JP4309185B2 - ストリーミング・メディアの輻輳制御メカニズム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、データ・ビットストリームに関するものであり、より具体的には、ストリーミング・メディア用の改善された輻輳制御メカニズムを提供する方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アクセス帯域幅が着実に拡大するにつれて、ストリーミングによる音声および映像コンテンツの利用を始めるインターネット・アプリケーションがますます増えてきている。現在のインターネットは本質的に異機種接続の動的ベスト・エフォート方式ネットワークであるため、チャネル帯域は通常、６４ｋｂｐｓ未満のビット・レートから１Ｍｂｐｓを優に超えるビット・レートまで広い範囲にわたり揺らいでいる。このことは、滑らかな再生体験と最高の利用可能映像品質を提供するうえで、映像符号化とストリーミングの技術に対してやりがいのある大きな問題をもたらしている。
【０００３】
例えば、従来のストリーミング映像は、インターネットを介した場合、ＴＦＲＣ付きのＴＣＰまたはＵＤＰを使用して送信される。これの問題点は、パケット損失が発生すると、送信レートが、例えば半分にまで、急激に低下することがありうるという点である。これは、通常、今のところインターネットを致命的な輻輳破綻から守っているレート制御メカニズムのせいである。しかし、このような急激な送信レート低下は、ストリーミング映像にはきわめて望ましくない品質の大幅な低下をもたらすことがある。
【０００４】
さまざまな、よくある、常習的な帯域幅揺らぎに加えて、現在のインターネットのストリーミング・アプリケーションは、利用可能なネットワーク／チャネル帯域幅の正確な推定を欠く傾向にある。そのため、そのアプリケーションは利用可能なネットワーク資源をフルに使用できなかったり、かつ／またはネットワークが輻輳状態にはいったときに、積極的に送信レートを調整することができなかったりすることがよくある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、インターネットおよびその他の同様のネットワークで、ストリーミング・メディア・アプリケーションとともに使用する改善された方法と装置が必要となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の例示的実装例では、少なくとも１つのネットワーク接続でのスループットを推定する方法が示されている。この方法は、ネットワーク接続に関連付けられたパケット・サイズ情報、往復時間情報、およびパケット損失情報を決定すること、このネットワーク接続のスループットを、この決定された情報を考慮する対数関数を使用して、推定すること、を含んでいる。
【０００７】
他の例示的実装例では、少なくとも１つのネットワーク接続の確立に使用するように構成可能な少なくとも１つのネットワーク・インターフェースを備える装置が提示される。論理回路は、ネットワーク・インターフェースに動作可能なように結合され、ネットワーク接続で送信するデータのパケット・サイズ情報、ネットワーク接続に関連する往復時間情報、およびネットワーク接続に関連するパケット損失情報を決定するように構成される。この論理回路は、パケット・サイズ情報、往復時間情報、およびパケット損失情報を考慮する対数関数を使用してネットワーク接続のスループットを推定する。
【０００８】
本発明は、例を用いて説明されているが、付属の図面の図の制限を受けることはない。類似のコンポーネントおよび／または条項を参照するため図全体を通して同じ番号を使用する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｔｏｃｏｌ（ＴＣＰ）は、インターネット、イントラネット、およびその他の類似のネットワークの圧倒的な成功における重要な要因となっている。例えば、現在のインターネットの安定性は、エンド・ツー・エンドの輻輳制御メカニズム（congestion control mechanisms）に、大いに依存している。現在の輻輳メカニズムは、Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｉｎｃｒｅａｓｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｖｅ Ｄｅｃｒｅａｓｅ（ＡＩＭＤ；加法的増加と乗法的減少）アルゴリズムを使う傾向にある。しかし、ＡＩＭＤアルゴリズムについての本質的に控えめな動作特性と急激に変化する動作特性は、頻繁なレートの揺らぎ（rate fluctuations）をもたらし、それが到来すると、メディア・ストリーミング・アプリケーションをユーザが体験する上での品質、例えばその結果得られるストリーミング映像アプリケーションの視覚的な品質に、急激な低下を生じさせる。現在のインターネットのベスト・エフォート方式の伝送能力では、多くストリーミング・メディア・アプリケーションに対して、十分なｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｓｅｒｖｉｃｅ（ＱｏＳ）が保証されないのが普通である。
【００１０】
このようなかつ／または同様のやりがいのある問題に対処するため、広範な研究が実施されている。例えば、映像符号化の分野では、レート・スケーラビリティ（rate scalability）およびエラー・リカバリに、かなりの大きな注目が集まっている。これらの例の１つに、ＭＰＥＧ−４のＦｉｎｅ Ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ Ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ（ＦＧＳ）プロファイルがあり、これは、ＤＣＴ残差（DCT residues）のビットプレーン符号化（bit-plane coding）によって、広いレート範囲にわたってビットストリームをデコード可能とすることを可能としている。帯域幅に柔軟性があるにもかかわらず、ＦＧＳは、符号化効率において、悪化する傾向を有している。拡張版として、Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ＦＧＳ（ＰＦＧＳ）は、より高い品質基準（quality references）を使用して、符号化効率を改善する方式を提供する。
【００１１】
この説明のために、映像ストリーミングの例は、基本的な映像符号化フレームワークとしてみなされるＰＦＧＳを使用して提供される。しかしながら、当業者であれば、本明細書で取りあげている方法および装置は、他のメディア符号化フレームワーク、アプリケーション、および／または環境にも適応／適用できることを理解するであろう。
【００１２】
映像伝送およびネットワーキングの分野では、現在のＴＣＰの流れに対して公平性（fairness）を保持しながら送信レートを滑らかにすることを目指す、多くのＴＣＰ−ｌｉｋｅ ａｎｄ ＴＣＰ−ｆｒｉｅｎｄｌｙ輻輳制御メカニズムが開発されている。これらの提案メカニズムのうち、ＴＣＰ−Ｆｒｉｅｎｄｌｙ Ｒａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＴＦＲＣ）は、その公平性と相対的滑らかさのために、最も成熟しているもののひとつである。
【００１３】
本発明のいくつかの実装ではＬｏｇａｒｉｔｈｍ−ｂａｓｅｄ ＴＣＰ−ｆｒｉｅｎｄｌｙ Ｒａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ（Ｌ−ＴＦＲＣ）アルゴリズムが提示されている。Ｌ−ＴＦＲＣアルゴリズムに基づく輻輳制御メカニズム群を方法、装置、および／またはシステムの形で開発することができる。
【００１４】
他のＴＣＰ−ｌｉｋｅ ｏｒ ＴＣＰ−ｆｒｉｅｎｄｌｙメカニズムとは異なり、ＴＣＰ上のＬ−ＴＦＲＣアルゴリズムの公平性のレベルは簡単に制御できる。これは、一般にストリーミング・メディア・アプリケーションに対して望ましい機能である。それと同時に、Ｌ−ＴＦＲＣアルゴリズムでは、滑らかさと輻輳回避特性はそのまま温存される。
【００１５】
いくつかの実装例によれば、Ｌ−ＴＦＲＣアルゴリズムでは、ネットワーク接続で利用可能な帯域幅を積極的に推定し、ストリーミング・メディアの送信レートを円滑化する。このようなアルゴリズムを使用すると、例えば、ＦＧＳ／ＰＦＧＳなどのスケーラブルな映像コーデックなどを含む論理回路は、その推定に応じて送信レートを調整し、そのネットワークなどの効率を高めるといったことが可能になる。
【００１６】
動作環境の例：
図面では類似の参照番号は類似の要素を指しており、本発明は適当なコンピューティング環境で実装されているものとして説明されている。必要というわけではないが、本発明について、パーソナル・コンピュータによって実行されるプログラム・モジュールなどのコンピュータ実行可能命令の一般的文脈において説明する。
【００１７】
一般に、プログラム・モジュールには、特定のタスクを実行する、あるいは特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などが含まれる。当業者には、本発明が、携帯型デバイス、マルチ・プロセッサ・システム、マイクロ・プロセッサ・ベースのまたはプログラム可能な家電製品、ネットワークＰＣ、ミニ・コンピュータ、メインフレーム・コンピュータ、携帯通信機器などの他のコンピュータ・システム構成でも実施できることは明白であろう。
【００１８】
本発明はさらに、通信ネットワークを介してリンクされているリモート処理デバイスによりタスクが実行される分散コンピューティング環境で実施することも可能である。分散コンピューティング環境では、プログラム・モジュールをローカルとリモートの両方のメモリ記憶デバイスに配置できる。
【００１９】
図１は、後述のシステム、装置、および方法を実装できる適当なコンピューティング環境１２０の一実施例を示している。コンピューティング環境例１２０は、適当なコンピューティング環境の一例にすぎず、本明細書で説明している改善された方法およびシステムの使用または機能の範囲に関する制限を示唆することは意図していない。またコンピューティング環境１２０は、コンピューティング環境１２０に示されているコンポーネントの１つまたは組合せに関係する依存性または要求条件があると解釈されるべきではない。
