Method and system for adaptive forward error correction multicast over the wireless network

本発明は無線ネットワークに関し、特に、無線ネットワークを介してマルチキャストデータを効率的に転送するための適応型前方誤り訂正（ＦＥＣ）方法及びシステムに関する。

無線ネットワークを介したマルチキャストはライブビデオ又は予め録画されたエンターテイメント番組等のデータの多くの受信機への効率的な配給を可能にする。 マルチキャストの一例はＩＥＥＥ８０２．１１無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）を介して空港等のホットスポットにおいて様々なＴＶ番組又は地域特定ビデオ情報の再配給である。 受信機のユーザはモバイル装置でインターネットを閲覧しながらそれらのお気に入りのＴＶ番組を見ることができる。 他のアプリケーションは無線ネットワークを介した映画のプレビュー、映画館の外の映画の予告編上映、フットボールの試合から最も重要なシーンのリプレイ等である。 本明細書での使用のように、モバイル装置はエンド装置、クライアント装置、モバイル端末、ラップトップ、デュアルモードスマートフォン、パーソナルディジタルコンピュータ等を含む。

誤りレート（率）は無線ネットワークにおいては通常高い。 マルチキャストのために無線リンク層は一般的に、損失したパケットの再送信を行わない。 データフレームは誤りのイベントにおいて受信機で処分される。 非常に優れた受信状態なしに要求された信頼度を受信機に保証することができない。 更に、ビデオマルチキャストアプリケーションにおいて、同一のビデオ用の受信機は異なるチャンネル状態を経験する可能性があり、受信機についてのチャンネル状態はマルチパスフェーディング、シャドーイング、干渉、及び移動性のために異なる時間で変化する可能性もある。 新しい受信機はセッションの間に加わる可能性があり、又はいくつかの受信機は去る可能性があり、それにより、受信機のネットワークトポロジが変化するようになる。 よって、追加の誤り保護機構は受け持ちエリア内の受信機に対して満足及びサービスの信頼性ある品質を提供することを要求される一方、利用可能な無線バンド幅を効率的に利用する。 信頼性ある無線マルチキャスト動作を達成するために、効率的なアプローチの１つは、アプリケーション層で前方誤り訂正（ＦＥＣ：ｆｏｒｗａｒｄ ｅｒｒｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）コードを用いることである。

いくつかの報告されたシステムにおいては、固定ＦＥＣコードは、受け持ちエリア内において最悪のチャンネル状態（すなわち、最も高い損失率）で受信機に対する目標の質を満足するように選択される。 このアプローチでは、固定ＦＥＣコード（例えば、固定リードソロモン（ＲＳ）コード）はパリティ（ｐａｒｉｔｙ）パケットを生成するためにアプリケーション層で情報ソースパケットに亘って適用される。 パリティパケットは情報ソースパケットと共に送信され、失われた情報ソースパケットを回復するために用いられる。 上記のアプローチでは、ＦＥＣコードは固定され、たとえ全ての受信機が良好なチャンネル状態を有していても適用される。 不必要なＦＥＣパリティパケットは、高いオーバヘッドを招き、よれにより、バンド幅効率が減少されるようになる。 適応型ＦＥＣがユニキャストシステムにおいて用いられている。 ＦＥＣコードレートは単一の受信機のチャンネル状態に応じて適応される。 本発明においては、マルチキャストアプリケーションが考慮される。 同一のソースの複数のマルチプル受信機が同じ時間に異なるパケット損失率を経験する可能性があり、また、同じ受信機が異なる時間に異なるパケット損失率を経験する可能性もある。 異なる受信機又は同一の受信機での異なる時間での受信品質は異なる。 更に、受信機はマルチキャストグループに加わったり、去ったりする可能性がある。

本発明において解決されるべき課題はＦＥＣコードパラメータを選択し適応することである。 効率的な適応型ＦＥＣ方法を設計することが有益である。 効率的な適応型ＦＥＣ方法を設計するためには、３つの課題、（１）マルチキャストにおいて多数の受信機のチャンネル状態を推定する方法、（２）チャンネル状態フィードバックを提供する方法、（３）多数の受信機のチャンネル状態に基づいてＦＥＣレートを適応する方法、に取り組むことが必要である。

本明細書で用いられるマルチキャストは、オーディオデータ及びビデオデータを含むデータの送信であるが、それに限定されない。 すなわち、データはどんな形式のデータであっても良い。 簡単な例としては、本明細書ではビデオデータが用いられる。 また、本明細書で用いられるユニキャストはデータの１対１の送信である。 すなわち、データは単一のソースから単一の受信機に送信される。 放送はデータの１対全部の送信である。 すなわち、データはデータ送信を受信することができる全ての受信機に送信される。 マルチキャストは１対多数のデータ送信である。 マルチキャストデータ送信はその送信を受信することができる全ての受信機の一部に対してであり、ここで一部はデータ送信を受信することができる受信機の全てでも良い。 すなわち、本明細書で用いられるマルチキャストは最も一般的に放送を含む。

本発明は無線ネットワークを介してマルチキャストデータを効率的かつ確実に転送する適応型前方誤り訂正（ＦＥＣ）方法及びシステムを示している。 無線マルチキャストアプリケーションにおいて、データはアクセスポイント／基地局から無線チャンネルを介して多数の受信機に送信される。 本明細書で用いられる「／」は同一又は同様のコンポーネント又は構成に対する代替名称ということを示している。 すなわち、「／」は本明細書で用いられる「又は」を意味するとして良い。 受信機トポロジ変化を考慮に入れることによりシステム性能最適化のためのＦＥＣコードの能力及びオーバヘッドを適応的に変化させ、多数の受信機のチャンネル状態及びアプリケーション要求を変える。 受信機は異なるクラスに分類される。 クオリティ・オブ・サービス（ＱｏＳ）の異なるレベルはＦＥＣ適応スキームの慎重な設計によって受信機の異なるクラスに与えられる。 ある目標の受信機に対する信頼度要求を保証する一方、システム全体の処理能力を最大化するために、物理層動作モード、パケットサイズ、及びアプリケーション層ＦＥＣを選択する最適なクラス層設計戦略が示される。 更に、追加のＦＥＣオーバヘッドは異なる優先度で異なるマルチキャストグループにおいて動的に送信され、サービスエリアにおける劣化チャンネル状態を有する受信機のマルチキャストロバスト性を向上させる。 追加のＦＥＣオーバヘッドは多数の受信機のフィードバックに基づいて変化する受信機トポロジ及び無線ネットワーク状態に適応することができる。 適応型ＦＥＣシステムは（１）各受信機で動作する、受信チャンネル状態を推定するチャンネル推定方法、（２）多数の受信機からデータ／メディア／マルチキャストサーバにチャンネル状態フィードバックを送るプロトコル、（３）マルチキャストサーバで動作する、多数の受信機のチャンネル状態に基づいてＦＥＣコードレート及び送信優先度を動的に変化させるＦＥＣ適応方法からなる。

