JP2010268477A

JP2010268477A - 変動する遅延と帯域幅での無線リンクを介したビデオ・パケットの送信

Info

Publication number: JP2010268477A
Application number: JP2010138063A
Authority: JP
Inventors: Charles Chuanming Wang; チユアンミングワング，チヤールズ; Shaily Verma; バーマ，シヤイリー
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 2003-02-10
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2010-11-25
Also published as: KR20050094050A; AU2003299794A1; CN1759541A; MXPA05008496A; US20040156354A1; BR0318095A; KR101012683B1; EP1593205A1; WO2004073201A1; JP2006514469A; US7161957B2

Abstract

【課題】可変長または可変ビット・レートのビデオ・パケットを無線通信リンクを介して最適に送信する。
【解決手段】無線ネットワーク内の装置が、圧縮されていないビデオ情報を圧縮された可変長のビデオ・フレームを有するパケットに符号化するエンコーダと、意図される受信の質に基づいて各パケットについて無線チャンネル上で部分帯域幅とキューイング遅延を選択する判定プロセッサと、を具える。キューイング遅延と部分帯域幅は、無線送信のサービス品質（ＱｏＳ）クラスを表す複数の別個のキューイング遅延と部分帯域幅のうちの１つであり、最大帯域幅、保証されるビット・レート、配信順序、最大ＳＤＵサイズ、ＳＤＵフォーマット情報、ＳＤＵ誤り率、残留ビット誤り率、誤りＳＤＵの配信、転送遅延、トラフィック処理の優先度、および割当て／保持の優先度のうち、少なくとも１つを基準として判断する。
【選択図】図３

Description

本発明は、無線（ワイヤレス）通信に関し、特に、画質の要求に基づいて変動する帯域幅で無線リンクを介してビデオ・パケットを最適に送信する装置と方法に関する。

図１の汎用携帯（モバイル）通信ネットワーク１０は、携帯（モバイル）装置１１とセルラ無線塔１２（ノードＢ）との間の無線リンクを含んでいる。ホーム・ロケーション・レジスタ（ＨＬＲ：ＨｏｍｅＬｏｃａｔｉｏｎＲｅｇｉｓｔｅｒ）１８は、公衆交換電話ネットワーク（ＰＳＴＮ）１９に連結される携帯交換局（ＭＳＣ）１７によってアクセスできる。地上通信ネットワークは、サービング汎用パケット無線サービス（ＧＰＲＳ）サポート・ノード（ＳＧＳＮ：ＳｅｒｖｉｎｇＧｅｎｅｒａｌＰａｃｋｅｔＲａｄｉｏＳｅｒｖｉｃｅＳｕｐｐｏｒｔＮｏｄｅ）１４に連結される無線ネットワーク・コントローラ（ＲＮＣ）１３を含んでいる。ノードＳＧＳＮ１４は、携帯交換局（ＭＳＣ）１７およびゲートウェイ汎用パケット無線サービス・サポート・ノード（ＧＧＳＮ：ＧａｔｅｗａｙＧｅｎｅｒａｌＰａｃｋｅｔＲａｄｉｏＳｅｒｖｉｃｅＳｕｐｐｏｒｔＮｏｄｅ）１５に連結される。ＰＤＮ（インターネット／パケット・データ・ネットワーク）１６は、ゲートウェイ・ノード（ＧＧＳＮ）１５に連結される。

図２（２０）に、固定サイズ（バイト数）を有する、圧縮されていないビデオ・フレーム２２（ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５）を示す。ビデオ・エンデコーダ２１によるビデオ圧縮後に、各ビデオ・フレームのコード化（符号化）に必要とされるバイト数は、ビデオ・フレーム全体で一定の画質を達成するため可変であり、その結果、圧縮された可変長ビデオを有するパケット（ｐ^１、ｐ^２、ｐ^３、ｐ^４、ｐ^５）から成る可変ビット・レート（ＶＢＲ：ＶａｒｉａｂｌｅＢｉｔＲａｔｅ）のストリーム２３を生じる。

