JP2014532379A - データ送信制御 - Google Patents

Abstract

一実施形態では、無線装置から、通信チャンネルを介して接続された受信器へのデータ伝送を制御する方法は、無線装置上で実行されているアプリケーションが、通信チャンネルのエンドツーエンドの帯域幅の推定を提供するステップと、無線装置中の無線アクセス回路から、アプリケーションに、少なくとも一通信関連パラメータを供給するステップと、アプリケーションにおいて、少なくとも一通信関連パラメータを用いて、エンドツーエンド帯域幅の推定を修正するステップとを有する。

Description

本発明は、無線装置から受信器へのデータ送信の制御に関する。

図１は、第１のユーザ端末ＵＥ１と第２のユーザ端末ＵＥ２とを有する通信システムを示すブロック図である。第１と第２のユーザ端末は、通信ネットワーク２により通信している。第１と第２のユーザ端末間に通信を提供するため、それらの間に通信チャンネル設定する。このチャンネルは、第１のユーザ端末とネットワーク間の区間（leg）と、ネットワーク自体にわたる区間と、ネットワークと第２のユーザ端末間の区間とを有する。各区間は有線でも無線でもよく、無線接続は例として示す。通信ネットワークはパケットスイッチでもよく、すなわち第１のユーザ端末から第２のユーザ端末に送信されるデータは、それらの間に設定される通信チャンネルにより搬送されるパケットの形式を取る。

データフローを試み改善し、輻輳を最小化し、効率を上げるため、かかる伝送にはレートコントロールが広く使われている。すなわち、データが送信側（送信器）から送信されるレートは、データが送信される利用可能帯域幅に関する情報に基づき制御される。レート制御に対する一アプローチは、エンドツーエンドレート制御である。エンドツーエンドレート制御は、異なる複数の形式で実装できるが、原理的には、送信側（送信器）と受信側（受信器）との間の端から端までに存在するチャンネルに関する情報に依存する。エンドツーエンドレート制御のどの実装においても、送信器からのメッセージが受信器に届かなければならず、そのメッセージに関する情報（またはそのメッセージ自体）が受信器から送信器にラウンドトリップで返される。エンドツーエンドレート制御には、通信チャンネルの最小ボトルネックがどこにあるかにということについて仮定をしないという利点がある。他方、ボトルネックで輻輳が始まると、受信器においてこれを検出して、送信者にメッセージを返さなければならない。そのため、輻輳への対応には少なくともラウンドトリップタイム（ＲＴＴ）かかり、その間に輻輳はひどくなり、リアルタイム通信体験を損なうおそれもある。

本発明の一目的は、エンドツーエンドレート制御の利点を有しつつ、応答時間を改善するデータ送信の制御手法を提供することである。

本発明の一態様による方法は、無線装置から、通信チャンネルを介して接続された受信器へのデータ伝送を制御する方法であって、前記無線装置上で実行されているアプリケーションが、前記通信チャンネルのエンドツーエンドの帯域幅の推定を提供するステップと、前記無線装置中の無線アクセス回路から、前記アプリケーションに、少なくとも一通信関連パラメータを供給するステップと、前記アプリケーションにおいて、前記少なくとも一通信関連パラメータを用いて、前記エンドツーエンド帯域幅の推定を修正するステップとを有する。

実行されたとき、上記の方法を実施するプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム製品も提供される。

ここで、「エンドツーエンド帯域幅」との用語は、送信元と最終的宛先との間の帯域幅を推定する場合に限定されない。この場合、エンドツーエンド帯域幅は、通信ネットワーク自体でインテリジェントオペレーションが実行されるモデルとは対照的に、通信システムのエンドポイントにおいていわゆるインテリジェントオペレーションが行われる場合に関する。エンドツーエンドの原理は、現在のインターネットの中心的設計原理のひとつであり、他の多くのネットワーク通信システムに適用される。エンドツーエンドの原理の利点は、ネットワークがそれを通る各トラフィックフローの状態を保持する必要が無く、ネットワーク設計がより単純かつロバストになることにある。

