WO2002054700A2 - Verfahren zur paketorientierten übertragung von daten zwischen einer applikation und einer transportschicht - Google Patents

Verfahren zur paketorientierten übertragung von daten zwischen einer applikation und einer transportschicht Download PDF

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WO2002054700A2
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Günther LIEBL
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    • H04L67/62—Establishing a time schedule for servicing the requests

Definitions

  • the invention relates to a method for packet-oriented transmission of data from a transmitter unit with an application with a source encoder to a receiver unit via an interface with an application layer and a transport layer.
  • This invention creates a generic interface between source encoders or multimedia applications and a transport layer, which allows simple but efficient adaptation of the transmission of multimedia data via a wide variety of transport protocols and thus networks.
  • PDU Protocol Data Unit
  • the payload PL assumes that this payload is transmitted completely or an error indication if a data packet is lost from the PDU Transport layer for application is passed upwards.
  • the transport layer also called the transport layer, is for example the 4th layer in the known OSI reference model of an interface. This protocol takes care of the end-to-end connection, for example the re-establishment of one
  • the priority of individual packages can be controlled by the application under certain circumstances, so that the probability of a packet loss or an expected delay can be adapted to the needs of the application.
  • Known networks or transmission protocols such as IP / UDP / RTP with RSVP or DiffServ as well as UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) with Bearer Services support the implementation of these priority classes on network-specific properties.
  • TCP Transmission Control Protocol
  • IP Internet Protocol
  • UDP Compared to TCP, which is used much more frequently, UDP does not recognize and correct errors. UDP therefore works faster and has a smaller header H, which is why the ratio of the number of user data to the data packet length is better. UDP is more suitable for applications that send short messages and can repeat them completely if necessary, or for applications that must be carried out in real time (voice or video transmission). The entire error correction is therefore carried out within the application. This affects not only bit errors, but also the total loss of data packets, since routers immediately discard UDP datagrams when there is a high network load.
  • the application can be supported in special applications, for example in the real-time area, in error detection and error correction by further, special protocols of higher layers, for example the RTP (Real-time Protocol).
  • RTP Real-time Protocol
  • RTP forward error control
  • H which contains additional information.
  • additional information are, for example, the type of user data transmitted (voice, image data, etc.) or the time of generation of the data, which makes it easier to put the data in a certain correct order or to discard them after a certain time.
  • RSVP Resource Reservation Setup Protocol
  • RSVP Resource Reservation Setup Protocol
  • RSVP is a designation of an end-to-end internetwork protocol that reserves various network resources for different applications over the Internet in order to achieve a certain quality of service. RSVP thus enables application-dependent prioritization of data traffic on the Internet.
  • header H generally contain sequence numbers, time stamps, or application- or protocol-specific control information. Examples of existing applications with the corresponding interfaces are e.g. MPEG-4 Synchronization Layer or G.723.1 audio.
  • the invention is therefore based on the object of creating a more general procedure in order to better utilize the properties of existing and newly emerging source coders or multimedia applications and network-specific prioritization mechanisms.
  • this object is achieved by a method for packet-oriented transmission of data from a transmitting unit with an application with a source encoder to a receiving unit via an interface with an application layer and a transport layer according to the following method steps:
  • a respective prioritization profile can also be transmitted explicitly on the transmitter side. This is for example wise when an optimized allocation of decoding resources is desired.
  • the signaling effort can be limited. This is particularly useful if the structure of the information symbols within different data packets is essentially constant.
  • non-prioritized applications can also be transmitted efficiently via the interface according to the invention by generating a prioritization profile with constant importance or priority over all information symbols of a data packet. This proves to be advantageous in terms of backward compatibility with today's known methods.
  • these multiplexed data streams are assigned a relative importance among one another, from which, in conjunction with a respective prioritization profile of a data stream, a superordinate prioritization profile of an overall importance for each Information symbol to be transmitted can be determined, on the basis of which the selection a suitable transmission mode in the transport layer.
  • the application provides a data format that is as general as possible.
  • the transport layer then packs the package according to its properties.
  • Possible prioritization mechanisms can be, for example, the selective discarding of packets in the network (e.g. in the case of overloaded nodes) or the use of differently strong error protection mechanisms.
  • a suitable transmission mode is selected in the transport layer on the one hand by an error protection profile with different levels of error protection mechanism that is adapted to the respective prioritization profile of a data packet.
  • a network-specific prioritization mechanism takes place in the transport layer by selectively discarding data packets adapted to the respective prioritization profile of a data packet, in particular depending on possible overloaded network nodes of a transmission network.
  • the priority / importance of the data does not have to be constant within a PDU transferred from the application to the transport layer, but is signaled explicitly, ie the importance can also vary within a partition (for example by progressive coding) , In the most extreme case, the relative importance of each bit can be signaled at the interface. On the other hand, non-prioritized ones can also Applications are simply signaled through this interface by specifying a constant importance for each bit, so that compatibility is guaranteed even in scenarios in which the interface is not used.
  • a prioritization profile e.g. an “importance via bit” can be varied for each PDU and thus a flexible adaptation in time is also possible.
  • This principle of the interface can also support the prioritization of multiplexed multimedia applications, ie the different data streams generated by the multimedia application are additionally added a relative importance is assigned to one another In combination with the prioritization profile 'importance over bit' of the individual PDUs, this results in an overall importance for each individual bit generated by the multimedia application.
