1. Einleitung
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Fernsehen hat sich in den vergangenen knapp 50 Jahren zu einem wesentlichen Bestandteil
des täglichen Lebens entwickelt. Mit der Verfügbarkeit digitaler Technik zur Aufzeichnung,
Übermittlung und Wiedergabe von Videoinformationen werden immer flexiblere Angebote
für den Konsumenten entwickelt ("Pay-per-View", "Pay-TV", "Video-on-Demand" usw.),
um durch stärkeres Eingehen auf dessen Bedürfnisse Kunden auch für kostenpflichtige
Programmanbieter bzw. Programmangebote zu gewinnen. Dabei ist auch die Individualisierung
des Angebots von Bedeutung: der Kunde soll im Idealfall seine persönlichen
Programmwünsche befriedigen können.
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Aus Benutzersicht (Betrachter) sind die folgenden Eigenschaften relevant:
- - wann mit dem Betrachten eines Programms begonnen werden kann,
- - die Möglichkeit, eine oder mehrere Pausen während des Programms einzulegen und es
trotzdem vollständig (also ohne Informationsverlust) betrachten zu können,
- - eine große Anzahl von Programmen zur Auswahl zu haben.
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Typische Funktionen eines Videorekorders - wie die Möglichkeit vor- oder zurückzuspulen,
Bildsuchlauf und Zeitlupe sind hingegen von nachgeordneter Bedeutung.
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Es sei noch angemerkt, daß im vorliegenden Text primär von "(Video-)filmen" gesprochen
wird. Dies geschieht nur beispielhaft. Ebenso können Radioprogramme oder auch
Multimedia-Präsentationen nach den beschriebenen Schemata übertragen werden.
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Die wesentlichen technischen Parameter sind die notwendige Sendebandbreite, die
erforderliche Empfangsbandbreite und der Speicherplatz auf den Empfangssystemen.
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Eine Reihe von Technologien wurde im Laufe der Zeit entwickelt, die für ein zunehmend
benutzerfreundliches Programmangebot sorgen sollten. Diese werden im folgenden Abschnitt
kurz skizziert.
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Dabei wird im allgemeinen die in Fig. 0 dargestellte Systemübersicht als Grundlage
angenommen, da prinzipiell allen Verfahren eine derartige Architektur (wenn auch teilweise in
abgewandelter Form) zugrunde liegt. Ein Sendesystem besteht aus einem PC oder einem
Spezialrechner zum Auslesen, zur Aufbereitung und zum Versenden von Programmen und
einem oder mehreren Sendestationen zur physischen Übertragung der Programme über das
jeweilige bzw. die jeweiligen Kommunikationsmedien. Die Sendestation kann dabei
beispielsweise ein Satelliten-Uplink, eine Kabelkopfstation, ein ISDN-, PSTN, oder ATM-
Router, eine Mobilfunk- oder WLAN-Basisstation oder auch nur ein Netzadapter für lokale
Netz (Ethernet, WLAN usw.) sein.
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Das Sendesystem greift auf eine Anzahl von digital gespeicherten Programmen zurück. Die
Programme können auf Band, Festplatte, RAID-System, DVD oder andere Medien vorliegen;
sie können lokal beim Sendesystem gehalten werden (z. B. auf einer Festplatte in einem PC),
auf anderen lokal benachbarten Systemen vorliegen (z. B. auf einem über ein Rechnernetz
zugreifbaren Massenspeicher) oder geographisch getrennt aufbewahrt und über ein
Rechnernetz (Kabel, Satellit, Internet usw.) zugegriffen werden. Die Programme können in einer oder
mehreren Qualitätsstufen vorliegen, sie können in einer oder mehrerer Dateien auf einem oder
mehreren Datenträgern aufbewahrt werden.
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Die Sendesysteme lesen die zu einem bestimmten Zeitpunkt (entsprechend der Vorgaben der
im folgenden Abschnitt beschriebenen Verfahren) zu versendenden Daten vor oder zu diesem
Zeitpunkt lokal oder über ein Netz aus und übertragen sie über ein oder mehrere
Kommunikationsmedien an die 0 bis n Empfänger.
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Die Empfänger empfangen die Programme über das Kommunikationsmedium und bereiten
sie ihren Inhalten (Audio, Video, Daten, Dateien, Text, Multimedia usw.) entsprechend auf
und stellen sie - wenn vom (menschlichen) "Betrachter" gewünscht - in geeigneter Form dar
(Wiedergabe über Lautsprecher, Darstellung auf dem Bildschirm, Stimulierung taktiler
Ausgabegeräte usw.). Eine Vielzahl von Geräten können einzeln oder in Kombination den
Empfänger bilden. Hierzu zählen beispielsweise PCs (z. B. mit Monitor und/oder Lautsprecher),
Set-Top-Boxen, digitale Fernseher, analoge Fernseher in Kombination mit digitalen
Empfangsgeräten wie etwa PC oder Set-Top-Box, (digitale) Videorekorder, digitale Radios,
analoge Radios in Kombination mit digitalen Empfängern usw.
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Optional kann ein Rückkanal zwischen einem Empfänger und dem Sender ausgebildet sein,
der ein oder mehrere (gleichartige oder verschiedene) Kommunikationsnetze nutzen kann (die
von dem Übertragungsnetzen für die Programme verschieden sein können). Über einen
solchen Rückkanal kann der Empfänger einem Sender z. B. mitteilen, welche Programme er
wann empfangen möchte, ob er gerade ein Programm empfängt (und ggf. welches), welche
Programmteile eines Programms er bereits empfangen hat, wie die Empfangsqualität ist usw.
2. Stand der Technik
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Bekannt sind zum heutigen Zeitpunkt eine Reihe von Verfahren zur Übermittlung von
Medienströmen per Broadcast. Hierzu zählen u. a.
- a) Klassisches Fernsehen: ein Programm wird einmalig zu einer vorgegebenen Sendezeit
auf genau einem Kanal ausgestrahlt. Zuschauer können dieses Programm nur zu
genau diesem einen Zeitpunkt betrachten. Pausiert der Zuschauer kurz, so gehen ihm
Informationen im Programm verloren.
