JP2005523605A - 適応レート制御のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、特定のアプリケーションの要求事項にも適応する適応レート制御、ＡＲＣをパケット交換網で可能にすることを目的とする。本発明に従えば、パケット交換データネットワークにおける送信機と受信機との間の接続を適応レート制御するための装置であって、前記装置が：ジェネリックアルゴリズムに従って適応レート制御を実行するためのジェネリック制御手段を含むものにおいて、アプリケーションの特性に応じてジェネリック制御手段の機能を制御するように構成された少なくとも一つのアプリケーション特定的制御手段を特徴とする装置が提供される。

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載する、パケットデータネットワークにおける送信の適応制御の方法に関する。本発明はまた、パケットデータネットワークにおける送信レートの適応制御のための装置にも関する。

パケットデータネットワークでは、送信機がネットワークを通してデジタルパケットデータを一つまたはそれ以上の受信機に送信する。ネットワークは例えば、インターネットプロトコル（ＩＰ）標準に準拠し、かつデジタル通信リンクによって接続されたＩＰルータおよびスイッチを含む、インターネットとすることができる。送信機および受信機は、例えば非対称型デジタル加入者回線（ＡＤＳＬ）、公衆交換電話網（ＰＳＴＮ）モデム、ケーブルモデム、汎用パケット無線システム（ＧＰＲＳ）、ユニバーサルモバイルテレコミュニケーションシステム（ＵＭＴＳ）、またはエッジアクセス技術を使用するワイヤレスまたはワイヤラインアクセスリンクによって、ネットワークに接続される。使用される通信プロトコルは、トランスポートコントロールプロトコル（ＴＣＰ）のような高信頼プロトコル、またはユーザデータグラムプロトコル（ＵＤＰ）のような非信頼プロトコルを含む。

送信機が受信機へデータを送信することを可能にするアクセスリンクおよびネットワークを、この文書ではチャネルと呼ぶ。受信機が、送信機へ受信データの確認応答のようなデータを送信することを可能にするアクセスリンクおよびネットワークを、バックチャネルと呼ぶ。

チャネルおよびバックチャネルは限られた帯域幅を持ち、レイテンシおよびパケット損失に悩まされることがある。レイテンシおよびパケット損失量は、使用されるネットワーク技術およびアクセス技術に依るものであり、時間依存性であり得る。レイテンシは例えばバッファリングおよび輻輳によって引き起こされ、パケット損失は例えばアクセスリンク上のビット誤りまたはルータのバッファのオーバフローによって引き起こされることがある。

送信機は幾つかの種別のアプリケーションデータを受信機に送信することができる。これらのデータ種別は例えば、メディアストリーミングアプリケーションにおける映像、音声、およびテキストデータ、またはスケーラブルテレビ会議アプリケーションの層化ビデオコーデック（ｃｏｄｅｃ）の異なる層とすることができる。マルチプレイヤゲームでは、ゲーム中の異なるオブジェクトの特性のデータ記述は異なるデータ種別とすることができる。

帯域幅が制限され、チャネルが遅延または輻輳する場合に、ユーザは異なるアプリケーションデータ種別を異なる優先順位で通信することを希望するかもしれない。メディアストリーミングアプリケーションで、ユーザは映像より音声を優先することを希望するかもしれない。スケーラブルテレビ会議アプリケーションでは、ユーザはエンハンスメントレイヤよりベースレイヤを優先することを希望するかもしれない。マルチプレイヤゲームでは、ユーザは、周辺オブジェクトよりフォーカスオブジェクトを優先することを希望するかもしれない。

アプリケーションのエンドユーザの経験に対する限定された帯域幅、輻輳、レイテンシ、およびパケット損失の影響を最小限にするために、各アプリケーションの要求事項または優先性に適応するレート制御を適用することは有益である。レート制御とは、送信機が優先度の順番にデータを送信し、過大量の送信を回避しながら利用可能な帯域幅を使用するようにレートを調整することを意味する。チャネルが処理できるより多くのデータを送信すると、高いレイテンシまたは高いパケット損失を招く。レート制御は、利用可能な帯域幅の変動のようなチャネルの特性の変動に適応しなければならない。アプリケーションの優先度を考慮し、かつチャネルの特性の変動に適応するレート制御を、ここでは適応レート制御（ＡＲＣ）と呼ぶ。ＴＣＰおよび差別化サービスはこれらの機能の一部を提供するが、全部ではない。例えば、ＴＣＰは異なる種別のアプリケーションデータ間で優先順位をつけない。差別化サービスは、チャネル容量の変動に適応しない。