  • the prioritization profile is usually not transmitted to the recipient, but is used to signal control information between the application and transport layers. Applications are an exception here, in which this importance information is also of interest to the recipient (e.g. for the allocation of decoding resources).
  • the reassembly of the data in the corresponding receiver unit is advantageously implicitly regulated by the selected transmission modes of the transport layer. If there are missing segments, the reassembly process can be stopped at this point.
  • the resulting (possibly shortened) PDU between the transport and application layers then contains information in header H about the degree of completeness of the payload PL.
  • the protocol can choose flexible packet sizes and is not restricted by the application.
  • a quick rate control and / or an improved buffer management is possible because the network can decide independently which and how many information symbols or data packets are discarded on the basis of the importance information.
  • the part can be passed on to the application decoder until the first transmission error within a data packet PDU, in order to be able to ensure at least minimal quality even in the event of losses in the transmission network.
  • the transport layer receives (and does not need) semantic information about the application data.
  • semantic information about the application data.
  • FIG. 1 shows an exemplary structure of a data packet consisting of a header and a payload
  • FIG. 2 shows an example of a possible prioritization structure with a piecewise linear course
  • FIG. 3 shows a diagram of the prioritization profile belonging to FIG. 2 and
  • FIG. 4 shows a further diagram of a profile of a multimedia application.
  • FIG. 2 An example of such a prioritization structure with a piece-wise linear course is shown in the illustration according to FIG. 2, in which a linked list with the terms according to the syntax introduced above is shown.
  • Several PriorityUnits Ul to U6 are shown with respective data fields consisting of the respective bit specification, ie the bit position x within the payload PL, the respective priority W (x) and a pointer ZI to Z ⁇ to the next PriorityUnit U1 ... U6.
  • the end of the structure linked in this way is signaled by a priority unit with the value zero.
  • FIG. 3 shows a diagram for the importance W (x) of the source data in accordance with the above data format in the form of a prioritization profile P.
  • a transmission network between the transmitter and receiver unit can be adapted accordingly to the available prioritization mechanisms, e.g. by using an uneven fault protection profile.
  • the general format of a PDU between the transport and application layers in the receiver E also consists of a header H and a payload field PL (cf. FIG. 1).
  • the payload PL contains the reassembled parts of an application package in order of falling priority W (this is implicitly known to the recipient through the transmission mode used, e.g. through the use of different ones
  • the header H of a PDU on the receiver side can have the following format, for example:
  • Class Receive_Header ⁇ // indudes all kinds of Information // sequence numbering, temporal reference // at receiver side error indication TimeStamp Ts; PacketsequenceNumber Psn; PacketLength Pl;
  • ShortenFlag ShF // if set, the payload field contains only a partially co - plete data packet ⁇
  • the payload PL only contains the data blocks until the first missing segment occurs (so-called shortened payload).
  • a so-called short flag is set in header H of the PDU. The application can now decide whether to decode this incomplete data packet or not.
  • Each frame of the video sequence creates a packet that contains data sorted by decreasing importance.
  • Partition 1 Ptype, MBtype, REFframe Partition 2: IntraPredMode, MVD Partition 3: CBP_Intra, LUM_DC_Intra, CHR_DC_Intra
  • Partition 4 LUM_AC_Intra, CHR_AC_Intra
  • Partition 5 CBP_Inter, LUM_DC_Inter, CHR_DC_Inter
  • Partition 6 LUM_AC_Inter, CHR_AC_lnter
  • Frame 1 is an I-frame and therefore has partition 1, 2, 3, 4:
  • Frame 2 is a P frame without an intra update and therefore has partition 1, 2, 5, 6:
  • Frame 3 is a P-frame with intra updates and therefore has partition 1, 2, 3, 4, 5, 6:
  • Each frame thus has its own prioritization scale.
  • Another application example is a multimedia application with a multiplex of control, audio and video data in a PDU.
  • Control data C audio data AI, A2 and video data V (video base layer) and VE (video enhancement layer) are arranged in a data packet PDU.
  • Control C can only be used as a whole or not at all, therefore priority W is constant over the entire control part C 1.
  • the global importance is 1 because the loss means a total failure.
  • Audio AI, A2 may support a decreasing importance (e.g. GSM Class 1 and Class 2).
  • the global importance W of audio can be determined by the application e.g. can be set to 0.8.
  • the video data V, VE can be encoded as above.
  • the global importance is generally less than that of audio data.
  • FIG. 4 shows a corresponding prioritization profile P for the control, audio and video data with different importance information based on FIG. 3.
  • Another application example is a multimedia application with a multiplex of control, audio and video data in separate PDUs.
  • the multimedia application generates different bit streams, for example two video streams, 2 audio streams and one control stream.
  • Each PDU of the different bit streams has its own priority profile P.
  • the overall control of the multimedia application now assigns each of the bit streams (possibly also varying in time) a relative importance Wa (in comparison with the other bit streams).
  • the overall importance can then be determined, for example, by multiplying the relative importance by the original priority profile p of a PDU. In this way, a priority profile can also be described in a hierarchical form.
  • Wg (Vl) ⁇ (0, 0.5 * Vi (xl)); (100; 0.5 * Vi (xl)); (1 01, 0) ⁇ .
