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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung findet Anwendung in allen Übertragungssystemen, die durch
einen Datenfluss zwischen einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit
gekennzeichnet sind und in denen mehrere Verbindungen gemultiplext
werden, von denen einige Vorteile aus der Übertragungswiederholung auf
Datenverbindungsebene ziehen (ARQ, englisch: Automatic Repeat Request),
während
andere, die weniger strikten Anforderungen an die Bitfehlerrate (Bit
Error Rate = BER), aber einer strengeren Verzögerung unterliegen, bessere
Leistungen aufweisen, wenn Übertragungswiederholungen
unterbleiben.
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Die Übertragung
in besagten Systemen geschieht auf der Ebene elementarer Einheiten,
die im weiteren allgemein als „Pakete" bezeichnet werden, wobei
die besagten Übertragungseinheiten
auch in ATM-Zellen, IP-Paketen, Teilen von IP-Paketen oder allen
anderen elementaren Dateneinheiten, die zu derselben Verbindung
gehören,
erkannt werden und nacheinander im Übertragungskanal übertragen
werden können.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Nach
dem Stand der Technik sind Übertragungssysteme
dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehr am Senden/Empfang
der Informationsaustausch-Einheiten, der sogenannten Pakete, beteiligten
Parteien, den Informationsfluss, auch Datenfluss genannt, bilden.
Der Datenfluss besteht aus einer oder mehreren Verbindungen. Eine
Verbindung wird durch genau spezifizierte Verkehrsparameter gekennzeichnet.
Jedes einzelne Paket kann genau einer Verbindung zugeordnet werden.
Das heißt, dass
ein Paket Daten transportiert, die zu einer einzigen Verbindung
gehören.
Wenn das Übertragungsmittel
nicht hundertprozentig zuverlässig
ist, dann werden normalerweise Fehlerkorrekturverfahren angewendet,
um den Verlust von Informationseinheiten zu begrenzen und somit
die Fehlerrate zu reduzieren. Die erwähnten Fehlerkorrekturverfahren
werden als Vorwärtsfehlerkorrektur
(FEC = Forward Error Correction) bezeichnet.
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Als
Beispiel und zum Zwecke einer klareren Beschreibung, aber nicht
auf diese beschränkt,
wird eine wichtige Familie von FEC-Codes, d. h. die Familie der Blockcodes,
erwähnt.
Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass sie den Datenfluss in ,Blöcke' unterteilen. Jeder
einzelne Block wird getrennt verarbeitet und durch Redundanzdaten
erweitert. Entsprechend dem verwendeten Blockcode kann eine bestimmte
Anzahl möglicher
Fehler, die durch die Datenübertragung
aufgetreten sind, beim Empfänger korrigiert
werden. Die Blöcke,
die relative Redundanz aufweisen, werden dann nacheinander übertragen und
bilden den Datenfluss.
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Die
oben genannten Blockcodes schützen eine
bestimmte Anzahl von Paketen. Das heißt, dass ein Block eine bestimmte
Anzahl von Paketen enthält.
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Beim
Empfang wird jeder Block dekodiert und werden die in ihm enthaltenen
Pakete extrahiert. Erst nach dem Dekodieren kann der Empfänger den Inhalt
des Blocks erkennen. Immer, wenn am Empfänger ein Fehler erkannt wird,
der von dem Code nicht korrigiert werden kann, wird der ganze Block gelöscht und
gehen alle darin enthaltenen Pakete verloren. In dem Fall hat der
Fehlerkorrekturcode auch die Aufgabe, die Fehler zu erkennen, die
nicht korrigiert werden können.
Bei Verlust eines Blocks kann der Empfänger den Inhalt des Blocks
nicht kennen. In dem Fall signalisiert der Fehlererkennungscode
einen Fehler. Die Anwesenheit eines einzigen Codes sowohl für Korrektor
als auch Detektor muss, obwohl sie typisch ist, nicht als Einschränkung betrachtet
werden, da die vorliegende Erfindung auch bei nur einem einzigen
Detektorcode oder auch bei einem Paar verschiedener Codes, bei denen
ein Code nur die Korrekturfunktion und ein zweiter nur die Erkennungsfunktion
ausübt,
ihre Gültigkeit
behält.
