JP4408743B2

JP4408743B2 - 通信装置及び受信バッファの制御方法

Info

Publication number: JP4408743B2
Application number: JP2004135435A
Authority: JP
Inventors: 達也加藤
Original assignee: NEC Electronics Corp
Current assignee: NEC Electronics Corp
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-04-30
Also published as: JP2005318378A

Description

本発明は、リアルタイム通信装置に関し、特に、データパケットの遅延揺らぎを吸収して通信品質を向上するための受信バッファメモリ容量の制御方法及びそれを備えたリアルタイム通信装置に関する。

ＩＰ（ＩｎｔｅｒｎｅｔＰｒｏｔｏｃｏｌ）ネットワーク上で、音声や動画像等のリアルタイム性を要求されるデータをＩＰパケット化して送受信する場合、ＩＰネットワークを経由したことによる遅延時間のばらつきによって、ＩＰネットワークを経由して受信したデータの到達間隔の揺らぎ（以下、遅延揺らぎ）が生じ、受信音声の音切れや画像の乱れ等が発生して通信品質が低下する。このため、ＩＰネットワーク上で、音声や動画像等のリアルタイム性を要求されるデータを送受信するリアルタイム通信装置は、遅延揺らぎを吸収するために受信データを一時的に蓄積する受信バッファを設けて、通信品質の向上を図る構成としている。

受信バッファの蓄積容量が大きいほど、遅延揺らぎによる音声・動画像の途切れは防止できることになるが、一方で、バッファメモリの蓄積容量を大きくすると、受信データの再生（音声の再生、動画像の表示等）遅延につながり、リアルタイム性が低下するという不利益がある。このため、受信バッファメモリの蓄積容量は、遅延揺らぎを効果的に吸収しつつ、遅延時間をむやみに増大させることのない容量となるように設定する必要がある。さらに、受信データの遅延ゆらぎをもたらすＩＰネットワークの混雑状況は変化するため、この変化に合わせて受信バッファメモリの容量を変化できることが望ましい。

特許文献１には、インターネット網などのデータ通信網で使用する通話装置において、通話装置が直接接続されたネットワークセグメント上を所定時間内に往来するパケットのパケット数及びパケット長を計数し、得られた値に基づいて通話装置が備える受信バッファメモリのＦＩＦＯ段数を増加又は減少させる技術が開示されている。
特開２００２−１５２２５７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された従来の技術では、通話装置が直接接続されているネットワークセグメント上を往来するパケット数とパケット長を用いてデータ通信網のトラフィック混雑状況を判断しているため、通話装置が直接接続されたネットワークセグメント以外のデータ通信網全域のトラフィック混雑状況を取り込むことができない。このため、通話装置が直接接続されたネットワークセグメント以外のデータ通信網が持つ網構成の複雑さによって遅延揺らぎが生じている場合には、受信バッファメモリの蓄積容量に相当するＦＩＦＯ段数を最適化できずに通話品質を低下させてしまうという課題がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、データ通信網の構成の複雑さに応じてリアルタイム通信装置の受信バッファの蓄積容量を増減し、受信データパケットの遅延揺らぎを吸収するリアルタイム通信装置および受信バッファの制御方法を提供することを目的とする。

本発明にかかるリアルタイム通信装置は、通信網からデータパケットを受信し、受信したデータパケットに含まれる通信データを取り出す手段と、前記通信データを受信バッファに一時蓄積する手段と、前記受信バッファに蓄積された前記通信データを再生手段に送信する手段とを有するリアルタイム通信装置であって、前記データパケットのヘッダから、前記データパケットが経由した中継装置数に関する情報を取得する手段と、前記データパケットが経由した中継装置数に関する情報に基づいて、前記受信バッファの蓄積容量を変更する手段とをさらに有するものである。このような構成により、データパケットが経由した中継装置数に基づいて受信バッファ容量を変更できるため、データ通信網の構成の複雑さに応じてリアルタイム通信装置の受信バッファの蓄積容量を増減することにより、受信したデータパケットの遅延揺らぎを吸収することができる。