  • This application example is particularly interesting in the event that individual sub-bit streams have been independently coded beforehand and stored locally or in the network (together with the priority profile P of the PDUs). When creating the overall application, it is therefore usually only possible to control the global priority of a sub-bit stream.

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Abstract

Gemäß der Erfindung muss die Priorität/Wichtigkeit von zu ü-bertragenden Daten innerhalb einer von der Applikation an die Transportschicht übergebenen PDU nicht konstant sein, sondern wird explizit signalisiert, d.h. die Wichtigkeit kann auch innerhalb einer Partition variieren (z.B. durch eine progres-sive Codierung). Im extremsten Fall kann die relative Wich-tigkeit jedes Bits an der Schnittstelle signalisiert werden. Durch eine solche feingranulare Priorisierung wird die Über-tragungseffizienz verbessert, da vom Netzwerk bereitgestellte Priorisierungsmechanismen optimal genutzt werden können. An-dererseits können auch nicht-priorisierte Applikationen durch diese Schnittstelle einfach signalisiert werden, indem eine konstante Wichtigkeit für jedes Bit angeben wird, so dass ei-ne Kompatibilität auch in Szenarien gewährleistet ist, in de-nen die Schnittstelle nicht genutzt wird.

Description

Beschreibung
Generische Schnittstelle zwischen einer Applikation und einer Transportschicht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten von einer Sendeeinheit mit einer Applikation mit einem Quellcoder zu einer Empfangseinheit über ei- ne Schnittstelle mit einer Applikationsschicht und einer Transportschicht .
Durch diese Erfindung wird eine generische Schnittstelle zwischen Quellencodern bzw. Multimediaapplikationen und einer Transportschicht geschaffen, die eine einfache, jedoch effiziente Anpassung der Übertragung von Multimediadaten über verschiedenste Transportprotokolle und somit Netzwerke erlaubt .
Herkömmlich wird dieses Problem in der Art und Weise gelöst, dass an der Schnittstelle zwischen Applikation und Transportschicht Datenpakete PDU übergeben werden, die im allgemeinen aus einem Header H und einer Payload PL bestehen (vgl . Figur 1, die diesen grundsätzlichen Aufbau eines Datenpakets PDU zeigt) .
Die Abkürzung PDU steht dabei für Protocol Data Unit. Dieser Begriff stammt aus dem OSI-Referenzmodell und bezeichnet dabei das generisch auf einer Schicht hergestellte Daten- paket, das an die darunterliegende Schicht über einen Dienstzugangspunkt (Service Access Point, SAP) weitergegeben wird.
Während der Header H entweder in unveränderter Form übertragen wird oder an das Format des gewählten Übertragungsproto- kols angepasst wird, wird bei der Payload PL davon ausgegangen, dass diese Payload komplett übertragen wird oder eine Fehlerindikation bei Verlust eines Datenpakets PDU von der Transportschicht zur Applikation nach oben gereicht wird. Die Transportschicht, auch Transport Layer genannt, ist beispielsweise die 4. Schicht im bekannten OSI-Referenzmodell einer Schnittstelle. Dieses Protokoll kümmert sich um die En- de-zu-Ende-Verbindung, z.B. um das erneute Aufbauen einer
Verbindung, wenn zwischendurch in instabilen Übertragungsnetzen die Verbindung zusammenbricht.
Die Priorität von einzelnen Paketen, jedoch nicht die Priori- tat der Elemente innerhalb des Pakets, kann unter Umständen von der Applikation gesteuert werden, so dass die Wahrscheinlichkeit eines Paketverlustes oder ein zu erwartendes Delay an die Bedürfnisse der Applikation angepasst werden kann. Bekannte Netzwerke bzw. Übertragungsprotokolle wie z.B. IP/UDP/RTP mit RSVP oder DiffServ sowie UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) mit Bearer Services unterstützen eine Umsetzung dieser Prioritätsklassen auf netzwerkspezifische Eigenschaften.
Die zur Zeit am weitesten verbreiteten Übertragungsprotokolle auf Transportebene sind das User Datagram Protcol UDP und das Transmission Control Protocol TCP. TCP ist ein verbindungs- orientiertes Transportprotokoll, das eine logische Voll- duplex-Punkt-zu-Punkt-Verbindung ermöglicht. Es stellt dabei sicher, dass Daten fehlerfrei und in der gewünschten Reihenfolge über ein darunterliegendes IP-Netz übertragen werden. Es erweitert das darunterliegende IP (Internet Protocol) um Funktionen zur Datensicherung und VerbindungsSteuerung.
