JP2011205705A

JP2011205705A - データ転送方法及び、これを適用する通信システム及びプログラム

Info

Publication number: JP2011205705A
Application number: JP2011153238A
Authority: JP
Inventors: Hirosuke Kameyama; 裕亮亀山; Yuichi Sato; 裕一佐藤; Takehiko Fujiyama; 武彦藤山; Yuichi Terui; 雄一照井; Kaname Yoshida; 吉田　　要
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2011-10-13

Abstract

【課題】ＲＰＳを回線状況に動的に対応させ、復号成功率を高める。
【解決手段】送信側装置と受信側装置間で伝送経路を通してデータ転送する通信システムであって、前記送信側装置は、元データから冗長符号化したデータを生成する符号化装置と、前記符号化部で符号化された符号化データを伝送経路に送出する送信装置と、前記符号化部における符号化率を設定制御する符号化率決定装置を有し、前記受信側装置は、前記伝送経路を経由して送られた符号化データを受信する受信装置と、前記受信した符号化データから元データを復号する復号装置と、前記送出された符号化データの前記経路上での消失率を測定する消失率想定装置を有し、前記送信側装置の符号化率決定装置は、前記求められた消失率に基づき、前記符号化装置における符号化率を変更制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にネットワークを通して相互に接続されたデータ処理装置間のデータ転送方法及び、これを適用する通信システム及びプログラムに関する。

インターネットやイントラネットなどのネットワークにおいて、中継／処理装置の処理速度以上にデータが送られてしまうと、処理仕切れないデータは消失してしまう。このような状態を輻輳状態と呼ぶ。輻輳が生じている時に更に、データを送ってしまうと、輻輳がより悪化してしまうことになる。

データ通信で一般に使用されるプロトコルであるＴＣＰ（Transmission Control Protocol）ではウインドウサイズにより、送信側が一度に送り出すことのできるデータの量が定められている。

そして、送信側は受信側からデータ受け取りの確認をもらう迄は、次のデータを送信しない。このために通信の性能が低下する。

ＴＣＰでは輻輳の対策として、通信の開始時にはウインドウサイズを小さく設定し、一度に送るデータ量を小さくしている。受信側から応答が来たら少しずつウインドウサイズを大きくして、送信データ量を増やす方法がとられる。この方法をスロースタートと呼ぶ。

ネットワーク間の距離であるＲＴＴ（Round Trip Time）が小さければ、ウインドウサイズが小さくなってもすぐに復活するが、ＲＴＴが大きい場合には、ウインドウサイズがなかなか戻らないために、転送速度が遅いままになってしまうという問題がある。

かかる技術の問題に対して、符号化の観点から効率化を行う種々の提案がこれまで示されている。

第１の従来技術として、特許文献１に記載の発明がある。この発明は、伝送路の状態が頻繁に変化する場合にも、効率を劣化させることなく、適切な符号化方式又は符号化率を選択、変更するものである。

第２の従来技術として、特許文献２に記載の発明がある。この発明は、無線回線の回線状態の変動に応じて誤り制御方式を切替え、伝送効率の低下を防止し、通信時間の増大を防ぐ方法である。但し、この方法では、２種類以上の符号化方式でデータを送信し、復号結果のそれぞれに対し誤りの検出を行い、誤りが検出されなかった復号結果を正しい情報として受理するため、送信量が多いという問題がある。

さらに、上記ＴＣＰ通信におけるＲＴＴに基づく問題を解決するために、本発明者等は、先の特許出願2004−539446号において、また、非特許文献２〜４において、受信側からの応答（ＡＣＫ）を用いないＵＤＰ（User Datagram Protocol）でパケットを送付し、パケットロスをＦＥＣ(Forward Error Correction)で修復することにより、高速にデータ転送を行うことを提案している。

