. Die durch die Schnittstelle 213 extrahierten Parameter werden an den ersten Block 215 geliefert, der beispielsweise Quellenverzerrungsprofile und eine Verzögerungseinschränkung aufweist.
Demgemäss ist die zweite Schnittstelle 217 bezüglich eines Extrahierens der Parameter aus der Verbindungsschicht bezüglich des Mehrbenutzer-Planens, z. B. Senderaten-Planens, wirksam und liefert die Parameterzusammenfassung an den zweiten Block 219 und an den schichtübergreifenden Optimierer 201. Der zweite Block 219 liefert Informationen, die eine Mehrbenutzer-Sendedatenrate, Kanalkohärenzzeit oder Paketverlustrate (Pe) umfassen. Der schichtübergreifende Optimierer bestimmt den optimierten Satz von Parametern durch ein Emulieren der Abstraktionsmodelle. Das Entscheidungselement 222 ist dahingehend wirksam, die optimierten Sätze von Parametern an die entsprechenden Kommunikationsschichten zu liefern.
Wie in 2 gezeigt ist, wird die Parameterzusammenfassung lediglich beispielhaft auf der Basis einer Parameterisierung eines Markov-Ein/Aus-Modells, das ein zum Bestimmen des optimierten Satzes von Parametern verwendetes Abstraktionsmodell ist, durchgeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und die entsprechenden Verfahren bewirken eine Verbesserung der seitens des Benutzers wahrgenommenen Qualität bei der Echtzeitanwendung in einer drahtlosen Umgebung, derart, dass die Optimiererkomponente (die der Vorrichtung zum Steuern des Betriebs einer Mehrzahl von Kommunikationsschichten entspricht), die sich auf einer Dienstplattformebene befindet, Koordinations-, Modellierungs- und Entscheidungsfindungsfunktionalitäten erfüllt. Insbesondere kann die Optimiererkomponente folgende Aufgaben erfüllen: Überwachen von Statusinformationen ausgewählter Systemschichten, Aufrechterhaltung entsprechender Abstraktionsmodelle, um die Statusinformationen verwaltbar zu machen, dynamische Analyse der Abstraktionsmodelle, gemeinsame Optimierung von Parametern auf der Basis dieser Modelle, dynamische Entscheidungsfindung bezüglich dessen, welche neuen Parametereinstellungen in welcher Systemschicht notwendig sind, Zurückführen der Parameter, um das System an den jeweiligen Schichten zu steuern, Zurückrollen zu einem Anfangszustand, falls es unmöglich ist, die Parameter an alle Schichten zu liefern oder die Parameter in allen Schichten gleichmäßig zu verwenden.
Ferner ist die erfindungsgemäße Entscheidungsfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine Entscheidung bezüglich einer Parametermodifikation auf eine Berücksichtigung der aktuellen Einstellungen und der Geschichte durchgeführt wird, um ein unnötiges Flackern des Status des Systems zu vermeiden.
Die erfindungsgemäße Optimiererkomponente ist in der Lage, verschiedene Algorithmen zur schichtübergreifenden Optimierung zu unterstützen, indem sie Koordinierungs- und Modellierungsaufgaben erfüllt, wie oben beschrieben. Beispielsweise unterstützt die erfindungsgemäße schichtübergreifende Optimierung eine verbesserte Nutzung drahtloser Netzwerkressourcen, was ein Unterstützen von mehr gleichzeitigen Benutzern in demselben System im Vergleich zu Lösungsansätzen des Standes der Technik ermöglicht. Für den Fall derselben Anzahl von Benutzern kann eine Übertragungsqualität verbessert werden. Überdies kann unter mehreren Benutzern eine gleichmäßiger verteilte seitens der Benutzer wahrgenommene Qualität erzielt werden. Außerdem liefert der erfindungsgemäße Ansatz eine Möglichkeit einer dynamischen Anpassung an verschiedene Übertragungscharakteristika und Anwendungserfordernisse zur selben Zeit. Zusammenfassend gesagt liefert das erfindungsgemäße Konzept eine Möglichkeit einer Kostenersparnis für den Systembetreiber und eine höhere Kundenzufriedenheit und Dienstakzeptanz.
Unter erneuter Bezugnahme auf das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel ist eine mögliche Implementierung der Optimiererkomponente gezeigt, die sich in der Anwendungsunterstützungs-Middleware eines geschichteten Kommunikationssystems befindet und bei der beispielhaft eine schichtübergreifende Anpassung einer Video-Streaming-Anwendung und einer Verbindungsschichtübertragungssteuerung demonstriert wird. Hier ist eine gemeinsame Optimierung einer Videodatenplanung an der Anwendungsschicht und eine Mehrbenutzerplanung an der Verbindungsschicht gezeigt. Das Ziel besteht darin, die durch die Benutzer wahrgenommene Ende-Zu-Ende-Qualität zu maximieren und dabei die drahtlosen Ressourcen effizient zu nutzen. Videodatenplanung ist ein Prozess des Entscheidens, welches Datensegment in einer Streaming-Sitzung zu welcher Zeit gesendet werden muss, wohingegen eine Mehrbenutzerplanung beispielsweise bestimmt, welcher Benutzer den Kanal zu einer gegebenen Zeit, Frequenz oder mit einem gegebenen Code nutzen darf.
Insbesondere demonstriert das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel die Aufgaben der erfindungsgemäßen Optimiererkomponente, wobei Statusinformationen von den ausgewählten Systemschichten, insbesondere von der Anwendungsschicht und von der Verbindungsschicht, die die Medienzugriffssteuerungsschicht (MAC-Schicht) und physische Schicht (PHY) umfasst, gesammelt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Aufmerksamkeit auf die Multimediaplanung gerichtet, d. h. Planung der Quellendaten (Informationen) durch ein Spezifizieren einer Übertragungsreihenfolge der verschiedenen Arten von Medienrahmen, die eine unterschiedliche Wirkung auf die Gesamtqualität haben. Außerdem betrachtet der erfindungsgemäße Ansatz außerdem eine Auswahl der Quellenrate. Da unzählige Kombinationen möglich sind, liefert die Optimiererkomponente eine Abstraktion der Parameter, um Kombinationen mit einer beträchtlichen Wirkung aufrechtzuerhalten und um die Wirkung einer spezifischen Kombination durch ein Emulieren der Abstraktionsmodelle rasch zu analysieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird für jede Kombination eine Implementierung eines Quellenratenverzerrungsprofils aufrechterhalten.
Ähnliche Abstraktionen werden für die Verbindungsschicht durchgeführt, wo beispielsweise ausgewählte Fälle einer möglichen Übertragungszeitplanung betrachtet werden. 3 zeigt verschiedene Übertragungszeitanordnungen in einem auf sieben Fälle reduzierten Mehrbenutzer-Planungssystem, als Beispiel für ein System mit 3 Benutzern.
Auf der Basis der Abstraktionsmodelle analysiert die erfindungsgemäße Optimiererkomponente dynamisch das Ergebnis der sich verändernden Kanalbedingungen, das ein Bestandteil des Tintenschicht-Abstraktionsmodells ist, bezüglich der wahrgenommenen Qualität, gemäß einer Kostenfunktion, die auf beiden Modellen beruht. Die Analyse führt zu einem gemeinsam optimierten Satz von Parametern.
Gemäß der Optimierungspolitik (die z. B. in der Kostenfunktion beschrieben ist) entscheidet die Optimiererkomponente, welche neuen Parametereinstellungen in welcher Systemschicht notwendig sind, und koppelt die jeweiligen Parameter zurück, um das Systemverhalten an den jeweiligen Schichten zu steuern. Wenn ein Fehler auftritt, z. B. wenn eine Schicht nicht gesteuert werden kann, wird ein Zurückrollmechanismus gestartet, um zu dem Anfangszustand zurückzukehren.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner eine Kommunikationsvorrichtung zum Verarbeiten eines empfangenen Signals gemäß einem Empfangsprotokoll, wobei das empfangene Signal eine empfangene Version eines durch einen Kommunikationskanal gesendeten Sendesignals ist. Das Sendesignal kann Informationen umfassen, die gemäß einem oben beschriebenen Sendeprotokoll verarbeitet werden, wobei das Sendeprotokoll eine erste Sendeprotokollschicht und eine zweite Sendeprotokollschicht umfasst, und wobei ein Betriebsmodus der ersten Sendeprotokollschicht durch einen ersten Satz von Sendeparametern bestimmt wird, und wobei ein Betriebsmodus der zweiten Sendeprotokollschicht durch einen zweiten Satz von Sendeparametern bestimmt wird. Beispielsweise werden der erste Satz von Sendeparametern und der zweite Satz von Sendeparametern auf der Basis von Abstraktionsmodellen, die ein Verhalten der ersten Kommunikationsschicht und der zweiten Kommunikationsschicht, gemäß der obigen Beschreibung, modellieren, paarweise bestimmt. Demgemäss umfasst das Empfangsprotokoll eine erste Empfangsprotokollschicht und eine zweite Empfangsprotokollschicht, wobei ein Betriebsmodus der ersten Empfangsprotokollschicht durch einen ersten Satz von Empfangsparametern bestimmt wird und wobei ein Betriebsmodus der zweiten Empfangsprotokollschicht durch einen zweiten Satz von Empfangsparametern bestimmt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner eine Einrichtung zum Empfangen von Parameterinformationen, die den ersten Satz von Sendeparametern und einen zweiten Satz von Sendeparametern von z. B. einem entfernten Kommunikationssender mittels einer Signalisierung angeben. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zum Bestimmen des ersten Satzes von Empfangsparametern, der dem ersten Satz von Sendeparametern entspricht, und des zweiten Satzes von Empfangsparametern, der dem zweiten Satz von Sendeparametern entspricht, und eine Einrichtung zum Umfassen des ersten Satzes von Empfangsparametern zu der ersten Kommunikationsschicht und zum Liefern des zweiten Satzes von Empfangsparametern zu der zweiten Kommunikationsschicht.
