JP4255840B2 - 第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法およびシステム - Google Patents

第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法およびシステム Download PDF

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Description

本発明は、包括的には、複数のネットワークと、それらのネットワークのいずれか１つに接続可能な端末とを有する通信システムに関し、特に、複数のネットワークの動的選択およびアクセスを最適に行う方法およびシステムに関する。
図１に示すように、通信ネットワーク１００に対して、２つの端末１１０−１１１を接続するすべての物理リンク１０１およびノード１０２としてパスが定義される。ノードは、ルータ、ブリッジ、ゲートウェイ等であり得る。通信ネットワーク１００の伝送媒体は、例えば、ケーブル、ファイバ、有線、無線、衛星等であり得る。端末１１０−１１１は、ネットワーク１００経由でデータを送信または受信することが可能ないかなるタイプのデバイスでもよい。例えば、ケーブルネットワークでは、端末１１０はコンテンツサーバまたはウェブサーバであることが可能であり、端末１１１はセットトップボックス経由でネットワークに接続されたテレビであることが可能である。無線ネットワークでは、端末は電話機、コンピュータ、ＰＤＡ等であり得る。アプリケーションに応じて、端末は、どの時点においても、通信信号の発信元もしくは宛先またはその両方であり得る。
パスを選択する従来の手法は、まずネットワークを選択した後、何らかの所望のコストすなわち「目的」に基づいて、選択されたネットワーク内のパスを選択する。目的は、所定の目的関数を評価することによって達成され得る。目的関数は、金銭的コスト、帯域幅、容量、リンク利用率、サービス品質（ＱｏＳ）等のような複数の因子を考慮することができる。いくつかの因子を最小化する一方で、他を最大化することが可能である。例えば、一部のユーザはコストがどうあろうとも帯域幅およびＱｏＳを最大化することを望むが、別のユーザはパフォーマンスが劣化してもコストを最小化することに関心があるかもしれない。
いずれの場合でも、目的関数は一度評価され、目的関数を最も良く満足する最適パスが選択され、接続が確立される。選択されたネットワークおよびパスはその後、接続の存続期間、すなわちデータアクセスサービスを提供するセッションの間、端末によるすべてのアクセスのために使用される。図１において、このパスは太線で示されている。すなわち、パスの選択は静的であり、単一ネットワークに対するものである。
最適パスを選択する種々の方法が既知である。例えば、R. Bhandri「Algorithms for Diverse Routing」(Kluwer Academic Publishers, 1999)、D. Bertsakas「Linear Network Optimization: The Algorithm and the Codes」(MIT press, 1991)、米国特許第６，３０１，２４４号「QoS-oriented one-to-all route selection method for communication networks」(Huang他、２００１年１０月９日発行)、および米国特許第６，１０４，７０１号「Method and system for performing a least cost routing function for data communications between end users in a multi-network environment」(Avargues他、２０００年８月１５日発行)、を参照されたい。
最も普及している方法に、周知のＤｉｊｋｓｔｒａアルゴリズム、幅優先探索（ＢＰＦ）最短パスアルゴリズム、およびＢｅｌｍａｎ−Ｆｏｒｄアルゴリズムがある。これらの方法は基本的に同じ原理で作用する。最適パスの選択は、そのパスを構成する個別リンクのコストの組合せに基づく。
例えば、Ｄｉｊｋｓｔｒａのアルゴリズムは、目的関数を重み付きリンクのグラフとしてモデル化する。関数は、その入力としてルート頂点が与えられると、その出力として、グラフ上の各頂点に対するラベルを返す。重みがリンクの長さを表す場合、各頂点ラベルは、ルート頂点から特定の頂点までの最短パスの長さを表す。こうしてこのアルゴリズムは、グラフ上の所与の頂点から他の各頂点までたどる最短パスを求める。
米国特許第６，３４３，１２２号「Method and apparatus for routing traffic in a circuit-switched network」（Andersson、２００２年１月２９日発行）には、回線交換ネットワークにおいてトラフィックをルーティングする方法および装置が記載されている。この特許は、発呼端末と宛先端末の間に複数の経路を含む単一の電気通信ネットワークにおいて、時間変化するコストパラメータとは無関係にトラフィックを切り替えることに関するものであるが、通信切替において使用される複数のネットワークを有するシステムにおいて時間変化する目的を考慮してトラフィックを切り替えることに関するものではない。この方法は、発信ノードと宛先ノードの間の呼にそれらのノード間の好適経路を提供し、好適経路が利用可能でない場合に中間ノード経由の代替経路を提供し、２つのノード間のリンクについてそれらの２つのノード間のリンクに沿った直接呼に対してある一定数の回線を予約するための第１トランク予約しきい値を設定し、代替経路の第２リンクを接続するノード間の呼に対して第２トランク予約しきい値を設定することを含む。