本発明において解決されるべき課題は、ＦＥＣコードパラメータを選択し適用することである。 効率的な適応型ＦＥＣ方法を設計することは有益である。 効率的な適応型ＦＥＣ方法を設計するために、３つの課題、（１）マルチキャストにおいて多数の受信機のチャンネル状態を推定する方法、（２）チャンネル状態フィードバックを提供する方法、（３）多数の受信機のチャンネル状態に基づいてＦＥＣレートを適応する方法、に取り組むことが必要である。 よって、本発明はＦＥＣコードレートを適応し、システム性能の最適化のために異なるマルチキャストグループにおいて異なる優先度で情報ソース及びパリティパケットを送信するための方法及びシステムを示している。

方法及び装置は、デバイスから無線チャンネルを介してチャンネル情報フィードバックを受信し、受信したフィードバックに基づいてデバイスがサービスされ得るか否かを決定し、デバイスが損失したデータを回復するために前方誤り訂正コーディングレートが十分であるか否かを決定し、その２番目の決定動作に応じて前方誤り訂正コーディングレートを調整し、前記ソースデータから前方誤り訂正コーディングレートを用いて前方誤り訂正パケットを生成することを含んで説明される。

本発明は添付図面と共に次の詳細な説明を読むことによりよく理解される。 図面は以下に簡単に説明された複数の図を含んでおり、図上の同一符号は同様のエレメントを表している。

本発明が用いられている種類のネットワークの回路図である。

本発明の適応型前方誤り訂正方法のブロック図である。

受信機の異なるクラスを示す図である。

本発明の適応型前方誤り訂正コーディング方法を用いるマルチキャストサーバのプロトコル構成の図である。

本発明の適応型前方誤り訂正コーディング方法を用いる受信機のプロトコル構成の図である。

本発明の適応型前方誤り訂正コーディングの図である。

マルチキャストサーバで実施される本発明の方法の実施形態例のフローチャートである。

アクセスポイント／ステーションで実施される本発明の方法の実施形態例のフローチャートである。

受信機で実施される本発明の方法の実施形態例のフローチャートである。

インタリービングが用いられる本発明の適応型前方誤り訂正方法の代替実施形態を示すブロック図である。

図１を参照すると、本発明において考慮される一般的なネットワークシステムが示されている。 モバイル装置（デバイス）１０５はマルチキャストサーバ１２０（例えば、ビデオマルチキャストサーバ又はメディアサーバ）及びインターネット１２５に無線アクセスポイント／基地局１１０及び高速有線アクセスネットワーク１１５（例えば、イーサネット（登録商標））を介して接続されている。 ビデオサーバ１２０は１以上のビデオプログラムを高速有線アクセスネットワーク１１５を介して無線アクセスポイント／基地局にマルチキャストする。 アクセスポイント／基地局１１０はそのビデオを無線リンクを介してマルチキャストのモバイル装置１０５に配給する。 モバイル装置のユーザは１以上のビデオプログラムを見ることができ、同時にインターネットにアクセスすることができる。 本明細書で説明される適応型前方誤り訂正（ＦＥＣ）方法及びシステムについては無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）、３Ｇネットワーク、又は他の無線ネットワークを介してビデオマルチキャストアプリケーションにおいて用いることができる。 ＩＥＥＥ ８０２.１１ ＷＬＡＮネットワークは本発明の適応型ＦＥＣ方法及びシステムを説明するための一例として用いられる。 更に、本発明の適応型ＦＥＣ方法及びシステムを説明するために一例としてビデオマルチキャストが用いられているが、本発明は送信されているデータの種類と無関係であり、データのいずれの種類の送信に対して本発明を用いることができ、オーディオ／ビデオプログラムに限定されることはない。

マルチキャストサーバは特に、データパケット（例えば、ビデオパケット）のストリームを生成するソースデータ（例えば、ビデオ）エンコーダ／パケッタイザ（ｐａｃｋｅｔｉｚｅｒ）と、ビデオパケットにクロスパケットＦＥＣコーディングを適用するＦＥＣエンコーダとからなる。 ＦＥＣはいずれかの系統的前方誤り訂正コード、例えば、リードソロモン（ＲＳ）コードとすることができる。 ＦＥＣコードは全パケットの損失（消去）に対する保護のためにパケットに亘って用いられる。 なぜならば、誤りパケットはより低い層によって度々処分されるからである。 ＦＥＣコーディングはアプリケーション層で単一のパケット内で適用されるならば、アプリケーション層で誤りパケットを訂正するためには利用できない。 例えば、（Ｎ，Ｋ）ＲＳコードはＫソースパケットに適用され、Ｈ＝（Ｎ−Ｋ）パリティパケットを形成する。 ＦＥＣコードレートはＲ＝Ｋ／Ｎと定義される。

