JP2005503057A

JP2005503057A - ジッタバッファおよびパケット化遅延の計算方法

Info

Publication number: JP2005503057A
Application number: JP2003527679A
Authority: JP
Inventors: ロンコーエン
Original assignee: リシウムネットワークス（ビー．ブイ．アイ．）リミテッド
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2005-01-27
Also published as: WO2003023707A2; WO2003023707A3; AU2002343188A1; EP1444811A4; EP1444811A2; US20040233931A1

Abstract

パケット交換網のジッタバッファの深さを計算する方法で、送信側から各対それぞれ既知の時間間隔で送られたＮ対の異なるサイズＳ₁およびＳ₂のパケットを受信側で受信するステップと、各対ごとにパケット到着時間間隔を測定するステップと、パケット到着時間間隔の平均値を使って速度係数を計算するステップと、速度係数およびパケットサイズを使ってジッタバッファの深さを計算するステップとから成る。送信側での最適化されたパケット化遅延は、ジッタバッファの深さを使って計算できる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、パケット交換網（ＰＳＮ）に関し、特にこの交換網の回線エミュレーションに関する。
【背景技術】
【０００２】
回線エミュレーションでは、パケット交換網の固有のジッタを補償するためにジッタバッファを維持する必要がある。ジッタバッファが大きければ大きなジッタを補償できるが、その際に遅延が生じる。大きな遅延は、避けなければならない。なぜなら、十分なサービスを提供するためには、全回線の端末間の遅延を制限する必要があるからである。従って、パケット損失を起こさないように遅延を最小限にとどめるという両方の要求を最もよく満足する正しいジッタバッファの深さ（値）(jitter buffer depth)を求めることは重要である。一つの方法は、システム（使用者）に各回線ごとに、正しい値を知っているものとして、ジッタバッファの深さを設定させる方法である。しかし、この方法には問題がある。その理由は、交換網のジッタは、予め知ることができないからである。そのため、正しいジッタバッファの深さを選択する自動アルゴリズムが求められている。
回線エミュレーションの現在の基準では、各パケットのペイロードサイズを選択するため、構成を自由に選択することができる。パケタイザは、時分割多重（ＴＤＭ）ストリームから一定組のバイトを蓄積して、この一定組のバイトをパケットにペイロードとして乗せて、送信側からＰＳＮを介して遠端（受信側）に送る。従って、パケタイザによりパケット化遅延と呼ばれる遅延が生じる。パケット化遅延は、送信側がこれらのデータを運ぶ最初のパケットを送り出す前に送信側に蓄積されたデータ量である。等式１は、パケット交換網の端末間遅延をもたらす成分を示している。

ここで、Ｓはビット数で表すパケットサイズ、Ｒ_iは１秒あたりのリンクｉのビットレート、Ｔ_sはパケット送信時刻、Ｔ_rは遠端でのパケット受信時刻、Ｐは送信側から受信側までの経路での伝搬遅延、Ｆ_rは送出遅延、Ｊはパケット網のジッタである。パケット化遅延が小さいということは、パケットのペイロードが小さいことを意味し、従って、交換網の利用率が低いことを意味し、即ちペイロードのトランスポート付加バイトに対する割合が小さくなる。端末間遅延を小さくすることと交換網利用率を上げることの間で妥協点を見いだす必要がある。再度述べるが、最良のパケット化遅延を計算する自動アルゴリズムがあれば手動設定よりも著しく有利となる。
【０００３】
全回線にわたってエミュレートしたＴＤＭ通話による遅延は、受信側のジッタバッファと、送信側のパケット化遅延と、各ノードでの伝搬遅延および処理遅延との総和である。伝送路沿いの各蓄積送出交換機は、二つ主成分、即ち、(プログラムの)実行によって変わるパケット送出遅延と、負荷遅延および待機遅延にジッタを付与する。待機遅延とはパケットが送信されるまで行列して待っている全時間である。送出遅延は、無視できるものとする。ジッタバッファは、交換網に生じた待機遅延により情報が失われていないことを確かめる必要がある。たとえ、回線エミュレーショントラフィックが好ましい送出処理を受けていても、各ホップ内では到着パケット以前に既に最大サイズのパケットが送られてきていることもあり、その場合には先着のパケットが送り出されるまで、新しいパケットは行列して待たなければならない。従って、この現象を防ぐには、最小のジッタバッファの深さは、次式のとおりでなければならない。

