JP4563375B2 - ビーコンパケットを用いるデジタルビデオ同期方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビーコンパケットを用いるデジタルビデオ同期方法および装置に関し、特に、ＩＥＥＥ８０２．１１またはそれから派生した規格に従って動作するワイヤレスアクセスポイントとワイヤレスステーションの間の通信に利用されるビーコンパケットの使用に関する。

本出願は、２００３年１月９日に出願した米国仮出願第６０／４３９，０９２号の利益を主張するものである。

本発明の背景となっているのは、米国電子技術者協会（ＩＥＥＥ）のワーキンググループにより開発されたワイヤレスローカルエリアネットワークまたはＷＬＡＮの仕様ファミリーである。ＩＥＥＥ８０２．１１規格には、従来のＷＬＡＮアクセスポイントが規定されている。これらのＷＬＡＮアクセスポイントはモバイルデバイスにＷＬＡＮその他のネットワークへのアクセスを提供する。その他のネットワークには、例えば、ハードワイヤードのローカルエリアネットワークおよびインターネット等のグローバルネットワークがある。このようなアクセスポイントは、限定受信放送で利用されているように、セットトップボックスから入力を受けてもよい。

図１は、本発明の実施に好適なデジタルビデオおよびオーディオシステムの一例を示している。ヘッドエンドにおいて、複数のビデオおよびオーディオコンテントストリームが（典型的にはＭＰＥＧ−２規格に従った）デジタルフォーマットに変換され、衛星を介して送信され、パラボラアンテナその他の好適な手段で受信される。このパラボラアンテナその他の好適な手段は、ケーブルセットトップボックスと呼ばれる放送レシーバや、トランシーバ／マルチプレクサ／デマルチプレクサまたはＴＭＤ等であるその他の好適な手段に取り付けられている。米国特許第６，５１０，５１９号には、ヘッドエンドとセットトップボックスを利用した代表的なシステムが記載されている。そのセットトップボックスには、チューナ、デモジュレータ、デコーダ、トランスポートデマルチプレクサ、マイクロプロセッサ、プログラムメモリ、ビデオピクチャメモリ、ＭＰＥＧビデオデコーダ、ディスプレイ、スマートカードが含まれる。ほとんどのデジタル放送システムデータストリームはセキュリティを目的として符号化またはスクランブルされる。一旦復号すると、システムは、一般的にはＭＰＥＧ−２規格に従って、メモリ内でビデオコンポジットピクチャを構成し、所望のピクチャをオーディオコンポーネントとともにモニターに表示する。プログラムをスクランブルするのに加えて、一般には、さらに認証が備えられており、特定のレシーバがプログラムを受信できるようになっている。

さらに図１に示したように、放送レシーバ、ＴＭＤ、またはセットトップボックス（以下、セットトップボックスと総称する）はワイヤレスアクセスポイントと通信するように設計および構成されている。ワイヤレスアクセスポイントは、図示した例では、デマルチプレックスされた出力を受信する。そのデマルチプレックスされた出力は、ビデオおよびオーディオコンテントの送信を同期させるためのタイミング信号を含む。

ＩＥＥＥ８０２．１１規格では、ＷＬＡＮアーキテクチャが規定されている。このＷＬＡＮアーキテクチャは、基本的なビルディングブロックと見なされるベーシックサービスセットまたはＢＳＳという考え方に基づいて構築されている。ＢＳＳは、相互に通信する任意数のアクセスポイントステーションのグループにより構成される。独立した各ＢＳＳにおいては、モバイルステーションは相互に直接的に通信する。インフラストラクチャＢＳＳにおいては、ＢＳＳ中のステーションはすべてアクセスポイントと通信し、アクセスポイントによりすべてのフレームがステーション間をリレーされ、もはや独立したＢＳＳと直接的には通信しない。ここに提案する発明はインフラストラクチャＢＳＳにおいて使用してもよい。