かかる先の本発明者等による提案は、簡単な計算と少ないメモリ量で高速に符号化・復号化できるＦＥＣである。

先の提案におけるＦＥＣを図１により概略を説明する。送信側装置１から受信側装置２に通信経路３を通して送信すべきデータ１Ａを細かなブロックに分割する（ｓ１）。分割されたブロックに対し、適当な組み合わせを生成し（ｓ２）、これらの間で、Ｘｏｒ（排他的論理和）を演算する（ｓ３）。そして、演算されたデータを、組み合わせ情報と共に送信する（ｓ４）。

このとき、通信経路３で、データが消失する（ｓｘ）場合が考えられる。

データ受信側装置２で受信したデータを組み合わせ情報に対しガウスの消去法を適用する（ｓ５）ことで、元のデータに対応する復号データ１Bを得ることができる。

そして、ＦＥＣを用いる際に、送信データを数％余分に送ることで、通信経路３上でいずれのパケットが消失（ｓ４）したとしても、受信できたパケットから元のデータを復元修復できるという特徴を有し、かかる符号化システムをＲＰＳ (Random Parity System)と呼ぶ。

特開平７−１２３０４３号公報特開平８−２６５３０４号公報

「DirectShare によるコンピュータ作業環境の携帯とデータ共有」情報処理学会ユビキタスコンピューティングシステム研究会発表資料2003年１１月「Ｐ２Ｐ型情報共有システム−DirectShare−」第３２回MBL／第７回合同研究発表会発表資料2005年３月「DirectShare: Information Sharing system using P2P」HCI International 2005 22-27 July 2005, Las Vegas

ここで，ネットワークの回線状況は、時間やその他の要因により急激に悪化することがあり、一定ではない。また。ＴＣＰのスロースタートの様な輻輳制御では、回線を有効に利用できないという問題がある。

したがって、本発明の目的は、回線状況が悪くなってもデータ量は一定のまま。消失データを訂正し、元のデータを復元できるまで送信を続けることを可能とするデータ転送方法及び、これを適用する通信システム及びプログラムを提供することにある。

さらに本発明の目的は、上記ＲＰＳを回線状況に動的に対応させ、復号成功率を高めることを可能とするデータ転送方法及び、これを適用する通信システム及びプログラムを提供することにある。

上記課題を達成する本発明の第１の側面は、送信側装置と受信側装置間で伝送経路を通してデータ転送する通信システムであって、前記送信側装置は、元データから冗長符号化したデータを生成する符号化装置と、前記符号化部で符号化された符号化データを伝送経路に送出する送信装置と、前記符号化部における符号化率を設定制御する符号化率決定装置を有し、前記受信側装置は、前記伝送経路を経由して送られた符号化データを受信する受信装置と、前記受信した符号化データから元データを復号する復号装置と、前記送出された符号化データの前記経路上での消失率を測定する消失率想定装置を有し、前記送信側装置の符号化率決定装置は、前記求められた消失率に基づき、前記符号化装置における符号化率を変更制御することを特徴とする。

前記第１の側面において、前記送信側装置の符号化装置は、前記元データを所定の定数データと共にプール代数の連立方程式に代入して解を求め、前記定数データと解の組を符号化データとし、前記受信側装置の復号装置は、受信した符号化データから得られた前記定数データと解を前記連立一次方程式に代入して前記元データを復号することを特徴とする。

また、前記第１の側面において、前記送信側装置の符号化率決定装置は、前記符号化データの数、又は、前記元データから生成し、符号化に用いるビット列の長さを変更して、前記符号化装置による符号化データの符号化率を変更制御することを特徴とする。

さらにまた、前記送信側装置の符号化率決定装置は、前記消失率想定装置で測定される消失率が所定値以下であるときに、符号化率決定装置は、前記符号化データの数を増やす方向に変更制御することを特徴とする。

上記課題を達成する本発明の第２、第３の側面は、それぞれ送信側装置に、元データを所定の定数データと共にプール代数の連立方程式に代入して解を求めさせ、前記定数データと解の組を符号化データとして、受信側装置に向けパケット送信させるステップと、受信側装置に、受信した符号化データから得られた前記定数データと解を前記連立一次方程式に代入して前記元データを復号させるステップとを実行させるデータ転送方法及びプログラムであって、さらに、前記受信側装置に受信した符号化データの伝送経路上での消失率を求めさせるステップと、前記送信側装置に、前記求められた消失率に基づき、前記符号化データの符号化率を変更制御させるステップを実行することを特徴とする。