ここで、ＪＢは最小ジッタバッファの深さ、Ｓ_mは最大サイズのパケット、そして、Ｆ=Σ1/R_iは「速度係数」(speed factor)である。例えば、イーサネット（登録商標）(Ethernet（登録商標）)に基づく交換網では、Ｓ_mの値は約1500バイトまたは１２キロビットである。もし、イーサネット（登録商標）の交換網が１０個の１Ｇイーサネット（登録商標）リンクで相互接続された９台の交換機で構成されているとすれば、ＪＢ=12K^*10/1G/s=0.12ミリ秒となる。ＪＢのこの値は、ＴＤＭフレームの0.125ミリ秒のオーダーでバッファを維持することに対応する。二つの高速イーサネット（登録商標）リンク(100Mbit/s)と五つの１Ｇイーサネット（登録商標）リンクを有する交換網を仮定すると、ＪＢは二つのＴＤＭフレーム(0.25ミリ秒)と等しいかあるいはそれ以上である。
【０００４】
ＴＤＭサービスでは、全ＴＤＭインフラにわたってのサービスが通信の混乱を起こすような端末間遅延を生じさせないようにするために、各セグメントに一定の遅延を強制する。G-114 (ITU-T G-114基準、02／96) では、国内および国際デジタル伝送線路にわたっての端末間遅延計画を勧告している。端末間遅延は、各ホップごとの処理遅延によるばかりでなく伝搬遅延にもよる。前記勧告のClause 3は、機器に対する処理時間の割当てについて述べている。デジタル中継交換機（Digital Transit Exchange）に対して推奨されている処理時間は、0.45ミリ秒である。例えば、市内交換局間の純デジタル交換網の仮計画では、デジタル切換え交換機５台とＰＣＭコーダ／デコーダ１台を含めて、全体の処理遅延を３ミリ秒としている。国際通話については、マルチプレクサ、交換機およびクロスコネクトを含む国内処理遅延の限度は、６ミリ秒とされ、一方、高速国際リンクについては、処理遅延の限度は、３ミリ秒とされている。
エミュレートされた回線は、一組の実ＴＤＭ回線の代わりをする。エミュレートされた回線による遅延は、伝搬遅延と処理遅延に分けられる。この遅延を基準のものと比較するために、処理遅延成分だけに注目する。等式３は、伝搬遅延以外の端末間遅延を生じるすべての成分を示している。この式では一定のパケットサイズ（圧縮なし）Ｓを想定している。

