JP5196588B2 - 無線中継装置およびデータ通信方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルチキャストパケットで送信された音声や動画等のデータを無線伝送路を介して転送する無線中継装置およびデータ通信方法に関する。

音声や動画等の配信のためにマルチキャスト通信が使用される際には、トランスポート層ではＲＴＰ／ＵＤＰ（Real-time Transport Protocol／User Datagram Protocol）が使用され、ＩＰ層ではＩＰマルチキャストが使用される。そして、無線ＬＡＮでＩＰマルチキャストを使用する場合には、無線ＬＡＮのマルチキャスト転送が使用される。

しかし、無線ＬＡＮのマルチキャスト転送には、再送機能が存在しないため、パケットロスが発生した場合には、ロスしたパケットの情報は失われてしまう。また、無線ＬＡＮを用いてマルチキャストパケットを送信するとき、全ての端末に対して確実に伝送するために、高速なデータフレームではなく低速なベーシックレートを制御フレームに使用してデータの送受信を行っている。そのため、音声や動画等といった大きなデータ量を扱うアプリケーションを使用する場合に、品質の低下が発生するという問題もある。

特許文献１には、マルチキャスト通信によるデータ配信サービスを無線ＬＡＮで行う場合に、パケットロスによる伝送品質の劣化を減少させるデータ通信システムが記載されている。特許文献１に記載されたデータ配信システムは、無線ＬＡＮによる無線通信区間ではマルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換してユニキャスト通信を行い、その後マルチキャストパケットに復元してユーザ機器に配信を行う。このようなデータ配信システムは、パケットロスが発生しやすい無線通信区間において、ＡＣＫ制御による再送処理機能を備えたユニキャスト通信を行うので、パケットロスによる伝送品質の劣化を減少させることができる。

特開２００６−３３３３０９号公報（段落０００９，段落００２６）

しかし、特許文献１に記載されたデータ配信システムでは、パケットロスによる伝送品質の劣化は減少させることはできるが、マルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換する具体的な手法は記載されていない。また、変換したパケットの転送速度についての記載はなく、制御フレームの転送レートが低速であれば、音声や動画等の大きなデータ量を扱うアプリケーションを使用する際には、転送すべきデータの一部が転送されずにデータ品質が低下する可能性がある。

そこで、本発明は、マルチキャスト通信で送信される音声や動画等のデータを、データ品質を落とさず確実に端末に転送する無線中継装置およびデータ通信方法を提供することを目的とする。

本発明による無線中継装置は、ネットワーク網から受信したマルチキャストの通信データを、無線伝送路を介して端末に転送する無線中継装置であって、ネットワーク網からマルチキャストグループ宛のマルチキャストパケットを受信する回線制御部と、マルチキャストグループに参加している端末のアドレスが設定されるアドレステーブルを格納する格納部と、格納部に格納されているアドレステーブルを参照して、回線制御部が受信したマルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換するパケット変換部と、端末と無線通信によるパケットの送受信を行う無線制御部とを備え、パケット変換部は、マルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換する際に、ユニキャストパケットの無線ＭＡＣフレームのマネジメントフレームのフレームボディに、音声や動画等のデータ品質を保証する転送レートを最低転送レートにする設定を付加し、無線制御部は、パケット変換部によってユニキャストパケットに変換された通信データを、パケット交換部によって付加された設定に従った最低転送レート以上の転送速度で端末に転送することを特徴とする。

本発明によるデータ通信方法は、ネットワーク網から受信したマルチキャストの通信データを、無線伝送路を介して端末に転送する無線中継装置におけるデータ通信方法であって、ネットワーク網からマルチキャストグループ宛のマルチキャストパケットを受信し、マルチキャストグループに参加している端末のアドレスが設定されるアドレステーブルを参照して、受信したマルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換し、端末と無線通信によるパケットの送受信を行い、マルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換する際に、ユニキャストパケットの無線ＭＡＣフレームのマネジメントフレームのフレームボディに、音声や動画等のデータ品質を保証する転送レートを最低転送レートにする設定を付加し、ユニキャストパケットに変換した通信データを、その設定に従った最低転送レート以上の転送速度で端末に転送することを特徴とする。

