DE69535402T2

DE69535402T2 - Einrichtung und Verfahren zur Segmentierung und zeitlichen Synchronisierung der Übertragung von Multimediadaten

Info

Publication number: DE69535402T2
Application number: DE69535402T
Authority: DE
Inventors: Mark W. Rochester Branstad; Gary S. Rochester Delp; Jeffrey J. Apex Lynch; Jonathan W. Rochester Byrn; Philip L. Rochester Leichty; Kevin G. Byron Plotz; Lee A. Rochester Sendelbach; Albert A. Oronoco Slane
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-12-20
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2015-12-21
Also published as: EP0725506A2; DE69535402D1; JPH08321836A; US5533021A; JPH11261600A; US5537408A; JP2898914B2; EP0725506B1; EP0725506A3; JP3130294B2; EP1701548A2

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufteilung und Zeitsteuerung der Übertragung eines Stroms von digitalen Multimedia-Daten über ein Datenübertragungs-Verteilnetzwerk.
Beschreibung des Stands der Technik
Bei Übertragungen von Multimedia-Daten wird die Verarbeitung von Rechnerdaten mit der Audio-/Video- und Anzeigetechnologie in einer interaktiven Umgebung kombiniert. Neu entwickelte Multimedia-Anwendungen wie zum Beispiel Konferenzgespräche mittels PC und Video auf Abruf bringen die Notwendigkeit für einen Netzwerkzugriff auf freigegebene oder gemeinsam genutzte Echtzeitdaten mit sich. Der "Echtzeit"-Aspekt der Daten kann als das Merkmal von Daten definiert werden, die pünktlich geliefert werden müssen, das heißt, sowohl eine zu späte als auch eine zu frühe Lieferung der Daten ist nutzlos.
Die Norm MPEG-2 der Motion Pictures Experts Group für die Übertragung eines Multimediastroms ist in "MPEG-2" International Organization for Standardization; Organization Internationale de Normalisation (ISO/IEC ITC1/SC29/WG11) Coding of Moving Pictures and Associated Audio beschrieben. Die Norm MPEG-2 hat eine Systemschicht festgelegt, die mehrere Medienquellen zu einem einzigen Datenstrom mit integrierten Zeitstempeln (PCRs) zusammenfasst. Die Norm MPEG-2 hat ein Codierschema mit festen und veränderlichen Geschwindigkeiten für Videoströme festgelegt, das eine veränderliche Größe und Qualität der Videoströme zulässt. Die Norm MPEG-2 hat einen Transportmechanismus für andere Video-Codierschemata wie zum Beispiel MPEG-1 festgelegt. Der MPEG-2-Multimediastrom wird über ein digitales Netzwerk übertragen, das nach den ITU-Standards arbeitet, die allgemein als asynchroner Übertragungsmodus (Asynchronous Transfer Mode (ATM)) bezeichnet werden. Das Asynchronous-Transfer-Mode(ATM-)Netzwerk, das in "Asynchronous Transfer Mode: Solution for Broadband ISDN", M. de Prycker, Ellis Horwood, 1991, beschrieben ist, ist ein international vereinbartes Verfahren zur Übertragung, Mehrfachausnutzung von Kommunikationsverbindungen (Multiplexen) und zur Vermittlung in einem Breitbandnetzwerk. Es verwendet Zellen fester Größe als Übertragungseinheit.
ATM-Netzwerke sind so ausgelegt, dass sie die Einbindung von qualitativ hochwertigem Sprach-, Video- und sehr schnellem Datenverkehr unterstützen. Für den Endbenutzer verspricht ATM die Möglichkeit, verbindungsorientierten und verbindungslosen Verkehr mit einer gleichbleibenden oder einer veränderlichen Bitrate zu übertragen. Es ermöglicht die Zuweisung von Bandbreite auf Anforderung und sieht die Bereitstellung einer ausgehandelten Dienstequalität (Quality-of-Service (QOS)) vor. Für einen Netzbetreiber ermöglicht es die Übertragung von verschiedenen Verkehrsarten über dasselbe Netzwerk. Damit ein Netzwerk die vom Benutzer für eine Sitzung festgelegten Anforderungen an die Dienstequalität erfüllen kann, muss das Netzwerk über ausreichend Informationen über die Verkehrsmerkmale der Sitzung verfügen. Diese lassen sich über drei grundlegende Parameter (jedoch nicht auf diese beschränkt) näherungsweise ermitteln: 1) die durchschnittliche Übertragungsgeschwindigkeit, 2) die Spitzenübertragungsgeschwindigkeit und 3) das Intervall, in dem die Daten mit der Spitzenübertragungsgeschwindigkeit übertragen werden können. Als Teil des QOS-Vertrags mit den Netzwerk müssen sich alle Sitzungen an die Verkehrsparameter halten, und sie dürfen diese Parameter nicht verletzen, damit das Netzwerk allen Benutzern die Dienstequalität gewährleisten kann. Wenn viele Sitzungen über eine Netzwerkverbindung aufgebaut werden, entsteht dadurch ein Problem in Form von einer komplexen Abfolgesteuerung (scheduling), die voraussetzt, dass der Vertrag einer jeden Sitzung mit dem Netzwerk nicht verletzt wird. Gleichzeitig müssen alle Sitzungen die gewünschte Kapazität von dem Netzwerk erhalten. Dieses Problem ist ziemlich komplex, insbesondere, wenn viele Sitzungen mit vielen verschiedenen Parametern zur Verkehrsbeschreibung (traffic descriptors) beteiligt sind. Das Problem wird dadurch noch weiter verschärft, dass verschiedene Sitzungen unterschiedliche Dienstequalitäten benötigen. Im Falle einer Konkurrenzsituation, in der viele verschiedene Sitzungen Daten übertragen müssen und ihre einzelnen Verträge mit dem Netzwerk die Aufnahme des Sendebetriebs gestatten, muss folglich Sitzungen, die eine striktere Gewährleistung der Dienstequalität erforderlich machen, Priorität über anderen Sitzungen eingeräumt werden.
Zu wichtigen Aspekten der Lieferung von Daten gehören die Zeitsynchronisierung, die Bandbreite oder der Durchsatz und die Latenzzeit. Der MPEG-2-Transportstrom besteht aus einer Folge von 188-Byte-Paketen, die dem Empfänger zur Decodierung zugestellt werden müssen. Mindestens ein 188-Byte-Paket alle 100 Millisekunden enthält den Zeitstempel (PCR). Die Zeitstempel müssen mit geringstmöglichem Jitter, der vom Server als Sender eingeführt wird, am Empfänger ankommen. Ein verbesserter Wirkungsgrad bei der Übertragung wird erreicht, wenn mindestens zwei 188-Byte-Pakete des Transportstroms (Transport Stream (TS)) je Datenrahmen über das ATM-Netzwerk gesendet werden. Die MPEG-2-Schicht stellt der Transportschicht Daten bereit. Bei ATM AAL-5 (ATM-Adaptation Layer (ATM-Anpassungsschicht)) für eine einfache und leistungsfähige Weiterleitung des Rahmenverkehrs) überträgt jede ATM-Zelle 48 Byte. In jedem Rahmen müssen 8 Byte an Rahmendaten in der letzten Zelle des AAL-5-Rahmens übertragen werden. Bei einem 188-Byte-Paket pro Rahmen des Transportstroms enthält der Rahmen 196 Byte und erfordert 5 ATM-Zellen mit 44 Byte zum Auffüllen, was einen Übertragungswirkungsgrad von ungefähr 70,9 % ermöglicht. Bei zwei 188-Byte-Paketen pro Rahmen des Transportstroms enthält der Rahmen 384 Byte und erfordert 8 ATM-Zellen, was einen Übertragungswirkungsgrad von ungefähr 88,6 % ermöglicht. Bei drei bis dreizehn 188-Byte-Paketen pro Rahmen des Transportstroms enthält der Rahmen 572 bis 2452 Byte und erfordert 12 bis 52 ATM-Zellen, was einen Übertragungswirkungsgrad von ungefähr 88,6 % ermöglicht. Vierzehn bis siebzehn 188-Byte-Pakete pro Rahmen des Transportstroms ermöglichen einen Übertragungswirkungsgrad von über 90 %.