ここで、Ｅ_dは受信側での処理遅延Ｅ_drおよび送信側での処理遅延Ｅ_dsから成るエッジ処理遅延（Ｅ_d＝Ｅ_dr＋Ｅ_ds）であり、Ｆ_dは送出遅延、Ｐ_kはパケット化遅延、Ｐ_rはエミュレートされた回線による等価処理遅延である。Ｐ_rを基準ＴＤＭの処理遅延と比べると、Ｅ_drとＥ_dsに対する標準的な値は、１および２ＴＤＭフレーム、即ち各エッジで250ミリ秒である。最新のパケット交換網におけるＦ_dは、マイクロ秒のオーダーである。
【０００５】
１本のエミュレートされた擬似線で、場合によっては、市内交換機間の全伝送インフラ、さらに全国内伝送インフラの代わりとすることができる。しかし、より穏当なやり方では、１本のエミュレートされた擬似線が２台のデジタル中継交換機の代わりをする。従って、理想的にはＰ_r＜0.9msであるが、Ｐ_r＜3mでもよい。
送出処理時間Ｆ_dは無視できる。ジッタバッファＪＢは遠端末で既知であり、近端末に送り返すことができる。近端末のエッジ処理遅延は既知であり、遠端末の処理遅延は近端末の処理遅延と同じと考えてもよいし、あるいは近端末に送り返してもよい。
ジッタバッファの計算とパケット化遅延の上記問題を解決し、特に、正しいジッタバッファの選択および最適パケット化遅延の計算のための自動アルゴリズムが得られる方法の必要性は、広く認識されており、また、そのような方法が実現できれば非常に有益である。
【非特許文献１】
RFC1191, IETF, "Path MTU Discovery", J. Mogul, S. Deering, November 1990
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ジッタバッファの深さの自動的な計算と、このジッタバッファの深さと速度係数に基づいて最大のパケット化遅延の計算を可能にするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるパケット交換網のジッタバッファの深さを計算する方法は、受信側ではそれぞれ異なるサイズＳ₁およびＳ₂の一対のパケットを送信側から受信し、前記パケット対は相互間で既知の送信時間間隔でＮ回繰り返し送信されるステップと、前記それぞれ異なるサイズのＮ対のパケットの前記繰り返し受信を使って速度係数Ｆを計算するステップと、前記速度係数を使ってジッタバッファの深さを計算するステップと、から成る。
本発明によるパケット交換網のジッタバッファの深さを計算する方法の一つの特徴は、前記速度係数の前記計算をするステップが、前記受信側で前記Ｎ対のパケットのそれぞれの到着時間間隔を測定するステップと、前記Ｎ対のパケットの到着時間間隔の平均を計算し、前記パケットサイズの差を使って前記速度係数を抽出するステップと、を含むことである。
本発明によるパケット交換網のジッタバッファの深さを計算する方法のもう一つの特徴は、前記ジッタバッファの深さの前記計算前に最大のパケットサイズを得るステップを含み、前記計算は、さらに前記最大のパケットサイズに前記速度係数を乗算するステップを含むことである。
本発明によるパケット交換網のジッタバッファの深さを計算する方法のもう一つの特徴は、前記ジッタバッファの深さの前記計算は、さらに前記最大のパケットサイズと前記速度係数に２から４の範囲の係数ｋを乗算するステップを含むことである。
【０００８】
本発明によるパケット交換網のジッタバッファの深さを計算する方法のもう一つの特徴は、前記速度係数を等式５を使って計算することである。
本発明によるパケット交換網のジッタバッファの深さを計算する方法のさらにもう一つの特徴は、前記ジッタバッファの深さを等式６を使って計算することである。
本発明によるパケット交換網の送信側でパケット化遅延を最適化する方法は、ジッタバッファの深さを受信するステップと、前記ジッタバッファの深さを使って最大のパケット化遅延を計算するステップと、から成る。
本発明によるパケット交換網の送信側でパケット化遅延を最適化する方法の一つの特徴は、前記ジッタバッファの深さの受信の前に、受信側でそれぞれ異なるサイズＳ₁およびＳ₂の一対のパケットを送信側から受信し、前記パケット対は、相互間で既知の送信時間間隔でＮ回繰り返し送信されるステップと、異なるサイズの前記Ｎ対のパケットの繰り返しの受信を使って速度係数Ｆを計算するステップと、前記速度係数を使って前記ジッタバッファの深さを計算するステップと、を含むジッタバッファの深さの計算が行われることである。
本発明によるパケット交換網の送信側パケット化遅延を最適化する方法のもう一つの特徴は、前記最大のパケット化遅延の計算は、さらに受信側の処理遅延Ｅ_drを入力として受信するステップと、所望の処理遅延Ｐ_rを入力として受信するステップと、前記最大のパケット化遅延を等式８を使って計算するステップと、を含むことである。
本発明によるパケット交換網の送信側パケット化遅延を最適化する方法のもう一つの特徴は、前記速度係数の前記計算が受信側で前記Ｎ対のパケットのそれぞれのパケット到着時間間隔を測定するステップと、前記Ｎ対のパケットの到着時間間隔の平均を計算し、前記パケットサイズの差を使って前記速度係数を抽出するステップと、を含むことである。
【０００９】
本発明によるパケット交換網の送信側パケット化遅延を最適化する方法のもう一つの特徴は、前記ジッタバッファの前記計算の前に最大のパケットサイズを得るステップを含み、前記計算は、さらに前記最大のパケットサイズに前記速度係数を乗算するステップを含むことである。
本発明によるパケット交換網の送信側パケット化遅延を最適化する方法のもう一つの特徴は、前記ジッタバッファの深さの前記計算は、さらに前記最大のパケットサイズと前記速度係数に２から４までの範囲の整数の係数ｋを乗算するステップを含むことである。
本発明によるパケット交換網の送信側パケット化遅延を最適化する方法のもう一つの特徴は、前記速度係数を等式５を使って計算することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、ジッタバッファおよびパケット化遅延の計算方法に関する。以下の説明は、先ずジッタバッファの計算から始まり、その次に計算したジッタバッファを入力として使うパケット化遅延を説明する。以下に述べる原理および動作は、添付の図面についての説明からいっそう良く理解できるであろう。
【００１１】
ジッタバッファの計算
ジッタバッファの深さを計算するため、受信側は、送信側からそれぞれ時刻Ｔ_s1とＴ_s2に送信された異なるサイズＳ₁とＳ₂の二つのパケットの到着時間Ｔ_r1とＴ_r2を測定する。例えば、Ｓ₁とＳ₂の予想される値は、それぞれ2320ビットおよび320ビットである。この具体例では、最初のパケットは、２番目のパケットより大きいが、パケットサイズの差（Ｓ₁−Ｓ₂）の絶対値が下記の等式４および５で使用される限り、原理的にこの方法では２番目のパケットが最初のパケットよりも大きくても構わない。各対の二つのパケット間の時間差の標準的な値は0.125ミリ秒で、これはＴＤＭの一フレームの持続時間と等価である。
以下の計算では、一対のパケット間の時間差だけが重要なので、送信側と受信側間の時間測定、あるいは時間測定の開始時点（時間＝０）を間連付けることは重要ではない。等式１によれば、受信側で測定した時間間隔Ｉ_r＝Ｔ_r1−Ｔ_r2は異なるパケットサイズによる伝搬遅延の違いばかりでなく、パケット交換網のジッタによるものである。

