(57)【要約】【課題】音声・画像データをリアルタイムに伝送する場合に、ネットワークの輻輳状態に応じて送信ビットレートを制御する。このとき、従来法では目標値と観測値との差分に基づいて、現在のビットレートを増加または減少させる制御を行っており、ネットワークが定常状態であってもビットレートが収束せず振動し続けるため、音質・画質が劣化する問題が生じていた。【解決手段】従来法におけるビットレート制御では、図２における積分動作回路２０８に相当する動作のみしか存在しなかった。本発明では、比例動作回路２０７と積分動作回路２０８を組み合わせて用いることにより、ビットレートを収束させることが可能となり、ビットレートが振動することによる音質・画質の劣化が生じない。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ネットワークの状態を表す指標を得る手段と、前記指標に対する目標値と観測値との差分に比例する動作と積分する動作を組み合わせてビットレートを制御する手段とを有することを特徴とするデータ通信装置。
【請求項２】
前記指標がネットワークにバッファリングされるデータ量であることを特徴とする請求項１のデータ通信装置。
【請求項３】
ラウンドトリップ時間を算出する手段と、前記ラウンドトリップ時間を用いて前記データ量を算出する手段とを有することを特徴とする請求項２のデータ通信装置。
【請求項４】
送信順に連続した番号を付与した送信データを送信する手段と、受信したデータの前記番号を付与した受信レポートを返信する手段と、前記受信レポートを受信し、前記送信データを送信してから前記受信レポートを受信するまでに送信したデータに関する情報を前記データ量の観測値とする手段とを有することを特徴とする請求項１又は２のデータ通信装置。
【請求項５】
前記送信したデータに関する情報が送信したデータ量であることを特徴とする請求項４のデータ通信装置。
【請求項６】
ネットワークの状態に基づいて制御されたビットレートで音声・画像信号をリアルタイムに符号化したデータを送信することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかのデータ通信装置。
【請求項７】
予め異なるビットレートで音声・画像信号を符号化した複数のデータを準備し、ビットレート制御の結果に基づいて決定したビットレートの前記データを送信することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかのデータ通信装置。
【請求項８】
前記制御手段において、前記ビットレートを制御する手段が、前記指標に対する目標値と観測値との差分に比例した値と前記差分を積分した値に定数を乗じた値とを加算した値をビットレートとすることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかのデータ通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音声・画像リアルタイム通信におけるビットレート制御を実行するデータ通信装置に関し、特に輻輳を軽減し、且つネットワークを効率良く利用することを可能にするビットレート制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音声・画像データをリアルタイムに伝送する場合に、ネットワークの輻輳状態に応じて送信ビットレートを制御する。従来法は、例えばＩＥＴＦ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｔａｓｋ  Ｆｏｒｃｅ）ＲＦＣ１８８９で規定されたリアルタイム通信プロトコルＲＴＰ（Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）で用いられているＲＴＣＰ（ＲＴＰ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）パケットから得られるパケット損失率やラウンドトリップ時間（ＲＴＴ）を用いてビットレートを制御している。
【０００３】
この従来法では、パケット損失率やＲＴＴが予め定められた閾値を超えるまではビットレートを増加させ、閾値を超えるとビットレート減少させることにより、ビットレートを制御している。
【０００４】
また、特開平１１−３０８２７１号公報では、ネットワークにバッファリングされるデータ量をＲＴＴを用いて算出し、これが所望の値になるよう以下の式１に基づく制御を行っている。
Ｒｎｅｗ＝Ｒｃｕｒ＋Ｃ＊（ＢＵＦｄｅｓ−ＢＵＦｃｕｒ）  （式１）
ここで、Ｒｎｅｗは新しく決定されたビットレート、Ｒｃｕｒは現在のビットレート、ＢＵＦｄｅｓとＢＵＦｃｕｒはネットワークにバッファリングされるデータ量に関する目標値と現在値、Ｃは適当な定数である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−３０８２７１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来法では、観測値と目標値との差分を用いて現在のビットレートを増加または減少させる積分動作のみで制御を行う。積分動作のみの制御は、安定性が保障されず、ネットワークが定常状態であってもビットレートが収束せず振動し続けてしまう。これが伝送するコンテンツの音質・画質が劣化する要因となる。
【０００７】
