JP4460455B2 - 適応的順方向誤り制御スキーム - Google Patents

Description

本発明は、パケットスイッチ送信ネットワークを介したデータの復旧の早い（ｒｅｓｉｌｉｅｎｔ）伝送を提供するための適応的順方向誤り訂正（ＦＥＣ）スキームに関する。

本発明はまた、このような順方向誤り制御スキームを実現する送信システム、送信機及び受信機を扱う。

本発明はまた、このような順方向誤り訂正スキームで用いられる冗長量を決定するための方法を扱う。

本発明は、効果的には、モバイル送信ネットワークなどの時間可変状態を有する送信ネットワークを介したデータ伝送に適用される。

国際特許出願ＷＯ９９/０４３３８は、無線衛星リンクを介した送信に利用される適応的順方向誤り訂正スキームを開示している。

この文献で説明される順方向誤り訂正スキームは、ＯＳＩ参照モデルのデータリンクレベルで動作する（順方向誤り訂正符号は、フレームの誤り訂正のため、各フレームに含まれる）。この順方向誤り訂正スキームは、バイトエラーレートを計算するステップと、このバイトエラーレートに基づき順方向誤り訂正符号長を決定するステップと、送信機に順方向誤り訂正符号長を返すステップとを有する。順方向誤り訂正符号長の値は、順方向誤り訂正符号長に関連して逆バイトエラーレートの値を格納するテーブルにおいて選択される。

データリンクレベルで実現されるため、提案された方法は、インターネットなどの異質の送信ネットワークには適合しない。異質な送信ネットワークにおいて説明された方法を利用すると、通過する各ネットワークセクションでの順方向誤り訂正スキームの個別の適応化が起こる。これは、実現することを大変複雑なものとしてしまう。

さらに、テーブルを利用して誤り訂正符号長を決定することは、いくつかの問題点を有する。

まず、テーブルに格納されている値を導出するため、エラーのサイズや再分割に関する仮定がなされる。このため、提案された方法は、ＧＳＭ、ＵＭＴＳ、ＧＰＲＳなどのモバイルネットワークのような重要な方法により可変的となる状態を有する送信ネットワークには適合しない。

次に、訂正後に一定の品質を得るため、テーブルに格納された値が導出される。これは、受信機が実現可能な各品質と同数のテーブルを格納する必要があるということを意味するものである。

本発明の課題は、上記問題点を解消する適応的順方向誤り制御スキームを提案することである。

上記課題は、請求項１〜３に記載される送信システム、請求項４〜６に記載される受信機、請求項７及び８に記載される送信機、請求項９に記載される順方向誤り制御スキームで利用される冗長量を決定する方法、及び請求項１０に記載されるプログラムにより実現される。

本発明の適応的順方向誤り訂正スキームでは、冗長パケットが、メディアパケットから送信機のアプリケーションレイヤにおいて生成される。従って、エラーパケットが受信機側でトランスポートレイヤにより破棄されると、アプリケーションレイヤは、受信したパケットからある個数のパケットを復元することができる。本発明によると、送信機側で追加される冗長さは、最大許容パケットエラーレートに従うことが可能な訂正機能を取得するため適応化される。本発明によると、送信ネットワークの品質は、パケットエラーレートを観察することにより推定される。

アプリケーションレイヤで実現されるため、本発明の方法は、送信ネットワークに透過である。従って、異質な送信ネットワークに容易に適応可能である。

送信ネットワークの品質は、バイトエラーレートの代わりにパケットエラーレートを用いて推定されるため、テーブルの利用を回避することができる。

本発明は、エンド・ツー・エンドからの最大許容パケットエラーを保証する。効果的には、最大許容パケットエラーレートは、受信したメディアパケットを利用するアプリケーションにより設定される。

