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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Übertragungsanordnung für Telekommunikationsanlagen. Sie
ist besonders gut für
Telekommunikationssatelliten anwendbar.
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Telekommunikationssatelliten
werden in immer stärkerem
Maße zum
Senden von Inhalten an die Endnutzer eingesetzt. Dieser Inhalt kann
sich zum Beispiel auf das Senden von Fernsehprogrammen beziehen
oder auf eine Internet-Sitzung.
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Die
Erfindung findet allerdings auch Anwendung für andere Telekommunikationseinrichtungen, insbesondere
Einrichtungen am Boden.
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1 veranschaulicht
die Nutzung eines Telekommunikationssatelliten. Die mit S1, S2, S3 und S4 bezeichneten Elemente stellen 4 Bodenstationen dar,
das heißt
Telekommunikationseinrichtungen, welche die Aufgabe haben, als Bindeglied
zwischen einem oder mehreren Telekommunikationssatelliten und einem
(nicht dargestellten) terrestrischen Telekommunikationsnetz zu dienen.
Diese Bodenstationen können
Daten von und zu einem Telekommunikationssatelliten S senden beziehungsweise
empfangen.
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Diese
Daten sind in Form von Informationszellen strukturiert, die je nach
angewendetem Übertragungsprotokoll
mehrere Formen haben können. Eine
Menge von Informationszellen, die von einer Bodenstation zu einem
Telekommunikationssatelliten übertragen
wird, bildet einen aufsteigenden Nachrichtenstrom. Umgekehrt bildet
eine Menge von Informationszellen, die von einem Telekommunikationssatelliten
zu einer Bodenstation übertragen
werden, einen absteigenden Nachrichtenstrom.
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Diese
Nachrichtenströme,
seien sie nun aufsteigend oder absteigend, benutzen Kommunikationskanäle. Diese
Kommunikationskanäle
können
auf Anforderung einer Bodenstation aufgebaut werden, indem eine
dazugehörige
Bandbreite bestimmt wird, das heißt, indem das Volumen festgelegt
wird, welches die über
diese Kommunikationskanäle übertragenen
Nachrichtenströme
wahrscheinlich ausmachen werden.
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Auf 1 steilen
die mit TD und TR gekennzeichneten Elemente zwei aufsteigende Nachrichtenströme dar,
während
die mit TR1, TR2 und
TD1 gekennzeichneten Elemente drei absteigende
Nachrichtenströme
darstellen.
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Es
sei im Übrigen
daran erinnert, dass Telekommunikationssatelliten die Aufgabe der
Duplizierung von Nachrichtenströmen übernehmen
können. So
wird der Nachrichtenstrom TR im Innern des Telekommunikationssatelliten
S dupliziert, um zu zwei Bodenstationen S3 und
S4 in Form von zwei absteigenden Nachrichtenströmen TR1 und TR2 übertragen zu
werden.
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Man
kann zwei Typen von Nachrichtenströmen unterscheiden, die durch
einen Telekommunikationssatelliten verlaufen: Echtzeit-Nachrichtenströme und zeitverschobene
Nachrichtenströme.
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Im
Fall einer Internet-Sitzung handelt es ich bei den über das
Kommunikationsprotokoll HTTP (Hypertext Transfer Protocol) übertragenen
Multimedia-Nachrichtenübertragungen
um Echtzeit-Übertragungen,
das heißt,
der Nutzer wünscht
eine möglichst
kurze Zeitspanne zwischen der Anforderung eines Multimedia-Dokuments
und seiner Anzeige auf dem Bildschirm seines Kommunikations-Terminals. Dagegen
kann das Herunterladen eines Films von einem Server auf das Terminal
des Nutzers zeitverschoben erfolgen.
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Auf 1 sind
der aufsteigende Nachrichtenstrom TR und die absteigenden Nachrichtenströme TR1 und TR2 Echtzeit-Ströme. Der
aufsteigende Nachrichtenstrom TD und der absteigende Nachrichtenstrom
TD1 sind zeitverschobene Ströme.
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Diese
verschiedenen Nachrichtenströme können Übertragungsraten
haben, die im zeitlichen Verlauf nicht konstant sind. Daher werden
zur Vermeidung von Überlastungen
der Satellit und die Kommunikationskanäle für die maximal mögliche Übertragungsrate
ausgelegt, oder die Anzahl der zulässigen Nutzer wird entsprechend
der erforderlichen Übertragungsrate
ausgelegt, um die Nachrichtenströme
in Echtzeit und gleichzeitig transportieren zu können.