Die Zeitstempel müssen am Empfänger mit einem geringstmöglichen Jitter ankommen, der vom Netzwerkserver als Sender eingeführt wird. Um den Jitter der Taktrückgewinnung am Empfänger zu verringern, wurde das Erfordernis festgelegt, dass jedes 188-Byte-Paket nach MPEG-2, das einen Zeitstempel (PCR) enthält, das letzte Paket des AAL-5-Rahmens bilden muss. Da PCRs bei Bündelung von mehr als einem MPEG-2-Paket, was normalerweise geschieht, in jedem Rahmen auftreten können, kann die Bündelung veränderlich sein. Wenn die Bündelung veränderlich ist, verändert sich auch die Übertragungsgeschwindigkeit eines Multimedia-Datenstroms mit einer an sich festen Übertragungsgeschwindigkeit. Das bedeutet, dass die Aufgabe der Übertragung von MPEG-2-Rahmen in einem isochronen Modus zu einer Herausforderung wird. Neben dem Problem des Senders, die Übertragung mit einem geringstmöglichen Jitter in den PCRs durchzuführen, damit sich der Empfangstakt einfach und zuverlässig zurückgewinnen lässt, besteht die Notwendigkeit, den zur Bereitstellung des Datenstroms erforderlichen Rechenaufwand zu verringern.
Der Verarbeitungsaufwand für den Datenverkehr wirkt sich sowohl auf den Sender als auch auf den Empfänger aus. Der Verarbeitungsaufwand kann in vereinfachter Form mit A * Anzahl der Rahmen + B * Anzahl der Bytes angegeben werden. In vielen Fällen ist der Faktor A 500 bis 10.000 Mal größer als der Faktor B. Das heißt, dass die Rahmen in Umgebungen mit begrenzter Verarbeitungsleistung so groß wie möglich sein sollten.
In dem Artikel vom ATM Forum Technical Committee, Service Aspects and Applications Sub Group mit dem Titel "Encasulating MPEG-2 TS Packets into AAL5 PDUs" wird die Frage erörtert, wie die Umsetzungsvereinbarung (implementation agreement (IA)) des ATM Forum Phase 1 mit den Set-Top-PC- und auch den Tischrechner-Umgebungen umgehen soll.
Der Artikel gibt einen kurzen Überblick über die beiden MPEG-2-TS-Kapselungsschemata, erörtert einige Leistungsaspekte der Empfangsstation und schlägt ein verbessertes PCR-sensitives Schema vor, das mehr als 2 TS-Pakete je AAL5-PDU zulässt.
Eine Verallgemeinerung des PCR-sensitiven "Packungs"-Vorschlags von DiviCom u.a. würde die Größenbeschränkung der PDU lockern und den Packungsjitter (packaging jitter), den die Nachrichtenmodus-Verarbeitung der AAL5 einführt, dennoch so niedrig wie möglich halten.
Statt die Größe der PDU auf höchstens 2 TS-Pakete zu beschränken, seien bis zu "N" TS-Pakete/AAL5-PDUs gestattet, doch ist das TS-Paket, das den PCR enthält, immer als das letzte Paket in der PDU zu senden. Zwischen einem und N TS-Paketen/PDUs würden immer übertragen werden. Die Höchstzahl an TS-Paketen, die je PDU zulässig ist, kann mit Hilfe der Q.2931-Signalisierung ausgehandelt werden. Die maximale Größe einer PDU der AAL5, die bei der derzeitigen Q.2931-Signalisierung unterstützt wird, kann zur Auswahl von "N" verwendet werden. Dies würde dynamische Anpassungen an die Einschränkungen von Set-Top-PCs, Tischrechnern oder Netzwerken zum Verbindungszeitpunkt ermöglichen.
Wenn N mit "2" ausgehandelt wird (PDU-Göße = 376), reduziert sich dieses Schema auf den Vorschlag von DiviCom u.a.
Zusammenfassung der Erfindung
Wichtige Aufgaben der vorliegenden Erfindung bestehen in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Aufteilung und Zeitsynchronisierung der Übertragung eines digitalen Multimedia-Datenstroms über ein Datenübertragungs-Verteilnetzwerk.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Übertragung eines digitalen Multimedia-Datenstroms über ein Datenübertragungs-Verteilnetzwerk nach dem beigefügten unabhängigen Anspruch 1 bereitgestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung lässt sich am besten anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verstehen, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind, bei denen:
1 eine Darstellung in Form eines Blockschaltbilds ist, die ein digitales Video-auf-Abruf-System von dem Typ darstellt, der bei der Vorrichtung und dem Verfahren zur Aufteilung und Zeitsteuerung der Übertragung eines digitalen Multimedia-Datenstroms gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
2 eine Darstellung in Form eines Blockschaltbilds ist, die mehrere Multimedia-Quellen, eine Multimedia-Systemschicht und eine Multimedia-Transportschicht zeigt, die entsprechend der MPEG-2-Norm angeordnet sind;
3 eine Darstellung in Form eines Schaubilds ist, die die Erzeugung des MPEG-2-Datenstroms veranschaulicht;
4 eine Darstellung in Form eines Blockschaltbilds ist, die ein MPEG-2-System veranschaulicht, das eine Vorrichtung enthält, die zur Durchführung des Verfahrens zur Aufteilung und Zeitsteuerung der Übertragung eines digitalen Multimedia-Datenstroms verwendet wird;
5 ein Schaubild ist, das eine Folge eines Paketstroms des Transportsystems (TS) zeigt, der in AAL-5-Protokolldateneinheiten (Protocol Data Units (PDUs)) mit 5 beziehungsweise 8 Zellen abgebildet wird;
6 ein Schaubild ist, das eine Folge eines Paketstroms, des Transportsystems (TS) zeigt, die in AAL-5-Protokolldateneinheiten fester Größe abgebildet werden;
7 ein Diagramm ist, das die Übertragungszeitsteuerung des MPEG-2-Datenstroms gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 eine Darstellung eines Multimedia-Servers des Systems der 1 und 4 in Form eines Blockschaltbilds ist;
9 ein Flussdiagramm ist, das einen Datenbereitstellungsprozess zeigt, der von einem Datenbereitstellungsprozessor von 8 durchgeführt wird;
die 10, 11 und 12 Flussdiagramme sind, die Prozesse der Abfolgesteuerungseinheit (scheduler) zeigen, die von einer Übertragungssitzungs-Abfolgesteuerungseinheit von 8 durchgeführt werden;
13 ein Flussdiagramm ist, das die Aufteilung von Zellen zeigt, die von einem Zellensegmentierer von 8 durchgeführt wird;
14 eine Darstellung eines Multimedia-Empfängers des Systems der 1 und 4 in Form eines Schaubilds ist, das die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 ein Flussdiagramm ist, das einen Stapelverarbeitungsprozess bei der Ankunft einer Protokolldateneinheit zeigt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Übertragung eines Stroms von digitalen Multimedia-Daten über ein Datenübertragungs-Verteilnetzwerk werden bereitgestellt. Der Multimediastrom-Server teilt den digitalen Multimedia-Datenstrom an einer ersten Grenze und an einer zweiten Grenze in Datenblöcke auf. Die erste Grenze ist eine festgelegte Zahl von Transportsystem-Datenpaketen, und die zweite Grenze ist ein Transportsystem-Datenpaket, das einen Zeitstempel enthält. Eine Abfolgesteuerungseinheit terminiert die aufgeteilten Datenblöcke zur Übertragung. Der Multimediastrom-Server decodiert die aufgeteilten Datenblöcke, um die Zeitstempel aufzufinden, und ordnet die Übertragung des aufgefundenen Zeitstempel-Datenblocks einem von dem Zeitstempel angegebenen Zeitwert zu. Die Anzahl der Transportsystem-Datenpakete kann zum Zeitpunkt des Verbindungsaufbaus festgelegt werden und ist kein Wert, der vorher für alle Sitzungen festgelegt wird. Am Empfänger kann eine Stapelverarbeitung der empfangenen Multimedia-Daten vorgesehen werden.
Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, ist in 1 eine Darstellung eines Video-auf-Abruf-Multimedia-Verteilsystems in Form eines Blockschaltbilds gezeigt, das allgemein mit der Bezugszahl 10 gekennzeichnet ist und zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Das Multimedia-Verteilsystem 10 enthält ein digitales/analoges Datenübertragungs- und Verteilnetzwerk 12, das alle anderen Elemente des Systems untereinander verbinden kann. Das Netzwerk 12 kann über digitale und analoge Komponenten verfügen und verschiedene Nachrichtenflüsse mit demselben oder mit verschiedenen Transportmechanismen weiterleiten. Das Multimedia-Verteilsystem 10 enthält eine Client-Funktion oder eine Kundenschnittstelle, die von einer ersten Ausgabeeinheit 14 oder von mehreren ersten Ausgabeeinheiten 14 dargestellt wird, eine zugehörige Set-Top-Box 16; eine zweite Ausgabeeinheit 18 oder mehrere zweite Ausgabeeinheiten 18, einen zugehörigen Codierer/Empfänger 20 und eine dritte Ausgabeeinheit oder mehrere dritte Ausgabeeinheiten und eine zugehörige Rechnerstation 24.
Inhalte werden an der Client-Funktion ausgewählt, und die Anzeige/Darstellung des Multimediastroms findet am Client statt. Wenn die Ausgabeeinheit 14 in Form von einem Fernsehgerät ausgeführt ist, hat die Set-Top-Box 16 beziehungsweise das auf das Fernsehgerät 14 gestellte Gerät die Funktion eines Wandlers vom Netzwerk zum Fernsehgerät, und die aktive Wandlung findet in der Set-Top-Box statt. Der Empfänger der digitalen Daten kann sich an der Set-Top-Box 16 befinden oder in das Datenübertragungsnetzwerk integriert sein, wie mit dem Codierer/Empfänger 20 veranschaulicht ist, der mit der Ausgabeeinheit 18 oder den Ausgabeeinheiten 18 verwendet wird. Bei anderen Multimedia-Anwendungen werden die digitalen Daten von der Rechnerstation 24 empfangen und mit der Ausgabeeinheit 22 oder den Ausgabeeinheiten 22 dargestellt. Ein Multimediastrom-Server 26 entnimmt Medienströme aus einer Speichereinheit 28, einem Mediencodierer 30 oder einer netzwerkexternen Quelle oder Verbindung 32 und speist diese Ströme mit dem geeigneten Format und der geeigneten Zeitsteuerung gemäß den Merkmalen der Erfindung in das verteilnetzwerk 12 ein. Merkmale der Erfindung zur Bereitstellung eines Stroms digitaler Daten und dessen Einspeisung in ein Verteilnetzwerk 10 mit dem geeigneten Format und der geeigneten Zeitsteuerung können von der Multimedia-Serverfunktion 26 realisiert werden.
Eine Abrechnungs- und/oder Sitzungssteuerungsfunktion 34 ist für den Nachrichtenaustausch mit den Client-Systemen, die Verbindung der Clients mit Servern sowie sonstige notwendige Abrechnungs- und Abfolgesteuerungsaufgaben verantwortlich. Die Steuerfunktion 34 führt den Multimediastrom-Servern 26 über Leitungen mit der Bezeichnung CONTROL (STEUERUNG) Steuersignale zu. Die Steuerfunktion 34 kann als verteilte oder als zentrale Funktion ausgeführt werden.
Bezug nehmend auf die 2 und 3 sind eine Übertragungsschicht eines MPEG-2-Multimediasystems zusammen mit einer Videoquelle 44, einem MPEG-2-Video-Codierer/Decodierer (CODEC) 46, einer Audioquelle 48, einem MPEG-2-Audio-CODEC 50 und einer privaten Datenquelle 52 sowie die Speicherung und die Übertragung 54 von Multimedia-Daten und die Erzeugung eines MPEG-2-Datenstroms gezeigt, wobei die Anordnung der MPEG-2-Norm entspricht. Die Video-E/A-Quelle 44 wird an den MPEG-2-Video-Codierer/Decodierer (CODEC) 46 angeschlossen, der einen codierten digitalen Video-Bitstrom bereitstellt, welcher auf einer Leitung 46A angegeben ist. Die MPEG-2-Videonorm legt den codierten Bitstrom für digitales Video hoher Qualität fest, der mit der MPEG-1-Videonorm (ISO IEC IS 11172-2) kompatibel ist. MPEG-2 unterstützt auch Videoformate mit Zeilensprung, verbesserte Bildqualität, mehrere Bildseitenverhältnisse einschließlich 43 und 16 und eine Reihe anderer erweiterter Funktionen, darunter diejenigen Funktionen, die für HDTV erforderlich sind. MPEG-2 Video kann im Sinne von Profilen definiert werden, von denen jedes die von einer anderen Anwendungsklasse benötigten Merkmale unterstützt.
Die Audio-E/A-Quelle 48 wird an den MPEG-2-Audio-CODEC 50 angeschlossen, der einen codierten digitalen Audiobitstrom bereitstellt, der auf einer Leitung 50A angegeben ist. Die Codierung nach der MPEG-2-Audionorm (MPEG-2 Audio Standard) unterstützt bis zu fünf Kanäle voller Bandbreite, 0, links, rechts, Mitte, und zwei Raumkanäle sowie zusätzlich einen Erweiterungskanal und/oder bis zu sieben mehrsprachige Kommentarkanäle. Die MPEG-2-Audionorm ermöglicht auch eine Codierung mit verbesserter Qualität von monophonen und herkömmlichen Stereosignalen für Übertragungsgeschwindigkeiten von 64 Kbit/s (Kbps) oder weniger.
Die Übertragungsschicht 42 des Multimedia-Systems führt die Steuerung des paketierten Stroms, die Synchronisierung und das Mulitplexen des angelegten Audio- und Videostroms sowie des Stroms der privaten Daten aus. Die MPEG-2-Systemnorm (MPEG-2 Systems Standard) legt die Art und Weise fest, in der mehrere Audio- und Videoströme sowie Datenströme mit privaten Daten zu einem einzigen gemultiplexten Datenstrom zusammengefasst werden. Die Übertragungsschicht 42 des Multimedia-Systems ist so ausgelegt, dass sie ein breites Spektrum an interaktiven Rundsendeübertragungen, Datenverarbeitungs- und Speicheranwendungen unterstützt. Die MPEG-2-Systemnorm legt zwei Arten von Strömen, einen Programmstrom (Program Stream) und einen Transportstrom (Transport Stream), fest.
Üblicherweise verarbeitet die Übertragungsschicht des Multimedia-Systems die komprimierten Video-Codec-, Audio-Codec- und die Datenströme mit den privaten Daten 46A, 50A, 52A in zwei Schritten. Zuerst werden die (elementaren) Codec-Datenströme mit Informationen auf Systemebene, zu denen Zeitstempel (PCRs), die Programmkennung, Folgenummern und ein Fehlerkorrekturmechanismus gehören, verknüpft und packetiert, um paketierte elementare Ströme (packetized elementary streams (PESs)) zu erzeugen. Als Zweites werden die PESs entweder zu einem Programmstrom oder zu einem Transportstrom verknüpft. Der MPEG-2-Programmstrom unterstützt die Erzeugung eines einzelnen audiovisuellen Programms, das mehrere Sendungen und eine mehrkanalige Audioausgabe haben könnte. Er verwendet Pakete veränderlicher Länge und ist zur Übertragung in verhältnismäßig fehlerfreien Umgebungen vorgesehen.