全ての通信システムでうまく働くＡＲＣのための単一のアルゴリズムまたは方法を指定することは難しい。異なるチャネルは異なる挙動をする。一例として、通信のレイテンシがどのようにデータレートに依存するかを考察しよう。一部のチャネル（例えば輻輳ＰＳＴＮモデムリンク）では、データレートが低減すると、レイテンシは低減する。異なるチャネル（例えばＧＰＲＳリンク）では、データレートが増大した場合、状況によってはレイテンシが低減する。また、ＧＰＲＳ性能は異なるインプリメンテーションおよびバージョン間で異なる。異なるアプリケーションもまた異なる要求事項を持つことがある。例えば、映像ストリーミングアプリケーションはレイテンシを受け入れるが、高いスループットを要求する。一方、実時間マルチプレイヤゲームは低いスループットを受け入れるかもしれないが、少なくとも最も重要なオブジェクトには低いレイテンシを要求する。

ネットワーク、アクセスリンク、アプリケーション、およびユーザ嗜好の拡散は、あらゆる状況下で最適に働く単一のＡＲＣ方法を設計することを事実上不可能にしている。一つの解決策は、各チャネル／アプリケーション組合せ毎にひとつの解決策を実現することであろう。これは煩雑かつ高価な解決策であり、アプリケーション開発および通信システムのコストを増大させるであろう。

発明の目的
本発明の目的は、特定のアプリケーションの要求事項にも適応するＡＲＣをパケット交換網で可能にすることである。

発明の概要
この目的は、本発明によれば、パケット交換データネットワークにおける送信機と受信機との間の接続を適応レート制御するための装置であって、前記装置が、
ジェネリックアルゴリズムに従って適応レート制御を実行するためのジェネリック制御手段を含むものにおいて、
アプリケーションの特性に応じてジェネリック制御手段の機能を制御するように構成された少なくとも一つのアプリケーション特定的制御手段
を特徴とする装置によって達成される。

したがって、本発明は、各アプリケーションについての完全な制御手段を提供する必要なしに、アプリケーション特定的制御を可能にする。代わって、様々なアプリケーションの要求に適応するように様々なアプリケーション特定的制御手段によって制御することができる、ジェネリック制御手段が設けられる。

本発明の目的はまた、パケットデータネットワークにおける適応レート制御のためのコンピュータプログラム製品であって、コンピュータで実行されたときに、コンピュータプログラム製品の機能を制御するために、アプリケーション特定的制御手段から少なくとも一つの構成パラメータを受け取るように構成されたコンピュータ可読コード手段を含むコンピュータプログラム製品によっても達成される。

このコンピュータプログラム製品は、上記のジェネリック制御手段に含まれる。

本発明の目的はまた、パケットデータネットワークにおける適応レート制御のためのコンピュータプログラム製品であって、コンピュータで実行されたときに、ジェネリック制御手段によって提供される適応レート制御を制御するために、コンピュータをして少なくとも一つの構成パラメータを適応レート制御のためのジェネリック制御手段に提供せしめるコンピュータ可読コード手段を含むコンピュータプログラム製品によっても達成される。

このコンピュータプログラム製品は、上記のアプリケーション特定的制御手段に含まれる。

好ましくは、ジェネリック制御手段は少なくとも一つの構成パラメータによって制御され、前記アプリケーション特定的制御手段は、ジェネリック制御手段の機能を制御するためにジェネリック制御手段に少なくとも一つの構成パラメータを提供するように構成される。

ジェネリック制御手段はまた、レート制御の品質を監視して、その品質を示す一組の品質データを出力するように構成することもできる。品質データの組は一般的にレイテンシおよび／またはパケット損失の測定値を含む。品質データの組はアプリケーション特定的制御手段に提供され、少なくとも一つの構成パラメータを設定するためにアプリケーション特定的制御手段によって使用されることが好ましい。