ワイヤレスアクセスポイントとのワイヤレス接続を介してネットワーク中で効率的に通信するため、特にディスプレイに提示したビデオが止まったりジャンプしたりすることを避けるため、ＷＬＡＮ中の様々なデバイスは同期していなければならない。プログラムコンテントは一般にフォワードおよびストアバッファに格納され、クロック信号が来るのを待つ。クロック信号が来ると、そのプログラムコンテントはオーディオおよびビデオディスプレイのサブシステムに送られる。デジタルプログラムコンテントは一般的にはコンポジットビデオ信号であり、そのソースが送り先のバッファがカラになる前にデジタルコンテント信号を送信しビデオを提示したとき、送り先のフォワードおよびストアバッファはオーバーフローしてしまい、ビデオデータが失われてしまう。逆に、デジタルビデオの送り先のストアおよびフォワードバッファが、次のデータを受信する前にカラになると、また、デジタルビデオソースをリードすると、送り先のバッファがアンダーフローして、ビデオプレゼンテーション中に停止またはフリーズしてしまう。データが生成されるレートに対して、それが送信、格納、消費されるレートを同期することにより、好ましくない結果を削減または無くすことができる。ワイヤレスシステムにおいて同調同期を向上する方法と装置を提供することが望まれている。

本発明は、セットトップボックスを越えて、ビデオデータの最終目的地であるワイヤレスステーションへのワイヤレスアクセスポイントを介したタイミング同期のための装置および方法を提供する。ＩＥＥＥ８０２．１１規格は、ビーコンパケットとして知られる同期機能を提供する。このパケットは、ワイヤレスアクセスポイントをそれが管理する受信ステーションと同期させる。ワイヤレスアクセスポイントのメディアアクセスコントロール（一般に、ＭＡＣチップまたはサブシステムと呼ばれる）への入力として、セットトップボックスの電圧制御水晶オシレータ（ＶＣＸＯ）クロック出力を用いることにより、ビーコンパケットのタイミング情報を調整し、セットトップボックスですでに検出されたバリエーションを付加的に補償することができる。このビーコンパケットは、アクセスポイントによりそのベーシックサービスセット（またはＢＳＳ）内のすべてのワイヤレスステーションに送信される。

ワイヤレスステーションのＣＰＵは、このビーコン情報を用いて、ローカルＶＣＸＯを制御して、そのＭＡＣチップがワイヤレスリンクからのデータを消費するレートを調整することができる。ワイヤレスステーションのレートを調整することにより、ヘッドエンドでビデオデータが生成されるレートにそのタイムベースをマッチさせることができ、バッファがアンダーフロー／オーバーフローするリスクを低くすることができる。その結果、ビデオストリームはよりスムースになり、停止やスキップのリスクが低下する。

ここに開示する発明はレシーバ・トランスミッタシステムを含み、該レシーバ／トランスミッタシステムは、ビデオ送信の時間を示すタイムスタンプを受信する手段と、前記タイムスタンプとその前のタイムスタンプの間の相対的時間差を決定する手段と、送信の１つの特徴としてタイムベースを有するトランスミッタに前記相対的時間差を通信する手段と、前記相対的時間差に従って前記タイムベースを前記トランスミッタが調整する手段とを有する。該レシーバ・トランスミッタシステムの前記トランスミッタは前記相対的時間差に従って調整されたタイムベースを１以上のレシーバに通信する。最終的に、前記１以上のレシーバは、前記相対的時間差に従ってタイムベースを調整する。

