JP4575643B2 - 非同期デジタルホームネットワークにおけるマルチメディアジッタの除去 - Google Patents
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Description
デジタル通信技術の最近の発展により、デジタルホームネットワーク(「DHN」)の実行可能性が高まり、家庭内のさまざまなデバイスの相互通信が可能になってきた。特に、ブロードバンドアクセスの利用が広がり、家庭内のさまざまなデバイスを一つのブロードバンドネットワーク、または複数のネットワークに結合されている単一のゲートウェイデバイスに結びつけ、マルチメディア情報に集中アクセスし配布できることが望ましいものとなっている。このようなデジタルホームネットワークでは、ゲートウェイデバイスにより、マルチメディアコンテンツにアクセスしそれをバッファし、ネットワークに結合されている各種のクライアントデバイスから要求されたときネットワーク経由でコンテンツを配布する。
【0002】
Ethernet(登録商標)はLANを実施するために共通のオプションである。Ethernet(登録商標)は非同期衝突検出ネットワーク(asynchronous collision detect network)である。HPNAもまた、非同期衝突検出ネットワークであり、送電線を利用した一部のネットワークは多くの場合、非同期衝突検出ネットワークである。しかし、そのようなネットワークをマルチメディアコンテンツの配信に使用した場合、問題が生じることがある。
【0003】
図1は、マルチメディアネットワークを示すシステム図である。システム100は、複数の通信ネットワーク105−107のいずれかによりメディアサーバ103に結合された複数のデバイス108−113を備える。システム100では、メディアサーバ103は衛星放送用パラボラアンテナ(satellite dish)102を介してマルチメディアコンテンツを受信し、コンテンツをバッファし、ネットワークに結合されている各種デバイスからの要求に応じてコンテンツを配信する。メディアサーバ103はさらに、ケーブル,DSLなど、複数の知られているデジタルメディアアクセス方法のいずれかによりマルチメディアコンテンツを受信するように結合できる。選択されたネットワークを介したデータの転送は一般に、大きなバッファを使用するか、またはクライアントデバイスでデータを絞ることができるようにすることで行うことができる。
【0004】
この点に関して、生放送(live broadcast)および非同期デジタルホームネットワークでの配信に関連する問題が多数ある。生放送の信号(live broadcast signal)では、データはクライアントデバイスにプッシュされ、クライアントデバイス側では着信データストリーム(incoming data stream)を制御しない。ネットワークで接続されているクライアントデバイスが、正しいフレームレートで、フレームの繰り返しまたは喪失なしで配信されたオーディオデータおよびビデオデータをすべてデコードし表示できるようにするために、一般に、ネットワークで接続されたクライアントデバイスはヘッドエンドクロック(headend clock)とクロック同期している必要がある。放送A/Vネットワークでクロック同期に使用される最も広く受け入れられている方法は、放送サイト(broadcast site)で取られたカウンタサンプル(counter sample)を放送時から受信時まで一定の遅延とともに受信機に配信することに依拠している。放送サイトでのカウンタは、放送サイトの基準クロックにより増分される。これらのクロックサンプルが受信機に届いた途端、電圧制御発振器(VCXO)からクロック信号が供給されているカウンタのサンプリングが行われる。カウンタの値と放送サイトから受信したタイムスタンプとが比較され、ローカルカウンタのサンプルと放送サイトで取ったクロックサンプルとの差が時間とともに変化する場合に、ローカルのVCXOに印加された電圧が調整され、ローカルクロックが放送サイトの基準クロックに周波数ロックされる。
【0005】
Ethernet(登録商標)ネットワークなどの非同期衝突検出ネットワークでは、パケットが構築され、送信バッファ内に置かれてからネットワーク接続デバイスに届くまでの遅延時間は必ずしも一定ではない。このようなネットワークでは、ネットワーク上で衝突する複数のデバイスにより、パケット受信時にパケットは変化する場合がありまた遅延時間も予想できない。このような環境では、遅延は一定せずまた予測できないため上述の方法を使用してネットワークで接続された受信機のクロックをネットワークで接続された送信機のクロックに周波数ロックすることはできない。このような方法を使用して受信機のクロックを送信機のクロックにロックしようとすると、受信機のクロックに著しいジッタが発生する場合がある。受信機のクロック内のジッタの大きさによっては、ビデオ表示にNTSC準拠のカラーバーストを生成できない場合がある。さらに、このジッタがあることにより、最低でも、オーディオおよびビデオ圧縮データバッファは必要以上に大きくする必要があり、または最悪、バッファがアンダフローまたはオーバーフローを起こすことがある。副作用としては、ビデオフリージング(video freezing),オーディオのチャープ(possible audio chirp)、およびカラーバーストの変動による表示色の動的変化が含まれる。
【0006】
Ethernet(登録商標)ネットワークなどの非同期衝突検出ネットワークでは、パケットが構築され、送信バッファ内に置かれてからネットワーク接続デバイスに届くまでの遅延時間は必ずしも一定ではない。このようなネットワークでは、ネットワーク上で衝突する複数のデバイスにより、パケット受信時にパケットは変化する場合がありまた遅延時間も予想できない。このような環境では、遅延は一定せずまた予測できないため上述の方法を使用してネットワークで接続された受信機のクロックをネットワークで接続された送信機のクロックに周波数ロックすることはできない。このような方法を使用して受信機のクロックを送信機のクロックにロックしようとすると、受信機のクロックに著しいジッタが発生する場合がある。受信機のクロック内のジッタの大きさによっては、ビデオ表示にNTSC準拠のカラーバーストを生成できない場合がある。さらに、このジッタがあることにより、最低でも、オーディオおよびビデオ圧縮データバッファは必要以上に大きくする必要があり、または最悪、バッファがアンダフローまたはオーバーフローを起こすことがある。副作用としては、ビデオフリージング(video freezing),オーディオのチャープ(possible audio chirp)、およびカラーバーストの変動による表示色の動的変化が含まれることになる。