一方、本発明にかかる受信バッファの制御方法は、通信網からデータパケットを受信し、受信したデータパケットに含まれる通信データを取り出す手段と、前記通信データを受信バッファに一時蓄積する手段と、前記受信バッファに蓄積された前記通信データを再生手段に送信する手段とを有するリアルタイム通信装置における前記受信バッファの制御方法であって、前記データパケットのヘッダ情報から、前記データパケットが経由した中継装置数に関する情報を取得するステップと、前記受信バッファの蓄積容量を、前記データパケットが経由した中継装置数に関する情報に基づいて変更するステップとを含むものである。このような制御方法により、データパケットが経由した中継装置数に基づいて受信バッファ容量を変更できるため、データ通信網の構成の複雑さに応じてリアルタイム通信装置の受信バッファの蓄積容量を増減することにより、受信データパケットの遅延揺らぎを吸収することができる。

さらに、受信バッファ容量の変更は、前記データパケットが経由した中継装置数に関する情報によって示される中継装置数が増加するにしたがって、前記受信バッファの蓄積容量を大きくし、逆に、前記データパケットが経由した中継装置数に関する情報によって示される中継装置数が減少するにしたがって、前記受信バッファの蓄積容量を小さくするよう制御する構成とすることが望ましい。このような構成により、データ通信網が持つ構成の複雑さによって生じる受信データパケットの遅延ゆらぎを効率よく吸収できるため、通信品質を向上することができる。

なお、前記データパケットがＩＰパケットである場合は、前記データパケットが経由した中継装置数に関する情報をＩＰヘッダに含まれるＴＴＬ値とすればよいし、前記ＴＴＬ値が小さくなるに従って前記受信バッファの蓄積容量を大きくし、逆に、前記ＴＴＬ値が大きくなるに従って、前記受信バッファの蓄積容量を小さくするよう制御する構成とするとよい。

本発明により、データ通信網の構成の複雑さに応じてリアルタイム通信装置の受信バッファの蓄積容量を増減し、受信データパケットの遅延揺らぎを吸収するリアルタイム通信装置および受信バッファの制御方法を提供することができる。

発明の実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかるリアルタイム通信装置１の構成を示すブロック図である。リアルタイム通信装置１は、ＩＰネットワーク上で音声通話を行うための音声通話装置である。リアルタイム通信装置１は、送信部１０と、受信部２０で構成される。このうち、送信部１０は、符号化された音声信号を、ＩＰネットワークを介して相手側のリアルタイム通信装置に送信するための機能部である。送信部１０では、まず、マイクロフォン１１から入力された音声信号がエンコード処理部１２に送られる。エンコード処理部１２は、マイクロフォン１１から受信した音声信号をＰＣＭ（ＰｕｌｓｅＣｏｄｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式やＣＳ−ＡＣＥＬＰ方式などの標準的な符号化方式によってデジタル圧縮データに変換し、変換後のデジタル圧縮データをヘッダ付加部１３に送信する。ヘッダ付加部１３は、エンコード処理部１２から受信したデジタル圧縮データに少なくともＩＰヘッダを含む通信に必要なヘッダ情報を付加してＩＰパケットの組み立てを行う。なお、ヘッダ付加部１３では必要に応じて、デジタル圧縮データをＩＰパケットサイズに分割してＩＰパケットの組み立てを行うこととしてもよい。さらに、ヘッダ付加部１３は、組み立て後のＩＰパケットをパケット送信部１４に送信する。パケット送信部１４は、ヘッダ付加部１３から受信したＩＰパケットを、ＩＰネットワーク２の通信方式に従って、相手側端末装置に対して送信する。