米国特許第６，３２７，２４５号「Automatic channel switching for jamming avoidance in burst-mode packet data wireless communication networks」（Satyanarayana他、２００１年１２月４日発行）は、多数のノードが中央コンピュータと通信する無線ネットワークの分野に関する。その発明は特に、そのようなシステムにおいてジャミングを回避することに関する。その発明は、単一チャネルの通信を使用する。
米国特許第６，２７８，８７８号「Mobile communications system with portable terminal for facilitating channel switching」（Noda、２００１年８月２１日発行）には、移動通信システムが記載されている。移動体システムにおいて、端末が動き回るとともにその移動端末との通信がある基地局から別の基地局に移る時であっても、その携帯端末は通信セッションを実質的に終了することなく連続的に使用可能である。
米国特許第６，１６３，５２６号「Transmission system for switching connection from a working channel line to a protection channel line while avoiding instantaneous cutoff upon failure」（Egoshi、２０００年１２月１９日発行）は、冗長構成において現用チャネルラインおよび保護チャネルラインによってリンクされた複数の端末を有する伝送システムに関する。このシステムでは、現用チャネルラインに障害が生じた時、瞬断が起こらないようにしながら現用チャネルラインから保護チャネルラインに接続が切り替えられる。このシステムは、障害がなくても、現用チャネルから保護チャネルに切り替えたい場合があるという可能性を考慮していない。
米国特許第５，９９５，８０７号「Method of switching a channel from a first propagation path to a second propagation path」（Magnier他、１９９９年１１月３０日発行）には、移動局のための衛星通信ネットワークが記載されている。ネットワークは「切替ダイバーシティ」モードで動作する。このモードでは、第１局（例えば基地局）と第２局（例えば移動端末）の間の呼設定が、２つの伝搬パス、すなわち現在のパスと次のパスのそれぞれの信号対雑音比を表す値の測定に基づいて、２つの伝搬パスのいずれか一方を通じて、すなわち２つの異なる衛星の一方を経由して、送信されることが可能である。
米国特許第５，９７０，０５０号「Allocating communication traffic」（Johnson、１９９９年１０月１９日発行）には、第１ノードから第２ノードへの通信ネットワークを通る複数の可能な経路の１つを選択する方法が記載されている。この方法は、経路のコストの範囲と経路のトラフィック密度の間の関係を規定することを含む。この関係は、少なくとも１つの変曲点を有する曲線によって表される。この方法は、それぞれの可能な経路についてトラフィック密度を監視し、それを使用して上記関係に従って各可能経路のコストを設定する。上記関係により設定される各可能経路のコストに応じて、可能経路の１つが選択される。
米国特許第５，８２８，６５５号「Hybrid access system with quality-based channel switching」（Moura他、１９９８年１０月２７日発行）には、クライアント−サーバ環境で使用するための非対称ネットワーク通信システムが記載されている。このシステムは、同一または異なる通信媒体上で、異なる速度および／または異なるプロトコルで動作する独立のフォワードおよびリターンチャネルを有し、それによって共有リソースの効率的利用を行う。ハイブリッドアクセスシステムのようなネットワークマネージャが、ホストサーバから共用下り媒体に結合した複数のクライアントデバイスへのフォワード（下り）チャネル上でパケット化データを送信する一方で、それと同時に、クライアントデバイスからホストサーバへの共用または専用リターン（上り）チャネル上で、リターンチャネルの帯域幅可用性、帯域幅需要、サービスレベル権限等に応じて、選択可能な複数の、より低い動作速度を提供する。フォワードおよびリターンチャネルは、ＣＡＴＶネットワーク、直接放送衛星ネットワーク、テレビまたはラジオＲＦ放送ネットワーク、無線または移動体セルラ設備等を含む同一または異なる通信媒体上に配置され得る。リターンチャネルはＰＳＴＮ上に存在してもよく、ホストサーバに直接結合するか、または後でホストサーバへの送信を行うためにネットワークマネージャに接続される。ネットワークマネージャは、フォワードおよびリターン通信の処理または制御を行うことによって、ホストと、選択されたクライアントデバイスの間の双方向全二重リアルタイムネットワークセッションを確立する。ネットワークマネージャは、ホストへ送信される信号の品質に基づいて上りチャネル割当てを切り替える。このシステムは、読み取られた条件に基づいて上り送信パワーの変更を行う。
米国特許出願第０９／８６２，８９９号「Method and system for assigning circuits to a new service request in a communications network」（２００１年５月２２日出願、SahinogluおよびPorikli）には、ネットワークに対するアプリケーションサービス要求の承認決定の方法が記載されている。この方法は、サービス要求が認められて利用可能チャネル上に配置された後のチャネル管理を含まない。