圧縮された可変ビット・レート（ＶＢＲ）ビデオ・ストリームを、無線ネットワークまたはリンクで配信するには、ネットワーク・リソース（資源）の割当てを必要とする。可変フレーム・サイズを有する可変ビット・レート（ＶＢＲ）ビット・ストリームを移動体（モバイル）無線ネットワークで配信するには、ネットワークの効率を最大限にし、配信ジッタ（ｊｉｔｔｅｒ：フレーム到着の変動）を最小限にし、且つ無線ネットワーク全体にわたりトラフィックの流れを円滑にするために、各フレームについて適正なネットワーク・リソースの割当てを必要とする。

現在のビデオ配信では、適応処理なしに、ビデオ・ストリームを１つのサービス品質（ＱｏＳ）キューの中にマップする。可変ビット・レート（ＶＢＲ）のビデオ・ストリームについて、可変サイズを有する全てのフレームに対して固定されたサービス品質（ＱｏＳ）キューを使用するのは、最適の解決法ではない。

従って、無線リンクを介して可変長のビデオ・パケットを最適に送信する必要性がある。

本発明では、可変長または可変ビット・レートのビデオ・パケットを無線通信リンクを介して最適に送信する。

コンピュータで読み取り可能な媒体（メディア）であって、通信ネットワーク内のプロセッサで実行される命令を含み、圧縮された可変長のビデオ情報のパケットを受信するステップと、パケットを無線チャンネルで送信するために各パケットにつき無線チャンネル上で利用できる全帯域幅から部分帯域幅とキューイング遅延（ｑｕｅｕｉｎｇｄｅｌａｙ）を判定するステップと、を実行する。各パケットについての遅延と部分帯域幅は、無線チャンネル上の受信位置での受信の質に関する基準に基づく。部分帯域幅は、無線送信のＱｏＳ（サービス品質）のクラス（ｃｌａｓｓ：等級）を表す複数の別個のキューイング遅延と部分帯域幅のうちの１つである。前記複数のキューイング遅延と部分帯域幅は４つのＱｏＳクラス（会話（ｃｏｎｖｅｒｓａｔｉｏｎａｌ）、ストリーミング（ｓｔｒｅａｍｉｎｇ）、双方向（ｉｎｔｒｅａｃｔｉｖｅ：インタラクティブ）、背景（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ：バックグラウンド））を表す。基準（ｃｒｉｔｅｒｉａ：クライテリア、判断基準）には、最大帯域幅（ｋｂｐｓ）、保証されるビット・レート（ｋｂｐｓ）、配信順序（ｏｒｄｅｒ：オーダ）、最大ＳＤＵサイズ（ｏｃｔｅｔ）、ＳＤＵフォーマット情報（ビット）、ＳＤＵ誤り率、残留ビット誤り率、誤りＳＤＵの配信、転送遅延（ｍｓ）、トラフィック処理の優先度、および割当て／保持の優先度のうち、少なくとも１つを含むのが好ましい。

本発明の別の態様において、無線ネットワーク内の装置に、圧縮されていないビデオ情報を圧縮された可変長のフレームを有するパケットに符号化するビデオ・エンコーダ、および意図される受信の質（ｑｕａｌｉｔｙ）に基づいて各パケットにつき無線チャンネル上で部分帯域幅に関連する適正なサービス品質（ＱｏＳ）クラスを選択する判定プロセッサが具えられる。

ビデオ情報の無線送信に最適の帯域幅を割り当てる本発明の更なる態様において、本発明の方法は、ビデオ情報を可変長のビットを有するパケットに変換するステップと、前記パケットの各々につき無線チャンネル上で帯域幅を割り当てるステップと、から成り、前記帯域幅は無線チャンネル上でのパケット受信の質に関する基準に関連する。

本発明のこれらのおよびその他の目的、特徴および利点は、添付されている図面に関連して読まれる実施例についての以下の詳細な説明から明らかとなる。

ユニバーサル移動体通信システム（ＵＭＴＳ）のブロック図である。圧縮されていない、固定ビット・サイズのビデオ・フレームを符号化し、圧縮された可変長ビットのビデオ・フレームを有するパケットに変換する図である。本願発明に従い、複数のＱｏＳクラスにより無線チャンネルで最適に経路指定される可変ビット・レート（ＶＢＲ）のビデオ・パケットを示す。ビデオ配信においてフレームからフレームにいたる最適で最少の遅延変動を得るための数学的原理を説明する。

