JP5043840B2 - 無線リンク制御上のボイス・オーバー・インターネット・プロトコル用のパディングの最小化 - Google Patents

無線リンク制御上のボイス・オーバー・インターネット・プロトコル用のパディングの最小化 Download PDF

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Description

本出願は2005年7月19日になされた米国特許仮出願60/700,327の優先権の利益を主張するものであり、この米国特許仮出願の全体は参照によりここに組み込まれる。
本発明は、例えば、3Gリンク層RLC等の、セグメンテーション(分割)とコンカテネーション(連結)を用いる無線リンク上でVoIPまたは同様のトラフィックを転送する場合における、パディングの量を最小化する技術を提供するものである。パディングを減らすことによってネットワーク容量が増大する。
広帯域符号分割多元接続方式(WCDMA:Wideband Code Division Multiple Access)の無線リンク制御(RLC:Radio Link Control)プロトコルは、上位層の「パケット」をRLCプロトコル・データ・ユニット(PDU)に分割し、連結する機能を有している。典型的には、RLCは、許容された離散数のRLC PDUサイズで動作する。分割は、上位層の大きなパケットを小さなRLC PDUに分割または「セグメント化」することを伴う。連結は、複数の上位層のパケット(の一部)を一つのRLC PDUで送信することを容易にする。連結は、各パケットがRLC PDUに完全に適合しないような場合、複数の上位層のPDUが送信のために待ち行列に入れられたときに必要なパディングを削減する。分割と連結は、非確認応答モード(UM:Unacknowledged Mode)のWCDMA RLCと確認応答モード(AM:Acknowledge Mode)のWCDMA RLCとの両方で可能である。
ボイス・オーバー・インターネット・プロトコル(VoIP)用のレイヤ2(L2)の改善手法が、現在、3GPPで議論されている。例えば、非特許文献1と非特許文献2を参照のこと。なお、これらの文献は参照により、ここに組み込まれる。
連結を採用している、WCDMA RLCのようなリンク層プロトコル上に、VoIPサービスがマップされた場合を考える。現在の無線リンク制御プロトコル(RLC)の実装では、無線リンク制御は、典型的には、受信サービス・データ・ユニット(SDU:Service Data Units)を同じサイズのいわゆるプロトコル・データ・ユニット(PDU:Protocol Data Unit)に分割する。ここで、PDUは一般に40バイトのペイロードを運ぶように構成される。
リンク上で送信されるIPオーバヘッドを最小化するために、アプリケーション・レベル上でROHCヘッダ圧縮を使用することと、音声コーデックによって、サイズが159ビットの音声フレームが20ms間隔で送信される(7.95kbps AMR)ことを想定する。この場合、サイズが24バイト程度のRLC SDUが生成されるだろう。正確なサイズは、ROHCの実装によって若干変動しうる。
VoIPのようなトラフィックの典型的な特徴は、パケットの到着間隔を極めてよく予測できることである。上述の例では、RLC SDUは、(平均)20ms間隔でRLCに到達するだろう。RLC層に何らかの待ち行列が存在しない限り、RLC SDUは到着に応じて直接RLC PDUに分割される。24バイトのSDUはRLC PDUの一部だけを満たし、残りはSDUの終りを示す1バイト長のインジケータと15バイトのパディングで満たされるだろう。この場合、トラフィック・ストリームに追加されたパディング全体は約35パーセントである。このように、送信能力の35パーセントが使用されないビット(例えば、パディング)の送信に費やされるため、現在の運用は非常に非効率である。これは、輻輳時に無線基地局(RBS:Radio Base Station)で待ち行列の堆積が発生する、HSDPAのようなトランスポート・チャネルの共有が実現される場合に、特に、問題となる。これは、無線資源の大部分がパディングに費やされるため、資源が乏しい場合にも資源の大部分が浪費されることを意味する。