本発明は、ヘッドエンドからのＡＵＸと呼ばれるデジタルパケットを受信するように構成されたセットトップボックスを利用する。そのデジタルパケットは、システムクロックリファレンス（またはＳＣＲ）と呼ばれる、定期的にビデオストリームに挿入された、正確なタイムスタンプを含む。セットトップボックスでＡＵＸパケットが検出されるのと同時に、ローカルＶＣＸＯクロックがラッチされる。現在とその前のＡＵＸパケットのＳＣＲの間の時間差を、現在とその前のローカルクロックにラッチされた値の時間差と比較することにより、ＶＣＸＯを調整して、データレートをヘッドエンドと同期させることができる。ここに開示する発明は、方法であって、タイムスタンプと前のタイムスタンプの間の相対的時間差を決定するステップと、送信の１つの特徴としてタイムベースを有するワイヤレスアクセスポイントトランスミッタに前記相対的時間差を通信するステップと、セットトップボックスから受信した前記相対的時間差により前記タイムベースを調整するステップと、１以上のワイヤレスステーションレシーバに前記調整を送信するステップとを有し、前記１以上のワイヤレスステーションレシーバの各々は前記相対的時間差により前記タイムベースを調整する。ワイヤレスアクセスポイントビーコンのレートにおけるこれらの変化と、そのような変化によるワイヤレスステーションＶＣＸＯへの影響により、ビデオデータが消費されるレートが対応する影響を受け、バッファがアンダーフロー／オーバーフローするリスクが低くなる。

以下に説明する図面において、回路、それに関連するブロック、および矢印は、本発明によるプロセスの機能を表す。本発明のプロセスは、電子回路および電気信号を送る配線またはデータバス、および／またはソフトウェアモジュールとして実施できる。あるいは、本発明の方法または装置がデジタルプロセスとして実施されるとき、１以上の関連する矢印がソフトウェアモジュール間の通信（例えば、データフロー）を表すこともある。

図１に示した構成は、サービスプロバイダ１００のシステムの概略を提供するものである。サービスプロバイダ１００のシステムは、例えば、デジタルテレビジョン規格によりテレビジョンプログラミング等のビデオプログラミングを供給する。放送システムデータストリームはすべて、ビデオ、オーディオ、タイミング情報を含み、セキュリティを目的として符号化またはスクランブルされており、権限を有する加入者だけが送信されたプログラムを見ることができる。

加入者ベースのデジタル放送システムにおいて、カスタマーはコンポジットビデオ信号とオーディオ情報に加えて、エンタイトルメント制御メッセージ等の様々な管理および制御メッセージを受信する。エンタイトルメント制御メッセージには、デジタルビデオおよびオーディオデータの解読と組み立てを可能とするために、デスクランブリング鍵を復号するために必要な暗号化された制御ワードを解読するために必要なエクスプロイテーション鍵を含んでいる。一旦解読されれば、システムは、一般的にはＭＰＥＧ−２規格に従って、メモリ内でビデオコンポジットピクチャを組み立て、所望のピクチャをディスプレイに表示する。

図１によると、ヘッドエンド１１０は、限定受信カスタマーへのテレビサービスのために、エンコーダ１１２でビデオおよびオーディオコンテント１１６をデジタル的にフォーマットし、モジュレータ１１４で変調して、衛星１０４を介してトランスミッタ１０２から受信側のパラボラアンテナ１０６に送信する。

受信側は、一般的には、受信パラボラアンテナ１０６に接続されたデジタルセットトップボックス１２０である。セットトップボックスはデモジュレータ１２２を含み、そのデモジュレータ１２２は、コンポジットビデオおよびオーディオ情報、様々な管理および制御メッセージを復調し、復調した信号を中央処理装置またはＣＰＵ／デマルチプレクサ１２６に出力する。ＣＰＵ／デマルチプレクサ１２６は、パケットを選択的に様々な制御、データおよびステータスサブシステムに経路付けすることにより多数のパケット化されたストリームを処理する。例えば、典型的には、選択されたパケット化されたビデオおよびオーディオストリームがデコーダ１２８に送られ、テレビジョン１５０ａへの出力に好適なフォーマットである例えばＮＴＳＣ、ＰＡＬ、ＳＥＣＡＭ等に変換される。

ＶＣＸＯ１２４は、ＣＰＵ／デマルチプレクサ１２６にクロックを提供するタイムベースを同期する。ＣＰＵ／デマルチプレクサ１２６は、ヘッドエンド１１０のビデオソースとセットトップボックス１２０の間のタイムベースを様々なタイミングで調整する。ヘッドエンドでは、正確なタイムスタンプ１１８を含むデジタルパケットが、送信１０８される前にコンテント１１６に定期的に挿入される。これらのタイムスタンプはシステムクロックリファレンス（ＳＣＲ）と呼ばれる。

