JP2000092064A - 通信システム及びこの通信システムに用いられる可変レート符号化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】輻輳制御適用時にも許容送出遅延を保証し、通
信データのリアルタイム性を損なうことなく、通信帯域
を有効に利用する。 【解決手段】送信端末である符号化器１０１と受信端末
である復号化器１０２が網に接続された通信システムに
おいて、符号化器１０１が一定周期で入力されるリアル
タイムデータを最大許容情報量の範囲内で符号化し、所
定の通信レートで伝送する。その際、復号化器１０２ま
たはＡＴＭ網にて輻輳状態を検出し、符号化器１０１に
フィードバックする。符号化器１０１はバッファに残さ
れている情報量を許容送出遅延時間までに送出できる最
低の通信レートを求め、それに応じて発生情報量を制御
する。これにより、伝送路上で発生した輻輳や回線障害
等により通信帯域が確保できなくなった場合でも、許容
送出遅延を保証することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の端末が接続
された網においてリアルタイム通信を行う際に、網ある
いは受信端末の輻輳状態に応じて送信端末側で輻輳制御
を行う通信システム及びこの通信システムに用いられる
可変レート符号化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】情報通信のマルチメディア化に伴って、
これまでの計算機データ中心のコネクションレス通信と
併せて、映像や音声等のリアルタイム性が要求される通
信の需要が高まっている。

【０００３】特に、近年は画像符号化の方式としてＭＰ
ＥＧ２（Moving Picture Experts Group）がＩＳＯ（In
ternational Standard Organization)で標準化され、ま
た、マルチメディア通信を実現する方式として、ＡＴＭ
（Asynchronous Transfer Mode：非同期転送モード）が
注目されていることも重なって、ＡＴＭ網上でのリアル
タイム通信実現方法が盛んに研究されている。

【０００４】ＭＰＥＧ２を始め、これら画像符号化方式
で圧縮された符号化画像は、フレームによって情報量が
異なることが一般的である。この場合、網の制限上、あ
るいは符号化制御の安易さから通信速度が固定であるこ
とが一般的である。したがって、通信速度を固定にする
ために、フレーム毎に画質を調整したり、ダミー情報を
挿入するなどして発生情報量を制御しなければならな
い。しかし、これでは、帯域の有効利用という面で好ま
しくない上、画質もフレーム毎に違いが大きくなる、と
いった欠点がある。

【０００５】近年、このような欠点を改善するために可
変レートの符号化方式が検討されており、また、それに
対応した通信方式も検討されつつある。可変レート符号
化のレート制御方式は、通常、以下のように許容遅延を
考慮してフレーム毎に最大許容情報量を計算し、それ以
下に収まるよう発生情報量を制御する。

【０００６】すなわち、可変レート符号化のレート制御
は、通常、リーキーバケット（ＬＢ）と呼ばれるアルゴ
リズムに基づいて行われる。このリーキーバケット・ア
ルゴリズムとは、一定レートの漏れがあるバケツの深さ
でトラフィックを監視するものである。リーキーバケッ
トでは、セルが到着する度にバケツに溜まり、一定の量
でセルが漏れる。この場合、漏れとは、申告された平均
レート（ＳＣＲ）のことである。セルが多量に一時的に
到着すると、バケツの深さは深くなり、ある値（ＬＢ最
大量）を超えたセルはバケツからあふれる。したがっ
て、セルがバケツからあふれないように、発生符号量を
調整する必要がある。

【０００７】実際のハードウェアはバケツとしてカウン
タ（ＬＢカウンタと呼ぶ）を用い、セルが到着するとカ
ウントアップ、一定時間毎にカウントダウンして、リー
キーバケットを実現している。

【０００８】ここで、許容送出遅延時間をＴ_d 、平均レ
ートをＳＣＲ、ピークレートをＰＣＲ、ＬＢ最大量をＣ
_max 、ｉ番目のフレーム直前のＬＢカウンタ値をＣ_i 、
ｉ番目のフレーム直前の送信バッファをＢ_i とすると、
ｉ番目のフレームに対する最大許容符号量Ｋ_max は、以
下のように求められる。なお、Ｔ_d 、ＳＣＲ、ＰＣＲ、
Ｃ_max はそれぞれ申告値である。

【０００９】 （ａ）Ｃ_max ＜Ｔ_d ×（ＰＣＲ−ＳＣＲ）＋Ｃ_i の場合 Ｋ_max ＝Ｔ_d ＋ＳＣＲ＋（Ｃ_max −Ｃ_i ）−Ｂ_i …式（１） （ｂ）それ以外の場合 Ｋ_max ＝Ｔ_d ×ＰＣＲ−Ｂ_i …式（２） 上記式（１）はバケツの残量が少なく、平均レートでデ
ータを送出した場合での最大許容符号量、上記式（２）
はバケツの残量が多く、ピークレートでデータを送出し
た場合での最大許容符号量となる。