- b) Zyklische Wiederholung eines Programmteils: ein Programm wird in einem Kanal
nach seinem Ende wieder von Neuem ausgestrahlt, ohne daß es dabei zu
Überlappungen kommt. Ein Zwei-Stunden-Spielfilm würde auf diese Weise alle zwei Stunden
von Neuem gesendet. Zuschauer können den Film jeweils zu Beginn eines solchen
Abschnitts von Beginn an betrachten, müssen also ggf. eine recht lange Wartezeit in
Kauf nehmen. Will der Zuschauer pausieren aber nichts versäumen, so muß er im
folgenden Abschnitt (z. B. 2 Stunden später) mit dem Betrachten fortfahren.
- c) Überlappendes Aussenden eines Programms ("Near Video-on-Demand", auch als
Staggered Broadcasting bezeichnet): ein Programm wird auf mehreren Kanälen
überlappend ausgestrahlt. So beginnt ein Zwei-Stunden-Film etwa auf vier Kanäle verteilt
alle 30 Minuten von neuem. Die Wartezeit bis zum Beginn eines Films sinkt, ebenso
sinkt die Wartezeit bei einer Pause ohne Informationsverlust. Dafür steigt die
erforderliche Bandbreite. Dieses Verfahren entspricht dem Versenden auf den Kanälen 1
bis 4 wie in Fig. 6 oben beispielhaft dargestellt.
- d) Video-on-Demand: ein Programm wird auf Anfrage eines Benutzers gezielt an diesen
ausgesendet. Der Benutzer ist in optional in der Lage, die Programmwiedergabe zu
steuern, also beispielsweise Pausen einzulegen. Hiermit werden die
Kundenbedürfnisse bezüglich eines Programms optimal befriedigt; allerdings hat sich dieses
Verfahren als nicht praktikabel erwiesen, insbesondere weil die notwendige
Übertragungsbandbreite proportional mit der Anzahl der Empfänger steigt. Daher wurden
alternativen Ansätze verfolgt, wie im folgenden kurz dargestellt.
- e) Zwei Gruppen von Verfahren werden eingesetzt, um Broadcasting bzw. Multicasting
statt individueller Informationsverteilung einzusetzen, um Video-on-Demand zu
realisieren: verschiedene Varianten von Pyramid Broadcasting (mit meist unterschiedlich
großen Informationseinheiten) und Varianten von Harmonic Broadcasting (wie auch
in der Anmeldung DE 100 08 949.6 beschrieben) mit i. d. R. gleich großen
Informationseinheiten. Diese Verfahren reduzieren die erforderliche Bandbreite für die
Übertragung eines Video-on-Demand-Programms auf eine Größe, die nur von der Dauer
des Programms und der Granularität der Einstiegszeitpunkte abhängt, nicht aber von
der Anzahl der Empfänger. Diese Verringerung der Übertragungskapazität wird durch
Zwischenspeichern von Programmteilen erkauft, die nach einem fest vorgegebenen
oder dynamisch durch den Sender berechneten Muster übermittelt werden.
- f) Erweiterungen hierzu (wie beispielsweise in der Patentanmeldung DE 100 08 949.6
beschrieben) sehen vor, daß Rückkopplungen mit den Empfangssystemen den/die
Sender darüber informieren, wann welche Programme betrachtet werden, so daß sich
hier weitere Optimierungen realisieren lassen. Gibt es beispielsweise keinen
Betrachter für ein bestimmtes Programm, so muß hiervon gar nichts übertragen werden.
Ebenso kann das Übertragungsmuster genau an die Anforderungen der Betrachter
angepaßt werden.
- g) Schließlich wurde als Erweiterung vorgeschlagen, die Verfahren (c) und (e) zu
kombinieren, um einfache Geräte, die über keinerlei oder nur wenig lokalen Speichern
zum Zwischenspeichern von Informationen verfügen gleichzeitig mit leistungsfähigen
Systemen bedienen zu können. Hierbei werden k Videoströme im Staggered
Broadcasting-Verfahren gesendet, l weitere werden dazu verwendet, jeweils einen
Teil (den Anfang des Programms) der entsprechend (e) zu übertragen, um damit die
Wartezeit eines Empfängers zu reduzieren. Diese Idee ist in Fig. 6 bespielhaft
veranschaulicht.
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Bekannt sind auch Verfahren zum automatischen Vorabspeichern von Teilen dieser
Informationsbestände:
- a) Videorekorder ermöglichen das Aufnehmen ("Speichern") des nach (a)-(g)
ausgestrahlten Programms zu den jeweils möglichen Zeitpunkten. Benutzer können
den Programminhalt dann später betrachten. Im Falle eines Videorekorders, der
nur sequentiell zugreifbaren Medien (z. B. ein Band) zur Speicherung des
Videofilms verwendet, kann die Betrachtung des Films erst nach Beendigung der
Aufnahme beginnen (und im Falle eines einzelnen Gerätes i. d. R. nicht parallel zu
einer weiteren Aufnahme).
- b) Digitale Videorekorder ermöglichen das (optional benutzergesteuerte)
Voraufzeichnungen von Spielfilmen innerhalb eines Zeitraum (z. B. eines Tages) und
halten diese Spielfilme dann auf einem digitalen Speichermedium (z. B. einer
Festplatte) vor. Der Benutzer kann bei Bedarf Filme von der Festplatte zu einem von
ihm frei wählbaren Zeitpunkt abspielen; hierbei sind Unterbrechnungen des
Betrachtens ebenso wie Vor- und Zurückspulen, wiederholtes Betrachten usw.
möglich.
- c) Zur Optimierung der Verfahren (e) und (f) wurde vorgeschlagen, einen Teil
(typischerweise den Anfang) des Programms (nicht aber das ganze Programm wie in
ii.) vorab als Datei zu übertragen (siehe auch die europäische Anmeldung EP 01 100 521.2).
Bereits mit geringer Vorabübertragung (z. B. weniger als fünf Minuten
eines Zwei-Stunden-Programms) kann die erforderliche Bandbreite des Verfahrens
nach (e) deutlich reduziert werden.