【００２０】
本明細書の改善された方法およびシステムは、さらに、他の多数の汎用または専用コンピューティング・システム環境または構成で動作する。適していると思われるよく知られているコンピューティング・システム、環境、および／または構成の例として、パーソナル・コンピュータ、サーバ・コンピュータ、シン・クライアント（thin client）、シック・クライアント（thick client）、ハンドヘルドまたはラップトップ・デバイス、マルチ・プロセッサ・システム、マイクロ・プロセッサ・ベース・システム、セットトップボックス、プログラム可能家電製品、ネットワークＰＣ、ミニ・コンピュータ、メインフレーム・コンピュータ、上記システムのどれかを含む分散コンピューティング環境などがある。
【００２１】
図１に示されているように、コンピューティング環境１２０は、コンピュータ１３０の形で汎用コンピューティング・デバイスを備える。コンピュータ１３０のコンポーネントは、１つまたは複数のプロセッサまたは処理装置１３２、システム・メモリ１３４、およびシステム・メモリ１３４などの各種システム・コンポーネントをプロセッサ１３２に結合するバス１３６を備える。
【００２２】
バス１３６は、メモリ・バスまたはメモリ・コントローラ、周辺機器バス、グラフィック専用高速バス、およびさまざまなバス・アーキテクチャを使用するプロセッサまたはローカル・バスを表している。例えば、このようなアーキテクチャとしては、Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ（ＩＳＡ）バス、Ｍｉｃｒｏ Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ（ＭＣＡ）バス、Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＩＳＡ（ＥＩＳＡ）バス、Ｖｉｄｅｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ（ＶＥＳＡ）ローカル・バス、およびＭｅｚｚａｎｉｎｅバスとも呼ばれるＰｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ（ＰＣＩ）バスがある。
【００２３】
コンピュータ１３０は通常、さまざまなコンピュータ読み取り可能メディアを含む。このようなメディアは、コンピュータ１３０からアクセス可能な有効なメディアであればよく、揮発性および不揮発性メディア、取り外し可能および取り外し不可能メディアの両方を含む。
【００２４】
図１では、システム・メモリ１３４は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）１４０などの揮発性メモリおよび／または読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）１３８などの不揮発性メモリの形式のコンピュータ読み取り可能メディアを備える。起動時などにコンピュータ１３０内の要素間の情報伝送を助ける基本ルーチンを含む基本入出力システム（ＢＩＯＳ）１４２は通常、ＲＯＭ１３８に格納される。通常、ＲＡＭ１４０には、プロセッサ１３２に直接アクセス可能な、かつ／または現在操作されているデータおよび／またはプログラム・モジュールを格納する。
【００２５】
コンピュータ１３０はさらに、その他の取り外し可能／取り外し不可能な揮発性／不揮発性コンピュータ記憶メディアを備えることもできる。例えば、図１は、取り外し不可能な不揮発性磁気メディアの読み書きを行うハード・ディスク・ドライブ１４４（図には示されておらず、通常「ハード・ドライブ」と呼ばれる）、取り外し可能な不揮発性磁気ディスク１４８（例えば、「フロッピー（登録商標）ディスク」）の読み書きを行う磁気ディスク・ドライブ１４６、およびＣＤ−ＲＯＭ／Ｒ／ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ／Ｒ／ＲＷ／＋Ｒ／ＲＡＭ、またはその他の光メディアなどの取り外し可能な不揮発性光ディスク１５２の読み書きを行う光ディスク・ドライブ１５０を示している。ハード・ディスク・ドライブ１４４、磁気ディスク・ドライブ１４６、および光ディスク・ドライブ１５０はそれぞれ、１つまたは複数のインターフェース１５４によりバス１３６に接続されている。
【００２６】
ドライブおよび関連コンピュータ読み取り可能媒体は、コンピュータ１３０用のコンピュータ読み取り可能命令、データ構造、プログラム・モジュール、およびその他のデータを格納する不揮発性ストレージを備える。本発明で説明している環境例ではハード・ディスク、取り外し可能磁気ディスク１４８、および取り外し可能光ディスク１５２を採用しているが、当業者であれば、磁気カセット、フラッシュ・メモリ・カード、デジタル・ビデオ・ディスク、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）などのコンピュータからアクセス可能なデータを格納できる他のタイプのコンピュータ読み取り可能媒体もオペレーティング環境例で使用できることも理解するであろう。
【００２７】
ハード/ディスク、磁気ディスク１４８、光ディスク１５２、ＲＯＭ１３８、またはＲＡＭ１４０には、オペレーティング・システム１５８、１つまたは複数のアプリケーション・プログラム１６０、その他のプログラム・モジュール１６２、およびプログラム・データ１６４などのプログラム・モジュールをいくつでも格納できる。
【００２８】
本明細書で説明している改善された方法およびシステムは、オペレーティング・システム１５８、１つまたは複数のアプリケーション・プログラム１６０、その他のプログラム・モジュール１６２、および／またはプログラム・データ１６４で実装することができる。
【００２９】
ユーザは、キーボード１６６およびポインティング・デバイス１６８（「マウス」など）などの入力デバイスを使用してコンピュータ１３０にコマンドおよび情報を入力することができる。他の入力デバイス（図に示されていない）としては、マイク、ジョイスティック、ゲーム・パッド、衛星放送受信アンテナ、シリアル/ポート、スキャナ、カメラなどがある。これらの入力デバイスやその他の入力デバイスは、バス１３６に結合されているユーザ入力インターフェース１７０を介して処理装置１３２に接続されるが、パラレル・ポート、ゲーム・ポート、またはユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）などの他のインターフェースおよびバス構造により接続することもできる。
【００３０】
モニタ１７２やその他のタイプの表示デバイスも、ビデオ・アダプタ１７４などのインターフェースを介してバス１３６に接続される。モニタ１７２に加えて、パーソナル・コンピュータは通常、スピーカやプリンタなどの他の周辺出力デバイス（図に示されていない）を備え、これらは、出力周辺インターフェース１７５を介して接続することができる。
【００３１】
コンピュータ１３０は、リモート・コンピュータ１８２などの１つまたは複数のリモート・コンピュータへの論理接続を使用してネットワーク環境で動作することができる。リモート・コンピュータ１８２は、コンピュータ１３０に関して本明細書で説明している要素および機能の多くまたはすべてを備えることができる。
【００３２】
図１に示されている論理接続は、ローカル/エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）１７７と一般的なワイド/エリア・ネットワーク（ＷＡＮ）１７９を含む。このようなネットワーキング環境は、事務所、企業規模のコンピュータネットワーク、イントラネットおよびインターネットではよくある。
【００３３】
ＬＡＮネットワーキング環境で使用する場合は、コンピュータ１３０はネットワーク・インターフェースまたはアダプタ１８６を介してＬＡＮ１７７に接続される。ＷＡＮネットワーキング環境で使用する場合は、コンピュータは通常、モデム１７８またはＷＡＮ１７９上で通信を確立するためのその他の手段を備える。モデム１７８は、内蔵でも外付けでもよいが、ユーザ入力インターフェース１７０またはその他の適切なメカニズムを介してシステム・バス１３６に接続できる。
【００３４】
図１に示されているのは、インターネット経由のＷＡＮの具体的実装である。ここでは、コンピュータ１３０はモデム１７８を使用して、インターネット１８０を介して少なくとも１台のリモート・コンピュータ１８２との通信を確立する。
【００３５】
ネットワーク環境では、コンピュータ１３０またはその一部に関して述べたプログラム・モジュールは、リモート・メモリ・ストレージ・デバイスに格納できる。従って、例えば、図１に示されているように、リモート・アプリケーション・プログラム１８９はリモート・コンピュータ１８２のメモリ・デバイスに常駐させることができる。図に示され説明されているネットワーク接続は例であり、コンピュータ間に通信リンクを確立するのにその他手段を使用できることは理解されるであろう。
【００３６】
Ｌ−ＴＦＲＣアルゴリズムの例
上述のようにＴＣＰは、１回の輻輳指示に応答して、送信レートを頻繁に半分にするために、インターネットによるリアルタイムのマルチ・メディア・ストリーミング・アプリケーションには、殆ど適していない。送信レートのこのような急激な低下は、受信された視覚的品質に明らかな劣化をもたらすことがある。したがって、長期間の総合的スループットを変えずに、レート制御を滑らかにする（平坦にする）ためのさまざまな努力が行われてきた。
【００３７】
現在の輻輳制御メカニズムの大半は、２つのカテゴリ、つまり、Ｐｒｏｂｅ−ｂａｓｅｄ（診断基準）および／またはＥｑｕａｔｉｏｎ−ｂａｓｅｄ（平衡基準）メカニズムに分けられる。Ｅｑｕａｔｉｏｎ−ｂａｓｅｄアプローチは、１回の輻輳表示に応答して送信レートを調整するのがふつうであるＰｒｏｂｅ−ｂａｓｅｄアプローチと異なり、例えば、最近損失イベント・レート（recent loss event rate）の関数として送信レートを明示的に推定するＴＣＰスループット方程式（TCP throughput equation）を使用することが多い。
【００３８】
例えば、共通ＴＣＰスループットモデルは、以下の公式で与えられる。
【００３９】
【数７】

