符号化と伝送

目次

• 音声信号の符号化
• 画像信号の符号化
• 符号化したデータの伝送
• 回線制御
• トラフィック理論
• 待ち行列理論
• 誤り制御

音声信号の符号化

アナログとディジタル

通信品質

• MOS値：通信品質を主観評価する代表的な方法。人が聞いて、品質を五段階で評価する。
• R値：通信品質を客観的評価する代表的な方法。ノイズ、エコー、遅延などの指標から、品質を100点満点で評価する。

符号化の手順

1. 標本化（サンプリング）：アナログ信号を単位時間ごとに区切る工程。（サンプリング周波数　標本化を行う際の周期）
• 標本化定理：アナログデータを正確にディジタルデータに変換する場合の元データが持っている周波数の2倍以上のサンプリング周波数を用いなければならないという定理。
• 高周波成分：周波数の振幅の激しい部分。
2. 量子化：標本化することで得られた標本値を整数化すること。（量子化ノイズ　整数化することで失われた情報）
• 量子化ビット数：現データの波形をどれだけの制度で区切って数値化するかの規格。
3. 符号化：量子化した値を基にディジタルデータを作成すること。
• 波形符号化：現データを忠実に再現しようとする手法。
• PCM(Pulse Code Modulation)：現データを符号化するもっとも基本的な方式。標本化、量子化を行ったデータをそのまま符号に割り付ける。PCMはデータを伝送するのに必要な回線容量（ビットレート）。(計算式：サンプリング周波数[Hz]×量子化ビット数[bit]＝PCM[bit/s]）
• ADPCM(Adaptive Differential Pulsse Code Modulation)：PCMの改良版。前データとの差分で値を表現するデータ容量を小さくした方式。大きな変化が起こるところでは、サンプルによって予測し、量子化ビット数を減らすことでノイズを回避する。PHSで採用されている。
• 分析合成符号化：あらかじめデータパターンを用意し、原データに最も近いものを選択する手法。データ量を小さく抑えられるが、復元品質は劣る。携帯電話などの通話帯域の小さい伝送路での利用が主流。
• CELP：携帯電話用に開発された符号化方式。量子化して得られそうなパターンをあらかじめデータベースに登録して、量子化してデータと比較し最も近いものを選択する。波形符号化と組み合わせているのでハイブリッド符号化に分類されることもある。波形データではなくパターン番号のみを送信するため、データ量を最小化できる。復元精度は低いが、狭帯域通信に向いている。パターン抽出処理にはCPUパワーが必要

群分類

• PCM群(PCM、ADPCMなど)：波形をそのまま伝えようとするグループ
• CELP群(ACELP、RCELP、MPEG-4 CELPなど)：波形をパターン化して伝えようとするグループ

画像信号の符号化

フルHD(Full High Definition)

画像サイズは1920×1080ピクセル。家庭用テレビでもおなじみの規格。白黒でも2,073,600ビットの容量が必要。ARGBで表現すると6MB以上のデータになる。動画ではこれが一秒に数十枚必要となる。

画像データ圧縮の手法

• 予測符号化

隣接した点と色相や輝度が類似しているという予測から、その差分として表す方法

「予測誤差」：隣接した点や次の一瞬の点が同じであるという予測との誤差のこと

• 変換符号化(直行変換)

隣接する画素をペアにして直交座標上にプロットする。座標軸を回転してエントロピが小さい値に変換する。

変換符号化の例として「DCT変換」、「ウェーブレット変換」がある。

「エントロピ」：平均情報量のことです。情報量はその事象が起こりにくい場合に増加し、起こりやすい場合に減少する。例えば、隣接画素同士が同じようなデータになりやすいということは予測しやすくエントロピを小さくすることができる

• 不可逆符号化

データ量を削減するためにデータを間引く方法。データの精度が落ちるが、人間工学的に精度に敏感になる輝度変化の緩やかな部分では比較的忠実に原データをトレースし、人間の知覚が敏感に反応しない部分ではデータを間引くなど、あまり違和感なくデータを間引く工夫がされる。