Der MPEG-2-Transportstrom multiplext mehrere Programme, die Video-, Audio- und private Daten umfassen, zur Übertragung und Speicherung, wobei er viele verschiedene Medien verwendet. Er führt die Steuerung und Synchronisierung des paketierten Stroms durch. Er ist für die Übertragung in einer sehr aktiven oder verrauschten Umgebung vorgesehen und verwendet ein 188-Byte-Paket fester Größe mit Codierschemata für Videoströme, wobei die Schemata feste und veränderliche Bitraten haben. Das MPEG-2-Codierschema lässt Videoströme veränderlicher Größe und Qualität zu und stellt einen Transportmechanismus für andere Video-Codierschemata, beispielsweise MPEG-1, bereit. Der MPEG-2-Transportstrom verwendet eine eingebettete Programmtaktreferenz (PCR), die die Synchronisierung von mehreren Strömen und auch den Gleichlauf von Sender (Server 26) und Empfänger (Codierer/Empfänger 20) ermöglicht.
Wie in 3 gezeigt ist, fasst die Übertragungsschicht 42 des MPEG-2-Systems die diversen Medienquellen zu einem einzigen Datenstrom 42A mit integrierten Zeitstempeln (PCRs) zusammen. Der MPG-2-Transportsystem-(TS-)Strom besteht aus 188-Byte-Paketen. Mindestens ein 188-Byte-Paket des Transportsystems alle 100 Millisekunden enthält einen Zeitstempel (PCR). Dieser Zeitstempel dient zur Steuerung der Synchronisierung der Wiedergabe der verschiedenen Ströme an den Ausgabeeinheiten 14, 18 und 22.
Die TS-Pakete 42A werden in Rahmen oder Protokolldateneinheiten (PDUs) gekapselt, die einen ausgewählten Ausführungstyp der Anpassungsschicht enthalten. Ein AAL-5-Kapselungsrahmen 56 verknüpft eine ausgehandelte Anzahl N von TS-Paketen 42A, die auf der Grundlage der Position der PCRs in den TS-Paketen gekapselt werden. Die ausgewählte Anzahl 1-N von MPEG-2-TS-Paketen 42A je AAL-5-Rahmen 56 wird mit einer Überschreibungssteuerung gebündelt, die der AAL-5-Rahmen beendet, wenn ein TS-Paket 42, das einen PCR enthält, erreicht wird. Erfindungsgemäß wird die Höchstzahl N an MPEG-2-TS-Paketen 42A je Rahmen 56 zum Zeitpunkt des Verbindungsaufbaus ausgehandelt und ist kein Wert, der für alle Sitzungen vorab festgelegt wird.
In 3 zeigt eine ATM-Zellenaufteilungsschicht 58 in eine Warteschlange gestellte ATM-Zellen 58A mit einer Länge von jeweils 48 Byte, die über das Datenübertragungsnetzwerk 12 übertragen werden. Zu übertragende Daten können in Datenblöcke eingereiht werden, die viel größer als die AAL-5-Rahmen 56 sind. Die PDUs 58A enthalten angemessen dimensionierte AAL-5-Rahmen.
Zu den drei Schemata, die zur Kapselung von MPEG-2-Paketen des Transportstroms (TS-Paketen) in AAL-5-Protokolldateneinheiten (PDUs) verwendet werden können, gehören ein PCR-sensitives 5-/8-Zellen-Schema; ein Schema mit einer festen Anzahl N (wobei N die Anzahl der TS-Pakete 42A ist, die in jeder ATM-AAL-5-PDU gekapselt werden muss) und das bevorzugte erfindungsgemäße PCR-sensitive Verfahren mit einer ausgehandelten Anzahl N.
Bei dem ersten Schema, dem PCR-sensitiven 5-/8-Zellen-Schema, werden normalerweise zwei MPEG-2-TS-Pakete unter Verwendung der AAL-5 in genau 8 ATM-Zellen gekapselt. Ein Einfügen von Stopfbits ist nicht notwendig. Wenn jedoch das erste TS-Paket 42A, das in die AAL eintritt, einen PCR mit sich führt, wird es unverzüglich in fünf ATM-Zellen gekapselt und weitergeleitet. Vierundvierzig Stopfbytes sind erforderlich.
Bei dem zweiten Schema mit einer festen Anzahl N wird eine feste Anzahl von MPEG-2-Paketen des Transportstroms in eine einzelne AAL-5-PDU gekapselt, wobei derzeit davon ausgegangen wird, dass 2 MPEG-2-TS-Pakete je AAL-5-PDU einen unteren Grenzwert für diese feste Anzahl darstellen würden. Bei Verwendung einer größeren Anzahl von TS-Paketen je PDU kann die Übertragungseffizienz gesteigert werden.
Der Packungsjitter beim AAL-5-Nachrichtenmodus, der von den beiden Schemata für eine Höchstzahl von 2 MPEG-2-TS-Paketen je AAL-5-PDU eingeführt wird, ist in den 5 und 6 zusammengefasst. 5 zeigt eine Folge des Paketstroms eines Transportsystems (TS), der in AAL-5-PDUs mit 5 beziehungsweise 8 Zellen abgebildet wird. 6 zeigt eine Folge des Paketstroms eines Transportsystems (TS), die in AAL-5-Protokolldateneinheiten (PDUs) fester Größe abgebildet werden.
Jedes nummerierte Quadrat stellt ein 188-Byte-TS-Paket dar. Die schraffierten Pakete stehen für ein TS-Paket, das einen PCR mit sich führt. Die absolute Zeit verändert sich mit der Datenübertragungsgeschwindigkeit. Bei 1,5 Mbit/s beträgt eine Paketzeit ungefähr 1 Millisekunde. Bei 6 Mbit/s beträgt der Packungsjitter, der eingeführt wird, 250 Mikrosekunden.
Mit steigender Anzahl der TS-Pakete 42A je PDU nimmt der mögliche PCR-Jitter, der in die Übertragung eines Datenstroms eingeführt wird, linear mit N zu. Je größer der Jitter ist, desto schwieriger wird die Rückgewinnung eines genauen Taktes auf der Empfangsseite. Das Ziel bei der Taktrückgewinnung besteht darin, eine Abweichung zwischen dem Sendetakt und dem Empfangstakt zu erkennen. Bei einem hohen Jitter wird die Abweichung verdeckt.
Leistungsbeschränkungen der Empfangsstation muss ebenfalls Rechnung getragen werden. Die im vorherigen Abschnitt verwendete AAL-5-PDU mit 376 Byte ist ziemlich kurz. Bei kundenspezifisch ausgelegten Ausführungen von Set-Top-Systemen oder anderen kombinierten Datenübertragungs- und Codec-Teilsystemen stellt dies wahrscheinlich kein Problem dar. Bei gewöhnlichen Universal-Tischrechnern, die getrennte Datenübertragungs- und CODEC-Adapter haben, die den Systembus und/oder Software verwenden, um Daten zwischen den beiden Teilsystemen zu bewegen, stellen kleine PDU-Größen jedoch ein beträchtliches Hemmnis dar. Ein Strom mit 2-TS-Paketen je AAL-5-PDU, der mit 6 Mbit/s übertragen wird, würde 1995 (1994,68) Übertragungen pro Sekunde über den Bus erforderlich machen.
Nahezu 2000 Busunterbrechungen pro Sekunde sind bei den meisten Tischrechnern nicht machbar.
Um beiden Umgebungen Rechnung zu tragen, hat das bevorzugte Schema mit einer ausgehandelten Anzahl N die PDU-Größenbeschränkung gelockert, während es den Packungsjitter dennoch so niedrig wie möglich hält, der von der Nachrichtenmodus-Verarbeitung der AAL-5 eingeführt wird. Statt die Größe der PDU auf höchstens 2 TS-Pakete zu beschränken, ermöglicht das Schema mit einer ausgehandelten Anzahl N bis zu N TS-Pakete je PDU der AAL-5, wobei jedoch das TS-Paket, das den PCR enthält, immer als das letzte Paket in der PDU gesendet werden muss. Ein TS-Paket je PDU bis zu N TS-Pakete je PDU würden immer übertragen werden. Die Höchstzahl der je PDU zulässigen TS-Pakete kann mit Hilfe der verfügbaren MPEG-2-Signalisierung ausgehandelt werden. Die verwendete höchstmögliche Größe einer PDU der AAL-5, die der ausgewählten Anzahl N entspricht, ermöglicht dynamische Anpassungen an die Einschränkungen von Set-Top-PCs, Tischrechnern oder Netzwerken zum Verbindungszeitpunkt.