特に、エンドツーエンド帯域幅は、送信器、受信器、またはその送信器と最終的受信器との間にあるオーバーレイ／リレーノードを含むエンドポイントを含む。
本発明の他の位置態様によるプロセッサは、
無線チャンネルにより受信器にデータを送信する無線装置で用いるプロセッサと、プロセッサで実行されると、アプリケーションを構成して、通信チャンネルのエンドツーエンド帯域幅の推定を提供するステップと、無線アクセス回路から少なくとも一通信関連パラメータを受け取るステップと、前記少なくとも一通信関連パラメータを用いて前記エンドツーエンド帯域幅の推定を修正するステップとを実行するプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム製品とを有する。

以下に説明する本発明の実施形態は、エンドツーエンドレート制御の利点を、無線アクセスレベルにおけるローカルモニタリングと組み合わせる。すなわち、ここに説明するローカルキュー支援レート制御により、エンドポイントがレート制御をでき、ネットワークは決定する必要がない。発明者は、多くの場合、通信チャンネルにおいて、無線アクセス技術、特にそのアップリンクが最も弱いリンクであり、輻輳源になりやすいことを知っている。無線アクセスレベルにおける通信関連パラメータ、特にバッファ状態インジケータを監視し、アプリケーションレイヤに通知することにより、エンドツーエンドレート制御の利点を、無線アクセスレベルにおける情報に基づく素早い反応と組み合わせることができる。このように、以下に説明する実施形態では、ローカルバッファにおける変化に直ちに反応でき、一方で、ボトルネックがローカル無線アップリンクのどこか別の場所にあるとき、エンドツーエンドレート制御を維持する。

エンドツーエンド帯域幅推定は、送信器側でも受信器側でもよい。すなわち、アプリケーションは、例えば、送信器などのリモート装置からのフィードバックに基づいて、おそらくリモート装置または受信器からのアクノレッジメントの返信率を測定しローパスフィルタする形式で、（送信側の）無線装置においてエンドツーエンド帯域幅の推定を生成すると考えられる。

あるいは、エンドツーエンド帯域幅の推定を受信側で実行して、アプリケーションを、リモート装置または受信器からエンドツーエンド帯域幅の推定を受信するように構成できる。

このように、無線アクセス回路に設けられたローカルバッファを常に監視して、輻輳を検知したらすぐにアプリケーションに通知することにより、輻輳に直ちに反応することができる。無線アクセスレベルからのフィードバックは、そのレベルにおけるバッファキュー状態の直接測定であってもよいので、エンドツーエンドの遅延ベースのレート制御の基礎になるキューイング推定よりもずっと信頼性が高い。後者はクロックオフセット問題とＷｉＦｉビーコン検索などのネットワークアーティファクトにより汚染され得るからである。

本発明をよく理解し、どのように実施するか示すため、以下の図面を参照する。

通信システムを示す概略ブロック図である。 本発明の原理を示す概略ブロック図である。 本発明の概略的状況を説明するための図である。 無線装置のレイヤを示す概略図である。 一形式の帯域幅変更を示す機能的ブロック図である。 他の一形式の帯域幅変更を示す機能的ブロック図である。 無線アクセス回路を示す概略ブロック図である。

以下、本発明の実施形態を説明するが、無線パケットスイッチ通信システム（ＧＰＲＳ、ＵＭＴＳ、ＨＳＤＰＡ、Ｗｉｍａｘ、ＬＴＥ、Ｗｉｆｉなど）では、送信側は物理的（ネットワーク）レイヤの送信待ちトラフィック量を常に監視している。物理レイヤのこのバッファされたデータに関する情報は、アプリケーションレイヤに送られ、レート制御の改善に用いられる。具体的に、一実施形態では、かかる情報をエンドツーエンドレート制御といかに組み合わせて、よりアジャイルなレート制御器を作るか示す。

図２は、本発明の基礎をなす原理を示す概略ブロック図である。アプリケーションレイヤの処理コードにより実装された帯域幅変更機能（bandwidth modification function）は、アプリケーションレイヤで実行されたアプリケーションから、一般的にはそのアプリケーションのレート制御部から、帯域幅ＢＷ−ｅ２ｅの推定を受け取り、さらに無線アクセスを担う下位プロトコルレイヤから通信関連パラメータｄ（ｋ）、ｃ（ｋ）及びｓ（ｋ）を受け取る。この変更機能により帯域幅ＢＷ（ｋ）を変更した推定が与えられる。

