JP3902235B2 - データ接続におけるデータ圧縮 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、通信システム又は特に移動通信システムにおけるデータ転送容量の改善に係る。
先行技術の説明
図１は、セルラー移動通信システムの本質的な部分を本発明の観点から示している。移動ステーションＭＳは、エアインターフェイスＵｍを経てベーストランシーバステーションＢＴＳと通信する。ベースステーションは、移動交換センターＭＳＣに接続されたベースステーションコントローラＢＳＣにより制御される。ベースステーションコントローラＢＳＣの制御下にあってそれにより制御されるベースステーションＢＴＳを含むサブシステムを一般にベースステーションサブシステムＢＳＳと称する。移動交換センターＭＳＣとベースステーションサブシステムＢＳＳとの間のインターフェイスをＡインターフェイスと称する。ＡインターフェイスのＭＳＣ側にある移動通信システムの部分をネットワークサブシステム（ＮＳＳ）と称する。対応的に、ＢＳＣとＢＴＳとの間のインターフェイスをＡｂｉｓインターフェイスと称する。移動交換センターＭＳＣは、入呼び及び出呼びの接続を取り扱う。これは、公衆交換電話ネットワーク（ＰＳＮＴ）の交換機と同様の機能を実行する。これに加えて、移動通信のみの特徴である機能、例えば、ネットワークの加入者レジスタ及びＶＬＲ及びＨＬＲに関連した加入者位置管理も実行する。上記回路交換接続とは別に、移動ステーションＭＳの接続は、パケットネットワークＧＰＲＳ（汎用パケット無線サービス）を経て行うこともできる。
移動ステーションについて成長しているアプリケーション分野の１つは、ポータブルコンピュータに関連してデータリンクを確立することである。このようなコンピュータは、図１にコンピュータＰＣで示されている。コンピュータＰＣ及び移動ステーションＭＳは、別々のユニットであってもよいし、一体化されたものであってもよい。データリンクを経て送信されるべきデータは、ヘッダ区分１及びデータ区分２を通常含むフレームＦへと組み立てられる。移動ステーションの数及び／又は使用に増加が生じた場合には、インターフェイスＵｍの転送容量に関してボトルネックが生じる。エアインターフェイスの転送容量は、エアインターフェイスを経て送信されるべきデータを圧縮することにより増加することができる。圧縮は、頻繁に生じるデータ流及び一度しか生じないデータ流におけるあるビットパターンをベースとする。頻繁に生じるビットパターンは、全体として一度だけ送られ、そして先に送ったビットパターンの参照を後で送信することができる。多数のこのような圧縮アルゴリズムが開発されており、異なる態様を伴うＲＬＥ（ラン・レングス・エンコーディング）及びＬＺ（Ｌｅｍｐｅｌ−Ｚｉｖ）や、ＪＰＥＧ、ＭＰＥＧ、等々を含む。本発明の範囲内において、アルゴリズムの圧縮比は、非圧縮のビットストリング（例えば、フレーム）の長さと、当該アルゴリズムで圧縮されたビットストリングの長さとの間の比を指す。
上述した従来のパケット通信は、特定形式のデータは、特定の圧縮アルゴリズムで効率的に圧縮できるが、他の形式のデータは、別のアルゴリズムでなければ効率的に圧縮できないという問題に遭遇する。又、どのアルゴリズムでも圧縮できないビットパターンが存在し、従って、使用するアルゴリズムを示す識別子だけでビットストリングの長さが増加されることになる。固定のアルゴリズムで行われる公知の圧縮に伴う更に別の問題は、アルゴリズムが変化しないので傍受に対する最適な検出を与えないことである。
例えば、ＰＣＴ出願ＷＯ９４／１４２７３号は、送信されるべきデータを多数の異なる圧縮手段で圧縮するためのシステムを開示している。しかしながら、この出願ＷＯ９４／１４２７３号は、主として、多数の受信器に映像情報を同時に送信することに関する。同じ情報が多数の受信器へ送信されるので、このようなシステムは、送信器及び受信器の各対間で独特の情報が送信されるセルラーパケット無線ネットワークのエアインターフェイスに匹敵するボトルネックを生じない。又、この出願ＷＯ９４／１４２７３号は、送信される情報の内容により最適な圧縮方法を決定できると仮定している。この仮定が正しいのは、送信の前に情報が映像情報であると分かる場合である。
発明の要旨