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Die oben skizzierten Verfahren sind heute in der beschriebenen Form und in verschiedenen
Abwandlungen davon realisiert. Sie berücksichtigen jedoch drei im praktischen Einsatz
wesentliche Aspekte unzureichend:
- a) Auswechseln eines Films in einem Übertragungskanal bzw. einer Gruppe von
Übertragungskanälen: die oben beschriebenen Verfahren sind zunächst für die effiziente
Übertragung eines Programms über einen oder mehrere Übertragungskanäle
konzipiert. In der Praxis müssen jedoch Programmwechsel durchgeführt werden können,
wenn etwa jeder Spielfilm für einen Zeitraum von 10 Stunden angeboten werden soll;
danach muß ein fließender Übergang zum Nachfolgefilm ermöglicht werden:
- b) Unterstützung von Live-Medienströmen, also die Übermittlung von Inhalten, die vor
Sendebeginn nicht aufgezeichnet und demnach auch nicht vorab verteilt werden
können. (Entsprechend muß es auch möglich sein, ein Programm mit einem neu
erworbenen Gerät zu betrachten, daß zum Zeitpunkt einer evtl. Vorab-Übertragung noch
nicht empfangsbereit war.)
- c) Explizite Berücksichtigung der Parameter der Empfangssysteme (insbesondere des
verfügbaren Speicherplatzes) bei der Erstellung eines Sendemusters für ein Programm.
- d) Ermöglichen von Pausen bei Betrachten eines Programms; das bedeutet, dass die
Wiedergabe vorübergehend unterbrochen und nach einiger Zeit fortgesetzt wird.
Während der Pause werden aber weiterhin Informationen empfangen. (Dies leitet sich
im wesentlichen aus den beschriebenen Verfahren ab, jedoch wird zusätzliche
Speicherkapazität benötigt, da das Programm nicht kontinuierlich wiedergegeben wird.
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Das vorliegende Dokument skizziert Verfahren, um genau diese Probleme zu lösen und somit
ein Media-on-Demand System praxistauglich zu machen.
3. Beschreibung
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Vorab einige einführende Bemerkungen zur Terminologie in diesem Dokument. Fig. 1a
stellt die benutzten Begriffe schematisch im Überblick dar. Einige weitere Begriffe werden in
Fig. 3a visualisiert.
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Gegenstand der Betrachtung ist jeweils mindestens ein Programm (z. B. ein Spielfilm), das
durch eine Reihe von Parametern charakterisiert wird. Das Programm hat eine
Programmdauer T_s (typischerweise in Sekunden gemessen). Zur Übertragung kann das Programm in
zwei Komponenten zerlegt werden: einen vorab verteilten Anteil, der in der Regel den
Anfang des Programms enthält, mit einer Teilprogrammdauer T_v und einen per Multicast mit
einem der eingangs beschriebenen Verfahren in Echtzeit übertragenen Anteil mit einer
Teilprogrammdauer T_s - T_v. Findet keine Vorab-Übertragung statt, so ist T_v = 0, und das
gesamte Programm wird in Echtzeit übertragen. Ebenso kann das gesamte Programm vorab
übertragen werden (z. B. als Datei). Dann ist T_v = T_s.
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Für die Übertragung - vorab wie auch in Echtzeit - wird das Programm in einzelne
Dateneinheiten zerlegt; zur Vereinfachung der Beschreibung wird angenommen, daß die in den
Dateneinheiten enthaltenen Programmteile jeweils die gleiche Zeitdauer aufweisen. Die Dauer
eines in einer Dateneinheit enthaltenen Programmteils sei Δt. Da das gesamte Programm in
einzelne Dateneinheiten aufgeteilt wird, ergibt sich hieraus eine Aufteilung des Programms in
n Dateneinheiten mit jeweils einer Dauer von Δt = T_s/n. Aus der oben beschrieben
Aufteilung in vorab verteilte und in Echtzeit übertragene Komponenten des Programms ergibt
sich unter Berücksichtigung der Einteilung in Dateneinheiten weiterhin, daß der vorab
verteilte Anteil aus v = T_v/dt Dateneinheiten besteht und der in Echtzeit übertragene aus n - v =
(T_s - T_v)/Δt.
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Für die Übertragung des Programms können die verschiedenen Dateneinheiten auf
unterschiedliche Übertragungskanäle aufgeteilt werden. Dabei können diesen
Übertragungskanälen jeweils die gleiche oder unterschiedliche, eine konstante oder variable Bandbreite zur
Datenübertragung zugewiesen werden. Fig. 1b zeigt ein Beispiel, in dem über einen Kanal k
die Dateneinheiten Di (mit 2k ≤ i < 2k+1) übertragen werden. Die Bandbreite jedes Kanals ist
in diesem Beispiel konstant, jede Dateneinheit Di wird je nach ihrer Zuordnung zu einem
Kanal k mit der 1/2k-fachen Bandbreite des Kanals übertragen - was in dem Beispiel dadurch
realisiert wird, daß sie nur alle 2k Zeiteinheiten Δt gesendet wird.
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Die Übertragung des Programms ist ab einem bestimmten Zeitpunkt vorgesehen: ti_s für das
Programm i (vergleiche hierzu auch Fig. 3a). Ab diesem Zeitpunkt wird mit dem
Aussenden von Dateneinheiten des Programms begonnen. Ein Betrachter kann ab dem Zeitpunkt
ti_s oder später beginnen, die Dateneinheiten des Programms zu empfangen und das
Programm wiederzugeben. Wegen des Einsatzes der in Abschnitt 2 (e) skizzierten Verfahren,
muß der Betrachter nicht zum Zeitpunkt ti_s mit dem Empfangen und/oder Betrachten des
Programms beginnen; es genügt, wenn er zu einem späteren Zeitpunkt "einschaltet" (der
Einstiegszeitpunkt, siehe Fig. 1c). Wenn ein Programm nicht dauerhaft ab ti_s gezeigt werden,
sondern nur in einem bestimmten Zeitraum - innerhalb der Ausstrahlungsdauer T_a - zu
"empfangen" sein soll, wird ein Endzeitpunkt ti_e definiert (mit T_a = ti_e - ti_s). Der
Endzeitpunkt gibt den letztmöglichen Zeitpunkt an, zu dem ein Empfänger mit dem Empfangen
des Programms beginnen kann, um noch das vollständige Programm zu erhalten und
wiedergeben zu können. Für Empfänger, die nach ti_e mit dem Empfang beginnen, ist nicht
definiert, welche Programmteile (also welche Dateneinheiten) sie noch erhalten werden und
welche nicht. Insbesondere bedeutet der beginnende Empfang zum Zeitpunkt ti_e + T_late (mit
T_late > 0) nicht, daß das Programm bis auf die ersten T_late Zeiteinheiten empfangen wird.