本発明によれば、マルチキャスト通信で送信される音声や動画等のデータを、無線通信におけるパケットロスによるデータの欠損を低減できる上に、データ品質の低下を防いで確実に転送することができる。

本発明による無線中継装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。 図１に示す無線中継装置を含む通信システムの一例を示す説明図である。 無線ＭＡＣフレームに対するマルチキャスト／ユニキャスト変換の一例を示す説明図である。 図１に示す無線中継装置がアドレステーブルのエントリを登録または削除する動作の一例を示す説明図である。 本発明による無線中継装置の主要部を示すブロック図である。

実施形態１．
図１は、本発明による無線中継装置の第１の実施形態（実施形態１）の構成を示すブロック図である。図２は、図１に示す無線中継装置を含む通信システムの一例を示す説明図である。

まず、図２を参照して、本発明による第１の実施形態の無線中継装置１０を含む通信システムの一例を説明する。

無線中継装置１０は、有線接続されたネットワーク網２０を介してサーバ３０との間でデータ通信を行う。サーバ３０は、インターネットまたは専用ＩＰ網等のネットワーク網２０に接続している。サーバ３０は、マルチキャストグループに宛てて、音声や動画等の通信データをマルチキャストパケットで送信する。なお、無線中継装置１０は、無線ＬＡＮシステムにおける一種のアクセスポイントである。

無線中継装置１０は、サーバ３０から送信されたマルチキャストパケットを受信して、受信したパケットに所定の処理を行ってから、マルチキャストグループに参加している端末（例えば、端末４１，４２）に、無線通信でユニキャストパケットを転送する。無線中継装置１０が行う所定の処理には、パケットのマルチキャストパケットからユニキャストパケットへの変換およびパケットの無線通信のルーティング等が含まれる。

端末４１，４２は、マルチキャストグループに参加しているが、端末４３は、サーバ３０のマルチキャストグループには参加していないとする。端末４１，４２，４３は、例えば、無線対応機能を備えたテレビジョン装置またはノート型パーソナルコンピュータ等の情報処理端末である。

次に、図１を参照して、第１の実施形態の無線中継装置１０の構成を説明する。

無線中継装置１０は、回線制御部１１、無線制御部１２、主制御部１３、プログラム格納部１４および変換テーブル格納部１５を備える。

回線制御部１１は、ネットワーク網２０を介してサーバ３０とパケットの送受信を行う。無線制御部１２は、無線通信を用いて、端末４１や端末４２との間でパケットの送受信を行う。

主制御部１３は、回線制御部１１および無線制御部１２を制御する。また、主制御部１３は、回線制御部１１が受信したマルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換する処理（以下、マルチキャスト／ユニキャスト変換ともいう。）およびルーティング処理等を制御する。主制御部１３は、例えばプログラムに従って制御されるＣＰＵである。

プログラム格納部１４は、主制御部１３による様々な制御を実行するために必要なプログラムを格納する。変換テーブル格納部１５は、主制御部１３がマルチキャスト／ユニキャスト変換を行うために参照するアドレステーブルを格納する。アドレステーブルには、マルチキャストグループのＭＡＣアドレスおよびマルチキャストグループに参加している端末のＭＡＣアドレス等が設定されている。

図３は、無線ＭＡＣフレームに対するマルチキャスト／ユニキャスト変換の一例を示す説明図である。図３を参照して、図１に示す無線中継装置１０がサーバ３０から送信されたマルチキャストパケットをユニキャストパケットに交換して端末４１，４２に送信する詳細な動作を説明する。

まず、サーバ３０が、マルチキャストグループに宛てて、音声や動画等の通信データをマルチキャストパケットで送信する。無線中継装置１０の回線制御部１１は、サーバ３０によって送信されたマルチキャストパケットを、ネットワーク網２０から受信する。回線制御部１１は、受信したマルチキャストパケットを主制御部１３に渡す。