本発明の概略的状況を図２Ａを参照して説明する。送信器４は、インターネット２などのパケットベースネットワークにより、受信器６にリアルタイムデータ（例えば、オーディオ及び／またはビデオ）を送る。送信器４は、ＵＭＴＳ、ＨＳＤＰＡ、Ｗｉｍａｘ、ＬＴＥ、Ｗｉｆｉなどの無線アクセス技術を用いて、インターネットにアクセスする。一方、受信器６はどの技術（有線または無線）でも用いられる。

送信器は無線装置であり、マイクロプロセッサ８を含む。マイクロプロセッサ８は、それ自体に、またはそれに接続されたメモリにローカルに記憶されたコード形式のプログラムを実行する。無線装置４は、無線装置４とネットワーク２との間で無線周波数（ＲＦ）通信を送受信する無線アクセスチップ１０を有する。

無線装置４とネットワーク２との間のＲＦ通信は、無線アクセスチップ１０により無線チャンネルによりＲＦ信号を送受信することにより行われる。

無線装置は、例えば、ＧＰＲＳ、ＵＭＴＳ、ＨＳＤＰＡ、Ｗｉｍａｘ、ＬＴＥまたはＷｉｆｉなどの少なくとも一無線アクセス技術をサポートするユーザ装置（ＵＥ）であり得る。プロセッサにより実行されるソフトウェアは、図３に示したタイプのプロトコルスタックで構成される。図３はスタックの単なる一例を示すものである。現在使われている多くのバリエーションがあり、本発明はどのタイプのスタックにも適用できる。図３に例示したスタックは、アプリケーションレイヤ１２、トランスポートレイヤ１４、インターネットレイヤ１６、及びリンクレイヤ１８を含む。リンクレイヤは、物理リンクレイヤ２０とメディアアクセスコントロール（ＭＡＣ）レイヤ２２に分かれる。

リンクレイヤは、装置４の通信技術の構成を担うものである。リンクレイヤ１８中のメディアアクセスコントロールレイヤ２２は、なかんずく、アドレッシング、複数のチャンネルの異なるユーザへの割り当て、及び輻輳の防止の機能を担う。具体的には、無線の動作モードの制御を担う。メディアアクセスコントロールレイヤ２２は、送信するデータをキューイングするバッファと、監視回路を含むが、後でもっと詳しく説明する。各レイヤは、異なる無線装置中の自分と同じレイヤと通信でき、リンクレイヤ１８は、フレームの形式のＲＦデータのレベルにおいて、異なる装置の対応するリンクレイヤと通信する。

インターネットレイヤは、ＩＰ（Internet Protocol）ヘッダを有するＩＰデータを運ぶパケットの形式でインターネット通信を提供し、ＩＰアドレッシングを担う。

トランスポートレイヤ１４は、例えば、トランスミッションコントロールプロトコル（ＴＣＰ）またはユーザデータグラムプロトコル（ＵＤＰ）によりホストツーホスト通信を実行する。この場合、ホストは無線通信をしようとする任意の種類のユーザ装置である。

アプリケーションレイヤ１２は、通信しているホスト間のプロセスツープロセスレベルにおけるアプリケーションベースのインターラクションを処理する。チャンネルにより送信されるデータを生成するのは、ユーザアプリケーションを実行するのはこのレイヤである。このように、メディアアクセスコントロールレイヤ２２を通して少なくとも一無線アクセス技術により、インターネット２に接続するユーザ装置が、少なくとも一アプリケーションを実行する場合における本発明の実施形態を説明した。

本発明は、複数の異なるアプリケーションと用いることができるが、具体的なある場合は、ＵＥ間のＶｏＩＰ（Voice over Internet Protocol）、インスタントメッセージング（ＩＭ）チャット、または会議フレームワーク上で実行されるライブミーティングなどのソーシャルコミュニケーションに関する。アプリケーションは、これらの種類のサービスとともに、ファイル転送などのデータ転送、ソーシャルネットワーク中のコンタクトのプレゼンス情報の更新、または「キープアライブ」データなどの制御データを担い得る。