【００１０】このようにして得られる最大許容符号量の
範囲内で発生符号量をできるだけ画質が均一になるよう
制御することで、可変レート符号化が実現できる。しか
しながら、業界標準団体のＡＴＭフォーラムにおいて標
準化されているＶＢＲ（Variable Bit Rate ）サービス
クラスに代表されるように、通信帯域が確保されている
ということが前提であり、従来、通信帯域が確保されて
いない場合、あるいは確保されているはずの帯域が輻輳
や回線障害等によって確保できない状態に陥った場合の
輻輳制御に関する検討は不十分であった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、可変
レート符号化方式では、通信帯域が確保されていること
が前提であり、輻輳や回線障害等により通信帯域が確保
できなくなった場合の対策は考慮されていない。

【００１２】なお、リアルタイム性が要求されない通常
の計算機データでは、このような輻輳制御としてインタ
ーネット上で利用されているＴＣＰ（Transport Connec
tionProtocol ）やＡＴＭ上で利用されるＡＢＲ（Avail
able Bit Rate）など、様々な方式が存在する。しか
し、これらの方式をそのまま適用すると、画像等のリア
ルタイムデータの特質を保証するための許容送出遅延が
満たされなくなる問題が生じる。

【００１３】すなわち、上記式（１）あるいは式（２）
で見積もった時点での発生符号量は、以後の許容送出遅
延時間までの間は通信レート（平均レートおよびピーク
レート）が変わらない前提であるが、上記のような輻輳
制御によりレートを下げる必要が発生する。このような
場合、発生した情報量が許容送出遅延時間までに送信さ
れなくなる。

【００１４】本発明は上記のような点に鑑みなされたも
ので、輻輳制御適用時にも許容送出遅延を保証し、通信
データのリアルタイム性を損なうことなく、通信帯域を
有効に利用可能とする通信システム及びこの通信システ
ムに用いられる可変レート符号化装置を提供することを
目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、送信端末およ
び受信端末が網に接続された通信システムにおいて、上
記送信端末は、一定周期で入力されるリアルタイムデー
タを最大許容情報量の範囲内で符号化する符号化手段
と、この符号化手段によって符号化されたデータを格納
するバッファ手段と、このバッファ手段に格納された符
号化データを所定の通信レートで上記受信端末に送信す
る送信手段と、上記網あるいは上記受信端末の輻輳状態
が記されたレート制御情報がフィードバックされた際
に、上記バッファ手段に残されている情報量を許容送出
遅延時間までに送出できる最低の通信レートを求め、こ
の最低の通信レートに基づいて上記所定の通信レートを
変更するレート制御手段と、このレート制御手段によっ
て変更された通信レートに基づいて上記最大許容情報量
を計算する情報量計算手段とを具備したものである。

【００１６】また、上記受信端末は、上記網を介して受
信したデータを展開し復号化する復号化手段と、上記網
より得られる負荷状態あるいは自身の負荷状態を輻輳状
態として上記レート制御情報に記して上記送信端末にフ
ィードバックする輻輳通知手段とを具備したものであ
る。

【００１７】このような構成において、送信端末は符号
化器として用いられ、例えば映像等のリアルタイル性が
要求されるデータを最大許容情報量の範囲内で符号化
し、これを所定の通信レートで網を介して受信端末に送
出する。受信端末は復号化器として用いられ、送信端末
から送出されたデータを受信し、これを復号化する。

【００１８】ここで、輻輳や回線障害等により通信帯域
が確保できなくなった場合に、網あるいは受信端末にて
その輻輳状態が検出され、送信端末に通知される。送信
端末では、送信バッファに残されている情報量を許容送
出遅延時間までに送出できる最低の通信レートを求め、
それに応じて最大許容情報量を制御する。これにより、
伝送路上で発生した輻輳や回線障害等により通信帯域が
確保できなくなった場合でも、許容送出遅延を保証する
ことができ、通信データのリアルタイム性を損なうこと
なく、通信帯域を有効に利用することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る
通信システムの構成を示すブロック図であり、送信端末
である符号化器１０１から受信端末である復号化器１０
２までのデータの流れを示している。

【００２０】ここでは、符号化器１０１および復号化器
１０２がＡＴＭ網とのインターフェースを備え、それら
がＡＴＭスイッチ１０３およびリンク１０４からなるＡ
ＴＭ網に接続されているネットワークを構成している。
なお、ここでは、符号化器１０１から復号化器１０２に
対して映像データを送る場合を想定して説明するが、本
システムに用いられる通信データとしては映像データに
限るものではなく、リアルタイム性が要求されるデータ
であれば、音声データ等の他のデータであってもよい。

【００２１】通常、符号化器１０１で符号化され、ＡＴ
Ｍ網に送出されたデータは、ＡＴＭスイッチ１０３、リ
ンク１０４を介して復号化器１０２に送られる。ここ
で、符号化器１０１は、一定周期で入力される映像デー
タを符号化して圧縮し、ＡＴＭセル化した後、コネクシ
ョン設定時に利用者が申告したトラヒックパラメータ
（ピークレート、平均レート、最大バーストサイズ）の
範囲内のトラヒックでＡＴＭ網に送信する。このＡＴＭ
網には、ＡＴＭスイッチ１０３−１、１０３−２が設け
られている。