先の提案におけるＦＥＣの概略を説明する図である。本発明に従うデータ転送方法を適用する通信システムの概略構成である。先の提案における符号化原理を元データ１Ａとして２進データ０１０１を伝送する場合について説明する図である。符号化データ数と復号成功率の関係を示すグラフである。符号長と復号成功率の関係を示す図である。消失率を求める、本発明に従う実施例方法のフローである。

以下に図面に従い本発明の実施の形態例を説明する。なお、実施の形態例は本発明の理解のためのものであり、本発明の技術的範囲が、これに限定されるものではない。

図２は、本発明に従うデータ転送方法を適用する通信システムの概略構成である。

送信側装置１において、送信用データ１Ａを可変符号化装置１０において、符号化する。この時、後に説明する方法により符号化率決定装置１２により決定された符号化のパラメータを用いる。

可変符号化装置１０により符号化されたデータは、受信側装置２に送られる。受信側装置２では、受信装置２０で符号化データを受信し、復号装置２１に導き、送信側の送信データ１Ａに対応する受信データ１Ｂの復元を行う。

一方、受信装置２０で受信されたデータは、ロス率測定装置２２に送られる。ロス率測定装置２２により、送信経路３上で消失したデータの数を求め、その結果を送信装置２３により、送信側装置１に送る。

送信側では、受信装置１３で受信したロス率に基づいて符号化率決定装置１２で符号化パラメータ値を決定する。

ここで、本発明において、可変符号化装置１０の符号化率が可変な符号として先に概説した本発明者等による先の出願において提示したＲＰＳを用いるデータ通信方法を使用する。そして、かかるＲＰＳについては、先の出願に詳細に説明されているが、本発明の理解のために、かかる可変符号化装置１０において行われるＲＰＳを用いるデータ通信方法について、その原理について、以下に記述しておく。

ｍ＝４ビットのデータ転送を例にする。

この原理は、プール代数による連立方程式の解法に基づいている。今、転送する元データ１Ａをｍビットデータ（ｂ_０，ｂ_１，ｂ_２，ｂ_３）とすると，適当なｍビットでｎ系列のデータ列Ｋnmとして（ｋ_ｎ０，ｋ_ｎ１，ｋ_ｎ２，ｋ_ｎ３）を用いて次の連立方程式

の解Ｐｎ＝Ｐ_０，Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３・・・Ｐ_ｎ−１を求める。
ただし、ｎ＝０，１，２・・・となるｍ以上の整数である。

そしてデータ列Knmと連立方程式の解Pnの組をパケットとして連続送信する。すなわち、ｎ個のパケットKp=(K₀ｐ₀，K₁ｐ_１，K_２ｐ_２・・・,K_ｎｐ_３）を送信する。

一方、受信側装置２にあっては、受信されたパケットＫｐ＝（K_０ｐ_０，K_１ｐ_１，K_２ｐ_{２，・・・}K_ｎｐ_３）から得られたｍビットのデータ列Ｋ_ｎｍ=（ｋ_n0，ｋ_n１，ｋ_n２，ｋ_n３）及び、
解ｐ_ｎ＝（ｐ_０，ｐ_１，ｐ_２，ｐ_３）を（１）式の連立方程式に代入して解くことで、ｍビットの元データ（ｂ_０，ｂ_１，ｂ_２，ｂ_３）を復元する。

図３に示す例では、元データ１Ａとして２進データ０１０１を伝送する場合である。この時、データ列Ｋ_ｎとして、
K_０=１００１
K_１=００１１
K_２=１１００
K_３=１１００
K_４=１０１０
を定めている。

そして、元データ１Ａ及びデータ列Ｋ_ｎを（１）式の連立方程式に代入することにより、符号化処理１００実行する。この符号化処理１００は、各項の論理積の加算により解ｐ_ｎ＝（ｐ_０，ｐ_１，ｐ_２，ｐ_３，ｐ_４）を求める。