• 動き補償予測

動画で行われる手法。予測符号化を行っても動きの速い被写体が写っている動画では、予測誤差が大きくなり、圧縮効率が低下する。そこで、動く物体が写っている画素をグループとして登録し、次の画像でその画素群がどこに移動しているかによって符号化を行う。

• エントロピ符号化

出現頻度の高いデータに短い符号を与えることでデータ量を削減する手法。最小なデータ量で符号化することを「コンパクト符号化」という。

「ハフマン符号化」出現頻度の高いデータ列に短い符号を割り当てることで、全体のデータ量を小さくする符号化技術。

「ランレングス符号化」連続するデータの長さによって符号化を行う。同じ色で塗られた部分が連続する画像で効果を発揮する。FAXなどで採用されている。

画像データの規格

• JPEG:ISOとITU-Tが組織した画像規格策定委員会の名称で、委員会の名称がそのまま画像規格の名称になったもの。DCTとハフマン符号を用いて画像を圧縮する。高い圧縮率で写真を自然に復元できる長所がある。また、不可逆変換になるので写真には適すが、画像に文字が含まれている場合ではにじみ（ブロックノイズ）が生じる。
• GIF:可逆圧縮で文字やCGをきれいに再現できる。色数は256色までしか扱えない。Webでは黎明期から標準的な画像形式として利用されていたが、圧縮アルゴリズムが特許権の問題に巻き込まれたため、PNGの開発と移行が進んだ経緯がある。現在は失効し自由に利用が可能
• PNG(Portable Network Graphics):[PNG is Not GIF]GIFやJPEGよりも新しい静止画の規格です。後発規格であるので、前世代の規格で使いにくかった点が改良されている。フルカラーが使える、可逆圧縮が可能。
• LZW:GIFで使用されている圧縮アルゴリズム

動画・音楽配信データ規格

• MPEG:ISOが組織した動画規格策定委員会の名称で、そのまま動画規格の名前として使われている。用途とビットレートに応じていくつかの規格が存在する。

名称	ビットレート	用途
MPEG-1	1.5Mbps程度	CD-ROMなどのメディアに保存されることを想定した規格。規格は動画部分のMPEG-1ビデオ、音声部分のMPEG-1オーディオ、ビデオと音声の統合方法を定めたMPEG-1システムなどに分類されている。動画部分では、動きベクトル検出、動き補償などの技術で情報量を減らしている。
MPEG-2	数M～数十Mbps程度	ブルーレイなどの大容量メディアに保存したり、放送に用いることを想定した規格。MPEG-1よりも広い用途に適合させるため、プロファイルとレベルという概念を持ち、再生環境に合わせて最適な圧縮方法を選択できるようになっている。
MPEG-4	数十kbps～	通信速度の低い狭帯域回線でも利用できることを重視した規格。低いビットレートの中で最大の品質を実現できるよう工夫されている。携帯電話やテレビ電話などで幅広く利用されている。モバイル環境で使いやすいよう、伝送エラーに対応する能力が強化されている。
MPEG-7		マルチメディア情報の属性を記述するために開発された標準規格。MPEG-7によって記述された属性情報を検索エンジンで検索することで、コンテンツの管理が容易になる。
MPEG-21		マルチメディア情報の著作権管理を行うための標準規格。

• MP3(MPEG Audio Layer-3):もともとはMPEG-1で採用されていた音声圧縮方式。その後MP3規格のみを取り出し、音楽配信データフォーマットとして広く普及した。
• AAC(Advanced Audio Coding):MP3の後継規格。より高音質・高圧縮を実現している。音楽配信サービスで利用されている。
• FLAC(Free Lossless Audio Codec):音質劣化がない可逆圧縮形式のうち、特許などの縛りがなく利用できるフォーマット（オープンフォーマット）として広く利用されている。ハイレゾ音源などによく用いられる。