3.1 Programmübergang: von Programm #1 zu Programm #2
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Die beschriebenen Verfahren nutzen jeweils eine Anzahl von Kanälen, um die Dateneinheiten
eines Programms zu übertragen. Dabei werden während der Ausstrahlungsdauer T_a des
Programms in der Regel mehr pro Zeitintervall Δt mehrere Dateneinheiten übertragen, so daß
sich eine Übertragungsbandbreite ergibt, die ein Vielfaches der Wiedergabebandbreite des
Programms ist. Sollen mehrere Programme nacheinander auf denselben Kanälen übertragen
werden, so muß potentiell eine Pause zwischen der aufeinanderfolgenden Ausstrahlung
zweier Programme vorgesehen werden. Mit der Betrachtung des Programms #1 kann nur bis zum
Zeitpunkt t1_e begonnen werden, es blockiert die Kanäle aber noch bis zu einem späteren
Zeitpunkt t1_e + T_past (wobei im allgemeinen T_past ≤ T_s), da noch Dateneinheiten für
die evtl. vorhandenen Betrachter gesendet werden müssen (siehe auch Fig. 3a). Im
folgenden wird ein Verfahren beschrieben, daß diese Programmlücke schließt und es ermöglicht,
daß ein Programm #2 direkt auf ein Programm #1 folgen kann.
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In dem in der Patentanmeldung DE 100 08 949.6 beschriebenen Verfahren wird das
Aussenden eines Programms zu einem Zeitpunkt t1_s begonnen. Dabei müssen nicht
notwendigerweise alle Dateneinheiten des Programms vom Zeitpunkt t1_s an gesendet werden. Wie in
Fig. 2a dargestellt müssen die Dateneinheiten schrittweise lediglich so ausgesendet werden,
daß ein (potentieller) Empfänger spätestens zum Zeitpunkt des Abspielens die entsprechende
Dateneinheit erhält: da der frühestmögliche Betrachter erst zum Zeitpunkt t1_s beginnen
kann, muß eine Dateneinheit Dx (die den Inhalt des Programms zum Zeitpunkt tx enthält)
nicht vor dem Zeitpunkt t1_s + tx gesendet werden - dennoch kann ein Sendplan dies
natürlich vorsehen (vergleiche hierzu auch die ausführliche Diskussion in der Patentanmeldung DE 100 08 949.6).
Die auszusendende Datenrate (summiert über die tatsächliche Nutzung aller
verfügbaren Kanäle) ist demzufolge zum Zeitpunkt t1_s noch gering und kann - je nach
verwendetem Sendeplan - im Durchschnitt anwachsen, bis sie spätestens nach einer
Programmdauer, also zum Zeitpunkt t1_s + T_s ihr durchschnittliches Maximum erreicht und danach im
Durchschnitt konstant bleibt. Ein Beispiel für eine Abbildung auf eine Übertragungsschema
von Dateneinheiten ist in Fig. 2b aufgezeigt.
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Eine ähnliche Betrachtung läßt sich auch anstellen, wenn mit dem Empfang (und dem
Betrachten) des Programms nur bis zu einem bestimmten Zeitpunkt t1_e begonnen werden
können soll. Nach dem Zeitpunkt t1_e kann dann schrittweise auf das Aussenden der
Anfangsteile des Programms verzichtet werden, so daß die erforderliche Datenrate sinkt.
Spätestens zum Zeitpunkt t1_e + T_past (wobei im allgemeinen T_past ≤ T_s gilt) sind keine
Dateneinheiten des Programms mehr zu übertragen (vgl. Fig. 3a). Fig. 3b zeigt eine
Ausführungsform zur Umsetzung dieses Verfahrens.
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Wie diesen Beschreibungen zu entnehmen ist, steigt die Übertragungsrate zu Beginn eines
Programms an, nimmt am Ende von dessen Ausstrahlung ab. Diese Eigenschaft läßt sich zu
geeigneten (je nach gewähltem Sendeverfahren unterschiedlichen) Zeitpunkten ausnutzen, um
einen fließenden Übergang von der Ausstrahlung eines Programms #1 zum nächsten #2 zu
realisieren - ohne daß dafür zusätzliche Übertragungskapazität benötigt wird.
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Wie in Fig. 4a schematisch dargestellt, gleichen sich die für ein Programm #1 weniger zu
übertragenden Dateneinheiten und die für ein Programm #2 mehr zu übertragenden
Dateneinheiten gegenseitig aus. Fig. 4b stellt am Beispiel eines konkreten Sendeplans dar, daß die
Positionen in denen Dateneinheiten des Programms #1 gesendet werden, sukzessive für
Dateneinheiten des Programms #2 genutzt werden können.
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Der Programmübergangszeitpunkt t2_s = t1_e + Δt muß so gewählt werden, daß das
Sendeverfahren eine kontinuierliche Übertragung aller Dateneinheiten des Films #2 gestattet; nur so
ist sichergestellt, daß ein zum Zeitpunkt t2_s hinzukommender Betrachter den Film #2 auch
vollständig und ohne Unterbrechung ansehen kann. Dies ist schematisch in Fig. 4a
dargestellt; eine beispielhafte Abbildung auf ein konkretes Übertragungsschema ist in Fig. 4b
aufgezeigt.
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Diese Beschreibung gilt analog auch dann, wenn Teile eines Programms vorab übertragen
worden sind. Es ist lediglich zu fordern, daß Vorabübertragung der Dateneinheiten für beide
Programme so gewählt wird, daß Anzahl der für die Echtzeit-Übertragung notwendigen
Kanäle (wie auch deren Bandbreite und die Aufteilung der Dateneinheiten) gleich (bzw.
verträglich (Der Begriff "verträglich" bedeutet hier, daß die verwendeten Kanäle ausreichend Platz für das
Programm mit größerem Datenvolumen bieten müssen. Beim Übergang zwischen zwei Programmen
können natürlich vorher genutzte Anteile der Kanalbandbreite ungenutzt bleiben, ebenso können
vorher ungenutzte Anteile nach dem Programmwechsel ausgefüllt werden. Denkbar ist auch eine
Regelprogrammdauer (etwa 120 Minuten für einen regulären Spielfilm), an Hand derer Sendepläne erstellt
werden; reale Programme nutzen diese dann ggf. nicht vollständig aus. Schließlich lassen sich die
Unterschiede zwischen zwei Programmen hinsichtlich ihrer Kanalnutzung bei Einsatz von Vorab-
Übertragung durch geeignete Festlegung von T_v vollständig eliminieren.)) sind.
