JP2002262262A - マルチキャスト・ビデオ・オンデマンドによる動画コンテンツの配送方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 マルチキャストセッションを維持したまま早
送りを除く任意のＶＴＲ操作を可能とする。各セッショ
ンに割当てる伝送帯域を固定ではなく、同時接続セッシ
ョン数に応じて動的に更新し、良好な呼損率特性を達成
する。 【解決手段】 サーバ１００に蓄積されたデジタル動画
コンテンツをユーザのＳＴＢ１０２〜１０４を介して配
送するのに、コンテンツの全体をＳＴＢに保持し、動画
再生が中断するＳＴＢのバッファアンダーフローを回避
するのに必要な最小伝送帯域を算出し、必要最小伝送帯
域に基づき呼受付判定を行い、必要最小伝送帯域以上か
つアクセス回線容量以下になる同時接続セッション数に
応じて割当て伝送帯域を動的に変更し、必要最小伝送帯
域を定期的に再計算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、伝送帯域が保証で
き、マルチキャスト配送が可能なネットワークを介し、
サーバに蓄積されたデジタル動画コンテンツをユーザ宅
の端末（ＳＴＢ）に直接配送するビデオ・オンデマンド
（ＶｏＤ）システムに係り、特にユーザがコンテンツの
配送を受けながら視聴を行うストリーミング配送し、か
つ同一コンテンツを視聴する複数のユーザに対し一本の
マルチキャストセッションで配送を行うマルチキャスト
ＶｏＤによる配送方法に関し、さらには早送りを除く任
意のＶＴＲ操作を簡易に実現し、サーバ資源の有効利用
を図るよう伝送帯域を制御する配送方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】家庭に居ながらにして好みのビデオタイ
トルを任意の時間に視聴できるＶｏＤサービスは、広帯
域通信インフラを活用する有力な通信サービスの一つと
考えられる。動画像データの情報量は大きく（ＮＴＳ
Ｃ，ＰＡＬのＴＶ放送品質で２１６Ｍｂｐｓ）、一般的
な動画符号化方式であるＭＰＥＧ１（ＶＨＳビデオの品
質相当）やＭＰＥＧ２（ＴＶ放送の品質相当）で圧縮後
も、その平均ビットレートは前者が数１００ｋ〜１.５
Ｍｂｐｓ、後者が４〜１０Ｍｂｐｓに達する。そのた
め、数Ｍｂｐｓ以上の高速なアクセス回線が必要となる
が、ＣＡＴＶや衛星ネットワークといった広帯域アクセ
ス回線の利用に加え、ｘＤＳＬや光アクセス回線の普及
が始まり、高速なアクセス環境を利用できるユーザ数が
今後は急速に増加していくものと思われる。

【０００３】ＶｏＤシステムにおける動画コンテンツ配
送方法としては、配信を受けながら視聴を行うもの（ス
トリーミング配送）と、コンテンツの全体を先に受信し
配信完了後に視聴を開始するもの（バースト配信）の二
つの形態を考えることができる。ＶｏＤサービスの中心
的なコンテンツになると思われる映画タイトルの場合、
平均的な作品の長さが１００分前後であることから、配
送すべきコンテンツのサイズは数Ｇｂｙｔｅｓにも及
ぶ。数Ｍｂｐｓのアクセス回線を用いた場合、コンテン
ツの配送に数時間を要することから、バースト配送では
事前に視聴を予約するような予約配送型のサービスにな
るものと思われる。

【０００４】一方、ストリーミング配送ではコンテンツ
の配送を待つことなく視聴を開始できることから、本来
の意味でのオンデマンドにより近い配送形態といえる。
ユーザ宅のＳＴＢ（Ｓｅｔ−Ｔｏｐ−Ｂｏｘ）に到着し
た画像フレームは一時的にバッファリングされ、画像フ
レーム再生レートに従い読み出される。一定間隔で画像
フレームを再生し続けるためには、ＳＴＢにおけるバッ
ファアンダーフローを回避する必要があり、配送開始か
ら数１００ｍｓ〜数秒後に視聴を開始する（予備受信時
間：Ｐｒｅ−ｌｏａｄｉｎｇ）と同時に、平均ビットレ
ート以上の伝送帯域を確保する必要がある。コンテンツ
が蓄積されているビデオサーバには同時に多数のセッシ
ョンが接続されるため、サーバのネットワークＩＯ帯域
がシステム全体のボトルネックとなり、収容可能な最大
ユーザ数が制限されることが知られている。そこでＳＴ
Ｂとサーバ間を一対一に配送する（Ｔｒｕｅ−ＶｏＤ
（Ｔ−ＶｏＤ））のではなく、同一タイトルを要求した
ユーザをまとめマルチキャストセッションにより配送す
ることが、収容可能ユーザ数を増加させる点で有効とな
る。複数のユーザを束ねるため、数分間のバッチング期
間が必要となるが、サーバ資源を有効に活用することが
できる。

【０００５】図１０にマルチキャストＶｏＤのシステム
構成を示す。コンテンツプロバイダーもしくは通信キャ
リアが用意するＭＰＥＧ１やＭＰＥＧ２によりデジタル
符号化されたビデオタイトルはビデオザーバ１００のデ
ィスク１０１に蓄積される。大規模なＶｏＤシステムの
場合、数Ｍｂｐｓの配送ストリームを同時に数千〜数十
万本サポートする必要があることから、例えばＳＧＩ２
８００といった処理能力の大きなサーバを利用する必要
がある。ＳＧＩ２８００の場合ディスクＩＯ帯域は１．
６Ｔｂｐｓにもなるが、ネットワークＩＯ帯域はそれよ
りも数桁小さく、また大容量トラヒックを一拠点からネ
ットワークに流入させることは困難であるため、サーバ
のネットワークＩＯ帯域がボトルネックとなる。