一般に、従来技術の方法を使用する場合の主な欠点は、最初にネットワークおよびパスが選択されてから、後の時点において、他のネットワークおよび他のパスのほうが目的関数をより良好に満足するかもしれないことである。その場合、選択されたパスはもはや最適パスではない。従来技術の方法に基づくと、複数のネットワークの可用性を最適な方法で活用する手段は存在しない。
図１に示したもののように、ネットワークを通じてマルチメディアコンテンツを生成、送信および受信する基盤を構築する多くの要素が知られている。例えば、ＭＰＥＧ−２およびＭＰＥＧ−４のような標準は、オーディオおよびビデオコンテンツの効率的な放送および配信において重要な役割を果たしている。ＩＳＯ／ＩＥＣ １３８１８：１９９５「Information Technology-Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio」およびＩＳＯ／ＩＥＣ １４４９６：１９９９「Information Technology-Coding of Audio-Visual Objects」をそれぞれ参照されたい。ＩＰネットワークを通じてのトランスポートのために、ＩＥＴＦによって規定された種々の仕様が存在する。例えば、「RTP: A Transport Protocol for Real Time Applications」（ＲＦＣ １８８９、１９９６年１月、Schulzrinne他）、および「RTP Payload Format for MPEG-4 Audio/Visual Streams」（RFC 3016、２０００年１１月、Kikuchi他）を参照されたい。さらに、マルチメディアコンテンツの検索および取り出しのために、ＭＰＥＧ−７は、標準化された記述子および記述スキームのセットを提供している。ＩＳＯ／ＩＥＣ １５９３８：２００１「Information Technology-Multimedia Content Description Interface」を参照されたい。
しかし現在のところ、これらの要素が、既存か開発中かを問わず、相互にどのように関係するかを記述した標準はない。将来のＭＰＥＧ−２１標準（公式には、ＩＳＯ／ＩＥＣ ２１０００、「Information Technology-Multimedia Framework」という）の主な目的は、これらが相互にどのように関係するかを記述することである。ＭＰＥＧと他の標準化団体の間の協力を通じて、既存の、またはこれから開発される種々の仕様が１つのマルチメディアフレームワークに統合されると期待される。ＭＰＥＧ−２１の全体的構想は、広範囲のネットワークおよびデバイスにわたるマルチメディアリソースの透過的で強力な利用を可能にするためのマルチメディアフレームワークを規定することである。
ＭＰＥＧ−２１フレームワーク内で、トランザクションの基本単位は「ディジタルアイテム」と呼ばれる。ディジタルアイテムは、標準的な表現および識別を有する構造化されたディジタルオブジェクトとして定義される。ディジタルアイテムは、リソース（コンテンツ）および関連する記述子を含む。リソースは、ＭＰＥＧビデオ、ＭＰ３オーディオファイル等の個々のマルチメディア資産を含むことができる。記述子は、コンテンツ識別およびコンテンツベースの記述子（例えばＭＰＥＧ−７記述）のような、リソースの内部に関する記述情報を含む。提案されているフレームワークは現在のところ、ネットワーク条件、端末特性、およびユーザプリファレンスのような外部記述を考慮していない。
ＭＰＥＧ−２１は最近、ＩＳＯ／ＩＥＣ ２１０００のＰａｒｔ ２であるディジタルアイテム宣言（ＤＩＤ）を策定しており、２００２年５月に国際標準となることが予定されている。ＤＩＤの目的は、ディジタルアイテムの構成および構造を宣言することである。ＸＭＬベースのディジタルアイテム宣言言語（ＤＩＤＬ）が策定されている。ＤＩＤＬは、階層的でフレキシブルなメタデータ表現と、再利用可能で設定可能な要素とを提供する一般的構造である。相互運用性のあるフレームワークを可能にし、種々のアプリケーションをサポートするためには、これらの記述子が標準化された方法で指定されることが重要である。
最適なネットワークおよびパスの選択のためにも使用可能な記述子を提供することが所望される。さらに、利用可能なネットワーク内で端末がアクティブにリソースを送受信する間に、その選択が動的に変更可能であることが所望される。
方法およびシステムは、第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する。記述パーサによって、環境記述が取得され、ルールのセットを使用してコストパラメータへと解析される。目的関数がコストパラメータを評価することによって、スイッチを用いて複数のネットワークを通じて第１端末を第２端末に接続するための最適パスを決定する。最適パスの選択は、特定のアプリケーションセッション中に周期的に行うことが可能である。
序論
本発明は、複数のネットワークにおいて最適通信パスを動的に選択するシステムおよび方法を述べる。各ネットワークは、サービスの要求時に相異なる容量および利用可能帯域幅を有し得る。さらに、各ネットワークは時変および時間独立なコストパラメータによって規定される。
複数のネットワーク
図２は、本発明による動的最適パス選択が行われる複数のネットワーク（ネットワーク１、２、...、Ｎ）２００を示している。最適パスは、端末２０１−２０２を接続する。本発明は、以下でさらに詳細に説明するように、スロット化時間手法により最適パス選択をモデル化する。タイムスロットは、トラフィック特性とは無関係でも、それに依存してもよく、またすべての利用可能なネットワークにおける時間的コスト変化に基づいてもよい。例えばビデオアプリケーションでは、タイムスロットは、単一ビデオフレーム、またはピクチャ群（ＧＯＰ）の持続時間であり得る。