3.2 Übertragung von Programmen ohne Vorlaufzeit
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Die in Abschnitt 2 (e) und (f) vorgestellten Verfahren lassen sich - sich wie in Abschnitt 2
(iii) angedeutet - mit einer Vorab-Übertragung von Teilen des Programms kombinieren, etwa
dem Anfang des Programms. Diese Vorab-Übertragung ist in verschiedenen Fällen nicht
möglich, die sich grob in zwei Kategorien einteilen lassen:
- - Der Sender kann den Programmteil nicht vorab übertragen.
- - Der Empfänger kann den Programmteil nicht vorab empfangen.
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Diese beiden Aspekte lassen sich konzeptionell auf das gleiche Grundproblem reduzieren und
durch ähnliche Mechanismen lösen. Zunächst werden die beiden Einschränkungen
vorgestellt, im Anschluß werden Lösungen präsentiert.
3.2.1 Sender kann den Programmteil nicht vorab übertragen
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Wenn ein Sender einen Programm nicht vorab übertragen kann, so kann dies verschiedene
Ursachen haben, die jedoch zu demselben Ergebnis führen.
- - Es kann sich um eine Live-Übertragung handeln, so daß die vorab zu übertragenden
Programmteile (Inhalte) vorab nicht verfügbar sind.
- - Engpässe im Kommunikationssystem (etwa nicht genügend Übertragungskapazität)
können die Übertragung vorhandener Inhalte verhindern ebenso wie
- - Störungen im Zeitraum der Vorab-Übertragung (so daß entweder aufgrund von
Rückmeldungen bekannt ist oder vermutet wird, daß nicht alle Empfänger die vorab
zu verteilenden Informationen erhalten haben).
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Die letzten beiden Punkte können natürlichen auch in Kombination auftreten. In allen drei
Fällen ist der Sender darüber informiert, daß die fraglichen Programmteile nicht beim
Empfänger vorliegen, wenn die Echtzeit-Übertragung beginnt. Während bei Engpässen im
Kommunikationssystem oder bei Störungen noch die Möglichkeit gegeben ist, die Informationen
zu einem späteren Zeitpunkt (aber vor Beginn des Ausstrahlungsintervalls) erneut zu
übertragen, gibt es diese Option bei der Live-Übertragung nicht.
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Damit ergibt sich, daß die Übertragung eines Live-Programms die komplexeste Alternative
darstellt, deren Lösung auch eine Lösung der anderen beiden Problemfälle ist. Daher wird im
folgenden nur auf das Beispiel der Live-Übertragung Bezug genommen.
Beispiel
Live-Übertragung
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Die als Stand der Technik vorgestellten Verfahren gehen implizit (teilweise wird dies auch
explizit herausgestellt) davon aus, daß die auszustrahlenden Programme zum Beginn der
Ausstrahlungsdauer vollständig vorliegen (etwa als Spielfilm "konserve"). Nur dann können
vielfach die Sendepläne vollständig berechnet werden, nur dann stehen alle Dateneinheiten von
Beginn an zur Verfügung, und nur dann lassen sich Teile des Programms vorab übertragen.
Diese Einschränkung betrifft alle Live-Programme (siehe folgende Definition). In diesem
Abschnitt wird ein Verfahren vorgestellt, das es ermöglicht, Live-Programme ebenso zu
übertragen wie "Konserven".
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Unter einem Live-Programm wird ein Programm verstanden, das live übertragen wird, dessen
Inhalte daher nicht vorab aufbereitet oder verteilt werden können. Beispiele für Live-
Programme sind die Nachrichtensendungen wie die "Tagesschau" oder "heute", Börsen- und
Sportberichte usw. Live-Programme können weiterhin in zwei Gruppen unterteilt werden:
- - Live-Programme mit begrenzter, vorab bekannter Programmdauer wie etwa
Nachrichtensendungen und
- - Live-Programme mit potentiell begrenzter, aber vorab unbekannter Programmdauer
wie etwa "Wetten, daß. . .", Sportberichterstattungen usw.
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Hier wird nur die erste Kategorie von Live-Programme (mit begrenzter, vorab bekannter
Programmdauer) betrachtet.
3.2.2 Empfänger kann den Programmteil nicht vorab empfangen
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Es gibt eine Reihe von Gründen, warum Empfänger einen Programmteil nicht vorab
empfangen können, die sich im wesentlichen auf (empfangsseitige) Nichtverfügbarkeit des
Kommunikationskanals oder des Empfängers selbst zurückführen lassen:
- - Der Empfänger kann zum Zeitpunkt der Vorab-Übertragung nicht eingeschaltet sein
(z. B. wegen Stromausfall).
- - Der Empfänger kann zum Zeitpunkt der Vorab-Übertragung keine Daten empfangen
(z. B. wegen Störung der Empfangsantelle, Schüssel, des Kabels usw.).
- - Der Empfänger ist zum Zeitpunkt der Vorab-Übertragung noch nicht verfügbar, etwa
weil das Gerät erst nach Abschluß der Vorab-Übertragung, aber vor Beginn der
Ausstrahlungsdauer angeschafft, aufgestellt und/oder eingeschaltet wurde.
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In allen drei Fällen kann der Betrachter bei Verwendung eines Echtzeit-
Übertragungsverfahrens in Kombination mit einer Vorab-Übertragung den vorab
übertragenen Beginn des Programms nicht betrachten.
3.2.3 Lösungsansatz
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Konzeptionell ist es irrelevant, ob ein Programmteil vor Beginn des Ausstrahlungsintervalls
beim Sender nicht verfügbar war (bzw. aus anderen Gründen nicht gesendet werden konnte),
oder ob der Empfänger vorab verteilte Programmteile aus anderen Gründen nicht empfangen
konnte. Hier wird daher eine gemeinsame Lösung für beide Problemfälle vorgestellt. Dabei
wird im folgenden Text ohne Beschränkung der Allgemeinheit (bzw. allgemeinen
Anwendbarkeit) stellvertretend das oben definierte Problem des Live-Programms verwendet.