【０００６】一方、ユーザ宅には配送されたビデオコン
テンツを受信すると同時にメモリやＨＤＤに記憶し、並
行してＴＶ受像機に複合画像を表示するＳＴＢ１０２、
１０３、１０４が設置される。これまで検討されている
ストリーミング配送では、数秒間もしくは数分間にわた
る画像フレームを一時的にバッファリングするのみで、
再生済みのデータはバッファから除去していた。そのた
め、必要となる記憶装置容量は数１００ｋＢ〜数１０Ｍ
Ｂであった。しかし、本発明に係る配送方法ではコンテ
ンツの全体をＳＴＢに蓄積することを考えるため、ビデ
オタイトルの一本が３ＧＢ〜７.５ＧＢになることを考
えると、数本〜数１０本のタイトルを保存するためには
数１０ＧＢ〜数１００ＧＢの容量が必要になる。現在で
も例えば６０ＧＢのＨＤＤが４万円弱で購入でき、今後
も価格が低下することが予想されることから、そのコス
トは許容できる範囲であると思われる。また、ユーザが
複数回の視聴を行うことやコピーを行う可能性があるこ
とから、著作権を保護するためにはこれらの行為に制限
を加える必要があるが、例えばＩｎｔｅｒｔｒｕｓｔ社
のＤＲＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｒｉｇｈｔｓ Ｍａｎａｇｅ
ｍｅｎｔ）を利用することにより、コンテンツプロバイ
ダーは視聴毎に料金を徴収することが可能となる。

【０００７】次に、サーバ１００とＳＴＢ１０２、１０
３、１０４をつなぐネットワークについて考察する。本
発明では動画データの配信を受けながら視聴を行うスト
リーミング配送を前提としているため、ＳＴＢのアンダ
ーフローを回避する最小必要伝送帯域（数１００ｋ〜数
Ｍｂｐｓ、画像フレームサイズとＰｒｅ−ｌｏａｄｉｎ
ｇ時間から決まる）が存在する。そのため、ビデオサー
バ１００からＳＴＢ１０２、１０３、１０４間のＥｎｄ
−ｔｏーｅｎｄで数１００ｋ〜数Ｍｂｐｓの伝送帯域を
割当てる必要がある。また、同一タイトルを要求した全
ユーザに対し一本のセッションで配送を行うため、マル
チキャストセッションを確立する必要がある。以上のこ
とから、以下のネットワーク形態を考えることができ
る。

【０００８】（１）ビデオサーバとＳＴＢを衛星ネット
ワークで直接つなぐ形態。ただし、限られた伝送帯域を
全ユーザで共有することから、同時接続数を多くするこ
とができず、収容ユーザ数と提供コンテンツ数が限られ
たものになる。

【０００９】（２）ＭＰＬＳやＡＴＭをバックボーンと
し、数１００ｋｂｐｓ以上の伝送速度が達成できるＸＤ
ＳＬやＣＡＴＶ，ＦＴＴＨをアクセス網として利用する
形態。ＸＤＳＬやＦＴＴＨは今後、急速に普及していく
ものと思われるため有望な網インフラとなる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ビデオコンテンツの視
聴要求は特定の人気タイトルに集中する傾向があり、収
容ユーザ数が十分に多い場合、数分といった比較的短い
時間内に同一タイトルに対する要求が発生する。そこ
で、個々の要求に対しユニキャストで配送する代わりに
同一タイトルを要求した全ユーザに対してマルチキャス
トで配送すれば、サーバがサポートする同時接続セッシ
ョン数を大幅に削減できるため、システム全体のボトル
ネックとなるサーバのネットワークＩＯ帯域にかかる負
荷を低減でき、収容可能なユーザ数を向上させることが
可能となる。マルチキャスト配送を行うには複数のユー
ザを束ねるバッチング処理を行う必要があるが、主な方
法として、以下の二つが考えられる。

【００１１】（１）Ｗｉｎｄｏｗ−ｓｉｚｅ ｂａｓｅ
ｄ 対象コンテンツの待ちユーザのいない状態において、最
初の視聴要求が発生した瞬間から、一定間隔Ｗの間だけ
バッチングを行う。すなわち、最初の要求からＷ後に配
送が開始され、その間に発生した同一コンテンツに対す
る視聴要求が全て束ねられ、同一のマルチキャストセッ
ションで配送を受ける。バッチサイズが不確定で特に人
気のないコンテンツではマルチキャストの効果が小さく
なるが、バッチング遅延時間の上限を時間Ｗで抑えられ
る長所がある。

【００１２】（２）Ｂａｔｃｈ−ｓｉｚｅ ｂａｓｅｄ 一定数Ｆの視聴要求がバッチングされたときに配送を開
始する。バッチサイズを一定数Ｆに保つことができる
が、バッチング遅延時間が不定となり、視聴要求時にバ
ッチング遅延時間が確定しない問題がある。

【００１３】サービスを受けるユーザの観点からすれ
ば、視聴を要求してから配送が開始されるまでの待ち時
間が確定していることが好ましく、タイトルによって大
きく変動するＢａｔｃｈ−ｓｉｚｅ ｂａｓｅｄは導入
が難しいと思われる。

【００１４】この場合、間隔Ｗの決め方が問題となる
が、間隔Ｗが大きなほどバッチサイズが増加し、呼損率
が低減する。しかし、間隔Ｗの増加は、視聴要求から配
送が開始されるまでの待ち時間を悪化させる。一般に、
平均５分前後の待ち時間は許容範囲と考えることがで
き、本発明でも数分オーダーの間隔Ｗを想定する。

【００１５】次に、バッチング処理によるマルチキャス
ト配送は、サーバのネットワークＩＯ資源の消費を抑
え、収容可能ユーザ数を向上させる点で有効であるが、
ＶｏＤ特有のＶＴＲ操作に対する対処が問題である。

【００１６】まず、一時停止操作と再スタート操作につ
いて考える。図１１の（ａ）に、画像フレーム１を表示
中にユーザＣが一時停止操作をし（ａ）、３画像フレー
ム時間後に再スタート操作を行った（ｂ）場合のＳＴＢ
バッファの様子を例示する。画像フレームサイズは一般
に変動するが、図では簡単のため同一サイズとしてい
る。一時停止中は画像フレームが再生されないが、その
間もマルチキャストセッションから画像データが到着し
続けるためＳＴＢバッファは増加し続ける。