本発明は、ＩＥＥＥ８０２．１１準拠アーキテクチャにビデオおよびオーディオデータストリームを提供するコンポーネントを利用する放送システム１００を対象にする。そのＩＥＥＥ８０２．１１準拠アーキテクチャは、ワイヤレスアクセスポイント１３０と１以上のワイヤレスステーション１４０を利用した送信１６０により示されたワイヤレスローカルエリアアクセスデバイスである。上記のＩＥＥＥ８０２．１１準拠システムはいくつかのコンポーネントを有しており、各システムはメディアアクセスコントロールまたはＭＡＣ１３４、１４２とベースバンドプロセスまたはＢＢＰ１３２、１４３を含む。このＢＢＰ１３２、１４３は、パケットがノイズによって壊れてないかどうか検証し、可能であれば修理するためのフォワードエラーコレクションまたはＦＥＣを少なくとも担当する。ステーションのモビリティを提供するサービスだけでなく、ＢＢＰ１３２、１４３およびラジオレシーバ／トランスミッタ１３８、１４０も、ネットワークスタックの上位レイヤーには透過的である。しかし、ステーションは、ＩＥＥＥ８０２．１１のプロトコルの機能であるＭＡＣと物理レイヤーまたはＰＨＹを含み、ワイヤレスステーション１４０等のワイヤレスメディアに接続しているデバイスであれば、いかなるものでもよい。一般に、ＩＥＥＥ８０２．１１の機能は、ネットワークインターフェイスカード（図示せず）のハードウェアおよびソフトウェアで実施される。一例として、ワイヤレスステーション１３０は、ワイヤレスステーション１４０等であるその他のワイヤレスメディアに接続している。

ワイヤレス準拠デバイスはワイヤレスステーション１４０を代表するものであってもよい。ワイヤレスステーション１４０は、例えば、ラップトップパーソナルコンピュータやハンドヘルドデバイス等である。あるいは、ワイヤレス準拠デバイスは、ワイヤレスステーション１４０等のワイヤレスステーションを管理するアクセスポイント１３０を代表するものでもよい。それゆえ、ステーションは、モバイルでも、ポータブルでも、据え置き型でもよく、ＩＥＥＥ８０２．１１準拠であるステーションはすべて、認証、非認証（ｄｅ−ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ）、プライバシー、データ配信等のサービスを提供する。

本発明は、セットトップボックスを越えて、ワイヤレスアクセスポイント１３０を介してワイヤレスステーション１４０に、タイミング同期装置および方法を提供する。ワイヤレスステーション１４０は、ビデオデータの目的地であり、デコーダ１４７で復号され、デバイス１５０（ｂ）に表示される。ＩＥＥＥ８０２．１１規格には、ビーコンパケットと呼ばれる同期機能が組み込まれている。このパケットを用いて、ワイヤレスアクセスポイント１３０データストリームをワイヤレスステーション１４０等の１以上の管理しているステーションと同期させる。ワイヤレスアクセスコントロール１３０入力としてセットトップボックス１２０のＶＣＸＯ１２４クロック出力を使用することにより、ワイヤレスアクセスポイント１３０のＭＡＣチップ１３４として示したように、ビーコンパケットのタイミング情報を調整して、セットトップボックス１２０ですでに検出したバリエーションを追加的に補償することができる。このビーコンパケットはワイヤレスアクセスポイント１３０のラジオトランスミッタ１３８を介して、ベーシックサービスセット内のワイヤレスステーション１４０や対応するラジオレシーバ１４８等である受信可能なように構成されたワイヤレスステーションすべてに送信される。