【００２２】ＡＴＭスイッチ１０３−１は、受信したＡ
ＴＭセル１０５をそのセルのヘッダ情報に基づいてスイ
ッチングすると共に、自身のバッファの占有率から輻輳
度を判断する。その結果、例えばバッファの占有率が所
定値を越えているなどにより輻輳状態と判断できた場合
には、ＡＴＭセル１０５のヘッダ内のＥＦＣＩ（Explic
it Forward Congestion Indication）ビットを立て、後
段のＡＴＭスイッチ１０３−２に中継する。

【００２３】一方、受信側において、復号化器１０２
は、ＡＴＭスイッチ１０３−２を介して受信したＡＴＭ
セル１０５をパケット化した後、これを復号化して再生
する。また、受信したＡＴＭセル１０５のヘッダ内のＥ
ＦＣＩビットまたは自身の負荷状態をチェックし、現
在、輻輳状態にあることをＣＩ（Congestion Indicatio
n）ビットとしてレート制御情報セル１０６に書き込
み、適当な間隔で符号化器１０１にフィードバックす
る。

【００２４】なお、本実施形態では、復号化器１０２が
レート制御情報セル１０６を符号化器１０１に送信する
場合を記述しているが、このレート制御情報セル１０６
は、ＡＴＭスイッチ１０３が輻輳状態を検出した際に、
直接符号化器１０１にフィードバックする方法でもよ
い。

【００２５】符号化器１０１は、受信したレート制御情
報セル１０６のＣＩビットをチェックし、その値に基づ
いて、申告トラヒックパラメータの範囲内で、かつ許容
遅延時間を保証するように通信レートを変更する。ま
た、その通信レートに見合う情報量を計算し、データを
符号化するときの発生情報量を制御する。こうすること
で、ＡＴＭ網が輻輳状態の場合に、符号化器１０１が通
信レートを下げることによって、網への負荷を軽減し、
情報廃棄を抑制する。このときの通信レートの変更方法
については後に説明する。

【００２６】図２は復号化器１０２の内部構成を示すブ
ロック図である。復号化器１０２は、網ＩＦ部２０１、
バッファ２０２、ＤＥＣＯＤＥ回路２０３、映像出力回
路２０４、タイマ２０５、ＣＰＵ２０６、信号バス２０
７から構成され、ＡＴＭ網から受信したデータの復号化
と共に、受信したＡＴＭセル１０５から輻輳状態を判定
し、その旨を符号化器１０１にフィードバックする機能
を持つ。

【００２７】網ＩＦ部２０１は、ＡＴＭ網から受信した
ＡＴＭセル１０５をパケット化し、得られたデータをバ
ッファ２０２に出力する。また、受信ＡＴＭセル１０５
のヘッダ内のＥＦＣＩビットをチェックし、ＥＦＣＩビ
ットが“１”（ＯＮ）であれば、ＡＴＭコネクション毎
に管理されたＥＦＣＩフラグに保持する。ＥＦＣＩビッ
トが“０”（ＯＦＦ）であれば書き込まない。このＥＦ
ＣＩフラグは、ＣＰＵ２０６がフレーム周期でチェック
し、チェック後にクリアされる。

【００２８】ＤＥＣＯＤＥ回路２０３は、受信データが
蓄えられたバッファ２０２からデータを取り込み、復号
化を行い、映像出力回路２０４へ出力する。映像出力回
路２０４は、入力情報をモニタ等に出力再生する。

【００２９】ＣＰＵ２０６は、タイマ２０５から得られ
る定期的な割り込み信号を受けると、図３で示すフロー
チャートに従ってレート制御情報セル１０６を網ＩＦ部
２０１を介して符号化器１０１へ送信する。

【００３０】図３は復号化器１０２のレート制御情報セ
ル１０６の送信処理を示すフローチャートである。タイ
マ２０５より割り込みを受けると、ＣＰＵ２０６は、ま
ず、網ＩＦ部のＥＦＣＩフラグをチェックし、ＥＦＣＩ
フラグがＯＮになっているか否かをチェックする（ステ
ップ３０１）。その結果、ＥＦＣＩフラグがＯＮであれ
ば（ステップ３０１のＹｅｓ）、ＣＰＵ２０６は、レー
ト情報制御セル１０６のＣＩビットを“１”（ＯＮ）に
して符号化器１０１に送信する（ステップ３０２，３０
４）。また、ＥＦＣＩフラグがＯＮでなければ（ステッ
プ３０１のＮｏ）、ＣＰＵ２０６は、ＣＩビットを
“０”（ＯＦＦ）にして符号化器１０１に送信する（ス
テップ３０３，３０４）。

【００３１】レート情報制御セル１０６を送信後、ＣＰ
Ｕ２０６はＥＦＣＩフラグをクリアし（ステップ３０
５）、再びタイマ２０５をセットして（ステップ３０
８）、ここでのタイマ割り込み処理を終了する。