本発明の目的は、音声・画像リアルタイム通信システムにおいて、安定したビットレート制御を行うことにより、高品質な音声・画像を実現したデータ通信装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１のデータ通信装置は、ネットワークの状態を表す指標を得る手段と、前記指標に対する目標値と観測値との差分に比例する動作と積分する動作を組み合わせてビットレートを制御する手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２のデータ通信装置は、本発明の第１のデータ通信装置において、前記指標がネットワークにバッファリングされるデータ量であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第３のデータ通信装置は、本発明の第２のデータ通信装置において、ラウンドトリップ時間を算出する手段と、前記ラウンドトリップ時間を用いて前記データ量を算出する手段とを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の第４のデータ通信装置は、本発明の第１又は第２のデータ通信装置において、送信順に連続した番号を付与した送信データを送信する手段と、受信したデータの前記番号を付与した受信レポートを返信する手段と、前記受信レポートを受信し、前記送信データを送信してから前記受信レポートを受信するまでに送信したデータに関する情報を前記データ量の観測値とする手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の第５のデータ通信装置は、本発明の第４のデータ通信装置において、前記送信したデータに関する情報が送信したデータ量であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第６のデータ通信装置は、本発明の第１乃至第５のいずれかのデータ通信装置において、ネットワークの状態に基づいて制御されたビットレートで音声・画像信号をリアルタイムに符号化したデータを送信することを特徴とする。
【００１４】
本発明の第７のデータ通信装置は、本発明の第１乃至第５のいずれかのデータ通信装置において、予め異なるビットレートで音声・画像信号を符号化した複数のデータを準備し、ビットレート制御の結果に基づいて決定したビットレートの前記データを送信することを特徴とする。
【００１５】
本発明の第８のデータ通信装置は、本発明の第１乃至第７のいずれかのデータ通信装置において、前記ビットレートを制御する手段が前記指標に対する目標値と観測値との差分に比例した値と前記差分を積分した値に定数を乗じた値とを加算した値をビットレートとすることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態は、送信側１００におけるデータ生成部１０１と、ビットレート制御部１０２と、データ送信部１０３と、受信レポート受信部１０４と、受信側１０５におけるデータ受信部１０６と、データ復号部１０７と、受信レポート送信部１０８とから構成されている。
【００１７】
まず、全体的な動作の概略を説明する。送信側１００は、受信側１０５から送信されたネットワークに関する情報を元に、送信する音声・画像データのビットレートを適切な値に制御して、受信側１０５に送信する。受信側１０５は、送信側１００から送信された音声・画像データを受信し、それらを復号することにより、音声・画像信号を得るとともに、ネットワークに関する情報を送信側１００に送信する。
【００１８】
次に、図１及び図２を参照して本実施の形態の動作について詳細に説明する。まず、ビットレート制御を説明する。ビットレート制御部１０２は、受信レポート受信部１０４から得たネットワークにバッファリングされたデータの観測値に基づき、ネットワークに送信するデータのビットレートを算出し、データ生成部１０１とデータ送信部１０３に入力する。
【００１９】
ここで、ビットレート制御部１０２の構成を示した図２を参照すると、時刻ｎにおいて入力されたネットワークにバッファリングされたデータ量ｙ（ｎ）と目標値ｒとの差分ｅ（ｎ）が加算器２０１で計算される。ｒの値は例えば１０００００ビットのような値とする。ｅ（ｎ）は、乗算器２０５で構成される比例動作回路２０７と、加算器２０２、遅延器２０６、及び乗算器２０３で構成される積分動作回路２０８に入力される。
【００２０】
比例動作回路２０７は、ｅ（ｎ）に対して乗算器２０５において定数ＫＰを乗算した結果を加算器２０４に出力する。積分動作回路２０８は、ｅ（ｎ）と遅延回路２０６を通して得た加算器２０２の過去の出力を加算器２０２に入力することにより加算した値に対して、乗算器２０３おいて定数ＫＩを乗算した結果を加算器２０４に出力する。定数ＫＰ，ＫＩの値は、制御の特性を決める値であり、例えばＫＰ＝２，  ＫＩ＝１とする。加算器２０４は、比例動作回路２０７と積分動作回路２０８の出力を加算した結果をネットワークに送信するビットレートｕ（ｎ）として出力する。
【００２１】
図１に戻り、音声・画像データを送受信する動作を説明する。ビットレート制御部１０２は、決定したビットレートをデータ生成部１０１に入力する。データ生成部１０１は、決定したビットレートに基づいて送信する音声・画像データを生成し、データ送信部１０３に出力する。ここで、実現例として、データ生成部１０１は、リアルタイムで音声・画像信号を与えられたビットレート（あるいはそれに近い値で）符号化したデータを出力する場合と予め異なるビットレートで符号化した複数のデータにおいて最も近いビットレートのデータを出力する場合がある。
【００２２】
データ送信部１０３は、データ生成部１０１から得た音声・画像データをそのデータが符号化されたビットレートで、ネットワークに送信する。データ受信部１０６は、受信した音声・画像データをデータ復号部１０７に出力する。データ復号部１０７は、音声・画像データを復号し、音声・画像信号を出力する。
【００２３】
次に、ネットワークにバッファリングされたデータ量を得る方法を説明する。この方法には、ＲＴＴとネットワークに送信したビットレートの積により得る方法と送信したパケットに対する受信レポートを得るまでに送信したデータ量を計測する方法の２種類がある。