パケットが数個以上になると、ジッタ差Σ(J₁−J₂)が平均されてゼロになる。唯一未知として残されている係数Σ1/R_iを抽出できる。

背景技術の項で述べたように、ＪＢは必要なジッタバッファの最小のサイズで、一方、Σ1/R_iは待機遅延が蓄積され得るインターフェイスの総和である。この総和は等式２で計算した速度係数と等価である。
ジッタバッファは、起動時のトレーニングセッションを使って計算するのが好ましい。トレーニングセッションでは、等式２で示すように、速度係数、従ってジッタバッファの計算を可能とする異なるサイズ（Ｓ₁およびＳ₂）のフレームから成る同じ対を繰り返し（Ｎ回）送信する。ここで、Ｎは２から１０の範囲が好ましいが、５から７の範囲が最も好ましい。各パケットを0.125ミリ秒の間隔で送信すると仮定すると、Ｎが６の場合には、セットアップ時間（これは秒のオーダー）に対して僅か１５ミリ秒の遅延を生じるだけで、この遅延は無視できるものである。稼動中、ジッタバッファは、本明細書に述べる方法で定期的に再評価でき、もし必要ならば新しいジッタバッファの深さを選択できる。好ましいジッタバッファの深さの計算手順を図１のブロック図に示す。
【００１２】
図１では、送信ステップ１１０において、最初のパケットのサイズがＳ₁、２番目がＳ₂のサイズの異なる一対のパケットを送信側からそれぞれ送信時刻Ｔ_s1およびＴ_s2で送信する。二つの送信時刻の間隔はＩ_s＝Ｔ_s2−Ｔ_s1である。受信ステップ１１２において、受信側では、一対のパケットのそれぞれのパケットの到着時間Ｔ_r1およびＴ_r2を測定し、そのパケット対について受信側到着時間間隔Ｉ_r＝Ｔ_r2−Ｔ_r1を計算する。繰り返しステップ１１４において、ステップ１１０における同じパケット対を最初に送ったパケット対と全く同じパケットサイズＳ₁およびＳ₂を使い、さらに同じ送信時間間隔Ｉ_sでＮ回繰り返し送信する。これらのパケット対は受信側で受信され、ステップ１１２において、各パケット対について到着時間間隔を受信側でも同じように繰り返し計算する。通知ステップ１１６において、送信側はタイムスタンプＴ_s1およびＴ_s2および／または送信時間間隔Ｉ_sを受信側に与えることができる。平均化ステップ１１８において、受信側はすべての受信パケットの到着時間間隔の平均Ｉ_r(ａｖ)を計算し、Ｉ_s、Ｓ₁およびＳ₂は既知なので、速度係数抽出ステップ１２０において、速度係数Ｆを等式５（Ｉ_r(ａｖ)はＩ_rとなっている）を使って抽出する。次に、ジッタバッファ計算ステップ１２２で受信側は下記のように、ｋ（正の整数）を乗じた等式２を用いてジッタバッファの深さを計算する。

