JP4507255B2

JP4507255B2 - コンテンツ伝送装置

Info

Publication number: JP4507255B2
Application number: JP2005123579A
Authority: JP
Inventors: 晴久加藤; 暁夫米山; 康弘滝嶋
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2025-04-21
Also published as: JP2006303965A

Description

本発明は、コンテンツ伝送装置に関し、特に、複数の端末に低遅延でエラー耐性の高いコンテンツをマルチキャスト配信することができるコンテンツ伝送装置に関する。

ネットワーク上の多地点に同一データを送信する場合、一般にマルチキャスト配信が用いられる。従来、マルチキャスト配信の信頼性を確保するために、マルチキャスト配信でエラーが発生したコンテンツをユニキャストで配信する手法が用いられている。

特許文献１には、サーバ計算機で資源を分割保持し、クライアント計算機からの分割資源要求数に応じて、分割資源の配信方法をユニキャストからマルチキャスト、マルチキャストからユニキャストへ動的に切り換える資源配信方式が記載されている。また、データ欠落やネットワーク障害などで一部の分割資源を受信できなかった場合には再送要求を行うことも記載されている。
特開２００４−１７８０３１号公報

しかしながら、モバイルネットワークのように伝送路のエラー発生率が極端に高い環境においては多くの端末でエラーが発生するので、マルチキャスト配信では正しく同報送信することが困難である。

マルチキャスト配信でのエラーを回復するには、それぞれユニキャスト配信でエラーを回復すればよいが、ユニキャストによる配信が多くなると、マルチキャスト配信の効果がなってしまうばかりか、伝送遅延が増大するという課題がある。

本発明の目的は、上記課題を解決し、複数の端末に低遅延でエラー耐性の高いコンテンツをマルチキャスト配信することができるコンテンツ伝送装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、複数のクライアントと、前記複数のクライアントにコンテンツをマルチキャスト配信するサーバを備えるコンテンツ伝送装置において、前記サーバは、コンテンツをエラー許容レベルに応じて複数のメディアに分離してエレメントデータを生成するコンテンツ分離部と、エラー許容レベルが高いメディアのエレメントデータが１回送信される間にエラー許容レベルが低いメディアのエレメントデータが複数回送信されるように、マルチキャストチャネルを分割して複数のメディアそれぞれに対する論理チャネルを用意するとともに前記エレメントデータの送信スケジュールを決定する配信スケジューリング部と、前記配信スケジューリング部で決定された送信スケジュールに従って前記エレメントデータを前記複数の論理チャネルを介してマルチキャスト配信するマルチキャスト送信部と、前記クライアントからの再送要求をユニキャストチャネルを介して受信するとともに該再送要求されたエレメントデータをユニキャスト配信する第１のユニキャスト送受信部を備え、前記クライアントは、前記マルチキャスト送信部からマルチキャスト配信されたエレメントデータを受信するマルチキャスト受信部と、ユニキャストチャネルを介して再送要求を前記第１のユニキャスト送受信部に送信するとともに前記第１のユニキャスト送受信部からのエレメントデータを受信する第２のユニキャスト送受信部と、前記マルチキャスト受信部で受信されたエレメントデータがエラー許容レベル以下である場合には該エレメントデータに基づいてコンテンツを再構成し、前記マルチキャスト受信部で受信されたエレメントデータがエラー許容レベル以下でない場合には再送要求を前記第２のユニキャスト送受信部に送出し、前記第２のユニキャスト送受信部で受信されたエレメントデータをも用いてコンテンツを再構成するコンテンツ合成部とを備えたことを基本的特徴としている。

クライアントには、メディアごとの再生品質のエラー許容レベルや受信状態などに応じて、ロストパケットの再送要求やエラーパケットの廃棄および隠蔽を可能とするエラー回復機能を備えさせることができる。

本発明によれば、コンテンツがエラー許容レベルに応じて複数のメディアに分離され、マルチキャストチャネルの帯域、各メディアのエラー許容レベルに応じてそれぞれのメディアに最適な論理チャネルが用意され配信スケジュールが決定されるので、低遅延でエラー耐性の高いコンテンツをマルチキャスト配信することができる。

また、高信頼性が要求されるメディアについては短時間にマルチキャスト配信が繰り返されてエラーが自動的に修復されるので、コンテンツ全体を効率的にマルチキャスト配信することができる。