【００１７】図１１の（ｂ）に示すように、ユーザＣの
ＳＴＢバッファが溢れる前に再生が再開されれば、問題
なくマルチキャストセッションによる配送を継続するこ
とが可能である。すなわち、一時停止・再スタート処理
を行ったユーザＣの再生ポイント（フレーム１）と、同
一マルチキャストグループに属する他のユーザ（Ａ，
Ｂ）の再生ポイント（フレーム４）にずれが生じるが、
その差がＳＴＢバッファで吸収できる範囲であればマル
チキャスト配送を継続することができる。しかし、停止
時間が長期化し差が吸収できないほど大きくなった場合
には、もはやユーザＣはマルチキャーストグループに留
まることができない。

【００１８】この際、もしユーザＣの新しい再生ポイン
トとの差がＳＴＢバッファで吸収可能なマルチキャスト
セッションが他にあれば、そこにユーザＣを移動させる
ことができる。しかし、マルチキャストセッション間の
移動という処理がサーバに発生することと、新たにＰｒ
ｅ−ｌｏａｄｉｎｇを行う必要があり、遅延が生じる問
題があるが、サーバの同時接続セッション数を増やすこ
となく配送を継続することができる。問題はそのような
セッションが他にない場合で、ユーザＣの視聴を継続さ
せるためには、新たにユーザＣのみをサポートするユニ
キャストセッションを設ける必要がある。このことは、
一本のセッションに束ねていたユーザを細分化すること
を意味し、マルチキャスト配送の利点が失われ、サーバ
のネットワークＩＯ帯域の消費量を増加させる。最悪の
場合、空き資源不足から新たにユニキャストセッション
を設けることができず、ユーザＣの視聴を中断させる結
果になることが予想される。

【００１９】また、Ｊｕｍｐ−ｆｏｒｗａｒｄやＪｕｍ
ｐ−ｂａｃｋｗａｒｄといった再生点を直接指定して変
更するようなＶＴＲ操作の場合（ＶＴＲにおける早送り
と巻き戻しに相当。ＶｏＤではランダムな位置に直接移
動可能）、やはり新たに生じる再生ポイントの差異がＳ
ＴＢバッファで吸収できない場合には同様の問題が生じ
る。更に、早送り再生やスロー再生といった動画の再生
レートが変更される場合にも、ユニキャストセッション
が必要となる。

【００２０】以上のことから、コンテンツの一部をＳＴ
Ｂにて保存する従来のマルチキャストＶｏＤシステムで
はＶＴＲ操作に対する対応が困難であり、マルチキャス
ト配送の効果が低減する。

【００２１】本発明の目的は、マルチキャスト・ストリ
ーミング配送型ＶｏＤシステムにおいて、マルチキャス
トセッションを維持したまま早送りを除く任意のＶＴＲ
操作を可能とする配送方法を提供することにある。

【００２２】本発明の他の目的は、各セッションに割当
てる伝送帯域を固定ではなく、同時接続セッション数に
応じて動的に更新し、良好な呼損率特性を達成すること
ができる配送方法を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、コンテンツの
全体をＳＴＢに蓄積すればマルチキャストセッションを
維持したまま早送りを除く全てのＶＴＲ操作が容易に実
現されることに着目したもので、以下の方法を特徴とす
る。

【００２４】（１）サーバに蓄積されたデジタル動画コ
ンテンツをユーザのセットトップボックスに直接配送す
るビデオ・オンデマンドサービス形態とし、かつ動画コ
ンテンツを受信しながら並行して動画再生を行うストリ
ーミング配送形態とし、かつサーバ資源の有効利用を図
り呼損率を低減するマルチキャスト配送形態で動画コン
テンツを配送する方法であって、マルチキャストセッシ
ョンを維持したまま早送りを除く任意のＶＴＲ操作を可
能とするようコンテンツの全体をＳＴＢに保持する手段
と、動画再生が中断するセットトップボックスのバッフ
ァアンダーフローを回避するのに必要な最小伝送帯域を
算出する手段と、前記必要最小伝送帯域に基づき呼受付
判定を行う手段と、前記必要最小伝送帯域以上かつアク
セス回線容量以下になる同時接続セッション数に応じて
割当て伝送帯域を動的に変更する手段と、前記必要最小
伝送帯域を定期的に再計算する手段とを有して動画コン
テンツを配送することを特徴とする。

【００２５】（２）前記（１）に記載の配送方法におい
て、動画コンテンツの全体を保持するのに十分な容量の
記憶装置を前記セットトップボックスに用意し、一旦受
信したデータを再生後も廃棄せずに該セットトップボッ
クスに保存し、視聴完了時には動画コンテンツの全体を
該セットトップボックスに保持しておく手段を有して動
画コンテンツを配送することを特徴とする。

【００２６】（３）前記（２）に記載の配送方法におい
て、動画コンテンツの配送開始時刻から予備受信時間を
経過した後に視聴を開始し、全画像フレームサイズシー
ケンスと前記予備受信時間の時間量から前記セットトッ
プボックスバッファアンダーフローを回避するのに必要
となる伝送帯域を算出する手段を有して動画コンテンツ
を配送することを特徴とする。

【００２７】（４）前記（１）に記載の配送方法におい
て、各セッションに前記（３）で算出した必要最小伝送
帯域を確保するため、他に待ちユーザのいないコンテン
ツを要求した新規要求ユーザに対し、最小必要伝送帯域
に基づいて呼受付判定を行う手段を有して動画コンテン
ツを配送することを特徴とする。

【００２８】（５）前記（１）に記載の配送方法におい
て、サーバ資源を有効利用するため、同時接続セッショ
ン数に応じて、各セッションに割当てる伝送帯域を動的
に更新する手段を有して動画コンテンツを配送すること
を特徴とする。