【００３２】図４は符号化器１０１の内部構成を示すブ
ロック図である。符号化器１０１は、映像符号化回路４
０１、レート制御回路４０２、リーキーバケット処理部
４０４、網ＩＦ部４０３、ＣＰＵ４０５、メモリ４０
６、信号バス４０８から構成され、フレーム周期毎にＡ
ＴＭ網から受信するレート制御情報セル１０６、許容遅
延時間、レート制御回路４０２内の送信バッファ４０２
ａのデータ蓄積量およびトラヒックパラメータに基づい
て最大許容情報量を計算し、その最大許容情報量の範囲
内で入力データを符号化し、ＡＴＭ網に送信する機能を
持つ。

【００３３】映像符号化回路４０１は、フレーム周期毎
に映像アナログ信号を取り込むと共に、ＣＰＵ４０５に
割り込み信号を発生させ、通知された（レジスタに書き
込む）最大許容情報量の範囲内で符号化してレート制御
回路４０２に出力する。１フレーム符号化後、ＣＰＵ４
０５がレート制御に利用するために発生符号量をレジス
タに保持する。

【００３４】レート制御回路４０２は、映像符号化回路
４０１から得られた符号化データを内部に設けられた送
信バッファ４０２ａに取り込み、規定データ単位（例え
ば、映像データがＭＰＥＧ２のトランスポートストリー
ムであれば、１トランスポートストリームパケット）を
ピークレート（ＰＣＲ）で送信するのに要する時間（Ｐ
ＣＲ周期）毎に、リーキーバケット処理部４０４に信号
線４０７を介して送信リクエスト信号を送信し、送信許
可信号を受信したら網ＩＦ部４０３にデータを出力す
る。

【００３５】送信不許可信号を受信したら、データをそ
のまま送信バッファ４０２ａに蓄積したまま、次のＰＣ
Ｒ周期まで待つ。また、このＰＣＲ周期の値は、内部の
レジスタとして保持されており、受信レート制御情報セ
ル１０６に応じてＣＰＵ４０５がフレーム周期で更新す
る。バッファ占有量についても、内部レジスタとして保
持されている。

【００３６】リーキーバケット処理部４０４は、レート
制御部４０２から送信リクエスト信号を受信すると、内
部に設けられたリーキーバケットカウンタ（以下、ＬＢ
カウンタと称す）４０４ａを調べ、所定値（リーキーバ
ケットの深さ、つまりＰＣＲ周期でデータを送信できる
周期に対応する）に達していなければ、送信許可信号を
レート制御部４０２に返し、リーキーバケットカウンタ
４０４ａを１インクリメントする。ＬＢカウンタ４０４
ａが所定値に達していたら、送信不許可信号をレート制
御部４０２に返す。このＬＢカウンタ４０４ａは上記規
定のデータ単位を平均レート（ＳＣＲ）で送信するのに
かかる時間（ＳＣＲ周期）毎に１ずつディクリメントさ
れる。なお、このＳＣＲ周期の値は、内部のレジスタと
して保持させており、受信レート制御情報セル１０６に
応じてＣＰＵ４０５がフレーム周期で更新する。

【００３７】網ＩＦ部４０３は、レート制御部４０２か
ら入力されたデータをＡＴＭセル化し、申告時に定めら
れたトラヒックパラメータ（ピークレート、平均レー
ト、最大バースト長）に従ってＡＴＭ網に送信する。ま
た、ＡＴＭ網よりレート制御情報セル１０６を受信する
と、ＣＰＵ４０５に割り込みをかけて通知する。

【００３８】ＣＰＵ４０５は、網ＩＦ部４０３よりレー
ト制御情報セル１０６の受信割り込みを受けると、メモ
リ４０６に設けられた受信レート制御情報セル管理テー
ブル８００（図８参照）に受信したレート制御情報セル
１０６のＣＩビットを記述し、フレーム周期毎の輻輳判
定に利用する。また、ＣＰＵ４０５はフレーム周期毎に
映像符号化回路４０１より割り込み信号を受け、映像符
号化回路４０１に最大許容情報量を通知する。フレーム
周期（符号化周期）毎の処理については、後に図６を参
照して説明する。

【００３９】メモリ４０６には、ＣＰＵ４０５の処理に
必要なデータが記憶されるものであり、ここではフレー
ム管理テーブル７００および受信レート制御情報セル管
理テーブル８００が設けられている。これらのテーブル
７００、８００については、後に図７およひ図８を参照
して説明する。

【００４０】図５は符号化器１０１のバッファ占有量の
遷移の様子を示す図である。この例では、許容遅延時間
は３フレームとしている。各時刻Ｔ１〜Ｔ３の中で、左
側は符号化前のデータ量、右側は符号化後のデータ量を
示している。なお、本図では、フレーム周期毎に瞬時に
データが符号化されるように示されているが、実際には
ある程度の時間（１フレーム時間以内）がかかる。しか
し、通常、フレーム送信遅延時間より符号化処理時間の
方が短いため、各フレーム毎のバッファ占有量の遷移は
同じである。以下に詳細を説明する。