一方、受信部２０は、音声信号を圧縮符号化したデータを送信元のリアルタイム通信装置から受信し、受信したデータを音声信号に復号化して再生を行う機能部である。受信部２０では、まず、パケット受信部２１が、ＩＰネットワーク２を経由して相手側リアルタイム通信装置から送られてきたＩＰパケットを受信し、受信したＩＰパケットをＴＴＬ値検出部２２及びヘッダ除去部２３に送信する。このうち、ヘッダ除去部２３は、パケット受信部２１より受信したＩＰパケットからＩＰヘッダを含むヘッダ情報を除去してデジタル圧縮データを取り出し、取り出したデジタル圧縮データを再生順序に従って受信バッファ部２４に出力する。受信バッファ部２４は、ヘッダ除去部２３より入力されたデジタル圧縮データを一時蓄積する。さらに、受信バッファ部２４は、蓄積したデジタル圧縮データを順次、デコード処理部２５に対して送信する。デコード処理部２５は、受信バッファ部２４から受信したデジタル圧縮データを元の音声信号に復号化して、スピーカ２６に出力する。スピーカ２６はデコード処理部２５から出力された音声信号を再生する。

なお、受信バッファ部２４は、ＦＩＦＯ構造を持つメモリであり、デジタル圧縮データの蓄積に使用するＦＩＦＯ段数は、ＴＴＬ値検出部２２指示によって変化できるよう構成されたものである。

次に、ＴＴＬ値検出部２２の動作を説明する。ＴＴＬ値検出部２２は、パケット受信部２１より受信したＩＰパケットのヘッダに含まれるＴＴＬ（ＴｉｍｅＴｏＬｉｖｅ）値を検出し、ＴＴＬ値に応じて受信バッファ部２４の蓄積容量（以下、受信バッファ容量）を変化させるための制御信号（以下、受信バッファ制御信号）を、受信バッファ部２４に対して出力する。受信バッファ容量は、ＴＴＬ値検出部２２が出力する受信バッファ制御信号に基づいて決定される。

図２は、ＴＴＬ値検出部２２が出力する受信バッファ制御信号によって指示されるＴＴＬ値と受信バッファ容量との関係を概念的に示すグラフである。図のように、受信したＩＰパケットのＩＰヘッダに含まれるＴＴＬ値が大きい場合は、受信バッファ容量を相対的に小さくするよう指示する受信バッファ制御信号がＴＴＬ値検出部２２から受信バッファ部２４に出力され、ＴＴＬ値が小さい場合は、受信バッファ容量を大きくするよう指示する受信バッファ制御信号が出力される。

上述したように、本発明では、ＩＰヘッダに実装されているＴＴＬ値を利用し、受信ＩＰパケットの持つＴＴＬ値に応じて、受信バッファの容量を変化させることを特徴としている。以下では、ＴＴＬ値に基づいて受信バッファ容量を増減することの利点について説明する。

ＴＴＬ値は、ＩＰヘッダに８ビットの領域で定義されたＩＰパケットの有効期間を表す値であり、１０進数表示とすることによって０から２５５までの整数値であらわされるものである。送信元の端末装置がＴＴＬ値を設定して送信先端末装置に向けてＩＰパケットを送信すると、途中の経路上のルータ装置を通過する毎にルータ装置によって値が１ずつ減らされていき、ＴＴＬ値が０になるまでに通信先端末装置にＩＰパケットが到達しない場合は、その時点で途中のルータ装置によりＩＰパケットが廃棄される。つまり、ＴＴＬ値は、ルータ装置の通過回数であるホップ数によってＩＰパケットの有効期間を表すものである。このため、端末装置１で受信したＩＰパケットのＴＴＬ値を検出することによって、送信元のリアルタイム通信装置との間の経路上に存在するルータ装置の台数を知ることができる。

送信先のリアルタイム通信装置に到達するまでにＩＰパケットが経由するルータ装置の数が増えることは、送信先のリアルタイム通信装置に連続して到達すべきＩＰパケットの到達遅延時間の増大、遅延揺らぎの増大を生じる原因となる。したがって、受信したＩＰパケットのＴＴＬ値が小さいことはホップ数が大きいことに相当し、ＩＰパケットの遅延ゆらぎが大きいと想定されるため、この場合には受信バッファ容量を相対的に大きくするよう受信バッファを制御する。逆に、ＴＴＬ値が大きいことはホップ数が小さいことに相当するため、受信バッファ容量を相対的に小さくするよう制御する。これによって、経由するＩＰネットワークに起因するＩＰパケットの遅延ゆらぎに合わせて効率よく受信バッファ容量を制御することができる。

