FIT2004（第3回情報科学技術フォーラム）L-032
低遅延映像通信に向けた FEC 中継方式に関する一検討
A study on FEC relaying method for low delay video transmission
大西 隆之
Takayuki Onishi

池田 充郎
Mitsuo Ikeda

長沼 次郎
Jiro Naganuma

はじめにIP 網を用いたマルチキャスト映像伝送や低遅延映像通信アプリケーションにおいては，サーバ能力や伝送遅延の制約から ARQ（ Automatic Repeat Request ）の適用が困難なことから，パケット損失対策として FEC（ Forward
Error Correcton ）が使用される場合が多い．通常 FECはエンド エンド 端末でのみ処理されるが，ネットワーク上の中継ノード においても FEC 復号を行い損失パケットを回復することで，伝送路全体の損失率をさらに抑制する効果が期待される．本稿では中継ノード での FEC
復号を組み合わせた低遅延パケット伝送方式とその特性について考察する．

1

八島 由幸
Yoshiyuki Yashima

Sendterminal

Relay
nodeknFEC
encodeReceiveterminal

x lossx losskx loss

FEC(1)store&forward decode
alive packets

FEC
decode(2)sendrecovered packets
afterwards

図 1: FEC 中継方式
Relay
node
(2) Refill dummy data

FEC 中継方式
本稿で想定する FEC 中継方式を図 1 に示す．本方式で使用する FEC は，リード ソロモン（ RS ）符号に代表される（ n,k ）ブロック誤り訂正符号とする．送信端末はk 個の情報パケットを FEC エンコーダによって（ n,k ）符号化し ，n パケットからなるユニットを構成して送信する [1]．中継ノード は到着したパケットを次ノード へ転送すると同時にバッファへ蓄積し ，1 ユニットの到着が完了した時点で未着となったパケットを FEC 復号器で回復して次ノード へ転送する．以降はパケットの伝送順序が順不同となるため，シーケンス番号によって順序を整列しつつ FEC 復号を行う．
ある中継ノードにおいて回復不能な個数のパケットが損失した場合，以降の中継ノード や受信端末において誤り回復機能が失われる．これを防ぐ ため，図 2 に示すよ
うに回復可能な範囲を超えた損失パケットをダミーデータで置換したうえで，FEC 復号器によって改めて符号を再構成する方式も考えられる．この場合，生存しているパケットの損失保護を継続することができる．
23 シミュレーション
3.1 伝送遅延本方式の特性について考察するための計算機シミュ
レーションを行った．伝送レートは 20Mbps CBR，パケットペイロード サイズは 1316 バイト，FEC 符号は RS（ 255,247 ），1 リンクあたり伝送遅延は 10ms，1 ユニットの RS 演算に要する時間は 3ms と仮定している．
図 3 は，FEC 中継ノード 数と端末間伝送遅延の関係を示すグラフである．
（ n,k ）の値が大きな FEC を使用する場合，とりわけ低ビットレートにおいては 1 ユニットのパケットを蓄積するためのバッファリング時間が支配的となるため，FEC コーデックをタンデムに接続すると遅延増加が顕著となる．これに対し ，本方式では生存
日本電信電話株式会社 NTT サイバースペース研究所
NTT Cyber Space Laboratories, NTT Corporation

87xxxx(1) Packet loss
more thanrecoverable limit(3) Re-generate
packets with
FEC codec

図 2: FEC 再構成方法
1500

FEC end-end
FEC relay/re-form
FEC tandem)sm( 1000yaleddnedn 500
E0012Relay node34

図 3: 伝送遅延の比較して到着したパケットを FEC 演算より前に転送するため，中継ノードにおける遅延増加が抑えられ，エンド エンド 端末のみで FEC 演算を行う場合と比較してわずかな遅延増加にとど まっている．