マルチキャスト／ブロードキャスト（放送）において、同一のビデオストリームの多数の受信機は同一時間に異なるチャンネル状態のために異なるパケット損失レートとなる可能性があり、また、同一の受信機は異なる時間に異なるパケット損失レートとなる可能性もある。 新規の受信機はマルチキャストセッションの間に加わったり、又はいくつかの受信機はマルチキャストセッションの間に去ったりする可能性があり、それにより、受信機のトポロジが変化するようになる。 本発明は、無線ネットワークを介した効率がよくてロバストなビデオマルチキャストのためにネットワークトポロジ及び多数の受信機の変化するチャンネル状態に応じてＦＥＣコードの能力及びオーバヘッドを適応的に変化させる方法及びシステムを説明する。

図２は本発明の適応型前方誤り訂正方法のブロック図である。 ビデオストリーム内のＫビデオソースパケットのブロック（Ｋは所望の遅延時間及びコーディングの複雑度に応じて決定されることができる）と仮定されると、生成されて無線ネットワークを介して送信されるＦＥＣパリティパケットの数Ｈ＝（Ｎ−Ｋ）はＨ _minとＨ _maxとの間で適応され、ここで、Ｎはこのコーディングブロックについての総パケット数である。 すなわち、ＦＥＣコードレートＲ＝Ｋ／Ｎ＝Ｋ／(Ｋ＋Ｈ)はＲ _max ＝Ｋ／(Ｋ＋Ｈ _min )とＲ _min ＝Ｋ／(Ｋ＋Ｈ _max )との間で適応される。 更に、ビデオソースパケットは最高の優先度でマルチキャストグループＧ０において送信される。 パリティパケットは異なる優先度で多数のマルチキャストグループ（異なるＩＰアドレス及び／又はＵＤＰポート）において送信される。 Ｈパリティパケットのうちの、Ｈ ₁パリティパケットは常に最高の優先度（ビデオソースパケットと同一の優先度）でマルチキャストグループＧ１において送信される。 Ｈ ₂パリティパケットは、いくつかの受信機が追加のＦＥＣ（適応型ＦＥＣコード）を必要とするときだけ高優先度又は中優先度（ビデオソースパケットより低く、ベスト・エフォート型のデータトラフィックより高い優先度）で異なるマルチキャストグループＧ２において生成され送信される。 残りのＨ ₃パリティパケットは、いくつかの受信機が更に追加のＦＥＣを必要としているときだけ低優先度（ベスト・エフォート型のデータトラフィックと同一の優先度又はベスト・エフォート型のデータトラフィックより低い優先度）でマルチキャストグループＧ３において生成されて送信される。 パリティパケットＨの総数はＨ _min ≦Ｈ＝Ｈ ₁ ＋Ｈ ₂ ＋Ｈ ₃ ≦Ｈ _max ，（Ｎ＝Ｋ＋Ｈ ₁ ＋Ｈ ₂ ＋Ｈ ₃ ）に等しい。

１つの代替は固定されたエンコーディングブロック長Ｎを維持するが、Ｋ，Ｈ ₁ ，Ｈ ₂ ，Ｈ ₃を変えることである。 本発明は更に以下に詳細に説明されるようにパラメータＨ _min ，Ｈ ₁ ，Ｈ ₂ ，Ｈ ₃ ，及びＨ _maxを決定する方法を示している。

後方互換性に対して、ＦＥＣ不対応の受信機はＦＥＣパリティパケットについてマルチキャストグループからのデータを全く受け付けない。 それで適応型ＦＥＣマルチキャストシステムでは混合したＦＥＣ対応及びＦＥＣ不対応の受信機を用いることができる。

図３は受信機の異なるクラスを示す図である。 無線アクセスポイント／基地局の受信可能エリアは、生（ｒａｗ）のパケット損失レートに関してチャンネル状態に基づいて４つの領域に分けられる。 最内周の円によって囲まれたエリア内の受信機は品質保証型サービスを有する。 次の円内の受信機は擬似的品質保証型サービスを有する。 次の円内の受信機はベスト・エフォート型のサービスを有し、それらの円の外側の受信機には何らサービスが提供されない（それらはサービスエリア外である）。 生のパケット損失レートはＦＥＣデコーディング（復号化）前のパケット損失レートとして定義される。 それに対応して、受信機はそれらの受信しているチャンネル状態に基づいて異なるクラスに分類される。 ＦＥＣパラメータＨ _min ，Ｈ ₁ ，Ｈ ₂ ，Ｈ ₃ ，及びＨ _maxは、残留のパケット損失レートに関して測定された送信信頼度の異なるレベルで受信機の異なるクラスを提供するように決定され適応される。 残留のパケット損失レートはＦＥＣデコーディング後のパケット損失レートとして定義される。

品質保証型サービスの受信機については、アクセスポイント／基地局の物理層モード、パケットサイズ、及びアプリケーション層ＦＥＣコードレートが共に選択され、スループットを最高にする一方、それらの送信信頼度を保証する。 これはネットワーク／システム管理者によって行うことができる。 擬似的品質保証型サービスの受信機については、本発明の適応型ＦＥＣ方法は、異なる受信機により変化するネットワークトポロジ及びチャンネル状態に基づいてＦＥＣオーバヘッドを動的に調整してそれらの送信信頼度を保証する。 ベスト・エフォート型のサービスの受信機については、本発明の適応型ＦＥＣ方法は、ベスト・エフォート型様式において、すなわち、ＦＥＣオーバヘッドのための追加のバンド幅が利用可能であるときに、それらの送信信頼度要求を満足するように試みる。 ベスト・エフォート型のサービスの受信機のために加えられた追加のＦＥＣオーバヘッドは無線ネットワークを介して低優先度で送信される。 十分のバンド幅が無線ネットワークにおいて利用可能でないならば、追加のＦＥＣオーバヘッドはアクセスポイント／基地局によって処分される。 非常に悪いチャンネル状態の受信機に対する所定のサービス品質を保証することはシステムリソースとしてとても多くを消費することになる。 代わりに、最も乏しい／悪いチャンネル状態の受信機はサービスされない。 すなわち、ＦＥＣコードレートはそれらの受信機に基づいて適応されない。