さらに、一定時間内あるいは一定回数の繰り返し配信でエラーが修復されない場合でも、分離されたメディアの該当するデータだけをユニキャストで再送するので、再送するデータ量を最小限に抑えることができる。

以下、図面を参照して本発明を説明する。図１は、本発明に係るコンテンツ伝送装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。本実施形態のコンテンツ伝送装置は、通信ネットワーク１０上にサーバ２０とクライアント(受信端末)３０が配備されて構成される。クライアント３０は複数配備されるが、１つだけを図示している。

サーバ２０は、コンテンツ分離部２１と配信スケジューリング部２２とマルチキャスト送信部２３と第１のユニキャスト送受信部２４を備える。また、クライアント３０は、マルチキャスト受信部３１と第２のユニキャスト送受信部３２とコンテンツ合成部３３とコンテンツビューア３４を備える。

まず、サーバ２０の各部機能について説明する。
コンテンツ分離部２１は、配信するコンテンツをコンテンツデータベース(DB)２５から取得し、コンテンツを性質の異なる複数のメディアの分離する。以下ではコンテンツをエラー許容レベルに応じてビデオ、オーディオ、ヘッダなどに分離するものとし、分離された個々のメディアをエレメントデータと称する。

例えば、MPEGフォーマットのコンテンツの場合、図２に示すように、ビデオとオーディオとヘッダに分離し、さらにビデオを符号化タイプ(B-picture,P-picture,I-picture)ごと、つまりフレームを単位に分離してエレメントデータとすることができる。

分離したエレメントデータには適切なファイル名を付与することで受信側でのコンテンツの再構成を可能にする。また、分離したエレメントデータからコンテンツを再構成するのに必要な情報もエレメントデータの１つとして生成する。さらに、分離したエレメントデータをパケット化してパケットロスが発生してもエレメントデータを再構成可能にする。

配信スケジューリング部２２は、マルチキャストチャネルの情報とエレメントデータの情報から、周期的な配信に関するスケジュールおよびマルチキャストチャネルの分配比率(論理チャネル)を決定し、決定されたスケジュールに従ってマルチキャスト送信部２３へエレメントデータを引き渡し、論理チャネルごとに設定された配信条件で送信する。

各エレメントデータを繰り返し送信するが、一律には送信しない。エレメントデータはそれぞれエラー許容レベルが異なるので、エラー許容レベルが低いエレメントデータを優先的に送信するようにスケジューリングを行う。すなわち、マルチキャストチャネルを論理的に分割し、エラーが許容できるエレメントデータが一巡する間に、エラーが許容できないエレメントデータが何巡も送信されるように論理チャネルの幅を設定することで、エラーが発生しても後者のエラーを修復できるようにして配信する。

また、配信スケジューリング部２２は、クライアント３０からの再送要求がある場合は、該当するパケットがユニキャストチャネルと介してクライアント３０に送信されるようにする。

配信スケジューリング部２２によるスケジューリングを、マルチキャストチャネルの帯域やユニキャストチャネルから得られるクライアント３０の受信状態に応じて動的に変化させることも可能である。

図３は、マルチキャストチャネルの分配比率を示す説明図である。図３において、ビデオ(Video)を伝送するチャネルは他のメディア(Audio,Header)よりも広く確保されているが、Videoはデータ量そのものが大きいため伝送にかかる時間が長い。エラー許容レベルが比較的高いビデオの伝送が一巡する間に、Audioは２回半、Headerは５回繰り返し送信することができる。

したがって、Video以外のメディアについては、たとえ１巡目に通信路でエラーが発生しパケットが失われても、２巡目以降でエラーを修復することができ、エラー耐性を高く保つことが可能になる。また、マルチキャストチャネルの分配比率を任意に可変設定できるようにしておくことも好ましい。なお、マルチキャストチャネルの情報とエレメントデータの情報に基づいてマルチキャストチャネルの分配比率を決定する手法については後述する。

マルチキャスト送信部２３は、論理的なマルチキャストチャネルを介し、配信スケジューリング部２２で決定された配信スケジュールでそれぞれのエレメントデータを送信する。

第１のユニキャスト送受信部２４は、クライアント３０からの再送要求をユニキャストチャネルで受信し、該当するパケットをユニキャストチャネルを介して送信する。

次に、クライアント３０の各部機能について説明する。
マルチキャスト受信部３１は、サーバ２０から送信されるパケット化されたエレメントデータをマルチキャストで受信し、パケットロスや重複パケットなどのマルチキャストチャネルで発生したエラーを検出する。受信したパケットはコンテンツ合成部３３に送出する。