図３は、本実施の形態にかかるリアルタイム通信装置１がＩＰネットワークを介して通信を行う構成の一例を示したものである。図３の例では、本実施の形態にかかるリアルタイム通信装置である第１のリアルタイム通信装置１Ａ及び第２のリアルタイム通信装置１ＢがＩＰネットワーク２に接続されている。また、ＩＰネットワーク２において、リアルタイム通信装置１Ａ及び１Ｂが通信を行う経路上には、４台のルータ装置３０乃至３３が配置されている。第１のリアルタイム通信装置１Ａとルータ装置３０が接続され、さらにルータ装置３０とルータ装置３１、ルータ装置３１とルータ装置３２、ルータ装置３２とルータ装置３３、最後にルータ装置３３と第２の通信端末１Ｂが、それぞれ接続されている。

第１のリアルタイム通信装置１Ａから第２のリアルタイム通信装置１Ｂに対してＩＰパケットを送信する場合を例にとって説明する。送信するＩＰパケットのＴＴＬ値は、送信元である第１のリアルタイム通信装置１Ａによって付与されるものであり、図３の例では１２８としている。第１のリアルタイム通信装置１Ａの送信部１０から送信されたＩＰパケットは、最初のルータ装置３０を通過する際に、ＴＴＬ値が１２７に減算される。続いて、ルータ装置３１乃至３３でも、同様にＴＴＬ値が減算され、通信先となる第２のリアルタイム通信装置１Ｂの受信部２０にＩＰパケットが到達した際のＴＴＬ値は１２４となる。

一方、比較のために最も単純な構成を考える。最も単純な構成は、ＩＰネットワーク２において、第１のリアルタイム通信装置１Ａと第２のリアルタイム通信装置１Ｂの間の経路上にルータ装置が１台も存在せず、途中でルータ装置を通過することなく通信が可能な場合である。この場合は、リアルタイム通信装置１ＡからＴＴＬ値１２８として送信されたＩＰパケットが、リアルタイム通信装置１Ｂで、ＴＴＬ値１２８のまま受信される。

図４は、図３の構成に対応する受信バッファ容量の変化の一例を示したグラフである。図３を用いて説明した構成の場合、リアルタイム通信装置１Ｂの受信部２０が受信するＩＰパケットのＴＴＬ値は１２４であるため、このときの受信バッファ容量はＡとなり、ＴＴＬ値検出部２２は、受信バッファ容量をＡとする受信バッファ制御信号を受信バッファ部２４に出力する。一方、ルータ装置を経由せずにリアルタイム通信装置１Ｂの受信部２０が受信するＩＰパケットのＴＴＬ値は１２８であり、このときＴＴＬ値検出部２２は、受信バッファ容量を最小値Ｍｉｎとする受信バッファ制御信号を受信バッファ部２４に出力する。図４に示すように、Ａ＞Ｍｉｎの大小関係が成り立ち、ルータ装置を経由しない構成に比べて図３で説明した構成の場合のほうが受信バッファ部２４の受信バッファ容量を大きくするよう指示する受信バッファ制御信号が出力される。

次に、図５を用いて、ＴＴＬ値検出部２２によって行われる受信バッファ部２３の蓄積容量制御の制御フローを説明する。まず、ステップＳ１においてパケット受信部２１からＩＰパケットを取り込み、そのヘッダからＴＴＬ値を取得する。次に、ステップＳ２において取得したＴＴＬ値を、これまでの値（現在値）として保持していたＴＴＬ値と比較する。比較した結果、ＴＴＬ値に変化がない場合は、次のＩＰパケットの取り込みを行う。一方、ＴＴＬ値に変化がある場合は、新たなＴＴＬ値に対応する受信バッファ容量を決定し（ステップＳ３）、受信バッファ部２４に対して蓄積容量の変更を指示する受信バッファ制御信号を送信する（ステップＳ４）。なお、受信バッファ容量を決定するために必要となる受信したＴＴＬ値と受信バッファ容量の関係は、予め設定されたものをＴＴＬ値検出部２２に保持するよう構成すればよい。