太線のパス３０３は、接続が確立された時に最初に選択された最適パスを示す。破線のパス３０４は、後のある時点で動的に選択された最適パスを示す。従来技術とは異なり、最適パスには、複数のネットワークを通るリンクを含むものがあり得る。
システムの構成
図３は、本発明による動的最適パス選択を実行するシステムおよび方法３００を示している。システム３００は、端末２０１（例えばマルチメディアデータベースを格納するコンテンツサーバ）を端末２０２（例えば、セットトップボックス経由でネットワークに接続されたテレビのようなクライアントデバイス）に接続する図２の複数（Ｎ個）のネットワーク２００を含む。
システム３００はまた、記述パーサ３１０、コンテンツ適応エンジン３２０、目的関数エバリュエータ３３０、およびスイッチ３４０も含む。
システムの動作
特定のアプリケーション（例えばビデオオンデマンド（ＶＯＤ））に対するシステム３００の動作中、記述パーサ３１０は、環境記述４００（例えば複数のネットワーク２００の動作特性）を周期的に取得する。環境記述４００については以下でさらに詳細に説明する。コスト、帯域幅、利用率、および容量のようなネットワークの動作環境を記述する特性を取得する方法は周知である。
環境記述４００は、スキーマすなわちルールのセット３１１に従って解析される（３１０）。ルールは、環境記述、および解析されるべきその他の記述を解析するために使用される文法を定義する。解析済み環境記述３１２（例えば、ネットワーク特性を記述するコストパラメータ）は、目的関数エバリュエータ３３０に渡される。エバリュエータは、以下でさらに詳細に説明するように、最適パスを周期的に選択するために、解析されたコストパラメータを用いて目的関数を最小化する。
コンテンツサーバ２０１は、記述パーサ３１０にコンテンツ記述３０２（例えば、上記のようなディジタルアイテムのＭＰＥＧ−７リソース記述）を提供する。コンテンツ記述もまたスキーマ３１１を用いて解析される（３１０）。スキーマは、解析されるべきそれぞれの異なる記述ごとに別々のルールのセットを含むことができると理解されるべきである。コンテンツアダプタ３２０は、コンテンツ３０３を受け取るとともに、解析済み環境記述および解析済みコンテンツ記述３０２も受け取る。
コンテンツ適応エンジン３２０は、コンテンツおよび環境記述に従ってコンテンツ３０３を適応させることができる。場合によって、コンテンツ適応は無動作のこともあり得る。適応済みコンテンツ３０４はスイッチ３４０に渡される。コンテンツの適応は、ある帯域幅３０５を要求することになる。帯域幅３０５は、評価中に考慮するためにエバリュエータ３３０に渡される。
帯域幅３０５および解析済み環境記述３１２を用いて、目的関数エバリュエータ３３０は、スイッチ３４０を使用していずれかのネットワーク２００内の最適なネットワークおよびパスを選択することによって、ある指定された期間、適応済みコンテンツ３０４を端末２０２に転送する。このプロセスは、長時間にわたり最適パスを動的に選択するために、更新される記述を用いて周期的に（例えば、各フレームまたはＧＯＰごとに）繰り返される。
図４は、上記のシステム３００の、より一般的な場合を示している。ここで、環境記述４００は、上記のようなネットワーク記述４０３、または任意個数の記述（例えば、ユーザプロファイル記述４０１、および端末記述４０２）の組合せを含む。一般の場合、組み合わされた環境記述４００が、パーサ３１０、エンジン３２０、およびエバリュエータ３３０によって使用される。
ネットワーク記述
Ｎ個のネットワーク２００のそれぞれは、ある特定の記述子４０３によって規定される。各ネットワークの動作条件は、エンドツーエンド遅延、遅延変動等の遅延特性、ビット誤り率、パケット損失率等の誤り特性、およびリンク容量、利用可能帯域幅、利用されている帯域幅等の帯域幅特性等によって記述される。コスト記述は、アプリケーションサービス品質コスト（ＱｏＳ）、および接続コストという２つの別個のコストに従って分類することができる。例えば、接続コストの低いアプリケーションは、ＱｏＳも低いかもしれない。他方、高いサービス品質のアプリケーションは、高コストのネットワークに接続される必要があるかもしれない。
図５は、環境記述を構成する複数のネットワーク２００およびコストパラメータのサンプル表示を示している。コンテンツサーバ２０１は、複数のネットワークを通じて端末２０２と通信することができる。その各ネットワークは、相異なる容量５０１、利用率レベル５０２、利用コスト５０３を有し得る。遅延および誤り特性のような他のネットワーク条件およびコストパラメータもまた記述可能である。これらのすべては、最適パスの選択中に評価され得る。さらに、これらのコストパラメータは通常、時間とともに変動する。
サービス要求側のリモート端末２０２との最適パスを選択し維持することはサーバ２０１の責任である。所与のＱｏＳ制約で最適パスを維持するために、上記のシステム３００は、あるネットワークから別のネットワークへ、または所与のネットワーク内で他のパスへとパスを切り替える能力を有する。本明細書では以下、異なるパスは、同一ネットワークまたは異なるネットワーク内の少なくとも１つの異なるリンクを含む。
