JP2007251940A - クロスレイヤＱｏＳ管理方法及びクロスレイヤＱｏＳ管理システム - Google Patents

Abstract

【課題】マルチメディア送信のために、無線ＬＡＮにおいてＱｏＳを向上させる。
【解決手段】クロスレイヤＱｏＳ管理方法は、ＭＡＣ層より上位層でビデオフレームのシーケンス（例えば、ＭＰＥＧビデオシーケンスのＩフレーム、Ｐフレーム及びＢフレーム）を監視し、単位時間毎のビデオフレームのサイズ及びビデオフレームのパターンを決定し、単位時間毎のビデオフレームのサイズ及びビデオフレームのパターンに基づいて将来の時刻における将来のデータレートを予測し、将来の時刻における予測された将来のデータレートに基づいてＭＡＣ層におけるパラメータ（例えば、ＡＩＦＳ、ＣＷ、ＣＷｍａｘ、ＣＷｍｉｎ）を調整することであって、当該パラメータは無線メディアへのアクセスを可能にする時間値に関連するものを調整することを含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、無線ネットワークに関し、特に、無線ＬＡＮによるビデオ送信のためのクロスレイヤＱｏＳのメカニズムに関する。

無線接続の利便性により、ユーザはますます多くのサポートを必要としている。典型的なアプリケーションには、ビデオストリーミング、ビデオ会議、遠隔教育等がある。しかし、無線帯域幅の可用性は制限されているため、ＩＥＥＥ８０２．１１ネットワークではサービス品質（ＱｏＳ：Ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｅｒｖｉｃｅ）管理がますます重要となっている。ＩＥＥＥ８０２．１１ｅは、音声及びビデオ等、帯域幅に影響を受けやすいアプリケーションをサポートする無線機器のためのＱｏＳメカニズムの規定を提案している。

最初のＩＥＥＥ８０２．１１のメディアアクセス制御（ＭＡＣ：Ｍｅｄｉａ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）プロトコルでは、無線局に対し通信の２つのモードが設計された。第１のモード、すなわち分散制御機能（ＤＣＦ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は、リッスン・ビフォア・トーク（ｌｉｓｔｅｎ ｂｅｆｏｒｅ ｔａｌｋ）と呼ばれる、キャリアセンス多元接続／衝突回避方式（ＣＳＭＡ／ＣＡ：Ｃａｒｒｉｅｒ Ｓｅｎｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ａｖｏｉｄａｎｃｅ）に基づく。無線局は、ネットワーク上で待機時間の間待機し、それからデータの送信及び衝突の検出を開始する。第２のモード、すなわち集中制御機能（ＰＣＦ：Ｐｏｉｎｔ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は、時間に影響を受けやすいトラフィックフローをサポートする。無線アクセスポイントは、ビーコンフレームを定期的に送信することによって、無線ネットワークに固有のネットワーク識別子及び管理パラメータを通信する。ビーコンフレームを送信する間、ＰＣＦは、時間を非競合期間と競合期間とに分割する。ＰＣＦを使用する無線局は、非競合期間中にデータを送信する。

ＤＣＦ及びＰＣＦはトラフィックタイプ又はトラフィックソース間で違いがないため、ＩＥＥＥは、ＱｏＳを促進するために両制御のモードに対する拡張を提案した。これらの変更は、現在のＩＥＥＥ８０２．１１の標準規格の古いバージョンとの上位互換性を維持しながら、重要なサービス要求を満たすように意図されている。

拡張分散制御アクセス（ＥＤＣＡ：Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ａｃｃｅｓｓ）は、トラフィックカテゴリの概念を導入する。無線局は、ＥＤＣＡを使用して、メディアが対応するトラフィックカテゴリによって定義される待ち時間の間アイドル状態であることを検出した後、データを送信するよう試みる。優先度の高いトラフィックカテゴリの方が、優先度の低いトラフィックカテゴリより待ち時間が短くなる。サービスに対する保証があるわけではないが、ＥＤＣＡは、確率的な優先度に基づくメカニズムを確立するために、トラフィックカテゴリに基づいて帯域幅を割り当てる。

ＩＥＥＥ８０２．１１ｅのＥＤＣＡ標準規格は、トラフィックを４つのアクセスクラス（ＡＣ：Ａｃｃｅｓｓ Ｃｌａｓｓ）、すなわち、音声、ビデオ、ベストエフォート及びバックグラウンドにグループ化することにより、異なるＱｏＳを提供する。音声ＡＣは優先度が最も高く、ビデオＡＣは優先度が２番目に高く、ベストエフォートＡＣは優先度が３番目に高く、バックグラウンドＡＣは優先度が最も低い。各ＡＣは、ＡＣ自体の送信キューと、ＡＣ自体のメディアアクセスのパラメータのセットとを有する。トラフィックの優先度の設定は、各クラス単位に定義されるメディアアクセスのパラメータ、すなわち、ＡＩＦＳ間隔、コンテンションウィンドウ（ＣＷ：Ｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎ Ｗｉｎｄｏｗ）及び送信権（ＴＸＯＰ：Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ）を使用して、優先度の高いＡＣの方が優先度の低いＡＣより比較的多くのメディアアクセスの機会があることを保証する。