【0007】
1394ネットワークなどの一部のネットワークでは、このような問題をなくすために等時性機能(isochronous capability)を備える。さらに、ATMネットワークに対してこれらのタイミング問題を解消するためにSRTSなどのさまざまな方法も開発されている。SRTS法では、送信デバイスと受信デバイスが共に同期処理用のネットワーククロックにアクセスできることを想定している。しかし、このような方法は、Ethernet(登録商標)ネットワークなどの非同期衝突検出ネットワークのジッタを是正するのには完全には適していない場合がある。したがって、クロックの同期処理を行い、非同期ネットワーク、特に非同期衝突検出ネットワーク内のデータフローを制御し上述の問題を克服するシステムと方法が望まれている。さらに、必要なのは、クロックを同期させ、非同期ネットワーク内のデータフローを制御するためのシステムと方法である。ここで、広帯域受信機(broadband receiver)は複数のヘッドエンド(headend)ネットワークの1つから信号を受信することができ、それぞれのヘッドエンドはそれぞれのシステムクロックを備える。
【0008】
本発明では、上述のジッタ問題を解決し、特に非同期ネットワーク上でマルチメディアコンテンツを配信するシステムと方法を提供する。ここで、受信機は複数のヘッドエンドネットワークから入力を受け取ることができる。より具体的には、本発明では、タイムスタンプおよびクロック調整ファクタ(clock adjustment factor)を使用して、非同期ホームネットワーク上のソフトウェア処理および衝突が原因で生じるジッタの影響(jitter effect)を最小限に抑え、かつ低減する。一組のタイムスタンプを使用して、クライアントデバイスのクロックとヘッドエンドクロックとの同期処理を実行し、もう一組のタイムスタンプを使用してクライアントデバイスのデータフローを制御する。
【0009】
フロー制御用に、一組のタイムスタンプ(one set of time stamp)が追加される。広帯域ネットワークからパケットが到着すると、サーバ内のローカルカウンタのサンプルがレジスタにラッチされる。ローカルカウンタは、サーバのシステムクロックによりクロックされる。サーバは、サンプリルしたカウンタ値を、受信したトランスポートパケットに付加する。パケットにタイムスタンプを設定した後、サーバはパケットを送信バッファ(transmit buffer)に置く。このタイムスタンプは、広帯域接続(broadband connection)からデータが受信され、バッファに入れられたときを示し、たがって、データはバッファに入ったのとまったく同じレートでクライアントデバイスがデータを取り除くのに使用できる。
【0010】
クライアントデバイスのクロックとヘッドエンドのクロックとの同期を取るためにもう一組のタイムスタンプをクロック調整ファクタとともに使用する。各ヘッドエンドは、マルチメディアデータとともに、同期情報(synchronizing information)SCRを送信する。サーバがSCRを検出すると、サーバはタイムスタンプに適用する正規化(normalization)、つまりスケールファクタ(scaling factor)を計算(calculate)するアルゴリズムを実行する。サーバのローカルクロックは調整(adjust)されない。この正規化により、サーバのローカルクロックをヘッドエンドのクロックによって表すことができる。調整ファクタ(adjustment factor)は、広帯域受信機のタイムスタンプに適用され、ヘッドエンドのクロックによって表される。データのフレームがネットワーク上に置かれると、システムクロック上で動作するローカルカウンタがサンプリルされる。サンプルされたクロックに基づくタイムスタンプはネットワーク物理層のデータフレーム内にリアルタイムで書き込まれ、ローカルカウンタのサンプリングからの時間は一定であり、サンプルされたカウント値がネットワークに置かれる。衝突(collision)が発生すると、データが再送されるときタイムスタンプが更新(update)される。新しいデータフレームがクライアントデバイスの物理層に届くと、クライアントのローカルクロックで動作するローカルカウンタのサンプルがレジスタにラッチされる。この「受信時刻(receive-time)」タイムスタンプがデータの受信フレームに付加され、クライアントのネットワークプロトコルのハードウェアおよびソフトウェアの続く層(successive layer)に渡される。クライアントデータが通信プロトコルに渡された後、データはクライアントによって使用できる状態に置かれる。
【0011】
クライアントデバイスは、クライアントのローカルシステムクロックをヘッドエンドのシステムクロックにロックするためにクライアントデバイスによってデータが受信されたときに付加されているタイムスタンプとともに、サーバネットワークインターフェースの物理層およびクロック調整ファクタに付加されたタイムスタンプを使用する。
【0012】
次に、広帯域ネットワークからサーバにデータが到着したときに、クロック調整ファクタとともに、データに付加されたタイムスタンプを使用して、クライアントのバッファから各データパケットを抽出し、クライアントのオーディオ/ビデオサブシステムに渡す正確な時期を決定することができる。このようにして、サーバへのパケット到着タイミング(packet arrival timing)がクライアントデバイスのA/Vサブシステムへの入力で正確に一致する。
【0013】
図面を参照しながら本発明について説明する。
【0014】
図2は、本発明によるタイムスタンプを使用するデジタルホームネットワークを示す。広帯域入力信号(broadband input signal)が、ヘッドエンド(図に示されていない)により供給され、これが広帯域受信機/マルチメディアサーバ202に届く。サーバ202は、入力Sys 1、Sys 2、・・・Sys nで示されるように、衛星、ケーブル、またはDSLなどの複数の広帯域ソース(broadband source)のいずれかから入力を受信するように構成することができる。この入力信号は、トランスポートパケットの形式であり、ローカルシステムクロックを特定のヘッドエンドシステムクロックに関連付けるために受信機202が使用するシステムクロック回復(SCR: System Clock Recovery)情報を含む。このSCRは、バッファレベル(buffer level)を管理し、一体型受信機デコーダ(IRD: Integrated Receiver Decoder)でビデオタイミングおよびカラーバースト信号を得る(derive)ために使用される。システム200が正常に動作するためには、SCR情報およびパケットタイミング関係がネットワークに入ってから最終表現時点までシステム200全体を通して保持されなければならない。