Ｓ_mは構成によるか、あるいはRFC1191(RFC1191, IETF, "Path MTU Discovery", J. Mogul, S. Deering, November 1990)に定義されているようにＭＴＵ（最大転送単位）発見プロトコルを使うかして知ることができる。ｋ＝１で必要とされる最小ジッタバッファの深さが得られる。ジッタバッファ設定ステップ１２４において、受信側はＪＢをＪＢ^*と等しいかそれより大きい値に設定する(ＪＢ≧ＪＢ^*)。
【００１３】
パケット化遅延の計算
次に、パケット化遅延の自動計算の好ましい実施例を述べる。遠端末のジッタバッファを近端末に送り返すと仮定すると、パケット化遅延は、基準遅延値を満足させるような値に計算する。原理的には、どの既知の方法によって得たジッタバッファの深さを使っても以下に述べるようにパケット化遅延を得ることができる。しかし、本発明によるパケット化遅延の自動計算に使うジッタバッファの深さは、上述した方法で得るのが好ましい。
パケット化遅延は、端末間遅延の減少とパケット交換網の有効利用との折り合いを付けられるような値にすべきである。理想的なパケット化遅延は、等式３を解くと、Ｐ_rがほぼ１ミリ秒に等しくなる最大のパケット化遅延である。パケットサイズＳは、オーバーヘッドとペイロードとから成る。圧縮を考えないと、ペイロードサイズは、パケット化遅延に直接比例する。

ここで、Ｏはオーバヘッドビットの数、Ｙはペイロードビットの数、Ｃはサーキットフレーム中のビットの数である。従って、遠方エッジのジッタバッファが例えば上述した等式４から等式６によるジッタバッファの計算で既知であリ、また送出遅延は無視できるものとすると、等式８で与えられるような理想的なパケット化遅延を得ることができる。

ＪＢの値を遠端末から近端末へ送るか、あるいはＪＢの値を（システム管理者により）設定する必要がある。係数ＯとＣは、用いられた回線およびカプセル包装(encapsulation)(パケットをカプセルで包むこと)の特性から分かる。係数Σ1/R_iは、遠端末から送られるか、あるいは設定することができる速度係数Ｆである。Ｆは、等式５を使って計算するのが好ましいが、設定によって得てもよい。
【００１４】
図２のブロック図にパケット化遅延計算ステップの好ましい実施例を示す。パラメータ通知ステップ１５０において、送信側はジッタバッファの深さＪＢと、速度係数Ｆと、受信側処理遅延Ｅ_drとを設定入力として直接受信するか、あるいは受信側送信ブロック１５８に示すように、受信側から任意に受け取る。続いて、送信側は処理遅延取得ステップ１５２において、標準仕様で許される所望の処理遅延Ｐ_rを設定値から取得し、計算ステップ１５４で等式８により最大のパケット化遅延を計算する。最後に、遅延選択ステップ１５６において、送信側がステップ１５４で得られた最大遅延より小さいか、あるいは等しいパケット化遅延となるペイロードサイズを選択する。
【００１５】
本明細書で言及したすべての刊行物、特許および特許出願は、それらがあたかも特別にかつ個別に言及されていると同じように本明細書に記載されている。さらに、本明細書における参考のための引用または証明は、本発明に対する先行技術として認めるものと解釈すべきではない。
本発明を限られた数の実施例について説明したが、本発明は多くの変形、変更そして他の応用が可能であることが分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ジッタバッファの深さの計算ステップの好ましい実施例を示す図である。
【図２】自動パケット化遅延の計算ステップの好ましい実施例を示す図である。