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Zum
Beispiel wird ein Echtzeit-Nachrichtenstrom im Allgemeinen einer
Bandbreite zugewiesen, die beim Aufbau des von diesem Nachrichtenstrom genutzten
Kommunikationskanals reserviert wurde. Nun hat aber, wie bereits
gesagt, dieser Echtzeit-Nachrichtenstrom zu einem gegebenen Zeitpunkt
nicht notwendigerweise dieselbe Übertragungsrate
wie die reservierte Bandbreite.
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Der
Echtzeit-Nachrichtenstrom kann beispielsweise zu einem Fernsehprogramm
gehören.
In diesem Fall ist es im Allgemeinen so, dass die verschiedenen
Sendungen des Fernsehprogramms unterschiedlich und mit unterschiedlichen
Qualitäten codiert
sind: Zum Beispiel sind Filme mit einer guten Qualität codiert,
welche die gesamte reservierte Bandbreite nutzt, während andere
Sendungen, für die
eine weniger gute Qualität
benötigt
wird, nur einen Teil nutzen.
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In
diesem Fall wird der nicht genutzte Teil durch sogenannte "Füllzellen" aufgefüllt, damit diese Unterbelegung
für die
verschiedenen Einrichtungen des Systems transparent ist.
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Es
wird folglich klar ersichtlich, dass die reservierte Bandbreite
in der Praxis nur selten erreicht wird, sodass ein bedeutender Teil
der Kapazität
der eingesetzten Anordnungen gar nicht vollständig genutzt wird.
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Folglich
stellt sich das Problem der zu geringen Kapazitätsausnutzung der Kommunikationssatelliten-Anordnungen,
und zwar insbesondere der absteigenden Kanäle.
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Eine
erste Lösung
besteht darin, eine Technologie des Typs ATM (Asynchronous Transfer
Mode; asynchroner Übertragungsmodus)
einzusetzen, um die Ressourcenausnutzung zu verbessern.
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Eine
solche Lösung
ist jedoch unbefriedigend.
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Die
im Satelliten zu verarbeitenden Übertragungsraten
zwingen nämlich
dazu, auf weltraumgestützte
Technologien des Typs ASIC (Application Specific Integrated Circuit;
anwendungsspezifische integrierte Schaltung) zurückzugreifen, für die die Speichergrößen sehr
stark begrenzt sind. Die im Satelliten ankommenden Zellen verweilen
dort gewissermaßen
nur für
eine sehr kurze Durchgangszeit, und um eine Überlastung der Speicher zu
vermeiden, muss der Nachrichtenstrom, bevor er gesendet wird, unbedingt
durch die Bodenstation kontrolliert werden. Bei dieser Lösung wird
vor dem Senden jedes Datenpaketes überprüft, dass die Ressource verfügbar ist.
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Dies
bedeutet folglich, dass am Boden spezielle Anlagen eingesetzt werden
müssen,
und das ist teuer.
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Lösungen nach
dem bisherigen Stand der Technik, wie beispielsweise die amerikanischen
Patente
US 6026092 oder
US 6091709 beschreiben Lösungen zur
Optimierung der Datenströme,
doch ihr Ziel ist es, die Übertragungszeiten
in den Netzeinrichtungen zu minimieren, und nicht, die Ausnutzung
der Ressourcen dieser Einrichtungen und der Übertragungsressourcen zu optimieren.
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Die
Erfindung hat sich daher zum Ziel gesetzt, das Problem der zu geringen
Ausnutzung der Ressourcen einer Telekommunikationseinrichtung wie
beispiels weise eines Satelliten zu lösen und gleichzeitig die Auswirkungen
auf diese Einrichtung und auf das Netz, zu dem sie gehört, zu minimieren.
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Ziel
der Erfindung ist folglich eine Übertragungsanordnung
für Telekommunikationseinrichtungen,
aufweisend:
- • eine Empfangsvorrichtung für Nachrichtenströme, wobei
der Nachrichtenstrom aus Nachrichtenzellen besteht, wobei einige
dieser Nachrichtenzellen leer sein können;
- • einen
Mischer, um die leeren Nachrichtenzellen zu erkennen und sie durch
wartende Zellen zu ersetzen;
- • eine
Sendevorrichtung, welche die Aufgabe hat, die Nachrichtenzellen
zu mindestens einer außerhalb
der Telekommunikationseinrichtung liegenden Empfangsanordnung zu
senden.