【0015】
本発明により、クライアントデバイスへのパケットの正確な到着時刻を再現(reproduce)することができるようにするため、サーバ202がパケットを受信したときに、広帯域ネットワークから到着するそれぞれのパケットにタイムスタンプT1が刻印される。タイムスタンプT1は、サーバ202のローカルシステムクロックからクロック信号を供給されるローカルカウンタ(local counter)のサンプルである。タイムスタンプT1およびパケットは、DHNを介して、まとめて放送される前にバッファ205にまとめて格納される。
【0016】
後になってから、トランスポートパケットのグループをヘッダ情報とともに組み立てて、ネットワークDHN上で送信するためのデータフレームを形成する。データフレームには、各種のタイムスタンプと調整ファクタクロック調整ファクタを置く部分が含まれる。データフレームがネットワーク上に置かれ始める瞬間、ローカルシステムタイムクロック上で動作しているサーバ202のローカルカウンタのサンプリングを行い、カウンタサンプルのタイムスタンプT2を生成する。タイムスタンプT2は、発信データフレームに置かれ、カウンタ値のサンプリングからカウンタ値がネットワークに入るまでの時間は固定され一定である。この時間が固定され一定であることが重要であり、このような理由から、カウンタサンプリングおよびタイムスタンプの配置は、ネットワークインターフェースの物理層ハードウェアで実行される。ネットワーク上のサーバ202からクライアントデバイス204への伝播遅延は固定され一定であるため、T2のサンプリングからタイムスタンプT2を含むパケットがクライアントデバイス204に到着するまでの総伝播遅延も固定され一定である。さらに、シンボルタイムが変化するシステムにおいて、本発明は、ネットワーク中の伝播時間が一定である限り、必要な同期をとることができる。
【0017】
本発明では、サーバ202のシステムクロックは変更されない。その代わりに、クロック調整ファクタを計算して、データフレームに書き込み、タイムスタンプを使用してクライアントデバイスのクロックを特定のヘッドエンドのクロックに周波数ロックすることができる。適当な正規化ファクタ(normalization factor)として、たとえば、クロック調整(clock adjust)=SCR(0)−SCR(1)−[ローカルクロック(0)−ローカルクロック(1)]/(SCR(0)−SCR(1))とすることができる。このようにして、クライアントデバイスは複数のネットワークヘッドエンドのいずれかに周波数ロックすることができる。タイムスタンプT2およびクロック調整ファクタは、図3に示されているようにデータフレーム300の一部分306および305に含まれる。
【0018】
衝突イベント(collision event)が発生した場合、次回にサーバ202が非同期ネットワークにデータフレームを送ろうとするときにタイムスタンプT2が更新される。タイムスタンプT2は、調整(adjust)されていないサーバ202のローカルクロックに基づいていることに留意することが重要である。
【0019】
データフレームがクライアントデバイス204に到着した瞬間、クライアントシステムクロックで動作しているクライアントデバイス204のローカルカウンタのサンプリングを行い、タイムスタンプT3を生成する。このカウンタ値(counter value)と到着データフレーム(arriving data frame)内の調整されたタイムスタンプT2(adjusted time stamp T2)とを比較し、クライアントクロック(client clock)とヘッドエンドクロック(hedend clock)との差に変化がないことを確認する。この差が時間の経過とともに変化する場合、クライアントデバイスはローカルのVCXOで電圧を修正し、そのローカルシステムクロックを移動して、ヘッドエンドのクロックで周波数ロックするようにする。たとえば、
【0020】
エラー=(T2(0)−T2(1))*((クロック調整(0)+クロック調整(1))/2)−(T3(0)−T3(1))
【0021】
ただし、(クロック調整(0)+クロック調整(1))/2は、クロック調整誤差の中央値(median clock adjust error)であり、誤差(error)とはクライアントクロックとヘッドエンドのクロックとの隔たりである。
【0022】
そこで、タイムスタンプT2およびT3、ならびに調整ファクタを使用して、ヘッドエンドとクライアントデバイス204のシステムクロックをまとめて周波数ロックする。タイムスタンプT2およびT3は、同期のためクライアントデバイス204で使用した後、破棄することができる。この時点で、トランスポートパケットとその関連するタイムスタンプT1およびクロック調整ファクタをクライアントデバイス204内のバッファ203に格納することができる。
【0023】
次のステップは、データをクライアントデバイス204のバッファから、サーバ202の入力にパケットが届いたレートと正確に一致するレートで除去(remove)することである。クライアントデバイス204が受信バッファ内にデータを十分に蓄積し、ネットワークのジッタを十分に吸収している場合、クライアントデバイス204は受信バッファからデータを抽出し始めて、クライアントデバイス204内のデコーダからそのデータを利用できるようにする。クライアントクロックに基づくローカルカウンタは、メモリから抽出する最初のトランスポートパケットとともに格納されているカウント値で初期化される。カウンタにクライアントのシステムクロックからのクロック信号が供給されるが、このクロックはヘッドエンドのクロックにロックされており、格納されているタイムスタンプ値がカウンタ値と一致したときに後続のパケットをメモリから抽出することができる。このようにして、クライアントデバイス204の受信バッファからの取り出しレートがサーバ202でデータを受信したレートと一致する。データフレームのフォーマットとデータフレーム内へのタイムスタンプT1,T2,T3およびクロック調整ファクタの配置は図3に示されており、タイムスタンプT1は、パケット化されたデータが受信されたときに生成され、タイムスタンプT2は、フレームがネットワークDHNに置かれたときにデータフレーム内に置かれる。
