(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通信網を流れる最大トラヒック量を推定する最大容量計算方法において、 
或る期間に前記通信網において観測されたトラヒック量の平均値を収集する収集ステップと、
前記収集ステップにより収集されたトラヒック量の平均値と、予め設定されている前記通信網に収容される個々の通信回線のトラヒック量の上限値とを利用して、前記期間において発生可能な前記通信網におけるトラヒック量の最大分散値を算出する最大分散値算出ステップと、
前記最大分散値算出ステップにより算出された最大分散値と、予め与えられた有意水準とに基づいて最大短期変動トラヒック量を確率的に推定する最大短期変動トラヒック推定ステップと
を有することを特徴とするトラヒック短期変動要素を考慮した最大容量計算方法。
【請求項２】
請求項１に記載の最大容量計算方法において、
さらに、トラヒック量を前記通信回線の前記上限値まで使用するか否かの確率を表す利用率を算出する利用率算出ステップを有し、
前記最大分散値算出ステップは、前記利用率算出ステップにより算出された利用率を利用して前記通信網におけるトラヒック量の最大分散値を算出することを特徴とするトラヒック短期変動要素を考慮した最大容量計算方法。
【請求項３】
請求項２に記載の最大容量計算方法において、
前記最大短期変動トラヒック推定ステップにより推定された最大短期変動トラヒック量を用いて、前記期間において発生可能な前記通信網におけるトラヒック量の最大値を表す最大容量を推定する最大容量推定ステップをさらに有することを特徴とするトラヒック短期変動要素を考慮した最大容量計算方法。
【請求項４】
請求項３に記載の最大容量計算方法において、
前記最大容量推定ステップにより推定された前記通信網における最大容量と、前記通信網に収容される全通信回線の総物理帯域の最大値を表す最大物理容量とを比較し、前記最大物理容量との乖離を計算するステップをさらに有することを特徴とするトラヒック短期変動要素を考慮した最大容量計算方法。
【請求項５】
通信網を流れる最大トラヒック量を推定する最大容量計算装置において、 
或る期間に前記通信網において観測されたトラヒック量の平均値を収集する収集部と、
前記収集部により収集されたトラヒック量の平均値と、予め設定されている前記通信網に収容される個々の通信回線のトラヒック量の上限値とを利用して、前記期間において発生可能な前記通信網におけるトラヒック量の最大分散値を算出する最大分散値算出部と、
前記最大分散値算出部により算出された最大分散値と、予め与えられた有意水準とに基づいて最大短期変動トラヒック量を確率的に推定する最大短期変動トラヒック推定部と
を備えることを特徴とするトラヒック短期変動要素を考慮した最大容量計算装置。
【請求項６】
請求項５に記載の最大容量計算装置において、
さらに、トラヒック量を前記通信回線の前記上限値まで使用するか否かの確率を表す利用率を算出する利用率算出部を備え、
前記最大分散値算出部は、前記利用率算出部により算出された利用率を利用して前記通信網におけるトラヒック量の最大分散値を算出することを特徴とするトラヒック短期変動要素を考慮した最大容量計算装置。
【請求項７】
請求項６に記載の最大容量計算装置において、
前記最大短期変動トラヒック推定部により推定された最大短期変動トラヒック量を用いて、前記期間において発生可能な前記通信網におけるトラヒック量の最大値を表す最大容量を推定する最大容量推定部をさらに備えることを特徴とするトラヒック短期変動要素を考慮した最大容量計算装置。
【請求項８】
請求項７に記載の最大容量計算装置において、