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Diese
Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem einen
Nachrichtenstrom-Analysator aufweist, um festzustellen, ob ein Nachrichtenstrom,
der von der Empfangsvorrichtung empfangen wurde, ein Echtzeit-Nachrichtenstrom oder
ein zeitverschobener Nachrichtenstrom ist, und um die Zellen der
zeitverschobenen Nachrichtenströme
in einer Massenspeichervorrichtung zu speichern, sowie dadurch,
dass der Mischer dafür
vorgesehen ist, die wartenden Zellen aus den in der Massenspeichervorrichtung
gespeicherten Zellen auszuwählen.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist ein Übertragungsverfahren, das folgende
Schritte aufweist:
- • Empfang eines Nachrichtenstroms,
wobei der Nachrichtenstrom aus Nachrichtenzellen besteht, wobei
einige dieser Nachrichtenzellen leer sein können;
- • Erkennung
von leeren Nachrichtenzellen;
- • Ersetzung
der leeren Nachrichtenzellen durch wartende Zellen;
- • Senden
der Nachrichtenzellen.
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Dieses
Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem die folgenden Schritte
aufweist:
- • Feststellung,
ob ein Nachrichtenstrom ein Echtzeit-Nachrichtenstrom oder ein zeitverschobener Nachrichtenstrom
ist;
- • Speicherung
der Zellen von zeitverschobenen Nachrichtenströmen in einer Massenspeichervorrichtung;
sowie
dadurch, dass die wartenden Zellen aus den in der Massenspeichervorrichtung
gespeicherten wartenden Zellen ausgewählt werden.
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Somit
werden im Rahmen einer Anwendung auf einen Telekommunikationssatelliten
die zeitverschobenen Nachrichtenströme vorläufig in einem Massenspeicher
abgelegt und ersetzen die leeren Zellen der Echtzeit-Nachrichtenströme in der
Weise, dass die Kapazität
der absteigenden Kanäle
maximal genutzt wird. Die Erfindung ermöglicht somit eine merkliche
Verbesserung der Leistungen des Kommunikationssatelliten.
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Die
Erfindung und ihre Vorteile werden beim Lesen der nachfolgenden
Beschreibung einer Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen
besser verständlich
werden.
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1,
die bereits erläutert
wurde, veranschaulicht den größeren Zusammenhang,
in dem die Erfindung zu sehen ist.
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2 stellt
einen der Erfindung entsprechenden Telekommunikationssatelliten
dar.
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3 ist
eine Detaildarstellung eines Mischers gemäß der Erfindung.
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2 stellt
einen Zusammenhang dar, in dem die Erfindung Anwendung finden kann.
Ein Telekommunikationssatellit S kann Nachrichtenströme unterschiedlicher
Art empfangen, das heißt
Echtzeit-Nachrichtenströme
Ftr oder zeitverschobene Nachrichtenströme Fdiff. Diese Nachrichtenströme werden
von einer an sich bekannten Empfangsvorrichtung R empfangen. Diese
Empfangsvorrichtung überträgt die empfangenen
Nachrichtenströme
sofort nach ihrem Empfang an einen Nachrichtenstrom-Analysator A,
der ihre Art bestimmt, das heißt, ob
sie zum Echtzeit-Typ oder dem zeitverschobenen Typ gehören.
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung ist jeder Nachrichtenstrom einer unterschiedlichen Trägerfrequenz
zugeordnet. Daher ist es für
die Nachrichtenstrom-Analyse
A einfach, die Art des empfangenen Nachrichtenstroms zu bestimmen,
indem einfach ihre Trägerfrequenz
betrachtet wird.
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Es
ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass dieser Nachrichtenstrom unterschiedlicher
Art sein kann. Es kann sich zum Beispiel um Daten-Nachrichtenströme oder
auch um Signalisierungs-Nachrichtenströme handeln.
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Nach
Abschluss dieser Analyse folgen die Nachrichtenströme in Abhängigkeit
von ihrer Art unterschiedlichen Wegen.
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Die
zeitverschobenen Nachrichtenströme Fdiff werden in einer Massenspeichervorrichtung
MM gespeichert. Zur Information sei gesagt, dass für ihre Größe ein Wert
in der Größenordnung
von etwa 2 Megabyte vorgesehen werden kann. Es kann sich insbesondere
um einen weltraumtauglichen Massenspeicher handeln, ähnlich jenen,
die im Zusammenhang mit Beobachtungssatelliten eingesetzt werden.
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Die
Echtzeit-Nachrichtenströme
werden dagegen direkt an einen Mischer M übertragen.
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Dieser
Mischer M ist in der Lage, die leeren Nachrichtenzellen in den an
ihn übertragenen
Echtzeitströmen
zu erkennen. Wie bereits zuvor gesagt, können Echtzeitströme nämlich leere
Zellen ("Füllzellen") enthalten, die
der Abweichung zwischen der tatsächlich
benötigten Übertragungsrate
und der reservierten Bandbreite entsprechen.