この連立方程式の解を求める符号化により伝送経路３に示すように、データ列Ｋ_ｐと符号化処理１００で求めた解Ｐ_ｎの組を、それぞれパケットK₀ｐ₀，K₁ｐ_１，K_２ｐ_２，K_３ｐ_３，K_４ｐ_４として５つのパケットを受信側装置２に向けて転送する。

図３に示す例において、伝送路３において、例えば、１番目と２番目のパケットに入れ替えが生じ、また４番目のパケットが消失Ｘｐとなった場合を想定する。

受信側装置２にあっては、受信パケットK₀ｐ₀，K₁ｐ_１，K_２ｐ_２，K_３ｐ_３，K_４ｐ_４のデータ列Kｎの内のビット１に対応するデータビットを有効とし、ビット０に対応するデータビットを消去するガウスの消去法を用いて連立方程式を生成して解く復号化２００を行う。

この復号化処理２００で作成される連立方程式を解くことで、４ビットデータ（ｂ_０，ｂ_１，ｂ_２，ｂ_３）＝（０１０１）とする復元データ１Ｂを得ることができる。

ここで、送信側装置１における符号化処理１００である、式（１）の連立方程式の計算は、プール代数において、各ビットｂ_ｎとデータ例Kｎの論理積（ａｎｄ）を行った後、１の数を数えること、即ちパリティビットをみるだけで良いので、コンピュータ処理により非常に速く解くことができる。

受信側装置２における連立方程式を解く処理２００も、排他的論理和（Ｘｏｒ）を用いることで高速に解くことができる。

ここで、元のデータ１Ａを複数に分割して、複数のデータ列Kpのブロックを得る際の分割数をｎ、ＲＰＳ符号化により生成される符号データの数をｍとすると、元のデータ１Ａに対する冗長度は、ｍ／ｎと表すことができる。

ＲＰＳ符号では、生成する符号化データの数や、符号化に用いるビット列の長さ（符号長）を替えることによって、データの消失に対する耐性を変更することができるという本発明者の認識に基づいて、測定を行った。

図４は、符号長を３２ビットに固定し、生成する符号化データの数を増していった場合の符号化データ数と復号成功率の関係を示すグラフである。横軸にデータの冗長度、縦軸に復号に失敗する確率を採っている。

伝送経路３上でのデータ消失率が例えば、０．１％である場合（グラフａ）、生成する符号化データの数を増やす（即ち冗長度を増やす）ことで、復号できる確率を上げることができる。

しかし、消失率が５％（グラフｂ）や２０％（グラフｃ）の場合には、冗長度を１．３倍にしても復号できる確率に大きな変化がないことが確認できた。

次に、消失率を２０％に固定して、符号長と冗長度を変更した場合の測定結果であり、符号長と復号成功率の関係を図５に示す。

横軸が符号長、縦軸が復号に失敗する確率である。図５に示す測定結果から、同じ冗長度であっても、符号長を大きくするほど復号できる確率が上がってくることが確認された。

この上記の確認から本発明者は、ＲＰＳ符号では消失率が小さいときに、符号化データの生成数を増やすことで対応し、消失率が大きくなってきた時に符号長を増やして対応することが効率的なデータ送信を可能とする認識に至った。

したがって、本発明は、図２のシステム構成において、受信側装置２で、受信装置２０で受信される受信信号を受け、ロス率測定装置２２でロス率（消失率）を求め、求められた消失率を送信側装置１に送る。

送信側装置１３で、消失率を受信すると、その値を符号化率決定装置１２に送る。符号化率決定装置１２では、消失率に基づき、符号化データ生成数を増やし、即ち、冗長度を高め、消失率が所定閾値を超える時は、符号長を増やす様に、可変符号化装置１０を制御する。

