EP3797482A1 - Fehlerkorrekturverfahren für unidirektionalen datentransfer - Google Patents

Fehlerkorrekturverfahren für unidirektionalen datentransfer

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EP3797482A1
EP3797482A1 EP19745995.1A EP19745995A EP3797482A1 EP 3797482 A1 EP3797482 A1 EP 3797482A1 EP 19745995 A EP19745995 A EP 19745995A EP 3797482 A1 EP3797482 A1 EP 3797482A1
Authority
EP
European Patent Office
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data
forward error
coding
error protection
communication channels
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19745995.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tiago Gasiba
Matthias Seifert
Martin Wimmer
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Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
Publication of EP3797482A1 publication Critical patent/EP3797482A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
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    • H04L1/004—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using forward error control
    • H04L1/0041—Arrangements at the transmitter end
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    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/0001—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff
    • H04L1/0009—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff by adapting the channel coding
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    • H04L1/004—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using forward error control
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    • H04L1/004—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using forward error control
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    • H04L2101/00—Indexing scheme associated with group H04L61/00
    • H04L2101/60—Types of network addresses
    • H04L2101/618—Details of network addresses
    • H04L2101/663—Transport layer addresses, e.g. aspects of transmission control protocol [TCP] or user datagram protocol [UDP] ports

Definitions

  • a common method of transmitting data over a communication channel uses backward error correction.
  • the data to be transmitted are contained in a file, the file being divided into several parts; and the sections are each transmitted by means of a method according to one of the preceding claims.
  • the sections can be transmitted simultaneously.
  • the file can, for example, be divided into successive sections and the sections can be transmitted interleaved. In this way, a sliding window can be formed at each section, in which data is transferred.
  • the windows of the sections can be moved over the data to the same extent. This can be particularly advantageous in the case of a very large file.
  • the communication channel can be connected to the interfaces by means of a data diode in order to prevent the receiver from sending data to another location.
  • a data diode To protect the receiving device, an incoming data slide can be provided, which prevents data from being sent.
  • Figure 3 represent a variant of the method.
  • the data memory 120 is set up for storing a file or before given structured data which are to be transmitted to the receiving device 110.
  • the data storage 120 can also be replaced by an interface via which data to be transmitted can be obtained.
  • the data diode 140 is set up to convey data only in a predetermined direction, which is indicated by the direction of the arrow in FIG. 1.
  • the symbol of a diode borrowed from electrical engineering, shows that an information flow against the direction of the arrow is prevented.
  • Such communication is also called simplex communication.
  • a dedicated commercial solution can be used to implement a data diode 140.
  • a network logger can be used, which can provide data to the communication channel unidirectionally and without feedback.
  • Such a device is also known as a "data capture unit".
  • the data diode 140 and the interface 135 are interchanged in their positions.
  • the processing device 132 preferably comprises a programmable microcomputer or microcontroller and is set up to control components of the transmission device 105.
  • the processing device 132 can also include one or more of the further elements of the transmission device 105.
  • data to be transmitted is first demultiplexed by the transmitting device 105 and then encoded.
  • coding can also be carried out first and then demultiplexing.
  • the elements 125 and 130 can be interchanged in their positions in the transmitting device 105; between them, only one connection is required instead of several as shown.
  • Demultiplexing and coding on the part of the transmitting device 105 and decoding and multiplexing on the part of the receiving device 110 may be coordinated with one another.
  • Demultiplexing involves merging fragments into a file or data stream.
  • the decoding includes the removal of redundant information that has been added to the transmitting device 105 at least. It is preferably first checked on the basis of checksums over certain portions of data whether a defect in the data has occurred during the transmission. Errors can usually be determined for a section up to a first predetermined number of defective bits. Errors up to a second predetermined number of bits can also be repaired, the second number usually being less than the first.
  • decoding can also be suspended until the received data is used. For this purpose, the preferably demultiplexed but not yet decoded data can first be stored in the data memory 120. If the data is to be accessed, the required decoding can be carried out immediately.
  • FIG. 2 shows a schematic flow diagram of a method 200 for transmitting data, in particular by means of a system 100 as shown in FIG. 1.
  • data is available in an exemplary block that comprises six units.
  • a unit can, for example, correspond to a UDP packet or its payload.
  • a first step 205 the data are encoded with a forward error protection coding, with information being added so that eight units of data are produced.
  • a turbo encoder consists of at least two coders connected in parallel or in series for elementary coding.
  • the elementary encoders each represent a specific channel code.
  • the first encoder receives the useful data in unchanged form, and its output is passed on to the second encoder as an input via a so-called interleaver, which changes the data sequence according to certain rules. If there are only two coders, the second encoder finally delivers the data sequence to be transmitted.
  • the data is multiplexed in a step 220, so that the individual units are again in the same order as before the step 210.
  • the result can optionally be stored in a step 225.
  • decoding can take place in a step 230, in which the redundant information that was added in step 205 is removed again.
  • the data can then be transferred or saved again.
  • FIG. 3 shows a variant 300 of the method 200 from FIG. 2.
