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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum optimalen Betrieb eines eng
gekoppelten Funknetzwerks mit verschiedenen Netzwerktechnologien
und eine entsprechende Vorrichtung für ein Netzelement, bei dem/der
auch gleichzeitig Verbindungen zu mehreren Mobilfunknetzen gehalten
bzw. Daten gleichzeitig über
verschiedenen Transceiver empfangen, verarbeitet und gesendet werden.
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Die
Entwicklung von drahtlosen Zugangstechnologien für mobile Telekommunikation
ist durch ein zunehmendes Angebot an differenzierten Technologien
gekennzeichnet. Diese decken jeweils einen bestimmten Bereich des
Spektrums an Eigenschaften wie z.B. Bandbreite oder Reichweite ab. GSM
beispielsweise bietet eine große
Flächenabdeckung,
kann jedoch nur geringe Datenübertragungsraten
erzielen. Andere Technologien, z.B. WLAN, decken nur eine vergleichsweise
geringe Fläche
ab (bilden also sog. hot-spots), können jedoch deutlich höhere Datenübertragungsraten
erzielen. Mobilfunkendgeräte
nach dem heutigen Stand der Technik können mehrere Transceiver enthalten
und bei entsprechender technischer Ausgestaltung auch gleichzeitig
Verbindungen zu mehreren Mobilfunknetzen halten. Auf diese Weise
können
Daten gleichzeitig über
verschiedenen Transceiver empfangen, verarbeitet und gesendet werden.
Derartige Geräte
nennt man auch Multi-Mode Terminals. Ein konkretes Szenario für die Nutzung
solcher Endgeräte
ist die gleichzeitige Nutzung von GSM, bspw. zum Führen eines Telefonates,
und WLAN, bspw. zum Download einer Datei.
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Solche
Endgeräte
können
auch als rekonfigurierbare Terminals ausgestaltet sein, d.h. die
Technologie der Transceiver basieren auf Software Defined Radio
(SDR). Die Auswahl der unterstützten
Radio Access Technologien, künftig
auch RATs genannt, kann auch zur Laufzeit getroffen werden. Ein Multi-Mode SDR-Terminal
kann daher nahezu beliebige Kombinationen von RATs gleichzeitig
nutzen. Einschränkungen
bei den möglichen
Kombinationen ergeben sich natürlich
durch mögliche
gegenseitige Störungen
bei gleichzeitiger Nutzung verschiedener RATs, die auf Überschneidungen
der Frequenzbereiche zurückzuführen sind.
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Viele
Anwendungen, insbesondere im Multimedia-Bereich, erfordern große Bandbreiten,
um in wirklich guter Qualität
vom Benutzer wahrgenommen werden zu können Die Verfügbarkeit
solcher Mobilfunknetze mit hoher Datenübertragungsrate wird jedoch
oft auf sog. hot-spots, d.h. räumlich
begrenzte Gegenden, beschränkt
sein. In vielen Fällen
ist es jedoch wünschenswert,
außerhalb
dieser hot-spots, das sind typischerweise die Zentren großer Städte, Flughäfen usw.,
wenigstens eine eingeschränkte Nutzungsmöglichkeit
zur Verfügung
zu haben. Das kann bedeuten, dass beispielsweise wenigstens der Ton
einer Videokonferenz zur Verfügung
steht, der Videostrom in eingeschränkter Qualität übertragen wird,
oder eine „Augmented
Reality"-Anwendung
zumindest noch mit einem eingeschränkten Datensatz versorgt werden
kann, der eine weniger detailgetreue Darstellung bietet.
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Die
oben beschriebenen Multi-Mode Terminals können zwar von den verschiedenen
Technologien Gebrauch machen und daher je nach Angebot die entsprechend
RATs nutzen, jedoch erfordert der Wechsel von einer Technologie
zur anderen – auch als „vertikaler
Handover" bezeichnet – in Verbindung mit
der notwendigen Adaption der Anwendung und der Datenquelle eine
gewisse Zeit. Daher führt
ein solcher Handover zwischen den verschiedenen Technologien in
der Regel zu einer Beeinträchtigung der
Service-Qualität.
Das ist insbesondere bei Anwendungen der Fall, in denen Echtzeitanforderungen wichtig
sind. Beispiele dafür
sind Video-Konferenzen, Video-Streaming,
oder auch die Übertragung
von Daten für
Augmented Reality Anwendungen.
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Die
hier dargestellte Erfindung geht von einer engen Kopplung zweier
Radiotechnologien aus. Solche Kopplungsarten sind z.B. in
http://www.sdrforum.org/MTGS/mtg
30 sep02/02 i 0047 v0 00 moy hedin 09 06 02.pdf
(Seite 26–29) diskutiert
worden.