ここで、重要な点は、伝送経路３上でのデータの消失率をどの様に求めるかである。

図６は、消失率を求める、本発明に従う実施例方法のフローである。

例えば、送信するデータに通し番号Ｎを付けておく。受信側装置２の受信装置２０において、測定に用いるデータ数をＭとして設定しておく。

データを受信する（ステップＳ１）と、受信データの通し番号Ｎと最小値ＭＩＮと比較し（ステップＳ２）、受信データの通し番号Ｎが、最小値ＭＩＮより大きくなければ、その通し番号を最小値として記憶する（ステップＳ３）。

受信データの通し番号Ｎが、最小値ＭＩＮより大きければ（ステップＳ２，ＹＥＳ）、その値ＮをＭＡＸ＝Ｎとして記憶する。

この処理を受信回数Ｍとなるまで繰り返す（ステップＳ５，ＮＯ）。受信回数がＭまで達したら（ステップＳ５，ＹＥＳ）、消失率＝｛（ＭＡＸ−ＭＩＮ）−Ｍ｝／Ｍを求める（ステップＳ6）。

すなわち、受信したデータ回数Ｍに対する通し番号の最大値ＭＡＸと最小値ＭＩＮの差分と、受信したデータ回数Ｍとの差が消失したデータ数である。したがって、この消失したデータ数に対する受信したデータ回数Ｍの割合が、消失率として求められる。

（付記１）
送信側装置と受信側装置間で伝送経路を通してデータ転送する通信システムであって、
前記送信側装置は、
元データから冗長符号化したデータを生成する符号化装置と、
前記符号化部で符号化された符号化データを伝送経路に送出する送信装置と、
前記符号化部における符号化率を設定制御する符号化率決定装置を有し、
前記受信側装置は、
前記伝送経路を経由して送られた符号化データを受信する受信装置と、
前記受信した符号化データから元データを復号する復号装置と、
前記送出された符号化データの前記経路上での消失率を測定する消失率想定装置を有し、
前記送信側装置の符号化率決定装置は、前記求められた消失率に基づき、前記符号化装置における符号化率を変更制御する
ことを特徴とする通信システム。

（付記２）
付記１において、
前記送信側装置の符号化装置は、前記元データを所定の定数データと共にプール代数の連立方程式に代入して解を求め、前記定数データと解の組を符号化データとし、
前記受信側装置の復号装置は、受信した符号化データから得られた前記定数データと解を前記連立一次方程式に代入して前記元データを復号する
ことを特徴とする通信システム。

（付記３）
付記１において、
前記送信側装置の符号化率決定装置は、前記符号化データの数、又は、前記元データから生成し、符号化に用いるビット列の長さを変更して、前記符号化装置による符号化データの符号化率を変更制御する
ことを特徴とする通信システム。

（付記４）
付記３において、
前記送信側装置の符号化率決定装置は、前記消失率想定装置で測定される消失率が所定値以下であるときに、符号化率決定装置は、前記符号化データの数を増やす方向に変更制御することを特徴とする通信システム。

（付記５）
付記４において、
前記消失率が所定値を超える時は、前記送信側装置の符号化率決定装置は、前記符号化装置における符号化ビット数を増やす方向に変更制御することを特徴とする通信システム。

（付記６）
送信側装置に、元データを所定の定数データと共にプール代数の連立方程式に代入して解を求めさせ、前記定数データと解の組を符号化データとして、受信側装置に向けパケット送信させるステップと、受信側装置に、受信した符号化データから得られた前記定数データと解を前記連立一次方程式に代入して前記元データを復号させるステップとを実行させるデータ転送方法であって、
さらに、前記受信側装置に受信した符号化データの伝送経路上での消失率を求めさせるステップと、
前記送信側装置に、前記求められた消失率に基づき、前記符号化データの符号化率を変更制御させるステップを
実行させることを特徴とするデータ転送方法。

（付記７）
付記６において、
前記符号化データの符号化率を変更制御させるステップは、前記符号化データの数、又は、前記元データから生成し、符号化に用いるビット列の長さを変更制御することを特徴とするデータ転送方法。