一般に、フレーム送信間隔（ＡＩＦＳ：Ａｒｂｉｔｒａｔｉｏｎ Ｉｎｔｅｒｆｒａｍｅ Ｓｐａｃｅ）は、無線局が、バックオフ又は送信をする前に、メディアがアイドル状態であることを検知しなければならない時間間隔である。優先度の高いＡＣほど短いＡＩＦＳ間隔を使用する。ＣＷは、無線局がメディアにアクセスすることができるようになるまでのバックオフタイムスロットの数を示す。ＣＷは、範囲［１，ＣＷ−１］から一様にランダムに抽出される。ＣＷは、最小値ＣＷｍｉｎから開始し、その最大値ＣＷｍａｘに達するまで送信が失敗する度に２倍になる。ＣＷは、送信が再試行制限を超えるまでその最大値ＣＷｍａｘを保持する。優先度の高いＡＣほど小さいＣＷｍｉｎ及びＣＷｍａｘを使用する。ＴＸＯＰは、各ＡＣがメディアへのアクセスできた後にフレームを送信することが許可され得る最大持続時間を示す。

これらのパラメータを用いて、ＥＤＣＡは、以下のように動作する。無線局は、送信を開始できるようになる前に、ＡＩＦＳ間隔の間、チャネルがアイドル状態であることを検知しなければならない。ＡＩＦＳ間隔後にチャネルが依然としてアイドル状態である場合、無線局は、バックオフカウンタを用いてランダムな数のバックオフタイムスロットをカウントダウンすることにより、バックオフ手続きを呼び出す。無線局は、チャネルがアイドル状態であると検知される限り、バックオフカウンタを１だけデクリメントする。バックオフカウンタがゼロに達すると、無線局は送信を開始することができる。無線局は、バックオフ手続き中にチャネルがビジー状態であると検知すると、現在実行されているバックオフ手続きを中断し、チャネルが再びＡＩＦＳ間隔の間アイドル状態であることが検知されるまで、バックオフカウンタを停止する。ＡＩＦＳ間隔後にチャネルが依然としてアイドル状態である場合、無線局は、残りのバックオフカウンタのデクリメントを再開する。その後送信が失敗する度に、ＣＷをＣＷｍａｘになるまで２倍にする。無線局は、チャネルへのアクセス権を獲得すると、総送信時間がＴＸＯＰ持続時間を超えない限り、競合することなく複数のフレームの送信を開始することができる。送信が成功した後、ＣＷはＣＷｍｉｎに戻る。各ＡＣに対するＱｏＳ制御のレベルは、３つのメディアアクセスのパラメータと、ネットワークにおいて競合している無線局の数との組合せによって決定される。

図１は、従来技術によるＥＤＣＡ競合制御プロトコルの詳細を示すタイミング図である。図示するように、メディアがアイドル状態であることが検出されるとすぐに、ＡＣ１で無線局１に対して送信されている情報（ＳＴＡ−Ａ１）は、その送信順序がＡＣ１に対するＡＩＦＳ間隔（ＡＩＦＳ［ＡＣ１］）だけ後にされる。同様に、ＡＣ１で無線局ｋに対して送信されている情報（ＳＴＡ−Ａｋ）もまた、その送信順序がＡＣ１に対するＡＩＦＳ間隔（ＡＩＦＳ［ＡＣ１］）だけ後にされる。無線局１によって送信されている情報及び無線局ｋによって送信されている情報は、それらの送信順序が各々ランダムな数のバックオフスロット分さらに後にされることによって、衝突の可能性が低減される。ＡＣ２で無線局１に対して送信されている情報（ＳＴＡ−Ｂ１）は、その送信順序がＡＣ２に対するＡＩＦＳ間隔（ＡＩＦＳ［ＡＣ２）だけ後にされる。ＡＣ２の情報はＡＣ１の情報より優先度が低く、ＡＩＦＳ［ＡＣ２］はＡＩＦＳ［ＡＣ１］より長い。既知であるように、ＡＩＦＳ値はＤＣＦフレーム間隔（ＤＩＦＳ）より長く、ＤＩＦＳはＰＣＦフレーム間隔（ＰＩＦＳ）より長く、ＰＩＦＳは短フレーム間隔（ＳＩＦＳ）より長い。

無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ：Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ）は、マルチメディア送信に対して限界がある。例えば、ＷＬＡＮは、データ送信のために設計されており、遅延に敏感な、帯域幅を消費するマルチメディアアプリケーション（例えば音声及びビデオ）には不適当である。無線メディアは、チャネルの伝播に雑音が多く、帯域幅が狭い。ＱｏＳの要件（遅延、ジッタ、帯域幅及びビット誤り率等）は、安定したビデオ送信のためにはより厳しいものである。また、ＩＥＥＥ８０２．１１の再送のメカニズムは、雑音の多いチャネルによる過度なトランスポート層の再送を回避するように設計されている。トランスポート層のトラフィックは、ＭＡＣ層の再送によって大きな恩恵を得るが、双方向マルチメディアでは大きなジッタ及び遅延が発生し、ビデオストリーミングではスループットが低くなる。