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Die
der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, ein
Verfahren zum optimalen Betrieb eines eng gekoppelten Funknetzwerks
mit verschiedenen Netzwerktechnologien und eine entsprechende Vorrichtung
für ein
Netzelement anzugeben, bei dem/der in Abhängigkeit von der lokalen Verfügbarkeit
der verschiedenen Netzwerktechnologien am Standort des Terminals
die zur Verfügung
stehenden Netzwerke optimal genutzt werden, um die jeweils bestmögliche Qualität des Dienstes
dem Nutzer zu ermöglichen
und bei der Unterbrechungen durch Handover vermieden, bzw. deren
Auswirkungen miniert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst. Die
weiteren Ansprüche
betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die
Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass eine Aufspaltung des
Datenstroms direkt im Radio Access Netzwerk eines Mobilfunknetzes
bewirkt wird, wobei eine unmittelbare Zuordnung der Datenpakete
zu den Funkverbindungen erfolgt, ohne dass ein zusätzliches
Routing auf IP-Ebene erforderlich ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei
zeigt
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1 eine
Darstellung zur Erläuterung
der Erfindung im Falle von sehr eng gekoppelten Funknetzen,
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2 eine
Darstellung zur Erläuterung
der Erfindung im Falle von eng gekoppelten Funknetzen und
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3 eine
Darstellung zur Erläuterung
der Aufspaltung des Datenstromes im Falle von eng gekoppelten Funknetzen.
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Die
Erfindung setzt die Verwendung eines Multi-Mode-Endgeräts voraus,
wobei das Endgeräts SDR-Transceiver
oder aber auch nicht konfigurierbare Transceiver enthalten kann.
Die Ausgestaltung des Endgeräts
mit SDR-Transceivern bietet jedoch besondere Vorteile.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung, mit einem sehr eng gekoppelten Mobilfunknetzwerk, in
dem zwei Radiotechnologien FI und FII auf der Ebene des Radio Access
Netzwerkes (RAN) miteinander verbunden sind und über eine gemeinsame Einheit
RNC für
das Radio-Ressource-Management verfügen. Diese wird in Anlehnung an
die Terminologie des UMTS-Standards Radio Network Controller RNC
genannt. In derartig stark integrierten Netzen wird das Radio-Ressource-Management für die verschiedenen
Radio-Technologien durch eine gemeinsame Einheit, eben den RNC,
vorgenommen.
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Erfindungsgemäß wird dieses
Netzwerkelement RNC zusätzlich
mit einem so genannten „adaptiven
Radio Multi Homing Controller" aRMHC
zur Durchführung
eines so genannten „adaptiven
Radio Multi Homings",
künftig
kurz „aRMH" genannt, ausgestattet,
wobei dieser folgende Aufgaben übernimmt:
- a) Aufteilung des für ein Endgerät bestimmten
Datenstroms auf eine oder mehrere RATs. Die Datenpakete werden dabei
direkt verschiedenen Radioverbindungen zugeteilt. Die Aufteilung
des Datenstroms kann dabei bspw. auf Eigenschaften des Datenstroms
beruhen, die durch Standards des Datenformats vorgegeben sind, oder
auf speziellen Markierungen, die die Datenquelle einfügt, um eine
sinnvolle Aufteilung des Datenstroms zu ermöglichen. Die Aufteilung des
Datenstroms kann dabei auch so erfolgen, dass Datenpakete gleichzeitig über verschiedene
RATs an das Endgerät
geschickt werden.
- b) Überwachung
der dem Endgerät
zur Verfügung stehenden
RATs anhand der Messberichte über verfügbare Radiotechnologien
und Netze des Endgeräts
und Fällen
einer Entscheidung, welche davon in der aktuellen Situation genutzt
werden.
- c) Bei rekonfigurierbaren Terminals: Steuerung und Initiierung
der Rekonfiguration, wenn das Endgerät diese für die Nutzung von aRMH benötigt.
- d) Initiierung und Beenden von Radioverbindungen, wenn diese
für aRMH
benötigt,
bzw. nicht mehr benötigt
werden.
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In
Verbindung mit Multi-Mode-Endgeräten kann
mit dieser Vorrichtung aRMHC eine unterbrechungsfreie Nutzung von
Diensten erfolgen, denen skalierbaren Datenströme zugrunde liegen. Skalierbare
Datenströme
sind solche, bei denen ein Teil des Stroms abgespalten werden kann
und dennoch die Anwendung, die den Datenstrom empfängt, eine sinnvolle
Verwendung für
den Teilstrom hat. D.h. auch bei Empfang des Teilstroms kann dem
Nutzer der Anwendung eine sinnvolle Dienstnutzung geboten werden.