図６は、ある無線ネットワーク例について、パスコストを時間の関数として示している。市内サービスの場合、コスト６０１は、挿入図６０２に示すように、午前７時から午後７時までの昼間には高く、午後７時から午前７時までの夜間には低い。長距離サービスの場合、コスト６０３は時間に関して一定である。さらに、コストは、ネットワークの動作および競合条件の変化に応じていつでも変化し得る。これは、サービスを提供している間、セッション継続中の特定のアプリケーションのためにどのネットワークを使用すべきかについてのサーバの決定を変化させ得る。サーバは、コストを縮小するためにいつでも、セッションまたはサービスを別のアクセスネットワークに切り替えることがあり得る。本明細書で説明される本発明は、このようなセッション中の最適接続パスの動的選択を可能にする。
図７ａは、チャネル容量を時間の関数として示し、図７ｂは、チャネル容量を距離の関数として示している。時間および距離とともに変動する容量は、特定のサービスのための利用可能な帯域幅に著しく影響することがある。例えば、帯域幅の減少は、サービスのパフォーマンスを劣化させ得るため、サービスプロバイダは、より良好なパス、または別のネットワークに切り替えたいと考えることがある。
図８は、リンク利用率を時間の関数として示している。いずれのネットワーク２００内の各リンクも、独自の最適リンク利用率しきい値（例えば、０．８未満）を有し得る。すでに利用率の高いリンクを通じてアプリケーションにサービスを提供することを承認すると、そのリンクを飽和に至らせる点まで利用率を増大させる可能性がある。飽和が起きれば、同じリンク上のすべてのアプリケーションのＱｏＳが劣化する。
環境記述
ネットワーク記述４０３に加えて、システム３００の動作に影響する種々の他の外部的すなわち環境的因子がある。これらの因子は、端末記述、配信記述、ユーザプリファレンス記述、および自然環境記述で指定することができる。これらの因子はすべて、環境記述４００のコストパラメータであり得る。
端末記述は、プロセッサ速度およびメモリ容量等のハードウェア特性、オペレーティングシステムのタイプ等のソフトウェア特性、画面解像度等のディスプレイ特性、ならびにサポートされる媒体フォーマット（例えばＭＰＥＧプロファイル／レベル）を示し得るデバイスプロファイル等の端末能力を指定することができる。
配信記述は、ＭＰＥＧ−２システム、ＴＣＰ／ＩＰおよびＲＴＰ等のサポートされるトランスポートプロトコルのタイプと、サポートされる接続のタイプ（例えばブロードキャスト、ユニキャスト、マルチキャスト）を指定する。
ユーザプリファレンスは、フィルタリングおよび検索プリファレンス、ブラウジングプリファレンス、表示プリファレンスおよびＱｏＳプリファレンス、ならびに性別および年齢等の人口統計情報を含む。
自然環境特性は、ＧＰＳ座標およびロケール等の位置、位置のタイプ（例えば、屋内、屋外、家庭またはオフィス）、移動端末の速度、ならびに端末の照明特性を含む。
上記に加えて、環境記述は、サービス記述を指定することも可能である。サービス記述はサービス能力を指定することができる。サービス能力は、特定ユーザの役割（例えば、コンテンツクリエータ、サービスプロバイダ、権利所有者、課金先または最終消費者）、ならびにその特定ユーザが提供するサービスのタイプ（例えば、コンテンツ作成、権利交渉、課金、コンテンツ適応およびトランスコーディング）、ネットワークの使用法およびコンテンツ消費量を含む。特定ユーザが権利所有者またはコンテンツクリエータであると仮定すると、環境記述は、許可される適応の許容可能タイプ（例えば、ビットレートは２Ｍｂ／秒を下回ってはならない、あるいはビデオの空間解像度は２分の１未満に低下してはならない）も含み得る。
コンテンツ適応エンジン
コンテンツ適応エンジン３２０の動作は、環境記述４００だけでなくコンテンツ記述３０２にも影響される。このような記述としては、米国特許出願第０９／５４７，１５９号「Video transcoding using syntactic and semantic clues」（１９９９年６月１５日出願、Vetro他）、またはＩＳＯ／ＩＥＣ １５９３８−５：２００１「Information Technology-Multimedia Content Description Interface: Part 5 Multimedia Description Schemes」に明細に記されているようなトランスコーディングヒントがある。
本発明とともに使用可能な多様なリソース適応エンジンがある。ビデオトランスコーディングの場合、リソース適応エンジンは、ビットレート減少（例えば、Sun他による「Architectures for MPEG compressed bitstream scaling」（IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology、１９９６年４月）を参照）、および空間解像度減少（例えば、米国特許出願第０９／８５３，３９４号「Video Transcoder with Spatial Resolution Reduction」（２００１年５月１１日出願、Vetro他）を参照）を考慮し得る。他の適応タイプとしては、ビデオサマリの生成（例えば、米国特許出願第０９／８４５，００９号「Method for summarizing a video using motion and color descriptors」（２０００年８月９日出願、Divakaran他）を参照）または圧縮フォーマットの変更（例えばＭＰＥＧ−２からＭＰＥＧ−４へ）があり得る。
米国特許出願第０９／４９６，７０６号「Adaptable Compressed Bitstream Transcoder」（２０００年２月２日出願、Vetro他、参照により本明細書に援用される）においては、トランスコーダが複数の変換モードのうちのいずれか１つで動作する。マネージャが、ビットストリームの意味内容およびネットワーク特性に応じて特定のモードを選択するように構成される。このシステムはまた、コンテンツ特性を判定するためのコンテンツクラシファイア、およびネットワーク特性を判定するためのモデルプレディクタも含み、ユーザデバイス特性に関する入力が受け取られる。マネージャのインテグレータが、ネットワークの利用可能なビットレートについて特定の変換モデルを選択するために使用すべき最適なレート−品質関数を生成する。