したがって、特にマルチメディア送信のために、無線ＬＡＮにおいてＱｏＳを向上させるシステム及び方法が必要である。

本発明の代表的な一形態によると、現在のネットワーク階層の構築において、ＱｏＳのサポートは各層に対して分けられている。すなわち、ＯＳＩモデルの各層（物理層、ＭＡＣ層、ネットワーク層、トランスポート層及びアプリケーション層を含む）は、ＱｏＳの問題に対して別個のソリューションを提供する。このネットワーク階層の構築方法は、例えばマルチメディア送信の場合、常に最適なパフォーマンスをもたらすとは限らない。

一つの実施の形態では、クロスレイヤＱｏＳ管理方法であって、ＭＡＣ層より上位層でビデオフレームのシーケンスを監視し、単位時間毎のビデオフレームのサイズ及びビデオフレームのパターンを決定し、前記決定された単位時間毎のビデオフレームのサイズ及びビデオフレームのパターンに基づいて、将来の時刻における将来のデータレートを予測し、前記将来の時刻に対して予測された将来のデータレートに基づいて、無線メディアへのアクセスを可能にする時間値に関連する、ＭＡＣ層におけるパラメータを調整することを特徴とするクロスレイヤＱｏＳ管理方法を提供する。

ビデオフレームはＭＰＥＧビデオフレームであってもよい。ビデオフレームのパターンは、Ｉフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームのパターンを含んでもよい。ビデオフレームサイズの決定は、Ｉフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームの平均ビデオフレームのサイズの決定を含んでもよい。将来のデータレートの予測は、ウェーブレット領域予測アルゴリズム又は時間領域予測アルゴリズムを適用してもよい。ＭＡＣ層におけるパラメータは、ＡＩＦＳ、ＣＷ、ＣＷｍｉｎ、ＣＷｍａｘ及び再送回数の上限値のうちの少なくとも一つであってもよい。予測された将来のデータレートの現データレートからの変化が、閾値を上回るときにパラメータが調整されてもよい。また、単位時間はフレームレートに基づいてもよい。

別の実施の形態では、複数層にわたってＱｏＳを管理するクロスレイヤＱｏＳ管理システムであって、ＭＡＣ層より上位層におけるビデオフレームのシーケンスを監視し、単位時間毎のビデオフレームのサイズ及びビデオフレームのパターンを決定し、前記決定された単位時間毎のビデオフレームのサイズ及びビデオフレームのパターンに基づいて、将来の時刻における将来のデータレートを予測するビデオ予測部と、前記ビデオ予測部と通信して、将来の時刻に対して予測された将来のデータレートに基づいて、該パラメータは無線メディアへのアクセスを可能にする時間値に関連する、ＭＡＣ層におけるパラメータを調整するパラメータ調整部であって、前記パラメータ調整モジュールは無線メディアへのアクセスを可能にする時間値に関連するパラメータを調整する、クロスレイヤＱｏＳ管理システムを提供する。

ビデオフレームはＭＰＥＧビデオフレームであってもよい。ビデオフレームのパターンは、Ｉフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームのパターンを含んでもよい。ビデオ予測部は、Ｉフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームの平均ビデオフレームのサイズを決定することによって、前記ビデオフレームのサイズを決定してもよい。ビデオ予測部は、ウェーブレット領域予測アルゴリズム又は時間領域予測アルゴリズムを適用することによって将来のデータレートを予測してもよい。ＭＡＣ層におけるパラメータは、ＡＩＦＳ、ＣＷ、ＣＷｍｉｎ、ＣＷｍａｘ及び再送回数の上限値のうちの少なくとも一つであってもよい。パラメータ調整部は、予測された将来のデータレートの現データレートからの変化が、閾値を上回るときにパラメータを調整してもよい。また、単位時間はフレームレートに基づいてもよい。

さらに別の実施の形態では、クロスレイヤＱｏＳ管理システムであって、ＭＡＣ層より上位層でビデオフレームのシーケンスを監視し、単位時間毎のビデオフレームのサイズ及びビデオフレームのパターンを決定し、単位時間毎のビデオフレームのサイズ及びビデオフレームのパターンに基づいて将来の時刻における将来のデータレートを予測する手段と、将来の時刻における予測された将来のデータレートに基づいてＭＡＣ層におけるパラメータを調整する手段であって、無線メディアへのアクセスを可能にする時間値に関連するパラメータを調整する手段と、を備えるクロスレイヤＱｏＳ管理システムを提供する。