【００４１】今、時刻Ｔ１で、それ以前のフレーム周期
のデータのうちの実送信バッファサイズ（ＲＢ ＳＩＺ
Ｅ）分５０１が残っているものとする。そのデータサイ
ズの内訳は、３フレーム前に符号化されたデータが５０
２−０、２フレーム前に符号化されたデータが５０２−
１、１フレーム（前フレーム周期）に符号化されたデー
タが５０２−２である。

【００４２】この時点での、ＲＢ ＳＩＺＥ５０１から
３フレーム前のデータ５０２−０は既に送出され、２フ
レーム前のデータ５０２−１は途中まで（網掛け部分を
除いた領域）送出され、前フレームのデータ５０２−２
は全てレート制御回路４０２内の送信バッファ４０２ａ
に残っている。

【００４３】時刻Ｔ１で新たに符号化されたデータは５
０３−２であり、５０３−０と５０３−１は、それぞれ
送信バッファ４０２ａに残っている２フレーム前のデー
タと前フレームのデータである。したがって、５０２−
１の網掛け部分のデータ量と５０３−０は同一であり、
５０２−２のデータ量と５０３−１のデータ量は同じで
ある。

【００４４】ここで、許容遅延時間は３フレームで、時
刻Ｔ１の時点で２フレーム前のデータ５０３−０が存在
するため、最低でも、このデータ５０３−０の全てが許
容遅延時間内に送出される通信レートが必要である。こ
のときの通信レート（以下、遅延保証最低レートと呼
ぶ）ＳＣＲ_mb（リーキーバケットのレート）は、ｉ番目
のフレーム直前（ここで言うＴ１）で次のフレーム周期
までに許容遅延時間に到達するデータ量（ここで言う５
０３−０）をＢＦ_i 、ｉ番目のフレーム直前のＬＢカウ
ンタ値をＣ_i 、１フレーム時間をＴ_f 、ＰＣＲとＳＣＲ
の比をＲ_f （１より大きい実数で、この値は常に固定）
とすると、次式で決定できる。

【００４５】 （ａ）ＢＦ_i −Ｒ_f （Ｃ_max −Ｃ_i ）／（Ｒ_f −１）＞０の場合 ＳＣＲ_mb＝（ＢＦ_i −（Ｃ_max −Ｃ_i ））／Ｔ_f …式（３） （ｂ）それ以外の場合 ＳＣＲ_mb＝ＢＦ_i ／（Ｔ_f ×Ｒ_f ） …式（４） 上記式（３）はバケツの残量が少ない場合での遅延保証
最低レート、上記式（４）はバケツの残量が多い場合で
の遅延保証最低レートとなる。

【００４６】許容遅延時間を保証するためには、最低で
も上記遅延保証最低レートＳＣＲ_mbでデータを送信する
必要がある。時刻Ｔ２において、送信バッファ４０２ａ
に残っているデータ量５０４は、全て前フレーム周期に
符号化されたデータ量５０３−２である。この時点で
は、次フレーム周期まで送出しなければならないデータ
量５０５−１はないため、遅延保証最低レートは０であ
る。時刻Ｔ２で新たに符号化されたデータ量は、５０６
−２である。

【００４７】同様の観点で、時刻Ｔ３で送信バッファ４
０２ａに残っているデータ量５０７は、前フレームのデ
ータ５０８−２と２フレーム前のデータ５０８−１の内
の網掛け部分である。したがって、この網掛け部分のデ
ータ量５０９−０が次周期までに送出されなければなら
ず、必要な通信レートは、上記式（３）または式（４）
を用いて求められる。

【００４８】図７は符号化器１０１に設けられるフレー
ム管理テーブル７００の構成を示す図である。許容遅延
時間を保証するためには、図５で説明したように過去の
フレームのデータ量を管理する必要があり、そのために
フレーム管理テーブル７００を利用する。このフレーム
管理テーブル７００において、フィールド７０１のフレ
ームＮＯは、過去何フレームかを識別するためのもので
あり、許容遅延フレーム数から何フレーム前か（現在の
時刻から）を減算した値である。したがって、許容遅延
をｎフレームとすると、ｎ−１は前フレームを示し、０
はｎフレーム時間前のフレームを示す。

【００４９】対応するフィールド７０２は、そのときに
発生した情報量を示す。したがって、図５で説明したよ
うに、各フレーム周期の符号化直前の時点で、フレーム
ＮＯが０のデータは送出完了しているはずであり、フレ
ームＮＯが１のデータが送出完了していなければ、次周
期までに送信完了しなければならない。フレームＮＯが
ｎ−１のデータは、後に図６で説明するように符号化完
了後の次のフレーム周期でデータサイズが書き込まれる
ことになる。

【００５０】図８は符号化器１０１に設けられる受信レ
ート制御情報セル管理テーブル８００の構成を示す図で
ある。この受信レート制御情報セル管理テーブル８００
は、符号化器１０１が輻輳状態を判断する材料として、
過去受信したレート制御情報セル１０６を管理するため
のテーブルであり、このテーブルに書かれている輻輳指
示情報に基づいて通信レート（ＰＣＲとＳＣＲ）を変更
する。