  • the latter should not be processed sequentially, but rather be broken down into several parts 310, in order to then use the parts 310 in a manner already described herein To transmit communication channels 115.
  • each part 310 In the present example, four parts 310 and four communication channels 115 are provided. Within the scope of the illustration, eight data units are to be transmitted from each part 310. For this purpose, units 1 and 5 are transmitted via a first communication channel 115.1 from a first part 310.1, units 1 and 5 from a second part 310.2 and units 1 and 5 from a third part 310.3. The units of the units transmitted via the other communication channels 115 Parts 310 can be read from FIG. 3.

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Abstract

Ein Verfahren zum unidirektionalen Datentransfer von Daten von einem Sender an einen Empfänger umfasst Schritte des: Demultiplexens der Daten in mehrere Datenströme; des Codierens der Datenströme jeweils mittels einer Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung; des Versendens der Datenströme über zugeordnete Kommunikationskanäle vom Sender an den Empfänger; des Korrigierens eines möglichen Fehlers in einem der empfangenen Datenströme auf der Basis der Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung; des Entfernens der Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung aus den Daten; und des Multiplexens der Daten.

Description

Beschreibung
Fehlerkorrekturverfahren für unidirektionalen Datentransfer
Die Erfindung betrifft die Realisierung eines unidirektiona len Datenverkehrs. Insbesondere betrifft die Erfindung ein mit erhöhter Wahrscheinlichkeit korrektes Übermitteln von Da ten bei unidirektionalem Datenverkehr.
Ein erstes Datenverarbeitungssystem kann beispielsweise gegen einen Angriff von außen geschützt werden, indem eingehende Datenverbindungen unterbunden werden. Gelegentlich kann es erforderlich sein, Daten an ein zweites Verarbeitungssystem zu übermitteln, beispielsweise wenn Backup- oder Log-Dateien ausgelagert werden sollen. Während der Übertragung von Daten über einen Kommunikationskanal zwischen den Verarbeitungs systemen können sich jedoch Fehler in die übertragenen Daten einschleichen, sodass die Daten empfängerseitig unbrauchbar sein können.
Wegen der unidirektionalen Übermittlung hat das Datenverar beitungssystem keine Kenntnis darüber, ob ein Transfer er folgreich war oder nicht. Zur Erhöhung der Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Übertragung können die Daten mehrfach übertragen werden. Dies erfordert jedoch viel Bandbreite oder eine lange Übertragungsdauer.
Ein übliches Übertragungsverfahren für Daten über einen Kom munikationskanal verwendet eine Rückwärts-Fehlerkorrektur .
Die Daten werden in Pakete unterteilt und einzeln übertragen. Jedes Paket kann mit einer Prüfsumme versehen werden, anhand derer der Empfänger einen Übertragungsfehler detektieren kann. In diesem Fall meldet er das betroffene Paket an den Sender und dieser übermittelt das Paket erneut. Ist die Kom munikation vom Empfänger zum Sender nicht möglich, so kann ein solches Übertragungsverfahren nicht verwendet werden. Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht in der Angabe einer verbesserten Technik, mit der Da ten von einem Sender an einen Empfänger über einen Kommunika tionskanal auch dann mit erhöhter Wahrscheinlichkeit korrekt übertragen werden können, wenn der Kommunikationskanal feh lerbehaftet ist und über ihn übermittelte Daten mit einer ge wissen Wahrscheinlichkeit verändert werden können. Die Erfin dung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhän gigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungs formen wieder.
Dazu wird vorgeschlagen, zur Übermittlung mehrere unidirek- tionale Kanäle zu verwenden und die Daten auf die Kanäle in einer vorbestimmten Weise zu verteilen.
Ein erstes Verfahren zum unidirektionalen Datentransfer von Daten von einem Sender an einen Empfänger umfasst Schritte des Demultiplexens der Daten in mehrere Datenströme; des Co- dierens der Datenströme jeweils mittels einer Vorwärts- Fehlerschutz-Codierung; des Versendens der Datenströme über zugeordnete Kommunikationskanäle vom Sender an den Empfänger; des Korrigierens eines möglichen Fehlers in einem der empfan genen Datenströme auf der Basis der Vorwärts-Fehlerschutz- Codierung; des Entfernens der Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung aus den Daten; und des Multiplexens der Daten.
Erfindungsgemäß kann eine Vorwärts-Fehlerkorrektur mit einer Übertragung über mehrere Kommunikationskanäle kombiniert wer den, um eine mit erhöhter Wahrscheinlichkeit korrekte und an gemessen effiziente Übermittlung der Daten zu realisieren. Dabei können unterschiedliche Kanäle unterschiedliche Eigen schaften aufweisen und insbesondere unterschiedliche Übertra gungsgeschwindigkeiten unterstützen. Im Gegensatz zur Mehr fach-Übertragung der kompletten Daten kann eine erhebliche Übertragungskapazität eingespart werden.
