WIDE Technical-Report in 2013

アプリケーション層マルチキャ
ストによる遠隔講義

wide-tr-muramoto-almmultitalkexp-00.pdf

PROJECT

WIDE Project : http://www.wide.ad.jp/

If you have any comments on WIDE documents, please contact toboard@wide.ad.jp

Title:Author(s):Date:

アプリケーション層マルチキャストによる遠隔講義吉田達哉(yoshida.tatsuya@jp.panasonic.com)
バデゥゲ
ティル ミ ー(baduge.thilmee@jp.panasonic.com)
後藤
博喜(gotoh.hiroki@jp.panasonic.com) 村 本 衛
一(muramoto.eiichi@jp.panasonic.com)
工 藤
紀 篤(kudo@sfc.wide.ad.jp) 大川 恵子 (keiko@sfc.wide.ad.jp)
2013-08-19

Title: アプリケーション層マルチキャストによる遠隔講義
Author(s):吉田 達哉(yoshida.tatsuya@jp.panasonic.com)
バデゥゲ ティルミー (baduge.thilmee@jp.panasonic.com)
後藤 博喜(gotoh.hiroki@jp.panasonic.com)
村本 衛一(muramoto.eiichi@jp.panasonic.com)
工藤 紀篤(kudo@sfc.wide.ad.jp)
大川恵子(keiko@sfc.wide.ad.jp)
Date: 2013-08-19

Copyright Notice
Copyright (C) WIDE Project (2013). All Rights Reserved.

アプリケーション層マルチキャストによる遠隔講義  ―   実証実験の報告   ―  
吉田

達哉，

バデゥゲ

ティルミー，

後藤

工藤   紀篤,      大川恵子

博喜，

村本

衛一

(パナソニック)  (慶應義塾大学)  

本稿では，ALM（Application  Layer  Multicast）を用いた遠隔講義向け配信システムとその実証実験の紹介を行う．
多くの遠隔講義において，多地点を接続する際には MCU（Multipoint  Control  Unit）が用いられているが，MCU には導入コストと運用コストが高いという課題があった．本稿で紹介する ALM を用いたシステム（名称：「ALM
マルチトーク」）はこれらの課題を解決できるものであり，選択した 2 拠点間のリアルタイム会話ができ，その会話を残りの拠点（最大 30 拠点）にリアルタイム配信できるものである．今回，慶應義塾大学，京都大学，広島
市立大学，キャンパスプラザ京都を接続して行われる遠隔講義「21 世紀の企業の挑戦」の運用において本システ
ムの実証実験を行い，実用性を確認した．その結果，講演と講演後の質疑がある遠隔講義や遠隔セミナーのような用途において十分適用可能であることが確認できた．  