前記最大容量推定部により推定された前記通信網における最大容量と、前記通信網に収容される全通信回線の総物理帯域の最大値を表す最大物理容量とを比較し、前記最大物理容量との乖離を計算する手段をさらに備えることを特徴とするトラヒック短期変動要素を考慮した最大容量計算装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トラヒック短期変動要素を考慮した最大容量計算方法および最大容量計算装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＡＴＭネットワークでは、トラヒックに関するパラメータ、例えば、最大セル速度や最大バーストサイズなどに代表される決定的に与えられるパラメータや、一方で、統計的モデルを利用して統計的(確率的)に定められるパラメータを用いることでトラヒックの特性を評価し、また、そのサービス品質ＱｏＳを定めている（非特許文献１）。 
【０００３】
また、ネットワークを流れるトラヒックの挙動を得るために、観測間隔を小さして実際にトラヒック計測を行い、そしてその計測した値からトラヒックの長期変動の挙動を除去し、その分散等から短期変動を統計的に予測または計算する方法がある（特許文献１：従来技術１）。
【０００４】
しかし、一方で変動するトラヒックを計測することは観測に非常に負荷がかかる。こうしたトラヒック管理技術において、ネットワークを流れるトラヒックの最大容量を統計的に求める手法が望まれる。非特許文献１に示されるＡＴＭネットワークにおける技術に、各回線の利用率を利用して、利用率を変数として最大容量を見積もる方法がある。これはどういった利用率の時に、最大容量がどれくらいかを見積もるために重要な技術である（従来技術２）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２４７９５７号公報
【非特許文献１】ＡＴＭネットワーク、村田正幸、科学技術出版、１９９７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ネットワーク（通信網）を流れるトラヒックの最大容量を知るために、定常的にトラヒックを短時間単位で観測すると、観測に非常に大きな負荷を要する。本発明は、こうした負荷を与えることなく、また、各回線の利用率を利用することなく、通信網を流れるトラヒックの最大容量を推測可能にすることを目的とする。 
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、表１に示すような従来技術１，２の欠点を除去し、通信網を流れるトラヒックの最大容量を推測可能にするものである。
【０００８】
【表１】
0004823254.tif 000002
【０００９】
すなわち、本発明は、通信網を流れるトラヒックを或る期間に観測しその観測期間に得られるトラヒックの平均値と、通信ネットワークサービスを利用する個々の通信回線に定められる上限値とから、前記期間において発生可能なトラヒック量の最大分散値を算出する最大分散値算出ステップと、最大分散値算出ステップにより算出された最大分散値と、予め与えられた有意水準とに基づいて最大短期変動トラヒック量を確率的に推定する最大短期変動トラヒック推定ステップとを有することを特徴とする。
【００１０】
ここで、さらに、トラヒック量を通信回線の上限値まで使用するか否かの確率を表す利用率を算出する利用率算出ステップを有し、算出された利用率に基づいてトラヒック量の最大分散値を算出する。
また、最大短期変動トラヒック推定ステップにより推定された最大短期変動トラヒック量を用いて、前記期間において発生可能な通信網におけるトラヒック量の最大値を表す最大容量を推定する最大容量推定ステップを有する。
さらに、最大容量推定ステップにより推定された通信網における最大容量と、通信網に収容される全通信回線の総物理帯域の最大値を表す最大物理容量とを比較し、前記最大物理容量との乖離を計算するステップを有する。
【００１１】
また、本発明は、或る期間に通信網において観測されたトラヒック量の平均値を収集する収集部と、収集部により収集されたトラヒック量の平均値と、予め設定されている前記通信網に収容される個々の通信回線のトラヒック量の上限値とを利用して、前記期間において発生可能な前記通信網におけるトラヒック量の最大分散値を算出する最大分散値算出部と、最大分散値算出部により算出された最大分散値と、予め与えられた有意水準とに基づいて最大短期変動トラヒック量を確率的に推定する最大短期変動トラヒック推定部とを備える。