Die Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung eines Datenstroms kann eine ausreichende Menge redundanter Information beisteuern um eine Verfälschung der Daten während der Übermittlung nicht nur zu erkennen, sondern auch zu beheben. Üblicherweise kann die Menge der durch die Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung ein gestreuten Informationen gesteuert werden, wobei die Anzahl von korrigierbaren Fehlern in den übertragenen Daten mit der Menge der redundanten Informationen ansteigen kann. Üblicher weise kann die Fehlerkorrektur derart durchgeführt werden, dass auch bestimmt wird, ob die Fehlerbehebung erfolgreich war oder nicht. Insbesondere kann bestimmt werden, wenn mehr Fehler in den Daten vorliegen als behoben werden können. Das Verfahren kann über eine Anzahl Kanäle und/oder die Wahl oder Parametrierung einer zugeordneten Vorwärts-Fehlerschutz- Codierung gut skalierbar sein. Die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen, also unverfälschten Übermittlung kann auf der Basis der redundanten Informationen und Übertragungs
parametern bestimmt werden. Beispielsweise kann bestimmt wer den, dass ein Ein-Bit-Fehler durchschnittlich alle 100 Jahre und ein Zwei-Bit-Fehler durchschnittlich alle 500 Jahre auf- tritt. Für bestimmte Anwendungen, etwa die Übermittlung von Logs, kann dies als „sichere Übermittlung" akzeptiert werden.
Entsprechend werden auf Empfängerseite auch mehrere
Decodierer in umgekehrter Reihenfolge parallel oder seriell betrieben. Als Besonderheit tauschen diese Decodierer unter einander statistische Informationen zur Fehlerkorrektur aus und führen den Decodierungsprozess iterativ aus, wodurch sich für einen vergleichsweise geringen algorithmischen Aufwand eine sehr leistungsstarke Fehlerkorrektur ergibt. Zwar ist die Anzahl der Decodierer gleich der Anzahl der Codierer, die Anzahl der Iterationen beim Decodierungsprozess im Regelfall aber größer als die Anzahl der Decodierer.
In einer Ausführungsform wird wenigstens einer der Datenströ me mit einer Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung in Abhängigkeit eines ihm zugeordneten Kommunikationskanals codiert. So kön nen Kommunikationskanäle mit unterschiedlichen Störungswahr scheinlichkeiten verbessert unterstützt werden. Ein Hinzufü gen von mehr redundanter Information als für den Kommunikati- onskanal angemessen ist, kann vermieden werden.
Ein zweites Verfahren zum unidirektionalen Datentransfer von Daten von einem Sender an einen Empfänger umfasst Schritte des Codierens der Daten mittels einer Vorwärts-Fehlerschutz- Codierung; des Demultiplexens der Daten in mehrere Datenströ me; des Versendens der Datenströme über zugeordnete Kommuni kationskanäle vom Sender an den Empfänger; des Multiplexens der Daten seitens des Empfängers; des Korrigierens eines mög lichen Fehlers in den empfangenen Daten auf der Basis der Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung; und des Entfernens der Vor wärts-Fehlerschutz-Codierung aus den Daten.
Im Unterschied zum oben angegebenen ersten Verfahren erfolgt hier das Codieren vor dem Demultiplexen . Insbesondere wenn davon ausgegangen werden kann, dass die Kommunikationskanäle ähnliche Störungswahrscheinlichkeiten aufweisen, können auf tretende Fehler verbessert korrigiert werden. Merkmale oder Vorteile können zwischen den Verfahren übertragen werden.
Die Datenströme können beispielsweise mittels UDP (User
Datagram Protocol) versandt werden. Dazu können die Daten in Blöcke unterteilt werden, die mittels UDP transportierbar sind. Eine Fragmentierung über mehrere UDP-Pakete kann erfol gen. UDP ist als unbestätigtes Übertragungsprotokoll weit verbreitet, sodass bei der Wahl von Netzwerkkomponenten eine vergrößerte Auswahl bestehen kann. Außerdem kann die Übertra gung über ein bestehendes, möglicherweise auch öffentliches Netzwerk erfolgen. UDP ist im RFC768 beschrieben eine Varian te UDP-Lite im RFC3828. Praktisch kann auch jedes andere uni- direktionale Protokoll verwendet werden.
Die Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung kann in Abhängigkeit ei ner Art zu übermittelnder Daten gewählt sein. So können Text daten, die beispielsweise als Logs anfallen können, mit einer anderen Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung abgesichert werden als ein Videodatenstrom, oder Binärdaten eines ausführbaren Programms. Bestimmte Muster wie eine Verteilung von digitalen Zeichen oder eine Wiederholung von Bitsequenzen kann dabei speziell berücksichtigt werden. Die Art der Daten kann auto matisch bestimmt werden oder als Parameter vorgegeben sein.
Die Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung kann auch in Abhängigkeit einer Übermittlungszeit und/oder Übermittlungsdauer gewählt sein. Ist beispielsweise bekannt, dass zu bestimmten Uhrzei ten mit einem niedrigeren Datendurchsatz und/oder einer höhe ren Wahrscheinlichkeit von Bitfehlern zu rechnen ist, so kann die Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung in diesen Zeiten mehr re dundante Information beisteuern, um eine verbesserte Kompen sation von Fehlern zu erlauben.