【００４０】
ここで、λはＴＣＰ接続のスループット、ＭＴＵはその接続で使用するパケット・サイズ、ＲＴＴはその接続の往復時間、ｐはその接続のパケット損失率を表す。
【００４１】
さまざまな既存のＥｑｕａｔｉｏｎ−ｂａｓｅｄアプローチの中でもＴＣＰ−ｆｒｉｅｎｄｌｙ Ｒａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＴＣＰフレンドリ；ＴＦＲＣ）は現在、最も利用されている。ＴＦＲＣでは、ＴＣＰスループットについてより正確な推定を与えることで送信レート制御を滑らかにしようとする。例えば、ＴＦＲＣでは以下のようにタイムアウト（ＲＴＯ）の影響を考慮することで送信レート制御を滑らかにする。
【００４２】
【数８】

【００４３】
ＴＦＲＣではさらに、単一のパケット損失の代わりに損失率イベント（loss rate event）を使用して、送信側および受信側のふるまい（behavior）を変更する。
【００４４】
ＴＣＰスループットの公平性にもかかわらず、ＴＦＲＣが変えないものはスループット
【００４５】
【数９】

【００４６】
の本質的比例性であるが、これは全体的なレート変化、つまりλの導関数が
【００４７】
【数１０】

【００４８】
に比例するということを意味する。このような比例性があることで、レート変更があると輻輳制御メカニズムがパケット損失に過度に敏感になる傾向がある。このことは、パケット損失率が比較的小さいときにもあてはまる。
【００４９】
さらに、一部の調査および継続的シミュレーションから、ＴＦＲＣはパケット損失の控えめな推定による他の現象の影響を受けるようにも見える。例えば、ＴＦＲＣは、周期的レート揺らぎ（Periodical Rate Fluctuation；ＰＲＦ）の影響を受けるようにも見える。したがって、チャネル帯域幅が一定であれば（ＢＷと表す）、ＴＦＲＣは、ＢＷに一様な状態で留まることはできない。その代わりに、ＢＷを越えても、それまでどおりに送信レートを上げようとするが、残念なことに、それは、短時間輻輳をもたらすことになる。ＴＦＲＣはパケット損失が低い環境では非常に敏感であり、さらなる輻輳発生を回避するために送信レートが大幅に下げられる。このような急激な低下は、頻繁におこるとはいえないが、ＴＣＰのレート低下と非常によく似ている。
【００５０】
ＴＦＲＣはさらに、Ｓｈａｒｅ Ｓｔａｒｖａｔｉｏｎ ｏｖｅｒ Ｓｍａｌｌ ｎａｒｒｏｗ ｌｉｎｋ（狭いリンクを介するシェア欠乏；ＳＳＳ）の影響を受けるように見える。例えば、狭いボトルネック・リンクを通じて送信するときに、ＴＦＲＣのシェア（割り当て；share）は、平均的な競合ＴＣＰフローに比べて目立って低く、０にまで落ちることもある。
【００５１】
本発明のある視点によれば、これらの問題および／または他の問題は、
【００５２】
【数１１】

【００５３】
の代わりに、λの導関数を１／ｐに本質的に設定する改善されたアルゴリズムにより解決することができる。例えば、あるアルゴリズム例は、ここでは、Ｌｏｇａｒｉｔｈｍ−ｂａｓｅｄ ＴＦＲＣ（Ｌ−ＴＦＲＣ）アルゴリズムと呼ばれている。
【００５４】
したがって、スループット方程式群は、例えば、以下のようにｌｏｇ（ｐ）の多項式として定義することができる。
【００５５】
【数１２】