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WO 00/60799 beschreibt
ein Telekommunikationssystem und ein Verfahren für die Implementierung eines
halbzuverlässigen Übertragungswiederholungs-Protokolls,
dass sowohl selektives ARQ als auch Segmentierung der SDU (Service
Data Unit = Dienstdateneinheit) in viele PDUs (Protocol Data Unit =
Protokolldateneinheit) verwendet. Das zeitbasierte Auslösen einer Übertragungswiederholungs-Zeitüberschreitung
wird auf Grundlage der maximal zulässigen Verzögerung für die Übertragungswiederholung der
beschädigten
Pakete über
die Luftschnittstelle definiert. Für jedes empfangene Paket wird
ein Lösch-Timer
initialisiert, der die Übertragungszeit
des Datenpakets überwacht.
Wenn der Timer für
das Datenpaket abläuft,
dann wird dieses Datenpaket im Sender als gelöscht markiert und es wird eine
Anforderung an den Empfänger
gesandt, um sicherzustellen, dass Übertragungen, die dieses Datenpaket
enthalten, im Empfänger
gelöscht
werden. Die Verwendung des Lösch-Timers
ermöglicht
es, dass die Übertragungswiederholungs-Zeitüberschreitung
unempfindlich wird gegen Schwankungen der Kanalrate. Wenn der Lösch-Timer
abgelaufen ist, werden alle PDU-Pakete
im SDU-Block erneut übertragen,
unabhängig
davon, dass in einigen der gelöschten
PDUs ARQ nicht verwendet wird und deren wiederholte Übertragung
unnötig
ist.
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EP 771092 beschreibt ein
Paketdatenübertragungsverfahren über die
Luftschnittstelle eines Systems für Mobiltelefonie basierend
auf einer Kombination von FEC und ARQ. Sobald die FEC decodiert
ist, bestimmt der Empfänger
das gute Ergebnis der Übertragung
und sendet eine positive oder negative Bestätigungsnachricht. Diese Nachrichten
werden von der Sendestation empfangen und bei einer positiven Nachricht
wird die Paketübertragung
als abgeschlossen betrachtet.
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WO 02/069548 , nach den
Bestimmungen von Art-54(3)EPC zitiert, beschreibt ein Verfahren, bei
dem die Steuereinheit eine Reihe von Blöcken erzeugt, von denen jeder
ein Kopfsegment und die zu übertragenden
Daten enthält.
Jeder Block wird mit einer Fehlerschutzstufe an die Zielstation
gesendet, die aus mehreren vordefinierten Stufen ausgewählt wird,
wobei die gewählte
Stufe durch eine Signalisierungsinformation gekennzeichnet wird,
die den übertragenen
Block begleitet. Das Kopfsegment jedes Blocks umfasst ein Bestätigungssteuerfeld,
das periodisch von der Steuereinheit aktiviert wird, um eine Bestätigung von
Blöcken
von der Station anzufordern. Für
die Übertragung
von Blöcken
mit einem Kopfsegment mit aktiviertem Bestätigungssteuerfeld wird eine
höhere
Schutzstufe gewählt
als für
die Übertragung
von Blöcken
mit einem Kopfsegment mit nicht aktiviertem Bestätigungssteuerfeld. Wenn das Übertragungsfenster
trotz des zusätzlichen Schutzes
blockiert ist, dann muss das Übertragungsfenster
neu initialisiert werden, und müssen
alle nicht bestätigten
Blöcke,
die sich darin befinden, erneut übertragen
werden.
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WO 200010298 beschreibt
ein FEC- und ARQ-Verfahren für
die Fehlerkorrektur in Datennetzen. Der vorliegende Patentantrag
beschreibt ein stationsbasiertes Übertragungsverfahren, das heißt, dass
die Station den gesamten Block noch einmal überträgt, so wie er ursprünglich gegliedert
war.
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Schließlich ist
es bei den traditionellen Übertragungswiederholungs-Verfahren
(ARQ) erforderlich, dass der Sender den Block, auch kodierter Block genannt,
der vom Detektorcode als falsch erkannt wurde, vollständig noch
einmal übertragt.
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Der
Konferenzbeitrag der Konferenz für Fahrzeugtechnik
(VEHICULAR TECHNOLOGY CONFERENCE Japan, 15.–18. Mai 2000) von Wang S.,
Zheng H., Copeland J. A., 2000 IEEE 51ST, mit dem Titel: "AN ERROR CONTROL
DESIGN FOR MULTIMEDIA WIRELESS NETWORKS" (Ein Fehlerkorrekturkonzept für drahtlose
Multimedianetze); IEEE, New York, USA, stellt ein SR-ARQ-Schema
für drahtlose
Multimedianetze unter Berücksichtigung von
Dienstgüte-Parametern
vor, dass für
den zukünftigen
Einsatz in der mobilen Kommunikation entwickelt wurde. Dieser QSR-ARQ-Fehlerkorrekturmechanismus
betrifft drei verschiedene Dienstgüte-Klassen innerhalb desselben
MPEG-Videodatenstroms.