【0024】
データパケットのフォーマットとEthernet(登録商標)環境内でデータフレームに入れられるタイムスタンプについて、以下に詳述する。本実施形態のEthernet(登録商標)パケットでは、UDP/IPプロトコルを使用するが、TCP、または「raw」Ethernet(登録商標)などの他の適当なプロトコルを使用して、本発明のタイムスタンプ生成機能(time stamping feature)を実施することもできることは理解されるであろう。本発明によれば、IPヘッダはタイムスタンプを入れる必要があるデータフレームを識別するIPオプションを利用している。タイムスタンプは、UDPヘッダの後のデータフレーム内に配置される。出パケット(outgoing packet)および入パケット(incoming packet)のための拡張UDPヘッダ(extended UDP header)には独自の場所(unique location)がある。
【0025】
クロック同期タイムスタンプ(clock synchronization time stamp)T2およびT3ならびにクロック調整ファクタは、UDPヘッダの後に置かれる。タイムスタンプT2は、32ビットのタイムスタンプであり、IPパケットでオプション25が設定されているときに適用される。タイムスタンプは、物理的ネットワーク層のデータフレーム内に置かれる。本実施形態ではオプション25を使用してフレーム内にタイムスタンプが存在することを示すが、特定のIPアドレスおよびポート番号を指定するなどタイムスタンプを識別する他の適当な方法を利用することもできることは理解されるであろう。
【0026】
タイムスタンプT3はまた32ビットのタイムスタンプであり、オプション25を有するIPパケットが検出されると適用される。このタイムスタンプは、物理的ネットワーク層のデータフレーム内にも置かれる。
【0027】
データフロー制御タイムスタンプT1は、広帯域ネットワークからデータを受信するときにデータストリームの中に入れられる。タイムスタンプT1は、サーバ202内のローカルカウンタを使用して生成される。パケットがサーバ202に到着するのに合わせてタイムスタンプT1を各トランスポートパケットに入れることにより、クライアントデバイス204はサーバ202で受信したピットレートと同じビットレートを再現することができる。データフロー制御タイムスタンプT1をUDPペイロードに入れる。表1は、本発明の実施例で使用されているデータフォーマットを示している。
【0028】
【表1】
【0029】
データフレームにタイムスタンプが刻印された後、UDPチェックサム(UDP checksum)のチェックが行われる。チェックサムが0でなければ、前のチェックサムを新規生成されたチェックサムに置き換える。UDPチェックサムが解釈(resolve)された後、新しいCRCを計算し、MAC層の旧いCRCを置き換える。パケットインテロゲーション(packet interrogation)の任意の時点で、そのデータフレームが有効なタイムスタンプフレームでないと判断された場合、そのフレームはデータの変更なしで受け渡される。
【0030】
タイムスタンプ値は、外部のシステムクロックから生成される。外部クロックにより32ビットカウンタが駆動される。データフレームがネットワーク上に置かれるとカウンタのスナップショットがとられる。入パケット(incoming packet)では、クライアントデバイス内のカウンタのスナップショットがとられる。これが有効なタイムスタンプパケット(valid time stamped packet)であれば、カウンタのスナップショットがデータフレームのペイロード部分に置かれる。32ビットカウンタは外部システムクロックに同期する自走ロールオーバーカウンタ(free running rollover counter)である。
【0031】
以下では、特定のデータフレームがタイムスタンプを必要とするか否か、もし必要であるならば、そのタイムスタンプデータがどこに置かれるかを判別する検索シーケンス(search sequence)について説明する。最初のテストでは、MACフレームの妥当性(validate)確認を行う。MACフレームの妥当性を確認するには、CRCを計算し、比較する必要がある。CRCテストが失敗した場合、フレームは修正を行うことなく通過し、有効なCRCが無効なCRCとともに受信されたデータフレームに追加されない。CRCテストが合格した場合、MACフレーム内のインターネットプロトコル(IP)を見つけるための第2のテストが実施される。802.3仕様セクション3.2.6「Length/Type」からのMACフレームへの20オクテットはLength/Typeフィールドである。ITEF RFC 1700 EtherTypes表から、インターネットIP(Ipv4)は0x800(16進数)である。値が0x800でなければ、パケットは通過する。Length/Typeが0x800の場合、IPヘッダのサイズと、UDPパケットが含まれるか否かを判別するテストを別に実施する。MACフレームの内容は、IEEE 802.3のセクション3.1.1で規定されている。
【0032】
MACフレームにIPパケットが含まれる場合、次のテストでサイズおよびオプション設定を決定する。まず、サイズを決定するために、ヘッダ長であるIPパケットの第2ニブル(second nibble)を調べる。ヘッダ長は、IPヘッダを構成する32ビットワードの個数である。オプションがない場合、IPヘッダは通常20バイトであり、ヘッダ長は5である。IPヘッダオプションはIPヘッダの先頭から20(10進数)オフセットを持つ。
【0033】
次に、パケットが有効なタイムスタンプパケットか否かを判別するステップについて説明する。これらのステップが失敗した場合、変更なしでパケットが通過する。まず、ヘッダ長フィールドを調べて、5よりも大きいか否かを判別する。もし大きければ、IPヘッダの先頭から20バイトのところに置かれている第1のIPオプションが0x99040000に対してチェックされる。オプションのフォーマットを以下の表2に示す。
【0034】
【表2】
【0035】
表3は、IPオプション25が含まれるIPヘッダをまとめたものである。
【0036】
【表3】
【0037】