【００５１】フィールド８０１は、過去何セル前のレー
ト制御情報セル１０６かを示す値である。フィールド８
０２は、それに対応するレート制御情報セル１０６の輻
輳指示の値であり、“０”は輻輳指示なし、“１”は輻
輳指示ありを示す。この輻輳ありの指示が所定数続いた
場合に輻輳状態と判断する。

【００５２】次に、同実施形態の動作を説明する。本シ
ステムでは、受信端末である復号化器１０２またはＡＴ
Ｍ網にて輻輳状態を検出し、これを送信端末である符号
化器１０１に通知することで、符号化器１０１がレート
制御および最大許容情報量の見積りを行う。

【００５３】レート制御方法としては、輻輳を回避する
ために予め決められた量だけフレーム周期毎にレートを
上下させる。つまり、輻輳状態でなければレートを上
げ、輻輳状態であればレートを下げる。どれくらいレー
トを上下させるかは、予め規定の輻輳レートとして決め
られている。

【００５４】ここで、リアルタイムデータでは、遅延が
非常に重要な問題であり、予め決められた許容送出遅延
時間以内にデータを送出することが求められる。そこ
で、フレーム周期毎に現在の送信バッファに蓄積されて
いるデータが何フレーム前のデータであるかをチェック
し、もし、次のフレーム周期までに許容送出遅延時間に
到達するデータが存在したら、最低どれだけのレートで
送信しなければならないかを計算する。この最低のレー
ト（遅延保証最低レート）が輻輳通知に基づいたレート
（輻輳判定レート）よりも高い場合には、データのリア
ルタイム性（遅延保証）を優先するため、この遅延保証
最低レートを用いて通信する。一方、輻輳判定レートの
方が遅延保証最低レートよりも高い場合、あるいは、次
のフレーム周期までに送出しなければならないデータが
既に送信し終わった後であるならば（許容送出遅延時間
に関する送信レートは０であるので）、輻輳判定レート
を用いて通信する。

【００５５】符号量の見積り方法としては、基本的に上
記式（１）あるいは式（２）を用いて計算する。ただ
し、この見積りは、送信レートが変わらない前提のた
め、許容送出遅延を保証できない場合があり、そのため
に前述のレート制御を行う。安全に全てレートが下がる
前提の見積りでは、帯域を有効に利用できない。しか
し、遅延保証最低レート適用時には、網の輻輳通知を無
視することになるため、いつまでたっても輻輳が改善さ
れない可能性がある。

【００５６】この問題を解決するために、輻輳時に遅延
保証最低レートを適用する場合には、少なくとも次のフ
レーム周期も輻輳状態であることを前提にレートが下が
るものとして、最大許容情報量を見積る。これにより、
次のフレーム周期以降で輻輳状態を速やかに回復させる
ことができる。

【００５７】以下に、符号化器１０１で実行されるレー
ト制御および符号量計算処理について説明する。図６は
符号化器１０１のレート制御および符号量計算処理を示
すフローチャートである。

【００５８】符号化器１０１のＣＰＵ４０５はフレーム
周期毎に割り込みを受け、次に述べる処理に従って通信
レートを変更すると共に最大許容情報量を計算する。す
なわち、フレーム周期の割り込みを受信すると、ＣＰＵ
４０５はレート制御回路４０２内の送信バッファ４０２
ａのサイズＢ_i を調べると共に（ステップ６０１）、リ
ーキーバケット処理部４０４のＬＢカウンタ４０４ａを
チェックすることで、リーキーバケット残量（つまり、
Ｃ_max をリーキーバケットサイズ、Ｃ_i をカウンタ値と
したときのＣ_max −Ｃ_i ）を調べる（ステップ６０
２）。

【００５９】次に、ＣＰＵ４０５は、映像符号化回路４
０１のレジスタをチェックすることで、既に符号化が完
了している前フレームの発生情報量を調べ（ステップ６
０３）、図７に示すフレーム管理テーブル７００を更新
する（ステップ６０４）。

【００６０】このフレーム管理テーブル７００と送信バ
ッファサイズＢ_i とから、ＣＰＵ４０５は次のフレーム
周期までに許容送出遅延時間に到達するデータが存在す
るか否かを調べる（ステップ６０５）。なお、次のフレ
ーム周期までに許容送出遅延時間に到達するデータと
は、図５の例で各時刻Ｔ１〜Ｔ３の右側に示されるデー
タ量の中の“０”の部分のデータのことである。

【００６１】ここで、次のフレーム周期までに許容送出
遅延時間に到達するデータがなければ（ステップ６０５
のＮｏ）、ＣＰＵ４０５は図８に示す受信レート制御情
報セル管理テーブル８００を調べ、規定の輻輳判定アル
ゴリズムに従って輻輳判定を行い、その判定結果に応じ
て通信レート（平均レートおよびピークレート）を規定
の輻輳判定レートに変更する（ステップ６１１）。

