JP5022935B2 - 品質計測システム、受信装置、品質計測方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、品質計測システム、送信装置、受信装置、品質計測方法及びプログラムに関する。

現在、テストパケットを用いて通信品質を推定する研究がいくつか行われている。例えば、非特許文献１に記載された技術では、パケット列をプローブして片方向遅延を計測し、片方向遅延の傾向から実効帯域を推定する。また、非特許文献２に記載された技術では、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）環境において、遅延時間をモデル化し利用帯域を推定する。また、非特許文献３には、ＵＤＰ（Ｕｓｅｒ Ｄａｔａｇｒａｍ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）パケットを定期的に送受信することにより、ＲＴＴ（Ｒｏｕｎｄ Ｔｒｉｐ Ｔｉｍｅ、往復遅延時間）や伝送遅延のゆらぎを計測するツールが記載されている。
M.Jain and C.Dovrolis, "End-to-End Available Bandwidth: Measurement Methodology, Dynamics, and Relation with TCP Throuput" In Proceedings of ACM SIGCOMM, pp.295-308, August 2002 森谷高明、大西浩行、小川猛志、"無線LAN環境のための利用可能帯域推定方法の提案"、電子情報通信学会研究報告、NS2004-243、pp.1-4、2005年3月 川上貴宏、岸田崇志、河野英太郎、前田香織、"広帯域ネットワークにおけるIP ストリーム伝送性能測定ツールの開発"、電子情報通信学会研究報告、IA2004-5、pp.25-30、2004年5月

しかしながら、非特許文献１及び２に記載された技術では、多数のテストパケットを送信する必要があり、資源が限られている無線網においては、適用が困難である、という問題がある。また、遅延時間を計測するためには、送信装置と受信装置の時刻が同期している必要がある。これは、携帯端末などリソースが限られた端末での実現は難しい。また、時刻同期が困難な場合として、非特許文献３に記載された往復遅延時間を計測するツールを用いる方法もあるが、携帯電話網の様に非対称な通信路がある場合、正確な計測が困難である、という問題がある。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、無線区間を含むネットワークにおいて、少ないテストパケットで通信品質を計測でき、かつ、送信装置と受信装置の時刻が完全に同期していなくても、片方向の通信品質を測定可能である品質計測システム、送信装置、受信装置、品質計測方法及びプログラムを提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、パケットが無線フレームに分割されて伝送される無線区間を有する通信ネットワークの通信品質を計測する品質計測システムにおいて、サイズの異なるテストパケットを生成するパケット生成部と、前記無線区間経由でパケットが伝送される受信装置宛てに前記サイズの異なるテストパケットを混在させて送信する送信部と、を有する送信装置と、前記送信装置から送信されたテストパケットを受信し、該受信データを記録する受信部と、テストパケットのサイズ別の前記受信データに基づいて通信品質を計測する品質計測部と、を有する受信装置と、を備えたことを特徴とする品質計測システムである。

また、本発明の一態様は、上記の品質計測システムにおいて、前記品質計測部は、サイズの異なるテストパケット間の受信差に基づいて、伝送遅延に係る通信品質を計測することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上記の品質計測システムにおいて、前記品質計測部は、テストパケットに付加された送信時刻と前記受信装置における受信時刻との差である伝送遅延算出値について、サイズの異なるテストパケット間で差を算出することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上記の品質計測システムにおいて、前記品質計測部は、テストパケットに付加された送信時刻と前記受信装置における受信時刻との差である伝送遅延算出値に基づいた伝送遅延のゆらぎについて、サイズの異なるテストパケット間で差を算出することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上記の品質計測システムにおいて、前記送信部は、サイズの異なるテストパケットを交互に送信することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、パケットが無線フレームに分割されて伝送される無線区間を有する通信ネットワークの通信品質を計測する品質計測システムに適用される送信装置において、サイズの異なるテストパケットを生成するパケット生成部と、前記無線区間経由でパケットが伝送される受信装置宛てに前記サイズの異なるテストパケットを混在させて送信する送信部と、を有することを特徴とする送信装置である。