好ましくは、インターネットによりリアルタイムデータを送信するアプリケーションは、エンドツーエンドレート制御方式が実装されており、リアルタイムデータのコーディングレートを決定する。このエンドツーエンド方式は、文献Jacobson, V.著「Congestion Avoidance and Control」（ACM Computer Communications Review,１８（４）：３１４―３２９、Ａｕｇｕｓｔ１９８８）に記載されているような、本技術分野で知られた任意の方法であってもよい。かかる方式は一般的に２つのカテゴリーに入る：
・受信器ベースは、受信側がデータの受信に基づき、エンドツーエンド接続に用いる適当な帯域幅を推定するものである。
・送信器ベースは、送信側が受信器からフィードバックされる特殊なフィードバックに基づき、用いる帯域幅を決定するものである。

どちらの場合でも、アプリケーションにより提供されるエンドツーエンドの帯域幅の推定をＢＷ＿ｅ２ｅと呼ぶ。エンドツーエンドレート制御が基づく情報は、受信器から送信器までネットワークを送られなければならない。そのため、遅延が生じる。このように、ネットワーク経路上のどこかで輻輳が発生した場合、それに対する送信器の反応は遅くなり、輻輳問題は悪化する。

他のしかし好ましくはない実施形態では、エンドツーエンド推定は単純に直近の送信レートに等しくても良いが、ボトルネックがどこかにある場合、かかるアプローチには問題がある。

発明者は、多くの場合、通信経路において、無線アクセス技術、特にそのアップリンクが最も弱いリンクであり、輻輳源になりやすいことを知っている。この輻輳は、リアルタイムアプリケーション実行中に、同じ装置またはコンピュータにおける、しかし異なるネットワークレイヤにおける、パケットキューの発生（a build-up of a packet queue）として現れる。説明した本発明の実施形態では、下位ネットワークレイヤ２０、２２は、アプリケーションレイヤに、自レイヤの内部バッファの状態または無線レベルでモニタされたその他の通信関連パラメータに関して通知し続ける。この情報は、次のパラメータのうちの一または複数のパラメータを含み得る：
・時間単位（ｄ（ｋ））、バイト単位（Ｎ（ｋ））などの現在のバッファサイズ。これら２つは、関係Ｎ（ｋ）＝ｄ（ｋ）＊Ｒ（ｋ）により互換性がある。ここでＲ（ｋ）は直近の送信レートである。そこで、以下ｄ（ｋ）としても一般性は失わない。
・専用の輻輳表示パラメータｃ（ｋ）。
・アンテナ信号対雑音比（ＳＮＲ）などのｓ（ｋ）。
・他のアプリケーションにより送信されたトラフィックの表示であって、例えば、Ｘｔｒ（ｋ）＝ｔｒ＿０（ｋ）／ｔｒ＿ｔｏｔ（ｋ）、ここで、ｔｒ＿０はアプリケーション自体の送信レートであって、ｔｒ＿ｔｏｔはすべてのアプリケーションの総送信レートであり、ｋはカウンティングインデックスである。この情報は所定時間間隔で、または好ましくは適応的に供給され、輻輳などの至急情報が、それが発生するとすぐにアプリケーションレイヤに与えられる。

上記のパラメータの時間平均を使うこともできる。

ｃ（ｋ）の実施例として、ｄ（ｋ）が所定閾値を超えたときｃ（ｋ）＝１と設定し、ｄ（ｋ）がそれより低い他の閾値より低くなったとき、ｃ（ｋ）＝０に戻す。

より低いネットワークレイヤから供給される情報を用いて、エンドツーエンド帯域幅推定を修正する。例えば、これらのパラメータを用いて、エンドツーエンド帯域幅に相関項を見つけることができる：