好適な実施形態では、ジェネリック制御手段は少なくとも一つのネットワークサーバおよび低レベルクライアントソフトウェアにおいて実現され、アプリケーション特定的制御手段はアプリケーションレベルのソフトウェアモジュールとして実現される。

アプリケーション特定的制御手段は、接続のために使用されるチャネルの型に応じて作製することができる。

本発明に係る装置は、適応レート制御を各アプリケーションに対して個別に設定することを可能にする。また、本発明に係る装置は使用されるチャネルの型に適応させることもできる。したがって、それは、ネットワークサーバおよび低レベルクライアントソフトウェアにおける包括的な実現を供給しながら、同時に、全く異なる挙動および要求事項を持つ多数のチャネルの型およびアプリケーションへの適応に備えるという問題を解決する。本発明は、ＡＲＣの少なくとも一部分が、通信プロトコルスタックのような低レベルソフトウェアにおいて実現しなければならないという事実の認識に基づく。

本発明に係る装置およびコンピュータプログラムにより、通信プロトコル、サーバ側の機能、またはクライアント側の低レベルプロトコル機能を変更することなく、様々なユーザ嗜好、アプリケーションの型、および異なるチャネル挙動に適応することができる。特定の適応は全て、好ましくはクライアント側の高レベルソフトウェアで行なわれる。

図面の簡単な記述
本発明を以下で、添付の図面を参照しながら、さらに詳しく説明する。
図１は、本発明が使用される背景を示す。
図２は、ジェネリック部分および特定部分における制御機能の本発明による分割を示す。
図３は、本発明による適応レート制御装置の実施形態を示す。

図１は、本発明の技術的な背景を非常に簡素化して示す。送信機、例えばクライアント端末１は、チャネル５を介して受信機３にデータを伝送する。受信機は、例えばネットワークサーバとすることができる。チャネル５は、送信機１が受信機にデータを送信することを可能にするアクセスリンクおよびネットワークを構成する。一般的に、各ＡＲＣ送信機／受信機対は、逆方向の通信リンクを形成するＡＲＣ送信機−受信機対のためのバックチャネル７として働く通信リンクをセットアップする。受信機が受信データの確認応答のようなデータを送信機に送信することを可能にするアクセスリンクおよびネットワークは、バックチャネル７と呼ばれる。

図２は、論理装置および制御データの交換を示す本発明の論理図を提供する。論理関数アプリケーション、Ｇ−ＡＲＣ、およびＳ−ＡＲＣは、多くの様々な方法で送信装置と受信装置の間で分配することができる。適応レート制御のための装置は、ジェネリック部分Ｇ−ＡＲＣおよびアプリケーション特定的部分Ｓ−ＡＲＣを含む。ジェネリック部分Ｇ−ＡＲＣはチャネル５の機能を制御する。Ｇ−ＡＲＣは、ジェネリックアルゴリズムに従ってレート制御を実行する。ジェネリックアルゴリズムは、任意の適応レート制御アルゴリズム、例えばリーキーバケットアルゴリズムに基づくことができる。ジェネリックアルゴリズムの挙動は一組のＡＲＣ構成パラメータによって制御される。Ｓ−ＡＲＣは、ＡＲＣ構成パラメータを設定することによってＧ−ＡＲＣを制御する。この制御アルゴリズムは、ユーザ嗜好、アプリケーション型、およびチャネルに特定的なものとすることができる。

アプリケーション特定的部分Ｓ−ＡＲＣはまた、アプリケーション１１および管理装置１３と通信することもできる。アプリケーションはアプリケーション特定的部分Ｓ−ＡＲＣに命令を与え、こうして適応レート制御の機能を間接的に制御する。

図２は一つしか示していないが、各々一つまたはそれ以上のアプリケーションに適応され、かつそれによって制御される、幾つかのアプリケーション特定的部分Ｓ−ＡＲＣが同一レベルに存在することができる。送信機アルゴリズムおよび受信機アルゴリズムはＡＲＣ構成パラメータによって制御され、それは例えば送信機側からのデータグラムの出力ストリームの推奨帯域幅を含むことができる。