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Ein Live-Programm kann wie ein Programm ohne Vorab-Übertragung (T_v = 0) ausgestrahlt
werden. Bei Wahl eines geeigneten Sendeplans (etwa dessen, der in Fig. 2b dargestellt ist),
sind bis zu einem Zeitpunkt tx sind nur die bis dahin bekannten Dateneinheiten zu
übermitteln. Die einzelnen bereits übertragenen Dateneinheiten werden entsprechend des Sendeplans
während der Ausstrahlungsdauer wiederholt übertragen. Gegen Ende der Ausstrahlungsdauer
wird - wie ebenfalls in 3.1 beschrieben - die Datenrate, mit der Dateneinheiten des
Programms gesendet werden, schrittweise auf null reduziert.
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Da der Anfang des Live-Programms (D1, . . ., Dv) nicht vorab bekannt ist, kann dieser auch
nicht vorab übertragen werden. Somit scheidet der Vorteil der Bandbreitenreduktion durch
Vorabübertragung zumindest zu Beginn des Live-Programms aus.
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Zur Übertragung einer Ausgabe der Tagesschau von rund 15 Minuten Länge nach dem in
Fig. 2b skizzierten Sendeplan ist deshalb - bei Δt = 1 s - ohne Vorabübertragung die
zehnfache Datenrate einer normalen Fernsehübertragung erforderlich. Würde hingegen etwa die
erste Minute (15 MByte bei einer Datenrate von 2 Mbit/s) vorab übertragen, so läßt sich die
erforderlich Datenrate während der Echtzeit-Übertragung um 60% auf das Vierfache einer
normalen Fernsehübertragung reduzieren.
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Soll ein Live-Programm über eine Ausstrahlungsdauer T_a gesendet werden, die seine
eigenen Länge übersteigt (T_a > T_s), so wird insgesamt ein Großteil der Übertragungsbandbreite
für die Übertragung des Programmsanfangs verwendet - obwohl sich dieser per Vorab-
Übertragung viel effizienter zur Verfügung stellen ließe.
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Die Erfindung ist die Kombination der Vorab-Übertragung mit der Echtzeit-Übertragung (die
im übrigen nicht nur auf Live-Programme anwendbar ist). Sie ist in verschiedenen Formen
realisierbar:
- - Die Dateneinheiten D1, . . ., Dv des Programmanfangs werden zunächst regulär nach
Sendeplan für eine Echtzeit-Übertragung gesendet (siehe Fig. 5). Diese Dateneinheiten
werden aber gleichzeitig so "markiert", daß Empfangssysteme wissen, daß es sich
gleichermaßen um eine Vorab-Übetragung des Programmanfangs handelt und diese
Dateneinheiten deshalb speichern. (Zu beachten ist, daß diese Markierung implizit sein kann;
alle Empfänger können beispielsweise wissen, daß immer die ersten 120 Sekunden eines
Programms speichern sollen.) Die einzelnen Dateneinheiten werden ggf. wiederholt
gesendet (z. B. in immer größeren Intervallen, wie in Fig. 5 angedeutet, oder indem jede
Dateneinheit D1, . . ., Dv jeweils m Mal gemäß Sendeplan übertragen wird), bis schließlich
davon ausgegangen werden kann, daß alle Empfänger die vorab zu verteilenden
Dateneinheiten erhalten haben. Dann stellt der Sender das Aussenden dieser ein und verfällt in
den vorgesehenen Sendeplan einer Echtzeit-Übertragung, die auf vorab übertragene
Dateneinheiten zurückgreifen kann.
- - Die Vorab-Übertragung der Dateneinheiten des Programmanfangs kann auch dahingehend
abgewandelt werden, daß die Dateneinheiten in einem von der Echtzeit-Übertragung
unabhängigen Kanal gesendet werden (etwa als Teil einer Dateidistribution). In diesem Fall
wird ein zusätzlicher Kanal (ggf. mit anderer Bandbreite und anderem
Übertragungsformat) zur Vorab-Übertragung der Dateneinheiten verwendet). Dies geschieht jedoch im
Gegensatz zur reinen Vorab-Übertragung zumindest teilweise parallel zur Echtzeit-
Übertragung des Programms.
- - Ebenso kann eine solche Distribution (mit weitaus geringerer Datenrate) im Hintergund
permanent aktiv sein, um allen potentiellen Betrachtern den vorab zu verteilenden
Programmanfang während der ersten (kurzen) Zeitspanne der Echtzeit-Übertragung
zuzustellen. Auch hier wird wiederum ein eigener Datenkanal für die permanente Vorab-
Übertragung benötigt.
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Mit diesen Verfahren läßt sich die zur Übertragung eines Live-Programms erforderliche
Bandbreite deutlich reduzieren. Zu Beginn des Live-Programms ist sie noch genauso hoch
wie bei einer Echtzeit-Übertragung ohne Vorab-Verteilung. Sobald (z. B. nach wiederholtem
Senden) die integrierte Vorab-Übertragung der Dateneinheiten eingestellt wird, benötigt das
Verfahren nur noch die Datenrate, die für die Übertragung eines "Konserven"-Programms
erforderlich wäre.
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Die zusätzlich erforderliche Übertragungsrate zur integrierten (oder auch separat
ausgeführten) Vorab-Übertragung tritt jedoch nur zu Beginn auf - zu einem Zeitpunkt also, zu dem
noch gar nicht alle Dateneinheiten vorliegen und folglich (wie in 3.1 beschrieben) noch gar
nicht die maximale Bandbreite für die Übertragung des Programms benötigt wird. Durch
geeignete Einbettung der Vorab-Übertragung läßt sich hier somit eine Gesamtdatenrate
erzielen, die unterhalb der für das Programm erforderlichen maximalen Bandbreite liegt.
3.3 Berücksichtigung des verfügbaren Speicherplatzes bei den Empfängern
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Die als Stand der Technik beschriebenen Verfahren verlangen, daß die Empfangssysteme mit
genügend viel Speicher ausgestattet sind, um einerseits die ggf. vorab verteilten Anteile
mehrerer (potentiell vieler) Programme permanent zu speichern (zumindest bis das
Ausstrahlungsintervall eines Programms vorüber ist). Außerdem ist für das gerade betrachtete
Programm Speicher in der Größenordnung von etwa 40-60% des Programms erforderlich.
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Hierzu ein Beispiel: Betrachtet wird ein Spielfilm mit einer Programmdauer von zwei
Stunden (7200 Sekunden) unter Einsatz des MPEG-2-Kodierungsverfahrens digitalisiert (MPEG-2
ist der Standard für DVDs und digitales Fernsehen). Wird die Kodierung auf eine Datenrate
von rund 2 Mbit/s ausgelegt, ergibt sich für den gesamten Spielfilm ein Datenvolumen von
rund 2 GByte. Müssen 50% gespeichert werden, ergibt sich eine Anforderung von rund 1 GByte.