本発明は、リソース適応のためのいかなる既知の方法も使用し得る。特定のデバイスに組み込まれるコンテンツ適応エンジンの具体的能力は、ターゲットアプリケーションおよびターゲット適応デバイスに大きく左右される。
目的関数エバリュエータ
最適リンク切替基準は２つの場合で異なる。第１の場合（式（１）および図９を参照）には、トラフィックおよびチャネル特性の事前知識がある。第２の場合（式（５）および図１０を参照）には、トラフィックおよびチャネル特性の事前知識がなく、これらは予測される必要がある。文献にあるいかなる従来の方法も、新しい方法も、トラフィックおよびチャネル特性を予測するために使用可能である。
既知のトラフィックおよびチャネル特性による評価
再生アプリケーション（例えば、ビデオオンデマンド（ＶＯＤ）要求に対するサービス提供）の場合、トラフィック特性は事前に既知である。したがって、再生の継続時間全体にわたって、各タイムスロットごとのトラフィックビットレートおよびフレーム到着レート、ならびにアプリケーションの時間的帯域幅需要はあらかじめ決めることができる。パスのコストパラメータもまた既知である場合、最小コスト切替パターンを決定した後に、最適パスを選択し、アプリケーション要求にサービスを提供することができる。この最小コスト切替パターンは式（１）によって決定され、アプリケーションは、このすでに決定されたパターンに従って切り替えられる。この第１の場合、アプリケーションの全実行時間中に１回だけ決定がなされることが可能である。
図９は、トラフィックおよびチャネル特性が事前に既知である場合の複数の可能なパス（例えば、２個のパスｉおよびｊ）の選択をモデル化している。このモデルは、以下でさらに詳細に説明するように、枝を有するビタビ格子として評価され得る。それらのパスは、同一ネットワークにあっても、発信元端末と宛先端末の間に極めて異なる伝送媒体を有する複数のネットワークにあってもよい。パスのリンクは、時変および時不変目的関数と関連づけて定義される。本発明による動的最適パス選択は、スロット化時間手法でモデル化される。変数ｍはタイムスロットにインデックスを付けるために使用され、変数ｎは特定の周期的評価に対して使用されるタイムスロットの最大個数である。
図９および図１０、ならびに式１および式５におけるパラメータは次のように定義される。
Ｃｉｊ（ｎ１，ｎ１＋１）：ｉ≠ｊの場合、タイムスロットｍ＝ｎ１に始まるパスｉ上のアプリケーションをタイムスロットｍ＝ｎ１＋１に対してパスｊに切り替えるコスト。
Ｃｉｊ（ｎ１，ｎ１＋１）：ｉ＝ｊの場合、タイムスロットｍ＝ｎ１から始まるパスｉ上のアプリケーションをタイムスロットｍ＝ｎ１＋１に対してパスｊに保持するコスト。
Ｉ（ｎ１）：タイムスロットｍ＝ｎ１の間のパスｉの総コスト。
Ｊ（ｎ１）：タイムスロットｍ＝ｎ１の間のパスｊの総コスト。
Ｒ（ｎ１，ｎ１＋１）：タイムスロットｎ１とｎ１＋１の間のアプリケーショントラフィックのＱｏＳ要件を満たすコスト。これは、遅延および帯域幅制約、ならびに他のネットワーク特性の関数である。
（＾）・：予測値（（＾）・は、・の上に＾があることを表わします）。下記の式（５）および図１０を参照されたい。
アプリケーションに対するサービスがまずパスｉに割り当てられると仮定すると、目標は、セッションの存続期間全体を通して次の目的関数を最小化する解を求めることである。
Figure 0004255840
システムモデルは複数の枝を有する格子として表現されているので、ビタビ復号器を用いて最適解を求めることができる。
Ｒ（ｎ１，ｎ１＋１）がＣｉｊ（ｎ１，ｎ１＋１）よりも大きい場合、その枝は時間間隔（ｎ１，ｎ１＋１）に対して考慮されず、上記の目的関数から排除される。
タイムスロットｍ＝ｎ１におけるコストＩ（ｎ１）およびＪ（ｎ１）は次のように求められる。
Figure 0004255840
アプリケーションまたはセッションを同一パス上にタイムスロットｎ １ から次のタイムスロット（ｎ１＋１）まで保持することは、Ｉ（ｎ１）→Ｉ（ｎ１＋１）‖Ｊ（ｎ１）→Ｊ（ｎ１＋１）と表すことができる。このような場合、切替のコストはゼロである。
しかし、同一パス上にとどまることは他のコストを生じ得る。例えば、図６に示したように、午後７時００分以後は一部の接続は空きになる。したがって、コストパラメータＣｉｉ（ｎ１，ｎ１＋１）は具体的には次の２つの成分で表される：第１に、時間依存リンクコストパラメータｆｉｉ（ｎ１，ｎ１＋１）であり、第２に、トラフィック依存ＱｏＳコストパラメータｇｉｉ（ｒｎ１，ｕｎ１，ｂｎ１）である。ただし、ｒｎ１はタイムスロットｎ１におけるアプリケーション帯域幅需要、ｕｎ１はリンク利用率、ｂｎ１は挿入遅延である。
Figure 0004255840
ここで、αおよびβはｆ（・）およびｇ（・）に対するコスト重み関数である。
トラフィックおよびチャネルの予測特性による評価
トラフィックおよびチャネル特性の事前知識がない場合、図１０に示すように、次のタイムスロットに対するコストパラメータの予測値を使用しなければならない。決定は、各タイムスロットごとに式（５）の目的関数を最小化する切替方向を優先してなされる。
Figure 0004255840
この第２の場合、図１０に示すように、それぞれの「バタフライ」ごとに少なくともタイムスロット数と同数の決定がなされる。
サーバの機能