ここで、図３における上側の表は、ＩＥＥＥ８０２．１１勧告で規定されている無線ＭＡＣフレームの基本フォーマットを示している。図３における下側の表は、ＩＥＥＥ８０２．１１勧告で規定されている無線ＭＡＣフレームの基本フォーマットのうち、図１に示す無線中継装置が行うマルチキャスト／ユニキャスト変換に関係する部分を抜粋したものを示している。

図３に示す無線ＭＡＣフレームのフォーマットは、アドレスを格納する４つの領域（アドレス１〜アドレス４に相当）を含む。４つの領域のうち、アドレス１にはパケットの宛先アドレスが格納され、アドレス２には無線の送信局のアドレスが格納され、アドレス３にはパケットの送信元アドレスが格納される。なお、アドレス１に格納される宛先アドレスによって、主制御部１３は、当該パケットがマルチキャストパケットであるか、ユニキャストパケットであるかを区別することができる。具体的には、例えば、主制御部１３は、各アドレスの第１ビットの値を確認して、宛先アドレスがマルチキャストアドレスであるか、ユニキャストアドレスであるかを判断し、その結果、当該パケットがマルチキャストパケットであるかユニキャストパケットであるかを区別する。

主制御部１３が回線制御部１１から受け取ったマルチキャストパケットのＭＡＣフレームにおいて、アドレス１には、通信データの宛先アドレスとして、マルチキャストグループのＭＡＣアドレスが格納されている。アドレス２には、無線の送信局のアドレスとして、無線中継装置１０のＭＡＣアドレス（ＢＳＳＩＤ：Basic Service Set Identifier）が格納されている。アドレス３には、通信データの送信元アドレスとして、サーバ３０のＭＡＣアドレスが格納されている。

主制御部１３は、回線制御部１１から受け取ったマルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換する。具体的には、主制御部１３は、変換テーブル格納部１５に格納されているアドレステーブルを参照して、アドレス１に格納されている宛先アドレスを、マルチキャストグループのＭＡＣアドレスから端末４１および端末４２のＭＡＣアドレスに変更する。アドレス１に、ユニキャストＭＡＣアドレスである端末４１および端末４２のＭＡＣアドレスを格納することによって、マルチキャストグループを宛先とするマルチキャストパケットは、端末４１，４２を宛先とするユニキャストパケットに変換される。

ここで、主制御部１３が、端末４１および端末４２のＭＡＣアドレスをアドレステーブルに登録したりアドレステーブルから削除する動作について説明する。

図４は、図１に示す無線中継装置がアドレステーブルのエントリを登録または削除する動作の一例を示す説明図である。

サーバ３０およびネットワーク網２０と端末４１，４２との間では、ＩＰマルチキャストプロトコルの制御メッセージによってマルチキャストグループに関する制御が行われる。ＩＰマルチキャストプロトコルの制御メッセージには、例えば、端末がマルチキャストグループに参加することを示す”ｊｏｉｎ”メッセージや、端末が参加したマルチキャストグループから脱退することを示す”ｌｅａｖｅ”メッセージがある。”ｊｏｉｎ”メッセージや”ｌｅａｖｅ”メッセージは、定期的に送信されてもよい。ＩＰマルチキャストプロトコルには、ＩＰｖ４のＩＧＭＰ（Internet Group Management Protocol）、ＩＥＥＥ８０２．１勧告で規定されたＩＥＥＥ８０２．１ＧＭＲＰ（GARP Multicast Registration Protocol）、およびＩＰｖ６のＭＬＤ（Multicast Listener Discovery）等が含まれる。

無線中継装置１０の主制御部１３は、無線制御部１２を制御して、端末４１，４２，４３からサーバ２０に発信される”ｊｏｉｎ”メッセージおよび”ｌｅａｖｅ”メッセージをスヌーピングする。

