JP4401964B2

JP4401964B2 - 無線ネットワークにおいてレート制御方式を最適化する情報をシグナリングする方法および通信システム

Info

Publication number: JP4401964B2
Application number: JP2004569473A
Authority: JP
Inventors: ゲナジヴェレヴ; ホセルイスレイ; ドラガンペトロヴィック; ミハエルツィンク; リコトゥンク
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-03-21
Filing date: 2003-03-21
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2023-03-21
Also published as: EP1614257A1; WO2004084497A1; US7453805B2; US20060262723A1; CN1759571A; AU2003226689A1; JP2006521029A; CN100546277C

Description

本発明は、モバイルネットワークがエンドツーエンド通信の最後の部分であるパケット交換型ストリーミング（ＰＳＳ）アプリケーションの送信レート適合化に使用されるレート制御方式のパフォーマンスを最適化するための方法および通信システムに関する。

一般的に、ストリーミングレートを制御することができるように、受信器（モバイル端末）は、フィードバック情報を送信器（サーバ）に送る。この情報は、データ伝送時に取得され、モバイル端末に配置されているレート制御方式のクライアントにおいて集められる。しかしながら、モバイル端末は、シグナリングプロトコルからのリンクステータス情報を有するため、このリンク情報をストリーミングアプリケーションの送信器に報告することができる。報告された情報を使用することで、送信レートの計算をモバイルリンク状態に適合させることができ、これによって、ストリーミングアプリケーションの品質が向上する。

インターネットオーディオプレイヤー、ＩＰ電話、ビデオ会議などのオーディオ／ビデオストリーミングアプリケーションの数は、絶え間なく増加しており、その結果、ＴＣＰ（伝送制御プロトコル）以外のトラフィックの割合が増している。これらのアプリケーションには一般に輻輳制御方式が実装されていないため、ＴＣＰトラフィックと競合した場合、ネットワークで利用可能な帯域幅がＰＳＳトラフィックによって占有されるという非常に不公平な状況になる。このため、ストリーミングの送信器において、ＴＣＰの輻輳制御アルゴリズムと両立するレート適合化方式が使用される。レート適合化方式は、ストリーミングに使用される伝送プロトコル、例えばＵＤＰ（ユーザデータグラムプロトコル）に適用され、ＴＣＰトラフィックとＰＳＳトラフィックとの間で公平な帯域幅配分を達成することができるように送信レートを制御する。このようなメカニズムの一例は、ＴＦＲＣ（TCP - friendly rate control）である。

ＴＦＲＣは、ユニキャスト通信用に規定されており、ＴＣＰスループットを記述する複雑な数式に基づいて送信レートを調整する。送信レートは送信器において計算されるが、数式に必要なパラメータを集めるには、受信器からのフィードバック情報が必要である。使用されるＴＣＰスループットの数式は、損失イベント率、ラウンドトリップ時間（ＲＴＴ）、およびパケットサイズの関数として送信レートを近似的に記述する。フィードバックメッセージの中で最も重要な情報は、受信器において計算された損失イベント率である。

ＴＦＲＣの主たる利点は、送信レートが比較的安定している（パケット損失に対してＴＣＰよりも遅く応答する）ことであるが、それでも、トラフィックの競合に対する十分な応答性を提供する。ＴＦＲＣは、アプリケーションにおいて滑らかなスループットが要求される場合にのみ使用すべきである。ＴＦＲＣに関するさらなる詳細は、Handley, M., Floyd, S., Padhye, J.,J. Widmer, "TCP Friendly Rate Control (TFRC): Protocol Specification", RFC 3448, January 2003に記載されている。

レート制御方式、特に上述したＴＦＲＣは、有線インターネット技術用として開発されたものである。最近、モバイルネットワークにおいて広帯域幅の無線技術が採用されているため、ストリーミングアプリケーションはモバイルユーザに普及していくであろう。特に、第三世代（３Ｇ）モバイルネットワーク（例：ＵＭＴＳ）においては、ストリーミングサービスは、事業者によって標準アプリケーションとして提供されるであろう。従って、ストリーミングアプリケーションと一緒にレート制御方式を実装する必要がある。