【００５６】
例えば、１次のケースだと以下のようになる。
【００５７】
【数１３】

【００５８】
高次のＬ−ＴＦＲＣだとより正確にスループットをモデル化できるが、本明細書の説明を簡潔にするため、１次のＬ−ＴＦＲＣ例について説明する。
【００５９】
そこで図２Ａを参照すると、これは、例えば図１に示されているような、少なくとも１つのネットワーク接続２０６でメディア２０４のストリーミングを行うように構成されたコンピューティング・デバイスなどの少なくとも１つのデバイスを備えるシステム２００を示すブロック図である。デバイス２０２は、輻輳制御メカニズムをサポートするＬ−ＴＦＲＣアルゴリズムを実装するＬ−ＴＦＲＣ論理回路２１０を備える。
【００６０】
図２Ｂは、例えば、Ｌ−ＴＦＲＣ論理回路２１０に実装することができるプロセス２２０を表している流れ図である。ここで、動作２２２で往復時間（ＲＴＴ）が決定される。動作２２４で、パケット損失率が決定される。動作２２６はオプションであるが、ここで、公平性のクラスが例えば、Ｌ−ＴＦＲＣアルゴリズムの少なくとも１つのパラメータを修正することにより選択的に確定される。動作２２８で、Ｌ−ＴＦＲＣアルゴリズムを使用して送信レート（例えば、スループット）が推定される。その結果、推定された送信レートを使用して、ストリーミング・メディアの送信レートを制御することができる。
【００６１】
インターネットによる実際の映像ストリーミング送信に関して、例えば、ＭＴＵ＝１Ｋバイトと修正し、ＲＴＴが標準値１００ｍｓに設定されているときにｐ＞５０％に対して最小送信レート１０Ｋｂｐｓとすることができる。したがって、妥当な（例の）１次のケースは以下のようになる。
【００６２】
【数１４】