主制御部１３は、”ｊｏｉｎ”メッセージを検出すると、”ｊｏｉｎ”メッセージの送信元端末のＭＡＣアドレス（例えば、端末４１または端末４２のＭＡＣアドレス）と参加先のＩＰアドレス（例えば、あるマルチキャストグループに割り当てられたＩＰアドレス）とを抽出する。主制御部１３は、抽出した参加先のマルチキャストグループのＩＰアドレスから当該ＩＰアドレスに対応するＭＡＣアドレス（マルチキャストグループのＭＡＣアドレス）を導出する。そして、主制御部１３は、変換テーブル格納部１５に格納されているアドレステーブルを参照し、導出したＭＡＣアドレスが示すマルチキャストグループのエントリに送信元端末のＭＡＣアドレスが登録されていない場合には、当該エントリに送信元端末のＭＡＣアドレスを登録する。

主制御部１３は、”ｌｅａｖｅ”メッセージを検出すると、”ｌｅａｖｅ”メッセージの送信元端末のＭＡＣアドレス（例えば、端末４１または端末４２のＭＡＣアドレス）と脱退先のＩＰアドレス（例えば、あるマルチキャストグループに割り当てられたＩＰアドレス）とを抽出する。主制御部１３は、抽出した脱退先のマルチキャストグループのＩＰアドレスから当該ＩＰアドレスに対応するＭＡＣアドレス（マルチキャストグループのＭＡＣアドレス）を導出する。そして、主制御部１３は、変換テーブル格納部１５に格納されているアドレステーブルを参照し、導出したＭＡＣアドレスが示すマルチキャストグループのエントリに送信元端末のＭＡＣアドレスが登録されている場合には、当該エントリから送信元端末のＭＡＣアドレスを削除する。

したがって、主制御部１３が”ｊｏｉｎ”メッセージおよび”ｌｅａｖｅ”メッセージをスヌーピングすることによって、アドレステーブルにはマルチキャストグループに参加している端末のＭＡＣアドレス、すなわち、端末４１，４２のＭＡＣアドレスが格納される。主制御部１３は、変換テーブル格納部に格納されているアドレステーブルを参照して、端末４１および端末４２のＭＡＣアドレスを取得することができる。

このような無線中継装置１０では、通信データのマルチキャストパケットに対し、上位のパケットには変更を行わずに、ＭＡＣフレームのＭＡＣアドレスの変更を行うだけで、容易にマルチキャスト／ユニキャスト変換を行うことができる。

次に、図１に示す無線中継装置１０が、マルチキャスト／ユニキャスト変換したユニキャストパケットを端末４１，４２に無線通信で送信する際の動作について説明する。

ＩＥＥＥ勧告では、無線ＬＡＮでサポートする転送レートを設定するための”Supported rates ”というパラメータが規定されている。無線中継装置１０がサポートする全ての転送レートは、無線ＬＡＮの”Supported rates ”に設定されている。

ここで、無線中継装置１０の主制御部１３は、事前に、無線ＬＡＮの”Supported rates ”のパラメータに所定の最低転送レートを固定的に設定しておく。具体的には、主制御部１３は、無線ＬＡＮの”Supported rates ”に、音声や動画等のデータ転送において一定の品質を保証する為に必要な転送速度を満たす転送レートを最低転送レートとして設定する。音声や動画等のデータ転送において一定の品質を保証する為に必要な転送レートは、一般的に無線ＬＡＮのマルチキャストパケットの送信で使用される低速な転送レート（ベーシックレート）よりも高速な転送レートである。そして、無線中継装置１０は、無線制御部１２を制御して、設定された最低転送レート以上の転送速度で、ユニキャストパケットを端末４１，４２に送信する。

このような無線中継装置１０では、音声や動画等のデータ品質を保証できるレベルの転送レートに最低転送レートを固定し、固定した最低転送レート以上の転送速度でパケットを送信するので、ベーシックレートによる転送時に発生しやすいデータ品質の低下を防ぐことができる。そして、無線中継装置１０で最低転送レートを固定するので、端末側で転送レートに関する対応を必要とせず、ユーザの手間を減らすことができる。

また、このような無線中継装置１０では、通信データを再送機能を持たない無線ＬＡＮのマルチキャストパケットではなく、再送機能を備えた無線ＬＡＮのユニキャストパケットに変換して送信するので、パケットロスが発生した場合にロスしたパケットの情報が端末４１，４２に届かずに失われるという状況を防ぐことができる。したがって、ネットワーク全体のパケット率の中で高い割合を占めるマルチキャスト転送におけるパケットロスの影響を低減させることができ、利便性を向上させることができる。