本発明では、ネットワークの効率を最大限にし、配信ジッタ（フレーム到着の変動）を最小限として、無線ネットワークでトラフィックの流れを円滑にするために、３ＧＰＰのユニバーサル（汎用）移動体通信システム（ＵＭＴＳ）の仕様書で指定されるサービス品質（ＱｏＳ：ＱｕａｌｉｔｙｏｆＳｅｒｖｉｃｅ）の４つのクラスに、可変ビット・レート（ＶＢＲ）ビデオ・ストリームをマッピングする。マッピングは、フレームの一定の遅延目標を達成する目的関数を最適化することにより決定される。無線ネットワーク内で、フレーム・サイズの大きいフレームを、比較的高いサービス品質（ＱｏＳ）クラスにマップし、フレーム・サイズの比較的小さいフレームを比較的低いサービス品質（ＱｏＳ）クラスにマップすることにより、簡素な、ステートレスな（ｓｔａｔｅ‐ｌｅｓｓ）、キューイング・スケジュールが得られ、ＱｏＳクラス間の負荷バランスが保たれ、高い呼受付（ｃａｌｌａｄｍｉｓｓｉｏｎ：コール・アドミッション）レートおよび低い画質歪みが達成される。加えて、比較的低いクラスのＱｏＳで搬送されるトラフィックは、比較的高いクラスのＱｏＳで搬送されるトラフィックよりも費用が少ない。本発明により、利用者はバランスのとれた「費用対質」のスキームが得られ、無線ネットワーク上でのビデオ配信についてユーザの要求と期待が調整される。

典型的に、ビデオ・フレームは、フレーム・サイズに関して順序（Ｉ、Ｐ、Ｂ）を有する。通常、Ｉフレームのサイズは、ＰフレームおよびＢフレームのサイズよりずっと大きい。従って、本発明では自発的に、Ｉフレームを比較的高いクラスのＱｏＳにマップし、ＰおよびＢフレームを比較的低いクラスのＱｏＳにマップする。スケーラブル・ビデオ圧縮の観点から、Ｉフレームは最高の優先順位を有するベース（基本）サブレイヤ（ｂａｓｅｓｕｂｌａｙｅｒ）と考えられ、ＰおよびＢフレームは優先順位の比較的低いエンハンスメント（拡張）サブレイヤと考えられ、従って本発明は、スケーラブル（ｓｃａｌａｂｌｅ）ビデオを、異なるクラスのＱｏＳにマッピングするアイデアを自動的に実施する。

複数のサービス品質（ＱｏＳ）クラス（Ｑ０、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３）を有する本願発明に関する無線通信システムを図３に示す。可変フレーム長で構成されるビデオ・パケットは、無線チャンネル３１内で利用できる帯域幅で選択的に送信される。各サービス品質（ＱｏＳ）クラスは、キュー（Ｑ０〜Ｑ３）を無線チャンネル３１の受信端３２で要求される異なるＱｏＳパラメータと関連づける。ＱｏＳパラメータ（帯域幅、遅延時間、ジッタなど）は、異なる送信帯域幅を無線送信リンク３１に要求する。図３（３０）のように、無線チャンネル３１において、ＱｏＳクラスＱ０は、ＱｏＳクラスＱ３より比較的高い費用で、より大きな伝送帯域幅を提供する。従って、ＱｏＳクラスＱ０により送信され受信端３２で配信されるビデオは、ＱｏＳクラスＱ３で送信され配信されるビデオより費用が高い。可変ビット・レート・パケットは、利用できる帯域幅およびビデオの画質要素（遅延時間およびジッタ）を考慮し最適の決定に基づいて異なるＱｏＳクラスまたはキュー（Ｑ０〜Ｑ３）の中に経路指定される。