ネットワーク／システム管理者は先ず、無線アクセスポイント／基地局の所望の受信領域を決定する。 例えば、それが建物であるとする。 そこにおいて受信機は、閾値Ｐ _t以下の平均の残留パケット損失レートを有することを保証される。 閾値Ｐ _tはアプリケーションの要求によって決定される。 すなわち、１０ ^-5は優れたビデオ品質に対して妥当である。 この領域の受信機は品質保証型サービス（ＧＳ）受信機と称される。 アクセスポイント／基地局の固定の送信パワーＳ＝Ｓ ₀と仮定すると、その領域内の最悪の平均チャンネルＳＮＲ _γ1を実験的な測定又は分析を通して得ることができる。 なお、チャンネルＳＮＲはフェーディングのため時間変化する。 経時的な平均チャンネルＳＮＲは受信機のチャンネル状態を測定するために用いられる。 受信機のチャンネル状態はアクセスポイント／基地局からの距離、地理的環境等に依存している。 アクセスポイント／基地局の物理層動作モードＭ、パケットサイズＬ、及びアプリケーション層ＦＥＣコードパラメータＨ _minは、ＧＳ受信機（すなわち、それらの受信機の残留のパケット損失レートＰ _rは閾値Ｐ _t以下である）の送信信頼度を保証し、アプリケーション層グッドプットＧを最大化するために共に選択される。 なお、パケットサイズはネットワークで許可された最大伝送単位（ＭＴＵ）より大であるべきでない。 上記のことは条件付き最適化問題であり、次式のように表すことができる。

いくつかの場合では、パケットサイズ及び物理層モードが、例えば、ＭＴＵ及びアクセスポイント／基地局能力に基づいて事前に決定されることが可能である。 もし、そうならばＨ _minは、残留のパケット損失レートがＰ _tより大きくないことを保証するために選択される。 (Ｎ，Ｋ)ＲＳコードが用いられるならば、送信されたＨ＝Ｎ−ＫパリティパケットはＮパケットのうちＨ損失パケットに対して消去回復力を与える。 ＦＥＣデコーディング前の生のパケット損失レートがＰ _eならば、Ｈ _minは、次式を満足する。

Ｋソースパケットのブロックと仮定されると、式(1)によって決定されたアクセスポイント／基地局の物理層モードＭ及びパケットサイズＬでＨ _minパリティパケットが送信されるならば、ＦＥＣデコーディング後の残留のパケット損失レートは、チャンネルＳＮＲがγ≧γ ₁となるＧＳ受信機についてはＰ _t以下となる。 対応するＦＥＣコードレートは次式で表される。

上記のように決定されたＦＥＣコードレートはマルチキャストシステムによって用いられる最小のストレングス／オーバヘッドＦＥＣコードである。 それは、チャンネルＳＮＲがγ ₁より大きい又はＦＥＣデコーディング前の生のパケット損失レートがＰ _e (γ ₁ )より小さい保証した受信機についての送信信頼度要求を満足する。 しかしながら、より乏しい／低下したチャンネル状態の受信機では要求した信頼度を満足することができない。 本発明においては、受け持ちエリアにおいて所望のチャンネルＳＮＲより小、すなわち、γ ₁より小のチャンネルＳＮＲの受信機があるとき、目標値Ｐ _tより小の受信機の残留のパケット損失レートを維持するために、ＦＥＣコードレートＲ（すなわち、誤り訂正能力／オーバヘッドＨ，Ｒ＝Ｋ／(Ｋ＋Ｈ)）はそれらのチャンネル状態に基づいて動的に調整される。 Ｐ _tはＦＥＣデコーディング後の平均残留パケット損失レートの閾値である。 サービスエリア内のビデオストリームの全ての受信機がγ ₁以上のチャンネルＳＮＲを有するとき、このビデオストリームについてのＦＥＣオーバヘッドは最小で維持され、すなわち、ＦＥＣコードレートはＲ _maxに等しく、保存のバンド幅を他のビデオストリーム又はベスト・エフォート型のデータトラフィックのために用いることができる。

Ｊビデオストリームが無線チャンネルを介してマルチキャストにおいて送信されていることを考慮し、仮にアプリケーション層で無線チャンネルの全バンド幅がＢ _tであるとする。 ストリームｊについてのソースレートはＳ ^jであり、ＦＥＣコードレートはストリーム毎にＲ _maxであると仮定する（すなわち、保証の受信機の信頼度要求を満足するためにＦＥＣコードのオーバヘッドは最小値に等しい）。 残りのバンド幅は次式で表される。

全ての残りのバンド幅がストリームｊに追加のＦＥＣ保護を与えるように用いられるならば、ストリームｊについてのＦＥＣコードレートは次式の如くなる。

それは、チャンネルバンド幅制限下でストリームｊのために適用され得る最小ＦＥＣコードレートである。 対応する最大ＦＥＣオーバヘッドは次式で表される。

このＦＥＣでは、目標値Ｐ _tに等しい残留パケット損失レートを達成するために、ＦＥＣデコーディング前のストリームｊの生のパケット損失レートは値Ｐ _maxより小であるべきである。 ＲＳ(Ｎ，Ｋ)コードが用いられるならば、Ｐ _maxは次式を満足する。

全てのＪストリームが利用可能な全バンド幅で等しく保護されるべきならば、すなわち、同一のＦＥＣコードレートが全てのストリームに適用されるならば、ＦＥＣコードレートは次式で表される。

対応するＦＥＣオーバヘッドは次式で表される。

このＦＥＣオーバヘッドでは、目標値Ｐ _tに等しい残留パケット損失レートを達成するために、ＦＥＣデコーディング前のストリームｊの生のパケット損失レートは値Ｐ _aveより小であるべきである。 ＲＳ(Ｎ，Ｋ)コードが用いられるならば、Ｐ _aveは次式を満足する。