Claims

パケット交換網のジッタバッファの深さを計算する方法であって、
ａ．受信側でそれぞれ異なるサイズＳ₁およびＳ₂の一対のパケットを送信側から受信し、前記パケット対は相互間で既知の送信時間間隔でＮ回繰り返し送信されるステップと、
ｂ．前記Ｎ対のパケットの前記繰り返し受信を使って速度係数Ｆを計算するステップと、
ｃ．前記速度係数を使ってジッタバッファの深さを計算するステップと、から成るジッタバッファの深さを計算する方法。
前記速度係数の前記計算をするステップは、
i. 前記受信側で前記Ｎ対のパケットのぞれぞれの到着時間間隔を測定するステップと、
ii. 前記Ｎ対のパケットの到着時間間隔の平均を計算し、前記パケットサイズの差を使って前記速度係数を抽出するステップと、を含む請求項１に記載の方法。
前記ジッタバッファの前記計算前に最大のパケットサイズを得るステップを含み、前記計算は、さらに前記最大のパケットサイズに前記速度係数を乗算するステップを含む請求項１に記載の方法。
前記ジッタバッファの深さの前記計算は、さらに前記最大のパケットサイズと前記速度係数に係数ｋを乗算するステップを含み、前記係数ｋは、２から４の間の整数である請求項２に記載の方法。
前記速度係数は、等式５を使って計算する請求項１に記載の方法。
前記ジッタバッファの深さは、等式６を使って計算する請求項４に記載の方法。
パケット交換網の送信側でパケット化遅延を最適化する方法であって、
ａ．ジッタバッファの深さを受信するステップと、
ｂ．前記ジッタバッファの深さを使って最大のパケット化遅延を計算するステップと、から成る方法。
前記ジッタバッファの深さの受信の前に、前記ジッタバッファの深さを計算する方法であって、
i. 受信側でそれぞれ異なるサイズＳ₁およびＳ₂の一対のパケットを送信側から受信し、前記パケット対は相互間で既知の送信時間間隔でＮ回繰り返し送信されるステップと、
ii. 前記Ｎ対のパケットの前記繰り返し受信を使って速度係数Ｆを計算するステップと、
iii. 前記速度係数を使って前記ジッタバッファの深さを計算するステップと、を含む請求項７に記載の方法。
前記最大のパケット化遅延の計算は、さらに
i. 受信側の処理遅延Ｅ_drを入力として受信するステップと、
ii. 所望の処理遅延Ｐ_rを入力として受信するステップと、
iii. 前記最大のパケット化遅延を等式８を使って計算するステップと、を含む請求項７に記載の方法。
前記速度係数の前記計算は、
i. 前記受信側で前記Ｎ対のパケットのそれぞれのパケット到着時間間隔を測定するステップと、
ii. 前記Ｎ対のパケットの到着時間間隔の平均を計算し、前記パケットサイズの差を使って前記速度係数を抽出するステップと、を含む請求項８に記載の方法。
前記ジッタバッファの前記計算の前に最大のパケットサイズを得るステップを含み、前記計算は、さらに前記最大のパケットサイズに前記速度係数を乗算するステップを含む請求項８に記載の方法。
前記ジッタバッファの深さの前記計算は、さらに前記最大のパケットサイズと前記速度係数に係数ｋを乗算するステップを含み、前記係数ｋは、２から４の間の整数である請求項１１に記載の方法。
前記速度係数は、等式５を使って計算する請求項８に記載の方法。
前記ジッタバッファの深さの前記計算は、等式６によって行う請求項１３に記載の方法。