IPオプションに上述の指定タイムスタンプを生成オプションが含まれる場合、このシステムでは、タイムスタンプをデータフレームに入れる。タイムスタンプは、IPヘッダの後に来るUDPペイロード部分、特にペイロード部分の先頭に入る。UDPヘッダは8バイト長である。UDPペイロードの第1の32ビットワードはタイムスタンプT3に予約されており、UDPペイロードの第2の32ビットワードはT2に予約されている。
【0038】
本発明の有意な態様は、タイムスタンプとCRCが生成され、物理層のデータフレーム内に置かれるという点である。そのため、タイムスタンプとCRCは、データフレームが実際にネットワーク上に置かれるときまたはネットワークから受信したときにデータフレーム内に入れられる。これにより、タイムスタンプはデータがネットワークに入った時間およびデータをネットワークから受信した時間を正確に反映することができる。
【0039】
次に、上述のタイムスタンプ生成機能を実施するシステムの要素をDBS受信機に関して詳細に説明する。ただし、DSLやケーブルなどの、他の種類の広帯域ネットワークで受信したマルチメディアデータに対しても同様のタイムスタンプ生成機能を実行できることは理解されるであろう。
【0040】
図4に示されているように、サーバ202は、バスで接続された3つの機能ブロックから成り立っている。PCI DBSチューナ402を通じてサーバ202が衛星信号を受信する。コストコントローラ406が、PCIバスインターフェース405を介してPCI DBSチューナ402からの衛星信号からトランスポートパケット読み取る。次に、ホストコントローラ406がデータを処理して、処理されたデータをUDPなどのよく知られているプロトコルを介してタイムスタンプボード404へ送出する。また、PCI DBSチューナ402およびタイムスタンプボード404は、それらの間に共通のクロックを持つ。このクロックは、PCI DBSチューナ402で生成され、タイムスタンプボード404の時間基準として使用される。
【0041】
動作時に、ホストコントローラ406はPCI DBSチューナ402のFIFOメモリからトランスポートパケットを読み取る。その後、パケットはネットワークプロトコルソフトウェアに従って処理され、ネットワークフレームがタイムスタンプボート404のEthernet(登録商標)MACに書き込まれる。MACはEthernet(登録商標)ネットワークが使用可能になるのを待ち、その後、タイムスタンプコントローラを通じてEthernet(登録商標)PHYにデータを送信する。ビデオネットワークパケットがタイムスタンプコントローラによって検出されると、タイムスタンプがそのパケットに追加される。タイムスタンプT2は、サーバ202のクロックによりクロックされるタイムスタンプコントローラ内のカウンタのサンプルである。サーバ202では、タイムスタンプコントローラのクロック発生源はPCI DBSチューナ402内のVCXOである。
【0042】
図5は、PCI DBSチューナ402のブロック図を示している。PCI DBSチューナ402は、いくつかの機能を実行する。第1に、PCI DBSチューナ402では、正しい衛星トランスポンダの選択、同調、復調が実行される。これは、衛星チューナ502と復調器504によって実行される。これらのデバイスは、衛星信号をデジタルトランスポートストリームに変換するよく知られている機能を実行する。
【0043】
第2に、PCI DBSチューナ402がトランスポートストリームのパケットのフィルタ処理を実行する。チューナコントローラ506は、ホストコントローラ406によって要求されたトランスポートパケットのみを除去するロジック回路を備える。その後、そのトランスポートパケットはFIFOバッファ512に格納される。その後、ホストコントローラ506は、PCIバスインターフェース405を介してFIFOバッファ512からパケットを読み出すことができる。PCIバスインターフェースを使いやすくするため、PCIブリッジチップ508が使用されている。
【0044】
さらに、VCXO 510からのシステムクロックを使用してタイムスタンプT1を各トランスポートパケットに追加することができる。タイムスタンプT1は、パケットがチューナ402に届いたときのローカルカウンタのサンプルに基づく。
【0045】
ネットワーククライアント204の要素が図6に示されている。データはクライアントのタイムスタンプボート602に届き、タイムスタンプT3が到着の瞬間にデータフレームに追加される。パケットは、PCIバス605を介してタイムスタンプボート602に接続されているクライアントコントローラ608によって処理される。トランスポートパケットは、ネットワークフレームから抽出され、トランスポートフォーマッタボード604に書き込まれる。トランスポートフォーマッタ604の出力は、デコーダ606によって使用されるシリアルトランスポートストリームである。デコーダ606の出力は、テレビまたはその他の表示デバイスに接続される。図8は、デコーダ606の要素を示している。
【0046】
クライアントコントローラ608は、クロック回復アルゴリズム(clock recovery algorithm)を実行する役割を持つ。クロック調整ファクタで調整したサーバ202からのデータフレームの出発時間T2とクライアント204への到着時間T3とを比較する。このようにして、クライアントコントローラ608は、デコーダVCXO 812がヘッドエンドクロックよりも高速か低速かを判別することができる。クライアントコントローラ608は、低速なシリアル(RS−232)接続を通じてデコーダVCXO 812のレートを上げるか下げるかを決めるコマンドをデコーダコントロール810に送信する。
【0047】
クライアントデバイスのタイムスタンプボートは、クライアントデバイス内の回復されたクロック発生源がデコーダ606のクロックから導かれる点を除き、サーバデバイスのタイムスタンプボードに似ている。
【0048】
トランスポートフォーマッタ604の要素が図7に示されている。トランスポートフォーマッタ604は、PCIバス702を介してクライアントコントローラ608に接続されている。PCIバスインターフェースが、PCIバスを、トランスポートフォーマッタコントローラ704に接続されている標準のローカルバスに変換する。トランスポートフォーマッタコントローラ704は、TTLロジックレベルでシリアルトランスポートストリームを出力する。高速シリアルコンバータ706回路は、これらの信号を低電圧差動信号に変換し、この信号はデコーダ606に渡される。
【0049】