また、本発明の一態様は、上記の送信装置において、前記送信部は、サイズの異なるテストパケットを交互に送信することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、パケットが無線フレームに分割されて伝送される無線区間を有する通信ネットワークの通信品質を計測する品質計測システムに適用される受信装置において、送信装置から送信されたテストパケットを受信し、該受信データを記録する受信部と、テストパケットのサイズ別の前記受信データに基づいて通信品質を計測する品質計測部と、を有することを特徴とする受信装置である。

また、本発明の一態様は、上記の受信装置において、前記品質計測部は、サイズの異なるテストパケット間の受信差に基づいて、伝送遅延に係る通信品質を計測することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上記の受信装置において、前記品質計測部は、テストパケットに付加された送信時刻と前記受信装置における受信時刻との差である伝送遅延算出値について、サイズの異なるテストパケット間で差を算出することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、上記の受信装置において、前記品質計測部は、テストパケットに付加された送信時刻と前記受信装置における受信時刻との差である伝送遅延算出値に基づいた伝送遅延のゆらぎについて、サイズの異なるテストパケット間で差を算出することを特徴とする。

また、本発明の一態様は、パケットが無線フレームに分割されて伝送される無線区間を有する通信ネットワークの通信品質を計測する品質計測方法において、送信装置が、サイズの異なるテストパケットを生成するパケット生成ステップと、送信装置が、前記無線区間経由でパケットが伝送される受信装置宛てに前記サイズの異なるテストパケットを混在させて送信する送信ステップと、受信装置が、前記送信装置から送信されたテストパケットを受信し、該受信データを記録する受信ステップと、受信装置が、テストパケットのサイズ別の前記受信データに基づいて通信品質を計測する品質計測ステップと、を有することを特徴とする品質計測方法である。

また、本発明の一態様は、パケットが無線フレームに分割されて伝送される無線区間を有する通信ネットワークの通信品質を計測するためのプログラムにおいて、サイズの異なるテストパケットを生成するパケット生成ステップと、前記無線区間経由でパケットが伝送される受信装置宛てに前記サイズの異なるテストパケットを混在させて送信する送信ステップと、をコンピュータに実行させるためのプログラムである。

また、本発明の一態様は、パケットが無線フレームに分割されて伝送される無線区間を有する通信ネットワークの通信品質を計測するためのプログラムにおいて、送信装置から送信されたテストパケットを受信し、該受信データを記録する受信ステップと、テストパケットのサイズ別の前記受信データに基づいて通信品質を計測する品質計測ステップと、をコンピュータに実行させるためのプログラムである。

本発明によれば、受信装置は、無線区間経由で送信装置からサイズの異なるテストパケットを受信し、テストパケットのサイズ別の受信データに基づいて通信品質を計測するので、サイズの異なるテストパケットの受信データの差から通信品質が測定できる。このため、少ないＩＰパケットで通信品質を測定することができる。
また、サイズの異なるテストパケット間の受信差に基づいて、伝送遅延に係る通信品質を計測するため、送信装置と受信装置の時刻が完全に同期していなくても、その時刻誤差を除去して、伝送遅延に係る通信品質を測定することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の一実施形態による品質測定システムの構成を示すブロック図である。
品質測定システムは、送信装置１と、受信装置２と、を有する。送信装置１は、品質測定システムを統括するサーバ装置である。受信装置２は、無線ＬＡＮにて通信可能なノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）或いは携帯電話端末などの移動端末である。ここで、本発明の送信装置１と受信装置２との間の通信経路上には無線区間がある。本実施形態では、受信装置２は無線基地局３との間で無線通信を行う。無線基地局３は、例えば、無線ＬＡＮ、携帯電話網などの無線網の基地局である。

本発明の品質測定システムでは、送信装置１は、ＩＰ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）網を介して受信装置２宛てのテスト用のＩＰパケットを送信する。該ＩＰパケットは、無線基地局３を介して受信装置２へ送信される。ここで、無線基地局３は、ＩＰパケットを無線フレームに分割して受信装置２へ無線送信する。なお、無線フレームはＩＰパケットサイズよりも小さいサイズである。受信装置２は、受信した無線フレームを基にネットワークの通信品質を測定する。