実施形態２．
本発明による無線中継装置の第２の実施形態（実施形態）を説明する。第２の実施形態の無線中継装置の構成は、図１に示す無線中継装置１０の構成と同じである。

ＩＥＥＥ８０２．１１勧告では、無線ＭＡＣフレームのマネジメントフレームのフレームボディ最後尾に独自の情報を付加することが許可されている。そこで、第２の実施形態の無線中継装置では、無線ＬＡＮの”Supported rates ”における最低転送レートの変更設定は行わずに、マルチキャスト／ユニキャスト変換を行った無線ＭＡＣフレームのフレームボディ最後尾に、最低転送レートの設定を新たに付加する。すなわち、主制御部１３は、ユニキャストパケットに変換された無線ＭＡＣフレームにおいて、マネジメントフレームのフレームボディ最後尾に対して、音声・動画等のデータ転送において一定の品質を保証する為に必要な転送速度を満たす転送レートを最低転送レートとする設定を新たに付加する。

このような無線中継装置では、無線ＬＡＮの”Supported rates ”における最低転送レートの変更設定を行わないので、通常のユニキャストフレームでは、送信時に転送レートは変更されない。そして、マルチキャスト／ユニキャスト変換を行ったユニキャストフレームの送信時にだけ、音声・動画等のデータ転送において一定の品質を保証する最低転送レート以上の転送速度でフレームを転送することができる。

なお、第１および第２の実施形態の無線中継装置では、無線ＬＡＮネットワークにおける構成例を示したが、パケットロスの発生時に、マルチキャストパケットの転送においては損失したパケットに対する対応手段を持たず、ユニキャストパケットの転送においては損失したパケットに対する対応手段（例えば、再送機能）を備えている他のネットワークにおいて構成されてもよい。他のネットワークとは、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標），ＷｉＭＡＸ（Worldwide Interoperability for Microwave Access ），ＰＬＣ（Power Line Communication）等のネットワークが考えられる。

図５は、本発明による無線中継装置の主要部を示すブロック図である。図５に示すように、無線中継装置１（図１に示す無線中継装置１０に相当）は、ネットワーク網２（図１に示すネットワーク網２０に相当）から受信したマルチキャストの通信データを無線伝送路を介して端末３（図２に示す端末４１に相当）に転送する無線中継装置であって、ネットワーク網２からマルチキャストグループ宛のマルチキャストパケットを受信する回線制御部４（図１に示す回線制御部１１に相当）と、マルチキャストグループに参加している端末のアドレスが設定されるアドレステーブルを格納する格納部５（図１に示す変換テーブル格納部１５に相当）と、格納部５に格納されているアドレステーブルを参照して、回線制御部４が受信したマルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換するパケット変換部６（図１に示す主制御部１３に相当）と、端末３と無線通信によるパケットの送受信を行う無線制御部７（図１に示す無線制御部１２に相当）とを備え、無線制御部７は、パケット変換部６によってユニキャストパケットに変換された通信データを、所定の最低転送レート以上の転送速度で端末３に転送するように構成されている。

また、上記の各実施形態では、以下の（１）〜（４）に示すような無線中継装置も開示されている。

（１）無線通信時にサポートする最低転送レートについて、音声や動画等のデータ品質を保証する転送レートが事前に設定された（例えば、第１の実施形態における”Supported rates ”の設定によって実現される。）無線中継装置であって、無線制御部は、ユニキャストパケットに変換された通信データを、無線中継装置の設定に従った最低転送レート以上の転送速度で端末に転送する無線中継装置。

（２）パケット変換部は、マルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換する際に、ユニキャストパケットの無線ＭＡＣフレームのマネジメントフレームのフレームボディに、音声や動画等のデータ品質を保証する転送レートを最低転送レートにする設定を付加し、無線制御部は、ユニキャストパケットに変換された通信データを、パケット交換部によって付加された設定に従った最低転送レート以上の転送速度で端末に転送する（例えば、第２の実施形態の無線中継装置の動作によって実現される。）無線中継装置。