既存のRLCプロトコルは連結をサポートしており、例えば、後続するSDUの一部を最後のSDUの終了を伝達するRLC PDUに連結することによって、パディングの使用を回避することができる。しかしながら、この連結は、無線ネットワーク制御(RNC:Radio Network Controller)ノード内で次のSDUが利用可能であることを必要とする。しかし、現実には、SDUの間隔が20ms(またはそれ以上)のVoIPサービスの場合は、エアー・インタフェースにおける負荷が低い若しくは中程度であるとすると、ほとんどの時間RNCバッファは空になるだろう。このことは、スケジューリング・バッファがノードB(例えば、無線基地局またはRBS)に存在し、また、各RLC SDUが、典型的には、到着に応じて直接ノードBに転送される、HS−DSCHチャネルを使用した場合に、特に、当てはまる。
R2−0509693,「VoIP用のL2の最適化(L2 Optimizations for VoIP)」(Qualcomm, 3GPP TSG-RAN WG2 meeting 46bis, 4-8 April 2005) R2−041645,「VoIP支援のためのL2の検討(L2 Considerations for VoIP Support)」(Qualcomm, RAN2#43)
したがって、必要とされている本発明の目的は、パディングの量を減らして、ネットワーク容量と効率との少なくともいずれかを増大させる、装置、方法、及び、技術を提供することである。
無線アクセス・ネットワーク・ノードは、プロトコル・データ・ユニット(PDU)形成ロジックと、PDUバッファと、連結タイマと、バッファ読出機構と、を備える。プロトコル・データ・ユニット(PDU)形成ロジックは、例えば、受信サービス・データ・ユニット(SDU)を分割してプロトコル・データ・ユニット(PDU)を形成するために管理を行う。PDUバッファは1以上のPDUを格納する。バッファ読出機構は、PDUバッファの中身の読み出しを制御する。例えば、PDUバッファ内のPDUの中身が所定の十分なレベルに達していない場合、バッファ読出機構は、PDUバッファからPDUを読み出す際の遅延を決定するために連結タイマを使用する。この遅延によって、PDUバッファからPDUを読み出す前に、やがて到達するSDUの少なくとも一部をPDU内に含ませる機会がもたらされ、これにより、送信するPDU内のパディング量が削減される。
バッファ読出機構は、(1)PDUバッファ内のPDUの中身が所定の十分なレベルに到達するか、あるいは、(2)(連結タイマが管理する)所定の時間間隔が満了するまで、PDUバッファからのPDUの読み出しを遅延させる。
制限的でない実装例では、SDUは、20ミリ秒の到達間隔時間で到達する、24バイトのボイス・オーバー・インターネット・プロトコル(VoIP)パケットであり、各PDUには40オクテットのペイロードが許されており、所定の時間間隔は20ミリ秒と40ミリ秒の間に設定される。
所定の十分なレベルの実施形態例において、PDUバッファ内のPDUの現在の中身の送信に応じて発生するであろうパディングの程度が閾値よりも小さい場合、バッファ読出機構は、所定の時間間隔でPDUバッファの読み出しを遅延させる。実装の一例では、閾値はPDUの長さの10パーセントである。
本技術の他の側面は、無線アクセス・ネットワーク・ノードを動作させる方法に関するものである。この方法は、基本的な工程例として、受信サービス・データ・ユニット(SDU)を分割して、プロトコル・データ・ユニット(PDU)を形成する工程と、1以上のPDUをPDUバッファに格納する工程と、PDUバッファ内のPDUの中身が所定の十分なレベルに達していない場合に、PDUバッファからの該PDUの読み出しを遅延させる工程とを有する。この遅延によって、PDUバッファから該PDUを読み出す前に、やがて到達するSDUの少なくとも一部を該PDU内に含ませる機会がもたらされ、ひいては送信するPDU内のパディング量が削減される。この方法は、(1)PDUバッファ内のPDUの中身が所定の十分なレベルに到達するか、あるいは、(2)所定の時間間隔が満了するまで、PDUバッファからのPDUの読み出しを遅延させる工程を有することができる。
上述した、および、他の、本発明の目的、特徴、利点は、添付図面に示された好適な実施形態に係る、以下のより詳細な説明から明らかになるだろう。ここで、複数の図面を通じて同じ参照番号は同じ部分を参照する。また、図面の縮尺は必ずしも正確でなく、むしろ本発明の原理を示すことに重点を置いている。