【００２９】（６）前記（１）に記載の配送方法におい
て、未伝送データ量が少なくなるにつれ以後の伝送に必
要な伝送帯域が小さくなることを利用し、周期的にコン
テンツ配送中のセッションに対して前記必要最小伝送帯
域を再計算することで消費資源量を削減する手段を有し
て動画コンテンツを配送することを特徴とする。

【００３０】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態および実施形態
に基づいたシミュレーションについて、以下に項分けし
て詳細に説明する。

【００３１】（１）最小必要伝送帯域 サーバにはＭ個のビデオコンテンツが蓄積されており、
コンテンツｍ（１≦ｍ≦Ｍ）の画像フレーム数をＮ_m、
コンテンツｍのｎ番目（１≦ｎ≦Ｎ_m）の画像フレーム
サイズ〔ｂｉｔｓ〕をＸ_n（ｍ）とする。ここでは、Ｓ
ＴＢバッファアンダーフロー（画像データの到着が間に
合わず、一定間隔Ｔでの画像再生が継続できない状態）
を回避するのに必要な最小伝送帯域α（ｍ）〔ｂｐｓ〕
を導出する。

【００３２】いま、コンテンツｍの伝送開始時刻を
ｔ_s、Ｐｒｅ−ｌｏａｄｉｎｇ遅延量をＤ〔ｓｅｃ〕と
すると（すなわちユーザは時刻ｔ_s＋Ｄに再生を開始で
きる）、ＶＴＲ操作がなかった場合の画像フレームｎの
再生時刻Ｓ_nは、

【００３３】

【数１】Ｓ_n＝ｔ_s＋Ｄ＋（ｎ−１）Ｔ …（１） となり、画像データの転送レートをｂ〔ｂｐｓ〕とする
と、画像フレームｎの末尾がＳＴＢに到着する時刻Ｆ_n
は、

【００３４】

【数２】

【００３５】となる。１≦ｎ≦Ｎ_mにおいてＦ_n≦Ｓ_nが
満たされれば、ＳＴＢバッファアンダーフローが回避で
きる。すなわち、転送レートｂが全てのｎ（１≦ｎ≦Ｎ
_m）について、

【００３６】

【数３】

【００３７】を満足すればよい。よって、コンテンツｍ
の最小必要伝送帯域α（ｍ）は以下のように求まる。

【００３８】

【数４】

【００３９】この最小必要伝送帯域α（ｍ）はＯ
（Ｎ_m）の計算量で得られるが、ライブ中継とは異なり
ＶｏＤではＸ_n ^(m)は既知であるので、Ｐｒｅ−ｌｏａｄ
ｉｎｇ時間量Ｄを予め与えればα（ｍ）を事前に計算し
テーブルに用意しておくことも可能である。

【００４０】早送り以外のＶＴＲ操作が発生した後の画
像フレーム再生時刻は式（１）で示した値よりも大きく
なるので、転送レートｂが最小必要伝送帯域α（ｍ）以
上であればＶＴＲ操作後もＳＴＢアンダーフローを回避
できる。

【００４１】（２）伝送帯域の変更処理 ＶｏＤの伝送帯域に関する従来の研究では、ＳＴＢのバ
ッファアンダーフローを回避するという伝送帯域の下限
に関する制限と、ＳＴＢのバッファ溢れを回避するとい
う伝送レートの上限に関する制限の双方を考慮する必要
があった。

【００４２】しかし、コンテンツの全体をＳＴＢに蓄積
する場合にはバッファ溢れを考慮する必要がなく、前記
の（１）で導出した最小必要伝送帯域α（ｍ）以上であ
れば任意のレートで伝送することが可能である。

【００４３】ＷＷＷコンテンツのダウンロードやＦＴＰ
ファイル転送といったサービスでは、転送スループット
が待ち時間を決めるため、ユーザの感知する品質に直接
影響するが、ＶｏＤサービスでは最小必要伝送帯域さえ
満足していれば、ユーザの感知する品質に影響を与えな
い。

【００４４】しかし、ＶｏＤサービスの需要は２４時間
の周期で大きく変動し、特に夕方から深夜にかけてピー
クが訪れることが知られている。ピーク時間帯には数多
くの視聴要求が発生するため、個々のセッションに割当
てる伝送帯域が小さなほど呼損率が低減し、収容可能な
ユーザ数が増加する。しかし、それ以外の需要が少ない
アイドル時間帯では、ネットワークＩＯ帯域の大部分が
空いているにもかかわらず必要最小帯域のみが割当てら
れるため、セッション保留時間を短縮することができな
い。もし、アイドル時間帯に大きな伝送帯域を割当てる
ことができれば、平均同時接続セッション数を抑えるこ
とができ、特にアイドル時間帯からピーク時間帯に入っ
た時分の同時接続数が緩和され、更なる呼損率の低減が
期待される。

【００４５】そこで、本実施形態では、同時接続数に応
じて各セッションに割当てる伝送帯域を変更し、可能な
限り各セッションに割当てる伝送帯域を大きな値とす
る。図１に割当て帯域を視聴要求量に応じて変化させる
ことの効果を概念的に示す。

【００４６】以下、同時接続セッション数ｋが変化した
とき（配送開始時と配送完了時）の、コンテンツｍ_sを
配送するマルチキャストセッションｓの割当帯域（転送
レート）ｂ_sの更新方法を示す。セッションｓには一人
以上のユーザが収容されているが、そのユーザ集団のア
クセス回線伝送容量のうち最小のものをＡ_sとすると、
ｂ_nは、α（ｍ_s）≦ｂ_s≦Ａ_sの範囲で任意の値をとるこ
とができる。そこでｂ _sを、次のように再計算するもの
とする。

【００４７】

【数５】

【００４８】ただし、サーバのネットワークＩＯ帯域を
Ｂ〔ｂｐｓ〕とする。すなわち、各セッションに最小必
要伝送帯域α（ｍ_s）をまず割当て、残ったＩＯ帯域資
源を、最大可能伝送帯域Ａ_sを超えない範囲でＡ_sとα
（ｍ_s）の差に比例して配分する。