In einer Variante des Verfahrens sind zu übermittelnde Daten in einer Datei enthalten, wobei die Datei in mehrere Teilstü cke unterteilt wird; und die Teilstücke jeweils mittels eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche übermittelt werden. Dabei können die Teilstücke gleichzeitig übermittelt werden. Die Datei kann beispielsweise in aufeinander folgende Abschnitte unterteilt werden und die Abschnitte können mitei nander verschränkt übermittelt werden. So kann an jedem Ab schnitt ein verschiebbares Fenster („sliding window") gebil det werden, in welche Daten übertragen werden. Die Fenster der Abschnitte können in gleichem Maß über die Daten bewegt werden. Dies kann insbesondere bei einer sehr großen Datei vorteilhaft sein.
Eine Zuordnung von Datenströmen zu Kommunikationskanälen kann für wenigstens zwei der Teilstücke unterschiedlich sein. Da durch kann ein systematischer Fehler unterbunden werden, der entstehen kann, wenn Teile der Abschnitte zyklisch synchroni siert übertragen werden. Eine Bestimmungssicherheit für einen Fehler und eine Wahrscheinlichkeit für die Behebbarkeit eines Fehlers können erhöht sein.
Die empfangenen Daten können mit der enthaltenen Vorwärts- Fehlerschutz-Codierung abgespeichert werden und die Vorwärts- Fehlerschutz-Codierung kann erst zum Zugriff auf die Daten entfernt werden. Dadurch kann ein möglicher Fehler im Bereich eines Datenspeichers ebenfalls kompensiert werden. In einer Ausführungsform können empfangene Daten zunächst auf Übertra gungsfehler überprüft werden. Traten keine Fehler auf, so können die empfangenen Daten unverändert abgespeichert wer den. Müssen einer oder mehrere Fehler korrigiert werden, kön nen die redundanten Informationen nach der Korrektur neu er stellt werden, bevor die Daten abgespeichert werden.
Eine Sendevorrichtung zum unidirektionalen Datentransfer von Daten an einen Empfänger umfasst einen Demultiplexer, der zum Demultiplexen von Daten eingerichtet ist; einen Codierer, der zum Codieren von Daten mittels einer Vorwärts-Fehlerschutz- Codierung eingerichtet ist; Schnittstellen zur Verbindung mit mehreren Kommunikationskanälen; und eine Verarbeitungsein richtung. Dabei ist die Verarbeitungseinrichtung dazu einge richtet, ein Demultiplexen der Daten, ein Versehen der Daten mit einer Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung und ein Versenden der Daten zu steuern. Diese Variante kann zu einem hierin be schriebenen ersten Verfahren korrespondieren. Eine weitere Sendevorrichtung kann zu einem hierin beschriebenen zweiten Verfahren korrespondieren. Hierbei können Positionen des Demultiplexers und des Codierers bezüglich des Datenflusses vertauscht sein. Vorteile oder Merkmale der Sendevorrichtun gen untereinander oder zwischen einer Sendevorrichtung und einem korrespondierenden Verfahren können austauschbar sein.
Der Kommunikationskanal kann mittels einer Datendiode mit ei ner der Schnittstellen verbunden sein, um ein Empfangen von Daten von einem der Kommunikationskanäle zu verhindern. Meh rere Kommunikationskanäle können jeweils mittels einer zu geordneten Datendiode abgesichert sein. Jede Datendiode kann einen eigenen Kommunikationskanal realisieren. Eine Datendio de stellt eine rein unidirektionale Übertragung sicher. Zum Schutz der Sendevorrichtung kann eine ausgehende Datendiode vorgesehen sein, die ein Empfangen von Daten verhindert. Die Datendiode kann in Form eines Netzwerkprotokollierers („Data Capture Unit") realisiert sein, der derart eingerichtet wer- den kann, eine Datenübertragung zwischen zwei Netzwerkkompo nenten rückwirkungsfrei abzutasten. Ein Netzwerk- protokollierer kann deutlich kostengünstiger als eine spezi ell ausgebildete Datendiode sein. Eine Datenkommunikation könnte zwischen dem Codierer (oder, korrespondierend zum zweiten Verfahren dem Demultiplexer) und einem Blindgerät (Nulldevice) mittels des Netzwerkprotokollierers abgetastet und über den Kommunikationskanal ausgesandt werden. Das
Blindgerät kann die Daten vollständig verwerfen.
Eine Empfangsvorrichtung zum unidirektionalen Datentransfer von Daten von einem Sender umfasst Schnittstellen zur Verbin dung mit mehreren Kommunikationskanälen; einen Multiplexer, der zum Multiplexen von Daten eingerichtet ist; einen
Decodierer, der zum Decodieren von Daten eingerichtet ist, die mit einer Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung versehen sind; und eine Verarbeitungseinrichtung. Dabei ist die Verarbei tungseinrichtung dazu eingerichtet, ein Empfangen der Daten, ein Multiplexen der Daten und ein Decodieren der Daten zu steuern. Diese Ausführungsform kann zu einem ersten hierin beschriebenen Verfahren korrespondieren. Für eine Anwendung in Verbindung mit einem hierin beschriebenen zweiten Verfah ren können der Multiplexer und der Decodierer bezüglich eines Datenflusses vertauschte Positionen aufweisen. Vorteile oder Merkmale der Empfangsvorrichtungen können untereinander oder mit den zugeordneten Sendevorrichtunten bzw. korrespondieren den Verfahren austauschbar sein.