1.   背景  近年，ネットワーク回線の高速化や機器・ツールの低価格化など環境が整ってきたこと，及び二酸化炭素排出削減や出張コスト削減等の要望が高まってきたことなど
から，企業，教育機関等でリアルタイムのストリーム伝送による遠隔 TV 会議の利用が急速に進んでいる．また，これらのシステムは 1 対 1 の遠隔 TV 会議の利用に留まらず，1 対多の片方向配信を利用した遠隔講義，デジタ
ルサイネージやイベントのライブ配信，多対多の双方向通信による多拠点遠隔 TV 会議など，多用な用途で利用されている．  
上記用途のうち多数の拠点が関わる多対多，及び 1 対
多の片方向配信又は双方向通信を実現する方法として，MCU（Multipoint  Control  Unit)を経由した多拠点接続が広く用いられている．しかし，一般的に MCU は導入コス
ト，運用コストとも高く，その用途によってはオーバー
スペックとなることもある．特に上記用途のうち 1 対多の配信は多対多の通信に比べて，MCU のリソース消費が少なく，オーバースペックであると言える．よって，必要な機能だけを備えることでより安価に導入，運用できるシステムが求められている．そこで，我々は ALM（Applocation   Layer   Multicast)方式による「2 対多の配信システム」を実現した．本システムは，多数の拠点のうち任意の 2 拠点が双方向通信ができると同時にそれら 2拠点から残りの全拠点へ片方向配信もできるものである．
従来の 1 拠点から多拠点に配信を行う 1 対多の配信に比べて 2 拠点から多拠点に配信できることから本システム
を 2 対多の配信システムと定義した．また，前記のように選択した 2 拠点が双方向通信できることも大きな特徴
であり，遠隔講義等に最適なシステムとなっている．遠隔講義の基本的な動作モードとしては「講義中」と「質疑応答中」があり，これらに対応するコミュニケーショ
ンパターンは講義中は先生から各生徒への 1 対多の配信，質疑応答中は，
生徒－先生間の双方向通信である．また，生徒からの質問が順番に行われるのは一般的であり，複数生徒が同時に先生と通信する必要はない．よって，双方向通信は先生と任意の 1 生徒間で行われる 2 拠点通信に限り，我々が提案する 2 対多の配信システムが必要十分な機能を備えている最適なものと言える．以降，本 2対多の配信システムを「ALM マルチトーク」と記す．  
改めて，ALM マルチトークのメリットを記載する．
ALM は，各端末がパケットの複製や転送といったマルチ
キャストの機能を行う（仮想的なマルチキャストを実現する）ため，配信元のネットワーク回線コストを抑えた
大規模な片方向配信が実現できるというメリットがある．
一方，一般的な ALM は片方向通信に限定されており，
遠隔講義等多少でもインタラクティブ性が必要な用途では使いにくかった．
これに対して ALM マルチトークは，選択した 2 拠点間の会話もできるようにしたことで，ALM のメリットを活かしながら，インタラクティブ性も実現し，ネットワーク回線コストが安く，かつ，遠隔講義等に必要なインタラクティブ性も提供するものである．

Copyright Notice
Copyright (C) WIDE Project (2013). All Rights Reserved.

今回，本システムの実証実験として，慶應義塾大学，京信・中継端末では，Side  by  Side の 2 画面表示の映像と合都大学，広島市立大学，キャンパスプラザ京都を接続し成された 2 拠点の音声が再生される．中継端末では，映て行われる遠隔講義「21 世紀の企業の挑戦」にて運用を

像音声の再エンコードは行わず，下流の受信・中継端末

行い，実用性を確認した．  

に向けてパケットを複製転送することで，多地点配信を

以降，第 2 章では MCU と比較した ALM マルチトーク実現する．  

方式の特徴の示し，第 3 章でシステム構成を説明する．
第 4 章では遠隔講義における実証実験の内容と結果について報告し，第 5 章で結論と今後の展開を述べる．  
  2.  ALM 適用のメリット・デメリット  本章では，MCU を用いた多地点通信と ALM マルチトークを用いた配信システムの差異ついて説明する．MCU
方式，ALM マルチトーク方式について説明した後，それぞれの利点，欠点を比較する．  
図 2-­2.  ALM マルチトーク方式  2.1  MCU 方式  る多地点通信制御装置のことである．MCU とそれぞれ

2.1  MCU 方式と ALM マルチトーク方式の比較  の TV 会議システムは 1 対 1 で接続されたスター型のネ2.3.1   導入コスト  MCU とは，複数拠点と TV 会議を行うために設けられットワーク構成になる．MCU の構成を図 2-­1 に示す．  
それぞれの TV 会議システムの映像を MCU が受信してデコードし，16 分割画面等に配置し直した映像をMCU には，複数のデコーダ，エンコーダの搭載が必要となり，製造コストは高くなるため，販売価格も高額

MCU が再エンコードし，それぞれの TV 会議システムにとなる．対応する拠点数が多くなれば，その分製造コス伝送する．音声も同様に，それぞれの TV 会議システム

トが大きくなる．MCU 方式を採用するユーザは，MCUからの音声をデコードして合成したデータを MCU が再を購入しデータセンタ等に配置する必要がある．  

エンコードして，それぞれの TV 会議システムに伝送す

ALM マルチトークでは，TV 会議システムが搭載しているデコーダ，エンコーダを利用する．ALM マルチトー

る．  
TV 会議システムメーカや MCU 専用メーカが MCU を

ク方式を採用するユーザは，新たな通信装置をデータセンタ等に配置する必要がない．  

製造販売している．  
MCU(配信装置)

2.3.2   運用コスト  

管理端末
(PC)

MCU では，TV 会議システムが配置される拠点の回線コストに加えて，MCU を配置する拠点に全拠点と接続
して双方向に映像音声ストリームを伝送するための広帯
12