第２のユニキャスト送受信部３２は、コンテンツ合成部３３からの再送要求をユニキャストチャネルを介してサーバ２０に通知し、該当するパケットをユニキャストチャネルで受信する。受信したパケットはコンテンツ合成部３３に送出する。

コンテンツ合成部３３は、マルチキャストチャネルおよびユニキャストチャネルを介して受信したパケット化されたエレメントデータの受信状態を管理する。また、コンテンツ合成部３３は、受信しているエレメントデータについての各種情報を取得し、十分な再生品質を確保するのに必要なパケットを収集する。重複するパケットがあればこれを廃棄し、パケットにエラーがあれば周期的に送信されてくるパケットでこれを修復する。一定時間内や一定回数の周期的な配信で必要なパケットが得られない場合には、該当するパケットについての再送要求がユニキャストチャネルを介して送出されるようにする。

また、エラーフリーで伝送されるヘッダ情報を解析し、メディアごとに各フレームのサイズ、再生時間、オフセット情報を利用し、パケットロスがあったとしてもAV同期をとれるようにコンテンツを再構成する。なお、ヘッダ情報は、ビデオとオーディオの情報から生成することが可能であるので、ヘッダを伝送することなく、コンテンツを再構成する手段を用意しておけば、受信された各メディアからヘッダを自動生成し、コンテンツを再構成することができる。

コンテンツ合成部３３は、各エレメントデータが、それぞれのエラー許容レベルを下回るなどして一定品質が満たされた場合にコンテンツを再構成し、コンテンツビューア３４に引き渡す。コンテンツビューア３４は、コンテンツ合成部３３から引き渡されたコンテンツを提示させる。

以下に、マルチキャストチャネルの情報とエレメントデータの情報に基づいてマルチキャストチャネルの分配比率を決定する手法について説明する。

まず、コンテンツを２種類のエレメントデータに分離して配信する場合、すなわち倫理チャネルが２本の場合を想定する。コンテンツをエラー許容レベルが異なるビデオとオーディオに分離するときには、１本の配信チャネルをビデオのエレメントデータとオーディオのエレメントデータに対応する２本の論理チャネルに分ける。

配信チャネルでのエラーレベル(誤り率)がビデオのエラー許容レベル(誤り許容率)を下回ればビデオは１回の配信で再生できるが、このときオーディオのエラー許容レベルを上回る場合は、ビデオの受信が終わるまでにオーディオに発生するエラーをそのエラー許容レベル以下になるまで修復しなければならない。

ここで、コンテンツのサイズをM(byte)とし、オーディオの割合をs(0＜s＜1)とすると、オーディオとビデオのサイズはそれぞれ、Ms、M(1-s)で表される。また、配信チャネルの帯域をN(bps)とし、オーディオが使用する論理チャネルの割合(分配比率)をt(0＜t＜1)とすると、オーディオとビデオの帯域はそれぞれ、Nt、N(1-t)で表される。

配信チャネルのエラーレベルをP(0≦P＜1)としたとき、ビデオについては１回の配信でエラー許容レベルを下まわり、オーディオについてはn回配信を繰り返すことでエラー許容レベルεを下回るとすると、ビデオの１配信当たりオーディオの配信回数nは、下記(1)式を満たす必要がある。

一方、M(1-s)byteのビデオをN(1-t)bpsの論理チャネルで１回分配信するのに要する時間は、M(1-s)/N(1-t)であり、Ms byteのオーディオをNt bpsの論理チャネルで１回分配信するのに要する時間は、Ms/Ntである。したがって、ビデオの１周期で配信できるオーディオの回数nは下記(2)式で与えられる。

ｎ＝（１−ｓ）ｔ／（１−ｔ）ｓ (2)

エレメントデータに依存するエラー許容レベル、つまりオーディオのエラー許容レベルεを与えれば、配信チャネルの帯域N、配信チャネルのエラーレベルP、コンテンツにおけるエレメントデータの割合sなどは既知であるので、オーディオに与えるべき論理チャネルの割合tを上記(2)式で求めることができ、また、各エレメントデータの帯域を求めることができる。

次に、コンテンツを３種類のエレメントデータに分離して配信する場合、すなわち倫理チャネルが３本の場合を想定する。コンテンツをエラー許容レベルが異なるビデオとオーディオとヘッダに分離するとき、１本の配信チャネルをビデオのエレメントデータとオーディオのエレメントデータとヘッダのエレメントデータに対応する３本の論理チャネルに分ける。