【００２４】
まず、前者の方法を説明する。ＲＴＴを得る方法に関しては、前述のＩＥＴＦにおける規格ＲＦＣ１８８９を参照できる。まず、送信側１００におけるデータ送信部１０３は、現在の時刻を送信レポート送信時刻Ｔｓとして記述した送信レポートをネットワークを介して受信側１０５に送信する。
【００２５】
受信側１０５におけるデータ受信部１０６は、送信レポートを受信すると、これを受信レポート送信部１０８に入力する。受信レポート送信部１０８は、入力された送信レポートに記述されている前記時刻Ｔｓと送信レポートを受信してから受信レポートを送信するまでの時間Ｔｍを記述した受信レポートをネットワークを介して送信側１００に送信する。
【００２６】
送信側１００における受信レポート受信部１０４は、受信レポートを受信し、受信レポートを受信した時刻Ｔｒと受信レポートに記述されている前記時刻Ｔｓ及びＴｍを用いて以下の式２によりＲＴＴを計算するとともに、データ送信部１０３から前回受信レポートを得てから現在までの間にネットワークに送信していたビットレートを得て、これと前記ＲＴＴとの積をネットワークにバッファリングされたデータ量の観測値としてビットレート制御部１０２に入力する。
ＲＴＴ＝Ｔｓ−Ｔｍ−Ｔｒ    （式２）
送信レポート及び受信レポートの送信間隔は、ネットワークに対して大きな負荷とならないように、例えば音声・画像データのビットレートの５％程度となるように調整する。
【００２７】
次に、後者の方法を説明する。送信側１００におけるデータ送信部１０３は、音声・画像データを送信する際にパケット毎に固有の連続した番号（シーケンス番号）を付与してネットワークに送信するとともにシーケンス番号と送信したデータ量を受信レポート受信部１０４に出力する。受信側１０５におけるデータ受信部１０６は、受信したデータに付与されたシーケンス番号を受信レポート送信部１０８に出力する。受信レポート送信部１０８は、入力されたシーケンス番号を付与した受信レポートをネットワークに送信する。送信側１００における受信レポート受信部１０４は、受信レポートに付与されているシーケンス番号から最新のシーケンス番号までにデータ送信部１０３が送信したデータ量の総和をビットレート制御部１０２に出力する。
【００２８】
次に、ビットレート制御部１０２についてより詳細に説明する。図３は、本発明によるビットレート制御を帯域がＢｂｐｓであるネットワークにおいて、離散時間間隔Ｔでシミュレートする場合のブロック図である。同様に、図４は従来法におけるビットレート制御をシミュレーションする場合のブロック図である。図から分かるように従来法には比例動作相当する部分がない。図３及び４におけるビットレートｕ（ｎ）をＺ変換したＵＰＩ（ｚ）、ＵＩ（ｚ）はそれぞれ式３と式４で表される。
【００２９】
ＵＰＩ（ｚ）＝｛（１−ｚ）ＫＰ・ｒ−（１−ｚ）ＫＰ・Ｂ・Ｔ＋（Ｂ・Ｔ−ｒ（１−ｚ））ＫＩ｝／｛（１−ｚ）２−（１−ｚ）ＫＰ＋ＫＩ｝    （式３）。
【００３０】
ＵＩ（ｚ）＝ＫＩ（Ｂ−（１−ｚ）ｒ）／｛（１−ｚ）２＋ＫＩ｝    （式４）。
【００３１】
ここで、式４の極は、
ｚ＝１±√（ＫＩ）    （式５）
で表され、極は、必ず単位円の外に存在する。このため、従来法では、ビットレート制御の安定性は保証されない。（√（ＫＩ）はＫＩの平方根を示す）
一方、式３では、下記の式６の条件を満たすようにＫＰとＫＩを設定すれば、重極が単位円内に存在する。従って、本発明では、ビットレート制御の安定性が保証される。
ＫＰ２−４ＫＩ＝０、  ０＜ＫＰ≦２    （式６）
次にシミュレーション実験結果により本発明の効果を示す。シミュレーション実験は次の条件で行った。
Ｔ＝０．００１ｓｅｃ、Ｂ＝１Ｍｂｐｓ、ＫＰ＝２、ＫＩ＝１
図５に示す実験結果から分かるように、従来法によりビットレート制御ではビットレートが振動しているのに対し、本発明によるビットレート制御ではビットレートが収束していることが分かる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の効果は、観測値と目標値との差分対する比例動作と積分動作を考慮してビットレートを制御するため、ビットレートの振動を抑えることができる。したがって、音声・画像リアルタイム通信において、ビットレートが変動することによる品質劣化を防ぐことが可能である。また、ビットレートが収束することにより、ネットワークの負荷が安定する効果があるため、一般のデータ通信においても有効であると言える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明のビットレート制御部１０２の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明のビットレート制御をシミュレートする場合のブロック図である。
【図４】従来法のビットレート制御をシミュレートする場合のブロック図である。
【図５】本発明及び従来法のビットレート制御をシミュレートした実験結果である。
【符号の説明】
１００    送信側
１０１    データ生成部
１０２    ビットレート制御部
１０３    データ送信部
１０４    受信レポート受信部
１０５    受信側
１０６    データ受信部
１０７    データ復号部
１０８    受信レポート送信部
２０１、２０２、２０４    加算器
２０３、２０５    乗算器
２０６    遅延器
２０７    比例動作回路
２０８    積分動作回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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