なお、本実施形態では、サーバ装置を送信装置１、移動端末を受信装置２としたが、移動端末を送信装置１、サーバ装置を受信装置２としてもよい。

図２は、本実施形態による送信装置１の構成を示すブロック図である。
送信装置１は、送信装置１を統括して制御する制御部１１と、テストパケットのデータを記憶する記憶部１２と、テストパケット生成部１３と、送信部１４と、計時部１５と、を含んで構成される。

計時部１５は、内部にクロックを有しており、計時を行う。テストパケット生成部１３は、記憶部１２に記憶されたテストパケットのデータをＩＰパケット化し、送信部１４に出力する。この時、テストパケット生成部１３は、計時部１５より現在の時刻を取得し、その時刻をＩＰパケットに埋め込む。送信部１４は、入力されたＩＰパケットを受信装置２宛てに送信する。

図３は、本実施形態による受信装置２の構成を示すブロック図である。
受信装置２は、受信装置２を統括して制御する制御部２１と、受信したテスト用のＩＰパケットのデータを記憶する記憶部２２と、受信部２３と、品質計測部２４と、計時部２５と、を含んで構成される。

計時部２５は、内部にクロックを有しており、計時を行う。受信部２３は、送信装置１からテスト用のＩＰパケットを受信する。また、受信部２３は、計時部２５を用いて受信時刻と受信したＩＰパケットに埋め込まれた送信時刻の差を算出する。次に、受信部２３は、算出した時間差（以下、伝送遅延算出値という）を受信したＩＰパケットのパケットサイズとともに記憶部２２に記憶する。品質計測部２４は、記憶部２２に記憶された複数のテスト用のＩＰパケットのデータを用いて、ネットワークの通信品質を測定する。その詳細については後述する。

図４は、本実施形態における無線区間でのＩＰパケットの分割状況の例を示した概念図である。
送信装置１から送信されたＩＰパケットは、無線基地局３により複数の無線フレームに分割されて無線区間に送信される。無線フレームのサイズはＩＰパケットのサイズに比べて小さいため、１つのＩＰパケットが複数の無線フレームに分割される。このため、パケットサイズの大きいＩＰパケットは、パケットサイズの小さいＩＰパケットに比べて、より多くの無線フレームに分割される。

ここで、無線区間においては、無線フレーム単位で送受信のスケジュールの決定やエラー訂正処理が行われるが、パケットサイズの大きいＩＰパケットは、パケットサイズの小さいＩＰパケットに比べて多くの無線フレームに分割されるので、無線区間における通信品質の劣化の影響をより多く受けることになる。例えば、同じ確率で無線フレームがロスしたとしても、パケットサイズの大きいＩＰパケットの方がより多くの無線フレームに分割されるので、パケットロス率が高くなる。また、１無線フレームあたりの伝送遅延のゆらぎが同じでも、パケットサイズの大きいＩＰパケットの方がより多くの無線フレームに分割されるので、１ＩＰパケットあたりの伝送遅延のゆらぎが大きくなる。同様に、１無線フレームあたりの伝送遅延時間が同じでも、パケットサイズの大きいＩＰパケットの方がより多くの無線フレームに分割されるので、１ＩＰパケットあたりの伝送遅延時間が大きくなる。従って、図４に示されるように、パケットサイズの大きいパケットの伝送遅延時間ｔ_ｌは、パケットサイズの小さいパケットの伝送遅延時間ｔ_ｓに比べて大きい。

そこで、本発明の送信装置１は、パケットサイズの異なる２種類のテスト用のＩＰパケットを一定間隔で交互に送信する。受信装置２は、受信した２種類のテスト用のＩＰパケットを比較することによりネットワークの通信品質を測定する。ここで、２種類のテスト用のＩＰパケットのパケットサイズは充分に異なるものとする。例えば、サイズの大きいテスト用のＩＰパケット（以下、大きいＩＰパケットとする）のパケットサイズを１４００バイト（ＩＰパケットの最大サイズ）、サイズの小さいテスト用のＩＰパケット（以下、小さいＩＰパケットとする）のパケットサイズを８０バイト（１無線フレームのサイズ）とする。