Bei einer Vorab-Übertragung der ersten vier Minuten, muß der Empfänger rund 50 MByte
Daten dauerhaft speichern.
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Diese Speicher-Anforderungen lassen sich heute im allgemeinen nur durch den Einsatz von
Festplatten erfüllen.
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Die Anforderung an die Speicherkapazität auf dem Empfangssystem ergibt sich aus der
Häufigkeit, mit der eine einzelne Dateneinheit übertragen wird. Denn eine Dateneinheit muß
gespeichert werden, wenn sie vor dem Zeitpunkt der Wiedergabe nicht nochmals vom Sender
übertragen wird. Verdoppelt man beispielsweise die Übertragungshäufigkeit einer
Dateneinheit, wird statistisch der hierfür erforderliche Speicherplatz halbiert, weil sie im Mittel nur
noch halb so lange aufbewahrt werden muß.
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Die bestehenden Verfahren lassen sich dahingehend verbessern, daß sie die Speichergrenzen
der Empfangssysteme berücksichtigen und den Sendeplan unter Einbezug dieser
Informationen anpassen. Hierbei können zunächst zwei verschiedene Ansätze (die sich fließend
ineinander überführen lassen) verfolgt werden:
- a) Statische Adaption: Dem Sender ist der minimal in allen Empfangssystemen für das
Abspielen (und ggf. das Vorab-Übertragen) eines Programms zur Verfügung stehende
Speicherplatz bekannt. Diese untere Grenze ändert sich während der Übertragung
eines Programms nicht und wird bei der Berechnung des Sendeplans berücksichtigt.
- b) Dynamische Adaption: Dem Sender wird der Speicherplatz genau der
Empfangssysteme, die ein Programm betrachten wollen, über einen Rückkanal mitgeteilt (z. B. bei
der "Anforderung" des Programms). Für jeden Einstiegszeitpunkt speichert der
Sender die minimal verfügbare Speicherkapazität der Empfänger, die zu diesem
Einstiegszeitpunkt mit dem Betrachten eines Programms begonnen haben. Neue
Anforderungen von Empfängern werden benutzt, um den Sendeplan dynamisch so
anzupassen, daß die Anforderungen an die Speicherkapazität die Leistungsfähigkeit der
Empfänger nicht übersteigen.
-
Der Sender hat die folgenden Möglichkeiten, auf die Beschränkungen der Empfangssysteme
einzugehen:
- - Im Falle dynamischer Adaption kann der Sendeplan einfach genau an die aktuellen
Anforderungen angepaßt werden; dabei wird in Kauf genommen, daß die zur Übertragung
der Dateneinheiten erforderliche Bandbreite nicht konstant ist, sondern je nach
Anforderungssituation variieren kann (und insbesondere die Bandbreite einer regulären Echtzeit-
Übertragung ohne Speicheranpassung übersteigen kann). Um die Variabilität in Grenzen
zu halten, können eintreffende Anforderungen ggf. um einige (wenige) Zeitintervalle Δt
verzögert werden.
- - Im Falle statischer und dynamischer Adaption ist der tatsächliche (im Gegensatz zum
mittleren) Speicherbedarf abhängig von dem tatsächlichen Einstiegszeitpunkt; bereits
geringe zusätzlich herbeigeführte Verzögerungen auf der Seite des Empfängers können diese
Anforderungen reduzieren.
- - Im Falle statischer (und in Grenzen dynamischer) Adaption läßt sich der mittlere
Speicherbedarfreduzieren, indem die zu speichernden Dateneinheiten häufiger gesendet
werden. Dies gilt insbesondere für die "höheren" Kanäle, in denen die Dateneinheiten sehr
selten übertragen werden. Verdoppelt man beispielsweise die Datenrate eines Kanals, so
reduziert man den mittleren Speicherbedarf für die Dateneinheiten dieses Kanals auf die
Hälfte.
- - Die im vorigen Punkt angesprochene Erhöhung der Datenrate resultiert daraus, daß die
einzelnen Dateneinheiten eines oder mehrerer Kanäle verglichen mit dem Grundschema
mehrfach gesendet werden. Dieses Verfahren läßt sich durch Einsatz von mathematischen
Verfahren der Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) optimieren.
Ganz allgemein wird hier davon ausgegangen, daß zur Übertragung des Inhalts von m
Dateneinheiten m + l Dateneinheiten gesendet werden. Dabei werden die l zusätzlichen
Dateneinheiten (die Redundanzinformationen) so berechnet, daß sich die m
ursprünglichen Dateneinheiten rekonstruieren lassen, wenn aus den m + l Dateneinheiten mindestens
m beliebige empfangen werden. In der einfachsten Form wird für l = 1 die Funktion
"exklusiv Oder (XOR)" eingesetzt. Allerdings sind auch rechenintensivere Verfahren (z. B.
Vandermonde-Matrizen) oder ähnliche mathematische Ansätze in diesem Verfahren
einsetzbar.
Durch Einsatz eines XOR-Verfahrens (das hier als Beispiel beschrieben werden soll) kann
folgendes Szenario umgesetzt werden: Der Sendeplan wird in einem einfachen Fall so
modifiziert, daß in dem Zusatzkanal nicht ein vollständiger Kanal repliziert wird. Statt
dessen wird zu jeweils mindestens zwei Dateneinheiten (z. B. Di und Dj) im Zusatzkanal
die Information Dij = Di XOR Dj gesendet. Ein Empfänger, der vorher nur Dj empfangen
hat und auf Di wartet, kann aus Dij einfach Di = Dij XOR Dj rekonstruieren; ein
Empfänder, der nur Di empfangen hat und auf Dj wartet, kann entsprechend hieraus Dj
rekonstruieren. Da statt zwei (oder mehr) Dateneinheiten nur eine zusätzlich gesendet wird,
reduziert sich die zusätzlich erforderliche Bandbreite (hier im Beispiel auf die Hälfte). In
einem zusätzlichen Kanal können so beispielsweise die Zusatz-Informationen zweier
originärer Kanäle versendet werden.