4域の回線を導入し，運用する必要がある．  

29

5

3

6

30

  

ALM マルチトーク方式では，TV 会議システムが配置される拠点の回線コストのみとなる．  

図 2-­1.   ：MCU 方式の構成  2.3.3   映像品質  2.2  ALM マルチトーク方式  MCU 方式では，MCU を設置した拠点に広帯域の回線

ALM マルチトークとは，2 つの送信元 TV 会議システを導入すれば，フル HD 等の高画質で通信できるが，例

ムからの映像音声のストリームを他の TV 会議システム

えば，MCU を実効帯域 10Mbps 程度の回線で運用し 30に ALM 方式で伝送することで，2 地点が会話する映像音

地点に配信する場合，1 拠点あたり 333kbps 程度の帯域声を多数の TV 会議システムに配信する方式である．受が利用可能であり，モノラル音声帯域や IP オーバヘッド

Copyright Notice
Copyright (C) WIDE Project (2013). All Rights Reserved.

を差し引いて映像レートは 300kbps 未満となるため，HD
映像伝送は困難となる．  

木構造による ALM では，中継している端末がネットワーク切断等で配信木から離脱した場合に，中継先の端

ALM マルチトーク方式では，2 分木で配信を行う場合，末での映像・音声の再生が途切れてしまう課題があるが，TV 会議システムが配置される拠点の回線の半分を映像

配信端末が参加端末と定期的にメッセージを交換して生音声に割り当てられる．ALM マルチトーク方式で配信木

存確認を行い，離脱時にはすぐに検知して配信木の自動を 2 つ運用する場合，更に半分となり，回線の実効帯域的な再構成を行うことで，映像・音声の乱れを最小限との 1/4 を 1 つの映像音声ストリームに割り当てることがするようにしている．  

できる．例えば．実効帯域 10Mbps 程度の回線で運用し，また，帯域が保障されておらず利用可能帯域が変動す

30 地点に配信する場合,1 拠点あたり 2.5Mbps 程度の帯域

るインターネット回線等では，変動する帯域にあわせたが利用可能となり，ステレオ音声帯域や IP オーバヘッド

送信レートで配信のストリームを送信しなければ，パケを差し引いても，HD 映像伝送に十分な帯域を割り当て

ットロスにより再生映像・音声が乱れてしまう．本 ALMることが可能となる．  

配信機能では，各端末間のストリーム伝送経路で利用可

2.3.3   インターラクティビティ  MCU 方式では，すべての拠点の映像音声が常に再生能帯域推定を行い，推定結果を配信端末に集約し，最も低い推定結果に合わせて送信エンコードのレートを適応的に制御する機能により，映像・音声の乱れを抑えていされているため，発言する拠点が頻繁に変わるような討る．  

議に向いている．しかし MCU におけるデコード，エン  コード処理により直接接続時よりも映像音声の遅延が大  きくなる．特に複数 MCU のカスケード接続時には高遅  延となり複数地点間でのインタラクティブな会話時に違  和感やストレスを感じやすい．  

  ALM マルチトーク方式では，同時に 2 拠点のみが会話

  可能であるため，発言する拠点が頻繁に変わるような討  議には向かない．しかし，通話している 2 拠点の間では，

  再エンコードが行われないので遅延が小さくなり，高頻

  度でテンポよく 2 拠点が掛け合いを行う会話を行っても  ストレスはない．  

  

配信拠点
操作端末
配信端末
受信拠点

中継端末

受信拠点

中継端末

受信端末

受信端末

受信端末

受信端末

受信拠点

受信拠点

受信拠点

受信拠点

  

3.   システム構成      本章では，実証実験で利用した，ALM マルチトーク方図 3-­1.  ALM 配信システム  式による配信システムの構成について説明する．  
本システムにおける ALM 配信機能は，二分岐の木構

遠隔の受信拠点から講師がいる拠点への質疑応答は，造で論理ネットワーク（配信木）を構成し，配信元端末

複数の配信木を構築する ALM マルチトーク方式で実現

から送信された映像・音声ストリームを，各端末が転送する．本配信システムでは，最大で 2 つの配信木を構築していくことで全受信端末に配信する．ALM 配信機能のでき，配信元と選択された 1 つの受信拠点での会話が実構成を図 3-­1 に示す．映像・音声の配信元拠点に設置し現できる．  