本発明においては、ＦＥＣコードレートは、バンド幅を効率的に利用し、多数のビデオストリームの統計的な多重化ゲインを達成するために、多数の受信機のネットワークトポロジ及びチャンネル状態に基づいてＲ _maxとＲ _minとの間で動的に変化される。 Ｒ _max及びＲ _minは各々式(3)及び式(5)によって決定される。 Ｋソースパケットのブロックと仮定すると、送信されるパリティパケットの数ＨはＨ _minとＨ _maxとの間で変化する。 Ｈ _maxは式(6)によって決定され、Ｈ _minは式(2)を満足する。

送信信頼度を保証するためにネットワーク／システム管理者によって決定された受信機ｉについての生のパケット損失レートが閾値Ｐ _e (γ ₁ )以下、すなわち、Ｐ _i ≦Ｐ _e (γ ₁ )であるならば、その受信機は品質保証型サービス受信機である。 本適応型ＦＥＣ方法は、ＦＥＣデコーディング後のその残留パケット損失レートを目標値Ｐ _t以下となるように保証する。 これは、最大ＦＥＣコードレートＲ _maxを設定し、高優先度で少なくともＨ _minパリティパケットを送信することにより達成される。

ビデオストリームｊの受信機ｉについての生パケット損失レートがＰ _e (γ ₁ )とＰ _aveとの間、すなわち、Ｐ _e (γ ₁ )＜Ｐ _i ^j ＜Ｐ _aveであるならば、その受信機は擬似的品質保証型サービス受信機として分類される。 Ｐ _aveは生パケット損失レートであり、それにより、全てのＪストリームが利用可能な全バンド幅で等しく保護されるならば、すなわち、同一のＦＥＣコードレートがストリームの全てに適用されるならば、残留パケット損失レートが目標値Ｐ _tに等しい。 本方法は、ストリームｊの全ての現在の擬似的品質保証型サービス受信機の中の最悪の状況の受信機に基づいてストリームｊのＦＥＣコードレートを適応し、高優先度又は中優先度でそれらの受信機によって要求されたＦＥＣオーバヘッドを送信する。 これは、受け持ちエリア内の現在の全ての擬似的品質保証型サービス受信機の残留パケット損失レートが目標値Ｐ _t以下であることを確実にする。 受信機の生のパケット損失レートが推定され、メディアサーバがＦＥＣコードレートを決定することができるようにその受信機からメディアサーバに周期的に送信される。 パケット損失レートは、ＦＥＣ適応の間のインターバル期間に目標値Ｐ _tを越えるバーストを有しても良い。 よって、それらの受信機についての送信信頼度は擬似的に保証される。

ストリームｊの受信機ｉについての生のパケット損失レートがＰ _ave ＜Ｐ _i ^j ＜Ｐ _max ^jの範囲にあるならば、受信機はベスト・エフォート型のサービスユーザとして分類される。 Ｐ _max ^jは生パケット損失レートであり、それにより、残りのバンド幅の全てがストリームｊを保護するために用いられるならばＦＥＣデコーディング後の残留パケット損失レートが目標値Ｐ _t以下である。 当該方法は全てのベスト・エフォート型のサービス受信機のうちの最悪の状況の受信機に基づいてＦＥＣコードレートを適応する。 しかしながら、それらのベスト・エフォート型のサービス受信機について要求される追加のＦＥＣオーバヘッドは低優先度で送信される。 無線ネットワークに十分のリソースがあるならば、追加のＦＥＣオーバヘッドはアクセスポイント／基地局によって送信される。 それらのベスト・エフォート型のサービス受信機の送信信頼度が満たされる。 すなわち、ＦＥＣデコーディング後の残留パケット損失レートが目標値Ｐ _t以下である。 一方、それらのベスト・エフォート型のサービス受信機の送信信頼度を満たすことができない場合には、追加のパリティパケットはアクセスポイント／基地局によって処分される。 この点ではそれらの受信機はベスト・エフォート型様式でサービスされる。

本発明の方法は最も効率的なネットワークリソース利用となり、保証された受信機及び擬似的保証された受信機の信頼度を妥協することなく統計的な多重化ゲインを達成する。 例えば、マルチキャストストリーム１，２，． ． ，ｊ−１の受信機は全て非常に良いチャンネル状態を有する。 マルチキャストストリーム１，２，． ． ，ｊ−１（情報及びＦＥＣオーバヘッド）のために使用される全バンド幅が無線チャンネルの全バンド幅より小である。 ストリームｊについてのいくつかの受信機は悪いチャンネル状態を受ける。 それらのストリームｊ受信機の要求を満足させるように残りの利用可能なバンド幅を追加のＦＥＣオーバヘッド（パリティパケット）のために用いることができる。

ストリームｊの受信機ｉについての生のパケット損失レートがＰ _max ^jより大であるならば、すなわち、Ｐ _i ^j ＞Ｐ _max ^jであるならば、その受信機はサービスなしの受信機として分類される。 この受信機のクラスは非常に悪いチャンネル状態となる。 このクラスに対する所定のパケット損失レートを保証することはシステムリソースとしてとても多くを消費することになる。 代わりに、メディアサーバはそれらを無視する。 すなわち、ＦＥＣコードレートはそれらの受信機に基づいて適応されない。

ＦＥＣコードレート又はＦＥＣオーバヘッドの量を適応する方法は、（１）各受信機で動作するチャンネル推定方法、（２）チャンネル状態フィードバックを多数の受信機からメディアサーバへ送るプロトコル、（３）ビデオマルチキャストサーバで動作し多数の受信機のチャンネル状態に基づいてＦＥＣコードレート及び優先度を動的に調整するＦＥＣ適応方法からなる。

各受信機はＦＥＣデコーディング前にその生のパケット損失レートを推定し、このフィードバックをメディアサーバに送信する。 ＦＥＣデコーディング前の生のパレット損失レートはチャンネル状態を示している。 ＲＴＣＰ（Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）又は他の同等の手段を用いてフィードバックを送信することができる。 本発明においては、生のパケット損失レートは、最近の測定に亘る重み付け移動平均を介して推定される。 受信機ｉがマルチキャストビデオストリームｊを受信し、Ｔ時間間隔（Ｔは設定パラメータ）で生のパケット損失レートを推定して報告すると仮定する。 時間ｔで、報告された、ストリームｊを受信する受信機ｉでの生パケット損失レートはＰ _i ^jであり、ストリームｊを受信する受信機ｉでの平均生パケット損失レートは次式に表される。