図１は、ＵＭＴＳ（Universal Mobile Telecommunication System）の高レベルのアーキテクチャを示している。ネットワーク要素は、それぞれの機能によって、コアネットワーク（ＣＮ）と、ＵＴＲＡＮ（UMTS Terrestrial Radio Access Network）と、ユーザ機器（ＵＥ）とに分類されている。ＵＴＲＡＮは、無線に関する機能すべてを扱うのに対し、ＣＮは、呼のルーティングと、外部ネットワークへのデータ接続とを行う。これらのネットワーク要素の相互接続は、図に示したようにオープンインタフェースＩ_ｕ、Ｕ_ｕによって定義されている。なお、ＵＭＴＳシステムはモジュール方式であり、従って、いくつかの同じタイプのネットワーク要素を有することが可能である。

図２は、コアネットワーク要素を介して外部のＰＤＮ（パケットデータネットワーク）に接続されているＵＭＴＳネットワークをさらに詳しく示している。より具体的には、モバイル端末は、無線ネットワークコントローラ（ＲＮＣ）に接続されている複数の基地局ＢＴＳを備えているセルラー通信システム内で通信し、ユーザデータとシグナリングデータとを受信および送信する。ＲＮＣは、インタフェースＧ_ｂを介してＳＧＳＮ（サービングＧＰＲＳサポートノード）に接続されている。ＳＧＳＮは、そのサービスエリア内でのデータパケットの配信を提供（サーブ）し、ルーティング、モビリティ管理、認証などを行う。

さらに、ＧＧＳＮ（ゲートウェイＧＰＲＳサポートノード）は、外部ＰＤＮとＳＧＳＮとの間のインタフェースである。

パケット交換型ＵＭＴＳネットワークを想定する場合、アクティブな接続ごとに少なくとも１つのパケットデータプロトコル（ＰＤＰ）コンテキストが存在している必要がある。ＰＤＰコンテキストは、図３に示したように、ＣＮ要素（ＧＧＳＮ：ゲートウェイＧＰＲＳサポートノード）とＵＥとの間のエンドツーエンドシグナリングによって確立される。

例えば、ＰＤＰタイプ、ＰＤＰアドレス、要求されるＱｏＳ（サービス品質）、アクセスポイントなどが含まれる、ＳＧＳＮへのＰＤＰコンテキスト始動要求が、ＵＥから伝送される。次いで、ＳＧＳＮから、ＰＤＰコンテキスト作成要求がＧＧＳＮに送られ、その結果、各ＰＤＰコンテキストに対して応答が生成される。この応答は、ＳＧＳＮからＵＥに伝送され、要求されたＰＤＰコンテキストを受理したこととなる。

ＰＤＰコンテキストシグナリングは、ＲＡＮ（無線アクセスネットワーク）に透過的であり、従って、非アクセス層（Non Access Stratum）に属している。ＰＤＰコンテキストにおける一般情報（「トラフィッククラス」など）には、「ダウンリンクの最大ビットレート」、「ダウンリンクの保証ビットレート」、「アップリンクの最大ビットレート」、「伝送遅延」などのパラメータが含まれている。エンドツーエンドシグナリングによってＰＤＰコンテキストが確立された後、エンドツーエンドＱｏＳ情報が、ＣＮ要素（ＳＧＳＮ）におけるＲＡＮ固有のＲＡＢ（無線アクセスベアラ）ＱｏＳ属性にマッピングされ、Ｉ_ｕインタフェースを通じてＲＡＮにシグナリングされ、該当するＲＡＢが確立される。要求された属性は、3GPP TSG RAN, "RAB Quality of Service Negotiation over lu", TR 25.946, V.4.0.0に記載されているように、ＣＮ（ＳＧＳＮ）とＲＡＮのアドミッション制御機能の間でネゴシエートすることができる。サービングセルが変わるとき、ユーザ側の通信条件（例：無線リソースの可用性）が変化することがある。その場合、ＲＡＢ属性のいくつかをもう一度ネゴシエートする必要がある。再ネゴシエーション手順（3GPP TSG RAN, "RAB Quality of Service Re−negotiation over lu", TR 25.851, V.4.0.0を参照）は、図４に詳しく示してある。