【００４９】（３）呼受付処理 コンテンツｍを配送するセッションは最低でもα（ｍ）
の伝送帯域を確保する必要がある。そこで、他に待ちユ
ーザのいないコンテンツを要求したユーザ（新規要求ユ
ーザ）に対し、空きＩＯ帯域がα（ｍ）以上あるかどう
かに応じて要求の受付可否判定を行う。バッチング中で
あるコンテンツを要求したユーザに対しては呼受付処理
は不要であり無条件に収容される。

【００５０】さて、時刻ｔ₀にコンテンツｍに対する新
規要求が発生した場合、このユーザに対する呼受付処理
を説明する。視聴要求がサーバに到着してから、実際に
配送が開始されネットワークＩＯ帯域が消費されるのは
バッチング遅延時間であるＷ後である。そのため、呼受
付判定は、時刻ｔ₀＋Ｗの空き資源量に基づき行う必要
がある。時刻ｔ₀において、コンテンツを配送中のマル
チキャストセッション集合をΦａとし、バッチング中の
マルチキャストセッション侯補集合（配送を開始してい
ないが将来配送予定）をΦ_bとする。バッチング時間Ｗ
は全コンテンツに対し一定であるとすると、ｔ₀におい
てバッチング中であったセッション侯補はｔ₀＋Ｗにお
いて全て配送を開始している。よって、時刻ｔ₀＋Ｗに
おける消費資源量は、

【００５１】

【数６】

【００５２】でその上限を抑えられる。実際にはｔ₀か
らｔ₀＋Ｗの間に配送が完了し、割当て帯域を開放した
セッションがある場合があり、これより少なくなるが、
セッション保留時間に対してバッチング時間Ｗが十分に
短いことから式（４）を用いて呼受付処理を行う。すな
わち、サーバのネットワークＩＯ帯域Ｂに対し、

【００５３】

【数７】

【００５４】を満足するときのみ、この新規要求を受け
付ける。この結果、全てのセッションは各々の最小必要
伝送帯域以上の転送レートを確保することができる。

【００５５】なお、式（２）で求めたα（ｍ）は、コン
テンツ転送開始時点から転送完了時点までの全期間にお
いて最小限必要になる伝送帯域であり、コンテンツの一
部が既に転送されている場合には、それ以後の転送に必
要となる伝送帯域はα（ｍ）よりも小さくなる。よっ
て、接続中セッションの最小必要伝送帯域を定期的に再
計算することにより、収容可能なセッション数がさらに
向上することが予想されるが、これについては後述の
（５）で説明する。

【００５６】（４）処理プロセス ここでは割当て帯域の更新例を図２に示し、前記までに
述べた本実施形態における処理プロセスをまとめる。図
２の例ではコンテンツ数Ｍを３とし（便宜上、各々のコ
ンテンツをＡ，Ｂ，Ｃと表記する）、サーバのネットワ
ークＩＯ帯域Ｂを１２Ｍｂｐｓとする。また、最小必要
伝送帯域α（）を各々、α（Ａ）＝５Ｍｂｐｓ、α
（Ｂ）＝３Ｍｂｐｓ、α（Ｃ）＝４Ｍｂｐｓとし、アク
セス回線容量は全ユーザとも１０Ｍｂｐｓであるとす
る。

【００５７】時刻ｔ₀において、セッションＳ１がコン
テンツＡを配送中であるとする。他に配送中のセッショ
ンは無く、またバッチング中のセッション侯補もないこ
とから、セッションＳ１は最大可能帯域である１０Ｍｂ
ｐｓを割当てられている。時刻ｔ₁において、ユーザＵ
１がコンテンツＢを要求したとする。コンテンツＢはバ
ッチング中でなく、これは新規要求であることから呼受
付判定処理が実施されるが、式（５）を満足することか
ら収容される。コンテンツＢの配送はバッチング遅延Ｗ
後（時刻ｔ₃）であり、ｔ₁においてはセッションＳ１の
割当て帯域に変化はないことに注意する必要がある。

【００５８】続いて、ユーザＵ２がコンテンツＢを要求
しているが、既に同一コンテンツをユーザＵ１が要求
し、バッチング中であることから呼受付判定は行わず、
直ちに収容される（ユーザＵ４についても同様）。

【００５９】続いて、時刻ｔ₂にユーザＵ３がコンテン
ツＣを要求しているが、これは新規要求であることから
呼受付判定を行い、配送中セッションＳ１とバッチング
中のセッション侯補Ｓ２の最小必要帯域和（α（Ａ）十
α（Ｂ））とコンテンツＣの最小必要帯域α（Ｃ）の総
和がＢ以下であることから、やはり収容される。

【００６０】続いて、ユーザＵ５がコンテンツＡを要求
しているが、新規要求であることから（コンテンツＡは
配送中であるが、このマルチキャストセッションにユー
ザＵ５を途中から加えることはできない）呼受付判定を
行う。式（５）を満たさないことから、この要求は呼損
となる。

【００６１】時刻ｔ₃にてユーザＵ１により起動された
コンテンツＢのバッチング処理が完了し、ユーザＵ１と
この間に同一コンテンツを要求したユーザＵ２，Ｕ４に
対し、コンテンツＢのマルチキャスト配送が開始され
る。この瞬間、同時接続セッション数に変化が生じるこ
とから、式（３）に従いＳ１とＳ２の割当て帯域が設定
される（例では６．６７Ｍｂｐｓと５．３３Ｍｂｐ
ｓ）。Ｓ２にて配送を受ける三人のユーザは、配送開始
からＰｒｅ−ｌｏｄｅｉｎｇ遅延である時間Ｄ後に視聴
を開始する。

【００６２】時刻ｔ₄にてセッションＳ１の配送が完了
し、それが開放されるが、同時接続数に変化が生じるこ
とからセッションＳ２の割当て帯域が更新される。この
場合、アクセス回線容量である１０Ｍｂｐｓを割当てら
れる。時刻ｔ₅にてユーザＵ３により起動されたバッチ
ング処理が完了し、コンテンツＣの配送が開始される。
このとき、式（３）に従いセッションＳ２とＳ３の割当
て帯域が各々、５.６９Ｍｂｐｓ、６.３１Ｍｂｐｓと計
算される。