【００１２】
ここで、さらに、トラヒック量を通信回線の上限値まで使用するか否かの確率を表す利用率を算出する利用率算出部を備え、最大分散値算出部は、算出された利用率に基づいてトラヒック量の最大分散値を算出する。
また、最大短期変動トラヒック推定部により推定された最大短期変動トラヒック量を用いて、前記期間において発生可能な通信網におけるトラヒック量の最大値を表す最大容量を推定する最大容量推定部を備える。
さらに、最大容量推定部により推定された通信網における最大容量と、通信網に収容される全通信回線の総物理帯域の最大値を表す最大物理容量とを比較し、最大物理容量との乖離を計算する手段を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、通信網におけるトラヒック観測を行う場合、観測間隔が小さいような観測を行うことなく、また各通信回線の利用率を利用することなく、或る期間に観測されたトラヒックの平均値と、それぞれの通信回線の持つ上限値とから、その期間に想定されうる最大短期変動トラヒック量と最大容量を簡易な統計的な手法を用いて算出したことにより、トラヒック観測に要する負荷が減少し、通信網のトラヒック管理負荷を軽減できる。また、確率的にトラヒックの最大容量を推定できるため、通信網の設備設計に利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、様々な容量の通信回線が混在する通信網において、各通信回線の短時間変動によるピークトラヒックの影響を考慮した場合、安全を鑑みて、どれだけの容量の帯域を設計すべきかを算出できるものであり、観測で得られた平均トラヒック量と、個々の通信回線に定められているトラヒックの上限値とを用いて、各回線にトラヒックがどのように割り振られたときに平均トラヒック量からの分散が最大になるかを統計的に算出し、これをトラヒック短期変動要素とすることにより、安全かつ合理的な帯域設計を可能にするものである。
【００１５】
すなわち、図１に示すように、平均トラヒック量（観測により求まる量：トラヒック量の平均値）と、個々の通信回線の上限値および有意水準（これらは人が設定する値）とから、最大容量を統計的に算出する方法をモデル化するものであって、後述する制約式（４），（５），（６）の条件下で、後述の式（３）で示される分散値Ｖを最大化するものである。
【００１６】
このような本発明によって、トラヒック短期変動要素を帯域設計に取り入れるために短いサンプリング時間で多くのトラヒックデータを観測するといった従来の問題、および、観測で得られる値はトラヒックの平均値のみであって、各通信回線毎にどれだけの利用率でトラヒックが流れているかを観測できないために通信回線毎のトラヒック変動を考慮できなかったという従来の問題を解消することができる。
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図２は、本実施の形態の最大容量計算装置の接続状況を示す図である。通信網に流れるトラヒックからトラヒック短期変動要素を考慮した最大容量を計算する本実施の形態の最大容量計算装置１０は、通信網１内に存在するノード２に接続され、必要な情報の計測とその最大容量の計算を行うものである。ここでは図２に示すように、通信網１の中のノード２Ａとノード２Ｂとを結ぶ通信リンク３を考え、最大容量計算装置１０はノード２Ａからノード２Ｂに流れる最大トラヒック容量を計算するものである。
【００１８】
ここで、１つの通信リンクには図３に示すように多数の通信回線が収容されている。そして、それぞれの通信回線は最大のトラヒック量を示す上限値Ｂiを有し、同じ上限値Ｂiを有する通信回線がＮi回線存在するものとする。ここで、ｉはその上限値を持つ回線の種別とし、ｍ種類の上限値が存在するものとする。例えば、表２に示すように、１，１０，５０Ｍｂｐｓという３種類の上限値が存在し（ｍ＝３）、これら３種類の上限値に対応してそれぞれ３０，１００，２０の回線が収容されているものとする。 
【００１９】
【表２】
0004823254.tif 000003
【００２０】