一般的に、ジェネリック制御手段Ｇ−ＡＲＣは、アプリケーション特定的制御手段の一つからＡＲＣ構成パラメータを受け取る。代替的に、ジェネリック制御手段は、ＡＲＣ構成パラメータのハードワイヤードデフォルト値を含むことができる。また、ジェネリック制御手段は通信セッションが開始される前に、管理装置１３からＡＲＣ構成パラメータのデフォルト値を受け取ることもできる。

Ｇ−ＡＲＣはレート制御の品質を監視し、レートがいかにうまく制御されているかを示す一組のデータを出力する。このデータの組はＡＲＣ統計と呼ばれ、例えばレイテンシおよびパケット損失の測定値を含むことができる。アプリケーション特定的部分Ｓ−ＡＲＣはＧ−ＡＲＣからＡＲＣ統計を受け取る。ジェネリック部分Ｇ−ＡＲＣはまた、適応レート制御の機能に関する品質解析を実行することもできる。この解析の結果は、品質データとしてアプリケーション特定的部分に伝送されることができる。この品質データすなわちＡＲＣ統計は、アプリケーション特定的部分に送信されることができ、この場合、それはレート制御がどのように影響を受けるかを決定する。

図２における様々な装置の考察は図３にも適用され、その逆も然りである。

図３は、送信機が図１に示したチャネルを通して受信機と通信する、本発明に係るシステムを示す。クライアントはＡＲＣ送信機およびＡＲＣ受信機の両方を含む。ネットワークサーバはＡＲＣ送信機およびＡＲＣ受信機の両方を含む。各ＡＲＣ送信機およびＡＲＣ受信機はジェネリック部分を含み、かつアプリケーション特定的部分をも含むことができる。各ＡＲＣ送信機はチャネルを通して対応するＡＲＣ受信機と通信する。一般的に、各ＡＲＣ送信機−受信機対は、逆方向の通信リンクを形成するＡＲＣ送信機−受信機対のためのバックチャネル（図３には図示せず）として働く通信リンクをセットアップする。バックチャネルは、確認応答および品質データのようなデータを通信するために使用される。図３は一つの送信機−受信機対しか示さない。

図３は、ＡＲＣ送信機／受信機対の詳細な構造を示す。この図で、送信アプリケーション２１は、チャネル２５を介して、データを受信アプリケーション２３に伝送する。送信機側は送信機ジェネリック制御手段２７およびアプリケーション特定的制御手段２９を持つ一方、受信機側は受信機ジェネリック制御手段３１を持つと想定される。送信機ジェネリック制御手段２７は送信機側でＡＲＣアルゴリズムのジェネリック部分を実行し、受信機ジェネリック制御手段３１は受信機側でＡＲＣアルゴリズムのジェネリック部分を実行する。

図３で、アプリケーション特定的制御手段２９は送信機側に配置されているが、次の四つの構成が可能である。
送信機側が、ジェネリック制御手段２７、３１の両方を制御するアプリケーション特定的制御手段を持つ。受信機側は、アプリケーション特定的制御手段を持たない。
受信機側が、ジェネリック制御手段２７、３１の両方を制御するアプリケーション特定的制御手段を持つ。送信機側は、アプリケーション特定的制御手段を持たない。
送信機側および受信機側が各々、両方のジェネリック制御手段２７、３１の制御を分担するアプリケーション特定的制御手段を有する。
アプリケーション特定的部分が送信機側または受信機側のどちらにも含まれない。これは、アプリケーション特定的制御が使用されない特殊な場合である。これは、例えばＴＣＰ通信の場合の事例である。

送信機側で、ジェネリック制御手段２７は、適応レート制御を使用するアプリケーションからデータグラムの入力ストリームを受け取る。各データグラムは、それをいかに取り扱うべきかを示すタグを携行することができる。タグは、優先レベルおよび／またはデータグラムを確実に送信すべきかそれとも不確実に送信すべきかを示す標識を含むことができる。