Es ist zu beachten, dass der erfindungsgemäße Ansatz allgemein im Fall einer Mehrzahl von Benutzern und/oder im Fall einer Mehrzahl von Informationen, die jedem Benutzer zugeordnet sind, verwendet werden kann.
Im Folgenden beschreiben wir eine schichtübergreifende Optimierung einer Anwendungsschicht und einer Funkverbindungsschicht für eine drahtlose Mehrbenutzer-Multimedia-Kommunikation. Unser Ziel besteht darin, die Ende-Zu-Ende-Qualität der drahtlosen Medienanwendung zu optimieren sowie die drahtlosen Ressourcen effizient zu nutzen. Eine neue Architektur zum Erreichen unseres Ziels wird geliefert und formuliert. Diese Architektur besteht aus dem Prozess der Parameterabstraktion, einem schichtübergreifenden Optimierer und dem Prozess der Entscheidungsverteilung. Außerdem werden probeweise numerische Ergebnisse geliefert, um das Potential der erfindungsgemäßen gemeinsamen Optimierung zu enthüllen. Ein schichtübergreifender Entwurf in der Mobilkommunikation zog in der letzten Zeit im Zusammenhang mit der Multimediadienstbereitstellung (z. B. Sprache, Video, Audio, Daten) viel Aufmerksamkeit auf sich. Das Konzept des schichtübergreifenden Entwurfs führt Zwischen-Schichten-Konzepte über den Protokollstapel hinweg ein und ermöglicht es uns, die Kommunikation an zwei oder mehr Schichten gemeinsam zu optimieren. Obwohl dieses Konzept in allen Kommunikationsnetzwerken verwendet werden kann, ist es aufgrund der einzigartigen Herausforderung der Drahtlos-Umgebung (d. h. der zeitlichen Veränderlichkeit und des Fadings bzw. Schwund der drahtlosen Kanäle) bei drahtlosen Netzwerken besonders wichtig. Diese Drahtlosigkeit und Benutzermobilität führen zu einer zufälligen Variation der Netzwerkleistungsfähigkeit und -verbindbarkeit. Außerdem stellt die Multimedia-Mobilkommunikation aufgrund der anspruchsvollen Dienstgüte-Anforderungen (QOS-Anforderungen) (z. B. Datenrate, Latenz, Kontinuität und Fehlerrate) für eine Multimedia-Unterstützung bezüglich des Systementwurfs eine noch größere Herausforderung dar. Dieser Herausforderung ist mit einem Lösungsansatz eines herkömmlichen geschichteten Entwurfs, der den Systementwurf in im Wesentlichen unabhängige Schichten trennt, schwer zu begegnen. Um eine Ende-Zu-Ende-QoS zu liefern, muss eine Parameteranpassung an allen OSI-Schichten (OSI = Kommunikation offener Systeme) vorgenommen werden. Somit wird das erfindungsgemäße Konzept eines schichtübergreifenden Entwurfs geliefert, für den Informationen zwischen verschiedenen Schichten ausgetauscht werden müssen. Im Folgenden nutzen wir die Zwischen-Schichten-Kopplung eines schichtübergreifenden Entwurfskonzepts, indem wir eine gemeinsame Anwendung und eine Funkverbindungsschichtoptimierung für eine drahtlose Multimedia-Kommunikation vorschlagen. Wir beziehen uns auf die Funkverbindungsschicht als die physische Schicht und die Datenverbindungsschicht in dem Protokollstapel. Unser Ziel besteht darin, die Ende-Zu-Ende-Qualität der drahtlosen Multimedia-Kommunikationsanwendung zu optimieren und die drahtlosen Ressourcen effizient zu nutzen. Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine Architektur für die gemeinsame Schichtoptimierung entwickelt, um eine potentielle Lösung der Implementierung des schichtübergreifenden Optimierungskonzepts zu liefern. Diese Architektur besteht aus dem Prozess der Parameterabstraktion, einem schichtübergreifenden Optimierer und dem Prozess der Entscheidungsverteilung. Jeder Bestandteil dieser Architektur ist formalisiert. Außerdem werden probeweise numerische Ergebnisse geliefert, um das Potential der erfindungsgemäßen gemeinsamen Optimierung zu enthüllen. Die bisherige Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf ein Optimieren der Leistungsfähigkeit an einer einzelnen Schicht, z. B. die Anpassung der Anwendung an die Transport-, Netzwerk-, Datenverbindungs- und Physische-Schicht-Charakteristika (von unten nach oben erfolgender Lösungsansatz) und die Anpassung der physischen, Datenverbindungs- oder Netzwerkschichten an die Anwendungsanforderungen (von oben nach unten erfolgender Lösungsansatz). Ein Großteil der ständigen Forschung auf dem Gebiet des schichtübergreifenden Entwurfs konzentriert sich auf eine gemeinsame Optimierung der physischen Schicht und der Datenverbindungsschicht (oder MAC-Schicht). Ein Teil umfasst die Optimierung eines Routens an der Netzwerkschicht in der schichtübergreifenden Optimierung für Ad-Hoc-Drahtlos Netzwerke, und ein anderer Teil umfasst die Quellenrate bei der gemeinsamen Optimierung einer Sendeleistung und Vorwärtsfehlerkorrekturcodierung an der physischen Schicht.
Der vorliegende Lösungsansatz unterscheidet sich insofern von vorherigen Lösungsansätzen, als unser Ziel vorzugsweise darin besteht, die Ende-Zu-Ende-Qualität von Multimedia-Anwendungen zu optimieren. Zu diesem Zweck betrachten wir die gemeinsame Optimierung von drei Schichten in dem Protokollstapel, nämlich der Anwendungsschicht (Schicht 7), der Datenverbindungsschicht (Schicht 2) und der physischen Schicht (Schicht 1). Wir nehmen die Anwendungsschicht in die gemeinsame Optimierung auf, da die durch die Benutzer wahrgenommene Ende-Zu-Ende-Qualität direkt von der Anwendung abhängt und die Anwendungsschicht direkte Informationen über die Auswirkung jedes erfolgreich decodierten Mediendatenpostens auf die wahrgenommene Qualität aufweist. Wir nehmen außerdem die physische Schicht und die Datenverbindungsschicht in unsere Überlegung auf, da die einzigartige Herausforderung der mobilen drahtlosen Kommunikation aus der Beschaffenheit des drahtlosen Kanals resultiert, mit der diese zwei Schichten zu tun haben. Eine neue Architektur zum Erreichen unseres Ziels wird geliefert und formuliert. Die Struktur dieses Papiers lautet wie folgt.