第３世代（３Ｇ）携帯（モバイル）ネットワークで、４つのＱｏＳクラス（会話、ストリーミング、双方向、背景）が、指定される。サイズの異なるビデオ・フレームを複数の携帯（モバイル）ネットワークのＱｏＳクラスの中にマッピングすることにより、それらの目標を達成することができる。

ビデオ・フレームが、全て等しく生成されるわけではない。他のフレームよりもダイナミックなフレームも幾つかある。例えば、動きの多いスポーツ・イベント、および録画の半ばで場面変更のあるビデオは、符号化にずっと多くのビット数を必要とし、配信に一層多くの帯域幅を要する。総合的な画質を最大限にするために、ビデオは、可変サイズ（バイト数）を有する一連のフレームの中にディジタル的に圧縮される。固定したＱｏＳ（スループット、遅延時間、ジッタの要件）を有するネットワークを使用することは経済的でない。第３世代（３Ｇ）ユニバーサル（汎用）移動通信システム（ＵＭＴＳ）無線ネットワークにおいて、３ＧＰＰ標準本体は、４つの異なるＱｏＳクラス、即ち、「会話」（ＱｏＳクラス０）、「ストリーミング」（ＱｏＳクラス１）、「双方向（インタラクティブ）」（ＱｏＳクラス２）、および「背景（バックグラウンド）」（ＱｏＳクラス３）を指定している。各クラスは、それ自身の範囲のＱｏＳパラメータを有する。３ＧＰＰは、これら４つのＱｏＳクラスにつき以下のパラメータを指定する。即ち、最大帯域幅（ｋｂｐｓ）、保証されるビット・レート（ｋｂｐｓ）、配信順序、最大ＳＤＵサイズ（ｏｃｔｅｔ：バイト（８ビット））、ＳＤＵフォーマット情報（ビット）、ＳＤＵ誤り率、残留ビット誤り率、誤りＳＤＵの配信、転送遅延（ｍｓ）、トラフィック処理の優先度、割当て／保持の優先度である。
ビデオ・ストリームが一連のフレームから成ると仮定し、

各フレームは、ビット数を単位とするサイズを有する：

ユニバーサル移動体通信システム（ＵＭＴＳ）のネットワーク１０において、各ユーザ用に４つのＱｏＳクラスをサポートするために、４つのデータ・キュー（ｄａｔａｑｕｅｕｅ）が割り当てられる。時刻ｔで、各キューに利用できる推定帯域幅を仮定する：

各キューについての平均キューイング遅延時間も知られている：

同時刻ｔで、フレーム・サイズｂ_ｉ（ｉ＝０，１，２，．．．，ｎを）有するフレームｆ_ｉ（ｉ＝０，１，２，．．．，ｎ）は、送信バッファの開始に移動する。このフレームを、４つのＱｏＳキューのうち１つを通り一跳びに送信機から受信機に送信するのに要する時間は：

第１項は、キューイング遅延であり、第２項は、ネットワークの送信遅延である。ビデオ・ストリームの端から端までの遅延要件（ΔＴ）は、基礎となるネットワークが保証しなければならない画質のうちの１つである。フレームからフレームへの遅延の変動は、ジッタとして知られている。ジッタなし（ジッタ＝０）で配信されるビデオ・ストリームは、一定の遅延要件、即ち、
ΔＴ＝ｃｏｎｓｔ（一定）を満たさなければならない。

しかしながら、ビデオ配信ネットワークにおいてジッタは避けられない。従って、ジッタを最小限に抑えて、遅延時間をできるだけ一定に保つため、以下のような目的関数（ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎ）を規定し、それを最適化する。

ここで、αとβは定数で、ジッタ（変動）の範囲を定める。この制限（ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ）は、ΔＴを基準とし搬送時間はα（ｓｅｃ）より早くならず、β（ｓｅｃ）より遅くならないことを示す。全てのフレームをΔＴ（ｓｅｃ）以内で配信しなければならないとすれば、βをゼロにしなければならない。これは、比較的早く到着するフレーム４１と遅く到着するフレーム４２とで変動するジッタの範囲を示す、図４のグラフ４０に例示される。