従って、本発明の目的は、エアインターフェイス又は別の低速度テレコミュニケーションリソースの限定された容量をできるだけ効率的に使用し、これにより、無断聴取に対するトラフィック暗号化を同時に改善することのできる方法を開発することである。本発明の目的は、独立請求項の特徴部分に記載する方法により達成される。本発明の好ましい実施態様は、従属請求項に記載する。
本発明は、一般的なケースにおいて、送信されるべきデータの内容が任意であるときに、最も効率的な圧縮アルゴリズムは、実験的にしか確立できないという考え方に基づく。このため、送信されるべきデータは、本発明によれば、多数の異なるアルゴリズムで圧縮され、そして最良の圧縮結果が受信者へ送信される。更に、本発明は、容量を制限するエアインターフェイスのような低速テレコミュニケーションリソースを含むテレコミュニケーションシステムでは、多数の余分な計算を、料金の安いそしてこのような動作により容量の拡張が得られる位置において実行するのが得策であるという考え方に基づく。
本発明による方法は、圧縮アルゴリズムが異なるアルゴリズム間の実際のテストに基づいて選択されるので、ボトルネック（テレコミュニケーションシステムのエアインターフェイスのような）の帯域巾を考えられる最も効率的なやり方で使用する。この方法は、多数の形式のテレコミュニケーションシステムに適用できる。本発明による方法は、送信者が特定の接続に対する特定のアルゴリズムの適用を学習するように適応式に使用することができる。本発明の方法の更に別の効果は、次々のパケット間においても接続の中間部で圧縮アルゴリズムが変化するようなメッセージを傍受者が解釈することが困難であるために、テレコミュニケーションの保護に関する改良により与えられる。
【図面の簡単な説明】
以下、添付図面を参照し、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明にとって重要な移動通信ネットワークの部分を示す図である。
図２Ａ及びＢは、本発明の圧縮段階を示す図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明は、図１を参照し、送信チャンネルの第１の端に移動ステーションＭＳ及びそれに接続されたコンピュータＰＣがあり、そしてその他端にベースステーションＢＴＳ、ベースステーションコントローラＢＳＣ及び移動交換センターＭＳＣで示されたネットワークサブシステムＮＳＳがあるような環境において説明する。説明を簡単にするために、本発明による圧縮及び圧縮解除アルゴリズムはＭＳにおいて実施されるが、ＰＣにおいても等しく実施できると仮定する。本発明の好ましい実施形態は、エアインターフェイスＵｍを経て行われるトラフィックの改善に係るが、エアインターフェイスに代わって、限定された容量をもつ他の送信チャンネルがあってもよい。
本発明は、その最も簡単な形態において、固定の１組の圧縮及び圧縮解除アルゴリズムが移動ステーションＭＳ及びネットワークサブシステムＮＳＳで実施されるように適用される。この１組のアルゴリズムは、ＭＳ及びＮＳＳにおいて同じである。送信者は、それが知っている各アルゴリズムで各フレームＦを圧縮し、そして最良の圧縮比を生じるアルゴリズムを選択する。更に、送信者は、どのアルゴリズムでデータが圧縮されたかを指示する情報フィールドを、送信されるべきフレームに挿入する。受信者は、この情報フィールドに基づいて、どのアルゴリズムを使用してデータを圧縮解除すべきかを知る。
この簡単な実施は、少なくとも２つの問題がある。第１に、異なる装置を用いるときには、送信者及び受信者は、どのアルゴリズムが相手にインストールされたか前もって分からない。更に、システム内の全ての装置を同時に更新せずにシステムに新たなアルゴリズムを追加することができない。第２に、全ての考えられるアルゴリズムで各フレームを圧縮すると、計算容量の必要性が甚だしく増大する。第１の問題は、送信者と受信者との間の交渉プロトコルにより解決できる。後者の問題は、圧縮手順を最適化することにより、例えば、それを適応性にすることにより解決できる。
移動通信システムでは、原理的に、当事者の能力を見出す交渉は不要であり、そして各移動ステーションの特徴をホーム位置レジスタ又は同様の装置レジスタに記憶できることが推測される。この構成は多数の問題を含み、最も重大な問題は、おそらく、ＧＳＭ型のシステムでは、ＳＩＭ（加入者認識モジュール）により加入者位置を維持しなければならないことである。ＳＩＭが別の例えばレンタルのターミナル装置へ移行された場合には、システムは、第２のターミナル装置が元のターミナル装置と同じ能力を有するものと仮定する。この仮定は、必ずしも正しくない。