Im Vergleich zum wesentlich häufiger verwendeten TCP verzichtet UDP auf Fehlererkennung und -korrektur. UDP arbeitet daher aber schneller und verfügt über einen kleineren Header H, weshalb das Verhältnis von Anzahl Nutzdaten zu Datenpaketlän- ge besser ist. UDP ist besser geeignet bei Anwendungen, die kurze Nachrichten versenden und diese notfalls komplett wiederholen können, oder bei Anwendungen, die in Echtzeit durchgeführt werden müssen (Sprach- oder Videoübertragung) . Die gesamte Fehlerkorrektur erfolgt daher innerhalb der Anwendung. Dies betrifft nicht nur Bitfehler, sondern auch den Totalverlust von Datenpaketen, da Router bei hoher Netzlast UDP-Datagramme sofort verwerfen. Die Anwendung kann bei speziellen Anwendungen, z.B. im Echtzeit-Bereich, bei der Fehlererkennung und Fehlerkorrektur von weiteren, speziellen Protokollen höherer Schichten unterstützt werden, z.B. dem RTP (Real-time Protocol) . Das Grundprinzip von RTP ist die Nutzung von Forward Error Control. Dies wird durch einen erweiterten Header H ermöglicht, in dem ZusatzInformationen stehen. Diese sind z.B. die Art der übertragenen Nutzdaten (Sprache, Bilddaten etc.) oder der Zeitpunkt der Erzeugung der Daten, wodurch die Daten einfacher in eine bestimmte kor- rekte Reihenfolge gebracht oder nach Ablauf einer bestimmten Zeit verworfen werden können. Die Abkürzung RSVP steht dabei für Resource Reservation Setup Protocol und ist eine Bezeichnung eines End-to-End-Internetwork-Protokolls, das für verschiedene Anwendungen über das Internet verschiedene Netzressourcen reserviert, um eine bestimmte Dienstgüte zu erreichen. Damit ermöglicht RSVP ein applikationsabhängiges Priorisieren von Datenverkehr im Internet.
Ebenfalls bekannt ist die Verwendung von ungleichmäßigem Feh- lerschutz. Zusätzliche Teile des Headers H beinhalten im allgemeinen Sequenznummern, Zeitstempel, oder applikations- bzw. protokollspezifische Kontrollinformationen. Beispiele für e- xistierende Applikationen mit den entsprechenden Schnittstellen sind z.B. MPEG-4 Synchronization Layer oder G.723.1 Au- dio.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine allgemeinere Vorgehensweise zu schaffen, um die Eigenschaften von existierenden und neu entstehenden Quellencodern bzw. Multi- media-Applikationen und netzwerkspezifischen Priorisierungs- mechanismen besser auszunutzen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten von einer Sendeeinheit mit einer Applikation mit einem Quellcoder zu einer Empfangseinheit über eine Schnittstelle mit einer Applikationsschicht und einer Transportschicht nach folgenden Verfahrensschritten gelöst:
- senderseitige Generierung eines Priorisierungsprofils durch Signalisierung einer Wichtigkeitsinformation oder Prioritäts- Information für jedes einzelne Informationssymbol oder für ein Segment von Informationssymbolen innerhalb eines zu übertragenden Datenpakets bei der Übergabe von der Applikationsschicht an die Transportschicht,
- Auswahl eines geeigneten Übertragungsmodus in der Trans- portschicht durch Anpassung an von einem verwendeten Transportprotokoll bereitgestellte Funktionalitäten, insbesondere netzwerkspezifische Priorisierungsmechanismen, entsprechend dem jeweiligen Priorisierungsprofil eines Datenpakets,
- Übertragung eines jeweiligen Datenpakets in dem jeweils ge- wählten Übertragungsmodus zur Empfängereinheit.
Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt eine
- empfängerseitige Reassemblierung der Informationssymbole eines empfangenen Datenpakets und Signalisierung eines Reas- semblier-Status zwischen der Transportschicht und der Applikationsschicht anhand des Priorisierungsprofils des empfangenen Datenpakets .
Dabei hat es sich als vorteilhaft im Hinblick auf die zur
Verfügung stehende Bandbreite erwiesen, wenn ein jeweiliges Priorisierungsprofil nicht senderseitig übertragen wird, sondern empfängerseitig implizit anhand des gewählten Übertragungsmodus eines empfangenen Datenpakets rekonstruiert wird.
Alternativ kann ein jeweiliges Priorisierungsprofil senderseitig auch explizit übertragen werden. Dies ist beispiels- weise dann von Vorteil, wenn eine optimierte Zuteilung von Dekodierressourcen erwünscht ist.
Indem ein einheitliches Priorisierungsprofil über die jeweiligen Informationssymbole eines Datenpakets generiert wird, kann der Signalisierungsaufwand begrenzt werden. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn die Struktur der Informationssymbole innerhalb verschiedener Datenpakete im wesentlichen kon- stant ist.
Soll hingegen eine möglichst flexible Optimierung erfolgen oder ändert sich die Priorität der Informationssymbole innerhalb verschiedener Datenpakete, so empfiehlt sich eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, wonach für jedes zu übertragende Datenpaket ein individuelles Priorisierungspro- fil über die jeweiligen InformationsSymbole dieses Datenpakets generiert wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung können auch nicht- priorisierte Applikationen effizient über die erfindungsgemäße Schnittstelle übertragen, indem ein Priorisierungsprofil mit konstanter Wichtigkeit oder Priorität über alle Informa- tionssymbole eines Datenpakets generiert wird. Dies erweist sich als vorteilhaft im Hinblick auf eine Rückwärtskompatibilität mit heutigen bekannten Verfahren.