ここで、ｐ（ｋ）はｄ（ｋ）、ｃ（ｋ）及びｓ（ｋ）の現在及び過去の値の集合体である。

好ましい実施形態では、ｆ（）を用いる：

ここで、ｄ＿ｔａｒｇｅｔは定数であり、ａｌｐｈａ（ｋ）はステップサイズ係数であり、ｄ＿ａｇｇｒは現在及び過去の値の一般化パラメータセットｐ（ｋ）から計算した集計遅延値である。ボトルネックが別にある場合、ｆ（ｐ（ｋ））の制限が必要である。示唆される値はベータ＝０．０−０．０５の範囲にある。

ｄ＿ａｇｇｒ（ｋ）の計算については、多くのオプションがある。一般的に、値は急激な変化を避けるようになめらかでなければならないが、輻輳が生じたときにはすぐに反応できなければならない。これは、適応的平滑化により達成できる。図４は、合成された瞬間値ｄ＿ｉｎｓｔ（ｋ）の平滑化を示す概略的ブロック図である。合成されたオブザベーションｄ＿ｉｎｓｔ（ｋ）は、合成関数４０により生成され、平滑化関数４２により平滑化される。平滑化値ｄ＿ａｇｇｒ（ｋ）は、現在の瞬間的オブザベーションｄ＿ｉｎｓｔ（ｋ）より小さければ、すばやく更新される。そうでなければ、ゆっくりと更新される。数学的には、これは次の式で表せる：

外１

ここで、０．５＜ｌａｍｂｄａ［Ｓｌｏｗ／Ｆａｓｔ］＜１であり、ｌａｍｂｄａＦａｓｔ＜ｌａｍｂａＳｌｏｗである。

合成オブザベーションｄ＿ｉｎｓｔ（ｋ）は、ｄ（ｋ）、ｃ（ｋ）及びｓ（ｋ）のうちの一部または全部の瞬間値を合成することにより生成できる。例えば：
・リンクレイヤから直接レポートされる平均キュー遅延を用いる：

外２

・連続する輻輳インジケータｆをカウントすることにより、輻輳インジケータを集計する。例えば、

外３

また、

外４

ここで、ｄ＿ｃの合理的な値は、例えば、１５０ｍｓである。
好ましい実施形態では、ｓ（ｋ）を考慮して、信号品質が悪化すると、大きなステップを用いる：

外５

ここで、ｓｎｒｂｏｏｓｔは信号品質の直近の低下から決定される：

外６

ここで、ｓ＿ａｖｇ（ｋ）はｓ（ｋ）の直近の値の平均である。

いくつかの場合では、パラメータｄ（ｋ）、ｃ（ｋ）及びｓ（ｋ）のうちすべてが得られるわけではない。この場合、得られないパラメータを０に設定すれば、上記の式を直接用いることができる。しかし、大幅に改良するため、ｄ（ｋ）またはｃ（ｋ）の少なくとも一方が得られなければならない：これらはバッファ状態インジケータと呼べる。ネットワークレイヤ１８におけるトラフィック輻輳に関係するからである。

上記の方法の潜在的な問題は、同じ環境で実行されている他のアプリケーションがフィードバックを聞いてなく、輻輳に反応しないかも知れないことである。かかるアプリケーションは、正しく反応しているアプリケーションから利用可能なすべての帯域幅を徐々に奪ってしまうおそれがある。それゆえ、好ましい実施形態では、Ｘｔｒ（ｋ）も考慮する。こうする一方法は、式（２）のａｌｐｈａ（ｋ）をＸｔｒ（ｋ）に依存させることである。例えば、上記の示唆の通りＸｔｒ（ｋ）＝ｔｒ＿０（ｋ）／ｔｒ＿ｔｏｔ（ｋ）である場合：

外７

ここで、０＜Ｘｔｒ０＜１であり、例えば、Ｘｔｒ０＝０．５である。このように、全トラフィックにおけるアプリケーションの割合が小さくなれば、取られるバックオフステップが小さくなる。

帯域幅適応関数４４は、ローカルリンク情報でｅ２ｅ ＢＷの推定を処理して、データ送信レートの設定に用いるアプリケーションの帯域幅の修正推定値を供給する。

言うまでもなく、上記の式は、単なる例示的実施形態であり、多くの変形が可能である。同様に、図５に示すように、パラメータ平滑化ステップと合成ステップを交換して、合成関数５６とＢＷ適応関数５８の前に、個別の平滑化関数５０、４２、５４を各パラメータに適用する。