【００６３】（５）最小必要伝送帯域の再計算 前記の（３）呼受付処理で述べたように、新規要求に対
する呼受付判定は転送処理中およびバッチング中のセッ
ションの最小必要伝送帯域α（ｍ）の総和がサーバのＩ
Ｏ帯域Ｂ以内か否かで行っている。前記の（１）最小必
要伝送帯域による設定ではα（ｍ）をコンテンツｍごと
にＰｒｅ−ｌｏａｄｉｎｇ時間Ｄから求めていたが、こ
れはコンテンツの転送開始時点において必要となる最小
伝送帯域である。コンテンツの一部が転送された後の時
点において、それ以後の転送での最小必要伝送帯域は式
（２）より求めた値よりも小さくなるため、定期的に転
送処理中セッションの最小必要伝送帯域を再計算すれ
ば、より多くのセッションが収容できる可能性がある。

【００６４】そこで、時刻ｔ_sにてコンテンツｍの配送
を開始したセッションの時刻ｔ₀（ｔ ₀＞ｔ_s）における
転送中の画像フレームがｋ₀、画像フレームｋ₀の配送済
みデータサイズがσである場合の時刻ｔ₀以降の最小必
要伝送帯域を求める。

【００６５】画像フレームｎ（ｋ₀≦ｎ≦Ｎ_m）の再生時
刻Ｓ_nは、やはり式（１）で与えられる。画像データの
転送レートがｂ〔ｂｐｓ〕のとき、画像フレームｎ（ｋ
₀≦ｎ≦Ｎ_m）の末尾がＳＴＢに到着する時刻Ｆ_nは、

【００６６】

【数８】

【００６７】となる。ｋ₀≦ｎ≦Ｎ_mにおいてＦ_n≦Ｓ_nが
満たされればＳＴＢバッファアンダーフローが回避でき
る。よって、時刻ｔ₀においてコンテンツｍの画像フレ
ームｋ₀を転送中のセッションにおける最小必要伝送帯
域はδ＝ｔ_s−ｔ₀＋Ｄとすると以下のように求まる。

【００６８】

【数９】

【００６９】（６）シミュレーション 以上までの各項を基にした本実施形態の配送方法のシミ
ュレーションを行った。このシミュレーションについて
以下に詳細に説明する。

【００７０】（ａ）シミュレーション条件 Ｗｕｅｒｚｂｕｒｇ大学にて公開されているＭＰＥＧ１
によりエンコードされた１８本の動画コンテンツの画像
フレームサイズシーケンスを用いる。以下の表１にＭＰ
ＥＧ１のエンコードパラメータを示す。また、表２に１
８本のソース各々の平均フレームサイズＸとフレームサ
イズの変動係数ＣｏＶをまとめる。

【００７１】

【表１】

【００７２】

【表２】

【００７３】シミュレーションで用いたＭ個のコンテン
ツ各々について、ランダムにこれら１８本のソースの中
から１本を選択し、固定的に割当てる。コンテンツの長
さは平均１２０分とし、１０５分〜１３５分の間からラ
ンダムに選択した。ただし、動画ソースのランダム数が
４００００（２７．８分相当）であるため、最後の４フ
レームを削除した３９９９６フレーム（３３３３Ｇｏ
Ｐ）を繰り返すことにより任意時間長のコンテンツを作
成した。

【００７４】次に、適切なＰｒｅ−ｌｏａｄｉｎｇ遅延
時間Ｄを調べるため、ＭＰＥＧソースを１２０分に拡大
した場合のＤに対する最小必要伝送帯域αを式（２）に
より計算した結果を図３に示す。図示のように、１００
ミリ秒あたりまでは遅延時間Ｄの増加に対し、最小必要
伝送帯域αは大きく低減するが、その後は５〜１０秒あ
たりまで緩やかに低減し、それよりも大きくなると特性
の改善はほとんど見られなくなる。ユーザの待ち時間は
Ｄ以上、Ｄ＋Ｗ以下となるが、Ｗを５分前後に選定する
ことを考えると、Ｄは数秒に設定するのが望ましい。そ
こで、以下の評価では、Ｄ＝５秒とした。なお、煩雑に
なるのを避けるため図では６本のＭＰＥＧソースについ
てのみ示しているが、他の１２本についても同様な傾向
が得られた。表２にＤ＝５秒としたときの最小必要伝送
帯域αをまとめる。

【００７５】ユーザからの視聴要求は到着率λ（ｔ）
〔／ｓｅｃ〕のポアソン過程に従いサーバに到着する。
ＶｏＤサービスに対する需要は２４時間周期で大きく変
動することが知られており、到着率は時間ｔ〔ｈｏｕｒ
ｓ〕の関数となる。ここでは図４に示すモデルでλ
（ｔ）を与える。これは二つのＶｏＤ試験サービスで得
られた視聴要求の発生パターンをモデル化したものであ
り、アイドル期間中は一定レートで要求が発生し、６時
間にわたるピーク時間帯では三角形特性を呈する。試験
サービスの観測結果から、ピーク時の到着率はアイドル
時の５倍としている、一日あたりの平均発生要求数をＵ
とすると、Ｕ＝３６×３６００λ₀となる。シミュレー
ションでは、平均発生要求数Ｕを与えることによりλ₀
を決定する。

【００７６】サーバに到着した視聴要求は、各々独立に
パラメータθ＝０.２７１のＺｉｐｆ分布に従い、Ｍ個
のコンテンツ中から確率ｐ_m＝ｃ／（ｍの１−θ乗）で
コンテンツｍを選択する。アクセス回線容量は全ユーザ
とも同一で１０Ｍｂｐｓとした。