Sofern die Applikation eine Mehrzahl von gemultiplexten Da- tenströmen bereitstellt, so wird nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung diesen gemultiplexten Datenströmen eine relative Wichtigkeit untereinander zugewiesen, woraus in Verbindung mit einem jeweiligen Priorisie- rungsprofil eines Datenstroms ein übergeordnetes Priorisie- rungsprofil einer Gesamtwichtigkeit für jedes zu übertragende Informationssymbol ermittelbar ist, anhand dessen die Auswahl eines geeigneten Übertragungsmodus in der Transportschicht erfolgt.
Es wird somit eine generische Schnittstelle geschaffen, die eine optimal an die Eigenschaften der z.B. Multimediadaten angepasste Nutzung der von unterschiedlichen Transportprotokollen bereitgestellten Funktionalitäten unterstützt. Dabei stellt die Applikation ein möglichst allgemeines Datenformat zur Verfügung. Die Transportschicht verpackt dann das Paket entsprechend ihrer Eigenschaften.
Mögliche Priorisierungs echanismen können hierbei beispielsweise das selektive Verwerfen von Paketen im Netz (z.B. bei überlasteten Knoten) oder die Anwendung unterschiedlich star- ker Fehlerschutzmechanismen sein.
Dabei erfolgt die Auswahl eines geeigneten Übertragungsmodus in der Transportschicht zum einen durch ein an das jeweilige Priorisierungsprofil eines Datenpakets angepasstes Fehler- schutzprofil mit unterschiedlich starken Fehlerschutzmecha- nisme .
Zum anderen erfolgt ein netzwerkspezifischer Priorisierungs- mechanismus in der Transportschicht durch ein an das jeweili- ge Priorisierungsprofil eines Datenpakets angepasstes selektives Verwerfen von Datenpaketen, insbesondere in Abhängigkeit von möglichen überlasteten Netzknoten eines Übertragungsnetzwerks .
Danach ist für die Erfindung wesentlich, dass die Priorität/Wichtigkeit der Daten innerhalb einer von der Applikation an die Transportschicht übergebenen PDU nicht konstant sein muss, sondern explizit signalisiert wird, d.h. die Wichtigkeit kann auch innerhalb einer Partition variieren (z.B. durch eine progressive Codierung) . Im extremsten Fall kann die relative Wichtigkeit jedes Bits an der Schnittstelle signalisiert werden. Andererseits können auch nicht-priorisierte Applikationen durch diese Schnittstelle einfach signalisiert werden, indem eine konstante Wichtigkeit für jedes Bit angeben wird, so dass eine Kompatibilität auch in Szenarien gewährleistet ist, in denen die Schnittstelle nicht genutzt wird.
Ein Priorisierungsprofil, z.B. eine „Wichtigkeit über Bit", kann für jede PDU variiert werden und somit ist auch eine zeitlich flexible Anpassung möglich. Dieses Prinzip der Schnittstelle kann auch die Priorisierung von gemultiplexten Multimedia-Applikationen unterstützen, d.h. den unterschiedlichen von der Multimedia-Applikation erzeugten Datenströmen wird zusätzlich eine relative Wichtigkeit untereinander zugewiesen. In Kombination mit dem Priorisierungsprofil ,Wichtigkeit über Bit' der einzelnen PDUs ergibt sich dadurch eine Gesamtwichtigkeit für jedes einzelne von der Multimedia- Applikation erzeugte Bit.
Das Priorisierungsprofil wird in der Regel nicht zum Empfän- ger übertragen, sondern dient der Signalisierung von Steuerungsinformation zwischen Applikations- und Transportschicht. Eine Ausnahme bilden hier Applikationen, in denen diese Wichtigkeitsinformation auch für den Empfänger interessant ist (z.B. für die Zuteilung der Decodierressourcen) .
Die Reassemblierung der Daten in der entsprechenden Empfängereinheit wird vorteilhafterweise implizit durch die gewählten Übertragungsmodi der Transportschicht geregelt. Treten dabei fehlende Segmente auf, so kann der Reassembliervorgang an dieser Stelle abgebrochen werden. Die resultierende (evtl. verkürzte) PDU zwischen Transport- und Applikationsschicht enthält dann im Header H eine Information über den Vollständigkeitsgrad der Payload PL.
Durch die Erfindung werden unter anderem folgende Vorteile erreicht : - die Übertragungseffizienz wird durch diese feingranulare Priorisierung verbessert, da die vom Netzwerk bereitgestellten Priorisierungsmechanismen optimal genutzt werden können.
- das Protokoll kann flexible Paketgrößen wählen und ist nicht durch die Applikation eingeschränkt.
- eine schnelle Ratenkontrolle und/oder ein verbessertes Buffermanagement ist möglich, da das Netzwerk selbständig aufgrund der Wichtigkeitsinformation entscheiden kann, welche und wie viele Informationssymbole oder Datenpakete verworfen werden.
- bei Applikationen, die neben Priorisierung auch partiell rekonstruierbare Datenblöcke unterstützen, kann der Teil bis zum ersten Übertragungsfehler innerhalb eines Datenpakets PDU zum Decoder der Anwendung weitergegeben werden, um zumindest eine Minimalqualität auch bei Verlusten im Übertragungsnetzwerk sicherstellen zu können.
Dies lässt sich im wesentlichen wie folgt zusammenfassen:
- Einführung einer definierten generischen Schnittstelle zwi- sehen Applikations- und Transportschicht im Sender zur Signalisierung der Wichtigkeitsinformation.