上述したように、受信ＩＰパケットのＴＴＬ値が小さい場合に受信バッファ容量を大きくするよう制御することによって、ＩＰネットワーク２で発生したネットワークパケットの遅延揺らぎを吸収することができる。また、ＴＴＬ値が大きい場合に受信バッファ容量を小さくするよう制御することによって、受信バッファ部２４によって生じる遅延時間の増大を抑えることができる。このように、本実施の形態にかかるリアルタイム通信装置１では受信バッファ容量をＴＴＬ値に基づいて適宜変更することによって遅延揺らぎを効率よく吸収できるため、受信音声の音切れを無くして通信品質を向上させることができる。

発明の実施の形態２．
図６は、本実施の形態にかかるリアルタイム通信装置３の構成を示すブロック図である。リアルタイム通信装置３は、図１を用いて説明した発明の実施の形態１にかかるリアルタイム通信装置１におけるマイクロフォン１１の代わりにビデオカメラ４０を備え、スピーカ２６の代わりにディスプレイ４１を備えたものである。リアルタイム通信装置３の有するエンコード処理部１２では、動画像の圧縮符号化を行い、デコード処理部２５では動画像の伸張復号化を行う点以外の動作、作用については発明の実施の形態１と同様である。これによって、本実施の形態にかかるリアルタイム通信装置３では受信側でディスプレイ４１に表示される動画像の途切れを無くして通信品質を向上させることができる。

発明の実施の形態３．
図７は、本実施の形態にかかるリアルタイム通信装置４の構成を示すブロック図である。リアルタイム通信装置４は、図１を用いて説明した発明の実施の形態１にかかるリアルタイム通信装置１におけるマイクロフォン１１の代わりに電子黒板等の第１のリアルタイムデータアプリケーション４２を備え、スピーカ２６の代わりに第２のリアルタイムデータアプリケーション４３を備えている。一般的に、リアルタイムデータアプリケーションを扱う場合、送信データの圧縮符号化を行う必要がないためエンコード処理部１２は備えておらず、同様に、受信データの伸張復号化も不要であるためデコード処理部２５も備えていない。このほかの動作、作用については発明の実施の形態１と同様である。これによって、本実施の形態にかかるリアルタイム通信装置４では、受信側のリアルタイムデータアプリケーション４３で処理されるデータの途切れを無くして通信品質を向上させることができる。

発明の実施の形態４．
図８は、本実施の形態にかかるリアルタイム通信装置５の構成を示すブロック図である。リアルタイム通信装置５は、片方向に動画像を送信する場合に使用される受信端末であり、送信端末６から送信される動画像を、ＩＰネットワーク２を介して受信する。リアルタイム通信装置５は、発明の実施の形態２にかかるリアルタイム通信装置３の受信部２０に相当する機能部を有しており、デコード処理部２５では動画像の伸張復号化を行う点以外の動作、作用については発明の実施の形態１にかかるリアルタイム通信装置１の受信部と同様である。

なお、上述した発明の実施の形態にかかる構成は一例を示したものであり、通信網を介してリアルタイム性の要求されるデータパケットを送受信し、受信バッファメモリを用いて受信データパケットの遅延揺らぎの吸収を行うその他のリアルタイム通信装置においても、本発明は有効である。

例えば、上述した発明の実施の形態では、データパケットが経由した中継装置数に関する情報としてＩＰｖ４ヘッダに含まれるＴＴＬ値を用いる場合を説明したが、ＩＰｖ６プロトコルに従ってデータ通信を行うリアルタイム通信装置の場合は、ＩＰｖ６ヘッダに含まれるホップリミットフィールドの値に基づいて受信バッファ容量を変更すれば、上述した発明の実施の形態にかかるリアルタイム通信装置と同様の効果を達成することができる。