ワイヤレスステーション１４０のＣＰＵ１４６は、そのＭＡＣチップ１４２がワイヤレスリンク１６０からデータを消費するレートを調整するために、このビーコン情報を用いて、ローカルＶＣＸＯ１４４を制御することができる。セットトップボックス１２０により決定された相対的時間差によりビーコン情報を調整することにより、ワイヤレスステーション１４０は、そのタイムベースを、ヘッドエンドでビデオデータが生成されるレートと合わせることができ、それによりバッファアンダーフロー／オーバーフローのリスクを削減することができる。その結果、ビデオはスムースになり、停止やスキップのリスクを減らすことができる。

図１と２を参照して、ここに開示した発明は、１以上のデバイス２２０、２３０を含む。各デバイスは、ビデオ送信の時間を示すタイムスタンプを受信する手段、時間ｔ＝ｔ_０におけるタイムスタンプ１１８と時間ｔ＝ｔ_−１における前のタイムスタンプ１１８の間の相対的時間差を決定する手段２２４、２２６と、送信の一機能としてタイムベースを有するトランスミッタ２３０にその相対的時間差を通信する手段２２４とを有する。トランスミッタ２３０は、相対的時間差に従って受信したタイムベースを調整する手段を含む。トランスミッタ２３０は、相対的時間差により調整したタイムベースを、１以上のレシーバ２４０（１）、２４０（２）、から２４０（ｎ）にさらに通信する。最終的に、１以上のレシーバは、送信されたプログラム２０８の送信レートとデータレートを同期するために、相対的時間差により各対応するタイムベースを調整する。

図２を参照して、ここで開示した発明はレシーバ２２０を含む。そのレシーバ２２０は、送信プログラム２０８を受信する手段と、送信されたタイムベースを受信する手段２２４、２２６、現在とその前のＡＵＸパケットのＳＣＲ間の時間差を、現在とその前のローカルクロック２２４にラッチされた値の間の時間差と比較する手段と、タイムベース２２５を調整してデータレートを送信されたプログラム２０８に同期させる手段と、データレートを送信されたプログラム２０８と同期させるために調整されたタイムベース２２５を手段２３０に通信する手段とを有する。

図２を再度参照して、ここに開示した発明はレシーバ２３０を含む。そのレシーバ２３０は、調整されたタイムベース２２５を受信し、データレートを送信されたプログラム２０８と同期させる手段と、データレートを送信されたプログラム２０８と同期させるため、調整されたタイムベース２２５を１以上の受信手段２４０（１）、２４０（２）、から２４０（ｎ）に通信する手段とを有する。

本発明の方法は、図２と３ａを参照して最もよく理解できる。セットトップボックス２２０は、ビデオストリームに定期的に挿入された（３１２）ＡＵＸと呼ばれる送信プログラム２０８に組み込まれたデジタルパケットを受信する。前にスタートした（３１０）ローカルＶＣＸＯ２２４カウンターは、セットトップボックス２２０にＡＵＸパケットが検出された（３１４）ちょうどその時にラッチされる（３１６）。現在とその前のＡＵＸパケットのＳＣＲの間の時間差を、現在とその前のＶＣＸＯ２２４ローカルクロックにラッチされた時間差と比較することにより、ＶＣＸＯ２２４タイムベースへの調整により送信されたプログラム２０８の送信レートを同期させる信号２２５が生成される。

図３ａと３ｂを参照して、ここに開示した発明は、１つのタイムスタンプとその前のタイムスタンプの間の相対的な時間差を決定するステップ（３１８）と、送信の一機能としてタイムベースを有するワイヤレスアクセスポイントトランスミッタにその相対的時間差を通信するステップ（３３０）と、１以上のワイヤレスステーションレシーバに相対的時間差を送信するステップ（３３３）とを有し、１以上のワイヤレスステーションレシーバの各々はその相対的時間差によりタイムベースを調整する。