本発明の効果的な実施例では、メディアパケットのビットレートは、冗長パケットのビットレートの変動を補償するため、ｋの関数として適応化される。

本発明の上記及び他の特徴はさらに、以下の図面を参照して説明される。

本発明は、任意のＦＥＣスキームに適用される。以下に説明される例では、ＦＥＣコードは、２つのパラメータｋとｎにより特徴付けされる。ただし、ｋはメディアパケット数であり、（ｎ−ｋ）はｋ個のメディアパケットから生成された冗長パケットの個数である。パラメータｎは、一定の整数値である。冗長さは、パラメータｋの値を変化させることにより適応化される。これは限定的なものではない。

図１は、送信機１と、送信ネットワーク２と受信機３とを有する本発明による送信システムの一例を示す。本例では、送信ネットワーク２は、インターネットネットワークと無線アクセスネットワーク（例えば、ＧＰＲＳまたはＵＭＴＳ規格に準拠したネットワークなど）から構成される。送信機１は、メディアパケットを送出するメディアソース１０と、メディアソース１０から受信したメディアパケットから冗長パケットを生成するＦＥＣエンコーダ１２と、ＯＳＩ参照モデルの最初の４つのレイヤを実現する送受信ブロック１４とを有する。本例では、ネットワークプロトコル（ＯＳＩレイヤ３）はＩＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）であり、トランスポートプロトコル（ＯＳＩレイヤ４）はＵＤＰ（Ｕｓｅｒ Ｄａｔａｇｒａｍ Ｐｒｏｔｏｃｏ）を介したＲＴＰ（Ｒｅａｌｔｉｍｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）である。受信機３は、ＯＳＩ参照もモデルの最初の４つのレイヤを実現する送受信ブロック３２と、解析器３４と、ＦＥＣデコーダ３６と、アプリケーションブロック３８とを有する。

図２に示されるように、エンコーダ１２は、ｋ個のメディアパケットＭ_１（ｉ），．．．，Ｍ_ｋ（ｉ）から（ｎ−ｋ）個の冗長パケットＲ_１（ｉ），．．．，Ｒ_ｎ−ｋ（ｉ）を生成する。（ｎ−ｋ）この冗長パケットとｋ個のメディアパケットは、送信ブロックＴＢ（ｉ）を構成する。冗長パケットは、受信機でのＱ（ｋ）個のパケットの訂正機能を提供するためのものである。

受信機側では、ＵＤＰプロトコルは、受信した各パケットに対しＵＤＰチェックサムを制御する。ＵＤＰプロトコルは、少なくとも１つのビットエラーが検出されたパケットを破棄する。適切に受信されたパケットは、ＦＥＣデコーダ３６に転送される。ＦＥＣデコーダ３６は、破棄されたパケット数がＱ（ｋ）以下である場合、受信したパケットからは帰されたパケットを復元することができる。

効果的には、冗長性を生成するのに利用されるコードは、Ｒｅｅｄ ＳｏｌｏｍｏｎコードＲＳ（ｎ，ｋ）である。Ｒｅｅｄ ＳｏｌｏｍｏｎコードＲＳ（ｎ，ｋ）の訂正能力は、Ｑ（ｋ）＝ｎ−ｋである。

本発明によると、冗長量は、最適に帯域幅を利用するため、ネットワークの状態に依存して適応化される。送信ネットワークが良好な状態にある場合、帯域幅のより多くの部分がメディアパケットの送信に供することができるように冗長量が減少される。他方、送信ネットワークが良好でない状態にある場合、受信機側における破棄されたメディアパケットの復元の機会を増やすため、冗長量は増加される。

効果的には、ｋは、最大許容冗長量に対応する最小値ｋ_ｍｉｎより小さくはならない。

図３において、このような適応化の例が示される。曲線Ｓは、時間ｔの関数としての送信ネットワークの状態Ｓ（ｔ）の進捗を与える。Ｙ軸上の記号Ｇは、良好な状態を示す。Ｙ軸上の記号Ｄは、良好でない状態を示す。送信ブロックＴＢ（ｉ）の構成が、曲線Ｓに関して示される。送信ブロックＴＢ（ｉ）において送信されるメディアパケットの個数ｋ_ｉは、ネットワーク状態が良好であるとき、大きくなるということが観察できる。