3.2 パケット 損失率
FEC 中継によるパケット損失回復性能を評価するため，ランダ ム損失および 2 重マルコフ過程に基づくパケット損失特性を持つ伝送路を仮定してシミュレーションを行った．FEC 符号は RS（ 255,247 ），中継ノード 数は 2（ 伝送路リンク数 3 ）とした．
結果を図 4 に示す．横軸は 1 伝送路あたりのパケット損失率，縦軸は受信端末で観測されるパケット損失率である．ランダ ム損失を仮定した（ a ）では，1 伝送路あたり損失率が 10−2 近辺における効果が顕著であり，エFIT2004（第3回情報科学技術フォーラム）ンド エンド 端末のみで FEC 演算を行う場合と比較して102 程度の損失率低減効果が確認できる．中継ノード における FEC 符号の再構成は，損失率をさらに 1/2 程度に低減する効果がある．
これに対し，平均バースト損失長を 2 として 2 重マルコフ過程に基づく損失を仮定した（ b ）では，FEC 中継による損失率改善効果は限定的となり，エンド エンド 端末のみでの FEC 演算と比較して損失率を最大でも 1/4程度に低減するに過ぎない．平均バースト損失長を 4 とした（ c ）ではさらに効果が薄まる．
このことから，損失のバースト性が高い伝送路において本方式を適用するためには，インタリーブ等によって損失のランダ ム性を確保することが必要と考えられる．
1.0E+00
1.0E-01

FEC end-end
FEC relay
FEC re-form

R1.0E-02
LPlat
o 1.0E-03t

おわりに中継ノードでの FEC 復号を組み合わせた低遅延パケット伝送方式を提示し，その遅延特性およびパケット損失回復特性について考察を行った．本稿に示したシミュレー
ションでは各リンクの損失率を同一としたが，例えばア
クセス網とインターネットバックボーンなど ，帯域幅や損失特性の異なる伝送路の境界に FEC 中継ノード を配置することにより，必要に応じて冗長度の変更を行いつつ低遅延の伝送を行うことが可能になると期待される．
本検討は通信・放送機構の研究委託「通信ネットワー
ク利用放送技術に関する研究開発」の一環として実施したものである。

4参考文献[1] 大塚他 :“FEC を用いた MPEG2 over IP シ ステムの開発と評価”, 情処研究報告, 分散システム／インターネット運用技術,
No.024-008, pp.43-48, 2001.

1.0E-04
1.0E-05
1.0E-03

図 5 は，4 ユニットのインタリーブ伝送を仮定して同条件でのシミュレーションを行った結果である．2 重マル
コフ過程に基づく損失特性を持った伝送路においてもイ（ b ）で最ンタリーブによって FEC 中継の効果が高まり，
大 102 ，（ c ）で最大 101 程度の損失率低減効果を示していることが確認できる．

1.0E-02
PLR/link

1.0E-01（ a ）ランダム
1.0E+00
1.0E-01

1.0E+01
FEC end-end
FEC relay
FEC re-form

1.0E+00
1.0E-01

R1.0E-02
LPlato 1.0E-03
tRLP
l 1.0E-02
atot

1.0E-03

1.0E-04
1.0E-05
1.0E-03

FEC end-end
FEC relay
FEC re-form

1.0E-04
1.0E-02
PLR/link

1.0E-05
1.0E-03

1.0E-01

1.0E-02
PLR/link

1.0E-01（ b ）2 重マルコフ過程（ 平均バースト 2 ）（ b ）2 重マルコフ過程（平均バースト 2 ）1.0E+00

1.0E+01

1.0E-01

FEC end-end
FEC relay
FEC re-form

1.0E+00
1.0E-01

R1.0E-02
LP
latot 1.0E-03

RLP
l 1.0E-02
taot

1.0E-03

1.0E-04
1.0E-05
1.0E-03

FEC end-end
FEC relay
FEC re-form

1.0E-04

1.0E-02
PLR/link

1.0E-05
1.0E-03

1.0E-01

1.0E-02
PLR/link

1.0E-01（ c ）2 重マルコフ過程（平均バースト 4 ）（ c ）2 重マルコフ過程（ 平均バースト 4 ）

図 4: パケット損失率（ RS(255,247), 中継ノード 数 2 ）

図 5: パケット損失率（ RS(255,247), 中継ノード 数 2, 4 面インタリーブ ）88