Der Kommunikationskanal kann mittels einer Datendiode mit den Schnittstellen verbunden sein, um ein Versenden von Daten durch den Empfänger an eine andere Stelle zu verhindern. Zum Schutz der Empfangsvorrichtung kann eine eingehende Datendio de vorgesehen sein, die ein Senden von Daten verhindert.
Ein System umfasst eine hierin beschriebene Sendevorrichtung und eine hierin beschriebene Empfangsvorrichtung. Dabei sind bevorzugt die Schnittstellen der Sendevorrichtung paarweise mit denen der Empfangsvorrichtung verbunden. Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert werden, wobei
Figur 1 ein beispielhaftes System;
Figur 2 ein beispielhaftes Verfahren; und
Figur 3 eine Variante des Verfahrens darstellen .
Figur 1 zeigt ein beispielhaftes System 100 zur Übertragung von Daten zwischen einer Sendevorrichtung 105 und einer Emp fangsvorrichtung 110 über mehrere Kommunikationskanäle 115.
Es wird davon ausgegangen, dass die Kommunikationskanäle 115 von der gleichen Art sind, beispielsweise hinsichtlich Band breite, Übertragungsmedium, Latenzzeit, Fehlerrate oder Ver fügbarkeit. Es können aber auch mehr oder weniger stark un terschiedliche Kommunikationskanäle 115 unterstützt werden. 115. Die Sendevorrichtung 105 kann Teil einer größeren Daten verarbeitungsanlage sein und ist dazu eingerichtet, Daten auszusenden, aber nicht zu empfangen. Die Empfangseinrichtung 110 kann Teil ebenfalls einer größeren Datenverarbeitungsan lage sein und ist umgekehrt dazu eingerichtet, Daten zu emp fangen, aber nicht auszusenden. Eine Kommunikation soll aus schließlich von der Sendevorrichtung 105 zur Empfangsvorrich tung 110 fließen, ein Rückkanal, auch nur zur Bestätigung ei nes übertragenen Datenblocks, ist nicht vorgesehen.
Die Sendevorrichtung 105 umfasst einen optionalen Datenspei cher 120, einen Demultiplexer 125, einen Codierer 130, eine oder mehrere Schnittstellen 135 und bevorzugt eine Verarbei- tungseinrichtung 132. Zwischen einer Schnittstelle 135 und einem der Kommunikationskanäle 115 kann eine ausgehende Da tendiode 140 vorgesehen sein.
Der Datenspeicher 120 ist zur Ablage einer Datei oder bevor zugt strukturierter Daten eingerichtet, die an die Empfangs einrichtung 110 übermittelt werden sollen. Der Datenspeicher 120 kann auch durch eine Schnittstelle ersetzt sein, über die zu übertragende Daten bezogen werden können.
Der Demultiplexer 125 ist dazu eingerichtet, die zu übertra genden Daten in mehrere Datenströme aufzuteilen, wobei bevor zugt jedem Kommunikationskanal ein Datenstrom zugeordnet ist und umgekehrt. Zur Aufteilung können sequentiell vorliegende Daten in Pakete zerlegt und diese unterschiedlichen Daten strömen zugewiesen werden, beispielsweise zyklisch. Die Auf teilung kann in bekannter Weise derart erfolgen, dass über tragene Pakete später wieder zu den Originaldaten zusammenge fügt werden können, beispielsweise indem die Pakete Sequenz nummern tragen.
Der Codierer 130 ist dazu eingerichtet, Daten, die er vom Demultiplexer 125 erhält, mit einer Vorwärts-Fehlerschutz- Codierung zu codieren. Dabei fügt er den Daten systematisch redundante Informationen hinzu. Gegebenenfalls werden auch Prüfsummen über eines oder mehrere Pakete gebildet und einge fügt, um das Bestimmen eines Fehlers in den Daten zu ermögli chen. Für jeden Datenstrom 115 kann ein Codierer 130 vorgese hen sein oder der Codierer 130 kann unabhängig auf mehreren Datenströmen 115 arbeiten. Auch ein kombinierter Betrieb, bei dem er mehrere Datenströme 115 in abhängiger Weise codiert, ist möglich. Bevorzugt stellt der Codierer 130 Datenpakete bereit, die mittels UDP transportiert werden können.
Die Schnittstelle 135 ist dazu eingerichtet, ausgehende Daten an ein Übertragungsmedium eines zugeordneten Kommunikations kanals 115 auszugeben. Hier kann insbesondere eine Umsetzung von Informationen in ein physikalisches Phänomen wie einen Licht- oder Stromwert erfolgen. In einer Ausführungsform ist eine einzige Schnittstelle 135 für mehrere Datenströme und Kommunikationskanäle 115 vorgesehen.