【００６３】
ｋを変えることにより、Ｌ−ＴＦＲＣのレート変更の急激さを制御することができる。
【００６４】
図３は、従来のＴＦＲＣを使用したとき（例えば、上の式（２）を実装）と１次のＬ−ＴＦＲＣ例（例えば、上の式（５）を実装）を使用したときのパケット損失率対帯域幅の対比をプロットしたグラフである。ここでは、ＲＴＴは１００ｍｓに、ｋは８に設定されている。線３０２はＬ−ＴＦＲＣを使用した結果を表し、線３０４はＴＦＲＣを使用した結果を表している。ＴＦＲＣと比較した場合、Ｌ−ＴＦＲＣについては、送信レートはパケット損失が低いケース（ｐ＜＝０．０５）のときにレート変更が遅く、パケット損失が高いケース（ｐ＞０．０５）のときに変更が速い。これは、滑らかな輻輳制御では望ましい結果である。
【００６５】
公平性に関する限り、異なるクラスの公平性を、例えば、アプリケーションの要求条件に関して異なるｋを設定することにより、定義することができる。
【００６６】
本発明のある例示的実装によれば、複数のクラスの公平性を１次のＬ−ＴＦＲＣで定義することができる。あるクラスの公平性を「ＴＣＰ−ｆｒｉｅｎｄｌｙ（ＴＣＰフレンドリ）」と呼ぶ。ここで、ｋは比較的小さい（例えば、ｋはおおよそ６以下である）。そのため、Ｌ−ＴＦＲＣフローは一貫して、ＴＣＰフロー以下である可能性の高い帯域幅を保持する。
【００６７】
別のクラスの公平性の例を「Ｂｏｕｎｄｅｄ−ｆｒｉｅｎｄｌｙ（強制フレンドリ）」と呼ぶ。ここで、例えば、長時間存続する映像ストリームと短時間存続するＴＣＰフローが同じシェアでしかないというのは実際、不公平であると、ストリーミング・アプリケーションは主張するかも知れない。この場合、ｋを比較的中程度の値に設定する（例えば、ｋを６程度よりも大きく、１０程度よりも小さくする）ことができる。こうすることで、Ｌ−ＴＦＲＣフローで使用するシェアを、平均的ＴＣＰフローよりも大きくすることができるが、全体的なＬ−ＴＦＲＣのシェアは、ｃ＊ＴＣＰシェアで制限される。ここで、ｃはアプリケーションによって設定された重みである。
【００６８】
別のクラスの公平性の例を「Ｓｔｒｅａｍｉｎｇ−ｏｒｉｅｎｔｅｄ（ストリーミング志向）」と呼ぶ。ここでは、例えば、現在利用可能なネットワーク資源を活用するためストリーミング・アプリケーションをストリーミング・メディアのスループットが最大になるように、構成することができる。したがって、例えば、ｋを比較的高い値に設定する（例えば、ｋを１０程度以上にする）ことができる。いくつかの実装では、ｋは１５程度に設定できる。Ｓｔｒｅａｍｉｎｇ−ｏｒｉｅｎｔｅｄクラスの公平性では、Ｌ−ＴＦＲＣ論理回路は利用可能な帯域幅、つまりボトルネック帯域幅の使用を最大にしようとする。したがって、Ｌ−ＴＦＲＣアルゴリズムを使用して、ボトルネック帯域幅を推定することができる。
【００６９】
パフォーマンス例の説明：
上述のようにシミュレーションをいくつか実行して、Ｌ−ＴＦＲＣアルゴリズム例のパフォーマンスを評価した。これらのシミュレーションの目的の１つは、攻撃性、反応性、滑らかさ、公平性など、Ｌ−ＴＦＲＣのネットワーキング特性を評価することであった。以下の比較結果では、ＴＦＲＣおよびＬ−ＴＦＲＣを使用したシミュレーション（ｋを８とする）を実施している。シミュレーションでは、古典的ダン・ベル・トポロジ（classical dumb bell topology）をモデル化した。
【００７０】
攻撃性および反応性は、如何に速く、そのプロトコルが利用可能な帯域幅（ＡＢＷ）の変化に合わせることができるかを評価するために定義される。ここで、ＯＮ−ＯＦＦバックグラウンド・トラフィックが使用された。図４のグラフ４００は、攻撃性および反応性テストの結果を示している。ここでは、線４０２はＴＦＲＣの結果、線４０４はＡＢＷ、線４０６はＬ−ＴＦＲＣの結果を表している。
【００７１】
図に示されているように、Ｌ−ＴＦＲＣは、最初の時点ではほとんど同じに実行し、それ以降は少しよくなる。これは、Ｌ−ＴＦＲＣが制御アプローチのほとんどを、低速開始フェーズで、引き続いて使用していることを意味する。
【００７２】
滑らかさは、送信レートの変化度（variance）に関して定義される。ＴＦＲＣでは、滑らかさについて、ＴＣＰについて著しく改善するとしているが、図４に示されているように、その固有の１／√ｐの比例性により小さな変更を頻繁に生じさせている。
【００７３】
図５は、定常状態の周期的レート揺らぎ（ＰＲＦ）効果を示すグラフ５００である。線５０２はＴＦＲＣの結果を表し、線５０４はＬ−ＴＦＲＣの結果を表している。これからわかるように、Ｌ−ＴＦＲＣは滑らかさについての明らかな改善を示している。
【００７４】
公平性は、長期間にわたる全体的なスループット比に関して定義される。ＴＦＲＣの特性のうち有用なものとして、ＴＣＰフローに関するスループットの長期にわたる収束がある。しかし、ＴＦＲＣは小さなボトルネック・リンク上で複数のＴＣＰフローと競合する場合に、シェア・スタベーション（割り当て欠乏；share starvation）（ＳＳＳ）効果の影響を受けるように見える。
【００７５】
図６のグラフ６００では、Ｌ−ＴＦＲＣ（線６０２）、ＴＦＲＣ（線６０４）のスループットの差を、平均的ＴＣＰスループット（線６０６）とともに、見ることができる。ここで、このシミュレーション・シナリオでは、ＴＦＲＣとＬ−ＴＦＲＣのフローは１６個のＴＣＰフローと競合していた。
【００７６】
これらの結果から、ＴＦＲＣは平均的ＴＣＰフローと比べてシェアが著しく小さく、ときには０にまで低下することもあることがわかる。他方、Ｌ−ＴＦＲＣはシミュレーション時間全体を通して比較的ＴＣＰ−ｆｒｉｅｎｄｌｙに留まり、またＳＳＳ効果も克服している。
【００７７】
市販のＷＡＮエミュレータを使い、チャネル帯域幅を１Ｍｂｐｓに整形して別の実験を行った。さらにこれらの結果から、Ｌ−ＴＦＲＣはＴＣＰ、ＴＦＲＣ、およびインターネットのようなネットワーク環境での他の輻輳制御メカニズムよりも、パフォーマンスが優れていることがわかる。