Die folgende Tabelle gibt die Anzahl der Pakete zwischen PCRs an, wenn die PCRs alle 100 Millisekunden oder alle 50 Millisekunden in den Transportstrom eingefügt werden.
Anzahl der Pakete zwischen PCRs
Auf der Grundlage der Tabelle könnte die Anzahl der TS-Pakete, die in eine AAL-5-PDU gepackt werden, ziemlich groß sein, doch in Wirklichkeit wird sie durch die Verlust-(Lücken-)Toleranz des CODEC, die Summe des PCR-Jitter, der durch die Verarbeitungszeit verursacht wird, die der Codec zur Verarbeitung der TS-Pakete in jeder PDU benötigt, welche dem Paket vorausgehen, das die PCR enthält, die robuste Fähigkeit der Empfangsstationen, die Zeitbasis wiederherzustellen, und die Übertragungseffizienz des Busses in Tischrechnern begrenzt. Der entscheidende Punkt ist, dass diese ausführungs- und konfigurationsspezifischen Fähigkeiten bei einer aushandelbaren (nicht durch eine strenge Vorgabe festgelegten) Maximalgröße der PDU in Abhängigkeit von den Zielsetzungen in Bezug auf das Qualitätsniveau und das Preis/Leistungsverhältnis, die man erreichen will, zugunsten oder zu Lasten der einen oder anderen Fähigkeit gegeneinander abgewogen werden können.
4 zeigt ein MPEG-2-System 10, das die Codierquelle 30 enthält, die einen MPEG-2-TS-Strom an die Speichereinheit 28 wie zum Beispiel eine Direktzugriffspeichereinheit (DASD) auf einer Leitung mit der Bezeichnung "Fe" anlegt. Eine SCSI-Schnittstelle 64 verbindet die DASD 28 mit dem ATM-Server 26, der zur Durchführung des Verfahrens zur Aufteilung und Zeitsteuerung der Übertragung eine Stroms von digitalen Multimedia-Daten gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Der ATM-Server 26 wird mit Bezug auf die 8 bis 13 veranschaulicht und beschrieben. Der ATM-Server 26 legt den ATM-Datenstrom 58A an das ATM-Netzwerk 12 auf einer Leitung mit der Bezeichnung "Ca" an. Der Ausgabedatenstrom vom Netzwerk 12 auf einer Leitung mit der Bezeichnung "Ca + (jitter)" wird vom Decodierer-Teilsystem 16, 20 oder 24 empfangen. Der Decodierer 16, 20 oder 24 wird in den ATM-Zellenempfänger 70, eine AAL-5-Wiederzusammensetzungsschicht 72 und eine MPEG-2-Empfangssystemschicht 74 getrennt. Die MPEG-2-Empfangssystemschicht 74 führt den decodierten Datenstrom 60A auf einer Leitung Fp einem TS-Demultiplexer (demux) 76 zu, der einen funktionsspezifischen Pufferspeicher 78 enthält. Ein Decodierer 80 decodiert die Video- und Audiosignale sowie Daten, und ein Pufferspeicher 82 legt sie an den Bildschirm 14, 18 oder 22 an.
Die Begriffe, die in 4 gezeigt sind und in den folgenden beispielhaften Berechnungen verwendet werden, sind wie folgt definiert:
Fe = Codierrate des MPEG-2-Stroms
M = Anzahl der MPEG-2-Pakete des Transportstroms je PDU der AAL-5
C = Anzahl der ATM-Zellen, die zur Aufnahme von M Paketen benötigt werden.
P = Anzahl der Auffüllbytes, die für M Pakete je PDU benötigt werden.
OH = Steuerbytes einschließlich ATM-Kopfbereiche (H in 3) + Auffüllbytes (PAD in 3) + AAL-5-Rahmenendteil (Trailer) (TR in 3)
E = Wirksamkeit der MPEG-2-Datenbereitstellung über ATM auf der Grundlage von M
Tm = Zeitspanne zur Übertragung von M Paketen mit der codierten Bitrate.
K = Zunahme der Übertragungsfrequenz durch die Codierrate, um einen Ausgleich für die Steuerbytes (OH) in der PDU zu schaffen.
Ci = Ideale Zellrate in das ATM-Netzwerk
Fi = Ideale Bitrate in das ATM-Netzwerk
Ca = Tatsächliche Zellrate in das ATM-Netzwerk
Fa = Tatsächliche Bitrate in das ATM-Netzwerk
Indem man Bytes des Kopfbereichs der ATM-Zelle und bestimmte Zusatzinformationen der Anpassungsschicht (Bytes des Kopfbereichs/des Rahmenendteils und/oder Auffüllbytes) hinzufügt, kann man eine ideale Bitrate in ein ATM-Netzwerk ableiten. Man muss dann jedoch in den letzten Schritten, die die ATM-Server-Hardware zulässt, eine zulässige Übertragungsgeschwindigkeit für die Daten auswählen. Bei Berechnungen des ungünstigsten Falls müssen auch die Stabilität der Server-Taktreferenz (in ppm) und ihre zugehörigen Linearitätsmerkmale berücksichtigt werden. Dies kommt zu dem Unterschied zwischen der Codierrate des Stroms und der Senderate in das ATM-Netzwerk im ungünstigsten Fall noch hinzu.
Zur Berechnung der idealen Senderate in das Netzwerk wird von einer Transportstrom-Nutzlast eines einzigen Programms ausgegangen. Die angegebene codierte Bitrate muss auch "Platz" beinhalten, der für Zusatzdienste wie zum Beispiel Nutzerdaten bereitgehalten wird. Die langfristige Auswirkung des Netzwerk-Jitter auf die Verwaltung des Pufferspeichers des Decoders kann als vernachlässigbar betrachtet werden.
Die ideale Übertragungsgeschwindigkeit für einen bestimmten codierten MPEG-2-Strom wird auf der Empfangsseite erreicht, wenn die Nutzlast mit der codierten Bitrate ankommt, nachdem alle Übertragungs-Steuerbytes entfernt worden sind. Bei einer beliebigen Ausführung der Anpassungsschicht kann die Menge der Zusatzinformationen festgelegt und zur Berechnung der idealen Bitrate verwendet werden. Bei AAL-5 hängt sie von zwei Faktoren ab: 1) der Frage, ob MPEG-2-Pakete des Transportstroms auf aufeinander folgende PDUs aufgeteilt werden, und 2) der Größe der PDU.
Nehmen wir einen Sende-Server an, der die AAL-5 ausführt und MPEG-2-Pakete nicht auf PDUs aufteilt. Man kann dann schnell Formeln zur Berechnung der Anzahl der ATM-Zellen und der sich daraus ergebenden Zusatzinformationen erstellen, die für eine bestimmte Anzahl von MPEG-2-Paketen je PDU erzeugt werden (in Form von ATM-Kopfbereichen, Auffüllbytes und des AAL-5-Rahmenendteils).
Die veränderliche Anzahl der Auffüllbytes bildet zusammen mit dem gleichbleibenden 8-Byte-PDU-Rahmenendteil und dem 5-Byte-ATM-Zellenkopfbereich die Steuerbytes je PDU.
Durch Berechnung der Menge der Zusatzinformationen für eine bestimmte Größe einer PDU können wir dann die ideale Bitrate in das Netzwerk berechnen, die die Codierrate für die Nutzlast nach der Empfangssystemschicht 74 des Empfängers bereitstellen würde. Die Werte lassen sich mit den folgenden Gleichungen berechnen:
C = (M × 188) + 8) geteilt durch 48 (Nutzlast-Bytes + AAL-5-Rahmenendteil)/48, gerundet auf die nächsthöchste ganze Zahl.
P = (C × 48) – (M × 188) – 8 = Auffüllbytes
OH = (C × 5) + P + 8 = Gesamtzahl der Steuerbytes je PDU
Um die MPEG-2-Nutzlast mit der codierten Bitrate des Stroms zu liefern, muss man zuerst die für die Nutzlast selbst benötigte Zeitspanne berechnen:
Tm = (M × 188 × 8)/Fe = Zeitraum zur Übertragung der Nutzlast.