送信ブロックＴＢ（ｉ）に含まれる冗長量の適応化は、解析器３４により制御される。解析器３４は、送信ネットワーク上で発生するパケットエラーを解析し、ＦＥＣエンコーダ１２に対する指示４２を生成する。指示４２は、ＦＥＣエンコーダ１２により利用されるべき最適値ｋ_{ｏｐｔｉｍａｌ}を含む。指示４２は、ＲＴＣＰフィードバックメッセージを用いて送信機１に送信される。

図４を参照して、解析器３４の動作が説明される。

ｋ_{ｏｐｔｉｍａｌ}を計算するため、解析器３４は、受信した送信ブロックＴＢ（ｉ）におけるパケットエラーの個数Ｐ_ｉの履歴を保持する。好ましくは、この履歴のサイズは、送信ネットワークを介した複数の往復回数に対応する。送信ブロックＴＢ（ｉ）のパケットエラーの個数は、損失パケットの個数に等しい。パケット損失は、ＲＴＰシーケンス番号を用いることにより検出される（ＲＴＰパケットのヘッダはシーケンス番号を含む。シーケンス番号は、パケットが送信される毎に１だけ増やされる。受信機では、欠落しているシーケンス番号が損失パケットに対応する。）。

解析器３４は、送信ブロックＴＢ（ｉ）の終端（図４のボックスＴ１）を検出すると、当該送信ブロックにおけるパケットエラー数Ｐ_ｉを計算及び格納する（ボックスＴ２）。

このとき、解析器３４は、ｎからｋ_ｍｉｎまで変化するｋに対し以下の処理を実行する。
−解析器は、訂正能力Ｑ（ｋ）を推定する（ボックスＴ４）。
−パケットエラー数Ｐ_ｉと訂正能力Ｑ（ｋ）が与えられると、解析器３４は、訂正後のパケットエラー数Ｐ_ｉ’（ｋ）を計算する（ボックスＴ５）。

−解析器３４は、訂正後のパケットエラー数Ｐ_ｉ’（ｋ）の平均値Ｍ（ｋ）を計算する（ボックスＴ６）。効果的には、現在状態を把握するのにより大きな意義があるため、平均値Ｍ（ｋ）を計算するとき、最近のパケットエラーが重要視される。これにより、送信ネットワークの変化により迅速に反応することが可能となる。例えば、

とされる。ここで、ｍは履歴における送信ブロックの個数であり、

である。
−対応するパケットエラーレートＲ（ｋ）＝Ｍ（ｋ）/ｎと最大許容パケットエラーレートＰＥＲ_ＭＡＸが比較される（ボックスＴ７）。Ｒ（ｋ）≦ＰＥＲ_ＭＡＸの場合、またはｋ＝ｋ_ｍｉｎである場合、ｋ_{ｏｐｔｉｍａｌ}がｋの現在値に設定され（ｋ_{ｏｐｔｉｍａｌ}＝ｋ）、フィードバックメッセージによりＦＥＣエンコーダ１２に送信される（ボックスＴ８）。その他の場合では、ｋは１だけ減少され（ボックスＴ９）、上記処理がｋの新たな値に対し実行される。

好適な実施例では、最大許容パケットエラーレートがアプリケーションブロック３８により設定される（図１の矢印３９）。異なるアプリケーションにより、異なる最大許容パケットエラーレートを設定することができる。ｋの最適値は、訂正後の最大許容パケットエラーレートＰＥＲ_ＭＡＸに従うことを可能にする最大値ｋとなる。