Ein Beispiel dafür
ist Augmented Reality. Der Teilstrom liefert eine Basisdarstellung
mit reduzierter Qualität
verglichen mit dem vollen Datenstrom. Weniger wichtige Daten auf
deren Darstellung mit vertretbarem Qualitätsverlust verzichtet werden kann,
sind nicht Bestandteil des Teilstroms.
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Zusätzlich zur
Vorrichtung aRMHC im RNC ist eine Einheit im Endgerät MS vorhanden,
die die aufgespaltenen Datenströme
wieder zusammenführt und
der Applikation bereitstellt. Auf diese Weise muss der Applikation
nicht bekannt sein, dass der Datenstrom bei der Übertragung zum Terminal aufgespalten
worden ist.
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Die
Funktionsweise der Vorrichtung aRMHC wird dabei anhand der folgenden
Fälle näher beschrieben:
Der
Einfachheit halber beschränkt
sich das Ausführungsbeispiel
hier nur auf die Nutzung zweier Radio Access Netzwerke FI und FII,
ist jedoch auch im Zusammenhang mit mehreren Funknetzen durchaus verwendbar.
Das Netz FI ist bspw. ein Mobilfunknetz mit eher geringer Bandbreite,
z.B. GSM, UMTS, und das Netz FII ist hingegen, bspw. ein Funknetz
mit hohen Datenübertragungsraten,
idealer Weise eine hot-spot Technologie wie WLAN.
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Initiierung
der Nutzung von aRMH
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Die
Nutzung von aRMH kann durch das Endgerät, die Datenquelle oder aber
durch den aRMHC selbst initiiert werden. Die Initiierung wird in
den beiden ersten Fällen
durch eine Signalisierung mit dem RNC eingeleitet. Für einen
Datenstrom wird auf diese Weise festgelegt, dass er mittels der
Vorrichtung aRMH zum Endgerät übertragen
werden soll. In diesem Fall wird die Zuordnung der Datenpakete zu
den durch den Controller RNC kontrollierten Radiotechnologien durch
die Vorrichtung aRMHC übernommen.
Im letzteren Fall gibt die Datenquelle selbst, durch Markierung
der Datenpakete, Hinweise zur Aufspaltung des Datenstroms. Alternativ
kann die Vorrichtung aRMHC in manchen Fällen bereits aufgrund der Kenntnis
des genutzten Datenformats, also ohne besondere Unterstützung durch
die Datenquelle, solche Aufspaltungen vornehmen. Das ist beispielsweise
der Fall bei skalierbaren Videostreaming-Datenformaten.
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Für den Fall,
dass nur das Netz FI verfügbar ist,
wird der für
das Netz FI verfügbare
Teil durch die Vorrichtung aRMHC abgespalten und über das
Netz FI zum Terminal geschickt. Der Rest des Datenstroms wird hingegen
verworfen bzw. nicht an das Endgerät geschickt.
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Für den Fall
dass beide Netze FI und FII verfügbar
sind und das Endgerät
augenblicklich nur das Netz FI nutzt, stellt die Vorrichtung aRMHC
anhand der Messberichte des Endgeräts MS fest, dass das Netz FII
verfügbar
ist. Daraufhin initiiert die Vorrichtung aRMHC eine Radioverbindung
mit dem Endgerät,
eventuell nach vorheriger Rekonfiguration. Besteht die zusätzliche
Verbindung über
das Netz FII, wird der Datenstrom entsprechend der geänderten Verfügbarkeit
der Radiotechnologien aufgespalten. D.h. der für das Netz FII bestimmte Teil
wird abgespalten und über
das Netz FII zum Endgerät
MS geschickt.
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Endgerät kommt
in den Bereich eines hot-spots
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Ein
Dienst wird im Bereich des Funknetzes FI genutzt. Die Datenquelle
liefert einen Datenstrom, der für
Funknetz I passend ist oder aber einen Datenstrom, dessen Datenpakete
derart markiert sind, dass im Falle der Verfügbarkeit von FI der hierfür markierte
Teil des Stroms abgespalten werden kann. Aufgrund der Measurement
Reports des Endgeräts MS
erkennt der RNC die Verfügbarkeit
des hot-spots bzw. des Funknetzes FII. Der aRMHC initiiert die Nutzung
von FII durch das Endgerät
MS. Bei rekonfigurierbaren Terminals kann das die Rekonfiguration
eines der Transceiver beinhalten. Die Datenquelle wird adaptiert,
wenn nicht ohnehin schon die Daten für das Netz FII geliefert werden.