ＲＮＣは、ＲＡＢ割当て要求メッセージを受信すると、ＣＮによって合意されたＲＡＢ変更を考慮する。ＲＮＣが提案したＲＡＢ変更がＣＮによって受理されている場合、ＲＮＣは、それらの変更を行い、該当するＲＡＢが変更されたことをＲＡＢ割当て応答メッセージを通じてＣＮに知らせる。ＩＥ（情報要素）グループ「設定または変更されたＲＡＢ」に、変更されたＲＡＢＩＤがリストされる。ＲＮＣが提案したＲＡＢ変更がＣＮによって受理されておらず、ＣＮが別のＲＡＢ変更を提示している、または以前に合意されたＲＡＢパラメータ値を繰り返している場合、ＲＮＣは、それを受理することができるか否かを決定する。受理可能である場合、ＲＮＣは該当するＲＡＢ変更を行い、ＣＮに送り返すＲＡＢ割当て応答メッセージのＩＥグループ「設定または変更されたＲＡＢ」に、対応するＲＡＢＩＤをリストする。ＲＡＢ割当て要求メッセージに示されたＲＡＢパラメータ値をＲＮＣが受理することができない場合には、ＲＮＣは、メッセージのＩＥグループ「設定または変更できなかったＲＡＢ」に該当するＲＡＢＩＤがリストされたＲＡＢ割当て応答メッセージを送る。ＣＮが、ＲＮＣが提案したＲＡＢ変更を受理しておらず、ＲＡＢを解放するようにＲＡＢ割当て要求メッセージを通じて要求している場合には、ＲＮＣは、該当するＲＡＢを解放し、ＣＮに送るＲＡＢ割当て応答メッセージのＩＥグループ「解放されたＲＡＢ」に、対応するＲＡＢＩＤをリストする。

なお、ネゴシエートされたパラメータは、ＰＤＰコンテキスト変更メッセージによってＵＥにシグナリングされる。ＵＥは、パラメータが受理可能であると判断される場合、ＰＤＰコンテキスト変更受理メッセージを送る。

ＴＦＲＣは、レート制御方式として、エンドツーエンド通信リンクを通じて利用可能な帯域幅を調べ、パケット損失が起こるまで送信レートを高める。パケット損失が起きた後、送信を半分にし、次のパケット損失イベントが起こるまで再び送信レートを高める。従って、パケット損失とその結果としての送信レートの低減によって、オーディオ／ビデオの品質が低下する。

パケット交換型ストリーミングアプリケーションの品質にとっては、動作中の送信レートおよび受信レートが一定のままであることが重要である。ＴＦＲＣが使用される場合にこの要件を満たすためには、利用可能な帯域幅の調査の結果としてのパケット損失イベントを回避する必要がある。

従って、本発明の目的は、パケット交換型ストリーミングアプリケーションにおいてパケット損失イベントが回避され、その一方で、最適な送信レートが維持される、方法および通信システムを提供することである。

この目的は、請求項３の特徴を有する通信システムにおいて、請求項１に記載されている方法によって解決する。

本発明は、端末においてすでに利用可能なシグナリング情報を使用して、レート制御方式を無線チャネルの状態に適合させるという思想に基づく。詳細には、アクティブな接続ごとに、少なくとも１つのＰＤＰコンテキストが存在する。その結果、レート制御方式の受信器とネットワークの制御プレーンとの間でＰＤＰコンテキスト情報を交換し、それを送信器にシグナリングして送信レートを適合させるときに、パケット損失が回避されるようにレート制御方式の送信レートが制限される。

最適化は、モバイルネットワークの非アクセス層とレート制御方式との間での情報交換によって、具体的には、ＰＤＰコンテキストとモバイル端末におけるレート制御方式との間での情報交換によって、達成される。この情報を送信器のレート制御方式に提供することによって、モバイルチャネルの変化する状態に送信レートを良好に適合させることができ、従って、ストリーミングアプリケーションの品質を向上させることができる。

プリデコーダのバッファが小さい場合の要件を満たすためには、パケット遅延とパケット遅延ジッターの両方をできる限り低く維持する必要がある。送信ビットレートの制限を適用することによって、パケット遅延と遅延ジッターとを低減することができ、従って、送信器におけるプリデコーダのバッファリングの要求が軽減される。