符号化したデータの伝送

同期ミスによってデータがずれる可能性がある。

同期

• ビット同期(クロック同期方式):1bitのデータを認識するための方法で、伝送される波形のどの部分が1bitに対応するのかを規定する。タイミングクロック（水晶発振器によってタイミングパルスを生成するもの）を利用する。
• 同期方式(連続同期方式):データ信号の中に、同期タイミングを取るための信号を混在させる方式。受信側は同期タイミングデータから、波形のどの部分をデータタイミングとして抽出すればよいか判断する。（データの形によっては同期タイミングを分離しにくいこともあり、その場合、同期タイミング用の信号線をデータ信号線と別に用意する手法もあるが、あまり利用されていない。）
• 非同期方式(調歩同期方式):非同期方式とも呼ばれる通信方式で、7bitか8bitの固定長ブロックの前後にスタートビットとストップビットを付加して送信する方法。1文字ごとに2bitの情報を付加する必要があるため、オーバーヘッドが大きく、大容量データの伝送には不向き。（必要な設定：データブロックのサイズ[7or8bit]、パリティの有無、伝送速度）
• ブロック同期:ビット同期が確立できたビット列を、データブロックとして認識するための同期
• キャラクタ同期：送信側が送信データの最初にSYNコードという同期を取るための特別なコードを連続して送信する方式。同期方法が簡単でほとんどの通信機器が対応している。(ASCIIコードのSYNコード。SYNは特殊キャラクタとして扱われるため、コード体系事にコード番号が割り当てられる。8bit以外の区切れ目でも繰り返しが生じるパターンは、同期がとれないためSYNコードにすることができない。[SYNコード:00010110(8bit)]受信側はSYNコードを認識してからデータの受信を開始する。どのビットから受信を始めても最悪8回目には正しく認識できるようになっている。SYNコードと同じデータを送信する前には特定のコードを送信して後続のSYNコードをデータとして認識させる方法がある。)

【キャラクタ同期方式の欠点】

• SYNコードのパターンはデータとして送信できないため、SYNコードと同じビットが出現する可能性があるバイナリデータなどは変換して送信する必要がある。
• 8ビット長のデータしか対応していないので、16bitで構成される日本語や可変長のマルチメディアデータの送信ができない。多様なビット列を送信する用途には、フラグ同期方式を採用することが多い。
• フラグ同期：送信したいデータの前後にフラグという特別なビット列を挿入して同期を取る。フラグと同じパターンが出てこなければよいので、送信するデータは何ビット単位の塊であってもかまわない。(フラグ同期方式では柔軟な運用が可能で、データ伝送効率の高い同期制御方式となっている。[フラグ値:01111110(8bit)]

ゼロインサーション：フラグと同じビット列がデータ中に出現しないようにするための処理。フラグ値が01111110なので、データ中に1が5つ連続した場合は強制的に0を挿入する。

回線制御

• モデム:アナログ回線に対して接続/制御を行う回線制御装置
• RS-232Cインターフェース:EIA(米国電子工業会)が策定したシリアルインターフェース規格で、PCと周辺機器を結ぶ用途に用いられる。（TIA/EIA-232-Eとも呼ばれる。）
• NCU(Network Control Unit):網制御装置。モデムと交換機の間に接続される。ダイヤリングなどを行い回線を制御するための装置。従来はモデムとは別の装置として実装されていたが、中期以降では特にコンシューマ向けのモデムに関してはほとんどがNCUを内蔵している。

変調方式

ディジタルデータをアナログデータに変換する際には、搬送波と呼ばれる信号に変調を加えてディジタルデータの0と1に対応させる。

• 振幅変調（ASK:Amplitude Shift Keying）：振幅の大きさによって、0と1を判別する変調方式、大きい音か小さい音かという違い。
• 周波数変調（FSK:Frequency Shift Keying）：周波数の変化によって、0と1を判別する変調方式、低い音か高い音かという違い。
• 位相変調（PSK:Phase Shift Keying）：位相の変化によって、0と1を判別する変調方式
• 直交振幅変調：振幅変調と位相変調を組み合わせたもの。