ここで、β≦１は設計パラメータである。 この報告はメディアサーバに送信される。

各時間間隔Ｔの間に、メディアサーバは、ビデオストリームｊの１以上受信機からのチャンネルフィードバックを受信することができる。 受信機ｉから時間ｔにストリームｊの生パケット損失レートＰ _i ^j (t)の報告を受信した後、メディアサーバは目標値Ｐ _t以下の残留パケット損失レートを保証するためにストリームｊについて要求ＦＥＣレートＲ _i ^j (t)を決定する。 要求ＦＥＣレートと生パケット損失レートとの間の関係はＦＥＣコードに依存する。 (Ｎ，Ｋ)ＲＳコードではそのコードレートＲ _i ^j ＝Ｋ／Ｎが次式によって決定される。

ここで、Ｋ又はＮが知られている。

適応アルゴリズムは次のように動作する。
１． Ｒ _i ^j (t)＜Ｒ _min ^j （すなわち、Ｐ _i ^j (t)＞Ｐ _min ^j ）ならば、受信機ｉは無視される。 すなわち、受信機ｉはサービスエリア外であり、「サービスなし」受信機である。 メディア／マルチキャストサーバはこの受信機にサービスすることを試みず、ＦＥＣコードレートはそのチャンネル状態に基づいて適応されない。
２． Ｒ ₀ ^j ＞Ｒ _i ^j (t)≧Ｒ _min ^j （すなわち、Ｐ ₀ ^j ＜Ｐ _i ^j (t)≦Ｐ _min ^j ）ならば、Ｒ ₀ ^j ＝Ｒ _i ^j (t)と設定される。 ここで、Ｒ ₀ ^jはストリームｊのために用いられる現在のＦＥＣコードレートである。 ストリームｊのために用いられるＦＥＣコードレートをＲ ₀ ^jに変える。 この場合には、受信機ｉはサービスされるべき受信機である。 それは「品質保証型サービス」又は「擬似的品質保証型サービス」又は「ベスト・エフォート型のサービス」の受信機である。 ＦＥＣデコーディング後のこの受信機の残留のパケット損失レートが閾値Ｐ _t以下になるようにこの受信機にサービスするために（すなわち、十分のＦＥＣを加えることを試みるために）、メディア／マルチキャストサーバは現在のＦＥＣコードが十分に強力であること、すなわちコードレートがＲ _i ^j (t)以下であることを確かにする必要がある。 そうでなければ、ＦＥＣデコーディング後のこの受信機の残留パケット損失レートは閾値Ｐ _tより大となる。 Ｒ ₀ ^j ＞Ｒ _i ^j (t)≧Ｒ _min ^jであれば、現在のＦＥＣコードレートは次のように変化される。

３． Ｒ _i ^j (t)≧Ｒ ₀ ^j （すなわち、Ｐ _i ^j (t)≦Ｐ ₀ ^j ）ならば、期間ｔの終了を待つ。 この場合には、現在使用のＦＥＣコードは、ＦＥＣデコーディング後のこの受信機の残留パケット損失レートが閾値Ｐ _t以下であることを確かにするために十分に強力である。 ＦＥＣコードレートを直ちに変化させる必要がない。 他の受信機からのチャンネル報告を待つことができる。 時間間隔Ｔの終了でストリームｊのためのＩ報告は期間Ｔの間に受信されたとする。 それらの報告の生のパケット損失レートの最大値を次のように得る。

次に、生パケット損失レートＰ ₀ ^jのユーザに対して目標値Ｐ _tに等しい残留パケット損失レートを保証するためにＦＥＣコードレートＲ ₀ ^jを得る。 (Ｎ，Ｋ)ＲＳコードが用いられるならば、Ｒ ₀ ^j ＝Ｋ／Ｎを次式によって得ることができる。

ここで、Ｋ又はＮは知られている。

を設定し、ストリームｊのために使用されたＦＥＣコードレートをＲ ₀ ^jに変化させる。

いくつかのＦＥＣコードについては、利用可能なコードレートは離散し、すなわち全てのコードレートは利用可能とは限らない。 上記したことによって決定されたＦＥＣコードレートは利用可能でないならば、Ｒ ₀ ^jの現在値より小の次に利用可能なコードレートにＲ ₀ ^jを設定する。 例えば、上記したことによって決定されたコードレートは９／１２であり、その次の利用可能なコードレート（９／１２より小）はＫ／Ｎ＝４／６＜９／１２である。 Ｒ ₀ ^j ＝４／６を設定し、ストリームｊのために使用されたコードレートを４／６に変化させる。

コードレートＲ ₀ ^jが上記したように決定又は調整されると、コードレートＲ ₀ ^jはマルチキャストサーバでＦＥＣ生成のために使用される。 Ｋソースパケットのブロックと仮定すると、要求されたＦＥＣオーバヘッドをＨ＝(Ｋ／Ｒ ₀ ^j )−Ｋによって得ることができる。 そのソースパケット及びＦＥＣパリティパケットは異なる優先度の４つのマルチキャストグループＧ０，Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３において送信される。
・Ｋソースパケットは高優先度でマルチキャストグループＧ０において送信される。
・Ｈ _min ≦Ｈ≦Ｈ _aveならば、第１のＨ ₁ ＝Ｈ _minパリティパケットは最高優先度（ソースパケットと同一の優先度）でマルチキャストグループＧ１において送信される。 残りのＨ ₂ ＝Ｈ−Ｈ _minパリティパケットは高優先度又は中優先度でマルチキャストグループＧ２において送信される。
・Ｈ≧Ｈ _aveならば、第１のＨ ₁ ＝Ｈ _minパリティパケットは最高優先度でマルチキャストグループＧ１において送信される。 次のＨ ₂ ＝Ｈ _ave −Ｈ _minパリティパケットは高優先度又は中優先度でマルチキャストグループＧ２において送信される。 残りのＨ ₃ ＝Ｈ ₀ −Ｈ _aveパリティパケットは低優先度でマルチキャストグループＧ３において送信される。