本発明の実施の形態によると、ネットワークトラフィック予測器は、観測された過去のトラフィックパターンに従って将来のネットワークトラフィックパターンを予測する。予測されたトラフィック情報は、ＭＡＣ層におけるＱｏＳの拡張プロトコル、ＩＥＥＥ８０２．１１ｅのＥＤＣＡに渡される。ＥＤＣＡのトラフィックカテゴリパラメータ、すなわちＣＷｍｉｎ、ＣＷｍａｘ、ＡＩＦＳ及び再送回数の上限値を、予測されたトラフィックパターンに基づいて決定し及び／又は変更してもよく、それによってデータ送信に帯域幅が割り当てられる。このため帯域幅を、将来の時間窓に対して予測されたトラフィックパターンに基づいて動的に再割当てすることができる。帯域幅を再割当てすることによって、ＱｏＳの要件（例えば、帯域幅、遅延、ジッタ、ビット誤り率等）を満たすことができる。

また、本発明の実施の形態によると、無線ＬＡＮによる、よりスループットの高いビデオ送信を可能にし、且つサービス品質を向上させるビデオ予測アルゴリズムを有するクロスレイヤＱｏＳメカニズムを提供する。一般に、上位層のビデオ予測アルゴリズムは、リアルタイムのビデオトラフィック、例えばフレームサイズ、データレート等の予測に使用される。こうした実施の形態を使用して、ＷＬＡＮによるＨＤＴＶ、ビデオストリーミング等を含む信頼性の高いビデオ送信を提供することができる。

以下の説明は、いかなる当業者も本発明を創作し且つ使用することができるように提供されるものであり、特定の用途及びその要件に関連して提供されるものである。実施形態に対するさまざまな変更が当業者には可能であり、本明細書で定義される包括的な原理を、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、これらの実施の形態及び他の実施の形態及び用途に適用することができる。このため、本発明は、本明細書に示す実施形態に限定されるように意図されておらず、本明細書で開示される原理、特徴及び教示に一貫する最も広い範囲と整合するものである。

現在のネットワーク階層の構築において、ＱｏＳのサポートは各層に分けられている。すなわち、ＯＳＩモデルの各層（物理層、ＭＡＣ層、ネットワーク層、トランスポート層及びアプリケーション層を含む）は、ＱｏＳの問題に対して別個のソリューションを提供する。このネットワーク階層の構築方法は、例えばマルチメディア送信の場合、常に最適なパフォーマンスをもたらすとは限らない。

一つの実施の形態では、ネットワークトラフィック予測器は、観測された過去のトラフィックパターンに従って将来のネットワークのトラフィックパターンを予測する。予測されたトラフィック情報は、ＭＡＣ層のＱｏＳ拡張プロトコル、ＩＥＥＥ８０２．１１ｅのＥＤＣＡに渡される。ＥＤＣＡのトラフィックカテゴリパラメータ、すなわちＣＷｍｉｎ、ＣＷｍａｘ、ＡＩＦＳ及び再送回数の上限値を、予測されたトラフィックパターンに基づいて決定し及び／又は変更してもよく、それによってデータ送信に帯域幅が割り当てられる。このため帯域幅を、将来の時間窓に対して予測されたトラフィックパターンに基づいて動的に再割当てすることができる。帯域幅を再割当てすることによって、ＱｏＳの要件（例えば、帯域幅、遅延、ジッタ、ビット誤り率等）を満たすことができる。

一つの実施の形態では、無線ＬＡＮによる、よりスループットの高いビデオ送信を可能にし、且つサービス品質を向上させるビデオ予測アルゴリズムを有するクロスレイヤＱｏＳメカニズムを提供する。一般に、上位層のビデオ予測アルゴリズムは、リアルタイムのビデオトラフィック、例えばフレームサイズ、データレート等の予測に使用される。こうした実施の形態を使用して、ＷＬＡＮによるＨＤＴＶ、ビデオストリーミング等を含む信頼性の高いビデオ送信を提供することができる。

図２は、本発明の実施形態による、クロスレイヤビデオトラフィックパターン予測のメカニズムを実装する無線局２００を示す。無線局２００は、アプリケーション層のビデオアプリケーション２０５、上位層２１０（アプリケーション層を含んでもよい）、ＭＡＣ層２１５及び物理層２２０を含む。

ビデオアプリケーション２０５は、ビデオトラフィックソースとして動作する場合、ビデオデータを生成する。無線局２００は、ビデオデータを、上位層２１０を通してＭＡＣ層２１５まで下方に転送する。ＭＡＣ層２１５は、ＡＩＦＳ、ＣＷ、ＣＷｍｉｎ及びＣＷｍａｘを使用してＥＤＣＡベースの手続きを実行する。アイドル状態のＡＩＦＳ間隔及びバックオフ期間（上述した汎用プロトコルを使用）の後、無線局２００は、物理層２２０を介してビデオデータを無線メディアに送信する。

本実施の形態では、無線局２００は、ビデオデータを検査し、ビデオトラフィックパターンを予測し、予測されたパターンに基づいてＭＡＣ層２１５のＥＤＣＡパラメータの調整部２３０に対し適宜にＥＤＣＡパラメータを調整するように命令する、ビデオ予測アルゴリズムを実装する、ビデオ予測部２２５を含む。ビデオ予測部２２５は、時間領域又はウェーブレット領域の方法に基づくことができる。最小二乗平均（ＬＭＳ：Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）予測アルゴリズムの例及びウェーブレット領域予測アルゴリズムの例については、図５を参照して後述する。