トラフィック理論

呼

• 呼：ネットワーク上に存在するサーバや通信機器に対する接続要求
• 発呼：接続要求をする側
• 着呼：接続要求される側

アーラン

呼量を表す単位。呼量は「単位時間あたりの通話量」

• 最頻時呼数：一日の中で最も呼数の多かった一時間における呼数
• 最頻時呼量：最頻時呼数が得られた1時間における呼量

• 呼数：単位時間の個数
• 呼量：単位時間あたりの通話量
• 平均回線保留時間：呼の通話時間の平均
• 単位時間：ある範囲時間

呼損率

発呼に対し着呼できない状態の確立

アーランのB式

• n:回線数
• A:呼量
• B:呼損率

待ち行列理論

待ち行列モデル

• M/M/1モデル：着呼、損失呼、待ちの３つの状態を含めてシステムのスペックを考えるモデル
• 待ち行列モデル：待ち時間を計算する場合にどのように待たされるかを確定させたもの。

ケンドール記号：待ち行列モデルに不可欠なトランザクションが到着する時間間隔の分布や、サービス時間の分布、サービス窓口の数を簡単に示すための記号。

X/Y/S
X=到着分布　Y=サービス分布　S=窓口分布（Sには窓口数を入れる。X、Yには[M:ポアソン分布または指数分布.G:一般分布.D:一定分布]
このうち、待ち行列理論の基本になるのがM/M/1モデルで「到着傾向がポアソン分布、サービス時間が指数分布の窓口が１つある」と考える。

• M/M/sモデル：複数の窓口のケースにも対応できるモデル。

待ち行列の計算に必要な要素

M/M/1モデルの公式

• 平均応答時間の公式:平均応答時間=平均待ち時間+平均サービス時間
• 平均待ち時間の公式:平均待ち時間=(ρ/1-ρ)*Ts

誤り制御

ノイズなどの要因によってデータが破損した場合、検出して再送したり、その場で回復したりする処理のこと

誤り制御の方法

「訂正」＞「発見」＞「そのままの状態」で計算時間や伝送データ量が大きくなる

1. 誤り検出により再送を行う方法:パリティチェック、CRC

ARQ(Automatic Repeat Request):オートマティックリピートリクエスト方式。誤りを検出したパケットを再送するように要求する。

2. 誤り訂正により自己修復を行う方法:ハミング符号

FEC(Forward Error Correction):フォワードエラーコレクション方式。データの再送なしに受信側が冗長データから正常なデータを復元する。

jitter:アナログ通信が伝送中にゆがみ、ディジタル変換するタイミングにずれが生じること。伝送誤りの原因の一つ

パリティチェック

最もシンプルな検査方法。7ビットのデータを送信する場合、8ビット目に誤り検出用のパリティビットをふかしてデータの整合性を検査する。

• 偶数パリティ：8ビット全体のデータを見た時偶数になるようにパリティビットを挿入
• 奇数パリティ：8ビット全体のデータが見た時に奇数になるようにパリティビットを挿入

ビット誤り率(Bit Error Rate):受信したデータ中にある誤りデータの比率のこと。

パリティチェックのバリエーション

• 垂直パリティ：キャラクタ単位でチェックする。
• 水平パリティ：伝送文字列の最後にBCC(Block Check Caracter)という冗長文字を付加する形式。ETB、ETXの後にBCCが付加される。SOH、STXの直後からETB、ETXまでをチェック対象とする。
• 群計数チェック方式：水平方向の１の数を加算し、その結果を２進数で表す。さらに、加算結果のうちの下２桁をCK1、CK2としてチェックビットにする。この方法で偶数個ビットの誤りを検出できる

CRC(Cyclic Redundancy Check)

送信するデータに生成多項式を適用して、誤り検出用の冗長データを添付する方式。パリティチェックに対してさらに複雑な演算を行うことで、バースト誤りも検出できる点が特徴。CRCの演算負荷は非常に大きく、現在ではCRC処理用の専用チップを用いることで解消している。(教科書P81)

バースト誤り：データが連続してエラーを起こす特性を指す

ITU-T勧告V.41：x^16+x^12+x^5+1

ハミング符号

情報ビットに対して検査ビットを付加し、２ビットまでの誤り検出と、１ビットの誤り自動訂正機能を提供する