Um eine Ende-zu-Ende-Transparenz zu schaffen, müssen die Steuerbytes auch innerhalb desselben Zeitraums übertragen werden. Daher können wir die zusätzliche Bandbreite "k", die zum Senden der Steuerinformationen benötigt wird, wie folgt berechnen:
k = (OH × 8)/Tm = Bitrate der Zusatzinformationen auf der Grundlage der Bitrate, die für den codierten Bitstrom (Fe) erforderlich ist.
Zur Ermittlung der idealen Zellrate in das Netzwerk muss der Term "k" für die zusätzliche Bandbreite zur Codier-Bitrate (Fe) addiert und das Ergebnis dann durch die Anzahl der Bits je ATM-Zelle wie folgt geteilt werden:
Fi = Fe + k = Codier-Bitrate + zusätzliche Bandbreite
= Fe + (Fe × OH/((M × 188)) = ideale Bitrate
Ci = Fi/424 = Ideale Zellrate in das ATM-Netzwerk, um die Codier-Bitrate am Empfänger (RCV) zu erreichen.
Da dies wahrscheinlich zu einer nichtverfügbaren Zellrate führen wird, muss man eine zulässige Zellrate auswählen, die von der ATM-Server-Hardware bereitgestellt wird. Diese Granularität kann durch den Term "Z" dargestellt werden, der für die Anzahl der Zellen in jedem Schritt steht, die in der Hardware ausgewählt werden können, wobei gewöhnlich gilt: 1 ⇐ Z < 2.
Die Auswahl einer Zellrate kann in Abhängigkeit davon, welcher Wert näher liegt, entweder durch Aufrunden auf die nächsthöhere Zellrate oder durch Abrunden auf die nächstniedrige Zellrate erfolgen. Wenn der am nächsten liegende Schritt eine Nutzlast-Bitrate zum Ergebnis hat, die niedriger als die codierte Datenrate ist, kommt es am Decoder zu einer Aushungerung ("starvation"). Eine anfängliche Latenzzeit kann auftreten, wenn das Bitraten-Delta klein genug ist, um einen ersten Aufbau von Datenwarteschlangen im TS-Demultiplexer 76 zu ermöglichen, bevor die Decodierer gestartet werden. Diese anfängliche Pufferung würde nur die Aushungerung verzögern und ist gegebenenfalls nur bei sehr kurzen Clips zulässig, die einem bestimmten Maß an auftretender Latenzzeit beim Start Rechnung tragen können.
Jedoch ist eine Zellrate, die die Nutzlast mit einer höheren Geschwindigkeit als der codierte Bitstrom liefert, wünschenswerter. Die beim Start auftretende Latenzzeit wird so klein wie möglich gehalten, und ein Verlust von Zellen oder CRC-Fehler könnten tatsächlich dazu beitragen, das Delta zwischen den beiden Bitraten näher zusammen zu bringen. Die Verwaltung des Pufferspeichers im TS-Demultiplexer 76 setzt die Abfrage von Warteschlangen-Schwellenwerten voraus, um festzustellen, welche Maßnahmen ergriffen werden müssen, um Überläufe zu vermeiden.
Nehmen wir an, dass die Verfahren zur Verwaltung des Pufferspeichers in dem Decodierer-Teilsystem und der Wunsch, die beim Start auftretende Latenzzeit so klein wie möglich zu halten, ausreichende Gründe sind, um auf die nächste zulässige Zellrate, die vom Adapter zur Verfügung gestellt wird, aufzurunden. Die Schrittweite (Z) der Zellrate bestimmt dann den Grad, bis zu dem der ATM-Server 26 die MPEG-2-Nutzlast in das Netzwerk und dadurch den Empfänger übersteuert. Mit diesem Faktor kann man die ideale Zellrate (Ci) normalisieren, indem man sie zuerst durch Z teilt, dann aufrundet und sie anschließend mit Z multipliziert, um die nächste verfügbare Zellrate zu ermitteln.
Ca = (Ci/Z) × Z
Die tatsächliche Zellrate in das ATM-Netzwerk ist Ci, normalisiert auf die Zellraten-Schritte, die im ATM-Server verfügbar sind.
Rundungsberechnungen im ungünstigsten Fall können eine Bitrate zum Ergebnis haben, die nahezu einen ganzen Schritt über der gewünschten Bitrate liegt. Dadurch wird die höchstmögliche Übersteuerung der Nutzlast in den Empfänger begrenzt.
Da das Ergebnis dieser Normalisierung kaum zu einer ganzzahligen Zellrate führen wird, muss die angeforderte Rate in das ATM-Netzwerk ebenfalls auf die nächste ganzzahlige Zellrate gerundet werden, doch wirkt sich dies nicht auf die tatsächliche Zellrate des ATM-Servers 26 aus, die vorstehend berechnet wurde, und es wirkt sich nicht auf die Bitrate der Nutzlast aus.
Am Empfangsknoten werden die Steuerbytes vom ATM-Zellempfänger 70, der AAL-5-Schicht 72 und der MPEG-2-Systemschicht 74 abgestreift, bevor sie das Decodierer-Teilsystem erreichen. Die tatsächliche Bitrate in dieses System ist Fa = Ca × 424. Die Bitrate der Nutzlast (Fp) kann wie folgt beschrieben werden:
Fp/(M × 188 × 8) = Fa/((M × 188 × 8) + (OH × 8))
Fp = Fa × ((M × 188))/((M × 188) + OH)
Fp = Fa × E
Fx = Fp – Fe = überschüssige MPEG-2-Datenrate.
7 stellt den erfindungsgemäßen Zeitsynchronisierungsprozess für die Übertragung der Multimedia-Daten grafisch dar. Die Rahmen, die die PCRs enthalten, werden genau zu dem Zeitpunkt übertragen, zu dem sie übertragen werden sollen, und zwar ungeachtet der Schwankungen bei der Übertragungsgeschwindigkeit oder der Codierdichte.
Es sei angemerkt, dass die durchschnittliche Übertragungsgeschwindigkeit in 7 ungefähr 0,5 % höher als die durchschnittlich notwendige Geschwindigkeit wäre, wenn es keine durch den PCR bedingte erweiterte Anforderungen an die Bandbreite gäbe. Wenn ein PCR angetroffen wird, vergleicht eine Zellenübertragungs-Abfolgesteuerungseinheit 92 in 8 den PCR mit einem Takt, der mit dem Netzwerk synchronisiert oder von einem präzisen Quarz (10 ppm) gesteuert werden kann, und verzögert die Übertragung bis zu dem entsprechenden Zeitpunkt des eingebetteten Zeitstempels PCR. Auf diese Weise werden die PCRs immer zum genau richtigen Zeitpunkt übertragen, so dass die Empfangsgeschwindigkeit, die der Empfänger erwartet, und die tatsächliche Übertragungsgeschwindigkeit genau übereinstimmen. Aufgrund dessen, dass die Geschwindigkeiten genau übereinstimmen und sich diese Übereinstimmung vorhersagen lässt, kann ein kleinerer Empfangspufferspeicher verwendet werden, als andernfalls nötig wäre.
Nun Bezug nehmend auf 8 ist ein Multimediastrom-Server 26 gezeigt, der zusammen mit einem physischen oder virtuellen Speicher 28 angeordnet ist. Der Multimediastrom-Server 26 enthält einen Zellensegmentierer 90, der TS-Pakete vom Speicher 28 empfängt und die ATM-Zellenausgangssignale 58A bereitstellt. Daten können in größeren Blöcken in die Warteschlange gestellt werden, und der Segmentierer 90 nimmt die Blöcke und wandelt sie in AAL-5-Zellen um. Dies geschieht an zwei Grenzen. Eine feste Anzahl N von MPEG-2-Paketen des Transportstroms dient als höchstmögliche Größe für den AAL-5-Rahmen, wobei die Pakete des Transportstroms geprüft werden, um einen AAL-5-Rahmen am Ende eines jeden TS-Pakets abzuschließen, das einen PCR (Zeitstempel) enthält. Der Multimediastrom-Server 26 enthält eine Übertragungssitzungs-Abfolgesteuerungseinheit 92, eine zugehörige Planungsliste (time wheel) 94 und eine optionale Planungsliste 96 hoher Priorität sowie einen Datenbereitstellungsprozessor 98.