以下の記述では、限定ではなく説明する目的で、本発明を完全な理解を得るために、特定のアーキテクチャ、インタフェース、手法等の特定の詳細を説明する。しかし、本発明はこれらの特定の詳細を離れた他の実施形態にも実施してもよいことは、当業者には明らかであろう。すなわち、ここには明示的に示したり説明したりしていないが、本発明の原理を実施し、本発明の精神と技術的範囲に含まれる様々な構成を、当業者は考え出すことができるだろう。不必要に詳細な説明で本発明の説明が不明瞭になることがないように、いくつかの例では、周知の装置、回路、方法の詳細な説明を省略している。本発明に係る特定の説明だけでなく、本発明の原理、側面、実施形態についてここで述べている全ての記述は、本発明の構造的均等物と機能的均等物との両方を包含することを意図している。さらに、かかる均等物は、現在公知の均等物だけでなく、将来開発される均等物、すなわち、その構造にかかわらず同様の機能を実施するように開発された任意のエレメントの両方を包含している。
したがって、例えば、ここに示すブロック図は本技術の原理を実施する回路構成例の概念図を示しうることを、当業者は理解するだろう。同様に、任意のフローチャート、状態遷移図、擬似コード、およびこれらと同等のものは、そのようなコンピュータまたはプロセッサが明示的に示されているか否かに関わらず、コンピュータ可読媒体内に本質的に表現し、コンピュータまたはプロセッサが実行してもよい、様々な処理を示すということも理解するだろう。
「プロセッサ」または「コントローラ」と名付けられた機能ブロックを含む様々なエレメントの機能は、専用のハードウェアを使用してだけでなく、適切なソフトウェアと関連してソフトウェアを実行することが可能なハードウェアを使用して提供してもよい。そのような機能がプロセッサによって提供される場合、その機能は、単一の専用プロセッサ、単一の共有プロセッサ、あるいは、複数の個別プロセッサによって提供してもよい。ここで、この複数の個別プロセッサは、そのうちのいくつかが共有または分散されてもよい。さらに、「プロセッサ」あるいは「コントローラ」という用語を明示的に使用した場合、それはソフトウェアを実行可能なハードウェアを排他的に指しているとは理解すべきではなく、デジタル信号プロセッサ(DSP:Digital Signal Processor)と、ソフトウェアを格納する読み出し算用メモリ(ROM:Read Only Memory)と、書き込み可能メモリ(RAM:Random Access Memory)と、非揮発性記憶装置と、を含んでもよい。
ひとつの例のモードによれば、RNC分割バッファ内の最後のPDUは、タイマが計測する所定の時間遅延される。このタイマを、(利便性だけの目的で、)以下、連結タイマ40と呼ぶ。次のSDUが到着するまでRNC内で最後のPDUを遅延させることによって、PDUを、パディングの代わりに、この次のSDUの部分で満たすことができる。これによってこのリンク上のパディングの使用を減らし、システム能力を増大させることができる。その代償はもちろん遅延の増加である。発信するPDU内における許容されるパディングの割合を設定するために閾値λを使用する。このレベルを超えるPDUは、連結タイマが終了するまで格納される。
制限的でない実施形態の一例として、図1は、例えば、(矢印32で示すように)コアネットワークからSDUを受信する、無線ネットワーク制御器(RNC)24等の制御ノードを示している。RNC24は、図示していない他の多数の構成エレメントとともに、(任意の)SDU受信バッファ34と、PDU形成ロジック36と、PDUバッファ38と、PDUバッファ読出機構39と、連結タイマ40とを備える。
図2Aと図2Bは、代表的な制限的でない実施形態例の各工程例を示すフローチャートである。図2Aおよび図2Bの各工程は、即座に実行したり、あるいは、実質的に即座に実行したりすることができる。図2Aは、特に、受信SDUを処理する工程例を示しているのに対し、図2Bは、連結タイマが満了したときに実行する工程例を示している。動作の契機となるイベントは、(1)SDUの受信(ステップSA−1)と、(2)連結タイマの満了(ステップSB−2)との2つである。ステップSA−2は受信と受信SDUの処理を示している。ステップSA−3のように、PDUバッファ38にPDUがまだ存在するか否かを(例えば、PDU形成ロジック36が)チェックする。存在しない場合は、ステップSA−4において、受信SDUを(例えば、PDU形成ロジック36が)PDUに分割し、そのPDUをPDUバッファ38に格納する。