図５は、本実施形態における品質計測部２４の処理の概要を示した概念図である。
品質計測部２４は、記憶部２２に記憶されたテスト用のＩＰパケットのデータから、大きいＩＰパケットの伝送遅延算出値の平均値（Ｌ_０）、小さいＩＰパケットの伝送遅延算出値の平均値（Ｓ_０）、大きいＩＰパケットの伝送遅延算出値の分散（Ｌ_１）、小さいＩＰパケットの伝送遅延算出値の分散（Ｓ_１）、大きいＩＰパケットの伝送遅延のゆらぎの平均値（Ｌ_２）、小さいＩＰパケットの伝送遅延のゆらぎの平均値（Ｓ_２）、大きいＩＰパケットの伝送遅延のゆらぎの分散（Ｌ_３）、小さいＩＰパケットの伝送遅延のゆらぎの分散（Ｓ_３）を算出し、それらをパラメタとする。伝送遅延のゆらぎとは、連続して受信されたテスト用のＩＰパケットの伝送遅延算出値の差である。例えば、先に受信した大きいＩＰパケットの伝送遅延算出値が「ａ」、その次に受信した大きいＩＰパケットの伝送遅延算出値が「ｂ」だった場合には、「伝送時間のゆらぎ」は「ａ−ｂ」となる。

品質計測部２４は、これらのパラメタを用いて回線品質を算出する。回線品質Ｑは、例えば次の式（１）で算出される。式（１）は、大きいＩＰパケットと小さいＩＰパケットの受信差を用いた式になっている。ここで、ａ_ｋ及びＣは定数である。定数の値は、無線方式などによって決定され、例えば、計測値を用いた多変量解析などで算出される。回線品質Ｑは、値が小さいほど品質が良いと判定される。また、受信差を取ることで送信装置１と受信装置２で時刻同期していないことの時刻誤差を除去している。

図６は、本実施形態における品質計測システムを用いて通信品質を検証した結果を示すグラフである。図６に示すグラフの縦軸がｄｉｆｆ、横軸がＴＣＰスループットである。ｄｉｆｆとは、大きいＩＰパケットと小さいＩＰパケットの伝送遅延算出値の平均値の差（つまり、Ｌ_０−Ｓ_０）のことである。ここで、ＴＣＰスループットが２００ｋｂｐｓから５５０ｋｂｐｓまでの間で、両者には相関がみられる。このグラフに示されるように、ｄｉｆｆが小さいほどＴＣＰスループットが大きくなり、通信品質が良くなるといえる。

このように、本実施形態によれば、大きいパケットと小さいパケットの伝送遅延算出値及び伝送遅延のゆらぎを統計した差に基づいて通信品質を算出する。これにより、無線区間を含むネットワークにおいて、少ないＩＰパケットで通信品質を計測可能である。また、大きいパケットと小さいパケットの受信差を用いることにより、相対的に通信品質を評価しているので送信装置１と受信装置２の時刻が完全に同期していなくても、送信装置１から受信装置２への片方向の通信品質を測定可能となる。また、サイズの異なるテストパケットを交互に送信することにより、サイズの異なるテストパケットが交互に無線区間を通るので、無線区間において時間的な環境の変化があったとしても、その影響がサイズの異なるテストパケットの各受信データに反映されることとなり、品質計測結果の精度向上に寄与することができる。

また、図２及び図３に示す送信装置１及び受信装置２の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、品質測定処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

例えば、本実施形態においては、伝送遅延算出値の平均値、伝送遅延算出値の分散、伝送遅延のゆらぎの平均値、伝送遅延のゆらぎの分散をパラメタとして用いたが、パケットのロス率を含めてもよい。パケットのロス率は、時刻同期には無関係なため、式（１）に加算する。同様に、他にも時刻同期に無関係なパラメタがあった場合には、式（１）にその値を加算すればよい。従って、通信品質Ｑは、式（２）で表される。ｂ_ｋ及びｃ_ｋは、定数である。また、ｎはパラメタの数である。例えば、大きいＩＰパケットのロス率をＬ_４、小さいＩＰパケットのロス率をＳ_４とする。

また、大きいパケットと小さいパケットを必ずしも交互に送信する必要はなく、例えば、大きいパケットを先に５個送信した後に小さいパケットを５個送信してもよい。

本発明の一実施形態による品質測定システムの構成を示すブロック図である。 実施形態による送信装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態による受信装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態における無線区間でのＩＰパケットの分割状況の例を示した概念図である。 本実施形態における品質計測部の処理の概要を示した概念図である。 本実施形態における、品質計測システムを用いて回線品質を検証した結果を示すグラフである。