一つの実施の形態では、ビデオ予測部２２５は、ＭＰＥＧビデオストリームのパターンを予測するように構成される。ＭＰＥＧは、最も広く使用されるビデオ符号化標準規格のうちの一つである。一定のピクチャ（フレーム）レートでビデオ信号を圧縮するＭＰＥＧエンコーダは、可変ビットレートで符号化ストリームを生成する。圧縮中に３つのタイプのフレーム、すなわちＩフレーム（Ｉｎｔｒａ−ｆｒａｍｅ）、Ｐフレーム（Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ−ｆｒａｍｅ）及びＢフレーム（Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ−Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ−ｆｒａｍｅ）が生成され、各々は異なる符号化方法を有する。ＩフレームはＰフレームよりビット数が多く、ＰフレームはＢフレームよりビット数が多い。

符号化後、フレームは、グループオブピクチャ（ＧＯＰ：Ｇｒｏｕｐ ｏｆ Ｐｉｃｔｕｒｅｓ）と呼ばれる定められた周期シーケンス、例えば、ＩＢＢＰＢＢＰＢＢＰＢＢに配列される。図３は、配列が１２の長さのＧＯＰの例としてのパターン３００がＩＢＢＰＢＢＰＢＢＰＢＢＩである（第２のＩフレームは第２のＧＯＰの始まりである）ことを示す。

Ｉフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームの圧縮率が異なる結果、ＭＰＥＧビデオストリームは大きく変動する時系列となる。図４は、図３に示すフレームの繰返しシーケンスの例に対するフレームサイズ４２５を表すグラフ４００である。この例では、Ｉフレーム４０５は、フレームサイズが約３．５キロバイトであるように示されている。Ｐフレームは、フレームサイズが約１．５キロバイトであるように示されている。Ｂフレームは、フレームサイズが約０．９キロバイトであるように示されている。フレーム１〜１２は、繰り返されるフレームパターンの最初のグループオブピクチャ（ＧＯＰ）４３０を構成する。

ビデオ予測部２５５は、フレームのパターン並びにＩフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームの全般的なフレームサイズを予測することにより、且つ略一定のピクチャ（フレーム）レートと同期することにより、任意の特定の時刻において必要なデータレートを予測することができる。そして、ビデオ予測部２２５は、将来の時刻において必要なデータレートを予測することにより、ＥＤＣＡパラメータ調整部２３０に対し、予測される可変データレートにより近似するように、ＭＡＣ層２１５のＥＤＣＡパラメータの変更を命令することができる。

送信の開始時、デフォルトのＥＤＣＡパラメータを実装してもよい。時間窓Ｔの期間後、予測されたデータレートの変化が閾値を上回る場合、ＥＤＣＡパラメータ及びプロトコルを変更してもよい。例えば、予測されたデータレートの変化が、時間窓Ｔの期間後に正の閾値（例えば３０％）を超える（トラフィック負荷の増大を示す）場合、ＥＤＣＡパラメータを以下のように変更してもよい。すなわち、現ＡＣのカテゴリの優先度がより高くなる（例えば、ＡＣ１からＡＣ２へ）ように変更してもよい。また、現ＡＣが最高優先度にある場合、ＣＷのバックオフアルゴリズムを調整してもよい。例えば、ＣＷｍｉｎ＝ＣＷｍｉｎ／２とし、２回の再送信終了毎にＣＷの値を２倍にし、ＡＩＦＳ＝ＤＩＦＳとする等である。時間窓Ｔの期間後、予測されたデータレートの変化が負の閾値（例えば３０％）を下回る（トラフィック負荷の低減を示す）場合、ＥＤＣＡパラメータを以下のように変更してもよい。すなわち、現ＡＣのカテゴリの優先度がより低くなる（例えばＡＣ２からＡＣ１へ）ように変更してもよい。また、現ＡＣが最低優先度にある場合、ＣＷのバックオフアルゴリズムを調整してもよい。例えば、ＣＷｍａｘ＝ＣＷｍａｘ×２とし、且つ／又は再送信終了毎にＣＷの値を２倍にする等である。

実施の形態では、フレームのタイプが異なると統計的な特性も異なるため、ビデオ予測アルゴリズムは、Ｉフレーム予測、Ｐフレーム予測及びＢフレーム予測で分かれている。より適切な予測結果を得るために、差分予測を利用して変動雑音を補償する。

上述したように、ビデオ予測部２２５は、ＬＭＳ予測アルゴリズム又はウェーブレット領域予測アルゴリズムを適用することができる。

ＬＭＳ予測器：ｋステップ先のＬＭＳ線形予測アルゴリズムは、ｘ（ｎ）の現在及び過去の値の線形結合に基づいてｘ（ｎ＋ｋ）を推定することを含む。ｐ次予測器を、以下のように表すことができる。