配信チャネルでのエラーレベルがビデオのエラー許容レベルを下回ればビデオは１回の配信で再生できるが、このときオーディオのエラー許容レベルおよびヘッダのエラー許容レベルを上回る場合は、ビデオの受信が終わるまでにオーディオおよびヘッダに発生するエラーをそれらのエラー許容レベル以下になるまで修復しなければならない。

ここで、コンテンツのサイズをM(byte)とし、ヘッダの割合をs_ｈ(0＜s_ｈ＜1)、オーディオの割合をs_ａ(0＜s_ａ＜1)とすると、ヘッダとオーディオとビデオのサイズはそれぞれ、Ms_ｈ、Ms_ａ、M(1-s_ｈ-s_ａ)で表される。また、配信チャネルの帯域をN(bps)とし、ヘッダが使用する倫理チャネルの割合をt_ｈ(0＜t_ｈ＜1)、オーディオが使用する論理チャネルの割合をt_ａ(0＜t_ａ＜1)とすると、ヘッダとオーディオとビデオの帯域はそれぞれ、Nt_ｈ、Nt_ａ、N(1-t_ｈ-t_ａ)で表される。

配信チャネルのエラーレベルをP(0≦P＜1)としたとき、ビデオについては１回の配信でエラー許容レベルを下まわり、ヘッダについてはn_ｈ回配信を繰り返すことでエラー許容レベルε_ｈを下回るとすると、ビデオの１配信当たりヘッダの配信回数n_ｈは、下記(3)式を満たす必要がある。

同様に、オーディオについてはn_ａ回配信を繰り返すことでエラー許容レベルε_ａを下回るとすると、ビデオの１配信当たりオーディオの配信回数n_ａは、下記(4)式を満たす必要がある。

一方、M(1-s_ｈ-s_ａ)byteのビデオをN(1-t_ｈ-t_ａ)bpsの論理チャネルで１回分配信するのに要する時間は、M(1-s_ｈ-s_ａ)/N(1-t_ｈ-t_ａ)であり、Ms_ｈ byteのヘッダをNt_ｈ bpsの論理チャネルで１回分配信するのに要する時間は、Ms_ｈ/Nt_ｈである。したがって、ビデオの１周期で配信できるヘッダの回数n_ｈは下記(5)式で与えられる。

ｎ_ｈ＝（１−s_ｈ−s_ａ）t_ｈ／（１−t_ｈ−t_ａ）s_ｈ (5)

同様に、ビデオの１周期で配信できるオーディオの回数n_ａは下記(6)式で与えられる。

ｎ_ａ＝（１−s_ｈ−s_ａ）t_ａ／（１−t_ｈ−t_ａ）s_ａ (6)

エレメントデータに依存するエラー許容レベル、つまりヘッダのエラー許容レベルε_ｈおよびオーディオのエラー許容レベルε_ａを与えれば、配信チャネルの帯域N、配信チャネルのエラーレベルP、コンテンツにおけるエレメントデータの割合s_ｈ、s_ａなどは既知であるので、ヘッダおよびオーディオに与えるべき論理チャネルの割合t_ｈおよびt_ａの具体的数値は、以下のようにして求めることができる。

上記(3)および(4)の不等式を変形すると、論理チャネルの割合t_ｈおよびt_ａに対する制約式(7)が得られる。

ｔ_ｈ＞(ａ/(１＋ａ))(１−ｔ_ａ)
ｔ_ａ＞(ｂ/(１＋ｂ))(１−ｔ_ｈ) (7)

ただし、定数ａ，ｂは、下記(8)、(9)式で与えられる。

ヘッダおよびオーディオの割合t_ｈおよびt_ａの定義から、(t_ｈ＋t_ａ)は1未満であるので、上記(7)式と合わせて評価すると、t_ｈおよびt_ａが取り得る範囲は、図４の斜線部に相当するものとなる。

このとき、配信に掛かる時間を最小にするには、ビデオの帯域N(１−t_ｈ−t_ａ)を最大にする必要がある。すなわち、上記制約の下で(t_ｈ＋t_ａ)が最小となる点は、下記(10)式で与えられる。

ｔ_ｈ＝ａ/(１＋ａ＋ｂ)
ｔ_ａ＝ｂ/(１＋ａ＋ｂ) (10)