トランスポートフォーマッタコントローラ704には、2つの動作モードがある。1つは、PCI DBSチューナ402のチューナコントローラ506によって追加されるオプションのタイムスタンプに従ってデコーダ606にトランスポートパケットが転送されるフロー制御モードである。この方法では、トランスポートフォーマッタ604からのトランスポートパケットの相対的出発時間がチューナコントローラ506へのトランスポートパケットの到着時間と一致する。これにより、デコーダ606の入力のパケットタイミングがPCI DBSチューナ402のチューナ502および復調器504に直接接続されるように見える。
【0050】
第2の動作モードでは、データをトランスポートフォーマッタコントローラ704から即座にデコーダ606に流すことができる。このモードでは、デコーダ606でデータを内部的にバッファする必要がある。そのため、デコーダ606は第1のモードよりもメモリをより多く必要とする。
【0051】
データが、トランスポートフォーマッタ604からデコーダ606の高速シリアルインターフェース802に到着する。トランスポートプロセッサ804は入トランスポートパケットをソートし、正しいバッファ(ビデオ、オーディオ、プログラムガイド、その他のデータなど)に入れる。ビデオおよびオーディオデータはビデオ/オーディオデコーダ806で復元される。その後、復元されたデジタルデータは、NTSCエンコーダ/オーディオDAC 808を介してアナログNTSC信号に変換される。
【0052】
次に、このタイムスタンプ生成方法を実施する際に使用するタイムスタンプ生成ボートについて詳述する。ただし、上述のように、サーバ202と関連するタイムスタンプ生成ボートを参照しながら説明するが、クライアント204と関連するタイムスタンプ生成ボートは同様のものである。タイムスタンプ生成ボート404は、10Mb/sと100Mb/sの両方のデータ転送レートをサポートできるPCIEthernet(登録商標)NICである。これは、UDPチェックサムをリセットし、32ビットタイムスタンプをデータフレームに入れるだけでなく、指定されたデータフレームについてCRCを再計算することができる。外部インターフェースを利用することにより、ボード404をPC PCIまたは組み込みPCIアーキテクチャに統合することができる。タイムスタンプ値を生成するための外部クロックインターフェースが用意されている。
【0053】
図9は、タイムスタンプ生成ボート404のブロック図である。タイムスタンプ生成ボードは、Ethernet(登録商標)ネットワーク902に結合された入力ジャック904、たとえばRJ45を備える。入力ジャック904は、10/100 Base−TX Phyトランス906に結合されている。トランス906は物理層デバイス908に結合されており、このデバイスは10BASE−Tおよび100BASE−Xの両方のEthernet(登録商標)プロトコルをサポートする統合PMD副層(integrated PMD sublayer)を備えるフル機能の物理層デバイスである。適当な物理層デバイス908には、National Semiconductor Corporation製のDP83843VJEが搭載されるが、これに限るわけではない。物理層デバイス908は、バスバッファ912に結合され、これにより、物理層デバイス908とタイムスタンプコントローラ916との間の電圧レベルの変換が行われる。バスバッファ912は、低電圧CMOS 8進数バスバッファである。これは低電力かつ高速3.3Vアプリケーションに理想的なものであり、入力と出力の両方に関して5V信号環境とインターフェースすることができる。バスバッファ912は、タイムスタンプコントローラ916に結合されており、このコントローラがUDPチェックサムのリセット、タイムスタンプの書き込み、受信方向と送信方向の両方の有効なデータフレームに対する新しいCRCの再計算など、タイムスタンプ生成機能の大半を制御し実行する。
【0054】
タイムスタンプコントローラ916は、タイムスタンプコントローラ916を操作するプログラムを格納しロードする構成デバイス918に結合されている。タイムスタンプコントローラ916はさらに、10Mb/sと100Mb/sの両方のデータ転送レートに対応するLANコントローラであるEthernet(登録商標) MACユニット914に結合されている。Ethernet(登録商標) MAC 914は、周辺コンポーネント相互接続(PCI)ローカルバスまたはCardBusとの直接インターフェースを備える。
【0055】
タイムスタンプコントローラ916は、PHYおよびMACとのMIIインターフェースを備える。図10に示されているように、コントローラ916は受信機ユニット1002および送信機ユニット1004から成り立っている。2つのユニットは別々に実施されるが、同じ外部システムクロックとリセット信号を共有する。
【0056】
図11に示されているように、受信機ユニット1002は受信機コントローラ1102、タイムスタンプジェネレータ1114、シフトレジスタ1112、CRC検証モジュール1110、新規CRC計算モジュール1106、3:1 MUX 1108、および4:1 MUX 1104を備える。受信機コントローラ1102は、データストリームの状態を検出して、適切な出力データ(受信データ、リセットUDPチェックサム、タイムスタンプ、新規CRC)に関して3:1 MUXおよび4:1 MUXを有効にする。
【0057】
新規CRC計算モジュール1106は、修正されたデータストリーム(タイムスタンプおよびリセットUDPチェックサムを持つEthernet(登録商標)パケット)のCRCチェックサムを計算し、MACに届く前にこの新しいCRCを修正されたデータストリーム内に入れる。受信機ユニット1002と送信機ユニット1004とで異なるのは、受信機ユニット1002がCRC検証モジュール1110を備えているという点である。このデータは媒体上で破損していた可能性があるため、受信したパケットのCRCを検証する必要がある。CRCが正しくない場合、これは、データが実際に破損していたことを示す。新しい正しいCRCをデータに追加する代わり、不正なCRCを含めてデータをMACに渡すことができる。
【0058】
コントローラ1102は、すべてのモジュールおよびコンポーネントの動作を同期させ制御する。受信クロックと外部システムクロックの2種類のクロックを使用する。タイムスタンプは、外部クロックによって生成され、すべてのパケットの開始時に受信クロック領域にラッチされる。データをPHYから受信し、適切なデータ(受信データ、リセットUDPチェックサム、タイムスタンプ、新しいCRC)をIEEE 802.3に従ってMACに送信する。