（付記８）
送信側装置に、元データを所定の定数データと共にプール代数の連立方程式に代入して解を求めさせ、前記定数データと解の組を符号化データとして、受信側装置に向けパケット送信させるステップと、受信側装置に、受信した符号化データから得られた前記定数データと解を前記連立一次方程式に代入して前記元データを復号させるステップとを実行させるプログラムであって、
さらに、前記受信側装置に受信した符号化データの伝送経路上での消失率を求めさせるステップと、
前記送信側装置に、前記求められた消失率に基づき、前記符号化データの符号化率を変更制御させるステップを
実行させることを特徴とするプログラム。

（付記９）
付記８において、
前記符号化データの符号化率を変更制御させるステップは、前記符号化データの数、又は、前記元データから生成し、符号化に用いるビット列の長さを変更制御することで実行することを特徴とするプログラム。

（付記１０）
送信側装置と受信側装置間との間の伝送経路介したデータ転送における通信制御装置であって、
前記伝送路を介して前記送信側装置から受信した符号化データから元データを復号する復号装置と、
前記符号化データの経路上での消失率を測定する消失率想定装置と、
前記消失率を前記送信側装置に送出する消失率送信装置と、
を有することを特徴とする通信制御装置。

（付記１１）
送信側装置と受信側装置間との間の伝送経路介したデータ転送における通信制御装置であって、
元データから冗長符号化したデータを生成する符号化装置と、
前記符号化部における符号化率を設定制御する符号化率決定装置と、
前記符号化データを前記受信側装置に送出する送信装置と、
前記受信側装置からの前記符号化データの消失率を受信する消失率受信装置とを有し、
符号化率決定装置は、前記消失率に基づき、前記符号化装置における符号化率を変更制御する
ことを特徴とする通信制御装置。

上記したように、本発明の適用により、回線状況が悪くなってもデータ量は一定のまま、消失を訂正して元のデータが復元可能なまで、データを送り続けることができる。したがって、より信頼性を高めたデータ通信システムの提供が可能である。

１送信側
１Ａ送信元データ
１０可変符号化装置
１１，２３送信装置
１２符号化率決定装置
２受信側
１３，２０受信装置
２１復号装置
２２ロス率測定装置
１Ｂ復号データ

Claims

送信側装置と受信側装置間で伝送経路を通してデータ転送する通信システムであって、
前記送信側装置は、
元データから冗長符号化したデータを生成する符号化装置と、
前記符号化部で符号化された符号化データを伝送経路に送出する送信装置と、
前記符号化部における符号化率を設定制御する符号化率決定装置を有し、
前記受信側装置は、
前記伝送経路を経由して送られた符号化データを受信する受信装置と、
前記受信した符号化データから元データを復号する復号装置と、
前記送出された符号化データの前記経路上での消失率を測定する消失率想定装置を有し、
前記送信側装置の符号化率決定装置は、前記求められた消失率に基づき、前記符号化装置における符号化率を変更制御する
ことを特徴とする通信システム。
送信側装置に、元データを所定の定数データと共にプール代数の連立方程式に代入して解を求めさせ、前記定数データと解の組を符号化データとして、受信側装置に向けパケット送信させるステップと、受信側装置に、受信した符号化データから得られた前記定数データと解を前記連立一次方程式に代入して前記元データを復号させるステップとを実行させるデータ転送方法であって、
さらに、前記受信側装置に受信した符号化データの伝送経路上での消失率を求めさせるステップと、
前記送信側装置に、前記求められた消失率に基づき、前記符号化データの符号化率を変更制御させるステップを
実行することを特徴とするデータ転送方法。
送信側装置に、元データを所定の定数データと共にプール代数の連立方程式に代入して解を求めさせ、前記定数データと解の組を符号化データとして、受信側装置に向けパケット送信させるステップと、受信側装置に、受信した符号化データから得られた前記定数データと解を前記連立一次方程式に代入して前記元データを復号させるステップとを実行させるプログラムであって、
さらに、前記受信側装置に受信した符号化データの伝送経路上での消失率を求めさせるステップと、
前記送信側装置に、前記求められた消失率に基づき、前記符号化データの符号化率を変更制御させるステップを
実行させることを特徴とするプログラム。