【００６２】なお、上記規定の輻輳判定アルゴリズムに
は、例えば過去ｍセルのうち、１つでも輻輳指示があっ
たら輻輳状態とすることが記述されている。また、上記
規定の輻輳判定レートには、例えば輻輳状態の場合には
現在のレートの１／ｘだけ現在のレートを下げ、そうで
なければピークレートを１／ｙだけ現在のレートを上げ
ることが記述されている（ｘ，ｙは１より大きい実数と
する）。

【００６３】このようにして、現在の通信レートを輻輳
判定レートに変更すると、ＣＰＵ４０５はその変更され
たピークレート（ＰＣＲ_i ）および平均レート（ＳＣＲ
_i ）と、リーキーバケットの残バッファ量（Ｃ_max −Ｃ
_i ）、次のフレーム周期までに送信しなければならない
データ量Ｂ_fiから、上記式（１）または式（２）を用い
て最大許容情報量を計算する（ステップ６１２）。

【００６４】一方、次のフレーム周期までに許容送出遅
延時間に到達するデータが存在する場合には（ステップ
６０５のＹｅｓ）、ＣＰＵ４０５は、まず、そのときの
データ量Ｂ_fiとリーキーバケットの残バッファ量（Ｃ
_max −Ｃ_i ）、１フレーム時間Ｔ_f 、ピークレートＰＣ
Ｒと平均レートＳＣＲの比Ｒ_f から、上記式（３）また
は式（４）を用いて、許容送出遅延を保証するための通
信レートつまり遅延保証最低レートＳＣＲ_{min i} を求め
る（ステップ６０６）。

【００６５】次に、上記同様にして、ＣＰＵ４０５は輻
輳判定によるピークレートＰＣＲ_iと平均レートＳＣＲ_i
を求めた後（ステップ６０７）、この輻輳判定レート
と遅延保証最低レートＳＣＲ_{min i} とを比較する（ステ
ップ６０８）。この場合、ピークレートと平均レートの
比はＲ_f にて固定のため、平均レートＳＣＲ_i のみを比
較すればよい。

【００６６】その結果、輻輳判定レートの方が遅延保証
最低レートＳＣＲ_{min i} より大きければ（ステップ６０
８のＮｏ）、ＣＰＵ４０５は輻輳判定レートを適用し、
上記同様にピークレートＰＣＲ_i 、平均レートＳＣＲ
_i 、リーキーバケットの残バッファ量（Ｃ_max −Ｃ
_i ）、データ量Ｂ_fiから上記式（１）または上記式
（２）を用いて最大許容情報量を計算する（ステップ６
１０）。

【００６７】また、遅延保証最低レートＳＣＲ_{min i} の
方が輻輳判定レートより大きければ（ステップ６０８の
Ｙｅｓ）、ＣＰＵ４０５は遅延保証最低レートＳＣＲ
_{min i}を適用して最大許容情報量を計算する（ステップ
６０９）。この場合、遅延保証最低レートＳＣＲ_{min i}
の方を適用すると、ＡＴＭ網からの輻輳通知を無視する
ことになるため、いつまでも輻輳が回避されない可能性
がある。そこで、少なくとも次のフレーム周期も輻輳状
態であることを前提にレートを下げて最大許容情報量を
見積るようにする。

【００６８】このときの最大許容情報量Ｋ_{max min i} の
計算は、次式で与えられる。 （ａ）Ｃ_max −Ｃ_i ＜Ｔ_f ×（Ｒ_f −1)×ＳＣＲ_{min i} ＋(n−1) ×Ｔ_f ×（Ｒ_f −1)×Ｆ_down（ＳＣＲ_{min i} ）の場合 Ｋ_{max min i} ＝Ｔ_f ×ＳＣＲ_{min i} ＋(n−1)×Ｔ_f ×Ｆ_down（ＳＣＲ_{min i} ）＋（Ｃ_max −Ｃ_i ）−Ｂ_i …式（５） （ｂ）それ以外の場合 Ｋ_{max min i} ＝Ｔ_f ×ＰＣＲ_{min i} ＋(n−1) ×Ｔ_f ×Ｆ_down（ＰＣＲ_{min i} ）−Ｂ_i …式（６） ここで、ｎは許容遅延時間（フレーム単位）、Ｆ
_down(x) はｘの通信レートで通信していた際に、規定の
輻輳判定によりレートが下がった場合の通信レートであ
る。

【００６９】最後に、ＣＰＵ４０５は上記のようにして
得られた最大許容情報量を映像符号化回路４０１に通知
して、ここでのレート制御処理を終了する（ステップ６
１３）。

【００７０】このように、ネットワークの状態を常に監
視し、必要であれば通信レートを下げると共に、リアル
タイムデータにおいて重要な許容送出遅延を保証するた
めの最低限の通信レートを求め、それに応じて発生情報
量を制御することによって、伝送路上で発生した輻輳や
回線障害等により通信帯域が確保できなくなった場合で
も、許容送出遅延を保証することができる。