このため、送信者及び受信者の能力を通信の始めに識別することが好ましい。移動通信システムでは、移動ステーションが新たなエリアへローミングするときに改めて交渉を行なわねばならない。適当なそして簡単な交渉プロトコルは、例えば、新たなアルゴリズムを使用するときにそれらにランニング番号が発行され、そして接続の始めに又は位置エリアの変化に関連して、発呼側装置が被呼側装置に使用可能なアルゴリズムに関する問い合わせを送信し、これに応答して、被呼側装置は、アルゴリズムにおいてビットがセットされると、そのアルゴリズムが使用可能であることを意味するビットマップを送信するというものである。別の交渉プロトコルによれば、発呼側装置は、テストされる全てのアルゴリズムで圧縮された短いテストメッセージを送信し、そして被呼側装置は、そのメッセージを圧縮解除できる場合には肯定確認で、そしてそれを圧縮解除できない場合には否定確認で応答する。各圧縮アルゴリズムごとに、送信者及び受信者に圧縮及び圧縮解除の両アルゴリズムがインストールされる場合には、例えば、発呼側装置が被呼側装置の能力を識別するように送信者及び受信者の共通の能力を識別することができる。発呼側装置は、被呼側装置について既に問い合わせたもの以外の能力をもつことができないので、被呼側装置が発呼側装置の能力を識別することは不要である。
一方、数学的には、パケットを圧縮するよりも圧縮解除する方が非常に簡単である。これは、特に、生のビデオ像及びフラクタルアルゴリズムの圧縮についても言えることである。従って、例えば、移動ステーションでは、パケットを圧縮するアルゴリズムよりもパケットを圧縮解除するアルゴリズムの方が多数実施できると考えられる。このような場合に、交渉プロトコルは、被呼側装置も発呼側装置の能力を識別するように捕捉することができる。
効率的なデータ圧縮のためには、データを暗号化してフレームへと分割する前に圧縮を行なわねばならない。本発明の実施形態によれば、フレームＦのヘッダ区分１は、特定形式のアルゴリズムで圧縮され、そしてフレームＦのデータ区分２は、少なくとも２つの異なるアルゴリズム（最良の圧縮比を与える１つが選択される）で圧縮される。ヘッダ区分は、この目的のために最適化されたアルゴリズムで圧縮され、このアルゴリズムは、フレームごとに実質的に同じである。
例えば、テルネット接続においてＴＣＰ／ＩＰフレームでユーザ入力キャラクタを送信するときは、入力された各キャラクタが、通常、それ自身のフレームにおいて送信される。このため、ユーザは、キャラクタの入力から約０．２秒以内の比較的迅速な応答を待機するだけとなる。一方、送信プログラムは、次の入力がいつ行われるか分からず、これは、４０バイトのヘッダ及び１バイトのデータより成る個別のフレームとして各キャラクタを送信しなければならないことを意味する。参照文献［１］は、ＴＣＰ／ＩＰフレームのヘッダ区分を３ないし５バイトへと圧縮するための方法を開示している。参照文献［１］による方法は、受信者が手前のフレームのヘッダ区分に基づいてそれ自身で形成することのできる多数の情報がＴＣＰ／ＩＰフレームのヘッダ区分に送信されるという事実を利用するものである。例えば、ＡＴＭセルのヘッダ区分には、同様の冗長度が存在する。
使用する圧縮アルゴリズムは、例えば、使用する圧縮アルゴリズムを表わす識別子を各圧縮されたフレームＦにおいて送信することにより受信者に指示することができる。或いは又、受信者は、圧縮アルゴリズムの変化に関する情報を送信することができる。この情報は、別個のフレームであってもよいし、或いは通常送信されるフレームに挿入されるフィールド又は独特のビットパターンであってもよい。
エアインターフェイスをできるだけ効率的に使用するために、送信者が何らかの理由で送信を行なわない時間中に圧縮手順を実行するのが効果的である。例えば、ＧＳＭシステムでは、データは、ＴＤＭＡタイムスロットにおけるバーストとしてエアインターフェイスを経て送信される。バーストとバーストとの間に、送信者は、必要な計算を実行し、従って、もしそうでなければ次のタイムスロットを待機するだけで浪費されるその計算容量を利用することができる。割り当てられたタイムスロットにおいて、圧縮を中断し、そしてその時点まで最良の結果を生じたアルゴリズムで圧縮されたフレームを送信することができる。