【００７８】
ここで、Ｌ−ＴＦＲＣを使用して、ＰＦＧＳで符号化した映像ストリームの送信レートを制御した。ＰＦＧＳの利点の１つは、帯域幅適応能力にあり、これは、任意のビット・レートでデコードすることができ、受信するビットを増やすほど視覚的品質が向上する。したがって、送信レートの精度の高い滑らかな推定を行うことができ、映像の知覚された品質が大幅に改善することができる。
【００７９】
図７のグラフ７００は、Ｌ−ＴＦＲＣ（線７０２）とＴＦＲＣ（線７０４）の間のスループットの対比を示している。上述のように、またこの例に示されているように、ＴＦＲＣには周期的な揺らぎと小さな変動がある。
【００８０】
図８のグラフ８００に示されているように、ＴＦＲＣの周期的揺らぎおよび小さな変動は、ストリーミングされた映像品質を低下させる傾向がある。ここでは、例えば、ＰＳＮＲ（ｄＢ）を複数の映像フレームのＹ成分についてプロットする。線８０２はＬ−ＴＦＲＣの結果を表し、線８０４はＴＦＲＣの結果を表している。
【００８１】
他のテストでは、上記のＬ−ＴＦＲＣの方法および装置の例を使用して、チャネル帯域幅を１Ｍｂｐｓに整形した。さらにこれらの結果から、Ｌ−ＴＦＲＣはＴＣＰ、ＴＦＲＣ、および例えばインターネットなどのネットワーク上の他の輻輳制御メカニズムよりもパフォーマンスが優れていることがわかる。
【００８２】
したがって、前述の説明からわかるように、Ｌｏｇａｒｉｔｈｍ−ｂａｓｅｄＴＣＰ−ｆｒｉｅｎｄｌｙ Ｒａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌアルゴリズムを使用して、利用可能なネットワーク帯域幅を効率的に推定し、ストリーミング・メディアの送信レートを滑らかにすることができる。Ｌ−ＴＦＲＣアルゴリズム例では、ネットワーク接続のＲＴＴおよびパケット損失率情報を収集して計算し、推計されたスループット、パケット・サイズ、パケット損失、および往復時間情報を計算に取り込んだ対数方程式に基づいてストリーミング・パケットの適当な送信レートを推定する。Ｌ−ＴＦＲＣアルゴリズムは、オリジナルのＴＣＰプロトコル方式およびＴＦＲＣ方式などの従来の方式に比べて、優れた結果を出している。さらに、Ｌ−ＴＦＲＣアルゴリズムを、例えば、ＦＧＳ、ＰＦＧＳ、またはその他の類似の手法とともに使用し、滑らかなエンド・ツー・エンドのメディア・ストリーミング・システムを実現することができる。
【００８３】
結論：
上の説明では構造的機能および／または方法論的ステップに固有の言語を使用しているが、付属の請求項で定められている発明は、説明した特定の機能またはステップに限られていないことは理解されるであろう。むしろ、特定の機能およびステップは請求されている発明を実施する実施例として開示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のいくつかの実装とともに使用するのに適しているコンピューティング環境の例を示すブロック図である。
【図２Ａ】本発明のいくつかの実施例による具象的論理回路の形を取る対数ベースのＴＣＰ−ｆｒｉｅｎｄｌｙ Ｒａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ（Ｌ−ＴＦＲＣ）メカニズムを備えるデバイスを示すブロック図である。
【図２Ｂ】本発明のいくつかの実施例によるスループットを推定するためにＬ−ＴＦＲＣメカニズムを使用するプロセスを示す流れ図である。
【図３】本発明のいくつかの実施例によるＬ−ＴＦＲＣメカニズムに関するいくつかの結果の比較を示すグラフである。
【図４】本発明のいくつかの実施例によるＬ−ＴＦＲＣメカニズムの攻撃性および反応性テスト（aggressiveness and responsiveness test）の結果を示すグラフである。
【図５】本発明のいくつかの実施例によるＬ−ＴＦＲＣメカニズムの滑らかさ（smoothness）およびＲＰＦ効果（PRF effect）の結果を示すグラフである。
【図６】本発明のいくつかの実施例によるＬ−ＴＦＲＣメカニズムの公平性（fairness）およびＳＳＳ効果（SSS effect）の結果を示すグラフである。
【図７】本発明のいくつかの実施例によるＬ−ＴＦＲＣメカニズムを使用するメディアストリーミングのスループットを示すグラフである。
【図８】本発明のいくつかの実施例によりＬ−ＴＦＲＣメカニズムに基づいて送信される映像フレームの結果ＰＳＮＲ（results PSNR）を示すグラフである。
【符号の説明】
１２０ コンピューティング環境
１３０ コンピュータ
１３２ プロセッサまたは処理装置
１３４ システム・メモリ
１３６ バス
１３８ 読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）
１４０ ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）
１４２ 基本入出力システム（ＢＩＯＳ）
１４４ ハード・ディスク・ドライブ
１４６ 取り外し可能な不揮発性磁気ディスク
１４８ 磁気ディスク・ドライブ
１５０ 光ディスク・ドライブ
１５２ 不揮発性光ディスク
１５４ インターフェース
１５８ オペレーティング・システム
１６０ アプリケーション・プログラム
１６２ その他のプログラム・モジュール
１６４ プログラム・データ
１６６ キーボード
１６８ ポインティング・デバイス
１７０ ユーザ入力インターフェース
１７２ モニタ
１７４ ビデオ・アダプタ
１７５ 出力周辺インターフェース
１７７ ローカルエリア・ネットワーク（ＬＡＮ）
１７８ モデム
１７９ ワイドエリア・ネットワーク（ＷＡＮ）
１８０ インターネット
１８２ リモート・コンピュータ
１８６ ネットワーク・インターフェースまたはアダプタ
１８９ リモート・アプリケーション・プログラム
２００ システム
２０２ デバイス
２０４ メディア
２０６ ネットワーク接続
２１０ Ｌ−ＴＦＲＣロジック回路
２２０ プロセス