【００７１】また、輻輳通知を無視して最低の通信レー
トを適用した場合に、少なくとも次の周期も輻輳状態で
あることを前提に最大許容情報量を計算することで、次
周期以降で輻輳状態を回避することができる。

【００７２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、網が輻輳
状態にあるときに、許容送出遅延を保証するための最低
限の通信レートを求め、それに応じて発生情報量を制御
するようにしたため、許容送出遅延を保証し、通信デー
タのリアルタイム性を損なうことなく、通信帯域を有効
に利用することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る通信システムの構成
を示すブロック図。

【図２】上記通信システムに用いられる復号化器の内部
構成を示すブロック図。

【図３】上記復号化器のレート制御情報セルの送信処理
を示すフローチャート。

【図４】上記通信システムに用いられる符号化器の内部
構成を示すブロック図。

【図５】上記符号化器のバッファ占有量の遷移の様子を
示す図。

【図６】上記符号化器のレート制御および符号量計算処
理を示すフローチャート。

【図７】上記符号化器に設けられるフレーム管理テーブ
ルの構成を示す図。

【図８】上記符号化器に設けられる受信レート制御情報
セル管理テーブルの構成を示す図。

【符号の説明】

１０１…符号化器 １０２…復号化器 １０３…ＡＴＭスイッチ １０４…リンク １０５…ＡＴＭセル １０６…レート制御情報セル ２０１…網ＩＦ部 ２０２…バッファ ２０３…ＤＥＣＯＤＥ回路 ２０４…映像出力回路 ２０５…タイマ ２０６…ＣＰＵ ４０１…映像符号化回路 ４０２…レート制御回路 ４０２ａ…送信バッファ ４０３…網ＩＦ部 ４０４…リーキーバケット処理部 ４０４ａ…ＬＢカウンタ ４０５…ＣＰＵ ４０６…メモリ ７００…フレーム管理テーブル ８００…受信レート制御情報セル管理テーブル

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 送信端末および受信端末が網に接続され
   た通信システムにおいて、 上記送信端末は、 一定周期で入力されるリアルタイムデータを最大許容情
   報量の範囲内で符号化する符号化手段と、 この符号化手段によって符号化されたデータを格納する
   バッファ手段と、 このバッファ手段に格納された符号化データを所定の通
   信レートで上記受信端末に送信する送信手段と、 上記網あるいは上記受信端末の輻輳状態が記されたレー
   ト制御情報がフィードバックされた際に、上記バッファ
   手段に残されている情報量を許容送出遅延時間までに送
   出できる最低の通信レートを求め、この最低の通信レー
   トに基づいて上記所定の通信レートを変更するレート制
   御手段と、 このレート制御手段によって変更された通信レートに基
   づいて上記最大許容情報量を計算する情報量計算手段と
   を具備し、 上記受信端末は、 上記網を介して受信したデータを展開し復号化する復号
   化手段と、 上記網より得られる負荷状態あるいは自身の負荷状態を
   輻輳状態として上記レート制御情報に記して上記送信端
   末にフィードバックする輻輳通知手段とを具備したこと
   を特徴とする通信システム。
2. 【請求項２】 上記レート制御手段は、輻輳状態に対応
   する規定の通信レートと上記最低の通信レートとを比較
   し、高い方の通信レートを用いて上記所定の通信レート
   を変更することを特徴とする請求項１記載の通信システ
   ム。
3. 【請求項３】 上記情報量制御手段は、上記輻輳状態に
   対応する規定の通信レートと上記最低の通信レートとの
   比較により上記最低の通信レートが適用された場合に、
   少なくとも次の周期も輻輳状態であることを前提に上記
   最大許容情報量を計算することを特徴とする請求項２記
   載の通信システム。
4. 【請求項４】 一定周期で入力されるリアルタイムデー
   タを最大許容情報量の範囲内で符号化し、所定の通信レ
   ートで伝送する可変レート符号化装置において、 符号化されたデータを格納するバッファ手段と、 送信先が輻輳状態であるか否かを判定する輻輳判定手段
   と、 この輻輳判定手段の結果、送信先が輻輳状態である場合
   に、上記バッファ手段に残されている情報量を許容送出
   遅延時間までに送出できる最低の通信レートを求め、こ
   の最低の通信レートに基づいて上記通信レートを変更す
   るレート制御手段と、 このレート制御手段によって変更された通信レートに基
   づいて上記最大許容情報量を計算する情報量計算手段と
   を具備したことを特徴とする可変レート符号化装置。
5. 【請求項５】 上記レート制御手段は、輻輳状態に対応
   する規定の通信レートと上記最低の通信レートとを比較
   し、高い方の通信レートを用いて上記通信レートを変更
   することを特徴とする請求項４記載の可変レート符号化
   装置。
6. 【請求項６】 上記情報量制御手段は、上記輻輳状態に
   対応する規定の通信レートと上記最低の通信レートとの
   比較により上記最低の通信レートが適用された場合に、
   少なくとも次の周期も輻輳状態であることを前提に上記
   最大許容情報量を計算することを特徴とする請求項４記
   載の可変レート符号化装置。