- Abstraktion der Transportschicht , d.h. die Transportschicht erhält keine semantische Information zu den Applikationsdaten (und benötigt sie auch nicht) . - Anpassung an die Eigenschaften der Transportschicht durch Wichtigkeitsinformation.
- Einführung einer definierten generischen Schnittstelle zwischen Transport- und Applikationsschicht im Empfänger zur Signalisierung des Reassemblier-Status einer PDU. - Ausnutzen von nicht vollständig rekonstruierbarer Information durch Weitergabe verkürzter PDUs .
Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich anhand der im folgenden dargestellten Ausführungsbeispiele und in Verbindung mit den Figuren. Es zeigt dabei jeweils in Prinzipskizze : Figur 1 einen beispielhaften Aufbau eines Datenpakets bestehend aus einem Header und einer Payload,
Figur 2 ein Beispiel einer möglichen Priorisierungsstruktur mit stückweise linearem Verlauf, Figur 3 ein Diagramm des zu Figur 2 gehörigen Priorisie- rungsprofils und
Figur 4 ein weiteres Diagramm eines Proirisierunsprofils einer Multimedia-Applikation.
Im folgenden soll nun die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Zunächst wird eine generische Syntax definiert, die dann anhand von Beispielen erläutert wird. Dazu wird zunächst das allgemeine Format einer PDU zwischen Applikations- und Transportschicht im Sender zugrunde gelegt, so wie es in Figur 1 gezeigt ist und bereits eingangs beschrieben wurde. Die Zahl der Informationssymbole innerhalb der Payload PL beträgt X, wobei die jeweils aktuelle Position mit x bezeichnet ist.
Nun soll im Header H zu den bereits bekannten Möglichkeiten zusätzlich eine Wichtigkeit W über jede Bitposition signalisiert werden (sog. n-band Signalisierung) .
Ein vereinfachtes Modell für diese Wichtigkeitsinformation kann dabei folgendermaßen aussehen:
Die maximale globale Wichtigkeit innerhalb der Applikation ist 1.
Die minimale globale Wichtigkeit innerhalb der Applikation ist 0.
Die Wichtigkeit der Applikation Wa im Vergleich zu anderen Applikationen ist 0 =< Wa =< 1.
Nun wird für jedes Payload-Symbol x, 1 =< x =< X, im Header H der PDU eine Information übergeben, die die Wichtigkeit des jeweiligen Symbols für die Applikation beschreibt. Diese kann von der Applikation festgelegt werden. Diese Wichtigkeit wird als W(x) bezeichnet, wobei 0 =< W(x) =< 1 gilt. Die Wichtigkeit könnte den Qualitätsverlust beschreiben, falls die Daten nur bis zur Stelle x am Empfänger ankommen. Ein Qualitätsverlust von 1 bedeutet Totalausfall, ein Qualitätsverlust von 0 bedeutet optimale Qualität (dies ist z.B. für Stuffingbits der Fall) .
Eine mögliche Syntax für die Realisierung in einer Programmiersprache dazu könnte folgendermaßen aussehen:
Class PriorityUnit { int Bit; double Priority; *PriorityUnit Next; }
// Beispielhaft realisiert mittels einer verketteten Liste
Class Transmit_Header
{
// includes all kinds of Information // sequence numbering, temporal reference, random access flag
// compare to MPEG-4 SL TimeStamp Ts; RandomAccessFlag Raf;
PacketSequenceNumber Psn; PacketLength Pl;
// and a field which signals the priority of the each bit PriorityUnit Priority; } Ein Beispiel einer solchermaßen möglichen Priorisie- rungsstruktur mit stückweise linearem Verlauf zeigt die Darstellung gemäß Figur 2 , in der eine verkettete Liste mit den Begriffen nach der oben eingeführten Syntax gezeigt ist. Dar- gestellt sind mehrere PriorityUnits Ul bis U6 mit jeweiligen Datenfeldern bestehend aus der jeweiligen Bitangabe, d.h. der Bitposition x innerhalb der Payload PL, der jeweiligen Priorität W(x) und einem Zeiger ZI bis Zβ auf die nächste PriorityUnit U1...U6. Das Ende der solchermaßen verketteten Struk- tur wird durch eine PriorityUnit mit dem Wert Null signalisiert. Die Länge der Payload PL beträgt X=10000.
Die Figur 3 schließlich zeigt ein Diagramm für die Wichtigkeit W(x) der Quellendaten entsprechend dem obigen Datenfor- mat in Form eines Priorisierungsprofils P.
Nun kann mit Hilfe dieser Information ein Übertragungsnetzwerk zwischen Sender- und Empfängereinheit eine entsprechende Anpassung an die zur Verfügung stehenden Priorisierungsmecha- nismen vornehmen, z.B. durch Verwendung eines ungleichmäßigen Fehlerschutzprofils .
Das allgemeine Format einer PDU zwischen Transport- und Applikationsschicht im Empfänger E besteht ebenfalls aus einem Header H und einem Payloadfeld PL (vgl. Figur 1) .
Die Payload PL enthält dabei die reassemblierten Teile eines Applikationspakets nach fallender Priorität W geordnet (diese sei dem Empfänger implizit durch den verwendeten Übertra- gungsmodus bekannt, z.B. durch die Verwendung verschiedener
Serviceklassen der unteren Schichten) .