図３ａと３ｂを再度参照して、ここに開示した発明は、現在と以前のＡＵＸ ＳＣＲの間の相対的時間差を現在とその前のローカルＶＣＸＯクロックにラッチされた値と決定するステップ３１８と、ＶＣＸＯのクロックを調整してセットトップのデータレートをヘッドエンドに同期させるステップ３２０と、調整されたＶＣＸＯをＢＳＳ ＭＡＣチップに出力するステップ３３０と、調整されたＶＣＸＯクロックに従ってビーコンパケットを調整するステップ３３２と、ＢＳＳのワイヤレスステーションに調整されたビーコンパケットを送信するステップ３３３と、調整されたビーコンを利用してローカルＶＣＸＯレートのレートを調整するステップ３３４とを含む。従ってこの方法を用いることにより、１以上のワイヤレスステーションレシーバの各々は相対的時間差によりタイムベースを調整することができる。

ワイヤレスアクセスポイントビーコンのレートの変化とワイヤレスステーションＶＣＸＯへの影響により、ビデオデータが消費されるレートに対応する影響があり、それによりバッファアンダーフロー／オーバーフローのリスクが減少する。

当然のことながら、以上説明したのは本発明の好ましい実施形態である。機能（ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）および各部品の構成は様々に変更してもよい。均等な手段を用いて例示し説明した機能・部品を置換してもよい。請求の範囲に記載したように、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、いくつかの機能（ｆｅａｔｕｒｅｓ）を他のものと独立に使用してもよい。例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ベースのＷＬＡＮに基づいて本発明を説明したが、当然のことながら、同期を維持しなければならない他のワイヤレスＬＡＮ規格に基づく構造に適用することもできる。

以下の添付した図面を参照して本発明を詳細に説明した。
限定受信方式を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による、調整された時間ベースを確保する方法を説明するためのブロック図である。 調整されたタイムベースを確保する方法のステップを示すフローチャートである。 調整されたタイムベースを確保する方法のステップを示すフローチャートである。

Claims (5)

1. デジタルビデオデータをワイヤレスで送受信する装置であって、
   ビデオ送信の時間を示すタイムスタンプを受信する手段と、
   前記タイムスタンプとその前のタイムスタンプの間の相対的時間差を決定する手段と、
   一送信機能としてタイムベースを有するトランスミッタに前記相対的時間差を通信する手段と、
   前記相対的時間差に応じて前記タイムベースを前記トランスミッタに調整させる手段とを有する装置。
2. 前記トランスミッタは、前記相対的時間差に応じて調整された前記タイムベースを１以上のレシーバに通信する、請求項１に記載の装置。
3. 前記１以上のレシーバは、前記相対的時間差に応じて各レシーバのタイムベースを調整する、請求項２に記載の装置。
4. 相対的時間差に応じてタイムベースを調整することによりデジタルビデオを同期する方法であって、
   タイムスタンプとその前のタイムスタンプとの間の相対的時間差を決定する段階と、
   一送信機能としてタイムベースを有するトランスミッタに前記相対的時間差を通信する段階と、
   １以上のワイヤレスステーションレシーバに前記相対的時間差を送信する段階とを有し、
   前記１以上のワイヤレスステーションレシーバの各々は前記相対的時間差に応じて前記タイムベースを調整する方法。
5. 前記決定する段階は、現在およびその前のＡＵＸ ＳＣＲの間の相対的時間差を、現在およびその前のローカルＶＣＸＯクロックにラッチされた値と決定する段階を含み、
   前記方法はさらに、前記ローカルＶＣＸＯのクロックを調整して、セットトップのデータレートを同期させる段階を含み、
   前記送信する段階はさらに、前記調整されたＶＣＸＯクロックをＭＡＣチップに出力する段階を含み、
   前記方法はさらに、前記調整されたＶＣＸＯクロックに従ってビーコンパケットを調整する段階を含み、
   前記送信する段階はさらに、前記調整されたビーコンパケットをワイヤレスステーションレシーバに送信する段階を含み、
   前記方法はさらに、前記調整されたビーコンを用いて、前記ワイヤレスステーションレシーバのローカルＶＣＸＯクロックのレートを調節する段階を有する、請求項４に記載の方法。

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