【００７７】（ｂ）時系列特性 図５にαの再計算を行わない場合における平均同時接続
数と各セッションに対する平均割当て伝送帯域の時系列
特性を示す。ただし、コンテンツ数Ｍ＝５００、一日の
平均要求数Ｕ＝１５００００、ネットワークＩＯ帯域Ｂ
＝２.４８８Ｇｂｐｓ、バッチング間隔Ｗ＝２９５秒
（Ｐｒｅ−ｌｏａｄｉｎｇ遅延が５秒なのでユーザの最
大待ち時間は５分）とした。シミュレーションは三日分
行い、そのうちの第二日目と第三日目を図示している。
また、統計は１５分間隔で行い、その間の平均値をプロ
ットしてある。

【００７８】図４に示すパターンで需要を変化させた
が、需要の増加する１８時〜２１時において同時接続セ
ッション数も増加している。一方、０時〜６時の範囲で
同時接続セッション数は減少しているが、需要の減少す
る２１時〜２４時の期間とは、３時間から６時間のずれ
がある。これは、ピーク時の割当て帯域が小さく、セッ
ション保留時間が数時間に及ぶことが原因である。同時
接続セッション数の少ないアイドル時間帯では、各セッ
ションに最大割当て可能伝送レートであるアクセス回線
容量１０Ｍｂｐｓが確保されていることがわかる。需要
が増加するにつれ割当て帯域が減少し、ピーク時には最
小必要帯域である数１００ｋｂｐｓにまで割当て帯域が
減少している。そして需要が減少し、同時接続セッショ
ン数が減少するにつれ、割当て帯域は増加される。

【００７９】以上のことから、本実施形態では需要の変
動に対して各セッションに割当てる伝送帯域が適切に修
正されることが確認された。

【００８０】（ｃ）αの再計算による効果 コンテンツを配送中の全セッションに対する最小必要伝
送帯域を、式（６）により固定間隔Ｔαで再計算する。
図６にＭ＝５００、Ｕ＝１５０００、Ｂ＝６２２Ｍｂｐ
ｓ、Ｗ＝２９５秒、Ｄ＝５秒としたときの、修正間隔Ｔ
αに対する平均必要伝送帯域和（コンテンツを配送中の
全セッションに対する最小必要伝送帯域の総和の時間平
均値）を示す。修正間隔Ｔαが短いほど最小必要伝送帯
域和が低減するが、再計算を行わない場合（初期値利
用）と比較して約２８％小さくなっている（Ｔα＝３０
の場合）。続いて、以下の表３にＴαに対する呼損率を
まとめる（Ｔ₀＝∞はαの再計算を行わない場合）。

【００８１】

【表３】

【００８２】予想に反して、αを再計算した場合も呼損
率はほとんど変化しないことがわかる。呼損が発生する
Ｐｅａｋ時間帯には、各セッションに割当てられる伝送
帯域は必要最小伝送声域α（ｍ，ｋ₀，δ，σ）に近づ
くが、α（ｍ，ｋ₀，δ，σ）を再計算することによ
り、配送中セッションの消費伝送帯域を削減できる。し
かし、伝送すべきデータ量に変化はなく、その分、セッ
ション保留時間が増加する。

【００８３】一方、新規要求の要求帯域は全データが未
転送なため、式（２）で算出されるα（ｍ）となり再計
算の恩恵はない。よって、呼損率に変化がみられないも
のと思われる。

【００８４】以上の考察から、特に最小必要伝送帯域の
更新を行う必要はないことがわかった。

【００８５】（ｄ）他方式との比較 図７に一日あたりの平均視聴要求数Ｕに対する平均バッ
チサイズ（一本のマルチキャストセッションに収容され
るユーザ数）を示す。ネットワークＩＯ帯域Ｂを６２２
Ｍｂｐｓとし、コンテンツ数Ｍを２０、１００、５０
０、バッチング期間Ｗを２９５秒（最大待ち時間５
分）、５９５秒（最大待ち時間１０分）とした。ユニキ
ャスト配送を行うＴ−ＶｏＤではバッチサイズが１にな
ることから、マルチキャスト配送における平均セッショ
ン数はＴ−ＶｏＤに対して平均バッチサイズの逆数倍と
なる。よって、マルチキャスト配送を行うことにより、
セッション数が大きく抑えられることがわかる。特に、
バッチング期間を長くするほどより多くの視聴要求を束
ねられることから、またコンテンツ数が少ないほど同一
のコンテンツに対して要求が集中することから、バッチ
サイズは大きくなる。ただし、収容ユーザ数が少ない場
合にはバッチングによる効果は小さい。

【００８６】図８にＵに対する呼損率特性を示す。Ｍ＝
２０のときと、Ｍ＝１００，Ｗ＝５９５のときは呼損が
観測されなかった。図より、マルチキャスト配送を行う
ことにより呼損が大きく低減していることがわかる。例
えば、呼損率０.０１を満足させるためには、Ｔ−Ｖｏ
Ｄでは一日あたりの要求が約７,５００になるよう収容
ユーザ数を抑える必要があるが、マルチキャスト配送で
は約３０,０００の要求に対応することができる（Ｗ＝
２９５，Ｍ＝１００の場合）。

【００８７】以上のことから、用意するサーバのネット
ワークＩＯ帯域に対して収容ユーザ数が少なく、ユニキ
ャスト配送を用いても呼損率を十分に低く抑えられる場
合には即時配送が可能なＴ−ＶｏＤを採用し、収容ユー
ザ数が多い場合にはマルチキャスト配送を採用するのが
望ましく、ＶＴＲ操作に対応するために本実施形態を用
いることが有効である。

【００８８】次に、マルチキャストセッションｓ上のコ
ンテンツ転送レートは、Ｐｒｅ−ｌｏａｄｉｎｇ時間か
ら決まるコンテンツ毎に固有の最小必要伝送帯域α（ｍ
_s）以上、最小アクセス回線容量Ａ_s以下の範囲で任意の
値をとることができるが、本実施形態では伝送帯域を有
効利用する目的から、同時接続セッション数に応じて動
的に伝送帯域を設定している。そこで、動的割当ての有
効性を明らかにするため、帯域を固定的にα（ｍ_s）に
設定する場合（最小帯域割当て方式）と、固定的にＡ_s
に設定する場合（最大帯域割当て方式）とで呼損率を比
較評価する。