最適パスを動的に選択し維持するために、以下の因子を考慮してパス選択を行うことができる：発信元端末および宛先端末を接続することができるネットワークの個数、クライアント端末能力、例えば、ハードウェア特性（プロセッサ速度、メモリアーキテクチャ等）、デバイスタイプ（符号器、復号器、ゲートウェイ、ルータ、カメラ等）、ディスプレイのタイプおよび特性、リンク容量に対するトラフィックレートの比として各リンクの利用率を測定すること、ならびにアクセスネットワーク選択決定に対する入力としてユーザＱｏＳプリファレンスを処理すること。
各パスの遅延特性（エンドツーエンド遅延、遅延変動等）、誤り特性（ビット誤り率、パケット損失、バースト性、総バックグラウンドトラフィックの自己相似性レベル等）、帯域幅特性（リンク容量、帯域幅変動等）を測定し知ることができる能力は、コンテンツサーバによって使用されることが可能であり、それによって、ビデオシーケンスの解像度を適応させ、ストリームを別のフォーマットに変換することができる。このような解像度およびフォーマットの変更は、そのコンテンツを配信するためのネットワークの選択に直接影響する。
以上、本発明は好ましい実施形態の例として説明されたが、本発明の精神および範囲内で、他の種々の適応および変更をなし得ることが理解されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲内に入るすべてのそのような変形および変更を包含することである。
従来技術による静的パス選択が行われる単一ネットワークの図である。 本発明による動的パス選択が行われる複数のネットワークの図である。 本発明による複数のネットワークで動的パス選択を行うシステムおよび方法の流れ図である。 環境記述に基づいて動的パス選択を行うシステムおよび方法の流れ図である。 複数のネットワークおよび複数の選択目的のテーブルである。 無線ネットワークにおける時間の関数としてのコストのタイミング図である。 時間の関数としてのチャネル容量のグラフである。 ネットワーク距離の関数としてのチャネル容量のグラフである。 時間の関数としてのリンク利用率のグラフである。 トラフィックおよびチャネル特性についての事前知識のある複数のパスに対する最適スイッチング方法をモデル化する格子の図である。 トラフィックおよびチャネル特性についての事前知識のない複数のパスに対する最適スイッチング方法をモデル化する格子の図である。

Claims (28)

  1. 第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法であって、
    環境記述を取得すること、
    ルールのセットを用いて前記環境記述をコストパラメータへと解析すること、
    格子として目的関数をモデル化すること、
    前記コストパラメータとビタビ復号器を用いて前記目的関数を評価して、最小コストに対する解を求めること、及び
    前記第１端末を前記第２端末に接続するように、前記最小コストに基づいて前記複数のネットワークを通る最適パスを選択すること
    を含む第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  2. 前記環境記述は、前記複数のネットワークのそれぞれに対するネットワーク記述を含む
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  3. 前記複数のネットワークのそれぞれは複数のリンクを含み、前記ネットワーク記述の各々は各リンクの接続コスト、帯域幅、利用率、および容量を含む
    請求項２記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  4. 前記ネットワーク記述の各々は各ネットワークに対するエンドツーエンド遅延、遅延変動、誤り特性、およびパケット損失率を含む
    請求項２記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  5. 前記目的関数は
    Figure 0004255840
     であり、ただし、ｉ及びｊは複数のネットワークを通るパスであり、Ｃは最大ｎ個のタイムスロットを含む時間間隔に対して異なる最適パスを選択するコストであり、ｍはタイムスロットのインデックス（変数）であり、Ｒはサービス品質要件を満たすコストである
    請求項４記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  6. 前記環境記述は、各端末に対する端末記述を含む
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  7. 前記端末記述の各々は各端末に対するハードウェアおよびソフトウェア記述を含む
    請求項６記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  8. 前記環境記述は、配信記述を含む
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  9. 前記配信記述は、トランスポートプロトコルを指定する
    請求項８記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  10. 前記環境記述は、ユーザプリファレンス記述を含む
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  11. 前記ユーザプリファレンス記述は、フィルタリング、検索、ブラウジング、および表示プリファレンスを含む
    請求項１０記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  12. 前記ユーザプリファレンス記述は、ユーザ人口統計情報を含む