発明の実施の形態１にかかるリアルタイム通信装置の構成を示す機能ブロック図である。ＴＴＬ値と受信バッファ容量との関係を示すグラフである。発明の実施の形態１にかかるリアルタイム通信装置が通信を行う構成の一例を示す図である。ＴＴＬ値と受信バッファ容量との関係を示すグラフである。受信バッファ容量制御の制御フロー図である。発明の実施の形態２にかかるリアルタイム通信装置の構成を示す機能ブロック図である。発明の実施の形態３にかかるリアルタイム通信装置の構成を示す機能ブロック図である。発明の実施の形態４にかかるリアルタイム通信装置の構成を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１、３、４、５リアルタイム通信装置、２ＩＰネットワーク、２２ＴＴＬ値検出部、２３ヘッダ除去部、２４受信バッファ部、２５デコード部、２６スピーカ

Claims

逐次受信される複数のデータパケットの各々から取得された通信データを再生処理に先立って一時蓄積する受信バッファと、
前記受信バッファに蓄積された通信データのうち最初に再生されるべき通信データの再生処理が開始された後も継続的に、前記複数のデータパケットの各々のヘッダから取得される各データパケットが経由した中継装置数を示す情報を逐次参照し、新たに取得された前記情報によって示される中継装置数が過去に取得された前記情報によって示される中継装置数から変化している場合に、新たに取得された前記情報によって示される中継装置数に応じた大きさとなるように前記受信バッファの蓄積容量を逐次更新する更新手段と、
を備える通信装置。
前記更新手段は、
新たに取得された前記情報によって示される前記中継装置数が直前に取得された前記情報によって示される前記中継装置数から増加した場合に、その増加量に応じて前記蓄積容量を大きくし、
新たに取得された前記情報によって示される前記中継装置数が直前に取得された前記情報によって示される前記中継装置数から減少した場合に、その減少量に応じて前記蓄積容量を小さくする、請求項１に記載の通信装置。
前記複数のデータパケット夫々はＩＰパケットであり、前記データパケットが経由した中継装置数に関する情報はＩＰヘッダに含まれるＴＴＬ値であって、
前記更新手段は、前記ＴＴＬ値の減少に従って前記受信バッファの蓄積容量を大きくし、前記ＴＴＬ値の増加に従って前記受信バッファの蓄積容量を小さくする、
請求項１に記載の通信装置。
前記更新手段は、新たに取得された前記情報によって示される前記中継装置数が直前に取得された前記情報によって示される前記中継装置数から変化している場合に、その変化に応じて前記蓄積容量を更新する、請求項１に記載の通信装置。
逐次受信される複数のデータパケットの各々から取得される通信データを再生処理に先立って受信バッファに一時蓄積する通信装置における受信バッファの制御方法であって、
前記受信バッファに蓄積された通信データのうち最初に再生されるべき通信データの再生処理が開始された後も継続的に、前記複数のデータパケットの各々のヘッダから取得される各データパケットが経由した中継装置数を示す情報を逐次参照し、新たに取得された前記情報によって示される中継装置数が過去に取得された前記情報によって示される中継装置数から変化している場合に、新たに取得された前記情報によって示される中継装置数に応じた大きさとなるように前記受信バッファの蓄積容量を逐次更新する更新ステップを含む受信バッファの制御方法。
前記更新ステップでは、
新たに取得された前記情報によって示される前記中継装置数が直前に取得された前記情報によって示される前記中継装置数から増加した場合に、その増加量に応じて前記蓄積容量を大きくし、
新たに取得された前記情報によって示される前記中継装置数が直前に取得された前記情報によって示される前記中継装置数から減少した場合に、その減少量に応じて前記蓄積容量を小さくする、
請求項５に記載の受信バッファの制御方法。
前記更新ステップでは、新たに取得された前記情報によって示される前記中継装置数が直前に取得された前記情報によって示される前記中継装置数から変化している場合に、その変化に応じて前記蓄積容量を更新する、請求項５に記載の受信バッファの制御方法。