Wir nehmen Streaming-Video als beispielhafte Anwendung für den Multimediadienst an und betrachten einen an der Basisstation angeordneten Video-Streaming-Server und mehrere Streaming-Clients, die in mobilen Vorrichtungen angeordnet sind. Wie in 7 gezeigt ist, geht man davon aus, dass K Streaming-Clients oder -Benutzer dieselbe Luftschnittstelle und dieselben Netzwerkressourcen verwenden, jedoch unterschiedliche Videoinhalte anfordern. Man beachte, dass lediglich der für die drahtlose Verbindung notwendige Protokollstapel betrachtet werden muss, da der Video-Streaming-Server bei unserem Szenario direkt an der Basisstation angeordnet ist. Deshalb können die Transportschicht und die Netzwerkschicht in dem Protokollstapel aus unserem Optimie rungsproblem ausgeklammert werden. Wir konzentrieren uns auf die Wechselwirkung zwischen der Anwendungsschicht und der Funkverbindungsschicht, die sowohl die physische (PHY-) Schicht als auch die Datenverbindungsschicht beinhaltet. An der Basisstation ist eine Architektur, wie sie in 8 gezeigt ist, geeignet, eine Ende-Zu-Ende-Dienstgüte-Optimierung zu liefern. Diese Figur veranschaulicht die auf die gemeinsame Optimierung bezogenen Aufgaben und Informationsflüsse. Notwendige Zustandsinformationen werden zuerst aus der Anwendungsschicht und der Funkverbindungsschicht durch den Prozess der Parameterabstraktion für den schichtübergreifenden Optimierer gesammelt. Der Prozess der Parameterabstraktion führt zur Transformation von schichtspezifischen Parametern zu Parametern, die für den schichtübergreifenden Optimierer verständlich sind, sogenannte schichtübergreifende Parameter. Dann wird die Optimierung durch den schichtübergreifenden Optimierer bezüglich einer bestimmten objektiven Funktion durchgeführt. Aus einem gegebenen Satz möglicher Schichtubergreifender-Parameter-Tupel wird das Tupel ausgewählt, das die objektive Funktion optimiert. Nachdem die Entscheidung bezüglich eines jeweiligen Schichtübergreifender-Parameter-Tupels getroffen wurde, verteilt der Optimierer die Entscheidungsinformationen zurück an die entsprechenden Schichten. Man beachte, dass der Satz möglicher Schichtübergreifender-Parameter-Tupel allgemein unendlich sein kann. Es ist notwendig, lediglich einen endlichen Satz entsprechender Tupel vorab auszuwählen, um die Entscheidung rasch zu erhalten. Auf diese Weise könnte die abschließende Entscheidung bezüglich des optimalen Schichtübergreifender-Parameter-Tupels lediglich zu einem lokalen Optimum führen.
Um die gemeinsame Optimierung auszuführen, müssen Zustandsinformationen oder ein Satz von Schlüsselparametern aus den ausgewählten Schichten abstrahiert und dem schichtübergreifenden Optimierer geliefert werden. Dies ist notwendig, da schichtspezifische Parameter für andere Schichten und den Optimierer unverständlich oder von nur begrenztem Nutzen sein können.
Bei drahtlosen Netzwerken sind die physische Schicht und die Datenverbindungsschicht spezifisch für die dynamische Variation des drahtlosen Kanals während der Bereitstellung eines bestimmten Dienstes entworfen. Dies steht im Gegensatz zu Drahtleitungsnetzwerken, die eine viel geringere dynamische Variation erfahren. Die physische Schicht behandelt Themen einschließlich der Sendeleistung (durch eine Sendeleistungssteuerung), der Kanalschätzung, der Synchronisation, der Signalformung, Modulation und Signalerfassung (durch eine Signalverarbeitung), während die Datenverbindungsschicht für eine Funkressourcenzuweisung (Mehrbenutzer-Planung oder -Warteschlangenbildung) und Fehlersteuerung (durch eine Kanalcodierung, üblicherweise eine Kombination einer Vorwärtsfehlerkorrekturcodierung (FEC) und einer automatischen wiederholten Übertragung (ARQ)) verantwortlich ist. Da beide diese beiden Schichten eng mit den einzigartigen Charakteristika der Drahtlosigkeit verwandt sind, ist es sinnvoll, sie zusammen zu betrachten. Im Folgenden beziehen wir uns auf ihre Kombination als Funkverbindungsschicht. Da es bei der Funkverbindungsschicht viele Probleme gibt und diese Probleme miteinander zusammenhängen, ist eine Parameterabstraktion notwendig. Genauer gesagt definieren wir den Satz R = {r₁, r₂, ...} Tupel ri = (r1i , r2i , ...) von funkverbindungsspezifischen Parametern rji (z. B. Modulationsalphabete, Coderate, Luftzeit, Sendeleistung, Kohärenzzeit). Da diese funkverbindungsspezifischen Parameter variabel sein können, enthält der Satz R alle möglichen Kombinationen ihrer Werte, und jedes Tupel R_i stellt eine mögliche Kombination dar.
Um den Prozess der Parameterabstraktion zu formalisieren, definieren wir den Satz R ~ = {r ~1, r ~2, ...} von Tupeln r ~1 = (r ~1l , r ~2l , ...) von abstrahierten Parametern r ~ji . Die Beziehung zwischen dem Satz R und dem Satz R ~ wird durch die Beziehung G ⊂ R x R ~ mit einer Domäne R und einer Kodomäne R ~ festgelegt, was eine Abbildung zwischen R und R ~ realisiert. Hier bezieht sich das Symbol x auf das kartesische Produkt. G ist der Teilsatz, der die Abbildung zwischen R und R ~ definiert. Wir nennen diesen Abbildungsprozess eine Funkverbindungsschicht-Parameterabstraktion. Für ein aus einem einzigen Benutzer bestehendes Szenario können beispielsweise vier Schlüsselparameter abstrahiert werden. Sie sind Übertragungsdatenrate d, Übertragungspaketfehlerrate e, Datenpaketgröße s und die Kanalkohärenzzeit t. Dies führt zu dem abstrahierten Parametertupel r ~i = (di, ei, si, ti). Bei einem K-Benutzer-Szenario kann man die Parameterabstraktion für jeden Benutzer erweitern. Das Parametertupel r ~i enthält dann 4K Parameter, r ~i = (d(l)i , e(l)i , s(l)i , t(l)i , ..., d(K)i , e(K)i , s(K)i , t(K)i ), bei denen eine Gruppe von vier Parametern zu einem Benutzer gehört.
Die Übertragungsdatenrate d wird durch das Modulationsschema, die Kanalcodierung und die Mehrbenutzer-Planung beeinflusst. Die Übertragungspaketfehlerrate e wird durch die Sendeleistung, die Kanalschätzung, die Signalerfassung, das Modulationsschema, die Kanalcodierung, die aktuelle Benutzerposition usw. beeinflusst. Die Kanalkohärenzzeit t eines Benutzers hängt mit der Benutzergeschwindigkeit und der ihn umgebenden Umgebung zusammen, während die Datenpaketgröße s normalerweise durch den Drahtloses-System-Standard definiert ist. Diese Beziehungen untereinander definieren die Beziehung G. Alternativ ist es möglich, die Übertragungspaketfehlerrate e und die Kanalkohärenzzeit t in die zwei Parameter des Gilbert-Elliott-Zweizustands-Modells, die die Übergangswahrscheinlichkeiten (p und q) von einem Zustand zu einem anderen sind, umzuwandeln. Die Umwandlung ist durch
gegeben, wobei p die Übergangswahrscheinlichkeit von dem guten Zustand zu dem schlechten Zustand ist und q die Übergangswahrscheinlichkeit von dem schlechten Zustand zu dem guten Zustand ist.
Auf diese Weise wird das abstrahierte Parametertupel zu r ~i = (d(l)i , p(l)i , s(l)i , q(l)i , ...,d(K)i , p(K)i , s(K)i , q(K)i ). Ein Vorteil dieser Umwandlung besteht darin, dass das resultierende Parametertupel r ~i für hohe Schichten in dem Protokollstapel verständlicher ist.
Die Anwendungsschicht ist die Schicht, bei der die Mediendaten zur Übertragung komprimiert, paketiert und geplant werden. Die Schlüsselparameter, die für die schichtübergreifende Optimierung abstrahiert werden sollen, hängen mit den Charakteristika der komprimierten Quellendaten zusammen. Dies impliziert, dass diese Schlüsselparameter von der Art der Anwendung oder des Dienstes abhängen können, da die Charakteristika der komprimierten Quellendaten von der Anwendung oder dem Dienst abhängen können. Bezüglich einer formellen Beschreibung definieren wir nun den Satz A = {a₁, a₂, ...} von Tupeln a ~i = (a ~1i , a ~2i , ...) von anwendungsschichtspezifischen Parametern a ~ji . Da diese anwendungsschichtspezifischen Parameter variabel sein können, enthält der Satz A alle möglichen Kombinationen ihrer Werte, und jedes Tupel stellt eine mögliche Kombination dar. Ferner definieren wir den Satz A ~ = {a ~1, a ~2, ...} von Tupeln a ~i = (a ~1i , a ~2i , ...) von abstrahierten Parametern a ~ji . Die Beziehung zwischen dem Satz A und dem Satz A ~ wird durch die Beziehung H ⊂ A × A ~ mit der Domäne A und der Kodomäne A ~ festgelegt, was eine Abbildung zwischen A und A ~ realisiert. Wir nennen diesen Abbildungsprozess eine Anwendungsschicht-Parameterabstraktion. Im Folgenden gehen wir von einem Streaming-Video-Dienst aus. Die abstrahierten Parameter dieses Dienstes umfassen die Quellendatenrate, die Anzahl von Rahmen (oder Bildern) pro Sekunde, Größe (in Bytes) und maximale Verzögerung jedes Rahmens (oder Bildes). Andere wichtige Informationen für den Optimierer sind die Verzerrungsratenfunktion (Codierungsverzerrung) und das Verzerrungsprofil eines bestimmten verlorenen Rahmens (oder Bildes) (siehe 9). 9 zeigt ein Beispiel des Verzerrungsprofils verlorener Rahmen und der Codierungsverzerrung für 3 verschiedene Videos, von denen jedes aus einer Gruppe von Bildern (GOP – group of pictures) mit 15 Rahmen besteht, was bei einer Rahmenrate von 30 Rahmen pro Sekunde 0,5 Sekunden entspricht. Die Videosequenz wird bei einer mittleren Datenrate von 100 kbps codiert. Jede GOP beginnt mit einem unabhängig decodierbaren Intra-Rahmen. Die folgenden 14 Rahmen sind Inter-Rahmen, die nur dann erfolgreich decodiert werden können, wenn alle vorherigen Rahmen derselben GOP fehlerfrei decodiert sind. Die Verzerrung wird durch den mittleren quadratischen Rekonstruktionsfehler (MSE – mean squared reconstruction error), der zwischen der angezeigten und der ursprünglichen Videosequenz gemessen wird, quantifiziert. Der Index in 9 gibt den Verlust eines jeweiligen Rahmens an. Es wird angenommen, dass im Rahmen der Fehlerverbergungsstrategie alle folgenden Rahmen der Gruppe von Bildern nicht decodierbar sind und dass statt der nichtdecodierten Rahmen der zuletzt korrekt decodierte Rahmen angezeigt wird. Ferner ist zu beachten, dass der Index 16 den MSE angibt, wenn alle Rahmen korrekt empfangen werden, wasen wir wegen des Quantisierungsfehlers als die Codierungsverzerrung bezeichnen.