（３）パケット変換部は、マルチキャストパケットの無線ＭＡＣフレームに対して、宛先アドレスを、マルチキャストグループのＭＡＣアドレスから当該マルチキャストグループに参加している端末のＭＡＣアドレスに変更する無線中継装置。

（４）端末とネットワーク網との間で送受信されるＩＰマルチキャストプロトコルのうち、端末のマルチキャストグループへの参加または脱退を示す所定の制御メッセージ（例えば、第１の実施形態における”ｊｏｉｎ”メッセージまたは”ｌｅａｖｅ”メッセージに相当）をスヌーピングする監視部（図１に示す主制御部１３に相当）を備え、監視部は、スヌーピングした所定の制御メッセージから抽出した情報に基づいて、格納部に格納されているアドレステーブルの情報を更新する無線中継装置。

本発明を、インターネット等のネットワークを介して音声および動画を配信する動画配信システムに適用できる。

１ 無線中継装置
２ ネットワーク網
３ 端末
４ 回線制御部
５ 格納部
６ パケット変換部
７ 無線制御部
１０ 無線中継装置
１１ 回線制御部
１２ 無線制御部
１３ 主制御部
１４ プログラム格納部
１５ 変換テーブル格納部
２０ ネットワーク網
３０ サーバ
４１，４２，４３ 端末

Claims (4)

1. ネットワーク網から受信したマルチキャストの通信データを、無線伝送路を介して端末に転送する無線中継装置であって、
   前記ネットワーク網からマルチキャストグループ宛のマルチキャストパケットを受信する回線制御部と、
   マルチキャストグループに参加している端末のアドレスが設定されるアドレステーブルを格納する格納部と、
   前記格納部に格納されているアドレステーブルを参照して、前記回線制御部が受信したマルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換するパケット変換部と、
   前記端末と無線通信によるパケットの送受信を行う無線制御部とを備え、
   前記パケット変換部は、マルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換する際に、ユニキャストパケットの無線ＭＡＣフレームのマネジメントフレームのフレームボディに、音声や動画等のデータ品質を保証する転送レートを最低転送レートにする設定を付加し、
   前記無線制御部は、前記パケット変換部によってユニキャストパケットに変換された通信データを、前記パケット交換部によって付加された設定に従った最低転送レート以上の転送速度で前記端末に転送する
   ことを特徴とする無線中継装置。
2. パケット変換部は、マルチキャストパケットの無線ＭＡＣフレームに対して、宛先アドレスを、マルチキャストグループのＭＡＣアドレスから当該マルチキャストグループに参加している端末のＭＡＣアドレスに変更する
   請求項１に記載の無線中継装置。
3. 端末とネットワーク網との間で送受信されるＩＰマルチキャストプロトコルのうち、端末のマルチキャストグループへの参加または脱退を示す所定の制御メッセージをスヌーピングする監視部を備え、
   前記監視部は、スヌーピングした所定の制御メッセージから抽出した情報に基づいて、格納部に格納されているアドレステーブルの情報を更新する
   請求項１または請求項２に記載の無線中継装置。
4. ネットワーク網から受信したマルチキャストの通信データを、無線伝送路を介して端末に転送する無線中継装置におけるデータ通信方法であって、
   前記ネットワーク網からマルチキャストグループ宛のマルチキャストパケットを受信し、
   マルチキャストグループに参加している端末のアドレスが設定されるアドレステーブルを参照して、前記受信したマルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換し、
   前記端末と無線通信によるパケットの送受信を行い、
   マルチキャストパケットをユニキャストパケットに変換する際に、ユニキャストパケットの無線ＭＡＣフレームのマネジメントフレームのフレームボディに、音声や動画等のデータ品質を保証する転送レートを最低転送レートにする設定を付加し、
   ユニキャストパケットに変換した通信データを、前記設定に従った最低転送レート以上の転送速度で前記端末に転送する
   ことを特徴とするデータ通信方法。

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