図４Ａは本発明の適応型前方誤り訂正コーディング方法を用いるマルチキャストサーバのプロトコル構成例の図である。 メディアサーバはソース（例えば、ビデオ）エンコーダ４０５、パケット化モジュール４１０、ＦＥＣ処理／エンコーディングユニット４１５、適応型ＦＥＣ制御ユニット４２０、ＵＤＰ／ＩＰ通信ユニット４２５、及びインターフェース４３０を含む。 適応型ＦＥＣ制御ユニット４２０は多数の受信機からのフィードバックを受信する。 それは上記した方法を用いてソース（例えば、ビデオ）のＦＥＣコードレート及び送信優先度と、パリティパケットとを決定する。 適応型ＦＥＣ制御ユニットはＦＥＣ処理／エンコーディングユニット４１５に指令してＦＥＣエンコーディング（符号化）を行い、ＵＤＰ／ＩＰ通信ユニット４２５に指令して所望の優先度においてソースパケット及びパリティパケットを送信する。

図４Ｂは本発明の適応型前方誤り訂正コーディング方法を用いる受信機のプロトコル構成例の図である。 その受信機はソース（例えば、ビデオ）デコーダ４３５、デパケット化モジュール４４０、ＦＥＣ処理／エンコーディングユニット４４５、チャンネル推定及びフィードバックモジュール４５０、ＵＤＰ／ＩＰ通信ユニット４５５、及びインターフェース４６０を含む。 チャンネル推定及びフィードバックモジュール４５０は上記した方法を用いて（チャンネル状態を示す）生パケット損失レートを推定し、それをＵＤＰ／ＩＰ通信ユニット４５５及びインターフェース４６０を介してメディアサーバに周期的に送信する。

図５は本発明の適応型前方誤り訂正コーディングの図である。 複数のソースパケットはＫ行及びＬ列で配置されている。 前方誤り訂正パケットを含むパケットの全部はＮ行及びＬ列で配置されている。 ＦＥＣパケットはＦＥＣコーディングレートを用いて生成され、いくつかのマルチキャストグループに分けられ、例えば、合計ＨマルチキャストグループについてのマルチキャストグループＨ１，Ｈ２，Ｈ３に分けられる。 マルチキャストグループＨ１のパケットは常に送信され、高優先度で送信される。 他のマルチキャストグループ内のＦＥＣパケットは、ソースパケットを回復することが必要な場合に限り送信される。

図６はマルチキャストサーバで実施される本発明の方法の実施形態例のフローチャートである。 本明細書で用いられるように、受信機は例えば、トランシーバ、コンピュータ、ラップトップ、ＰＤＡ、デュアルモードスマートフォン等を含む、情報／データ／コンテンツを受信することができるデバイスである。 ステップ６０５では、マルチキャスト／データ／メディアサーバが受信機からフィードバックを受信したか否か決定するためのテストが行われる。 マルチキャストサーバが受信機からフィードバックを受信したならば、ステップ６１０で受信フィードバックの当該受信機にサービスするか否かを決定するためのテストが行われる。 すなわち、そのテストはその受信機のパケット損失レートがＰ _max以下であるか否かであり、ここでＰ _maxは式(7)を満たし、それは式(4)〜式(6)を用いて決定される。 ステップ６１５ではＦＥＣパリティコーディング（ＦＥＣコーディングレート）がチャンネル状態のフィードバックを与えたこの受信機についてパケット損失から回復するために十分に強力であるか否かを決定するためのテストが行われる。 ＦＥＣコーディングレートが十分に強力でないならば、そのＦＥＣコーディングレートは式(12a)を用いてステップ６２０で調整される。 ＦＥＣコーディングレートが十分に強力であるならば、ステップ６２０はとばされ、そのＦＥＣコーディングレートは調整されない。 ステップ６２５ではタイムアウトとなったか否か（時間間隔が終了したか否か）を決定するためのテストが行われる。 タイムアウトとなったならば、ステップ６３０でＦＥＣコーディングレートは多数の受信機から受信されたフィードバックに基づいて調整され、ＦＥＣ調整タイマはリセットされる。 ＦＥＣコーディングレートは式(13)、式(14)、式(14a)に基づいて調整される。 すなわち、ＦＥＣコーディングレートはステップ６２０又は６３０、又はその両ステップで調整されても良い。 タイムアウトとなっていないならば、ステップ６３０はとばされ、この時点でのＦＥＣコーディングレートは調整されない。 ステップ６３５では、ＨのＦＥＣパケットが調整されたものを含むＦＥＣコーディングレートを用いてソースパケットから生成される。 ソースパケット及びＦＥＣパリティパケットは異なる優先度を有する異なるマルチキャストグループに置かれ、それに応じて送信される。 送信はスタガーキャスティング（ｓｔａｇｇｅｒｃａｓｔｉｎｇ）を代わりに含んでも良く、また、インタリービングを含んでも良い。 ソースパケットはマルチキャストグループＧ０にあり、ステップ６４０で最高優先度で送信される。 Ｈ _minのＦＥＣパケットはマルチキャストグループＧ１にあり、ステップ６４５では高優先度で送信される。 Ｈ _minは式(1)、式(2)を用いて決定される。 ステップ６５０ではＨがＨ _ave以下であるか否かを決定するためのテストが行われ、ここでＨ _aveは式(8),式(9)を用いて決定される。 ＨがＨ _aveより小であるならば、ステップ６５５でＨ−Ｈ _minのＦＥＣパケットが高優先度又は中優先度でマルチキャストグループＧ２において送信される。 ＨがＨ _aveより小でないならば、ステップ６５５はスキップされ、マルチキャストグループＧ２内のＨ _ave −Ｈ _minのＦＥＣパケットが高優先度又は中優先度で送信され、マルチキャストグループＧ３内のＨ−Ｈ _aveのＦＥＣパケットが低優先度で送信される。 処理はステップ６０５に続く。 ステップ６１０でこの受信機にサービスしないという決定がされたならば、処理はステップ６２５に続く。 ステップ６０５でフィードバックが特定の受信機から受信されなかったという決定がされたならば、処理はステップ６２５に続く。