従来技術との比較で挙げたように、本発明は、各回線の利用率に関する情報を持たず、また、このような情報を使うことなく、最大容量を計算するものである。
【００２１】
図４は前述した最大容量計算装置の構成を示すブロック図である。
ノード２Ｂに接続される最大容量計算装置１０は、図４（ａ）に示すように、ネットワークデータ収集部１１と、ネットワーク情報データベース１２と、モデル化部１３と、推定値格納データベース１４とから構成されている。ここで、モデル化部１３は、ＣＰＵなどにより構成され、ＣＰＵが図示しない記録媒体に格納されているプログラムを読み出して実行することにより以下の各部の機能を実現する。すなわち、モデル化部１３は、図４（ｂ）に示すような、利用率算出部１３１と、最大分散値算出部１３２と、最大短期変動トラヒック推定部１３３と、最大容量推定部１３４とを有している。
【００２２】
次に最大容量計算装置の各部の動作について説明する。ネットワークデータ収集部１１は通信網１内のノード２Ｂに流れる或る期間に観測されたトラヒック量の平均値Ｅを収集してネットワーク情報データベース１２に蓄積する。また、ネットワークデータ収集部１１はそのノード２Ｂに収容される通信回線の上限値Ｂi（１≦ｉ≦ｍ）と、通信回線の上限値Ｂiに対応する回線数Ｎi（１≦ｉ≦ｍ）とを設定値としてネットワーク情報データベース１２に蓄積する。 
【００２３】
モデル化部１３では上記ネットワーク情報データベース１２から得られる情報から下記に流れるフローによって最大短期変動トラヒック量Ｓを計算する。計算の手順として、与えられたトラヒック量の平均値Ｅに対し、分散値Ｖを以下の手順で求める。 
【００２４】
それぞれの通信回線から出力されるトラヒック量が無相関であり、それぞれの回線が確率Ｐiで、トラヒックを上限値まで使うか、もしくは全く使わないかのどちらかである場合、上限値Ｂiの通信回線から出力されるトラヒックの平均値と分散は、２項分布の平均、分散から
ＰiＮiＢi，Ｂi2Ｎi（１−Ｐi）Ｐi
が得られる。
【００２５】
ここで、確率Ｐiは変数のため、確定値ではない。この確率Ｐiは上限値Ｂiの利用率と考えることができる。すなわち、通信回線が例えば１００回線あり、これらの１００回線の上限値が全て例えば１Ｍｂｐｓであったときに、８０回線分は上限値を使い、２０回線分は上限値を全く使わないような場合、上限値を使う確率Ｐは
Ｐ＝（８０(Mbps)／１００(Mbps)）×１００＝８０（％）
であり、したがって、こうした確率Ｐは上限値Ｂの利用率と考えことができるため、通信網が全く回線を収容していない時、すなわち、 
手順
【００２６】
【数１】
0004823254.tif 000004
【００２７】
の時（すなわち、全てのｊについて回線数Ｎj＝０の時）、分散Ｖ＝０となる(定める)。
一方、
手順
【００２８】
【数２】
0004823254.tif 000005
【００２９】
の時は、モデル化部１３の利用率算出部１３１が各通信回線の上限値Ｂiに対応する利用率Ｐi（１≦ｉ≦ｍ）を変数として、この利用率を変数とする分散値Ｖの関数、すなわち、分散値Ｖ＝ｆ（Ｐ）＝ｆ（Ｐ1，・・・，Ｐm）を最大化するような利用率Ｐiを、同じく利用率で表される以下の制約式（４），（５），（６）の下で解き、かつ、モデル化部１３の最大分散値算出部１３２が分散値Ｖを求めることで、最大の分散値Ｖを得ることができる。
すなわち、以下の定式化された問題を解くことによって最大の分散値Ｖが得られる。
【００３０】
【数３】
0004823254.tif 000006
【００３１】
【数４】
0004823254.tif 000007
【００３２】
ここで、上記制約式（４）はトラヒック総量が観測値をとるという制限を表し、制約式（５），（６）は利用率Ｐiが０〜１の値をとりうるという制限を表している。また、上記式（３）は、制約式（４），（５），（６）の制限のもとでＶが最大の値となるようなＰ1，Ｐ2，……，Ｐmを求めることを表している。
【００３３】