Die abstrahierten Parametersätze R ~ und A ~ sowohl von der Anwendungsschicht als auch der Funkverbindungsschicht bilden den Eingang in den schichtübergreifenden Optimierer. Da jegliche Kombination der abstrahierten Parametertupel aus den zwei Eingangssätzen gültig ist, ist es zweckmäßig, den Schichtübergreifender-Parameter-Satz X ~ = R ~ × A ~zu definieren, der die zwei Eingangssätze zu einem Eingangssatz für den Optimierer kombiniert. Der Satz X ~ = {x ~1, X ~2, ...} besteht aus Tupeln X ~n = (r ~i, a ~j) und |X ~| = |R ~|·|A ~|.
Mit dem oben eingeführten Formalismus kann der Betrieb des schichtübergreifenden Optimierers Ω nun durch Ω:X ~ → X ^ ⊂ X ~beschrieben werden.
Der Optimierer wählt aus dem Eingangssatz X ~ einen wahren nicht-leeren Teilsatz R aus, der der Ausgang des Optimierers ist.
Im Folgenden nehmen wir an, dass |X ^|, d. h. dass der Ausgang des Optimierers ein einziges Tupel ist und X ^ = x ~opt ∈ X ~. Die Entscheidung oder der Ausgang des schichtübergreifenden Optimierers X ~opt wird bezüglich einer jeweiligen objektiven Funktion
getroffen, wobei R der Satz von reellen Zahlen ist. Somit kann der Ausgang des Optimierers als X ~opt = arg min Γ(x ~) x ~ ∈ X ~ausgedrückt werden.
Die Wahl einer jeweiligen objektiven Funktion Γ hängt von dem Ziel des Systementwurfs ab, und der Ausgang (oder die Entscheidung) des Optimierers könnte für verschiedene objektive Funktionen unterschiedlich ausfallen. Bei der beispielhaften Anwendung von Streaming-Video ist eine mögliche objektive Funktion bei einem einen einzigen Benutzer umfassenden Szenario der MSE zwischen der angezeigten und der ursprünglichen Videosequenz. Bei einer mehrere Benutzer umfassenden Situation sind verschiedene Erweiterungen des MSE möglich. Beispielsweise kann die objektive Funktion die Summe von MSE aller Benutzer sein. Das heißt
wobei MSEk(x ~) der MSE eines Benutzers k für das Schichtübergreifender-Parameter-Tupel x ~ ∊ X ~ ist. Diese objektive Funktion optimiert die durchschnittliche Leistungsfähigkeit aller Benutzer. Andere übliche Definitionen der objektiven Funktion umfassen die, die die Leistungsfähigkeit des am schlechtesten abschneidenden Benutzers optimiert, und Γ(x ~) = max MSEk(x ~) k = 1, ..., Kwas äquivalent zu einem Maximieren der Summe des Spitzen-Signal/Rausch-Verhältnisses aller Benutzer ist.
Nachdem der Ausgang (oder die Entscheidung) des schichtübergreifenden Optimierers x ~opt = (r ~opt, a ~opt) erhalten wurde, müssen die Entscheidungen r ~opt und opt a ~opt zurück an die Funkverbindungsschicht bzw. die Anwendungsschicht kommuniziert werden. Während dessen muss der Prozess der Parameterabstraktion umgekehrt werden, und die abstrahierten Parameter r ~opt und a ~opt werden zu den schichtspezifischen Parametern r_opt, ∊ R a_opt, ∊ A zurücktransformiert. Diese umgekehrte Transformation ist durch ropt ∊ {r|(r, r ~opt) ∊ G} und aopt ∊ {a|(a, a ~opt) ∊ H}gegeben. In diesem Fall weist der Satz {r|(r, r ~opt) ∊ G} oder der Satz {a(a, a ~opt,) ∊ H} mehr als ein Element auf, die Wahl eines bestimmten Elements kann an den entsprechenden Schichten einzeln erfolgen.
Im Folgenden liefern wir probeweise Simulationsergebnisse, um die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen gemeinsamen Optimierung auszuwerten. In diesem gesamten Absatz gehen wir von 3 Benutzern aus (Benutzer 1, 2 und 3), von denen jeder ein anderes Video anfordert. Der Benutzer 1, 2 und 3 fordern das Autotelefon- (CP(car phone)-), Vorarbeiter(foreman)- (FM-) bzw. Mutter/Tochter(mother/daughter)-(MD-) Video an. Wir wählen das Spitzen-Signal/Rausch-Verhältnis (PSNR – peak-signal-to-noise ratio) als unser Leistungsfähigkeitsmaß. PSNR ist als PSNR = 10log₁₀(255²/MSE) definiert. Je größer das PSNR ist, desto kleiner der MSE, der zwischen der ursprünglichen Videosequenz und der rekonstruierten Sequenz bei dem Client oder Benutzer berechnet wird. Somit ist die Leistungsfähigkeit umso besser, je größer das PSNR ist. Beispielsweise verwenden wir die oben angegebene objektive Funktion, die die Leistungsfähigkeit des Schlimmster-Fall-Benutzers maximiert.