Der Header H einer empfängerseitigen PDU kann beispielhaft folgendes Format haben:
Class Receive_Header { // indudes all kinds of Information // sequence numbering, temporal reference // at receiver side error indication TimeStamp Ts; PacketsequenceNumber Psn; PacketLength Pl;
// and a field which signals the completeness of the payload field
ShortenFlag ShF; // if set, the payload field contains only a partially co - plete data packet }
Ist während eines Reassembliervorgangs das Fehlen einzelner Segmente von Informationssymbolen eines Applikationspakets bekannt (z.B. durch eine Fehler-Indikation der unteren Protokollschichten) , so enthält die Payload PL nur die Datenblöcke bis zum Auftreten des ersten fehlenden Segments (sog. verkürzte Payload) . Zusätzlich wird im Header H der PDU ein sog. ShortenFlag gesetzt. Die Applikation kann nun selbst entscheiden, ob sie dieses unvollständige Datenpaket decodieren will oder nicht.
Im folgenden soll auf Basis der voranstehenden Informationen eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel einer Videocodierung mit einem Prioritätsprofil P für eine ausgewählte Videosequenz basierend auf der H.26L Spezifikation dargestellt werden.
Annahmen :
- Jeder Frame der Video-Sequenz erzeugt ein Paket, das Daten nach fallender Wichtigkeit geordnet enthält .
- Es sind sechs Partitionen vorgesehen, wobei die Koeffizien- tenpartitionen 4,5,6 progressiv codiert sind.
Partition 1: Ptype, MBtype, REFframe Partition 2: IntraPredMode, MVD Partition 3: CBP_Intra, LUM_DC_Intra, CHR_DC_Intra
Partition 4: LUM_AC_Intra, CHR_AC_Intra
Partition 5: CBP_Inter, LUM_DC_Inter, CHR_DC_Inter
Partition 6: LUM_AC_Inter, CHR_AC_lnter
Nun folgt ein Beispiel wie die Priorisierung in der Videopaketfolge ausschauen könnte . Die verwendete Syntax im folgenden ist: Bit bzw. x, Priorität bzw. W(x) ; Bit bzw. x, Priorität bzw. W(x) ; etc.
Frame 1 ist ein I-Frame und hat somit Partition 1, 2, 3, 4:
(1,1.0); (123, 1.0); (124,0.95); (896,0.95); (897,0.85); (2224,0.6); (5676,0.4);
Frame 2 ist ein P-Frame ohne Intra-Update und hat somit Partition 1, 2, 5, 6:
(1,0.7); (165,0.7); (166,0.6); (445,0.6); (789,0.6); (1258,0.4); (2314,0.2);
Frame 3 ist ein P-Frame mit Intra-Updates und hat somit Par- tition 1, 2, 3, 4, 5, 6:
usw.
Somit hat jeder Frame eine eigene Priorisierungsskala.
Ein anderes Anwendungsbeispiel stellt eine Multimedia- Anwendung mit einem Multiplex von Control-, Audio- und Videodaten in einer PDU dar.
Annahmen : - Controldaten C, Audiodaten AI, A2 und Videodaten V (video base layer) und VE (video enhancement layer) sind in einem Datenpaket PDU angeordnet .
- Control C kann nur gesamt oder gar nicht genutzt werden, darum ist Priorität W über den ganzen Control-Teil C konstant 1. Die globale Wichtigkeit ist 1, da der Verlust einen Totalausfall bedeutet.
- Audio AI, A2 kann gegebenfalls eine abfallende Wichtigkeit unterstützen (z.B. GSM Class 1 and Class 2) . Die globale Wichtigkeit W von Audio kann von der Applikation z.B. auf 0.8 festgelegt werden. Die Videodaten V, VE können wie oben codiert werden. Die globale Wichtigkeit ist im allgemeinen kleiner als bei den Audiodaten.
Nun entsteht ein Datenpaket PDU, das mehrere Applikationen enthält, aber ein gleiches Schema hat wie bereits eingeführt. Die Darstellung nach Figur 4 zeigt ein entsprechendes Priorisierungsprofil P für die Control-, Audio- und Videodaten mit unterschiedlichen Wichtigkeitsinformationen in Anlehnung an Figur 3.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel stellt eine Multimedia- Anwendung mit einem Multiplex von Control-, Audio- und Video- daten in separaten PDUs dar.
Annahme :
Die Multimedia-Anwendung erzeugt unterschiedliche Bitströme, z.B. zwei Videoströme , 2 Audioströme und einen Controlstrom. Jede PDU der unterschiedlichen Bitströme hat ein eigenes Prioritätsprofil P. Die Gesamtsteuerung der Multimedia-Anwendung weist nun jedem der Bitströme (ggf. auch zeitlich variierend) eine relative Wichtigkeit Wa (im Vergleich mit den anderen Bitströmen) zu. Die Gesamtwichtigkeit kann dann beispielweise durch Multiplikation der relativen Wichtigkeit mit dem ursprünglichen Prioritätsprofil p einer PDU bestimmt werden. Auf diese Weise kann demnach ein Prioritätsprofil auch in einer hierarchischen Form beschrieben werden.