Der aRMHC spaltet gemäß der Markierungen
im Datenstrom oder anhand applikations-spezifischer Kriterien den
Datenstrom auf. Die Netze FI und FII werden zu Übertragung jeweils eines Teils
des Datenstroms genutzt. Dabei können
Teile der Daten auch über
beide Technologien übertragen
werden.
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Endgerät verlässt den
Bereich eines hot-spots
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Der
Controller RNC erkennt aufgrund der Measurement Reports, dass das
Netz FII nicht mehr zur Verfügung
steht. Aufgrund der zeitlichen Dauer des Ausfalls der Radioverbindung,
geographischer Information etc, kann darauf geschlossen werden, dass
das Endgerät
den Einzugsbereicht des Netzes FII dauerhaft verlassen hat. Die
Versorgung des Netzes FII mit Daten durch den Controller RNC wird
eingestellt. Es werden nur noch die Daten für das Netz FI vom Datenstrom
abgespalten und über
das Netz FI an das Endgerät
MS geschickt. Bei adaptiven Datenquellen signalisiert die Vorrichtung
aRMHC der Datenquelle, dass die Daten für das Netz FII nicht mehr benötigt werden.
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Funkloch innerhalb
eines hot-spots
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Der
RNC erkennt aufgrund der Measurement Reports, dass das Netz FII
nicht mehr zur Verfügung
steht. Aufgrund der zeitlichen Dauer des Ausfalls der Radioverbindung,
geographischer Information etc, kann darauf geschlossen werden,
dass das Endgerät
den Einzugsbereich des Netzes FII nicht dauerhaft verlassen hat.
Ein Aufspalten des Datenstroms in die Anteile für die Netze FI und FII wird
daher fortgesetzt, so dass das Terminal, sobald es wieder in den
Bereich des Netzes FII kommt, sofort wieder beide Datenströme empfangen
und nutzen kann. In dieser Situation erfolgt selbst bei unvorhergesehener
Unterbrechung des Netzes FII keine Unterbrechung der Datenversorgung
des Endgeräts.
Es entfallen lediglich die zusätzlichen
Daten über
das Netz FII.
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Alternativ
zu dem oben ausgiebig dargestellten Fall der sehr engen Kopplung
der Mobilfunknetzwerke kann die hier beschriebene Erfindung auch
für den
Fall einer lediglich engen Kopplung der Mobilfunknetzwerke ausgeführt werden.
Dieser Fall erfordert jedoch eine Modifikation des oben beschriebenen
Verfahrens.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel der
Erfindung für
den Fall etwas weniger engen Kopplung der beiden Mobilfunknetzwerke.
In diesem Fall wird für
jede Technologie eine eigene Einheit analog zum RNC für die Kontrolle
des Radio-Netzwerkes verwendet. Im dargestellten Beispiel ist die Einheit
für das
WLAN-Netzwerk als IWU (Interworking Unit) bezeichnet.
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In
diesem Fall ist die Erfindung so ausgeführt, dass die Vorrichtung in
beiden Einheiten vorhanden ist. Eine der beiden Vorrichtungen aRMHC und
RMHC', im Regelfall
der aRMHC im Controller RNC, übernimmt
dabei die Führungsrolle
(primärer aRMHC)
und trifft die oben dargestellten Entscheidungen. Die zweite Vorrichtung
aRMHC' im IWU übernimmt
dann die Aufgabe diese Entscheidungen im zweiten Funknetz FII umzusetzen
und dient als Ansprechpartner für
die erste Vorrichtung aRMHC.
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In 3 ist
beispielhaft ein Datenstrom bzw. dessen Behandlung für dieses
zweite Ausführungsbeispiel
zeigt, wobei hier nur der Fall, dass beide Funknetzwerke gleichzeitig
verfügbar
sind, dargestellt wird. Der Datenstrom wird dabei zuerst zur Vorrichtung
aRMHC des Controllers RNC geleitet, dort werden die notwendigen
Entscheidungen getroffen, der Datenstrom gespalten und zum Teil
dupliziert. Der für
das WLAN bestimmte Teil wird an die Einheit IWU weitergeleitet,
wo die dortige Vorrichtung aRMHC' die
weitere Behandlung übernimmt.
Der mit A gekennzeichnete Teil des Datenstroms enthält in diesem
Beispiel die notwendigen Basisinformationen, auf deren Grundlage
alleine die Anwendung eine sinnvolle Nutzung des Datenstroms vornehmen kann.