Deshalb wählt der schichtübergreifende Optimierer das Parametertupel, das das Maximum von MSE unter den Benutzern minimiert (oder äquivalent dazu das Minimum des PSNR unter den Benutzern maximiert). Bei der Simulation wird angenommen, dass die Datenpaketgröße an der Funkverbindungsschicht gleich 54 Bytes beträgt, was dasselbe ist wie die spezifizierte Paketgröße des Standards IEEE802.11a oder HiperLAN2. Die Kanalkohärenzzeit wird für alle drei Benutzer bei 50 ms angenommen, was ungefähr einer Geschwindigkeit eines Fuß gängers entspricht (für eine Trägerfrequenz von 5 GHz). Da die Übertragungsdatenrate durch das Modulationsschema, die Kanalcodierung und die Mehrbenutzer-Planung beeinflusst wird, werden zwei verschiedene Modulationen (BPSK und QPSK) angenommen, und ferner wird angenommen, dass 7 Fälle einer Zeitanordnung in einer auf einem Zeitmultiplexbetrieb basierenden Mehrbenutzer-Planung vorliegen, wie in 6a gezeigt ist. Somit wird angenommen, dass eine Übertragungsdatenrate eines Benutzers gleich 100 kbps ist, wenn BPSK verwendet wird, und 2/9 der Gesamtübertragungszeit derselben zugewiesen ist. Wenn QPSK verwendet wird und 4/9 der Gesamtübertragungszeit zugewiesen ist, kann der Benutzer somit eine Übertragungsdatenrate von 400 kbps aufweisen. Die Übertragungsfehlerrate hängt dagegen von der Übertragungsdatenrate, dem durchschnittlichen SNR und der Fehlerkorrekturfähigkeit des Kanalcodes ab. Üblicherweise wird die Leistungsfähigkeit eines Kanalcodes anhand der restlichen Fehlerrate (nach der Kanaldecodierung) für ein gegebenes Empfangs-SNR ausgewertet. Bei unserer Simulation gehen wir von einem Faltungscode einer Coderate ½ und einer Datenpaketgröße von 54 Bytes aus. Die Restpaketfehlerrate ist in 10 als Funktion von SNR gezeigt. Jedoch ist das Empfangs-SNR bei der drahtlosen Verbindung nicht konstant, sondern schwankt um den Mittelwert (langfristiges SNR) herum, was auf ein durch die Benutzermobilität bewirktes schnelles Fading zurückzuführen ist. Auf diese Weise kann das Empfangs-SNR als Zufallsvariable mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeitsverteilung modelliert werden, die durch die Ausbreitungseigenschaft des physischen Kanals (z. B. Rayleigh-Verteilung, Rice-Verteilung) bestimmt wird. Die Restpaketfehlerrate in einer schwindenden drahtlosen Verbindung wird berechnet, indem dieses Paketfehlerverhältnis (z. B. aus 10) mit den Fading-Statistiken gemittelt wird. Wenn von einem Rayleigh-Fading ausgegangen wird, ist die resultierende durchschnittliche Paketfehlerrate in 11 als Funktion des durchschnittlichen Signal/Rausch-Verhältnisses (SNR) angegeben. Diese resultierende durchschnittliche Paketfehlerrate wird bei unserer Simulation als Parameter e verwendet. Ein von der Benutzerposition abhängiger Pfadverlust und eine von der Benutzerposition abhängige Abschattung, die häufig bei drahtlosen Verbindungen beobachtet werden, werden berücksichtigt, indem das langfristige durchschnittliche Signal/Rausch-Verhältnis zufällig und unabhängig für jeden Benutzer einheitlich in dem Bereich von 1 bis 100 (0 dB bis 20 dB) ausgewählt wird. Auf der Anwendungsschicht wird angenommen, dass das Video unter Verwendung des aufkommenden H.264-Video-Komprimierungsstandards mit 15 Rahmen pro GOP (pro 0,5 Sekunden) codiert wird. Es werden zwei verschiedene Werte der Quellenrate (100 kbps und 200 kbps) betrachtet. Dies bedeutet, dass das Video mit zwei verschiedenen Zielraten vorcodiert wurde und dass beide Versionen auf dem Streaming-Server gespeichert sind. Wir können am Anfang einer GOP von einem Quellenstrom zum anderen wechseln. Bei jeder GOP ist der erste Rahmen ein I-Rahmen, und die folgenden 14 Rahmen sind P-Rahmen. Wir verwenden das gemessene Verzerrungsprofil eines bestimmten verlorenen Rahmens und die Codierungsverzerrung für die 3 angeforderten Videos. 9 zeigt ein Beispiel eines Verzerrungsprofils anhand von MSE für eine GOP bei einer Quellenrate von 100 kbps. Der MSE wird zwischen der angezeigten und der ursprünglichen Videosequenz gemessen und über eine GOP gemittelt. In 9 gibt der Index den Verlust eines bestimmten Rahmens an. Es wird angenommen, dass alle folgenden Rahmen der GOP nichtdecodierbar werden und dass der zuletzt korrekt decodierte Rahmen statt der nichtdecodierten Rahmen angezeigt wird. Man beachte, dass der Index 16 den MSE angibt, wenn alle Rahmen korrekt empfangen werden, was die Codierungsverzerrung ist. Ferner beachte man, dass, da eine erfolgreiche Decodierung von P-Rahmen von einem fehlerfreien Empfang aller vorherigen Rahmen derselben GOP abhängt, ein Verlust des ersten Rahmens einer GOP zu der größten Verzerrung führt, wohingegen ein Verlust des letzten Rahmens einer GOP zu einer geringen Verzerrung führt. Ferner wird angenommen, dass jeder Videorahmen (oder jedes Bild) mit einer maximalen Größe von 54 Bytes paketiert wird und dass jedes Paket lediglich Daten von einem Rahmen enthält. Das heißt, dass jeder Rahmen zu einer ganzzahligen Anzahl von Paketen paketiert wird. Die Größe jedes Rahmens wird während des Codierungsschritts bestimmt. Diese Werte werden zusammen mit dem Bitstrom und dem Verzerrungsprofil gespeichert. 6b gibt die Größe (in Paketen) für eine GOP in den 3 gemessenen Videos bei einer Quellenrate von 100 kbps an, wobei I und Pn (n = 1, 2 ... 14) den I-Rahmen bzw. den n.ten P-Rahmen bezeichnen. Wir können sehen, dass die Größe eines I-Rahmens viel größer als die eines P-Rahmens ist und dass die Größe eines P-Rahmens von Rahmen zu Rahmen variiert. Dies hängt mit dem Inhalt eines Videos zusammen. Sowohl ein Betriebsmodus ohne ARQ (als Vorwärtsmodus bezeichnet) als auch ein Betriebsmodus mit ARQ (als ARQ-Modus bezeichnet) werden untersucht. Wir betrachten jede GOP als Einheit und gehen davon aus, dass jede GOP innerhalb der Dauer von 0,5 Sekunden gesendet werden muss. Im Vorwärtsmodus gehen wir davon aus, dass keine Bestätigung von den Clients verfügbar ist und dass die Videorahmen jeder GOP für einen bestimmten Client wiederholt gesendet werden, wenn die Übertragungsdatenrate größer ist als die Quellendatenrate. Beispielsweise wird jede GOP zwei Mal gesendet, wenn die Übertragungsdatenrate zwei Mal so hoch ist wie die Quellendatenrate. Wenn die Übertragungsdatenrate das Anderthalbfache der Quellendatenrate beträgt, wird eine GOP gesendet, nachdem im Anschluss daran ein erneutes Senden des I-Rahmens, des ersten P-Rahmens, des zweiten P-Rahmens usw. folgt, bis die Periode von 0,5 Sekunden für die GOP abgelaufen ist. Andererseits gehen wir im ARQ-Modus davon aus, dass eine sofortige Bestätigung eines gesendeten Pakets von den Clients erhältlich ist und die Datenpakete jeder GOP für einen bestimmten Client derart erneut gesendet werden, dass die Datenpakete in einer GOP erfolgreich in einer chronologischen Reihenfolge empfangen werden. Das heißt, dass, bevor ein neues Paket gesendet wird, garantiert wird, dass seine vorherigen Pakete in der GOP korrekt empfangen werden. 12 bis 14 liefern Simulationsergebnisse von drei Szenarios (Szenario 1, 2 und 3). Bei Szenario 1 schränken wir ein, dass lediglich eine BPSK-Modulation an der Funkverbindungsschicht verwendet wird und dass lediglich die Quellenrate mit 100 kbps an der Anwendungsschicht verfügbar ist. Deshalb wird bei diesem Szenario lediglich ein konstantes abstrahiertes Parametertupel (mit 100 kbps für alle 3 Benutzer) durch die Anwendungsschicht geliefert, während die Funkverbindungsschicht 7 abstrahierte Parametertupel liefert, was aus den 7 Fällen einer zeitlichen Anordnung, die in 6a gezeigt sind, resultiert. Der schichtübergreifende Optimierer wählt eine aus den 7 Kombinationen der Eingangsparametertupel aus, so dass unsere objektive Funktion optimiert ist. Der MSE ist eine Zufallsvariable, die durch die zwei oben erörterten Faktoren, nämlich ein rasches Fading und ein(e) von der Benutzerposition abhängige(r) Pfadverlust und Abschattung gesteuert wird. Allgemein findet ein schnelles Fading in einem viel kleineren Zeitmaß statt als der Pfadverlust und die Abschattung. In der vorliegenden Schrift bewerten wir den über ein schnelles Fading gemittelten MSE, indem wir den erwarteten Wert des MSE bezüglich des schnellen Fadings für eine bestimmte Position der Benutzer oder äquivalent für ein bestimmtes langfristiges SNR nehmen. Auf der Basis dieses Wertes trifft der schichtübergreifende Optimierer seine Entscheidung. Wir betrachten auch seine statistischen Eigenschaften für eine Gesamtheit von Benutzerpositionen. Deshalb wird die kumulative Dichtewahrscheinlichkeitsfunktion (CDF – cumulative density probability function) dieses durchschnittlichen MSE dahingehend gewählt, die Leistungsfähigkeit beider Modi (Vorwärtsmodus und ARQ-Modus) zu zeigen. Die Leistungsfähigkeit des am schlechtesten abschneidenden Benutzers in dem