PDUが満杯の場合、または、(PDUバッファ38内のPDUの)現コンテンツが送信されたときのパディングの程度が閾値λ未満の場合は、ステップSA−5において、バッファ38のPDUを(例えば、PDUバッファ読出機構39)が例えばノードBへ読み出す。次に、ステップSA−6において、閾値λよりもパディング率が高いPDUがPDUバッファ38に残っているか否かをチェックする。チェックの結果が肯定的なものだった場合は、ステップSA−7において、連結タイマ40を0に初期化し、次に、ステップSA−8でスタートさせる。ステップSA−8で連結タイマ40をスタートさせた後、図2AのSDU処理ルーチンは、一時的に停止または中断する(ステップSA−10)。ステップSA−6でのチェックの結果が否定的なものだった場合は、ステップSA−9で連結タイマを停止し、図2AのSDU処理ルーチンは、一時的に停止または中断する(ステップSA−10)。
受信SDUの受信に応じて、ステップSA−4において、PDUバッファ38にPDUがまだ残っていると判定された場合は、ステップSA−11において、受信SDUをPDUに分割し、PDUバッファ38にまだある最後のPDUと連結する。ステップSA−12において、パディングの程度が閾値λ未満のPDUが、PDUバッファ38に含まれているか否かチェックする。ステップSA−12での判定が肯定的なものだった場合は、ステップSA−5とそれに続く各ステップ(例えば、ステップSA−6と、ステップSA−7及びステップSA−8、または、(好適には)ステップSA−9)を実行する。ステップSA−12での判定が否定的なものだった場合は、図2AのSDU処理ルーチンは一時的に終了または停止する(ステップSA−13)。
ステップSB−1が示しているように、連結タイマ4は適切に監視される。連結タイマ40が満了すると、割込または他の指示が受信される(ステップSB−2)。連携タイマ40の満了を考慮して、ステップSB−3において、PDUバッファ38の最後のPDUが読み出され、図2Bのタイマ監視ルーチンは一時的に終了する。
このように、PDUバッファ内のPDUの中身が所定の十分なレベルに達していないときは、PDUバッファからPDUを読み出す際の遅延を決定するために、バッファ読出機構は連結タイマを使用する。この遅延によって、PDUバッファからPDUを読み出す前に、やがて到達するSDUの少なくとも一部をPDU内に含ませる機会がもたらされ、これにより、送信するPDU内のパディング量が削減される。バッファ読出機構は、(1)バッファ内のPDUの中身が所定の十分なレベルに到達したか(ステップSA−5)、あるいは、(2)(連結タイマが管理する)所定の時間間隔が満了する(ステップSB−3)まで、PDUバッファからのPDUの読み出しを遅延させる。
余分な遅延をできるだけ小さくするために、受信SDUの到達時間間隔に連結タイマ(例えば、連結タイマ40)を適用してもよい。これは、受信トラフィックに対する連続的なフィルタ測定か、あるいは、利用可能ならば、保証ビットレートやフレームサイズのようなQoS属性の読み込みによって行ってもよい。発生しうるジッタを補償するために、連結タイマは、受信SDUの到達間隔時間よりもわずかに大きく設定することができる。さらに、このジッタも測定してもよい。
図3A〜図3Cの時間系列に示されたケース例を考える。このケース例では、24バイトのVoIPパケットが、RLCの到達時間間隔が20msでPDUバッファ38に到達しており、そこでは、RLC PDUは、各PDUについて(長さのインジケータを除いて)40オクテットのペイロードを有している。図3Aは、第1のパケット(パケット#1)が到達し(ステップSA−2)、PDUバッファ38内に格納される様子を示している。この例では、許容されるパディングの割合を10%とする。PDUバッファ38内にはパケット#1のみが存在し、したがって、PDUバッファ38は24バイトしか持たないから、パケット#1については、ステップSA−5において、全PDU長に対するパディングの百分率または割合は、閾値λを超えていると判定される。結果として、パケット#1はPDUバッファ38内に残存し(ステップSA−6)、連結タイマ40は初期化され(ステップSA−7)、開始される(ステップSA−8)。この例では、連結タイマは、20msよりも大きく40msよりも小さい値に初期化/設定するのが好適である。