Die Datendiode 140 ist dazu eingerichtet, Daten nur in einer vorbestimmten Richtung zu befördern, die in Figur 1 durch die Pfeilrichtung gegeben ist. Das aus der Elektrotechnik ent lehnte Symbol einer Diode zeigt, dass ein Informationsfluss entgegen der Pfeilrichtung unterbunden ist. Eine solche Kom munikation wird auch Simplex-Kommunikation genannt. Zur Rea lisierung einer Datendiode 140 kann eine dedizierte kommerzi elle Lösung verwendet werden. Alternativ kann ein Netzwerk- protokollierer verwendet werden, der Daten an den Kommunika tionskanal unidirektional und rückwirkungsfrei bereitstellen kann. Eine solche Einrichtung ist auch als „Data Capture Unit" bekannt. In einer anderen als der gezeigten Ausfüh rungsform sind die Datendiode 140 und die Schnittstelle 135 in ihren Positionen vertauscht.
Die Verarbeitungseinrichtung 132 umfasst bevorzugt einen pro grammierbaren Mikrocomputer oder Mikrocontroller und ist zur Steuerung von Komponenten der Sendevorrichtung 105 eingerich tet. Dabei kann die Verarbeitungseinrichtung 132 auch eines oder mehrere der weiteren Elemente der Sendevorrichtung 105 umfassen .
In der vorliegenden Ausführungsform werden seitens der Sende vorrichtung 105 zu übertragende Daten zuerst demultiplexiert und dann codiert. In einer anderen Ausführungsform können auch zuerst eine Codierung und danach eine Demultiplexierung erfolgen. Dazu können die Elemente 125 und 130 in ihren Posi tionen in der Sendevorrichtung 105 vertauscht sein; zwischen ihnen ist dann nur noch eine statt wie dargestellt mehrerer Verbindungen nötig.
Die Empfangsvorrichtung 110 arbeitet in komplementärer Weise zur Sendevorrichtung 105. Sie umfasst die im Wesentlichen gleichen Elemente wie die Sendevorrichtung 105, nur sind an Stelle des Multiplexers 125 ein Demultiplexer 145 und an Stelle des Codierers 130 ein Decodierer 150 vorgesehen. Alle oben bezüglich der Sendevorrichtung 105 beschriebenen Varia tionen sind hier auch möglich. Varianten der Sende- und der Empfangsvorrichtung 105, 110 können unabhängig voneinander gewählt werden, allerdings müssen die Reihenfolgen von
Demultiplexen und Codieren seitens der Sendevorrichtung 105 und Decodieren und Multiplexen seitens der Empfangsvorrich tung 110 aufeinander abgestimmt sein.
Das Demultiplexen und Decodieren erfolgt in umgekehrter Rei henfolge gegenüber der Sendevorrichtung 105. In der darge stellten Ausführungsform also werden die über die Schnitt stellen 135 empfangenen Datenströme empfängerseitig zunächst jeweils mittels des Decodierers 150 decodiert und dann mit tels des Multiplexers 145 multiplexiert . In einer anderen Ausführungsform, bei der senderseitig zuerst ein Codieren und dann ein Demultiplexieren erfolgen, werden empfängerseitig zuerst ein Multiplexieren und dann ein Decodieren durchge führt. Das Ergebnis ist in jedem Fall, dass die übermittelten Daten wieder im Originalformat vorliegen und im Datenspeicher 120 abgelegt werden können. Auch dieser Datenspeicher 120 kann durch eine Schnittstelle ersetzt werden, über welche die Daten bereitgestellt werden.
Das Demultiplexieren umfasst ein Zusammenführen von Fragmen ten zu einer Datei oder einem Datenstrom. Das Decodieren um fasst das Entfernen von redundanten Informationen, die sei tens der Sendevorrichtung 105 hinzugefügt wurden. Dabei wird bevorzugt zunächst auf der Basis von Prüfsummen über bestimm te Abschnitte von Daten überprüft, ob während der Übertragung ein Defekt an den Daten eingetreten ist. Für einen Abschnitt können üblicherweise Fehler bis zu einer ersten vorbestimmten Anzahl von defekten Bits bestimmt werden. Fehler bis zu einer zweiten vorbestimmten Anzahl von Bits können auch repariert werden, wobei die zweite Anzahl üblicherweise kleiner als die erste ist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Decodieren auch ausgesetzt werden, bis die empfangenen Daten gebraucht wer den. Dazu können die bevorzugt demultiplexierten, aber noch nicht decodierten Daten zunächst im Datenspeicher 120 abge legt werden. Soll auf die Daten zugegriffen werden, kann die erforderliche Decodierung unmittelbar durchgeführt werden.
Figur 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfah rens 200 zur Übermittlung von Daten, insbesondere mittels ei nes Systems 100 wie in Figur 1 dargestellt ist. Zunächst lie gen Daten in einem exemplarischen Block vor, der sechs Ein heiten umfasst. Eine Einheit kann beispielsweise einem UDP- Paket bzw. dessen Nutzlast entsprechen.
In einem ersten Schritt 205 werden die Daten mit einer Vor- wärts-Fehlerschutz-Codierung codiert, wobei Informationen hinzugefügt werden, sodass acht Einheiten Daten entstehen.