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Eine
Verbindungsvorrichtung L ist dafür
vorgesehen, in der Massenspeichervorrichtung MM gespeicherte Zellen
an den Mischer M zu übertragen.
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Die
Aufgabe des Mischers besteht dann darin, die leeren Nachrichtenzellen,
die er erkannt hat, über
die Verbindungsvorrichtung L durch Nachrichtenzellen aus der Massenspeichervorrichtung
MM zu ersetzen.
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3 illustriert
die Funktionsweise des Mischers M genauer.
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Auf
dieser Abbildung ist ein Echtzeit-Nachrichtenstrom FTR dargestellt,
der sich aus einer Folge von Nachrichtenzellen C1,
C2, C3, C4, C5, ... Cn zusammensetzt.
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Ein
anderer zeitverschobener Nachrichtenstrom Fdiff wird
direkt in der Massenspeichervorrichtung MM gespeichert. Diese Massenspeichervorrichtung
enthält
Nachrichtenzellen P1, P2,
... Pm, die zu diesem zeitverschobenen Strom
gehören.
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Der
Mischer M hat als Eingang diese beiden Nachrichtenströme, und
sein Ausgang ist ein neuer Nachrichtenstrom Fout,
der auf dem Echtzeit-Nachrichtenstrom basiert. Jede Nachrichtenzelle
des Echtzeit-Nachrichtenstroms, die leer war (in 3 nicht
schraffiert dargestellt) wird durch eine Nachrichtenzelle ersetzt,
die zuvor in der Massenspeichervorrichtung gespeichert war.
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Somit
besteht der Ausgangs-Nachrichtenstrom Fout aus
Nachrichtenzellen C1, P1 (weil
C2 leer ist), C3,
C4, P2 (weil C5 leer ist), ... Cn.
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Man
stellt fest, dass die Übertragung
des Echtzeit-Nachrichtenstroms durch diesen Mechanismus in keiner
Weise verzögert
wird und dass in der Tat die Übertragung
des zeitverschobenen Nachrichtenstroms in einer für ihn vollkommen
transparenten Weise erfolgt.
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Wie
in 2 dargestellt, wird der Ausgangs-Nachrichtenstrom
anschließend
an eine Sendevorrichtung E geschickt, welche die Nachrichtenzellen
an eine Empfangsanordnung sendet, die sich außerhalb des Telekommunikationssatelliten
selbst befindet (typischerweise eine Bodenstation, es kann sich
aber eventuell auch um einen anderen Telekommunikationssatelliten
handeln, wie beispielsweise im Rahmen einer Satellitenkonstellation).
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung verfügt
der Mischer M über
Vorrichtungen, um die wartenden Zellen nach zeitlichen Steuerungsregeln auszuwählen. Daher
ist es möglich,
eine zeitliche Steuerung für
jeden zeitverschobenen Nachrichtenstrom zu definieren. Diese zeitliche
Steuerung ist typischerweise ein Sendedatum.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass es einfach ist,
eine Ausstrahlung der zeitverschobenen Nachrichtenströme zu mehreren
Empfängern
zu realisieren. Eine Funktion dieser Art ist unter der englischen
Bezeichnung Multi-Casting bekannt.
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Die
zu zeitverschobenen Nachrichtenströmen gehörenden Nachrichtenzellen werden
nämlich in
der Massenspeichervorrichtung MM gespeichert. Daher können sie
vom Mischer M mehrmals gelesen und von der Sendevorrichtung E an
mehrere Empfänger
gesendet werden.
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Es
ist daher nicht notwendig, dieselbe Nachrichtenzelle mehrmals von
einer Bodenstation zum Telekommunikationssatelliten S zu senden:
Die Duplizierung erfolgt direkt im Telekommunikationssatelliten.
Folglich wird eine bedeutende Einsparung der Bandbreite für die aufsteigenden
Ströme
erzielt.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung weist der Telekommunikationssatellit zusätzlich eine
Vorrichtung D auf, um die in der Massenspeichervorrichtung MM gespeicherten
Nachrichtenzellen zu löschen.
Seine Aufgabe besteht darin, zu verhindern, dass diese Massenspeichervorrichtung
MM vollständig
gefüllt
wird.
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Normalerweise
wird diese Löschvorrichtung D
einfach für
eine gegebene Nachrichtenzelle dann zur Anwendung gebracht, wenn
diese an die eine oder mehrere Empfangsanordnungen) (Bodenstation,
anderer Satellit, ...) gesendet worden ist.
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Im
Fall einer Übertragung
zu einem einzigen Empfänger
wird die Nachrichtenzelle gelöscht,
sobald sie zum ersten Mal von der Verbindungsvorrichtung L gelesen
wurde.