System mit der erfindungsgemäßen gemeinsamen Optimierung (w/JO) wird mit der in einem System ohne gemeinsame Optimierung (w/o JO) verglichen. Man geht davon aus, dass ein System ohne gemeinsame Optimierung allen Benutzern gleich viel Übertragungszeit zuweist (d. h. Fall 1 in 6a) und die BPSK-Modulation verwendet, während die Quellendatenrate auf 100 kbps festgelegt ist. Aus 12 geht hervor, dass sich das PSNR des am schlechtesten abschneidenden Benutzers in dem System w/JO bedeutend ver-, bessert. Beispielsweise liegt etwa 1-40 % = 60 % der Wahrscheinlichkeit vor, dass das PSNR des am schlechtesten abschneidenden Benutzers in dem System w/JO im Vorwärtsmodus größer als 30 dB ist, was sich im Vergleich zu dem System w/o JO um 2 dB verbessert. Eine ähnliche Verbesserungstendenz ist in 13 und 14 für das Szenario 2 und 3 ersichtlich. Beim Szenario 2 wird dasselbe abstrahierte Parametertupel wie im Szenario 1 an der Anwendungsschicht angenommen, jedoch liefert die Funkverbindungsschicht 14 abstrahierte Parametertupel, die sich aus den 7 Fällen der zeitlichen Anordnung mit BPSK und weiteren 7 Fällen einer zeitlichen Anordnung mit QPSK ergeben. Dasselbe System ohne gemeinsame Optimierung (w/ JO), wie es in 12 beschrieben ist, wird für Vergleichszwecke ebenfalls geliefert. Beim Szenario 3 wird angenommen, dass die zwei verschiedenen Quellenraten von 100 kbps und 200 kbps für jeden der 3 Benutzer durch die Anwendungsschicht geliefert werden (was zu 2³ = 8 Parametertupeln führt). Durch die Funkverbindungsschicht werden dieselben abstrahierten Parametertupel wie im Szenario 2 geliefert. Die Leistungsfähigkeit verbessert sich, wenn mehr abstrahierte Parametertupel geliefert werden, da mehr Freiheitsgrade erhalten werden können. Dies ist in 9 genauer zu sehen, wo die Leistungsfähigkeitsverbesserung der untersuchten drei Szenarios gezeigt ist. Hier ist PSNR als die Differenz zwischen dem PSNR des am schlechtesten abschneidenden Benutzers in dem System w/JO und dem in dem System w/o JO definiert. Eine genaue Betrachtung der linken Figur in 9 offenbart, dass das Ausmaß der Leistungsfähigkeitsverbesserung des Szenarios 2 im Vorwärtsmodus viel größer ist als das des Szenarios 1, wohingegen das Ausmaß der Leistungsfähigkeitsverbesserung des Szenarios 3 nur geringfügig größer ist als das des Szenarios 2. Dies weist darauf hin, dass die Wahl einer durch die Funkverbindungsschicht gelieferten höheren Übertragungsdatenrate (durch Verwendung von QPSK) bei diesem Anwendungsmodus günstig ist, und dass der Optimierer sie häufig wählt. Im Gegensatz dazu ist die durch die Anwendungs schickt gelieferte Wahl einer höheren Quellenrate (200 kbps) in diesem Modus nicht so günstig, und der Optimierer wählt sie selten. Dagegen ist diese Wahl einer höheren Quellenrate im ARQ-Modus günstig, wie aus dem Graph auf der rechten Seite hervorgeht, wo das Ausmaß der Leistungsfähigkeitsverbesserung des Szenarios 3 deutlich größer ist als das des Szenarios 2. Deshalb ist eine Wahl eines geeigneten Satzes von abstrahierten Parametertupeln wichtig, um große Leistungsfähigkeitsverbesserungen zu erhalten und dabei bei geringer Komplexität zu optimieren. Außerdem zeigen die Experimente, dass es wichtig ist, alle Freiheitsgrade, die auf den einzelnen Schichten verfügbar sind, zu identifizieren und die Wichtigen im schichtübergreifenden Entwurf zu berücksichtigen.
Die vorliegende Erfindung liefert eine Architektur für die gemeinsame Optimierung einer Anwendungsschicht und einer Funkverbindungsschicht in einem drahtlosen System mit einem Video-Streaming-Dienst. Diese Architektur beruht auf drei grundsätzlichen Konzepten, nämlich Parameterabstraktion, schichtübergreifende Optimierung und Entscheidungsverteilung. Unsere vorläufige Untersuchung enthüllt, dass die erfindungsgemäße Architektur eine potentielle Art und Weise liefern kann, die Leistungsfähigkeit zu verbessern, und somit dazu beitragen kann, die zukünftige Herausforderung in Bezug auf drahtlose Multimedia-Kommunikation anzunehmen. Auch wenn wir eine geringe Anzahl von Freiheitsgraden der Anwendungsschicht und der Funkverbindungsschicht betrachten, erhalten wir bedeutende Verbesserungen der seitens eines Benutzers wahrgenommenen Qualität unserer Streaming-Video-Anwendung durch eine gemeinsame Optimierung.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen der erfindungsgemäßen Verfahren können die erfindungsgemäßen Verfahren in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speicherungsmediums, insbesondere einer Platte oder einer CD durchgeführt werden, auf der elektronisch lesbare Steuer signale gespeichert sind, die derart mit einem programmier- baren Computersystem zusammen arbeiten können, dass die erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden. Allgemein ist die vorliegende Erfindung somit ein Computerprogrammprodukt mit einem auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode, wobei der Programmcode das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Mit anderen Worten sind die erfindungsgemäßen Verfahren somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Ausführen der erfindungsgemäßen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer läuft.

Claims

Vorrichtung zum Steuern eines Betriebs einer Mehrzahl von Kommunikationsschichten eines geschichteten Kommunikationssystems, wobei das geschichtete Kommunikationssystem Informationen durch einen Kommunikationskanal sendet, wobei ein Betrieb einer ersten Kommunikationsschicht der Mehrzahl von Kommunikationsschichten durch einen ersten Satz von Parametern bestimmt wird, und wobei ein Betriebsmodus einer zweiten Kommunikationsschicht der Mehrzahl von Kommunikationsschichten durch einen zweiten Satz von Parametern bestimmt wird, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung (135) zum Liefern einer Eigenschaft des Kommunikationskanals; eine Extraktionseinrichtung (105) zum Extrahieren des ersten Satzes von Parametern der ersten Kommunikationsschicht und des zweiten Satzes von Parametern der zweiten Kommunikationsschicht, um einen aktuellen Status der ersten und der zweiten Kommunikationsschicht zu ermitteln, wobei der erste Satz von Parametern ein Teilsatz der Parameter ist, die einen Betriebsmodus der ersten Kommunikationsschicht bestimmen, und der zweite Satz von Parametern ein Teilsatz der Parameter ist, die einen Betriebsmodus der zweiten Kommunikationsschicht bestimmen; eine Einrichtung (137) zum Liefern eines ersten Abstraktionsmodells und eines zweiten Abstraktionsmodells, wobei das erste Abstraktionsmodell eine Charakteristik der ersten Kommunikationsschicht modelliert, die von dem ersten Satz von Parametern abhängt, und wobei das zweite Abstraktionsmodell eine Charakteris tik der zweiten Kommunikationsschicht modelliert, die von dem zweiten Satz von Parametern abhängt; eine Einrichtung (115) zum gemeinsamen Bestimmen eines optimierten ersten Satzes von Parametern, der durch die erste Kommunikationsschicht verwendet werden soll, und eines optimierten zweiten Satzes von Parametern, der durch die zweite Kommunikationsschicht verwendet werden soll, auf der Basis des ersten Abstraktionsmodells, des zweiten Abstraktionsmodells, der Kanaleigenschaft und eines Optimierungsziels; eine Einrichtung (137) zum Liefern des optimierten ersten Satzes von Parametern an die erste Kommunikationsschicht und des optimierten zweiten Satzes von Parametern an die zweite Kommunikationsschicht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Mehrzahl von Schichten des geschichteten Kommunikationssystems Protokollschichten sind, bei der die zweite Kommunikationsschicht bezüglich eines Verwaltens eines Sendens der Informationen durch den Kommunikationskanal und bezüglich eines Extrahierens der Eigenschaft des Kommunikationskanals wirksam ist, bei der die Einrichtung zum Liefern der Eigenschaft des Kommunikationskanals mit der zweiten Kommunikationsschicht gekoppelt ist, um die Eigenschaft des Kommunikationskanals zu empfangen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die zweite Kommunikationsschicht eine physische Schicht umfasst, bei der die Einrichtung (135) zum Liefern der Eigenschaft des Kommunikationskanals eine Protokollschnittstelle zum schnittstellenmäßigen Verbinden mit der physischen Schicht umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 3, bei der die Einrichtung (135) zum Liefern der Eigenschaft des Kommu nikationskanals bezüglich eines Lieferns eier Bitfehlerwahrscheinlichkeit oder/und einer Kanaldatenrate, die der Bitfehlerwahrscheinlichkeit zugeordnet ist, oder/und einer Sendeverzögerung oder/und einer Sendeleistung, die der Bitfehlerwahrscheinlichkeit zugeordnet ist, oder/und einer Kanalkohärenzzeit oder/und einer Kanalkohärenzbandbreite als Eigenschaft des Kommunikationskanals wirksam ist.
Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, bei der das erste Abstraktionsmodells ein erstes Zustandsdiagramm umfasst, das einen ersten Zustand und einen weiteren Zustand und einen Übergang zwischen den Zuständen aufweist, bei der das zweite Abstraktionsmodell ein zweites Zustandsdiagramm umfasst, das einen Zustand und einen weiteren Zustand und einen Übergang zwischen den Zuständen aufweist, wobei das erste Zustandsdiagramm ein parameterabhängiges Verhalten der ersten Kommunikationsschicht modelliert und wobei das zweite Zustandsdiagramm ein parameterabhängiges Verhalten der zweiten Kommunikationsschicht modelliert, wobei die Einrichtung zum Bestimmen bezüglich eines Einfügens des ersten Satzes von Parametern in das erste Abstraktionsmodell, des zweiten Satzes von Parametern in das zweite Abstraktionsmodell wirksam ist, und um den ersten optimierten Satz von Parametern und den zweiten optimierten Satz von Parametern zu bestimmen, um das Optimierungsziel durch ein gemeinsames Emulieren des ersten Abstraktionsmodells und des zweiten Abstraktionsmodells in Abhängigkeit von der Kanaleigenschaft zu erreichen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei der die Einrichtung (115) zum Bestimmen einen Analysator zum Analysieren des ersten Abstraktionsmodells unter Verwendung des ersten Satzes von Parametern und eines zweiten Abstraktionsmodells unter Verwendung des zweiten Satzes von Parametern in Abhängigkeit von der Kanaleigen schaft zum Signalisieren, dass der öptimierte erste Satz von Parametern oder/und der optimierte zweite Satz von Parametern bestimmt werden sollen, wenn das Optimierungsziel unter Verwendung des ersten Satzes von Parametern und des zweiten Satzes von Parametern nicht erreicht werden kann, umfasst.
Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 6, bei der das Optimierungsziel eine Optimierung der Übertragungsqualität umfasst, bei der die Einrichtung (115) zum Bestimmen bezüglich eines gemeinsamen Bestimmens des optimierten ersten Satzes von Parametern und des optimierten zweiten Satzes von Parametern durch ein Emulieren eines Verhaltens der ersten Kommunikationsschicht unter Verwendung des ersten Abstraktionsmodells und eines Verhaltens der zweiten Kommunikationsschicht unter Verwendung des zweiten Abstraktionsmodells wirksam ist, wobei der erste Satz von Parametern und der zweite Satz von Parametern Anfangsparameter sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die erste Kommunikationsschicht bezüglich eines Codierens der Informationen, um ein Informationssignal zu liefern, das eine einer Verzerrung zugeordnete Informationsrate aufweist, wirksam ist, und bei der die erste Kommunikationsschicht bezüglich eines Codierens des Informationssignals, um ein Sendesignal zum Senden zu erhalten, wirksam ist, wobei das Sendesignal eine Datenrate aufweist, die einer Bitfehlerwahrscheinlichkeit zugeordnet ist, wobei die Einrichtung (115) zum Bestimmen bezüglich eines gemeinsamen Bestimmens des optimierten ersten Satzes von Parametern, der zum Codieren der Informationen verwendet werden soll, um das Informationssignal zu erhalten, das die der Verzerrung zugeordnete Informationsrate aufweist, und des optimierten zweiten Satzes von Parametern, der zum Codieren des Informationssignals verwendet werden soll, um das Sen designal zu erhalten, das die die Informationsrate unterstützende Datenrate aufweist, wirksam ist.
Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 8, bei der die Informationen bei einem aus mehreren Benutzern bestehenden Szenario einem ersten Benutzer zugeordnete erste Informationen und einem zweiten Benutzer zugeordnete zweite Informationen umfassen, bei der das Optimierungsziel eine optimierte Übertragungsqualität für die ersten Informationen und für die zweiten Informationen ist, bei der die erste Kommunikationsschicht bezüglich eines Codierens der ersten Informationen, um ein erstes Informationssignal und ein zweites Informationssignal zu erhalten, wirksam ist, bei der die zweite Kommunikationsschicht bezüglich eines Codierens des ersten Informationssignals und des zweiten Informationssignals, um ein zusammengesetztes Signal zu erhalten, das durch den Kommunikationskanal gesendet werden soll, wirksam ist, wobei die Einrichtung (115) zum Bestimmen bezüglich eines gemeinsamen Bestimmens des optimierten ersten Satzes von Parametern, der durch die erste Kommunikationsschicht zum Codieren der ersten Informationen und der zweiten Informationen verwendet werden soll, und des optimierten zweiten Satzes von Parametern, der durch die zweite Kommunikationsschicht zum Codieren der ersten Informationen und der zweiten Informationen verwendet werden soll, um die Übertragungsqualität der ersten Informationen und der zweiten Informationen zu optimieren, wirksam ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der die zweite Kommunikationsschicht bezüglich eines Planens des ersten Informationssignals und des zweiten Informationssignals wirksam ist, so dass das erste Informationssignal innerhalb eines ersten Zeitrahmens gesendet wird und das zweite Informationssignal innerhalb eines zweiten Zeitrahmens gesendet wird, wobei die Einrichtung (115) um Bestimmen bezüglich eines Bestimmens des optimierten ersten Satzes von Parametern, um das erste Informationssignal zu erhalten, das eine einer ersten Verzerrung zugeordnete erste Informationsrate aufweist, und um das zweite Informationssignal zu erhalten, das eine einer zweiten Verzerrung zugeordnete zweite Informationsrate aufweist, und bezüglich eines Bestimmens eines zweiten Satzes von Parametern, um das zusammengesetzte Signal zu erhalten, das eine Datenrate aufweist, die die erste Informationsrate und die zweite Informationsrate unterstützt, wirksam ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, bei der die dem ersten Benutzer zugeordneten ersten Informationen erste Teilinformationen und zweite Teilinformationen umfassen, bei der die Einrichtung (115) zum Bestimmen ferner bezüglich eines Bestimmens des ersten optimierten Satzes von Parametern, der durch die erste Kommunikationsschicht zum selektiven Codieren der ersten Teilinformationen und der zweiten Teilinformationen verwendet werden soll, um das erste Informationssignal, das die ersten und die zweiten Teilinformationen umfasst, wirksam ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die Einrichtung (115) zum Bestimmen bezüglich eines Bestimmens des optimierten ersten Satzes von Parametern zum Planen der ersten Teilinformationen und der zweiten Teilinformationen in dem ersten Informationssignal wirksam ist, so dass die ersten Teilinformationen und die zweiten Teilinformationen an unterschiedlichen Positionen in dem ersten Informationssignal platziert werden.
Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 12, bei der die Einrichtung (115) zum Bestimmen bezüglich eines Überwachens eines aktuellen Status der durch den ersten Satz von Koeffizienten bestimmten ersten Kommunikati onsschicht und eines aktuellen Status der durch den zweiten Satz von Koeffizienten bestimmten zweiten Kommunikationsschicht, um Statusinformationen zu liefern, wirksam ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der die Einrichtung (115) zum Bestimmen bezüglich eines Entscheidens, auf der Basis der Statusinformationen, welcher optimierte Satz von Parametern bestimmt werden soll, um das Optimierungsziel zu erreichen, wirksam ist.
Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 14, bei der das Optimierungsziel die Optimierung der Übertragungsqualität bei einem aus mehreren Benutzern bestehenden Szenario umfasst, bei der die Informationen einem ersten Benutzer zugeordnete erste Informationen und dem ersten Benutzer zugeordnete zweite Informationen, einem zweiten Benutzer zugeordnete dritte Informationen und dem zweiten Benutzer zugeordnete vierte Informationen umfassen, wobei die erste Kommunikationsschicht bezüglich eines Planens der ersten Informationen und der zweiten Informationen, um ein dem ersten Benutzer zugeordnetes erstes Informationssignal zu erhalten, wirksam ist, und wobei die erste Kommunikationsschicht bezüglich eines Planens der dritten Informationen und der vierten Informationen, um ein dem zweiten Benutzer zugeordnetes zweites Informationssignal zu erhalten, wirksam ist, wobei die zweite Kommunikationsschicht bezüglich eines Planens des ersten Informationssignals und des zweiten Informationssignals, um einen geplanten Mehr-Benutzer-Strom zu erhalten, wirksam ist, wobei die Einrichtung (115) zum Bestimmen bezüglich eines gemeinsamen Bestimmens des optimierten ersten Satzes von Parametern, der durch die erste Kommunikationsschicht verwendet werden soll, um das erste Informationssignal und das zweite Informationssignal zu liefern, und um den optimierten zweiten Satz von Para metern zu liefern, der durch die zweite Kommunikationsschicht verwendet werden soll, um den geplanten Mehr-Benutzer-Strom zu liefern, wirksam ist.
Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 15, bei der die Einrichtung (137) zum Liefern des ersten Abstraktionsmodells und des zweiten Abstraktionsmodells bezüglich eines Lieferns einer Mehrzahl von Abstraktionsmodellen für eine Mehrzahl von Kommunikationsschichten wirksam ist.
Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 16, bei der die Einrichtung (129) zum Liefern des optimierten ersten Satzes von Parametern und des optimierten zweiten Satzes von Parametern eine Protokollschnittstelle zum schnittstellenmäßigen Verbinden mit der ersten Kommunikationsschicht und mit der zweiten Kommunikationsschicht umfasst.
Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 17, bei der die zweite Kommunikationsschicht eine physische Schicht umfasst, die bezüglich einer Modulation wirksam ist, wobei der zweite Satz von Parametern einen Teilsatz von Modulationsparametern, der ein Modulationsschema bestimmt, umfasst, wobei die Einrichtung (115) zum Bestimmen ferner bezüglich eines Bestimmens eines weiteren Teilsatzes von Modulationsparametern, um das Optimierungsziel zu erreichen, wirksam ist.
Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 18, bei der die zweite Kommunikationsschicht eine Datenverbindungsschicht umfasst, die bezüglich einer Vorwärtsfehlercodierung unter Verwendung eines Teilsatzes von Codierungsparametern, der ein Vorwärtsfehlercodierungsschema bestimmt, wirksam ist, wobei die Einrichtung (115) zum Bestimmen ferner dahin gehend wirksam ist, den Teilsatz von Codierungsparametern zu bestimmen, um das Optimierungsziel zu erreichen.
Kommunikationsvorrichtung zum Verarbeiten von Informationen, die gemäß einem Sendeprotokoll gesendet werden sollen, wobei das Sendeprotokoll eine Mehrzahl von Protokollschichten umfasst, wobei die Kommunikationsvorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Informationsquelle zum Liefern der Informationen; die Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 19 zum Steuern der Mehrzahl von Protokollschichten; einen Prozessor zum Verarbeiten der Informationen gemäß den Protokollschichten.
Kommunikationsvorrichtung zum Verarbeiten eines empfangenen Signals gemäß einem Empfangsprotokoll, wobei das empfangene Signal eine empfangene Version eines durch einen Kommunikationskanal gesendeten Sendesignals ist, wobei das Sendesignal Informationen umfasst, die gemäß einem Sendeprotokoll verarbeitet sind, wobei das Sendeprotokoll eine erste Sendeprotokollschicht und eine zweite Sendeprotokollschicht umfasst, wobei ein Betriebsmodus der ersten Sendeprotokollschicht durch einen ersten Satz von Sendeparametern bestimmt wird, wobei der erste Satz von Sendeparametern ein Teilsatz der Parameter ist, die einen Betriebsmodus der ersten Sendeprotokollschicht bestimmen, wobei ein Betriebsmodus der zweiten Sendeprotokollschicht durch einen zweiten Satz von Sendeparametern bestimmt wird, wobei der zweite Satz von Sendeparametern ein Teilsatz der Parameter ist, die einen Betriebsmodus der zweiten Sendeprotokollschicht bestimmen, wobei der erste Satz von Sendeparametern und der zweite Satz von Sendeparametern auf einer Basis von Abstraktionsmodellen, die ein Verhalten der ersten Kommunikationsschicht und der zweiten Kommunikationsschicht modellieren, paarweise bestimmt werden, wobei das Empfangsprotokoll eine ers te Empfangsprotokollschicht und eine zweite Emfagsprotokollschicht umfasst, wobei ein Betriebsmodus der ersten Empfangsprotokollschicht durch einen ersten Satz von Empfangsparametern bestimmt wird, und wobei ein Betriebsmodus der zweiten Empfangsprotokollschicht durch einen zweiten Satz von Empfangsparametern bestimmt wird, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Einrichtung zum Empfangen von Parameterinformationen, die den ersten Satz von Sendeparametern und den zweiten Satz von Sendeparametern angeben; eine Einrichtung zum Bestimmen des ersten Satzes von Empfangsparametern, der dem ersten Satz von Sendeparametern entspricht, und des zweiten Satzes von Empfangsparametern, der dem zweiten Satz von Sendeparametern entspricht; eine Einrichtung zum Liefern des ersten Satzes von Empfangsparametern an die erste Kommunikationsschicht und zum Liefern des zweiten Satzes von Empfangsparametern an die zweite Kommunikationsschicht.
Verfahren zum Steuern eines Betriebs einer Mehrzahl von Kommunikationsschichten eines geschichteten Kommunikationssystems, wobei das geschichtete Kommunikationssystem Informationen durch einen Kommunikationskanal sendet, wobei ein Betrieb einer ersten Kommunikationsschicht der Mehrzahl von Kommunikationsschichten durch einen ersten Satz von Parametern bestimmt wird, und wobei ein Betriebsmodus einer zweiten Kommunikationsschicht der Mehrzahl von Kommunikationsschichten durch einen zweiten Satz von Parametern bestimmt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Liefern einer Eigenschaft des Kommunikationskanals; Extrahieren des ersten Satzes von Parametern der ersten Kommunikationsschicht und des zweiten Satzes von Parametern der zweiten Kommunikationsschicht, um einen aktuellen Status der ersten und der zweiten Kommunikationsschicht zu ermitteln, wobei der erste Satz von Parametern ein Teilsatz der Parameter ist, die einen Betriebsmodus der ersten Kommunikationsschicht bestimmen, und der zweite Satz von Parametern ein Teilsatz der Parameter ist, die einen Betriebsmodus der zweiten Kommunikationsschicht bestimmen; Liefern eines ersten Ab-straktionsmodells und eines zweiten Abstraktionsmodells, wobei das erste Abstraktionsmodell eine Charakteristik der ersten Kommunikationsschicht modelliert, die von dem ersten Satz von Parametern abhängt, und wobei das zweite Abstraktionsmodell eine Charakteristik der zweiten Kommunikationsschicht modelliert, die von dem zweiten Satz von Parametern abhängt; gemeinsames Bestimmen eines optimierten ersten Satzes von Parametern, der durch die erste Kommunikationsschicht verwendet werden soll, und eines optimierten zweiten Satzes von Parametern, der durch die zweite Kommunikationsschicht verwendet werden soll, auf der Basis des ersten Abstraktionsmodells, des zweiten Abstraktionsmodells, der Kanaleigenschaft und eines Optimierungsziels; Liefern des optimierten ersten Satzes von Parametern an die erste Kommunikationsschicht und des optimierten zweiten Satzes von Parametern an die zweite Kommunikationsschicht.
Verfahren zum Verarbeiten von Informationen, die gemäß einem Sendeprotokoll gesendet werden sollen, wobei das Sendeprotokoll eine Mehrzahl von Protokollschichten umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Liefern der Informationen; Steuern der Mehrzahl von Protokollschichten gemäß dem Verfahren des Anspruch 22; Verarbeiten der Informationen gemäß den Protokollschichten.
Verfahren zum Verarbeiten eines empfangenen Signals gemäß einem Empfangsprotokoll, wobei das empfangene Signal eine empfangene Version eines durch einen Kommunikationskanal gesendeten Sendesignals ist, wobei das Sendesignal Informationen umfasst, die gemäß einem Sendeprotokoll verarbeitet sind, wobei das Sendeprotokoll eine erste Sendeprotokollschicht und eine zweite Sendeprotokollschicht umfasst, wobei ein Betriebsmodus der ersten Sendeprotokollschicht durch einen ersten Satz von Sendeparametern bestimmt wird, wobei der erste Satz von Sendeparametern ein Teilsatz der Parameter ist, die einen Betriebsmodus der ersten Sendeprotokollschicht bestimmen, wobei ein Betriebsmodus der zweiten Sendeprotokollschicht durch einen zweiten Satz von Sendeparametern bestimmt wird, wobei der zweite Satz von Sendeparametern ein Teilsatz der Parameter ist, die einen Betriebsmodus der zweiten Sendeprotokollschicht bestimmen, wobei der erste Satz von Sendeparametern und der zweite Satz von Sendeparametern auf einer Basis von Abstraktionsmodellen, die ein Verhalten der ersten Kommunikationsschicht und der zweiten Kommunikationsschicht modellieren, paarweise bestimmt werden, wobei das Empfangsprotokoll eine erste Empfangsprotokollschicht und eine zweite Empfangsprotokollschicht umfasst, wobei ein Betriebsmodus der ersten Empfangsprotokollschicht durch einen ersten Satz von Empfangsparametern bestimmt wird, und wobei ein Betriebsmodus der zweiten Empfangsprotokollschicht durch einen zweiten Satz von Empfangsparametern bestimmt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Empfangen von Parameterinformationen, die den ersten Satz von Sendeparametern und den zweiten Satz von Sendeparametern angeben; Bestimmen des ersten Satzes von Empfangsparametern, der dem ersten Satz von Sendeparametern entspricht, und des zweiten Satzes von Empfangsparametern, der dem zweiten Satz von Sendeparametern entspricht; Liefern des ersten Satzes von Empfangsparametern an die erste Kommunikationsschicht und Liefern des zweiten Satzes von Empfangsparametern an die zweite Kommunikationsschicht.
Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen der Verfahren gemäß den Ansprüchen 22 oder 23 oder 24 aufweist, wenn das Programm auf einem Computer läuft.