あるいは、ｋ_{ｏｐｔｉｍａｌ}の新しい値が、それが前のものと異なるときのみ、送信機にフィードバックされる。

効果的には、メディアソース１０は、メディアビットレートと呼ばれる適応可能なビットレートによりメディアパケットを送出する。メディアソース１０は、冗長ビットレートの変動を補償するため、ｋの関数としてメディアビットレートを適応化するために、ＦＥＣエンコーダ１２により制御される。第１実施例では、メディアソースは、ＦＥＣエンコーダからの指示の受信により変化する符号化ビットレートを有するリアルタイムエンコーダである。第２実施例では、メディアソース１０は、各々が特定のメディアビットレートに対応する複数の予め符号化されたファイル間の切り替えを行うためのファイルスイッチャを有する。一定のビットレートＣＢで動作するアプリケーションに対しては、予め符号化されたファイルのメディアビットレートＭＢ（ｋ）は、効果的には以下のように選ばれる。

他の実施例では（図示せず）、送信機は、現在のチャネルビットレートを推定し、メディアソース１０を制御するためのレート制御ブロックを有する。本実施例では、メディアソースは、全体のビットレート（メディアビットレートと冗長ビットレートの和に等しい）が現在のチャネルビットレートに一致するように、ｋとレート制御ブロックから受信した指示に応じてメディアビットレートを適応化する。

上述の解析器３４の機能は、受信機３のプロセッサ上でソフトウェア的に実現される。

上記システム、送信機、受信機及びメディアに付加される冗長量を決定する方法に関して、本発明の範囲から逸脱することなく変更または改良が提起されるかもしれない。本発明は、与えられた実施例に限定されるものではない。

特に、メディアパケットと対応する冗長パケットは、一定のサイズの送信ブロックにより送信される必要はない。受信機によりフィードバックされる指示は、ｋの最適値である必要はない。それは、メディアに付加される最適な冗長量の何れの指標であってもよい（例えば、（ｎ−ｋ）の最適値であってもよいし、あるいは

として定義されるオーバヘッドの最適値であってもよい。

本発明は、Ｒｅｅｄ Ｓｏｌｏｍｏｎコードの利用に限定されるものではない。訂正能力がｋとｎの関数となる任意の訂正符号が利用可能である。「有する」という用語とその派生語は、請求項に記載される以外の要素またはステップの存在を排除するものではない。要素またはステップに前置される冠詞の使用は、そのような要素またはステップの複数の存在を排除するものではない。

図１は、本発明による送信システムの概略図である。 図２は、送信ブロックの生成の概略図である。 図３は、送信ブロックの状態に応じた送信ブロックに含まれる冗長量の適応化の概略図である。 図４は、本発明による順方向誤り訂正スキームにおいて利用される冗長量を決定する方法のブロック図である。

Claims (8)