換言すれば、我々は、利用し得る最低の帯域幅のＱｏＳを有し、且つ遅延要件を満たすものを見出すために、４つのＱｏＳクラスを全て探索する。

ここに、上に提案されたアルゴリズムを例示する。端から端までの遅延制約ΔＴが、１０ｍｓになるようｉ番目のフレームが送信されると仮定する。そのフレームを４つのＱｏＳキュー（ｑｕｅｕｅ）を通り、一跳びに送信機から受信機に送信するのに要する時間を

と規定し、且つ式（２）を使用する
ＱｏＳ０について、｜Ω｜は｜５−１０｜＝５
ＱｏＳ１について、｜Ω｜は｜８−１０｜＝２
ＱｏＳ２について、｜Ω｜は｜１１−１０｜＝１
ＱｏＳ３について、｜Ω｜は｜１５−１０｜＝５

制約α≦Ω≦β（ここで、α＝−１ｍｓ、β＝２ｍｓ）を与える式３を使用すると、ＱｏＳ０とＱｏＳ１で比較的高い帯域幅が得られるが、最良の費用効果の目標を達成するため、上述したアルゴリズムによりフレームを送信するために、ＱｏＳ２を選択すべきであることが理解できる。

可変ビット・レート（ＶＢＲ）のビデオ・ストリームを４つのＱｏＳクラスにマッピングする本発明は、従来の方法に優る３つの大きな利点が得られる。即ち、ＵＭＴＳシステムにおいてＱｏＳリソースの利用を、最適化された能率的方法で最適化する。許される比較的低い帯域幅のＱｏＳクラスを使用すると、運営者（オペレータ）と利用者（ユーザ）の双方にとって経済的に有利である。

目的関数が、ジッタの変動に対し最適化（最小化）される。ほぼ一定の遅延要件を達成することができる。ほぼ一定の遅延要件を達成することにより、ネットワークの観点から、トラフィック成形関数（ｓｈａｐｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎ）に相当する。これは、ネットワークでビデオ・ストリームを配信するバースト（ｂｕｒｓｔ）特性を減じる。

可変長パケットの発明的な最適の送信を無線リンクで行う典型的な携帯通信システムについて説明したが、これは例示するもので、限定を意図するものではない。上述した開示、例えば、サービス品質（ＱｏＳ）を具えるハイパーＬＡＮ（Ｈｉｐｅｒｌａｎ）ＩＩ無線ＬＡＮ（ＷＬＡＮ）に鑑みて、当業者による修正および変更が可能であり、特許請求の範囲で述べる本願発明の技術思想と範囲内で、開示された本発明の実施例に変更をなし得ることが理解される。