ここで、Ｗ_nは、時間で変化し且つ

である場合に平均二乗誤差ξを最小化することにより更新される予測係数ベクトルである。Ｘ（ｎ）、Ｗ_n及びｅ（ｎ）は、μがステップサイズである場合、数式３〜数式６に定義される。

正規化ＬＭＳ（ＮＬＭＳ：Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ＬＭＳ）はＬＭＳを変更したものであり、ここで、Ｗ_n+1は、‖Ｘ（ｎ）‖²＝Ｘ（ｎ）^T Ｘ（ｎ）である場合、

として更新される。時刻ｎにおいて、ｅ（ｎ）を計算するためにｘ（ｎ＋ｋ）の値は利用できないため、数式７の代りにｅ（ｎ−ｋ）を使用する。

ウェーブレット領域ＮＬＭＳ予測器：トラフィック解析のためにウェーブレット変換を使用することができる。ウェーブレット変換は、適応予測と結合された場合、時間領域変換に比べて利点を示す。基本的に、解析するウェーブレットファミリ自体のスケールが不変である特徴、すなわち他の解析方法には共有されない特性を有する。

ビデオフレームを分解するために、アトゥルーウェーブレット変換を使用してもよい。アトゥルーハール変換は、そのままの近似及び詳細な情報を生成するために、ダウンサンプリング効果を除去することにより冗長情報を利用する。アトゥルーウェーブレット変換を使用して、スケールｊにおけるスケーリング係数を以下のように取得することができる。

ここで、１≦ｊ≦Ｊであり、ｈは、コンパクトな台を持つローパスフィルタである。スケールｊにおけるウェーブレット係数を、信号の連続する平滑化されたバージョンの差を

としてとることによって得ることができる。ベクトル

は、分解レベルＪまでの信号のアトゥルーウェーブレット変換を表す。信号を、ウェーブレット係数とスケーリング係数との線形結合として再構成することができる。

Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓファミリのウェーブレットフィルタ、Ｂ３スプラインフィルタ等の多くのウェーブレットフィルタが利用可能である。ここでは、アトゥルーウェーブレット変換を実装するためにハールウェーブレットフィルタを選択する。ハールウェーブレットフィルタを選択する主な理由は、任意の時刻ｔにおいて、スケーリング係数及びウェーブレット係数を計算するために時刻ｔの後の情報が使用される必要がない（これは、時系列予測における望ましい特徴である）ためである。ハールウェーブレットは、単純なフィルタｈ＝（１／２；１／２）を使用する。より高いスケールでのスケーリング係数を、より低いスケールでのスケーリング係数から容易に取得することができる。

実施の形態では、ウェーブレット領域ＮＬＭＳ予測方式は、まず、ビデオフレームをＩサブグループ、Ｐサブグループ及びＢサブグループに分離し、アトゥルーハールウェーブレット変換を使用して各サブグループを異なるスケールに分割する。そして、各スケールにおいてウェーブレット係数及びスケーリング係数が個々に予測される。最後に、元のフレームの予測された値は、予測されたウェーブレット係数とスケーリング係数との和として構成することができる。係数の予測は以下のように表すことができる。

ここで、ＮＬＭＳはＮＬＭＳ予測器を表し、次数はＮＬＭＳ予測器の長さである。図５は、本発明の実施の形態によるウェーブレット分解及び係数予測メカニズム５００のアーキテクチャの例を示す。

ウェーブレット領域ＮＬＭＳ予測を使用することは、その時間領域を用いた予測に比較して利点を有するということが当業者には理解できる。例えば、ＮＬＭＳ予測は、ウェーブレット変換と結合した場合、異なる時間のスケールにおける相関構造の利用を可能にし、これは、時間領域では容易に検査することができない。また、ウェーブレット変換を使用することにより、ＮＬＭＳ予測が、時間領域の変換より高速に収束するのが容易になる。その結果、ウェーブレット領域ＮＬＭＳ予測アルゴリズムは、計算の複雑性が低く、より適切な精度を達成することができる。

図６は、本発明の実施の形態によるクロスレイヤＱｏＳ管理方法６００を示すフローチャートである。方法６００は、ステップ６０５において、ビデオアプリケーション２０５がＭＡＣ層２１５のデフォルトのＥＤＣＡパラメータを用いたビデオ送信によって開始する。デフォルトのＥＤＣＡパラメータは、従来のＥＤＣＡシステムで使用されるＥＤＣＡパラメータであってもよい。ステップ６１０においてビデオ予測部２２５は、フレーム送信に対し、単位時間毎のフレームサイズ（例えば、フレームサイズ４２５）及びフレームパターン（例えば、パターン３００）を監視する。ビデオ予測部２２５は、ステップ６１５において、単位時間毎のフレームサイズ及びフレームパターンを使用して単位時間毎のデータレートを計算する。ビデオ予測部２２５は、単位時間毎の計算されたデータレートが分かると、ステップ６２０において、単位時間毎の将来のデータレートを予測し、ステップ６２５において、単位時間毎の将来のデータレートが現データレートから少なくとも所定閾値分のデータレートの変化（増大するか低減するかに関わらず）を表すか否かを判断する。変化を表さない場合、方法６００はステップ６１０に戻る。一方、変化を表す場合、ビデオ予測部２２５は、ステップ６３０において、ＥＤＣＡパラメータ調整部２３０に対し、適宜にＥＤＣＡパラメータを変更するように命令する。ステップ６２５においてビデオ送信が終了している場合、方法６００は終了する。一方、ビデオ送信が終了していない場合、方法６００はステップ６１０に戻って監視を続ける。フレームパターンが完全に一定である場合、それ以上の監視は不要である可能性があるため（単位時間毎のパターン及びフレームサイズがすでに確定されているため）、方法６００はステップ６２５又はステップ６３５の後にステップ６２０に戻ることができる。