Diese Klassen sind jeweils mit verschiedenen Übertragungswiederholungs-Anforderungen verbunden,
nämlich:
Klasse 1 „no
loss data" (ohne Datenverlust)
bezieht sich auf Rahmen-Kopfsegmente; Klasse 2 „assured data" (gesicherte Daten)
bezieht sich auf I- und P-Ankerrahmen; und Klasse 3 „disabled
retransmission" (deaktivierte Übertragungswiederholung)
bezieht sich auf B-Rahmen. Eine zusätzliche NOX-Signalisierungsnachricht
soll die maximal zulässige Übertragungswiederholungs-Verzögerung begrenzen.
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UMFANG UND ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Umfang der vorliegenden Erfindung ist die Identifizierung eines Übertragungsverfahrens
basierend auf einem Übertragungswiederholungs-Verfahren
(ARQ), das die Nachteile der bekannten Technik überwindet sowie die Identifizierung
eines verbindungsbasierten Übertragungsverfahrens,
d. h. die Identifikation eines Verfahrens, bei dem die Übertragungswiederholungs-Funktion
eine charakteristische Eigenschaft einer Verbindung ist, wie im
folgenden Anspruch 1 angegeben. Gemäß der Erfindung kann die Übertragungswiederholungs-Funktionalität für jede Verbindung
im Datenfluss aktiviert bzw. deaktiviert werden.
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Gemäß der Erfindung
kann eine Verbindung so konfiguriert werden, dass verlorene Pakete
erneut übertragen
werden. In diesem Fall sprechen wir davon, dass die ARQ-Funktion
für diese
Verbindung ,aktiviert' ist.
Im Gegensatz dazu kann eine andere Verbindung im selben Datenfluss
mit ,deaktivierter' ARQ-Funktion
konfiguriert sein, das heißt,
dass die bei der Übertragung
möglicherweise
verlorenen Pakete nicht wiederholt werden.
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Aus
den Studien, die die Antragstellerin durchgeführt hat, ergab sich tatsächlich,
dass einige Verbindungen, wie z. B. Datenverbindungen, vom Verlust
von Paketen betroffen sind, jedoch kaum von der Verzögerung;
andere Verbindungen, wie z. B. Sprachverbindungen, werden sehr stark
von der Verzögerung
beeinträchtigt
und kaum vom Paketverlust. Daher wird entsprechend der Erfindung
nur bei Verbindungen des ersten Typs die Übertragungswiederholung aktiviert,
was zwar dem Verlust von Paketen entgegenwirkt, andererseits jedoch
eine Verzögerung
verursacht.
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Daher
sorgt die Erfindung dafür,
dass die Verbindungen mit ,deaktiviertem' ARQ von der Anwesenheit von ARQ-Übertragungswiederholungen auf den
anderen Verbindungen in keiner Weise betroffen sind. Außerdem sorgt
die vorliegende Erfindung durch die Definition einer angemessenen Übertragungswiederholungs-Strategie
für die
verlorenen Pakete dafür,
dass keine Bandbreite verschwendet wird.
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Wenn
der Fehlerdetektorcode signalisiert, dass ein kodierter Block beschädigt ist,
das heißt, wenn
er verloren ist und nicht dekodiert werden kann, dann informiert
der Empfänger
den Sender durch geeignete Signalisierungsnachrichten, die als negative Bestätigung oder Übertragungswiederholungs-Anforderung
bezeichnet werden können, über den
fehlerhaften Empfang. Der oben genannte Empfänger kann keine selektive Übertragungswiederholung
des Blocks anfordern, außer
wenn dieser Pakete von Verbindungen mit aktiviertem ARQ enthält, weil
der Empfänger
den Inhalt des verlorenen Blocks nicht kennen kann.
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Von
dem Moment an, in dem er einen fehlerhaften Block empfängt, leitet
der Empfänger
zum Netz bzw. zu den nachgeschalteten Datenverarbeitungseinrichtungen
nur die Pakete weiter, die zu den Verbindungen mit deaktiviertem
ARQ gehören,
und beginnt gleichzeitig, alle Pakete aus Verbindungen mit aktiviertem
ARQ zu speichern und bei sich zu behalten.
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Der
Sender, der eine Anforderung zur wiederholten Übertragung eines kodierten
Blocks erhält, extrahiert
den zuvor übertragenen
kodierten Block aus dem Speicher und entscheidet auf Grundlage der vorliegenden
Erfindung was erneut zu übertragen
ist, je nach den im o. g. verlorenen kodierten Block enthaltenen
Paketen. Wenn der o. g. Block Pakete aus Verbindungen mit ,aktiviertem' ARQ enthielt, überträgt der Sender
bei der vorliegenden Erfindung den Block erneut so, wie er ist.