送信機のジェネリック制御手段２７は、送信機のジェネリック制御手段２７に提供されたアルゴリズムに従ってデータグラムのストリームを処理して、データグラムの出力ストリームを生成し、それが受信機のジェネリック制御手段３１に送信される。データグラムの出力ストリームは、チャネルの能力、各データグラムの優先度、および各データグラムの高信頼／非信頼状態に適応される。通信プロトコルスタックはしばしば、低いプロトコルレベルに属するデータグラムが高いプロトコルレベルに属するデータグラムのペイロードとして伝送される設計を含む。幾つかのデータグラムをより高レベルのデータグラムのペイロードとして送信することは、データグラムの集約と呼ばれる。多くのデータグラムを一つの大きいデータグラムに集約すると、高いスループットが得られるが、レイテンシも高くなる。Ｇ−ＡＲＣ送信機は任意選択的に集約を制御して、スループットとレイテンシの間の適正なバランスを見出す。

データグラムの入力ストリームが速すぎる場合、送信機のジェネリック制御手段は最低優先度の非信頼データグラムを脱落させて、輻輳を生じることなくチャネルで通信することができるデータグラムのストリームを出力する。データグラムの入力ストリームはまた、低優先度のデータグラムの前に高優先度のデータグラムが送信されるように、再順序付けを行なうこともできる。高信頼データグラムは、紛失した場合は再送信することができる。

受信機のジェネリック制御手段３１は、チャネル２５を介して送信機のジェネリック制御手段２７からデータグラムのストリームを受信する。受信機のジェネリック制御手段３１は受信したデータグラムを、この機能のために提供されたアルゴリズムに従って処理し、正しく受信したデータグラムをアプリケーションに送る。受信機のジェネリック制御手段３１は、紛失した高信頼データグラムの再送信を要求することができる。

アプリケーション特定的制御手段２９は、ＡＲＣ構成パラメータと呼ばれる特定のパラメータをジェネリック制御手段２７、３１で設定し、こうしてジェネリック制御手段２７、３１がアプリケーションの要求に応じてレートをいかに制御するかを決定するように構成される。ＡＲＣ構成パラメータの一例として、Ｇ−ＡＲＣ送信機からのデータグラムの出力ストリームの推奨帯域幅がある。ジェネリック制御手段からＡＲＣ統計を受け取ることも好ましい。また、アプリケーションからさらなるパラメータおよび設定値を受け取ることもできる。例えば、アプリケーションは、高いレイテンシを代償として高いスループットを優先させるアプリケーション命令を提供するか、またはその逆のことを行なうことができる。アプリケーション特定的制御手段は、チャネルのモデルおよびアプリケーションの要求事項の理解に基づくアルゴリズムを使用する。

ＡＲＣ構成パラメータを生成するアプリケーション特定的制御手段のアルゴリズムは、ＡＲＣ統計を入力として使用する。ＡＲＣ統計は、送信機と受信機との間の通信がどのようにうまく進んでいるかについての完全なまたは部分的な情報を与える。ＡＲＣ統計の典型的な要素は次の通りである。
全てのパケットまたは任意選択的に各アプリケーションデータ種別に対するチャネルのパケット損失の測度。
任意選択的に各アプリケーションデータ種別に対するチャネルのレイテンシの測度。
特定のアプリケーションデータ種別のパケットの部分的または完全な脱落のような、ジェネリック制御手段アルゴリズムによって実行される動作に関する情報。

本発明の利点を示すために、アプリケーションサービスプロバイダが同一のサービスを多くの異なるＧＰＲＳオペレータの利用者に配布することを希望している状況を考慮する。異なるＧＰＲＳネットワークの特性は非常に異なる。アプリケーションサービスプロバイダは、アプリケーションサーバおよびクライアントソフトウェアを含む同一のシステムを全てのＧＰＲＳオペレータに配布する。このシステムは、ジェネリックレート制御手段Ｇ−ＡＲＣを含む。次いで、エンドユーザは、アプリケーション特定的制御手段Ｓ−ＡＲＣの異なるバージョンをＪａｖａ（登録商標）プログラムとしてダウンロードすることができる。各ユーザは、ローカルＧＰＲＳサービスの特定の特性に適したバージョンのＳ−ＡＲＣを得る。

さらに、幾つかのゲーム開発者がゲームを３Ｇワイヤレスオペレータに配布する状況を考慮する。異なるゲームジャンルは異なるＡＲＣソリューションを必要とする。順番に基づく大規模なマルチプレイヤゲームは高く信頼できるスループットを必要とするが、戦闘ゲームは低いレイテンシを必要とする。オペレータはゲーム特定的な詳細に関わることを避けることを希望する。Ｇ−ＡＲＣはオペレータのネットワークおよびワイヤレス端末において実現される。各ゲーム開発者は、ＡＲＣを特定のゲームに最適に作動するように調整するＳ−ＡＲＣモジュールを書く。