図3Bは、第2のパケット(パケット#2)の到達を示している。第2のパケット(パケット#2)が到達すると、ステップSA−3において、PDUバッファ38内にまだPDUが残存している、すなわち、パケット#1はまだバッファ38の最初のPDUであると判定される。このため、ステップSA−11のように、新たに到達したパケット(パケット#2)は、バッファ38内で2つのRLC PDUに分割される。このようにして、PDUバッファ38の第1のPDUは、第1のVoIPパケットと、1バイトの長さインジケータと、15バイトの第2VoIPパケットとを含むことになる。しかし、第2パケットの9バイトはPDUバッファ38の第1のRLC PDUに適合しないため、結果として、この9バイトの第2パケットは、図3Bに示すように、PDUバッファ38の第2のPDUの位置に格納される。
図3Bに示すように、ステップSA−5によって、PDUバッファ38の第1のPDUが読み出される。しかし、ステップSA−6において、(図3に示す)PDUバッファ38の第2のPDU内のパディングの割合は閾値λを超えていると判定されるため、ステップSA−7とステップSA−8の両方が実行される。ステップSA−7では、連結タイマ40が再び初期化され、ステップSA−8では、連結タイマ40が再び開始される。
図3Cに示すように「第3の」パケット(パケット#3)を受信すると、ステップSA−11において、PDUバッファ38を単独で占めているPDU(PDU#2)において格納されているパケット#2の9バイトに、この第3のパケットを連結する。この場合、PDU#2が占めている長さ(オクテット)は、9+24=33オクテットと、それに加えて長さインジケータの2オクテットであり、したがって、これは、RLC PDUのペイロード・サイズよりも小さい。「最適化」のレベル(容量に対する遅延)に応じて、PDU#2は、7オクテットのパディングとともに送信するか、あるいは、他のVoIPパケットと連結するために格納することができる。閾値が10%の場合、ステップSA−12において、PDU#2はまだPDUバッファ38に残すべきであると判定される。なお、この場合、PDUが送信されないため、連結タイマ40は再開されない。連結タイマ40は常にPDUに特有である。例えば、閾値が20%のように高い場合、図3CのPDU#2は送信され、パディング量は多くなるが遅延は小さくなるだろう。
下り回線の場合、提案している機能は、標準に変更を加えることなく、RNC内に実装することができる。上り回線は標準化の手法を必要とする。
ここで説明した技術によれば、遅延の性能とVoIPのようなサービスの容量とをトレードオフさせる手法が提供される。アクティブな場合、この技術は無線リンク上のパディング量を削減し、これによってシステム容量が増大する。
PDUバッファ38とPDUバッファ38を備えたノードとからのパケットの読み出しは、任意の適切な装置や送信ラインに対して行うことができる。さらに、「読み出し」という概念には、PDUバッファ38を備えたノードまたは装置からPDUを搬送するために、PDUバッファ38から適切な送信ユニットへPDUを移動させることを含めることができる。
以上、様々な実施形態を示し、詳細を説明したが、特許請求の範囲は、いかなる実施形態や構成例にも限定されない。上述の説明は、任意の特定のエレメント、工程、範囲、機能は本質的であり、それゆえ特許請求の範囲の技術的範囲内に含めなければならないというように、解釈すべきではない。特許発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載によってのみ規定される。法的な保護の範囲は、特許された特許請求の範囲の記載とその均等物によって定められる。本発明は、(本明細書に)記載の実施形態に限定されないが、一方で、様々な修正や均等な構成を含むことを意図していることを理解されたい。
RLCプロトコルの連結を実行する制御ノードの模式図である。 例示的な実施形態の例示的な工程を示すフローチャートである。 RLCプロトコルの連結を実装するノードに到来する一連の3つのパケットを示す線図である。

Claims (12)

  1. 受信サービス・データ・ユニット(SDU)を分割して、プロトコル・データ・ユニット(PDU)を形成するプロトコル・データ・ユニット(PDU)形成ロジックと、
    1以上のPDUを格納するPDUバッファと、
    連結タイマと、
    PDUバッファ内のPDUの読み出しを制御するバッファ読出機構と、
    を備え、