た配信端末が，ストリームを 2 つの受信拠点に送信する．

ALM マルチトーク方式による質疑応答実現の概要を

ストリームを受けた先の受信拠点が，更に配信先がある

図 3-­2 に示す．配信端末から実線で示される配信ストリ

場合にはストリームを中継する中継端末となり，最大でームの二分岐の配信木に加えて，点線で示される受信端

2 つの拠点に中継し，受信端末が中継を繰り返すことで末が送信元になった質問ストリームの二分岐の配信木が全受信拠点へストリームを送信する．配信拠点には配信構築され，各端末に映像・音声を配信している．これに端末を制御するタブレット等の操作端末があり，操作者

より，配信端末と送信元となっている受信端末は，それが配信の開始，終了等の制御を行う．  

ぞれ相手の映像・音声を再生して拠点間で会話をするこ

Copyright Notice
Copyright (C) WIDE Project (2013). All Rights Reserved.

とができ，他の拠点の中継端末，受信端末は，受信して続して行った．また，遠隔講義ではあるが各大学においいる 2 つのストリームを再生することで，2 拠点の会話て単位が認定される講座である．実施期間は 2012 年 10を視聴することができる．     月 2 日～2013 年 1 月 8 日の全 15 回（毎週火曜日の 14:45

受信端末が送信元になりたい場合は，発言要求をあげから 16:15）にて行った（※広島市立大学は 14:40～16:10

ることができる（挙手機能）．
発言要求は配信端末に届き，と 5 分ずれる）．講義のスタイルは毎回異なる企業から他に送信元になっている受信端末がいない場合，2 つ目

講師が大学へ来訪して講演を行い．最後に質疑応答を行の配信木が構築され，配信元と会話を行うことができる．

う形式である．質疑応答は遠隔の大学からも毎回行われ送信元になっている受信端末がいる場合は，発言要求はた．  

配信端末に蓄積され，どこの拠点で発言要求があるか，複数の配信木による会話機能は，講師が講演している

配信元の操作者は操作端末で確認できるようになってい配信元拠点と，質問者がいる選択した 1 拠点との会話をる．質疑をやめる際は，配信端末の拠点で操作者が終了

他の拠点が試聴する構成であり，MCU などの多地点会操作を行うか，送信元になっている受信端末からの発言

議システムとは異なるインタラクションとなる．よって，キャンセル操作で，質問側の配信木を解除して送信を止適用可能なユースケースを抽出するフィージビリティ調

め，配信端末からの配信のみに戻すことができる．また，査を行う必要があり，下記の 2 点を本実験の目的とした．
  配信端末の拠点で質問ストリームの送信元切替え操作を①複数の配信木による会話機能を利用した大学間の遠行うことで，質問者の配信木を再構築して，送信してい隔講義，さらには企業内での利用についての適応可

る拠点を切り替えることができる．  

能性を検証する．  

  ②遠隔教育等の研究に携わる大学関係者に利用しても

  

配信拠点

  

会話

質問ストリーム

  

配信端末

  

受信拠点

  

本実証実験における遠隔講義では，慶應義塾大学 SFC，
視聴

視聴

京都大学，広島市立大学，キャンパスプラザ京都の各拠点に TV 会議端末を設置し，各大学・拠点内ネットワー

中継端末

クから学術情報ネットワーク(SINET)を経由して接続す

  
受信端末

受信端末

受信端末

受信端末

視聴
受信拠点

受信拠点（質問）

る．講義では，プレゼンテーション資料用に片方向の配信のみに利用する TV 会議端末と，講師映像を配信し，

会話

  
  

4.2.1   ネットワーク構成  

中継端末

  

  

4.2   実験の構成・運用  

受信拠点

  
  

らい，改善点を抽出する．  

配信ストリーム

視聴
受信拠点

視聴
受信拠点

質疑応答の際には ALM マルチトーク機能で会話を実現する TV 会議端末の，2 台の端末を各会場に設置する．  
  図 3-­2.  ALM 配信システムの会話機能  慶応義塾大学から講演、
広島市立大学で質問している例