したがって、ヘッダ、オーディオ、ビデオに対してそれぞれａ：ｂ：１の比率で配信チャネルを分配すればよい。なお、各エレメントデータのエラー許容レベルが配信チャネルのエラーレベルよりも大きい場合には、エレメントデータの情報量の比率で論理チャネルを分配することにより配信に掛かる時間を最短にすることができる。

本発明に係るコンテンツ伝送装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。コンテンツのエレメントデータを示す説明図である。マルチキャストチャネルの分配比率を示す説明図である。チャネルの分配比率に対する制約を示す説明図である。

符号の説明

１０・・・通信ネットワーク、２０・・・サーバ、２１・・・コンテンツ分離部、２２・・・配信スケジューリング部、２３・・・マルチキャスト送信部、２４・・・第１のユニキャスト送受信部、２５・・・コンテンツデータベース(DB)、３０・・・クライアント(受信端末)、３１・・・マルチキャスト受信部、３２・・・第２のユニキャスト送受信部、３３・・・コンテンツ合成部、３４・・・コンテンツビューア

Claims

複数のクライアントと、前記複数のクライアントにコンテンツをマルチキャスト配信するサーバを備えるコンテンツ伝送装置において、
前記サーバは、
コンテンツをエラー許容レベルに応じて複数のメディアに分離してエレメントデータを生成するコンテンツ分離部と、
エラー許容レベルが高いメディアのエレメントデータが１回送信される間にエラー許容レベルが低いメディアのエレメントデータが複数回送信されるように、マルチキャストチャネルを分割して複数のメディアそれぞれに対する論理チャネルを用意するとともに前記エレメントデータの送信スケジュールを決定する配信スケジューリング部と、
前記配信スケジューリング部で決定された送信スケジュールに従って前記エレメントデータを前記複数の論理チャネルを介してマルチキャスト配信するマルチキャスト送信部と、
前記クライアントからの再送要求をユニキャストチャネルを介して受信するとともに該再送要求されたエレメントデータをユニキャスト配信する第１のユニキャスト送受信部を備え、
前記クライアントは、
前記マルチキャスト送信部からマルチキャスト配信されたエレメントデータを受信するマルチキャスト受信部と、
ユニキャストチャネルを介して再送要求を前記第１のユニキャスト送受信部に送信するとともに前記第１のユニキャスト送受信部からのエレメントデータを受信する第２のユニキャスト送受信部と、
前記マルチキャスト受信部で受信されたエレメントデータがエラー許容レベル以下である場合には該エレメントデータに基づいてコンテンツを再構成し、前記マルチキャスト受信部で受信されたエレメントデータがエラー許容レベル以下でない場合には再送要求を前記第２のユニキャスト送受信部に送出し、前記第２のユニキャスト送受信部で受信されたエレメントデータをも用いてコンテンツを再構成するコンテンツ合成部とを備えたことを特徴とするコンテンツ伝送装置。
前記コンテンツ分離部は、コンテンツを複数のメディアに分離するのに加えて、ビデオをフレームを単位に分離し、それぞれのエラー許容レベルに応じてエレメントデータを生成することを特徴とする請求項１に記載のコンテンツ伝送装置。
前記コンテンツ分離部は、エレメントデータをパケット化する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のコンテンツ伝送装置。
前記配信スケジューリング部は、メディアごとのデータ量およびエラー許容レベルに応じて複数の論理チャネルの帯域を決定することを特徴とする請求項１に記載のコンテンツ伝送装置。
前記配信スケジューリング部は、マルチキャストチャネルを任意帯域の複数の論理チャネルに分割可能であることを特徴とする請求項４に記載のコンテンツ伝送装置。
前記配信スケジューリング部は、マルチキャストチャネルの帯域およびクライアントの受信状態に応じてスケジュールを更新させる手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載のコンテンツ伝送装置。
前記コンテンツ合成部は、前記マルチキャスト送信部から周期的に送信されるパケットでエラーを回復させる手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載のコンテンツ伝送装置。
前記コンテンツ合成部は、一定時間内あるいは一定回数の周期的なマルチキャスト配信で必要なパケットが得られない場合に、該当するパケットについての再送要求を前記第２のユニキャスト送受信部に送出することを特徴とする請求項７に記載のコンテンツ伝送装置。
前記コンテンツ合成部は、パケットロスが各メディアのエラー許容レベルを下回ったときにコンテンツを再構成することを特徴とする請求項７に記載のコンテンツ伝送装置。