必要な計算量を減少するための種々の態様について以下に説明する。圧縮手順は、例えば、使用する全てのアルゴリズム、即ち交渉において両当事者によりサポートされると分かったアルゴリズムでフレームＦを圧縮することにより、最適化することができる。
使用する全てのアルゴリズムで圧縮されるフレームＦは、好ましくは、特定形式のデータを表わす第１のフレームであり、即ちデータ形式が変化するときには、アルゴリズムでのテストが始めからスタートされる。それに続く各フレームは、手前のフレームにおいて最良の結果を生じたアルゴリズムで最初に圧縮される。他の圧縮アルゴリズムは、必ずしも完了しない。それらの処理は、圧縮フレームの長さが、最適なアルゴリズムで圧縮されたアルゴリズムの長さになると、直ちに中断される。
別の実施形態によれば、圧縮比のスライド平均は、フレームが圧縮された各アルゴリズムごとに維持される。フレームは、アルゴリズムで得られた圧縮比により決定された順序で異なるアルゴリズムにより圧縮される。あるアルゴリズムでのフレームの圧縮比が所定のスレッシュホールド値を越える場合には、当該フレームが他のアルゴリズムで圧縮されない。所定のスレッシュホールド値は、一定の乗数、例えば、３ないし６の数である。或いは又、スレッシュホールド値は、その時点までの最良のアルゴリズムで得られる圧縮比の特定の割合、例えば、８０ないし９０％でもよい。
使用できる時間が各アルゴリズムで各フレームを圧縮するのに充分でない場合には、個々のフレームは、例えば、その時点までに、圧縮比として最良のスライド平均を示す１ないし３のアルゴリズムで圧縮することができる。例えば、送信の転換を待機するときのような残りの時間は、残りのアルゴリズムを一度に１つづつテストするのに費やされる。これは、次の例により説明される。７つの異なるアルゴリズムを使用できそして各送信タイムスロットを待機するときに、それらの４つをテストする時間があると仮定する。このような場合には、各タイムスロットにおいて、その時点までに最良の結果を生じた２つのアルゴリズムで圧縮を行うことができる。他の５つのアルゴリズムのうちの２つが各タイムスロットにおいてテストされる。
交渉中に、当事者のみが知っている擬似ランダム数に基づいて決定された順序でアルゴリズムが番号付けされる場合には、暗号化を更に改善することができる。接続中に特定のアルゴリズムにおいてアルゴリズムの識別子を変更しても、同じ結果が得られる。暗号化形態で交渉を実行するのが効果的である。これらの方法では、フレームと共に送信される圧縮アルゴリズム識別子が傍受者に分からないという効果が得られる。
図２Ａ及び２Ｂは、本発明の圧縮方法における幾つかの段階を示す。ステップ２００において、圧縮ルーチンは、送信及び圧縮されるべきデータを、それらを発生するアプリケーションから受け取る。ステップ２０５に示すオペレーションでは、データが適時に例えば次の送信タイムスロットに送信されるよう確保するために監視が設定される。ステップ２１０において、フレームＦのヘッダ１は、この目的のために最適化されたアルゴリズムで圧縮される。ステップ２１５において、データ区分２は、その時点までに最適な幾つかの、この場合は、３つのアルゴリズムで圧縮される。圧縮に関連して、その効率を示すパラメータが各アルゴリズムごとに維持され、このようなパラメータは、例えば、圧縮比のスライド平均である。ステップ２２０では、データ区分２は、監視時間内で可能な多数の残りのアルゴリズム、この例では、２つのアルゴリズムで圧縮される。このステップでテストされたアルゴリズムの識別子はメモリに記憶され、そして次にステップ２２０において、他のアルゴリズムがテストされる。テストは、最後にテストされたものに続くアルゴリズムで開始される。監視時間が経過し（２２５）、例えば、送信転換に近付くと、アルゴリズムの最良から最悪までの順序がステップ２３０において更新され、そしてデータは、ステップ２３５において、使用可能な時間内に最良の結果を生じたアルゴリズムで圧縮されて送信される。
本発明の好ましい実施形態は、通信リンク及び特にパケット無線ネットワークにおけるデータを圧縮することに関する。本発明は、システム全体の容量を制限する少なくとも１つの独特のボトルネックを有する他の形式のテレコミュニケーションシステム及びデータ処理システムにも適用することができる。それ故、当業者であれば、技術の進歩に伴い、本発明の基本的な考え方を多数の方法で実施できることが明らかであろう。従って、本発明及びその実施形態は、上記の例に限定されるものではなく、請求の範囲内で種々変更し得るものである。