Damit der Prozessor 96 nicht auf allen seinen Strömen die Zeit erfassen muss, kann der Aufteilungsprozess erweitert werden, so dass der Prozess an beliebigen Datengrenzen eine Anforderung für weitere Daten empfängt. Dieses Benachrichtigungsmerkmal ist als Teil des Abfolgesteuerungs- oder Datenaufteilungsprozesses enthalten. Das Verzögerungsmerkmal der Erfindung dient zur genauen Abstimmung der Übertragung von Daten auf die eingebetteten PCR-Zeitstempel, um die TS-Pakete, die keinen PCR enthalten, mit einer etwas höheren Geschwindigkeit als der von der Quelle vorausberechneten Datenübertragungsgeschwindigkeit zu übertragen, und wenn ein PCR festgestellt wird, wird die Übertragung des TS-Pakets, das den PCR enthält, solange verzögert, bis der von dem PCR angegebene Zeitpunkt erreicht ist. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dieses Ergebnis zu erzielen, wobei Kompromisse zwischen der Komplexität, der Genauigkeit und der Leistungsfähigkeit, die wie folgt zu verstehen sind, berücksichtigt werden.
Wenn vom Segmentierer 90 ein TS-Paket mit einem PCR festgestellt wird, vergleicht der Segmentierer zuerst den PCR mit der Zeitbasis. Wenn der Zeitraum verstrichen ist, überträgt der Segmentierer die Zelle, wenn der Zeitraum nicht verstrichen ist, sendet der Segmentierer einfach nichts und prüft erneut den nächsten Zeitpunkt, zu dem der Strom zur Aufteilung übergeben wird.
Zweitens kann der Segmentierer 90 dieselbe Übertragungsverzögerung wie vorstehend vornehmen, jedoch nicht an der ersten Zelle, sondern an der letzten Zelle eines TS-Pakets. Dies erhöht zwar die vom Segmentierer 90 benötigte Kapazität an Zustandsspeicher, doch wird die Genauigkeit der PCR-Zeitpunkte deutlich gesteigert.
Drittens kann der Segmentierer 90 die Abfolgesteuerungseinheit 92 auffordern, die Abfolgesteuerung des Stroms bis zu dem von dem PCR angegebenen Zeitpunkt aufzuschieben. Dies erfordert eine Schnittstelle zur Neuterminierung, wie auf einer Leitung mit der Bezeichnung RESCHEDULE COMMAND C (NEUTERMINIERUNGSBEFEHL C) zwischen dem Segmentierer 90 und der Abfolgesteuerungseinheit 92 angegeben ist; die Speicherauslastung wird jedoch erhöht.
Viertens kann die Abfolgesteuerungseinheit 92 nach erfolgter Neuterminierung nur für die PCR-sensitive Zelle eine Umdisponierung auf die Planungsliste 98 mit der höheren Priorität vornehmen. Dadurch wird die Übertragungsgenauigkeit erhöht, wenn mehrere Ströme über mehrere Rechnerstationen 24 übertragen werden.
Der Multimediastrom-Server 26 kann mittels CMOS-Technologie auf einem VLSI-Chip realisiert werden und Datenraten bis zu 622 Mbit/s unterstützen.
Bezug nehmend auf 9 sind aufeinander folgende Schritte zur Verarbeitung der gelieferten Daten, die von dem Datenbereitstellungsprozessor 98 durchgeführt werden, gezeigt, welche an einem Block 900 beginnen. Ein nächster Datenübertragungsblock befindet sich im Speicher, wie an einem Block 902 angegeben ist. Durch Prüfung, ob weitere Daten zur Übertragung vorhanden sind, wird dann festgestellt, ob der Prozess abgeschlossen ist, wie an einem Block 904 angegeben ist. Wenn keine weiteren Daten zur Übertragung vorhanden sind, sind die in Folge durchgeführten Operationen abgeschlossen, wie an einem Block 906 angegeben ist. Andernfalls wird der aufgefundene nächste Datenübertragungsblock dem Speicherbereich des Segmentierers zugeführt, wie an einem Block 908 angegeben ist. Der Datenbereitstellungsprozessor 98 legt dann einen Befehl "zur Übertragung in die Warteschlange gestellt" an die Abfolgesteuerungseinheit 92 an, wie an einem Block 910 angegeben ist. Anschließend wartet der Datenbereitstellungsprozessor 98 auf eine Anforderung für weitere Datenpakete des Transportsystems von der Abfolgesteuerungseinheit 92 auf der Leitung D oder vom Segmentierer 90 auf der Leitung E, wie an einem Block 912 angegeben ist. Wenn am Block 912 eine Anforderung festgestellt wird, werden die in Folge durchgeführten Schritte wiederholt.
Die 10, 11 und 12 sind Flussdiagramme, die Prozesse der Abfolgesteuerungseinheit zeigen, die von einer Übertragungssitzungs-Abfolgesteuerungseinheit 92 durchgeführt werden. In 10 beginnen die Prozesse der Abfolgesteuerungseinheit mit dem Warten auf eine Datenbereitstellungsanforderung, wie am Block 1000 angegeben ist. Die Abfolgesteuerungseinheit 92 empfängt eine Anforderung vom Datenbereitstellungsprozessor, einen Datenübertragungsblock zur Übertragung in die Warteschlange zu stellen, wie am Block 1002 angegeben ist. Dann wird an einem Block 1004 eine Sitzung festgestellt, und ein Datenblock-Zeiger wird mit der Sitzung verknüpft, wie an einem Block 1006 angegeben ist. Als Nächstes wird festgestellt, ob die Sitzung aktiv ist, wie an einem Entscheidungsblock 1008 angegeben ist. Wenn am Block 1008 eine aktive Sitzung festgestellt wird, schalten die in Folge durchgeführten Operationen zum Block 1000 zurück, um auf eine Anforderung zu warten. Andernfalls, wenn am Block 1008 keine aktive Sitzung festgestellt wird, wird die am Block 1004 festgestellte Sitzung zur Übertragung bei der nächsten Übertragungsgelegenheit terminiert, wie an einem Block 1108 angegeben ist. Daraufhin schalten die in Folge durchgeführten Operationen zum Block 1000 zurück, um auf eine Anforderung zu warten.
Bezug nehmend auf 11 beginnen aufeinander folgende Schritte zur Abfolgesteuerung der Datenübertragung, die von der Übertragungssitzungs-Abfolgesteuerungseinheit 92 durchgeführt werden, an einem Block 1100. Die Abfolgesteuerungseinheit 92 wartet auf eine nächste Übertragungsgelegenheit, wie an einem Block 1102 angegeben ist. Als Nächstes nimmt die Abfolgesteuerungseinheit 92 eine Prüfung auf terminierte Sitzungen mit hoher Priorität vor, wie am Entscheidungsblock 1104 angegeben ist. Wenn am Block 1104 eine terminierte Sitzung hoher Priorität festgestellt wird, wird die Sitzung gekennzeichnet, und die Abfolgesteuerungseinheit 92 liefert dem Segmentierer 90 auf der Leitung B einen Befehl "Sendebereit", wie an einem Block 1106 angegeben ist. Dann nimmt die Abfolgesteuerungseinheit 92 an B eine Umdisponierung auf "niedrige Priorität" vor, wie an einem Block 1108 angegeben ist, und kehrt zum Block 1102 zurück. Wenn am Block 1104 keine Sitzung hoher Priorität festgestellt wird, nimmt die Abfolgesteuerungseinheit 92 eine Prüfung auf vorhergehende Sitzungen niedriger Priorität vor, die auf eine Übertragung warten, wie an einem Entscheidungsblock 1110 angegeben ist. Wenn sie eine Sitzung findet, wird diese gekennzeichnet, und die Abfolgesteuerungseinheit 92 liefert dem Segmentierer 90 auf der Leitung B am Block 1006 einen Befehl "Sendebereit", und die nachfolgenden Operationen werden wie zuvor wiederholt. Andernfalls, wenn am Block 1100 keine Sitzungen niedriger Priorität festgestellt werden, die auf eine Übertragung warten, nimmt die Abfolgesteuerungseinheit 92 eine Prüfung auf terminierte Sitzungen niedriger Priorität vor, wie an einem Entscheidungsblock 1112 angegeben ist. Eine terminierte Sitzung niedriger Priorität, die festgestellt wird, wird gekennzeichnet, und die nachfolgenden Operationen werden wiederholt. An einem Entscheidungsblock 1114 ist eine Prüfung von Daten, die zur Übertragung bereitstehen, vorgesehen. Wenn die zur Übertragung bereitstehenden Daten einen vorher festgelegten Schwellenwert unterschreiten, wird eine Anforderung für weitere TS-Pakete an den Datenbereitstellungsprozessor 98 angelegt, wie auf einer Leitung D angegeben ist. Anschließend werden die nachfolgenden Operationen wiederholt.