図７はアクセスポイント／ステーションで実施される本発明の方法の実施形態例のフローチャートである。 ステップ７０５では、パケット（ソース又はＦＥＣ）がアクセスポイントで受信されたか否かが決定される。 パケットが受信されたならば、ステップ７１０でそのパケットがその優先度に基づいて行先マルチキャストグループに供給される。 パケットが受信されなかったならば、処理はステップ７０５で新しいパケットが到着したか否かのテストを続けて着実に繰り返す。

図８は受信機で実施される本発明の方法の実施形態例のフローチャートである。 ステップ８０５では、パケット（ソース又はＦＥＣ）がアクセスポイントで受信されたか否かが決定される。 パケットが受信されたならば、ステップ８１０でパケットが処理される。 ステップ８１５では受信機は式(11)を用いてパケット損失レート及びチャンネル状態を推定する。 そして、受信機はステップ８２０で受信したＦＥＣパリティパケットを用いて損失ソースパケットを回復する。 ステップ８２５ではタイムアウトとなったか否かを決定するためのテストが行われる。 タイムアウトとなったならば、ステップ８３０でパケット損失レート及びチャンネル状態についてのフィードバックがアクセスポイントを経由してマルチキャストサーバに送信される。 タイムアウトとなっていないならば、処理はステップ８０５に続く。 ステップ８０５でパケットが受信されなかったならば、処理はステップ８２５に続く。

無線リンクは時間変化のマルチパスフェーディング、干渉、シャドーイング及びモビリティのためにバーストパケット損失特性を示している。 バーストエラーチャンネルを処理するための効率的方法は、バーストチャンネルが単独の誤りを有するチャンネルに変化されるように符号化データパケットをインターリープすることである。 よって、その誤りのあるパケットを訂正するために単独の誤り（短いバースト）に対して設計されたＦＥＣコードを用いることができる。 図９はインタリービングが用いられる本発明の適応型前方誤り訂正方法の代替実施形態を示すブロック図である。 ＦＥＣコードを有するパケットインタリービング機構が示されている。 ソースパケットはクロスパケットＦＥＣコードが用いられる前にインタリーバによって再発注される。 受信機では、デインタリーバが同一の方形のアレイ形式でデータパケットを保存し、ＦＥＣデコーディングが行われる。 このセッティングにおいて同様にソースパケット及びパリティパケットのＦＥＣコードレート及び優先度を決定するために本発明を用いることができる。

他の実施形態は、マルチキャストサーバが時間的推移と共に元の情報パケットストリーム及び追加のパリティパケットストリームを送信する、例えば、時間的ダイバーシティ（ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ）のために情報ストリーム及びパリティストリームをスタガーキャスティングする形態である。 パリティパケットは、そのパケットが上記のように決定されたそれらのマルチキャストグループにおいて送出される前の時間間隔Ｔの間、マルチキャストサーバのバッファにおいて遅延される。 情報パケットがシャドーイング又はハンドオーバのためにバーストにおいて損失されるならば、対応するパリティパケットが損失されない可能性があり、損失した情報パケットを回復するためにその対応するパリティパケットを用いることができる。

更に、他の代替実施形態は、マルチキャストサーバがパリティパケットを生成して送信することを遅延する形態である。 時間間隔Ｔの間にソース情報パケットを送信した後、マルチキャストサーバはそれらの情報パケットを時間ｔに亘ってバッファリングし、受信機からのそれら情報パケットのチャンネル状態及びパケット損失レートのフィードバックを待つ。 それら情報パケットのパケット損失レートに基づいてマルチキャストサーバは本発明の方法に応じてパリティパケットのＦＥＣコードレート及び優先度を決定し、異なるマルチキャストグループにおいてそのパリティパケットを送信する。 パリティパケットの生成を遅延し、情報パケットについてのパケット損失レートのフィードバックを用いてソースパケットを保護するパリティパケットを生成することにより、サーバは要求されたＦＥＣコードレートを正確に推定することができる。

なお、本発明は、例えば、サーバ、中間デバイス（無線アクセスポイント又は無線ルータ等）又はモバイル装置内のハードウエア（例えば、ＡＳＩＣチップ）、ソフトウエア、ファームウエア、特定目的のプロセッサ、又はそれらの組み合わせの様々な形態で実施することができる。 好ましくは、本発明はハードウエアとソフトウエアとの組み合わせとして実施される。 更に、ソフトウエアは好ましくはプログラム記憶装置に明白に具現化されたアプリケーションプログラムとして実施される。 適切なアーキテクチャを備えるマシーンにそのアプリケーションプログラムをアップロードして実行しても良い。 好ましくは、そのマシーンは、１以上の中央処理ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース等のハードウエアを有するコンピュータプラットホーム上で実施される。 また、そのコンピュータプラットホームはオペレーティングシステム及びマイクロインストラクションコードを含む。 本明細書で説明した様々な処理及び機能はマイクロインストラクションコードの一部又はアプリケーションプログラムの一部（又はそれらの組み合わせ）であっても良く、それはオペレーティングシステムを介して実行される。 加えて、追加のデータ記憶装置及びプリンティング装置等の様々な他の周辺装置がコンピュータプラットホームに接続されても良い。

更に、添付の図面に示された構成システムコンポーネント及び方法ステップのいくつかが好ましくはソフトウエアにおいて実施されるので、システムコンポーネント（又は処理ステップ）間の実際の接続は、本発明がプログラミングされる様式に応じて異なっても良いことが理解されるべきである。 本明細書で教示を与えたことにより関連技術の当業者は本発明のそれら及び同様の実施又は設定をなすことができる。