操作用タブレット端末

  

  

TA

  

4.   実証実験  本章では，実証実験の目的，遠隔講義の概要や運用について説明する．  

4.1   実験の概要  本実証実験は遠隔講義「21 世紀の企業の挑戦」にて行った．この遠隔講義は慶應義塾大学に開設された寄附講
座を京都大学，広島市立大学，キャンパスプラザ京都からも参加できるようにしたもので，本実験では 4 拠点を
3 章で説明した ALM マルチトークの配信システムで接    慶応義塾大学
VGA

京都大学

SINET

資料用PC

  
  
  
  
  

広島市立大学

京都キャンパスプラザ

質問者

  資料共有用TV会議端末（片方向配信のみ）

  ALMマルチトーク用TV会議端末

資料配信用ALM論理ネットワーク
講師映像用ALM論理ネットワーク
質問用AL M論理ネットワーク

図 4-­1.   遠隔講義の ALM 配信の一例  Copyright Notice
Copyright (C) WIDE Project (2013). All Rights Reserved.

  遠隔講義は各大学数名のスタッフで運用されており，4 拠点に配信を行うため，配信元拠点から二分岐で送設営，操作や進行補助を行っている．本実証実験では講信されたストリームは，他の 2 拠点で受信し，そのうち

義開始前には配信拠点と各拠点とで音声確認を行い，マ1 拠点は中継して残りの 1 拠点にストリームを転送する．

イク入力レベル，音声出力レベルの調整を行い，質疑応

授業の開始の際，資料用の端末の配信木と，講師映像用

答時の準備を行った．教室が前の授業で利用されているの端末の配信木と 2 つの配信木が構築される．更に，質拠点もあり，15 分程度の空き時間で設営及び事前接続確疑応答を行う際には，講師映像用の端末がもう 1 つの配認を行う必要があった．講義開始後は IRC にて各拠点の信木を構築し，複数の送信元のストリームを ALM で配運用者と講義の進行情報を共有し，質疑応答開始前に質信する．ALM の論理ネットワーク構成の一例（慶應義塾

問拠点の順番を事前に調整しておき，配信拠点における大学が講演の配信元となり，広島市立大学から質問をしタブレット端末の操作により質疑応答の開始・終了を行ている際の構成）を図 4-­1 に示す．本実証実験では各拠った．よって質疑応答は，進行を行う配信拠点の教員に点が持ち回りで配信元となるため，ALM の論理ネットワ

よりどの拠点から質問を行うかを制御して行われた．  
  ーク構成は配信元が変わるたびに異なるものになる．  

  4.2.2   講義室の構成    各教室には既存の映像音響システムがあるため，既設

  のシステムの入出力系統に TV 会議端末を接続して，遠  隔講義を実現した．配信元拠点，視聴拠点とも，資料及  び遠隔映像を映すためのプロジェクタとスクリーン，音  声再生のためのスピーカ，カメラ，
マイク等の入力系統，

  また，音声ミキサや映像スイッチャ等が必要となるが，

  基本的には教室の既存設備を活用し，一部，追加で必要

  となったカメラや映像変換のためのコンバータ類を今回  の実証実験のために設置した．実証実験においてこれら

  の機材の評価は目的としていないため，詳細は割愛する．
  4.2.3   試聴拠点映像表示機能の概要  講師が遠隔拠点の生徒の反応も把握しながらの講義を可能としたい，また，遠隔拠点にあっても講師や他拠点

図 4-­2.   各視聴拠点のモニタ画像の例    4.3   実験結果  の生徒に見られるている感覚からくる緊張感が欲しいと実証実験としてのフィードバックを得るため，関係者の要望があり，京都大学の教室にもそのためのバックス

から改善点や意見のヒアリングを行い，結果を整理した．
  クリーンが備えられていることから，視聴拠点映像の表①ALM 配信の適用可能性について  示機能についても追加し，実証実験で評価を行った．  