Bezug nehmend auf 12 beginnen aufeinander folgende Schritte zur Neuterminierung von Datenübertragungen, die von der Übertragungssitzungs-Abfolgesteuerungseinheit 92 durchgeführt werden, mit dem Empfang einer Neuterminierungsanforderung vom Segmentierer 90 auf der Leitung C, wie an einem Block 1200 angegeben ist. Am Block 1202 wird dann eine Sitzung festgestellt und aus der Planungsliste entfernt, wie an einem Block 1204 angegeben ist. Die Sitzung wird daraufhin in die Planungsliste 94 an einer neuen Position eingefügt.
Bezug nehmend auf 13 sind aufeinander folgende Schritte zur Aufteilung von Daten gezeigt, die vom Zellensegmentierer 90 durchgeführt werden, wobei die Schritte an einem Block 1300 damit beginnen, dass auf eine Terminierungsanforderung von der Abfolgesteuerungseinheit 92 gewartet wird. An einem Block 1302 wird dann eine Sitzung festgestellt, und die Zustandsdaten der Sitzung werden geladen, wie an einem Block 1304 angegeben ist. An einem Entscheidungsblock 1306 prüft der Segmentierer 90, ob der aktuelle Datenblock abgearbeitet ist. Wenn der aktuelle Datenblock abgearbeitet ist, prüft der Segmentierer 90, ob die Daten einen Schwellenwert unterschreiten, wie an einem Entscheidungsblock 1308 angegeben ist. Wenn ja, werden weitere Daten angefordert (Leitung E in 8), wie an einem Block 1310 angegeben ist. Daraufhin wird der nächste Datenblock vorbereitet, wie an einem Block 1312 angegeben ist. An einem Entscheidungsblock 1314 prüft der Segmentierer 90 dann, ob die aktuelle Zelle die letzte Zelle in einem Datenrahmen ist. Wenn die letzte Zelle des Rahmens am Block 1314 festgestellt wird, prüft der Segmentierer 90 an einem Entscheidungsblock 1316 den Sendezeitpunkt. Wenn der Sendezeitpunkt nicht erreicht ist, wird auf der Leitung C eine Neuterminierungsanforderung an die Abfolgesteuerungseinheit 92 angelegt, wie an einem Block 1318 angegeben ist. Wenn der Sendezeitpunkt erreicht ist, bildet der Segmentierer die Zelle und überträgt sie, wie an einem Block 1320 angegeben ist. Andernfalls, wenn die aktuelle Zelle nicht die letzte Zelle in einem Datenrahmen ist, wird die Zelle auf Vorhandensein eines PCR-Zeitstempels geprüft, wie an einem Block 1322 angegeben ist. Wenn ein PCR vorhanden ist, kürzt der Segmentierer 92 die Rahmenziellänge, wie an einem Block 1324 angegeben ist. Dann, und wenn am Entscheidungsblock 1322 kein PCR festgestellt wird, bildet der Segmentierer am Block 1320 die Zelle und überträgt sie. Anschließend speichert der Segmentierer den Sitzungszustand, wie an einem Block 1326 angegeben ist.
Vom Codierer/Empfänger 20 und der Rechnerstation 24 empfangene Rahmen können vorteilhafterweise in eine Warteschlange gestellt werden, die den Prozessor erst unterbricht, nachdem eine bestimmte Anzahl von Rahmen angekommen ist oder nachdem im Anschluss an den Empfang des ersten Rahmens eine bestimmte Zeitspanne verstrichen ist. Dadurch kann der Empfangscode die Empfangsverarbeitung im Stapelbetrieb durchführen.
14 zeigt Einzelheiten des Decodierers 20 oder 24, der zur Stapelverarbeitung verwendet wird. Der Decodierer 20, 24 enthält einen PDU-Ankunftstapelverarbeitungsblock 98, der eine Datenwarteschlangenfunktion 100 und eine Zeitgeberfunktion 102 bereitstellt. Der PDU-Ankunftstapelverarbeitungsprozess dient zur Verringerung der Anzahl der Unterbrechungen, die die MPEG-2-TS-Empfangspaket-Systemschicht 76 verarbeiten muss. Die AAL-5-Wiederzusammensetzungsschicht 74 stellt die AAL-5-Rahmen bei ihrer Ankunft in eine Warteschlange.
Auch Bezug nehmend auf 15 sind aufeinander folgende Schritte der Stapelverarbeitung gezeigt. Wenn die Warteschlange anfangs leer ist, wie an einem Block 1500 angegeben ist, wird der Zeitgeber 102 gesetzt, wenn ein Rahmen ankommt, wie am Block 1502 angegeben ist. Wenn weitere Rahmen ankommen, nimmt die Wiederzusammensetzungsschicht 74 eine Prüfung vor, um festzustellen, ob die Anzahl der Rahmen in der Warteschlange größer als der Schwellenwert für diese Verbindung ist, wie an einem Block 1504 angegeben ist. Wenn entweder der Zeitgeber abläuft oder der Schwellenwert überschritten wird, löst die Wiederzusammensetzungsschicht eine Unterbrechung an die MPEG-2-TS-Empfangspaketsystemschicht 56 aus, wie an einem Block 1506 angegeben ist. Wenn ein Rahmen aus der Warteschlange entfernt wird, wird die Zeitgeberfunktion angehalten, und der Zeitgeber wird zurückgesetzt. Wenn ein nachfolgender Rahmen ankommt, wird der Zeitgeber 102 wieder gestartet, und die Stapelverarbeitung wird wiederholt.
Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung mit anderen Zeitcodierprotokollen verwendet werden kann und dass der Datenstrom, der übertragen wird, sowohl mit einer veränderlichen Geschwindigkeit als auch mit einer festen Geschwindigkeit codiert werden kann.

Claims

Vorrichtung zur Übertragung eines Stroms von digitalen Multimedia-Daten über ein Datenübertragungs-Verteilnetzwerk, die Folgendes umfasst: ein Mittel, das dazu dient, den digitalen Multimedia-Datenstrom zu empfangen und an ersten Grenzen und an zweiten Grenzen in Datenblöcke aufzuteilen; wobei die erste Grenze unmittelbar auf eine feste Anzahl von Datenpaketen eines Transportsystems folgt und die zweite Grenze unmittelbar auf ein Datenpaket eines Transportsystems folgt, das einen Programmtaktreferenz(Program-Clock-Reference-)Zeitstempel enthält; ein Mittel, das dazu dient, die Datenblöcke zur Übertragung zu terminieren; einen Taktgeber; gekennzeichnet durch ein Mittel, das dazu dient, die Datenblöcke zu decodieren, um den Zeitstempel aufzufinden; und ein Mittel, um die Übertragung des Datenblocks mit dem aufgefundenen Zeitstempel so lange zu verzögern, bis der von dem Zeitstempel angegebene Zeitwert erreicht ist, was mit Bezug auf den Takt festgestellt wird, sofern der Zeitwert noch nicht überschritten wurde, was mit Bezug auf den Takt festgestellt wird.