Gegeben seien zu einem bestimmten Zeitpunkt die vier folgenden PDUs: V, AI, A2 und C mit ihren jeweiligen Proritätspro- filen P: V(xl) , Al(x2), A2(x3), C(x4). Zusätzlich seien als Steuerungsinformation folgende relativen Wichtigkeiten Wa=w gegeben :
w(C) = 1.0; w(Al) = 0.8; w(A2) = 0,6; w(V) = {(0, 0.5); (100;0,5); (101 ;0)}
Die Gesamtwichtigkeit Wg ergibt sich dann zu:
g(C) = C(x4) ; Wg(Al) = 0.8* Al(x2) ; Wg(A2) = 0,6* A2 (x3) ;
Wg(Vl) = {(0, 0.5* Vi (xl ) ) ; (1 00; 0,5* Vi (xl )); (1 01 ;0)}.
Dieses Anwendungsbeispiel ist insbesondere interessant für den Fall, dass einzelne Teilbitströme unabhängig im voraus codiert und lokal oder im Netzwerk abgespeichert wurden (zusammen mit dem Prioritätsprofil P der PDUs) . Beim Erstellen der Gesamtapplikation kann daher in der Regel nur noch die globale Priorität eines Teilbitstroms gesteuert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten (PDU) von einer Sendeeinheit (S) mit einer Applikation mit einem Quellcoder (Q) zu einer Empfangseinheit (E) über eine Schnittstelle mit einer Applikationsschicht und einer Transportschicht nach folgenden Verfahrensschritten:
- senderseitige Generierung eines Priorisierungsprofils (P) durch Signalisierung einer Wichtigkeitsinformation (W) oder Prioritätsinformation für jedes einzelne Informationssymbol oder für ein Segment von Informationssymbolen innerhalb eines zu übertragenden Datenpakets (PDU) bei der Übergabe von der Applikationsschicht an die Transportschicht,
- Auswahl eines geeigneten Übertragungsmodus in der Trans- portschicht durch Anpassung an von einem verwendeten Transportprotokoll bereitgestellte Funktionalitäten, insbesondere netzwerkspezifische Priorisierungsmechanismen, entsprechend dem jeweiligen Priorisierungsprofil (P) eines Datenpakets (PDU) , - Übertragung eines jeweiligen Datenpakets (PDU) in dem jeweils gewählten Übertragungsmodus zur Empfängereinheit (E) .
2. Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten (PDU) nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h folgenden weiteren Verfahrensschritt :
- empfängerseitige Reassemblierung der Informationssymbole eines empfangenen Datenpakets (PDU) und Signalisierung eines Reassemblier-Status zwischen der Transportschicht und der Ap- plikationsschicht anhand des Priorisierungsprofils (P) des empfangenen Datenpakets (PDU) .
3. Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten (PDU) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein jeweiliges Priorisierungsprofil (P) nicht senderseitig übertragen wird, sondern empfängerseitig implizit anhand des gewählten Übertragungsmodus eines empfangenen Datenpakets (PDU) rekonstruiert wird.
4. Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten (PDU) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein jeweiliges Priorisierungsprofil (P) senderseitig explizit übertragen wird.
5. Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten (PDU) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein einheitliches Priorisierungsprofil (P) über die jeweiligen Informationssymbole eines Datenpakets (PDU) generiert wird.
6. Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten (PDU) nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass für eine nicht-priorisierte senderseitige Applikation ein
Priorisierungsprofil (P) mit konstanter Wichtigkeit (W) oder Priorität über alle Informationssymbole eines Datenpakets (PDU) generiert wird.
7. Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten (PDU) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass für jedes zu übertragende Datenpaket (PDU) ein individuelles Priorisierungsprofil (P) über die jeweiligen Informationssym- bole dieses Datenpakets (PDU) generiert wird.
8. Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten (PDU) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Applikation eine Mehrzahl von gemultiplexten Datenströmen (C, AI, A2, V, VE) bereitstellt und diesen eine relative Wichtigkeit (Wa) untereinander zugewiesen wird, woraus in Verbindung mit einem jeweiligen Priorisierungsprofil (P) eines Datenstroms ein übergeordnetes Priorisierungsprofil einer Gesamtwichtigkeit für jedes zu übertragende Informationssymbol ermittelbar ist, anhand dessen die Auswahl eines geeigne- ten Übertragungsmodus in der Transportschicht erfolgt.
9. Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten (PDU) nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Auswahl eines geeigneten Übertragungsmodus in der Transportschicht durch ein an das jeweilige Priorisierungsprofil (P) eines Datenpakets (PDU) angepasstes Fehlerschutzprofil (F) mit unterschiedlich starken Fehlerschutzmechanismen erfolgt .
10. Verfahren zur paketorientierten Übertragung von Daten (PDU) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein netzwerkspezifischer Priorisierungsmechanismus in der Transportschicht in einem an das jeweilige Priorisierungsprofil (P) eines Datenpakets (PDU) angepassten selektiven Verwerfen von Datenpaketen (PDU) , insbesondere in Abhängigkeit von möglichen überlasteten Netzknoten eines Übertragungsnetzwerks, besteht.
PCT/DE2001/004939 2001-01-08 2001-12-28 Verfahren zur paketorientierten übertragung von daten zwischen einer applikation und einer transportschicht WO2002054700A2 (de)

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