以下では、添付の図面を参照しながら本発明についてさらに詳しく説明する。

図５において、ＵＭＴＳネットワークは、ノードＢによって表されている１基以上の基地局によって提供されるセルラーシステムを含むものとして概略的に示してある。ＧＧＳＮは、外部ＰＤＮ（すなわちインターネット）を介して、サーバ内に配置されているストリーミングアプリケーションとの接続を提供する。ストリーミングアプリケーションは、モバイル端末ＵＥにデータをストリーミングする目的で、ＲＴＰ／ＵＤＰ／ＩＰというプロトコルスタックを使用する。

モバイル端末ＵＥは、一方で、ノードＢとのモバイルリンクを有し、パケットデータを受信し、受信パケットについてのフィードバックを提供する。さらに、コアネットワーク（すなわちＧＧＳＮ）との間で、ＰＤＰコンテキストのネゴシエーションを直接的に確立することができる。ＴＦＲＣによるレート制御方式が想定されており、ＵＥ受信器（ＴＦＲＣクライアント）からのフィードバック情報を使用して送信器において送信レートが計算される。従来の動作によると、特に、スロースタートフェーズ時、送信レートＸは、損失が起こるまで各ラウンドトリップ時間ごとにほぼ２倍にされ、式（１）に従って計算される。この式において、Ｘ＿ｒｅｃｖはＴＦＲＣクライアントにおける受信レート、ｓはパケットサイズ、Ｒはラウンドトリップ時間である。
Ｘ＝ｍａｘ｛ｍｉｎ｛２×Ｘ，２×Ｘ＿ｒｅｃｖ｝，ｓ／Ｒ｝・・・（１）

エンドツーエンド接続の最後のホップがモバイルリンク（例：ＵＭＴＳネットワークの一部）である場合、そのモバイルリンクは帯域幅制限を決定するボトルネックリンクであるとする。ＵＭＴＳネットワークを通じて接続を確立するとき、モバイル端末とＧＧＳＮとの間でＰＤＰコンテキスト情報が交換され、従って、モバイル端末はボトルネックパラメータを認識する。

モバイル端末には、ＴＦＲＣクライアント（ユーザプレーン）と受信器における制御プレーンとの間に、ＰＤＰコンテキスト情報を伝送するためのインタフェースが規定されている。ＴＦＲＣクライアントは、最初のデータパケットを受信した後、ＰＤＰコンテキスト情報からの可変サービスパラメータである「ダウンリンクの保証ビットレート」に関する情報を、規定されているインタフェースを使用して要求する。このパラメータの値は、ＲＴＳＰ（Real Time Stream Protocol）を介してＴＦＲＣ送信器にシグナリングされる。送信器においては、ビットレートを計算するための式（２）が採用されており、この式において、Ｘ＿ｍａｘは、シグナリングされたパラメータ「ダウンリンクの保証ビットレート」に対応する新しいパラメータであり、送信ビットレートの制限を識別する。
Ｘ＝ｍｉｎ｛ｍａｘ｛ｍｉｎ｛２×Ｘ，２×Ｘ＿ｒｅｃｖ｝，ｓ／Ｒ｝，Ｘ＿ｍａｘ｝
・・・（２）

新しいＰＤＰコンテキストがネゴシエートされてパラメータ「ダウンリンクの保証ビットレート」が変更されるたびに、このパラメータをＴＦＲＣクライアントにシグナリングする必要がある。これにより、送信器において必要な更新を行うことができる。

送信レートを制限するためのパラメータとしては、「保証ビットレート」の代わりに「ダウンリンクの最大ビットレート」を使用することもできる。

ＴＦＲＣアルゴリズムのこの変更によって、最大許容送信レートが制限され、これによってパケット損失イベントの可能性が減少し、従ってオーディオ／ビデオの品質が向上する。

高レベルのＵＭＴＳアーキテクチャモバイル端末と外部ＰＤＮとの間の通信を示す図モバイル端末とＧＧＳＮとの間のＰＤＰコンテキスト手順の例モバイル端末とＣＮ要素との間の再ネゴシエーション手順の例本発明による通信システムを示す