Claims (30)

1. 少なくとも１つのネットワーク接続でスループットを推定する方法であって、
   少なくとも１つのネットワーク接続で送信するデータのパケット・サイズ情報を決定すること、
   前記ネットワーク接続に関連付けられた往復時間情報を決定すること、
   前記ネットワーク接続に関連付けられたパケット損失情報を決定すること、および
   （ａ）前記パケット・サイズ情報と、（ｂ）前記往復時間情報と、（ｃ）前記パケット損失情報の対数関数と、を考慮する関数を使用して前記ネットワーク接続のスループットを推定すること
   を備えることを特徴とする方法。
2. 前記推定することは、λが前記ネットワーク接続の推定スループットを表し、ＭＴＵが前記パケット・サイズ情報を表し、ＲＴＴが前記往復時間情報を表し、ｐが前記パケット損失情報を表すとすると、
   

   

   の式に基づくことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ｐは、パケット損失率を表すことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記推定されたスループットに基づき、レート変更を決定することをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記レート変更は、前記パケット損失情報の対数関数を使用して表される前記推定スループットの導関数に基づき、前記パケット損失情報の逆数に比例することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記スループットの推定に使用される関数は、前記レート変更の急激さを確定する少なくとも１つの調整可能パラメータを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの調整可能パラメータは、ＴＣＰフレンドリ（ＴＣＰ−ｆｒｉｅｎｄｌｙ）クラスの公平性、強制フレンドリ（Ｂｏｕｎｄｅｄ−ｆｒｉｅｎｄｌｙ）クラスの公平性、およびストリーミング志向（Ｓｔｒｅａｍｉｎｇ−ｏｒｉｅｎｔｅｄ）クラスの公平性、を備えるグループから選択した少なくとも１つのクラスの公平性を確定することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記スループットの推定に使用される関数は、
   

   