【００８９】図９に、一日あたりの平均視聴要求数Ｕに
対する呼損率特性を示す。ただし、Ｍ＝５００、Ｕ＝１
５０,０００，Ｂ＝２,４８８Ｇｂｐｓとした。帯域を固
定に割当てる場合には、保留時間が長くなっても各セッ
ションが消費する伝送帯域の少ない最小帯域割当て方式
が良好な特性を示している。

【００９０】しかし、動的に帯域を割当てる本実施形態
では、最小帯域割当て方式よりも、さらに良好な特性を
示している。例えば、呼損率０.０１を満たす一日当た
りの許容可能要求数は、最小帯域割当て方式が約６２,
０００であるのに対し、本実施形態では約１１６,００
０である。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、マルチ
キャスト・ストリーミング配送型のＶｏＤシステムにお
いて、コンテンツ全体をＳＴＢに保持することにより、
早送りを除いた任意のＶＴＲ操作がマルチキャストセッ
ションを維持したまま可能とし、同時接続セッション数
に応じて割当て伝送帯域を更新することにより呼損率を
低減するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態における動的帯域制御の効果
を説明するための図。

【図２】実施形態における割当て帯域の更新例。

【図３】本発明のシミュレーションにおけるＰｒｅ−ｌ
ｏａｄｉｎｇに対する最小必要帯域特性。

【図４】本発明のシミュレーションにおける需要パター
ン。

【図５】本発明のシミュレーションにおける時系列特
性。

【図６】本発明のシミュレーションにおける再計算周期
・最小必要伝送帯域和の平均値特性。

【図７】本発明のシミュレーションにおける平均バッチ
サイズ特性。

【図８】本発明のシミュレーションにおけるバッチング
の有無による呼損率比較結果。

【図９】本発明のシミュレーションにおける帯域割当て
方式間の呼損率比較結果。

【図１０】マルチキャストＶｏＤシステム構成。

【図１１】マルチキャストストリームを継続できる例。

【符号の説明】

１００…ビデオサーバ １０１…ディスク １０２、１０３、１０４…ＳＴＢ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5C025 AA30 DA10 5C053 FA23 FA28 GA11 GB37 HA32 LA06 LA07 5C064 BA01 BB05 BB10 BC10 BC18 BC23 BC25 BD02 BD08 5K030 GA03 HA08 HB03 HC01 JT04 LC01 LD06 LD17

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 サーバに蓄積されたデジタル動画コンテ
   ンツをユーザのセットトップボックスに直接配送するビ
   デオ・オンデマンドサービス形態とし、かつ動画コンテ
   ンツを受信しながら並行して動画再生を行うストリーミ
   ング配送形態とし、かつサーバ資源の有効利用を図り呼
   損率を低減するマルチキャスト配送形態で動画コンテン
   ツを配送する方法であって、 マルチキャストセッションを維持したまま早送りを除く
   任意のＶＴＲ操作を可能とするようコンテンツの全体を
   ＳＴＢに保持する手段と、 動画再生が中断するセットトップボックスのバッファア
   ンダーフローを回避するのに必要な最小伝送帯域を算出
   する手段と、 前記必要最小伝送帯域に基づき呼受付判定を行う手段
   と、 前記必要最小伝送帯域以上かつアクセス回線容量以下に
   なる同時接続セッション数に応じて割当て伝送帯域を動
   的に変更する手段と、 前記必要最小伝送帯域を定期的に再計算する手段と、を
   有して動画コンテンツを配送することを特徴とするマル
   チキャスト・ビデオ・オンデマンドによる動画コンテン
   ツの配送方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の配送方法において、動
   画コンテンツの全体を保持するのに十分な容量の記憶装
   置を前記セットトップボックスに用意し、一旦受信した
   データを再生後も廃棄せずに該セットトップボックスに
   保存し、視聴完了時には動画コンテンツの全体を該セッ
   トトップボックスに保持しておく手段を有して動画コン
   テンツを配送することを特徴とするマルチキャスト・ビ
   デオ・オンデマンドによる動画コンテンツの配送方法。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の配送方法において、動
   画コンテンツの配送開始時刻から予備受信時間を経過し
   た後に視聴を開始し、全画像フレームサイズシーケンス
   と前記予備受信時間の時間量から前記セットトップボッ
   クスバッファアンダーフローを回避するのに必要となる
   伝送帯域を算出する手段を有して動画コンテンツを配送
   することを特徴とするマルチキャスト・ビデオオンデマ
   ンドによる動画コンテンツの配送方法。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の配送方法において、各
   セッションに請求項３で算出した必要最小伝送帯域を確
   保するため、他に待ちユーザのいないコンテンツを要求
   した新規要求ユーザに対し、最小必要伝送帯域に基づい
   て呼受付判定を行う手段を有して動画コンテンツを配送
   することを特徴とするマルチキャスト・ビデオ・オンデ
   マンドによる動画コンテンツの配送方法。
5. 【請求項５】 請求項１に記載の配送方法において、サ
   ーバ資源を有効利用するため、同時接続セッション数に
   応じて、各セッションに割当てる伝送帯域を動的に更新
   する手段を有して動画コンテンツを配送することを特徴
   とするマルチキャスト・ビデオ・オンデマンドによる動
   画コンテンツの配送方法。
6. 【請求項６】 請求項１に記載の配送方法において、未
   伝送データ量が少なくなるにつれ以後の伝送に必要な伝
   送帯域が小さくなることを利用し、周期的にコンテンツ
   配送中のセッションに対して前記必要最小伝送帯域を再
   計算することで消費資源量を削減する手段を有して動画
   コンテンツを配送することを特徴とするマルチキャスト
   ・ビデオ・オンデマンドによる動画コンテンツの配送方
   法。