Die zusätzlichen Informationen können an beliebigen Stellen hinzugefügt werden; üblicherweise erfolgt eine gewisse Ver schränkung, bei der die neuen Informationen einigermaßen gleichmäßig über die zu sichernden Nettodaten verteilt wer den. Wie viele Informationen hinzugefügt werden, kann übli cherweise gesteuert werden, wobei allgemein mehr hinzugefügte Informationen zu einer robusteren Übertragung führen können.
Die Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung kann insbesondere einen Block-Code, einen kontinuierlichen Code oder einen Turbo Code umfassen. Ein Block-Code arbeitet stets auf einem Datenblock vorbestimmter Länge; bekannte Block-Codes umfassen Reed- Solomon, Reed-Muller, Golay, Multidimensionale Parity, MDS, Hadamard, Expander oder Hamming. Ein kontinuierlicher Code, auch Faltungscode genannt, erlaubt die Übermittlung eines po tentiell endlosen Datenstroms. Allerdings ist für eine gege bene Situation kein systematisches Verfahren zur Erzeugung eines passenden Faltungscodes bekannt. Man versucht, Eigenar ten der zu übertragenden Daten oder des Übertragungsmediums durch passende Wahl bestimmter Parameter des Faltungscodes zu modellieren. Häufig muss eine große Zahl möglicher Faltungs codes in einer Simulation auf seine Anwendbarkeit geprüft werden. Das Decodieren eines Faltungscodes erfolgt üblicher weise mittels des Viterbi-Algorithmus .
Ein Turbo-Codierer besteht aus mindestens zwei parallel oder seriell geschalteten Codierern für die elementare Codierung. Die elementaren Codierer stellen jeweils für sich einen be stimmten Kanalcode dar. Der erste Codierer erhält die Nutzda ten in unveränderter Form, und dessen Ausgabe wird über einen sogenannten Interleaver, welcher die Datenreihenfolge nach bestimmten Regeln umstellt, an den zweiten Codierer als Ein gabe weitergeleitet. Der zweite Codierer liefert, bei nur zwei Codierern, schließlich die zu übertragende Datenfolge.
In einem Schritt 210 werden die codierten Daten bevorzugt multiplexiert . Dabei wird mehreren Kommunikationskanälen 115 jeweils eine Abfolge von Dateneinheiten zugeordnet. Das
Multiplexieren kann berücksichtigen, dass unterschiedliche Kommunikationskanäle 115 unterschiedliche Datendurchsätze aufweisen können. Ein Kommunikationskanal 115 mit hohem Da tendurchsatz kann mehr Dateneinheiten pro Zeit erhalten als ein Kommunikationskanal 115 mit niedrigerem Datendurchsatz. Anschließend werden die Daten in einem Schritt 215 von der Sendevorrichtung 105 an die Empfangsvorrichtung 110 übermit telt.
In einem Schritt 220 werden die Daten multiplexiert, sodass die einzelnen Einheiten wieder in der gleichen Reihenfolge vorliegen wie vor dem Schritt 210. Das Resultat kann optional in einem Schritt 225 abgespeichert werden. Zu einem anderen Zeitpunkt, beispielsweise wenn auf die abgespeicherten Daten zugegriffen werden soll, kann in einem Schritt 230 eine Deco dierung erfolgen, bei der die redundanten Informationen, die im Schritt 205 hinzugefügt wurden, wieder entfernt werden. Danach können die Daten übertragen oder erneut abgespeichert werden . Figur 3 zeigt eine Variante 300 des Verfahrens 200 von Figur 2. Zur Übertragung einer Datei 305 soll diese nicht sequenti ell verarbeitet, sondern in mehrere Teile 310 zerlegt werden, um dann die Teile 310 jeweils auf eine hierin bereits be schriebene Art und Weise über die Kommunikationskanäle 115 zu übermitteln. Entscheidend ist hierbei, dass die Teile 310 ne benläufig, gleichzeitig oder verschränkt über die Kommunika tionskanäle 115 übertragen werden. Außerdem ist bevorzugt, dass eine Verteilung von Dateneinheiten auf Kommunikationska näle 115 (vgl. Figur 2) bei mindestens zwei der erzeugten Da tenströme unterschiedlich ist, um die Entropie auf der Über tragungsstrecke zu erhöhen.
Im vorliegenden Beispiel sind vier Teile 310 und vier Kommu nikationskanäle 115 vorgesehen. Im Rahmen der Darstellung sollen von jedem Teil 310 acht Dateneinheiten übertragen wer den. Dazu werden über einen ersten Kommunikationskanal 115.1 von einem ersten Teil 310.1 die Einheiten 1 und 5 übertragen, von einem zweiten Teil 310.2 die Einheiten 1 und 5 und von einem dritten Teil 310.3 die Einheiten 1 und 5. Die über die anderen Kommunikationskanäle 115 übertragenen Einheiten der Teile 310 sind aus Figur 3 abzulesen.