Im gegenteiligen Fall, wenn der Block Pakete aus Verbindungen mit
,deaktiviertem' ARQ
enthält,
kann der Sender neue Pakete übertragen,
die jedoch immer zu Verbindungen mit ,deaktiviertem' ARQ gehören (derselben
oder anderen Verbindungen). Der Begriff „neue Pakete" soll den Unterschied
zu den erneut übertragenen
Paketen verdeutlichen. Bei der vorliegenden Erfindung analysiert
der Empfänger,
wenn er den erneut übertragenen
Block korrekt empfängt,
zu welchen Verbindungstypologien die in dem o. g. erneut übertragenen Block
enthaltenen Pakete gehören.
Wenn die Pakete zu Verbindungen gehören, bei denen ,aktiviertes' ARQ konfiguriert
ist, dann setzt der Empfänger
die Pakete an die korrekte Position des Wiederherstellungsspeichers
und startet die Übertragung
der Pakete, die zu Verbindungen mit aktiviertem ARQ gehören und
zuvor gespeichert wurden, erneut. Wenn die Pakete für Verbindungen
mit ,deaktiviertem' ARQ
relevant sind, dann erkennt der Empfänger sie als neu und überträgt sie sofort
an die nächsten
Verarbeitungsstufen, wobei gleichzeitig die Übertragung der Pakete wieder
gestartet wird, die zu Verbindungen mit ,aktiviertem' ARQ gehören und
zuvor gespeichert wurden.
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Wenn
der zu wiederholende Block sowohl Pakete aus Verbindungen mit ,aktiviertem' ARQ als auch Pakete
aus Verbindungen mit ,deaktiviertem' ARQ enthält, dann wiederholt der Sender
die Pakete aus Verbindungen mit ,aktiviertem' ARQ, wobei die richtige Reihenfolge,
jedoch nicht unbedingt die Position innerhalb des kodierten Blocks
beibehalten wird, und ersetzt gleichzeitig die Pakete aus Verbindungen mit
,deaktiviertem' ARQ
durch neue Pakete derselben oder anderer Verbindungen mit ,deaktiviertem' ARQ.
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Die
Erfindung, zusammen mit weiteren Merkmalen der Erfindung, die als
neuartig zu bezeichnen sind, wird anhand der beigefügten Patentansprüche verständlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung, zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen, die als
neuartig zu bezeichnen sind, wird anhand der nachstehenden Beschreibung zusammen
mit den beifügten
Abbildungen verständlich.
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1 zeigt
den zu wiederholenden FEC-Block;
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2 zeigt
die Konfiguration eines möglichen
wiederholten FEC-Blocks;
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3 zeigt
eine weitere Konfiguration eines möglichen wiederholten FEC-Blocks.
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BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
enthält
ein Paket im Datenfluss eine Kennung der Verbindung, zu der es gehört. Beim
Empfang des besagten Pakets identifiziert der Empfänger durch
die Analyse der besagten Verbindungskennung die Verbindungsparameter,
unter ihnen den Status (aktiviert oder deaktiviert) der ARQ-Funktion.
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Wenn
ein Terminal einen kodierten Block, zum Beispiel den in 1 gezeigten,
wiederholen muss, dann muss es entscheiden, was in den oben genannten
Block aufgenommen wird. Der Sender nimmt in den zu wiederholenden
Block noch einmal mögliche
Pakete auf, die zu Verbindungen mit ,aktiviertem' ARQ gehören.
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Im
Gegensatz dazu wird der Sender die Pakete aus Verbindungen mit ,deaktiviertem' ARQ nicht wiederholen.
Die wiederholte Übertragung
der oben genannten Pakete ist absolut sinnlos: Daher wird der Sender
die erwähnten
Pakete aus Verbindungen mit ,deaktiviertem' ARQ durch neue Pakete ersetzen.
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Daher
sendet der Sender einen neuen Block, der die Pakete, die zu Verbindungen
mit ,deaktiviertem' ARQ
gehörten,
durch neue Pakete ersetzt, vorausgesetzt, dass diese ebenfalls aus
Verbindungen stammen, bei denen ,deaktiviertes' ARQ konfiguriert ist (2).
Die Übertragung
von neuen Paketen aus Verbindungen mit ,aktiviertem' ARQ innerhalb eines wiederholten
Blocks hätte
möglicherweise
zur Folge, dass die Daten der o. g. Verbindung nicht in der richtigen
Reihenfolge empfangen würden.