- - Schließlich lassen sich Verfahren des Staggered Broadcasting und der eingangs
skizzierten Echtzeit-Übertragung miteinander verknüpfen. Werden mehrere Datenströme versetzt
gesendet, so kann ein Empfänger immer auf den "nächsten" dieser Datenströme
zurückgreifen. Bei k_s die Anzahl der für ein Programm vorgesehenen NVoD-Kanäle (die
jeweils im Abstand von T_a/k_s zyklisch ausgesendet werden, wobei T_a die Länge des
Programms angibt). Dann muß ein Echtzeit-Übertragungsverfahren nur noch auf den
ersten Programmteil der Länge T_a/k_s angewendet werden (wie in Fig. 6 für k_s = 4
dargestellt). Der Speicherbedarf sinkt von rund 50% des gesamten Films auf 50% von 1/k_s
des gesamten Films. Zusätzlich müssen noch maximal die Dateneinheiten des Zeitraum
T_a/k_s - Δt gespeichert werden können; nämlich genau dann, wenn der Zyklus eines
NVoD-Stroms knapp (um Δt) verpaßt wurde.
Der Speicherbedarf ergibt sich aus der zu speichernden Zeit des Programms:
T_B = T_s/k_s + 0,5 × T_s/k_s - Δt
was für k_s > 3 weniger als 0,5 T_s ausmacht und damit zu einer Einsparung an
Speicherplatz führt.
Zu beachten ist weiterhin, daß die Skizze in Fig. 6 eine Optimierung für die
Zusatzkanäle zur Echtzeit-Übertragung offen läßt: in den Zusatzkanälen werden hier auch die
Dateneinheiten gesendet, die zum selben Zeitpunkt in einem der NVoD-Kanäle übertragen
werden.
-
Alle diese Ansätze sind einzeln oder in Kombination anwendbar - und sie sind nicht für den
exemplarisch beschriebenen Sendeplan beschränkt.
3.4 Mehrfachnutzung von Programmteilen
-
Im Zusammenhang mit der Vorab-Übertragung von Programmteilen (typischerweise jeweils
dem Anfang eines Programms) und der Speicherung dieser Programmteile durch die
Empfänger läßt sich eine weitere Optimierung erzielen: diese führt zur Verringerung der für die
Übertragung erforderlichen Bandbreite und wie auch des auf den Empfangssystemen
notwendigen Speicherplatzes.
-
Ausgangspunkt ist die Beobachtung, daß viele Programme oftmals gleich beginnen (oder
zumindest in den ersten Minuten gleiche Teile enthalten), wie durch folgende Beispiele belegt
werden soll (vergleiche auch Fig. 7):
- - Spielfilme beginnen meist mit einem "Intro" des Filmverleihs, der Produktionsfirma o. ä.
Wenn verschiedene Spielfilm aus demselben Hause stammen, sind diese "Intros" i. d. R.
identisch.
- - Nachrichtensendungen, Reportagen, Serien usw. haben oftmals den gleichen Vorspann.
Werden mehrere Sendungen oder Episoden in zeitlicher Nähe übertragen, so läßt sich der
Vorspann wiederverwenden.
- - Vor unterschiedlichen Spielfilmen werden oft dieselben "Trailer" oder dieselbe
genrespezifische Werbung gezeigt, so daß auch diese Programmteile identisch sind.
- - Jingles im Rundfunk (wie auch vielleicht im Fernsehen) wiederholen sich.
-
Hierzu lassen sich noch weitere Beispiele finden. Wesentlich ist, daß es Programmteile gibt,
die in derselben Form Bestandteil verschiedener Programme sind.
-
Formal ausgedrückt gibt es einen Programmteil P, der aus den Dateneinheiten Pi mit p_a ≤ i ≤
p_e besteht, wobei p_a ≥ 1 und p_e ≤ n und p_l = p_e - p_a gilt (wenn ein Programm aus n
Dateneinheiten besteht), so daß für alle Pi mit mit p_a ≤ i ≤ p_e und mindestens zwei
Programme D und E gilt:
Pi = Dj und Pi = Ek.
-
In einem solchen Fall kann es sinnvoll sein den Programmteil P mit einen eindeutigen
Bezeichner (z. B. einen Zahl, einen Object Identifier, einen Dateinamen oder einen URL/URI) zu
versehen, um von anderer Stelle auf ihn verweisen zu können.
-
Im Falle einer Vorab-Übertragung muß dann ein solcher Programmteil P nur einmal
übertragen werden, auch wenn er Bestandteil mehrerer Programme ist. Diese Vorab-Übertragung
kann als separater Programmteil in einer oder mehrerer eigenen Datei(en) erfolgen oder als
Bestandteil eines Programms (als Teil einer oder mehrerer Dateien). In letzterem Fall sind
zusätzliche Informationen erforderlich, die z. B. in den Bezeichner hineinkodiert oder mittels
des Bezeichners auffindbar abgelegt werden. Diese zusätzlichen Informationen müssen
zumindest angeben, welcher Teil des Programms zu dem wiederverwendbaren Programmteil P
gehört. Dies kann durch Angabe von Anfang und Ende (bei Video z. B. als Stunde, Minute,
Sekunde, Einzelbild, bei Audio z. B. als Stunde, Minute, Sekunde, Sample oder generell auch
als Dateneinheit) oder von Anfang und Dauer geschehen. In einem Programm D muß der
Programmteil P dann nicht übertragen werden, wenn P als separat oder als Bestandteil eines
anderen Programm übertragen wurde. Für das Programm D ist dann nur ein Verweis (mittels
eindeutigen Bezeichners) auf P erforderlich und die Informationen, wo im Programm D der
Programmteil P eingesetzt werden soll (was wiederum durch einfache Angabe von Anfang
und Ende bzw. von Anfang und Dauer geschehen kann). Siehe Fig. 7. Es sei noch darauf
hingewiesen, daß nicht zwingend der gesamte Programmteil P auf diese in ein anderen
Programm eingesetzt werden muß, sondern das auch Ausschnitte von P referenziert werden
können.
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Im Falle einer Echtzeit-Übertragung kann dieses Verfahren analog angewendet werden,
indem statt einer Dateneinheit ein Verweis auf eine in einem anderen Programm (vorab)
übertragene Dateneinheit gesendet wird. Damit kann während der Echtzeit-Übertragung eines
Programms auf vorab übertragene Bestandteile eines anderen Programms oder auf in Echtzeit
übertragene Teile eines anderen Programms verwiesen werden. Dieses Verfahren kann
einzeln oder in Kombination mit anderen (hier beschriebenen) angewendet werden.