    請求項１０記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  13. 前記環境記述は、自然環境記述を含む
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  14. 前記自然環境記述は、各端末の位置および位置のタイプを指定する
    請求項１３記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  15. 前記環境記述は、サービス記述を含む
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  16. 前記サービス記述は、サービス能力を指定する
    請求項１５記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  17. 前記取得すること、解析すること、モデル化すること、評価すること、および選択することは周期的に実行され、特定の時間間隔に対して前記最適パスを動的に選択する
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  18. 前記最適パスは、前記複数のネットワークのサブセットを通る
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  19. 前記評価することは、コンテンツ帯域幅要件を考慮する
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  20. コンテンツのコンテンツ記述を取得すること、
    前記コンテンツ記述を前記コンテンツのコストパラメータへと解析すること、
    前記コンテンツの前記コストパラメータを用いて前記目的関数を評価すること、
    適応されたコンテンツ記述と適応された環境記述に従って前記コンテンツを適応させて、適応されたコンテンツを生成すること、及び
    前記選択された最適パスを通じて前記適応されたコンテンツを配信すること
    をさらに含む請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  21. 前記コストパラメータは既知である
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  22. 前記コストパラメータは予測される
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  23. 前記コストパラメータは、時間依存パスコストパラメータ、およびトラフィック依存サービス品質パラメータを含む
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  24. 前記ネットワークは、相異なる容量および相異なる利用可能帯域幅を有する
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  25. 前記ネットワークの各々は時変および時間独立なコストパラメータによって規定される
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  26. 前記第１端末はビデオを送信するように構成されたコンテンツサーバであり、
    前記第２端末は前記ビデオを受信するように構成されたクライアント端末である
    請求項１記載の第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
  27. 第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続するシステムであって、
    前記複数のネットワークの環境記述を周期的に取得し、コストパラメータへと解析する環境パーサと、
    格子として目的関数をモデル化する手段と、
    前記目的関数を評価して、前記コストパラメータ及びビタビ復号器を用いて最小コストを求めるエバリュエータと、
    前記最小コストに基づいて前記複数のネットワークを通る最適パスを選択する手段と、
    所定期間の間、前記最適パス経由で前記第１端末を前記第２端末に接続するスイッチと
    を備える第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続するシステム。
  28. 第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法であって、
    環境記述を取得すること、
    ルールのセットを用いて前記環境記述をコストパラメータへと解析すること、
    前記コストパラメータを用いて目的関数を評価すること、
    前記第１端末を前記第２端末に接続するように、最小コストに基づいて前記複数のネットワークを通る最適パスを選択すること、
    コンテンツのコンテンツ記述を取得すること、
    前記コンテンツ記述を前記コンテンツのコストパラメータへと解析すること、
    前記コンテンツの前記コストパラメータを用いて前記目的関数を評価すること、
    適応されたコンテンツ記述と適応された環境記述に従って前記コンテンツを適応させて、適応されたコンテンツを生成すること、及び
    前記選択された最適パスを通じて前記適応されたコンテンツを配信すること
    を含む第１端末を複数のネットワーク経由で第２端末に接続する方法。
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