符号の説明

１…送信装置 ２…受信装置 ３…無線基地局 １１…制御部 １２…記憶部 １３…テストパケット生成部 １４…送信部 １５…計時部 ２１…制御部 ２２…記憶部 ２３…受信部 ２４…品質計測部 ２５…計時部

Claims (7)

1. パケットが無線フレームに分割されて伝送される無線区間を有する通信ネットワークの通信品質を計測する品質計測システムにおいて、
   サイズの異なるテストパケットを生成するパケット生成部と、前記無線区間経由でパケットが伝送される受信装置宛てに前記サイズの異なるテストパケットを混在させて送信する送信部と、を有する送信装置と、
   前記送信装置から送信されたテストパケットを受信し、該受信データを記録する受信部と、テストパケットのサイズ別の前記受信データに基づいて、テストパケットに付加された送信時刻と前記受信装置における受信時刻との差である伝送遅延算出値に基づいた伝送遅延のゆらぎについて、サイズの異なるテストパケット間で差を算出し、サイズの異なるテストパケット間の受信差に基づいて、伝送遅延に係る通信品質を計測する品質計測部と、を有する前記受信装置と、
   を備えたことを特徴とする品質計測システム。
2. 前記品質計測部は、テストパケットに付加された送信時刻と前記受信装置における受信時刻との差である伝送遅延算出値について、サイズの異なるテストパケット間で差を算出することを特徴とする請求項１に記載の品質計測システム。
3. 前記送信部は、サイズの異なるテストパケットを交互に送信することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の品質計測システム。
4. パケットが無線フレームに分割されて伝送される無線区間を有する通信ネットワークの通信品質を計測する品質計測システムに適用される受信装置において、
   送信装置から送信されたテストパケットを受信し、該受信データを記録する受信部と、
   テストパケットのサイズ別の前記受信データに基づいて、テストパケットに付加された送信時刻と当該受信装置における受信時刻との差である伝送遅延算出値に基づいた伝送遅延のゆらぎについて、サイズの異なるテストパケット間で差を算出し、サイズの異なるテストパケット間の受信差に基づいて、伝送遅延に係る通信品質を計測する品質計測部と、
   を有することを特徴とする受信装置。
5. 前記品質計測部は、テストパケットに付加された送信時刻と前記受信装置における受信時刻との差である伝送遅延算出値について、サイズの異なるテストパケット間で差を算出することを特徴とする請求項４に記載の受信装置。
6. パケットが無線フレームに分割されて伝送される無線区間を有する通信ネットワークの通信品質を計測する品質計測方法において、
   送信装置が、サイズの異なるテストパケットを生成するパケット生成ステップと、
   送信装置が、前記無線区間経由でパケットが伝送される受信装置宛てに前記サイズの異なるテストパケットを混在させて送信する送信ステップと、
   受信装置が、前記送信装置から送信されたテストパケットを受信し、該受信データを記録する受信ステップと、
   受信装置が、テストパケットのサイズ別の前記受信データに基づいて、テストパケットに付加された送信時刻と当該受信装置における受信時刻との差である伝送遅延算出値に基づいた伝送遅延のゆらぎについて、サイズの異なるテストパケット間で差を算出し、サイズの異なるテストパケット間の受信差に基づいて、伝送遅延に係る通信品質を計測する品質計測ステップと、
   を有することを特徴とする品質計測方法。
7. パケットが無線フレームに分割されて伝送される無線区間を有する通信ネットワークの通信品質を計測するためのプログラムにおいて、
   送信装置から送信されたテストパケットを受信し、該受信データを記録する受信ステップと、
   テストパケットのサイズ別の前記受信データに基づいて、テストパケットに付加された送信時刻と受信装置における受信時刻との差である伝送遅延算出値に基づいた伝送遅延のゆらぎについて、サイズの異なるテストパケット間で差を算出し、サイズの異なるテストパケット間の受信差に基づいて、伝送遅延に係る通信品質を計測する品質計測ステップと、
   をコンピュータに実行させるためのプログラム。

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