・3 ヶ月の講座で実運用を行い，講演と講演後の質疑

全受信拠点の様子が共有できるように，受信拠点の TVの遠隔講義スタイルでは適用可能であることが確認で会議端末が，自拠点の映像の静止画（約 10 秒間隔で更新）

きた．  

を作成する．配信拠点の操作端末（タブレット端末）は・同様なスタイルが想定される企業ユース（遠隔セミ

直接各拠点から画像を収集し，講師に提示できるシステ

ナー等）でも適用可能であるとのコメントを，実験にムとした．また，タブレット端末以外にも専用サーバか協力頂いた有識者より頂いた．  

ら全拠点の画像を取得できるシステムを構築し，遠隔拠②改善要望について  点においても，専用サーバにアクセスして取得した視聴・操作性の鍵となる操作タブレット端末の操作用アプ

拠点の様子を静止画でモニタして，プロジェクタに投影

リケーションの UI の改善．具体的には，運用スタッするなど各講義室で提示した．モニタしている画像の様

フ 1 名でも運用可能な操作性の実現．  

子を図 4-­2 に示す．  

・各種状況（他拠点の情報も含む）の把握機能．  

4.2.4 遠隔講義での運用について

・講義開始前の音声疎通確認の効率化．  

Copyright Notice
Copyright (C) WIDE Project (2013). All Rights Reserved.

共に高品質であり，ネットワーク混雑時の乱れ防止のP.Y.,"Treemap   -­   The   Fast   Routing   Convergence   Method   for  Application   Layer   Multicast",   Consumer   Communications   and  Networking   Conference   (CCNC),   2010   7th   IEEE   ,pp.1-­5,   9-­12   Jan.  
2010  

機能があり快適であった．  

  ③会話のしやすさや映像・音声の品質について  ・質疑応答では遅延が短く会話しやすく，映像・音声

  5.   結論および今後の展開  本稿では，ALM を用いた遠隔講義向け配信システム，「ALM マルチトーク」とその実証実験の紹介を行った．
選択した 2 拠点間のリアルタイム会話ができ，その会話を残りの拠点（最大 30 拠点）にリアルタイム配信する
ALM マルチトークによって，導入コスト，及び運用コス
トが高くなる MCU の課題を解決することができた．また，遠隔講義等において十分に適用できることは今回の実証実験であった慶應義塾大学，京都大学，広島市立大学，キャンパスプラザ京都を接続して行われた遠隔講義「21 世紀の企業の挑戦」の運用によって確認できた．  
今後は本運用において改善要望として挙がった，操作性の鍵となる操作タブレット端末の操作用アプリケーシ
ョンの UI の改善，各種状況（他拠点の情報も含む）の把握機能の提供，講義開始前の音声疎通確認の効率化等に取り組む予定である．  
    6.   謝辞  本実証実験に多大なご協力頂いた慶應義塾大学 小澤  太郎教授，京都大学 中村   裕一教授，小泉   敬寛 助教,  広島市立大学   前田   香織教授,   キャンパスプラザ京都の担当者様,本実験へご協力いただいた関係諸氏に感謝する．  

参考文献  
1)  吉田達哉，バデゥゲティルミー，米田孝弘，後藤博喜，村本衛一，金子仁，森田直樹，”アプリケーション層マルチキャスト(ALM)による多地点配信システムのビデオ会議端末への搭載”，
デジタルプラクティス，情報処理学会，Vol.4,  No.2,   pp.191-­199,  2013  
2)  Baduge  T.,   Ping   L.B.,   Akashi   K.,   Soong   J.,   Chinen   K.-­I.,   Ettikan  K.K.,   Muramoto   E.,"Functional   and   Performance   Verification   of  Overlay   Multicast   Applications   -­   A   Product   Level   Approach",  Consumer   Communications   and   Networking   Conference   (CCNC),  2010  7th  IEEE,  pp.1-­5,  9-­12  Jan.  2010  3)  Lim,   B.P.,   Karrupiah   E.K.,   Lin   E.S.,   Phan   T.K.,   Thoai   N.,  Muramoto   E,  Tan   P.Y.,"Bandwidth   Fair   Application   Layer   Multicast  for   Multi-­Party   Video   Conference   Application",   Consumer  Communications   and   Networking   Conference   (CCNC),   2009   6th  IEEE,  pp.1-­5,  10-­13  Jan.  2009  4)  Phan   K.T.,   Thoai   N.,   Muramoto   E.,   Ettikan   K.K.,   Lim   B.P.,   Tan  Copyright Notice
Copyright (C) WIDE Project (2013). All Rights Reserved.