図６は、本発明の実施形態の実装に関連するコンポーネントのみを示す無線アクセスチップ１０を示す概略的ブロック図である。このチップは、ＲＦ処理回路を有するアンテナ６６を提供する。アンテナ６６によりチップ１０はＲＦデータを送受信できる。上記のように、かかるデータは、エンドツーエンド帯域幅推定を用いてレートを制御するとき、フィードバック及び／または帯域幅の推定を含み得る。また、データには、通信チャンネルにより伝送される、アプリケーションレイヤからのデータを含み得る。このチップは、バッファ６０とモニタリング回路６４も含むように例示されている。モニタリング回路６４は、通信チャンネルの無線状態例えば信号対雑音比を監視して、パラメータｓ（ｋ）を与える。チップ１０は、バッファ状態インジケータｄ（ｋ）に基づいて特殊輻輳インジケータｃ（ｋ）を生成するロジックも含む。チップ１０と装置の他のレイヤとの間の接続は、チップに入る及びチップから出る矢印によって模式的に示した。かかる接続を実際にどう実装して、送信するデータをアプリケーションから受け取り、リンクレイヤ１８のチップ１０からアプリケーションレイヤ１２のアプリケーションまで通信関連パラメータを供給するかは、明らかである。

Claims (10)

1. 無線装置から、通信チャンネルを介して接続された受信器へのデータ伝送を制御する方法であって、
   前記無線装置上で実行されているアプリケーションが、前記通信チャンネルのエンドツーエンドの帯域幅の推定を提供するステップと、
   前記アプリケーションが、前記無線装置中の無線アクセス回路から、少なくとも一通信関連パラメータを受け取るステップと、
   前記アプリケーションにおいて、前記少なくとも一通信関連パラメータを用いて、前記エンドツーエンド帯域幅の推定を修正するステップと
   を有する方法。
2. 前記少なくとも一通信関連パラメータは、
   前記無線アクセス回路のバッファ中のデータ量の表示と、
   輻輳インジケータパラメータと、
   前記無線アクセス回路により決定された無線信号品質パラメータと
   のうちの一を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも一通信関連パラメータは、前記無線アクセス回路のバッファ中のデータ量の表示を含み、前記表示は時間の表示またはビットの少なくとも一方を含む、
   請求項２に記載の方法。
4. 前記エンドツーエンド帯域幅の推定を修正するステップは、異なる複数の通信関連パラメータの集計を用いるステップを含み、前記集計は、
   

   

   により任意的に決定される、請求項１ないし３いずれか一項に記載の方法。
5. 前記集計は、時間的に平滑化され、平滑化された集計は、前記エンドツーエンド帯域幅の推定の修正に用いられる、請求項４に記載の方法。
6. 前記修正されたエンドツーエンド帯域幅の推定に基づいて、前記無線装置からのデータの伝送レートを制御するステップを有する、請求項１ないし５いずれか一項に記載の方法。
7. 前記集計は、目標集計と現在の集計との間の差異の乗算係数を含む関数で用いられ、前記乗算係数は前記通信チャンネルを用いて他のアプリケーションにより送信されたデータの表示に依存する、請求項４または５に記載の方法。
8. 前記アプリケーションは、
   前記無線装置において、エンドツーエンド帯域幅の推定を生成し、または、
   リモート装置からエンドツーエンド帯域幅の推定を受け取るように構成されている、
   請求項１ないし７いずれか一項に記載の方法。
9. 無線チャンネルにより受信器にデータを送信する無線装置で用いる、前記無線装置と前記受信器との間の通信チャンネルのエンドツーエンドの帯域幅の推定を提供するように動作するアプリケーションがロードされたプロセッサであって、
   前記プロセッサにロードされたアプリケーションは、無線アクセス回路から少なくとも一通信関連パラメータを受け取り、前記少なくとも一通信関連パラメータを用いて前記エンドツーエンド帯域幅の推定を修正するように動作可能である、プロセッサ。
10. プロセッサで実行されたとき、請求項１ないし８いずれか一項の方法ステップを実行させるコンピュータプログラム。
    

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