第三の例は、莫大な数のユーザを引き付ける人気のあるマルチメディアチャットアプリケーションであろう。オペレータおよびネットワーク設備プロバイダは、人気のあるチャットアプリケーションが彼らのネットワークで最良に実行されていることを示すことによって、競争上優位に立つことを希望する。オペレータまたはネットワーク設備プロバイダは、彼らのネットワークがいかに構築されているかの詳細な知識を利用して、彼らの特定的なネットワークにおけるチャットアプリケーションの性能を最適化するＳ−ＡＲＣを書くことができる。次いでＳ−ＡＲＣをオペレータの顧客に分配することができる。

本発明が使用される背景を示す。 ジェネリック部分および特定部分における制御機能の本発明による分割を示す。 本発明による適応レート制御装置の実施形態を示す。

Claims (13)

1. パケット交換データネットワークにおける送信機と受信機との間の接続を適応レート制御するための装置であって、前記装置が、
   ジェネリックアルゴリズムに従って適応レート制御を実行するためのジェネリック制御手段（Ｇ−ＡＲＣ；２７，３１）を含むものにおいて、
   アプリケーションの特性に応じてジェネリック制御手段（Ｇ−ＡＲＣ；２７，３１）の機能を制御するように構成された少なくとも一つのアプリケーション特定的制御手段（Ｓ−ＡＲＣ；２９）
   を特徴とする装置。
2. ジェネリック制御手段（Ｇ−ＡＲＣ；２７，３１）が少なくとも一つの構成パラメータによって制御され、前記アプリケーション特定的制御手段（Ｓ−ＡＲＣ；２９）は、ジェネリック制御手段の機能を制御するためにジェネリック制御手段に少なくとも一つの構成パラメータを提供するように構成される請求項１記載の装置。
3. ジェネリック制御手段（Ｇ−ＡＲＣ；２７，３１）がレート制御の品質を監視して、その品質を示す一組の品質データを出力するように構成される請求項１または２記載の装置。
4. 品質データの組がレイテンシおよび／またはパケット損失の測定値を含む請求項３記載の装置。
5. 品質データの組がアプリケーション特定的制御手段（Ｓ−ＡＲＣ；２９）に提供され、少なくとも一つの構成パラメータを設定するためにアプリケーション特定的制御手段（Ｓ−ＡＲＣ；２９）によって使用される請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. ジェネリック制御手段（Ｇ−ＡＲＣ；２７，３１）が少なくとも一つのネットワークサーバおよび低レベルクライアントソフトウェアにおいて実現される請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
7. アプリケーション特定的制御手段（Ｓ−ＡＲＣ；２９）がアプリケーションレベルのソフトウェアモジュールとして実現される請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
8. アプリケーション特定的制御手段（Ｓ−ＡＲＣ；２９）が接続のために使用されるチャネル（５）の型に応じる請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
9. パケットデータネットワークにおける適応レート制御のためのコンピュータプログラム製品であって、コンピュータで実行されたときに、ジェネリック制御手段によって提供される適応レート制御を制御するために、コンピュータをして少なくとも一つの構成パラメータを適応レート制御のためのジェネリック制御手段に提供せしめるコンピュータ可読コード手段を含むコンピュータプログラム製品。
10. ＡＲＣ統計データがレイテンシおよび／またはパケット損失の測定値を含む請求項９記載のコンピュータプログラム製品。
11. パケットデータネットワークにおける適応レート制御のためのコンピュータプログラム製品であって、コンピュータで実行されたときに、コンピュータプログラム製品の機能を制御するために、アプリケーション特定的制御手段から少なくとも一つの構成パラメータを受け取るように構成されたコンピュータ可読コード手段を含むコンピュータプログラム製品。
12. レート制御の品質を監視して、その品質を示す一組の品質データを出力するようにさらに構成される請求項１１記載のコンピュータプログラム製品。
13. 前記品質データをアプリケーション特定的制御手段に送信するようにさらに構成される請求項１１または１２記載のコンピュータプログラム製品。

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