参考文献：
［１］Ｖ．Ｊａｃｏｂｓｏｎ著、「低速シリアルリンクのためのＴＣＰ／ＩＰヘッダの圧縮(Compressing TCP/IP headers for low-speed serial links)」（リクエスト・フォー・コメンツ１１４４）

Claims (7)

1. 少なくとも１つの低速送信チャンネル（Ｕｍ）を含むテレコミュニケーションシステムにおいて２つの当事者間の接続部にデータを圧縮して送信する方法であって、
   送信されるべきデータを、少なくともヘッダ区分（１）及びデータ区分（２）を含むフレーム（Ｆ）へと組み立て、
   少なくとも幾つかのフレーム（Ｆ）の少なくとも１つの区分（１，２）を送信前に圧縮し、
   少なくとも２つの異なる圧縮アルゴリズムを送信者に使用できるようにし、
   少なくとも２つの異なる圧縮解除アルゴリズムを受信者に使用できるようにする段階を含む方法において、
   送信者が、
   圧縮のための限定された時間を有しており、
   少なくとも幾つかのフレーム（Ｆ）の少なくとも１つの区分（１，２）を少なくとも２つの異なる圧縮アルゴリズムで圧縮し、
   上記限定された時間の終わりに、その時点までに最良の圧縮比を生じた圧縮アルゴリズムを選択し、
   上記選択された圧縮アルゴリズムで圧縮されたフレーム（Ｆ）を、低速送信チャンネル（Ｕｍ）を経て受信者へ送信する、
   ことを特徴とする方法。
2. 特定形式のデータを表わすフレーム（Ｆ）を、両当事者が知っている実質的に全てのアルゴリズムで圧縮し、
   それに続くフレーム（Ｆ）を、手前のフレーム（Ｆ）において最良の結果を生じたアルゴリズムで最初に圧縮し、
   当該アルゴリズムで圧縮されたフレーム（Ｆ）の長さが、その時点まで最良のアルゴリズムで圧縮されたフレーム（Ｆ）の長さを越える場合には、他のアルゴリズムの実行の継続を中止する、請求項１に記載の方法。
3. 上記送信者は、圧縮されているフレームが該送信者に割り当てられたタイムスロットにおいて送信されるよう確保するために監視時間を設定し（２０５）、
   上記送信者は、上記監視時間が経過したときに（２２５）、その時点までに最良の圧縮結果を生じた圧縮アルゴリズムで圧縮された上記フレーム（Ｆ）を送信する（２３５）、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 上記ヘッダ区分（１）は、ヘッダ区分について最適化された圧縮アルゴリズムで圧縮され、
   少なくとも２つの圧縮アルゴリズムによる圧縮は、上記データ区分（２）のみに対して適用される、請求項１から請求項３のいずれかに記載の方法。
5. 上記少なくとも１つの低速送信チャンネル（Ｕｍ）が無線インターフェイス（Ｕｍ）である、請求項１から請求項４のいずれかに記載の方法。
6. 少なくとも１つの低速送信チャンネル（Ｕｍ）を含むテレコミュニケーションシステムにおいてデータを圧縮して送信する手段を具備する送信装置であって、
   送信されるべきデータを、少なくともヘッダ区分（１）及びデータ区分（２）を含むフレーム（Ｆ）へと組み立てる手段と、
   少なくとも幾つかのフレーム（Ｆ）の少なくとも１つの区分（１，２）を送信前に圧縮する手段と、
   少なくとも２つの異なる圧縮アルゴリズムを実行する手段と、
   少なくとも幾つかのフレーム（Ｆ）の少なくとも１つの区分（１，２）を上記少なくとも２つの異なる圧縮アルゴリズムで圧縮する手段と、
   最良の圧縮比を生ずる圧縮アルゴリズムを選択する手段と、を具備し、
   圧縮のための限定された時間を有しており、
   さらに、
   上記圧縮のための限定された時間の終わりに、その時点までに最良の圧縮結果を生じた圧縮アルゴリズムで圧縮された、上記少なくとも幾つかのフレーム（Ｆ）の少なくとも１つの区分（１，２）を、低速送信チャンネル（Ｕｍ）を経て受信者へ送信する手段を具備する、ことを特徴とする送信装置。
7. 少なくとも幾つかの上記フレーム（Ｆ）のヘッダ区分（１）を、ヘッダ区分について最適化された圧縮アルゴリズムで圧縮する手段と、
   少なくとも幾つかの上記フレーム（Ｆ）のデータ区分（２）のみに対して上記少なくとも２つの異なる圧縮アルゴリズムで圧縮する手段と、
   を具備する、請求項６に記載の送信装置。

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