図７は、コンピュータシステム７００の詳細を示すブロック図の例であり、各無線局２００はその一例であってもよい。コンピュータシステム７００は、通信チャネル７２０に接続されるＩｎｔｅｌ Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）マイクロプロセッサ又はＭｏｔｏｒｏｌａ Ｐｏｗｅｒ ＰＣ（登録商標）マイクロプロセッサ等のプロセッサ７０５を含む。コンピュータシステム７００は、各々通信チャネル７２０に接続される、キーボード又はマウス等の入力デバイス７１０、ブラウン管ディスプレイ等の出力デバイス７１５、通信デバイス７２５、磁気ディスク等のデータ記憶装置７３０、及びランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）等のメモリ７３５をさらに含む。通信インタフェース７２５を、一般にインターネットと呼ぶ広域ネットワーク等のネットワークに接続してもよい。データ記憶装置７３０及びメモリ７３５は異なるユニットとして示されているが、それらは同じユニットの一部、分散ユニット、仮想メモリ等であってもよい、ということを当業者には理解できる。

データ記憶装置７３０及び／又はメモリ７３５は、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ（登録商標）又はＷｉｎｄｏｗｓ／９５オペレーティングシステム（ＯＳ）、ＩＢＭ（登録商標） ＯＳ／２オペレーティングシステム、ＭＡＣ ＯＳ若しくはＵＮＩＸオペレーティングシステム（登録商標）等のオペレーティングシステム７４０及び／又は他のプログラム７４５を格納することができる。好ましい実施の形態を、上述したもの以外のプラットフォーム及びオペレーティングシステムに実装してもよい。実施の形態を、ＪＡＶＡ（登録商標）言語、Ｃ言語及び／若しくはＣ＋＋言語、又は他のプログラミング言語を使用して、場合によってはオブジェクト指向プログラミング方法を使用して記述してもよい。

コンピュータシステム７００が、ネットワーク接続、追加のメモリ、追加のプロセッサ、ＬＡＮ、ハードウェアチャネルにわたって情報を転送する入出力ライン、インターネット又はイントラネット等、追加の情報を含んでもよい、ということを当業者には理解できる。また、プログラム及びデータを、システムが別の方法で受け取り且つ格納してもよい、ということを当業者には理解できる。例えば、磁気ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ＲＡＭ等のコンピュータ読取可能記憶媒体（ＣＲＳＭ）７５５を読み取るために、通信バス７２０に、磁気ディスクドライブ、ハードディスクドライブ、光磁気リーダ、ＣＰＵ等のコンピュータ読取可能記憶媒体（ＣＲＳＭ）リーダ７５０を接続してもよい。したがって、コンピュータシステム７００は、ＣＲＳＭリーダ７５０を介してプログラム及び／又はデータを受け取ってもよい。さらに、本明細書における「メモリ」という用語は、永久的であるか一時的であるかに関わらずすべてのデータ記憶媒体を包含することが意図されている。

本発明の好ましい実施の形態について前述した説明は、一例に過ぎず、上述した教示に鑑みて、上述した実施形態及び方法の他の変形及び変更が可能である。ネットワークサイトを分離した別個のサイトとして説明しているが、これらのサイトが統合サイトの一部であってもよく、各々複数のサイトの部分を含んでもよく、又は単一のサイト及び複数のサイトの組合せを含んでもよい、ということを当業者には理解できる。本明細書で示したさまざまな実施の形態を、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの任意の所望の組合せを利用して実装してもよい。さらに言えば、本明細書で示したさまざまな機能を実装することができる任意のタイプのロジックを利用してもよい。構成要素を、プログラムされた汎用デジタルコンピュータを使用して、特定用途向け集積回路を使用して、又は相互接続された従来の構成要素及び回路のネットワークを使用して実装してもよい。接続は、有線、無線、モデム等であってもよい。本明細書で説明した実施の形態は、網羅的であるようにも限定するようにも意図されていない。

ＡＩＦＳ間隔及びＣＷの従来技術によるタイミング図である。 本発明の一実施形態によるクロスレイヤビデオトラフィックパターン予測メカニズムを実装する局の例を示すブロック図である。 Ｉフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームのシーケンス例を示す図である。 図３のＩフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームのシーケンスに対するフレームサイズ例を示すグラフである。 本発明の一実施形態によるウェーブレット領域ＮＬＭＳ予測子のアーキテクチャ例を示す図である。 本発明の一実施形態によるクロスレイヤＱｏＳ管理方法を示すフローチャートである。 コンピュータシステムのブロック図である。