1. 送信機と、
   時間可変状態を有する送信ネットワークと、
   受信機と、
   を少なくとも有する送信システムであって、
   前記送信機は、ｎ個のパケットの送信ブロックを構成するため、ｋ個のメディアパケットから（ｎ−ｋ）個の冗長パケットを生成するエンコーダ（ただし、ｎとｋは整数である）を有し、
   前記受信機は、
   所与の受信した送信ブロック群について、ｎから最大冗長量に対応する最小値ｋ _ｍｉｎ まで変化するｋの各値により取得される各パケットエラーレートを計算し、
   前記パケットエラーレートが最大許容パケットエラーレートを超えないｋの最大値であるｋの最適値を決定する、
   よう構成される解析器を有し、
   ｋの所与の値に対する前記パケットエラーレートは、前記ｋの所与の値に関連付けられ、訂正可能な最大パケット数に対応する誤り訂正能力によって前記所与の受信した送信ブロック群におけるパケットの訂正後に残ったパケットエラー数の平均値から計算され、
   前記受信機はさらに、前記エンコーダが前記最適値を利用できるように、前記ｋの最適値を前記送信機にフィードバックするフィードバック手段を有する送信システム。
2. 請求項１記載の送信システムであって、
   前記解析器は、より直近の送信ブロックに対してより大きなウェイトが与えられるように、所与の送信ブロックにおけるパケットの訂正後に残ったパケットエラー数に、前記所与の送信ブロックの直近さに依存したウェイトを与えるよう構成されることを特徴とする送信システム。
3. 請求項１記載の送信システムであって、
   前記送信機は、適応可能なメディアビットレートにより前記メディアパケットを送出するメディアソースを有し、
   前記エンコーダは、該エンコーダにより現在付加されている冗長量に応じて、前記メディアビットレートを適応化するための指示を前記メディアソースに送信するよう設計される、
   ことを特徴とする送信システム。
4. ｋ個のメディアパケットと該ｋ個のメディアパケットから生成された（ｎ−ｋ）個の冗長パケットとを有する送信ブロックであって、時間可変状態を有する送信ネットワークを介し送信機により送信された送信ブロックを受信する受信機（ただし、ｎとｋは整数である）であって、
   所与の受信した送信ブロック群について、ｎから最大冗長量に対応する最小値ｋ _ｍｉｎ まで変化するｋの各値により取得される各パケットエラーレートを計算し、
   前記パケットエラーレートが最大許容パケットエラーレートを超えないｋの最大値であるｋの最適値を決定する、
   よう構成される解析器を有し、
   ｋの所与の値に対する前記パケットエラーレートは、前記ｋの所与の値に関連付けられ、訂正可能な最大パケット数に対応する誤り訂正能力によって前記所与の受信した送信ブロック群におけるパケットの訂正後に残ったパケットエラー数の平均値から計算され、
   前記受信機はさらに、エンコーダが前記最適値を利用できるように、前記ｋの最適値を前記送信機にフィードバックするフィードバック手段を有する受信機。
5. 請求項４記載の受信機であって、
   前記解析器は、より直近の送信ブロックに対してより大きなウェイトが与えられるように、所与の送信ブロックにおけるパケットの訂正後に残ったパケットエラー数に、前記所与の送信ブロックの直近さに依存したウェイトを与えるよう構成されることを特徴とする受信機。
6. 請求項４記載の受信機であって、
   前記受信したメディアパケットは、アプリケーションにより利用されるためのものであり、
   前記最大許容パケットエラーレートは、前記アプリケーションにより設定される、
   ことを特徴とする受信機。
7. ｎ個のパケットの送信ブロックを構成するため、送信機側でｋ個のメディアパケットから（ｎ−ｋ）個の冗長パケットが生成される順方向誤り訂正スキーム（ただし、ｎとｋは整数である）により利用される冗長量を決定する方法であって、
   受信機側においてあるパケット数の訂正能力を提供するため、送信機側において冗長パケットがメディアパケットから生成され、
   該方法は、
   所与の受信した送信ブロック群について、ｎから最大冗長量に対応する最小値ｋ _ｍｉｎ まで変化するｋの各値により取得される各パケットエラーレートを計算するステップと、
   前記パケットエラーレートが最大許容パケットエラーレートを超えないｋの最大値であるｋの最適値を決定するステップと、
   エンコーダが前記最適値を利用できるように、前記ｋの最適値を前記送信機にフィードバックするステップと、
   を有し、
   ｋの所与の値に対する前記パケットエラーレートは、前記ｋの所与の値に関連付けられ、訂正可能な最大パケット数に対応する誤り訂正能力によって前記所与の受信した送信ブロック群におけるパケットの訂正後に残ったパケットエラー数の平均値から計算される方法。
8. 請求項７記載の方法であって、
   より直近の送信ブロックに対してより大きなウェイトが与えられるように、所与の送信ブロックにおけるパケットの訂正後に残ったパケットエラー数に、前記所与の送信ブロックの直近さに依存したウェイトを与えるステップをさらに有することを特徴とする方法。

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