【0059】
データを受信すると、タイムスタンプT3が適切な領域に書き込まれ、新しいCRCが計算され、MAC層内の旧いCRC値が置き換えられる。また、本発明の有意な態様は、データフレームをネットワークから受信すると、タイムスタンプとCRCが生成され、物理層のデータフレーム内に置かれるという点である。したがって、ネットワークからデータフレームを受信した実際の時刻を反映するタイムスタンプおよびCRCが、MAC層への移動とともに、すばやくかつ効率的に、データフレームに入れられる。パケットインテロゲーションの任意の時点で、受信中にそのデータフレームが有効なタイムスタンプフレームでないあるいはエラーがあると判断された場合、そのデータフレームはデータの変更なしで受け渡される。
【0060】
図12に示されているように、送信機ユニット1202は送信機コントローラ1202、タイムスタンプジェネレータ1210、シフトレジスタ1208、新規CRC計算モジュール1206、3:1 MUX 1212および4:1 MUX 1204を備える。送信機コントローラ1202は、適切なプロセス毎にすべてのモジュールおよびコンポーネントの動作を制御する。送信クロックと外部システムクロックの2種類のクロックを使用する。タイムスタンプは、外部クロックによって生成され、すべてのパケットの開始時に受信クロック領域にラッチされる。ここでもまた、タイムスタンプが生成され、物理層のデータフレーム内に置かれる。
【0061】
本発明は好ましい設計があるものとして説明してきたが、本発明はこの開示の精神と範囲の中でさらに修正することができる。たとえば、タイムスタンプ生成機能は、HPNA、PLC、およびある種の無線ネットワーク、たとえばIEEE 802.1 1bなど、他の非同期ネットワークで実施することもできる。したがって、本出願は、一般原理を使用する本発明のバリエーション、用途、または改造を包含することを意図している。さらに、本出願は、本発明が関係する技術分野の知られているあるいは慣例の方法の範囲内に入るような、または添付の特許請求の範囲の制限範囲内に入る、本開示からの逸脱を包含することを意図する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 複数のクライアントデバイスに結合されたメディアサーバを含む非同期マルチメディアネットワークの図である。
【図2】 本発明によりネットワークのさまざまな地点でデータに書き込まれるタイムスタンプを含む非同期マルチメディアネットワークの要素を示すブロック図である。
【図3】 本発明により非同期マルチメディアネットワーク内で使用されるタイムスタンプおよびクロック調整ファクタを含むデータフレームの形式を示す図である。
【図4】 衛星信号を受信するように改造された広帯域受信機の要素を示すブロック図である。
【図5】 図4に示されているPCI DBSチューナの要素を示すブロック図である。
【図6】 図2に示されているクライアントデバイスの要素を示すブロック図である。
【図7】 図6に示されているトランスポートフォーマッタボードの要素を示すブロック図である。
【図8】 図6に示されているクライアントビデオデコーダの要素を示すブロック図である。
【図9】 本発明により非同期マルチメディアネットワーク内で使用されるタイムスタンプ生成ボードを示すブロック図である。
【図10】 図9に示されているタイムスタンプ生成ボード内のタイムスタンプコントローラを示すブロック図である。
【図11】 図10に示されているタイムスタンプコントローラ内の受信機ユニットを示すブロック図である。
【図12】 図10に示されているタイムスタンプコントローラ内の送信ユニットを示すブロック図である。
Claims (8)
- 非同期ネットワークを介して、パケット化されたマルチメディアデータを受信し、パケット化されたマルチメディアデータを送信するためのサーバ装置であって、
複数の信号源のうち選択された1つから、前記選択された信号源と関連する同期情報を含むパケット化されたマルチメディアデータを受信する入力と、
第1のクロックと、
前記入力および前記第1のクロックに結合され、前記同期情報に応答して、前記選択された信号源に関連する第2のクロックを用いて前記第1のクロックを表すことを可能にするクロック調整ファクタを生成するコントローラであって、前記選択された信号源から受信した前記パケット化されたマルチメディアデータ、および前記クロック調整ファクタが含まれるデータフレームを生成するコントローラと、
前記非同期ネットワークに結合され、前記データフレームをクライアントデバイスに送信する出力と、
前記コントローラ、前記第1のクロックおよび前記出力に結合され、同期タイムスタンプをそれぞれの前記データフレームに置くタイムスタンプデバイスであって、前記同期タイムスタンプが、それぞれの前記データフレームが前記非同期ネットワークに置かれる時刻を示し、クライアントデバイスが、前記同期タイムスタンプおよび前記クロック調整ファクタを使用して、前記クライアントデバイスと関連する第3のクロックを、前記選択された信号源に関連する前記第2のクロックと同期させる、タイムスタンプデバイスとを備え、
前記コントローラは、前記パケット化されたマルチメディアデータの受信に応答してデータフロータイムスタンプを生成し、それぞれのデータフロータイムスタンプが前記入力でそれぞれのマルチメディアデータパケットが受信された時刻を示し、前記データフレームが前記パケット化されたマルチメディアおよび関連したデータフロータイムスタンプを含み、前記クライアントデバイスが、前記データフロータイムスタンプおよび前記クロック調整ファクタを使用してクライアントデバイスのデータフローレートを制御し、前記入力で前記パケット化されたマルチメディアデータが受信されるレートに対応させる
ことを特徴とするサーバ装置。 - 前記データフレームは、データフレームヘッダ,同期タイムスタンプを受け付けるためのタイムスタンプデータ部分、クロック調整ファクタを受け付けるクロック調整部分、および、パケット化されたマルチメディアデータおよびそれらの対応するデータフロータイムスタンプを受け付けるためのデータ部分を含むことを特徴とする請求項1に記載のサーバ装置。
- 前記タイムスタンプデータ部分は、前記同期タイムスタンプを受け付けるための第1のタイムスタンプデータ部分と、前記クライアントデバイスによって追加された第2の同期タイムスタンプを受け付けるための第2のタイムスタンプデータ部分とを含むことを特徴とする請求項2に記載のサーバ装置。