    前記バッファ読出機構は、前記PDUバッファ内のPDUの中身が所定の十分なレベルに達していない場合、前記PDUバッファから該PDUを読み出す前に、やがて到達するSDUの少なくとも一部が該PDU内に含まれる機会をもたらし、それにより送信するPDU内のパディング量が削減されるように、該バッファ読出機構、前記PDUバッファから該PDUを読み出す際の遅延を決定するために前記連結タイマを使用するように構成され、
    前記バッファ読出機構は、受信SDUの到達時間間隔に合わせて調整される所定の時間間隔が先に満了しない限りにおいて、前記PDUバッファ内の前記PDUの中身が前記所定の十分なレベルに到達するまで前記PDUバッファからのPDUの読み出しを遅延させると共に、前記バッファ読み出し機構は、前記所定の時間間隔が先に満了した場合、前記PDUバッファ内の前記PDUの中身が前記所定の十分なレベルに到達する前に前記PDUバッファからの前記PDUの読み出しを開始する、
    ことを特徴とする無線アクセス・ネットワーク・ノード。
  2. 前記所定の時間間隔は、受信トラフィックに対する連続的なフィルタ測定か、あるいは、サービス品質(QoS)属性の読み込みによって、受信SDUの到達時間間隔に合わせて調整される
    ことを特徴とする請求項1に記載のノード。
  3. 前記SDUは、20ミリ秒の到達間隔時間で到達する、24バイトのボイス・オーバー・インターネット・プロトコル(VoIP)パケットであり、
    各PDUには40オクテットのペイロードが許されており、
    前記所定の時間間隔は20ミリ秒と40ミリ秒の間に設定される
    ことを特徴とする請求項1に記載のノード。
  4. 前記PDUバッファ内の前記PDUの現在の中身の送信に応じて発生するであろうパディングの程度が閾値よりも小さくない場合、前記バッファ読出機構は、前記PDUバッファの読み出しを遅延させる
    ことを特徴とする請求項1に記載のノード。
  5. 前記閾値は前記PDUの長さの10パーセントである
    ことを特徴とする請求項4に記載のノード。
  6. 前記連結タイマは、前記バッファからのPDUの読み出しに応じてリセットされる
    ことを特徴とする請求項1に記載のノード。
  7. 無線アクセス・ネットワーク・ノードを動作させる方法であって、
    受信サービス・データ・ユニット(SDU)を分割して、プロトコル・データ・ユニット(PDU)を形成する工程と、
    1以上のPDUをPDUバッファに格納する工程と、
    前記PDUバッファ内のPDUの中身が所定の十分なレベルに達していない場合に、受信SDUの到達時間間隔に合わせて調整される所定の時間間隔が先に満了しない限りにおいて、前記PDUバッファ内の前記PDUの中身が前記所定の十分なレベルに到達するまで前記PDUバッファからの該PDUの読み出しを遅延させ、これによって、前記PDUバッファから該PDUを読み出す前に、やがて到達するSDUの少なくとも一部を該PDU内に含ませる機会をもたらし、ひいては送信するPDU内のパディング量を削減する工程と
    前記所定の時間間隔が先に満了した場合、前記PDUバッファ内の前記PDUの中身が前記所定の十分なレベルに到達する前に前記PDUバッファからの前記PDUの読み出しを開始する工程と
    を有することを特徴とする方法。
  8. 前記所定の時間間隔を、受信トラフィックに対する連続的なフィルタ測定か、あるいは、サービス品質(QoS)属性の読み込みによって、受信SDUの到達時間間隔に合わせて調整する工程をさらに有する
    ことを特徴とする請求項7に記載の方法。
  9. 前記SDUは、20ミリ秒の到達間隔時間で到達する、24バイトのボイス・オーバー・インターネット・プロトコル(VoIP)パケットであり、
    各PDUに40オクテットのペイロードを許容する工程と、
    前記所定の時間間隔を20ミリ秒と40ミリ秒の間に設定する工程と、
    をさらに有することを特徴とする請求項7に記載の方法。
  10. 前記PDUバッファ内の現在の中身の送信に応じて発生するであろうパディングの程度が閾値よりも小さくない場合、前記PDUバッファの読み出しを遅延させる工程をさらに有する
    ことを特徴とする請求項7に記載の方法。
  11. 前記閾値は前記PDUの長さの10パーセントである
    ことを特徴とする請求項10に記載の方法。
  12. 前記連結タイマを、前記バッファからのPDUの読み出しに応じてリセットする工程をさらに有する
    ことを特徴とする請求項7に記載の方法。
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