Die beschriebene Vorgehensweise stellt sicher, dass von allen Teilen 310 Einheiten übertragen werden. Ein Fenster von Daten jedes Teils 310, die sich in der Übertragung befinden, wird dabei kontinuierlich bewegt. Man spricht auch von einem „Sliding Window"-Ansatz .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren (200) zum unidirektionalen Datentransfer von Da ten von einem Sender (105) an einen Empfänger (110), wobei das Verfahren (200) folgende Schritte umfasst:
- Demultiplexen (210) der Daten in mehrere Datenströme;
- Codieren (205) der Datenströme jeweils mittels einer
Vorwärts-Fehlerschütz-Codierung;
- Versenden (215) der Datenströme über zugeordnete Kommu nikationskanäle vom Sender an den Empfänger;
- Korrigieren (230) eines möglichen Fehlers in einem der empfangenen Datenströme auf der Basis der Vorwärts- Fehlerschutz-Codierung;
- Entfernen (230) der Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung aus den Daten; und
- Multiplexen (220) der Daten.
2. Verfahren (200) nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der Datenströme mit einer Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung in Abhängigkeit eines ihm zugeordneten Kommunikationska nals (115) codiert wird.
3. Verfahren (200) zum unidirektionalen Datentransfer von Da ten von einem Sender an einen Empfänger, wobei das Verfah ren (200) folgende Schritte umfasst:
- Codieren (205) der Daten mittels einer Vorwärts- Fehlerschutz-Codierung;
- Demultiplexen (210) der Daten in mehrere Datenströme;
- Versenden (215) der Datenströme über zugeordnete Kommu nikationskanäle (115) vom Sender an den Empfänger;
- Multiplexen (220) der Daten seitens des Empfängers;
- Korrigieren (230) eines möglichen Fehlers in den empfan genen Daten auf der Basis der Vorwärts-Fehlerschutz- Codierung; und
- Entfernen (230) der Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung aus den Daten.
4. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Datenströme mittels UDP versandt werden.
5. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorwärts-Fehlerschut z-Codierung in Abhängigkeit einer Art zu übermittelnder Daten gewählt ist.
6. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorwärts-Fehlerschut z-Codierung in Abhängigkeit einer Übermittlungszeit und/oder Übermittlungsdauer ge wählt ist.
7. Verfahren (200), wobei zu übermittelnde Daten in einer Da tei (305) enthalten sind; die Datei (305) in mehrere Teil stücke (310) unterteilt wird; und die Teilstücke (310) je weils mittels eines Verfahrens (200) nach einem der voran gehenden Ansprüche übermittelt werden.
8. Verfahren (200) nach Anspruch 7, wobei die Teilstücke
(310) gleichzeitig übermittelt werden.
9. Verfahren (200) nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine Zuord nung von Datenströmen zu Kommunikationskanälen (115) für wenigstens zwei der Teilstücke (310) unterschiedlich ist.
10. Verfahren (200) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die empfangenen Daten mit der enthaltenen Vor wärts-Fehlerschut z-Codierung abgespeichert (225) werden und die Vorwärts-Fehlerschut z-Codierung erst zum Zugriff auf die Daten entfernt (230) wird.
11. Sendevorrichtung (105) zum unidirektionalen Datentrans fer von Daten an einen Empfänger (110), wobei die Sende vorrichtung (105) folgendes umfasst:
- einen Demultiplexer (125), der zum Demultiplexen von Daten eingerichtet ist; - einen Codierer (130), der zum Codieren von Daten mit tels einer Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung eingerich tet ist;
- Schnittstellen (135) zur Verbindung mit mehreren Kom munikationskanälen (115); und
- eine Verarbeitungseinrichtung (132), die dazu einge richtet ist, ein Demultiplexen der Daten, ein Versehen der Daten mit einer Vorwärts-Fehlerschutz-Codierung und ein Versenden der Daten zu steuern.
12. Sendevorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Kommunika tionskanal (115) mittels einer Datendiode (140) mit ei ner der Schnittstellen verbunden ist, um ein Empfangen von Daten von einem der Kommunikationskanäle (115) zu verhindern .
13. Empfangsvorrichtung (110) zum unidirektionalen Daten
transfer von Daten von einem Sender (105), wobei die Empfangsvorrichtung (110) folgendes umfasst:
- Schnittstellen (135) zur Verbindung mit mehreren Kom munikationskanälen (115);
- einen Multiplexer (145), der zum Multiplexen von Daten eingerichtet ist;
- einen Decodierer (150), der zum Decodieren von Daten eingerichtet ist, die mit einer Vorwärts-Fehlerschutz- Codierung versehen sind;
- eine Verarbeitungseinrichtung (132), die dazu einge richtet ist, ein Empfangen der Daten, ein Multiplexen der Daten und ein Decodieren der Daten zu steuern.
14. Empfangsvorrichtung (110) nach Anspruch 13, wobei der Kommunikationskanal (115) mittels einer Datendiode mit den Schnittstellen verbunden ist, um ein Versenden von Daten über einen der Kommunikationskanäle (115) zu ver hindern .
15. System (100), umfassend eine Sendevorrichtung (105) nach einem der Ansprüche 11 oder 12 und eine Empfangs vorrichtung (110) nach einem der Ansprüche 13 oder 14.
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