- 前記非同期ネットワークは、無線ネットワークであることを特徴とする請求項1に記載のサーバ装置。
- 非同期ネットワーク上でパケット化されたマルチメディアデータを送信する方法であって、
複数の信号源のうち選択された1つから、前記選択された信号源に関連する同期情報を有するパケット化されたマルチメディアデータを受信するステップと、
前記同期情報に応答して、前記選択された信号源に関連する第1のクロックを用いてサーバクロックを表すことを可能にするクロック調整ファクタを生成するステップと、
前記選択された信号源から受信した前記パケット化されたマルチメディアデータ、および前記クロック調整ファクタが含まれるデータフレームを生成するステップと、
前記データフレームをクライアントデバイスに送信するために、前記データフレームを前記非同期ネットワークに置くステップであって、同期タイムスタンプは、生成されて各データフレーム内に書き込まれ、それぞれの同期タイムスタンプが、それぞれの前記データフレームが前記非同期ネットワークに置かれた時刻を示し、前記クライアントデバイスが、前記同期タイムスタンプおよび前記クロック調整ファクタを使用して、前記クライアントデバイスに関連する第2のクロックを、前記選択された信号源に関連する前記第1のクロックと同期させるステップと、
前記パケット化されたマルチメディアデータを受信した際にデータフロータイムスタンプを生成するステップであって、各データフロータイムスタンプが、対応するマルチメディアデータパケットが受信される時刻を示し、前記データフレームを生成するステップが、前記パケット化されたマルチメディアデータおよび前記クロック調整ファクタが含まれるデータフレームを生成することを含み、前記クライアントデバイスが、前記データフロータイムスタンプおよび前記クロック調整ファクタに応答して、前記パケット化されたマルチメディアデータが受信されるレートに対応するように前記クライアントデバイスの前記データフローレートを制御することができるステップと
を含むことを特徴とする方法。 - 非同期ネットワーク上でサーバデバイスから受信したパケット化されたマルチメディアデータを処理する装置であって、前記パケット化されたマルチメディアデータは、前記サーバデバイスによって前記非同期ネットワーク上にそれぞれのデータフレームが置かれた時刻を示す同期タイムスタンプと、前記信号源に関連する第1のクロックを用いてサーバクロックを表すことを可能にするクロック調整ファクタとを含む、選択された信号源から前記サーバデバイスによって受信したデータフレームを備え、前記装置は、
前記非同期ネットワークに結合され、複数の信号源のうち選択された1つに結合されて動作するサーバデバイスにより送信された前記データフレームを受信する入力と、
前記入力に結合され、前記入力で前記データフレームが受信された時刻を示す第2の同期タイムスタンプを生成するタイムスタンプデバイスと、
第2のクロックと、
前記第2のクロックおよび前記タイムスタンプデバイスに結合され、前記同期タイムスタンプ、前記クロック調整ファクタ、および前記第2の同期タイムスタンプに応答して、前記第2のクロックを、複数の信号源のうち前記選択された1つに関連する前記第1のクロックと同期させるコントローラとを備え、
前記データフレームは、前記パケット化されたマルチメディアデータに関連するデータフロータイムスタンプをさらに含み、前記データフロータイムスタンプが、前記サーバにより各マルチメディアデータパケットが受信された時刻を示し、前記パケット化されたマルチメディアデータを格納するためのバッファ、およびデコーダをさらに備え、前記コントローラは、前記データフロータイムスタンプおよび前記クロック調整ファクタに応答して前記サーバで前記パケット化されたマルチメディアデータが受信されるレートに対応するように、前記パケット化されたマルチメディアデータが前記デコーダに転送されるレートを制御し、
前記コントローラは、前記同期タイムスタンプ,前記クロック調整ファクタ、および前記第2の同期タイムスタンプに応答して、前記第2のクロックと、前記信号源に関連する前記第1のクロックと間の差を示すエラー信号を生成し、前記エラー信号に応答して前記第2のクロックを前記信号源のクロックに周波数ロックする
ことを特徴とする装置。 - 前記非同期ネットワークは、無線ネットワークであることを特徴とする請求項6に記載の装置。
- 非同期ネットワークを介してサーバデバイスから受信したデータフレームの受信に応答してクライアントデバイスを制御する方法であって、それぞれのデータフレームが、複数の信号源のうち選択された1つから前記サーバデバイスによって受信したパケット化されたマルチメディアデータ、前記データフレームが前記非同期ネットワークに置かれる時刻を示す同期タイムスタンプ、および信号源クロックを用いてサーバクロックを表すことを可能にするクロック調整ファクタを含み、前記方法は、
サーバデバイスにより送信された前記データフレームを受信するステップであって、前記データフレームは、データフロータイムスタンプをさらに含み、それぞれのデータフロータイムスタンプが、対応するマルチメディアデータパケットが前記サーバデバイスによって受信される時刻を示すステップと、
前記データフレームを受信した際に第2の同期タイムスタンプを生成するステップであって、それぞれの第2のタイムスタンプが、前記非同期ネットワーク上でそれぞれのデータフレームが受信される時刻を示すステップと、
前記同期タイムスタンプ、前記クロック調整ファクタ、および前記第2の同期タイムスタンプに応答して、前記クライアントデバイスのクロックを前記信号源のクロックと同期させるステップと、
前記データフロータイムスタンプおよび前記クロック調整ファクタに応答して、前記サーバデバイスで前記パケット化されたマルチメディアデータが受信されるレートに対応するように、前記パケット化されたマルチメディアデータがバッファからデコーダに転送されるレートを制御するステップとを含み、
前記同期させるステップは、前記同期タイムスタンプ、前記クロック調整ファクタ、および前記第2の同期タイムスタンプに応答して、前記クライアントデバイスのクロックと前記信号源のクロックとの差を示すエラー信号を生成し、前記エラー信号に応答して、前記クライアントデバイスのクロックを前記信号源のクロックに周波数ロックすることを含むことを特徴とする方法。
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