   の式の１次の関数を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
9. 前記ネットワーク接続は、ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｔｏｃｏｌ（ＴＣＰ）をサポートするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記データは、Ｆｉｎｅ Ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ Ｓｃａｌｅ（ＦＧＳ）およびＰｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ＦＧＳ（ＰＦＧＳ）を備えるグループから選択した少なくとも１つの方式を使用して構成されている映像データを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. コンピュータ実行可能命令を格納するコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、前記命令は少なくとも１つの処理装置に、
    少なくとも１つのネットワーク接続で送信するデータのパケット・サイズ情報を決定する動作と、
    前記ネットワーク接続に関連付けられた往復時間情報を決定する動作と、
    前記ネットワーク接続に関連付けられたパケット損失情報を決定する動作と、
    （ａ）前記パケット・サイズ情報と、（ｂ）前記往復時間情報と、（ｃ）前記パケット損失情報の対数関数と、を考慮する関数を使用して前記ネットワーク接続のスループットを推定する動作と
    を備える動作をさせることを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
12. 前記推定することは、λは前記ネットワーク接続の推定スループットを表し、ＭＴＵは前記パケット・サイズ情報を表し、ＲＴＴは前記往復時間情報を表し、ｐは前記パケット損失情報を表すとすると、
    

    

    の式に基づくことを特徴とする請求項１１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
13. 前記ｐは、パケット損失率を表すことを特徴とする請求項１２に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
14. 前記推定されたスループットに基づき、レートの変更を決定することをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
15. 前記レート変更は、前記パケット損失情報の対数関数を使用して表される前記推定スループットの導関数に基づき、前記パケット損失情報の逆数に比例することを特徴とする請求項１４に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
16. 前記スループットの推定に使用される関数は、前記レート変更の急激さを確定する少なくとも１つの調整可能パラメータを含むことを特徴とする請求項１４に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
17. 前記少なくとも１つの調整可能パラメータは、ＴＣＰ−ｆｒｉｅｎｄｌｙクラスの公平性、Ｂｏｕｎｄｅｄ−ｆｒｉｅｎｄｌｙクラスの公平性、およびＳｔｒｅａｍｉｎｇ−ｏｒｉｅｎｔｅｄクラスの公平性、を備えるグループから選択した少なくとも１つのクラスの公平性を確定することを特徴とする請求項１６に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
18. 前記スループットの推定に使用される関数は
    

    

    の式の１次の関数を含むことを特徴とする請求項１２に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
19. 前記ネットワーク接続は、ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｔｏｃｏｌ（ＴＣＰ）をサポートするように構成されていることを特徴とする請求項１１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
20. 前記データは、Ｆｉｎｅ Ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ Ｓｃａｌｅ（ＦＧＳ）およびＰｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ＦＧＳ（ＰＦＧＳ）を備えるグループから選択した少なくとも１つの方式を使用して構成されている映像データを含むことを特徴とする請求項１１に記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
21. 装置であって、
    少なくとも１つのネットワーク接続を介して少なくとも１つのネットワーク資源に動作可能に結合されるように構成可能な少なくとも１つのネットワーク・インターフェースと、
    前記ネットワーク・インターフェースに動作可能に結合された論理回路であって、前記ネットワーク接続で送信するデータのパケット・サイズ情報を決定し、前記ネットワーク接続に関連付けられた往復時間情報を決定し、前記ネットワーク接続に関連付けられたパケット損失情報を決定し、（ａ）前記パケット・サイズ情報と、（ｂ）前記往復時間情報と、（ｃ）前記パケット損失情報の対数関数と、を考慮する関数を使用して前記ネットワーク接続のスループットを推定するように構成可能な論理回路と
    を備えることを特徴とする装置。
22. 前記推定することは、λは前記ネットワーク接続の推定スループットを表し、ＭＴＵは前記パケット・サイズ情報を表し、ＲＴＴは前記往復時間情報を表し、ｐは前記パケット損失情報を表すとすると、
    

    

    の式に基づくことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
23. 前記ｐは、パケット損失率を表すことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
24. 前記論理回路は、前期推定されたスループットに基づきレート変更を決定するようにさらに構成されていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
25. 前記レート変更は、前記パケット損失情報の対数関数を使用して表される前記推定スループットの導関数に基づき、前記パケット損失情報の逆数に比例することを特徴とする請求項２４に記載の装置。
26. 前記スループットの推定に使用される関数は、前記レート変更の急激さを確定する少なくとも１つの調整可能パラメータを含むことを特徴とする請求項２４に記載の装置。
27. 前記少なくとも１つの調整可能パラメータは、ＴＣＰ−ｆｒｉｅｎｄｌｙクラスの公平性、Ｂｏｕｎｄｅｄ−ｆｒｉｅｎｄｌｙクラスの公平性、およびＳｔｒｅａｍｉｎｇ−ｏｒｉｅｎｔｅｄクラスの公平性、を備えるグループから選択した少なくとも１つのクラスの公平性を確定することを特徴とする請求項２６に記載の装置。
28. 前記スループットの推定に使用される関数は、
    

    

    の式の１次の関数を含むことを特徴とする請求項２２に記載の装置。
29. 前記ネットワーク接続は、ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｔｏｃｏｌ（ＴＣＰ）をサポートするように構成されていることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
30. 前記データは、Ｆｉｎｅ Ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ Ｓｃａｌｅ（ＦＧＳ）およびＰｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ ＦＧＳ（ＰＦＧＳ）を備えるグループから選択した少なくとも１つの方式を使用して構成されている映像データを含むことを特徴とする請求項２１に記載の装置。

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