Claims (19)

1. 複数層にわたってＱｏＳを管理するクロスレイヤＱｏＳ管理方法であって、
   ＭＡＣ層より上位層におけるビデオフレームのシーケンスを監視し、
   単位時間毎のビデオフレームのサイズ及びビデオフレームのパターンを決定し、
   前記決定された単位時間毎のビデオフレームのサイズ及びビデオフレームのパターンに基づいて、将来の時刻における将来のデータレートを予測し、
   前記将来の時刻に対して予測された将来のデータレートに基づいて、無線メディアへのアクセスを可能にする時間値に関連する、前記ＭＡＣ層におけるパラメータを調整することを特徴とするクロスレイヤＱｏＳ管理方法。
2. 前記ビデオフレームはＭＰＥＧビデオフレームであることを特徴とする請求項１に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理方法。
3. 前記ビデオフレームのパターンは、Ｉフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームのパターンを含むことを特徴とする請求項１に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理方法。
4. 前記ビデオフレームのサイズの決定は、前記Ｉフレーム、前記Ｐフレーム及び前記Ｂフレームの平均ビデオフレームのサイズの決定含むことを特徴とする請求項３に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理方法。
5. 前記将来のデータレートの予測には、ウェーブレット領域予測アルゴリズムが適用されることを特徴とする請求項１に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理方法。
6. 前記将来のデータレートの予測には、時間領域予測アルゴリズムが適用されることを特徴とする請求項１に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理方法。
7. 前記ＭＡＣ層における前記パラメータは、ＡＩＦＳ、ＣＷ、ＣＷｍｉｎ、ＣＷｍａｘ及び再送回数の上限値のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理方法。
8. 予測された将来のデータレートの現データレートからの変化が閾値を上回るときに前記パラメータを調整することを特徴とする請求項１に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理方法。
9. 前記単位時間は前記フレームレートに基づいて定められることを特徴とする請求項１に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理方法。
10. 複数層にわたってＱｏＳを管理するクロスレイヤＱｏＳ管理システムであって、
    ＭＡＣ層より上位層におけるビデオフレームのシーケンスを監視し、単位時間毎のビデオフレームのサイズ及びビデオフレームのパターンを決定し、前記決定された単位時間毎のビデオフレームのサイズ及びビデオフレームのパターンに基づいて、将来の時刻における将来のデータレートを予測するビデオ予測部と、
    前記ビデオ予測部と通信して、前記将来の時刻における予測された将来のデータレートに基づいて、該パラメータは無線メディアへのアクセスを可能にする時間値に関連する、前記ＭＡＣ層におけるパラメータを調整するパラメータ調整部と、を備えることを特徴とするクロスレイヤＱｏＳ管理システム。
11. 前記ビデオフレームはＭＰＥＧビデオフレームであることを特徴とする請求項１０に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理システム。
12. 前記ビデオフレームのパターンは、Ｉフレーム、Ｐフレーム及びＢフレームのパターンを含むことを特徴とする請求項１０に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理システム。
13. 前記ビデオ予測部は、前記Ｉフレーム、前記Ｐフレーム及び前記Ｂフレームの平均ビデオフレームのサイズを決定することによって、前記ビデオフレームのサイズを決定することを特徴とする請求項１２に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理システム。
14. 前記ビデオ予測部は、ウェーブレット領域予測アルゴリズムによって将来のデータレートを予測することを特徴とする請求項１０に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理システム。
15. 前記ビデオ予測部は、時間領域予測アルゴリズムによって将来のデータレートを予測することを特徴とする請求項１０に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理システム。
16. 前記ＭＡＣ層における前記パラメータは、ＡＩＦＳ、ＣＷ、ＣＷｍｉｎ、ＣＷｍａｘ及び再送回数の上限値のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１０に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理システム。
17. 前記パラメータ調整部は、予測された将来のデータレートの現データレートからの変化が閾値を上回るときに前記パラメータを調整することを特徴とする請求項１０に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理システム。
18. 前記単位時間は前記フレームレートに基づいて定められることを特徴とする請求項１０に記載のクロスレイヤＱｏＳ管理システム。
19. クロスレイヤＱｏＳ管理システムであって、
    ＭＡＣ層より上位層でビデオフレームのシーケンスを監視し、単位時間毎のビデオフレームのサイズ及びビデオフレームのパターンを決定し、単位時間毎の該ビデオフレームサイズ及び該ビデオフレームのパターンに基づいて将来の時刻における将来のデータレートを予測する手段と、
    該将来の時刻における該予測された将来のデータレートに基づいて前記ＭＡＣ層におけるパラメータを調整する手段であって、無線メディアへのアクセスを可能にする時間値に関連するパラメータを調整する手段と、を備えるクロスレイヤＱｏＳ管理システム。

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