Der mit B gekennzeichnete Teil des Datenstroms, bei dem durch die
größere Breite
auch gleichzeitig ein größerer Bedarf
an Bandbreite angezeigt wird, enthält Zusatzinformationen. Der
Dienst kann daher auch ohne Empfang dieses Anteils B genutzt werden.
Aus diesem Grund wird der Anteil A dupliziert und über beide
Technologien verschickt. Damit kann eine höchstmögliche Ausfallsicherheit erreicht
werden. Dies entspricht der Vorgehensweise wie im Fall der sehr
eng gekoppelten Netzwerke. Generell können auch im Fall der eng gekoppelten
Netzwerke die gleichen Strategien zum Datensplitting verwendet werden,
wie bei sehr eng gekoppelten Netzwerken.
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Die
anderen Fälle,
die oben für
die sehr eng gekoppelte Netze beschrieben wurden, werden auch in
diesem Fall analog behandelt, jedoch ist jeweils ein Zusammenspiel
der beiden Vorrichtungen aRMHC und aRMHC' notwendig. Für die Bestimmung der primären Vorrichtung
ist es am vorteilhaftesten, dasjenige Netzwerk zu verwenden, mit
dem die voraussichtlich dauerhafteste Verbindung besteht, in diesem
Fall bspw. das UMTS-Netz. Durch die jeweils untergeordnete Vorrichtung,
also hier bspw. die Vorrichtung aRMHC', ist eine Datensenke vorhanden, wenn
die Verbindung zum Terminal nicht mehr besteht, und sind Measurement
Reports an die primäre
Vorrichtung aRMHC weiterleitbar, die dieser Vorrichtung das Treffen
von Entscheidungen erlauben.
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Die
Aufgabe des Adaptions-Proxies ist in der primären Vorrichtung aRMHC lokalisiert.
Zusätzlich besteht
jedoch die Möglichkeit
der Relokation der primären
Vorrichtung, wenn dies sinnvoll ist, z.B. wenn das Netzwerk, in
dem die Vorrichtung aRMHC sich befindet, nicht weiter vom Endgerät genutzt
werden kann. In diesem Fall wird die Rolle der primären Vorrichtung
an eine andere Vorrichtung, bspw. an die Vorrichtung aRMHC' übertragen.
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Für das Terminal
ergeben sich keine Änderungen
bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Vorteile
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Das
hier vorgeschlagene Verfahren verwendet eine Aufspaltung des Datenstroms
direkt im Radio Access Netzwerk von Mobilfunknetzen, wobei eine
unmittelbare Zuordnung der Datenpakete zu den Radio-Verbindungen
erfolgt, ohne dass ein zusätzliches
Routing auf IP-Ebene erforderlich ist. Auf diese Weise ist es im
Gegensatz zu Techniken, bei denen die Aufspaltung server-seitig
im Sinne von IP-Multihoming, also unter Verwendung verschiedener
IP-Adressen für
die betroffenen Radio-Interfaces erfolgt, möglich, auch Echtzeitanforderungen
zu erfüllen.
Damit ist die vorgeschlagene Funktion auch für Anwendungen einsetzbar, bei
denen stark unterschiedliche Verzögerungszeiten, wie sie beispielsweise
im Fall von IP-Multihoming, vorkommen können, nicht tolerabel sind.
Typische Anwendungsfälle sind
dabei Augmented Reality oder real-time Video-Streaming.
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Im
Gegensatz zu herkömmlichen
Vorgehensweisen kann die Durchführung
eines ungeplanten Handovers mit den damit verbundenen Nachteilen
in vielen Situationen völlig
vermieden werden. Die Verfügbarkeit
eines Mobilfunknetzwerkes mit hoher Übertragungsbandbreite, also
eines hot-spots, kann durch das vorgeschlagene Verfahren genutzt
werden, um die durch den Benutzer wahrgenommene Qualität deutlich
zu verbessern.
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Weiterhin
muss die Datenquelle bei der Übertragung
von Daten zum Endgerät
nicht selber adaptiv sein. Diese Funktionalität kann auf die beschriebene
Weise von der Vorrichtung aRMHC übernommen
werden, die auf diese Weise als Adaptationsproxy für die Datenquelle
agiert. Es genügt,
wenn die Datenquelle mögliche
sinnvolle Aufspaltungsweisen des Datenstroms durch Markierungen
anzeigt, oder ein Datenformat verwendet, bei dem aus dem Format
selber eine solche Aufteilung ersichtlich ist.