Claims

モバイルネットワークにおいて送信装置から受信装置へ送信されるパケットデータの送信レートをフィードバック情報に基づいて制御する方法であって、
前記受信装置と前記ネットワークとの間でＰＤＰコンテキスト情報を交換するステップと、
前記受信装置が最初のパケットデータを受信した後に前記ＰＤＰコンテキスト情報を前記受信装置から前記送信装置にシグナリングするステップと、
前記送信装置において、シグナリングされた前記ＰＤＰコンテキスト情報を使用して前記送信レートを制御するステップと、を有し、
前記ＰＤＰコンテキスト情報は、前記ネットワークの制御プレーンと前記受信装置との間でネゴシエート可能な可変のサービスパラメータである最大ビットレートまたは保証ビットレートを含み、
前記最大ビットレートおよび前記保証ビットレートは、ダウンリンクの最大許容送信レートを制限するものであり、
前記制御するステップでは、新たな送信レートＸｎｅｗを次式に従って算出する
Ｘｎｅｗ＝ｍｉｎ｛ｍａｘ｛ｍｉｎ｛２×Ｘ，２×Ｘ＿ｒｅｃｖ｝，ｓ／Ｒ｝，Ｘ＿ｍａｘ｝
Ｘは現在の送信レート、Ｘ＿ｒｅｃｖはＴＦＲＣクライアントにおける受信レート、ｓはパケットサイズ、Ｒはラウンドトリップ時間、Ｘ＿ｍａｘは前記最大ビットレートまたは前記保証ビットレートである
送信レートの制御方法。
前記送信レートのレート制御方式はＴＦＲＣである、
請求項１に記載の方法。
モバイルネットワークにおいて送信装置から受信装置へ送信されるパケットデータの送信レートを制御する通信システムであって、
前記受信装置は、前記ネットワークとの間でＰＤＰコンテキスト情報を交換し、最初のパケットデータを受信した後に前記ＰＤＰコンテキスト情報を前記送信装置にシグナリングし、
前記ＰＤＰコンテキスト情報は、前記ネットワークの制御プレーンと前記受信装置との間でネゴシエート可能な可変のサービスパラメータである保証ビットレートまたは最大ビットレートを含み、
前記最大ビットレートおよび前記保証ビットレートは、ダウンリンクの最大許容送信レートを制限するものであり、
前記送信装置は、シグナリングされた前記ＰＤＰコンテキスト情報を使用して、前記送信レートを制御し、
前記送信装置は、新たな送信レートＸｎｅｗを次式に従って算出する
Ｘｎｅｗ＝ｍｉｎ｛ｍａｘ｛ｍｉｎ｛２×Ｘ，２×Ｘ＿ｒｅｃｖ｝，ｓ／Ｒ｝，Ｘ＿ｍａｘ｝
Ｘは現在の送信レート、Ｘ＿ｒｅｃｖはＴＦＲＣクライアントにおける受信レート、ｓはパケットサイズ、Ｒはラウンドトリップ時間、Ｘ＿ｍａｘは前記最大ビットレートまたは前記保証ビットレートである
通信システム。
前記ネットワークは、ＵＭＴＳネットワークのコアネットワーク要素を有する、
請求項３に記載の通信システム。
前記コアネットワーク要素は、前記コアネットワークと外部パケットデータネットワークとの間のゲートウェイＧＰＲＳサポートノードである、
請求項４に記載の通信システム。
請求項３から５のいずれかに記載の通信システムにおいて使用するための送信装置であって、請求項１または２に記載の方法を実行するよう適合される送信装置。
請求項３から５のいずれかに記載の通信システムにおいて使用するための受信装置であって、請求項１または２に記載の方法を実行するよう適合される受信装置。
ＵＭＴＳネットワークのモバイル端末に配置されているストリーミングアプリケーション受信装置である、
請求項７に記載の受信装置。
前記ＰＤＰコンテキスト情報は、前記制御プレーンからＴＦＲＣクライアントのユーザプレーンに伝送される、
請求項７または８に記載の受信装置。