Claims

通信ネットワーク内のプロセッサで実行される命令を含む、コンピュータで読み取り可能な媒体であって、
可変長の圧縮されたビデオ情報のパケットを受信するステップと、
前記パケットを無線チャンネルで送信するために、前記パケットの各々について前記無線チャンネル上で利用できる全帯域幅から部分帯域幅とキューイング遅延を判定するステップと、
前記パケットの各々について前記キューイング遅延と部分帯域幅は、前記無線チャンネル上での受信位置における受信の質に関する基準に基づき、フレームの一定の遅延目標を達成する目的関数を最適化することにより配信ジッタを最小化し、前記目的関数が前記キューイング遅延と前記部分帯域幅を特定するステップと、
を含む、前記コンピュータで読み取り可能な媒体。
前記複数の別個のキューイング遅延と部分帯域幅が、４つのＱｏＳクラスを表す、請求項１記載のコンピュータで読み取り可能な媒体。
前記キューイング遅延と部分帯域幅が、複数の別個のキューイング遅延と部分帯域幅のうちの１つであって、前記別個のキューイング遅延と部分帯域幅の各々が、別個の前記受信の質に関連する、請求項１記載のコンピュータで読み取り可能な媒体。
前記複数の別個のキューイング遅延と部分帯域幅が、４つの別個のキューイング遅延および部分帯域幅であり、各々が前記受信の質に関する前記基準に関連する、請求項３記載のコンピュータで読み取り可能な媒体。
前記４つのキューイング遅延と部分帯域幅の各々が、受信の質に関する前記基準に関連する４つのＱｏＳクラスのうちの１つに関連する、請求項４記載のコンピュータで読み取り可能な媒体。
前記４つのＱｏＳクラスが、第３世代のＱｏＳクラスから成る、請求項５記載のコンピュータで読み取り可能な媒体。
前記基準が、最大帯域幅、保証されるビット・レート、配信順序、最大ＳＤＵのサイズ、ＳＤＵのフォーマット情報、ＳＤＵ誤り率、残留ビット誤り率、誤りＳＤＵの配信、転送遅延、トラフィック処理優先度、および割当て／保持優先度のうち少なくとも１つを含む、請求項１記載のコンピュータで読み取り可能な媒体。
圧縮されていないビデオ情報を、可変長の圧縮されたフレームを有するパケットに符号化するビデオ・エンコーダと、
意図される受信の質に基づいて前記パケットの各々について無線チャンネル上で部分帯域幅に関連するサービス品質（ＱｏＳ）クラスを選択する判定プロセッサと、
から成り、
前記判定プロセッサは、配信ジッタを最小化するフレームの一定の遅延目標を達成するために最適化される目的関数に基づいて前記パケットの各々について前記ＱｏＳクラスを選択し、前記目的関数は、前記意図される受信の質に基づく前記パケットの各々について前記部分帯域幅とキューイング遅延を特定する、無線ネットワーク内の装置。
前記複数の部分帯域幅が、４つのＱｏＳクラスを表す、請求項８記載の無線ネットワーク内の装置。
前記部分帯域幅が、前記全帯域幅から選択できる複数の別個の部分帯域幅のうちの１つであり、前記別個の部分帯域幅の各々が、前記意図される受信の質に関連する、請求項８記載の無線ネットワーク内の装置。
前記複数の別個の部分帯域幅が、４つの別個の帯域幅である、請求項１０記載の無線ネットワーク内の装置。
前記４つの別個の帯域幅の各々が、前記意図される受信の質に関連する４つのＱｏＳクラスのうち１つに関連する、請求項１１記載の無線ネットワーク内の装置。
前記４つのＱｏＳクラスが、第三世代のＱｏＳクラスから成る、請求項１２記載の無線ネットワーク内の装置。
前記受信の質が、最大帯域幅、保証されるビット・レート、配信順序、最大ＳＤＵサイズ、ＳＤＵフォーマット情報、ＳＤＵ誤り率、残留ビット誤り率、誤りＳＤＵの配信、転送遅延、トラフィック処理の優先度、割当て／保持の優先度のうち、少なくとも１つを含む、請求項８記載の無線ネットワーク内の装置。
前記判定プロセッサが、前記意図される受信の質に基づいて前記パケットの各々についてキューイング遅延を選択する、請求項８記載の無線ネットワーク内の装置。
ビデオ情報の無線送信に最適の帯域幅を割り当てる方法であって、
ビデオ情報を可変長のビットを有するパケットに変換するステップと、
目的関数を最適化することにより配信ジッタを最小化しフレームの一定の遅延目標を達成するために前記パケットの各々について無線チャンネル上で帯域幅を割り当てるステップであって、前記帯域幅が、前記無線チャンネルを介して前記パケットの受信の質に関する基準に関連し、前記目的関数が、前記パケットの各々について与えられたフレームとキューイング遅延についてのフレーム・サイズを特定する、前記ステップと、
を含む、前記ビデオ情報の無線送信に最適の帯域幅を割り当てる方法。
前記パケットの各々につきキューイング遅延時間を判定するステップを含み、前記遅延時間が前記パケットの受信の質に関する前記基準に関連する、請求項１６記載のビデオ情報の無線送信に最適の帯域幅を割り当てる方法。
前記帯域幅が、前記無線チャンネル上で選択可能な４つの帯域幅のうちの１つであり、前記選択可能な４つの帯域幅の各々が、それぞれの前記受信の質に関連する、請求項１６記載のビデオ情報の無線送信に最適の帯域幅を割り当てる方法。