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Die
Reihenfolge der Pakete innerhalb des wiederholten Blocks muss nicht
eingehalten werden; es ist im Gegenteil manchmal praktisch, die
Pakete – einschließlich aller
Pakete aus Verbindungen mit ,aktiviertem' ARQ – neu zu sortieren und sie
dann am Beginn des Blocks erneut zu übertragen und dabei die Übertragung
neuer Pakete, die zu Verbindungen mit ,deaktiviertem' ARQ gehören, in
dem verbleibenden freien Platz des Blocks in die Warteschlange einzustellen.
In der Praxis können
die neuen Pakete, die Paketen aus Verbindungen mit deaktiviertem
ARQ entsprechen, und die tatsächlich
wiederholten Pakete, die Paketen aus Verbindungen mit aktiviertem ARQ
entsprechen, innerhalb des zu wiederholenden FEC-Blocks in jeder beliebigen Reihenfolge
angeordnet werden (3), vorausgesetzt, dass die
Reihenfolge der erneut übertragenen Pakete,
in der die besagten Pakete beim ersten Mal übertragen wurden, eingehalten
wird.
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Auf
das Verhalten der Sende- und Empfangsstationen sollte hier näher eingegangen
werden. Die Sendestation behält
alle Pakete, die zu Verbindungen mit ,aktiviertem' ARQ gehören, und
ihre jeweilige Übertragungsposition
(in welchem kodierten Block sie übertragen
wurden) so lange im Speicher, wie mit dem Erhalt einer negativen
Empfangsbestätigung
zu rechnen ist. Bei Empfang einer expliziten Bestätigung des
korrekten Empfangs bzw. nach Überschreitung
der maximalen Zeit, die bis zum Empfang einer negativen Nachricht
vergehen darf, kann die Sendestation die Pakete verwerfen. Wenn eine
Nachricht über
den fehlerhaften Empfang eines Blocks und eine entsprechende Aufforderung,
die darin enthaltenen Pakete mit aktiviertem ARQ erneut zu übertragen,
empfangen wird, dann setzt die Empfangsstation einen neuen kodierten
Block zusammen, der mindestens die Pakete mit aktiviertem ARQ in
dem verlorenen Block in der Reihenfolge, in der sie beim ersten
Mal übertragen
wurden, enthält,
wobei möglicherweise
die Pakete, die zu Verbindungen mit deaktiviertem ARQ gehören, durch
andere neue Pakete, die zu derselben oder anderen Verbindungen mit
deaktiviertem ARQ gehören,
ersetzt werden.
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Die
Empfangsstation führt
zusätzlich
zu der Benachrichtigung über
den fehlerhaften Empfang der Blöcke
und die möglicherweise
korrekt empfangenen Blöcke
die folgenden Operationen durch: Bei Erhalt eines fehlerhaften Blocks
werden alle nachfolgenden Pakete aller Verbindungen mit aktiviertem
ARQ bis zum korrekten Empfang der Übertragungswiederholung des
falschen Blocks zurückgehalten,
sodass die korrekte Reihenfolge der Pakete, die zu Verbindungen
mit aktiviertem ARQ gehören
und sich möglicherweise
in dem fehlerhaften Block befinden, wiederhergestellt werden kann.
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Die
Empfangsstation muss den Übertragungswiederholungsstatus
aller Blöcke,
deren fehlerhaften Empfang sie signalisiert, behalten und kann erst
am Ende des Prozesses wieder mit dem Senden der Pakete aus Verbindungen
mit aktiviertem ARQ beginnen. Bei diesem Ansatz funktioniert das
Verfahren auch mit zeitüberlagerten
wiederholten Übertragungen
von verschiedenen Blöcken
und mehrfach wiederholten Übertragungen
desselben Blocks. Um jedoch einen zu großen Speicherbedarf an der Empfangsstation
zu vermeiden, ist es sinnvoll, eine Beschränkung der maximalen Anzahl
von wiederholten Übertragungen
desselben Blocks festzulegen.
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Daher
werden die Verbindungen mit ,deaktiviertem' ARQ niemals angehalten bzw. gespeichert; sie
sind vom Vorhandensein des ARQ-Mechanismus auf
den anderen Verbindungen in keiner Weise betroffen.
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Die
vielen Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand
der vorstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ersichtlich.
Es versteht sich von selbst, dass die vorliegende Erfindung nicht
hierauf beschränkt
ist, sondern dass von Fachleuten auf diesem Gebiet der Technik Ausführungsformen
und/oder Ergänzungen realisiert
werden können,
ohne den Schutzbereich der folgenden Patentansprüche zu verlassen.