ここで、評価関数は半正定値行列によって表現できるため、凸二次計画問題と考えられ、双対法、内点法（松井知己、田村明久、久保幹雄、応用数理計画ハンドブック、朝倉書店、２００２年）などの一般的な方法によって解は得られる。こうして得られた最大の値Ｖに対し、モデル化部１３の最大短期変動トラヒック推定部１３３により、例えば二項分布を正規分布で近似することによって、αを有意水準（例えば、α＝０．０１、α＝０．０５のように人が設定する値）とすると、
【００３４】
【数５】
0004823254.tif 000008
【００３５】
が得られる。そしてこれを最大短期変動トラヒック量Ｓとして推定値格納データベース１４に記録する。ただし、
【００３６】
【数６】
0004823254.tif 000009
【００３７】
とする。この例は、正規分布を仮定する例であり、他の分布であってもよい。ここで、モデル化部１３の最大容量推定部１３４は、Ｓ＋Ｅを最大容量として推定値格納データベース１４に記録する。
【００３８】
そして、同様に得られた解Ｐも最大容量を与える利用率として推定値格納データベース１４に記録する。また、モデル化部１３の最大容量推定部１３４は、通信網１のノード２Ｂに用意された物理回線の使用上限値（すなわち、ノード２Ｂの通信リンク３を構成する各物理回線の帯域の総和を表す総物理帯域の最大値：最大物理容量）と、上記でＳ＋Ｅとして求めた最大容量との乖離や比を求め、推定値格納データベース１４に記録することによって、例えばＳ＋Ｅとして求めた最大容量が前記最大物理容量の例えば８０％以内であれば、帯域設計に際して十分余裕のある値として認識できるなど、回線の収容状況を管理することを可能にさせる。
【００３９】
なお、求めた最大容量の値は上界値の一つであるが、制約式（５），（６）を仮定しない場合、Lagrangeの未定乗数法によって簡易に解を得ることはでき、
【００４０】
【数７】
0004823254.tif 000010
【００４１】
で与えられる（式（１０）で与えられるＡ3に全ての上限値Ｂiを割り振った時の値と同値)。この式（１０）を用いる方法は、精度は落ちるが簡単な計算で求めることができる。
【００４２】
上記非線形計画問題に対し、分散値Ｖは内点法等の一般的な計算によっても与えることができるが、Karush-Kuhn-Tucker条件を満足する解を見つけることによって明示的に与えることもできる。
【００４３】
モデル化部１３の計算では３つの集合Ａ1，Ａ2，Ａ3を定義し、ｍ種類の上限値のそれぞれを上記３つの集合の１つに割り振る。ただし、割り振る時、Ａ3が空集合である場合は除く。
【００４４】
例えば、図５に示されるように割り振る。そのため、３m−２m通りの割り振り方が存在する。割り振られた集合を用いて、以下で示される値、すなわち、
【００４５】
【数８】
0004823254.tif 000011
【００４６】
を順々に計算する。ただし、
【００４７】
【数９】
0004823254.tif 000012
【００４８】
とする。
制約式（５），（６）を満たし、全ての通りで組み合わせで計算された式（１０）で表される最大の値がＶとなる。 
また、この得られた集合に対し、各上限値Ｂiの通信回線毎に最大となる利用率を、次のようにして計算することができる。すなわち、
【００４９】
【数１０】
0004823254.tif 000013
【００５０】
のように計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】最大短期変動トラヒック量の推定状況を説明する図である。
【図２】最大容量計算装置の接続状況を示す図である。
【図３】最大容量計算装置が接続されるノードにおける通信リンクの状況を示す図である。
【図４】最大容量計算装置の構成を示すブロック図である。
【図５】通信回線の上限値の割り当て例を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…通信網、２Ａ〜２Ｆ…ノード、３…通信リンク、１０…最大容量計算装置、１１…ネットワーク情報データベース、１３…モデル化部、１４…推定値格納データベース、１３１…利用率算出部、１３２…最大分散値算出部、１３３…最大短期変動トラヒック推定部、１３４…最大容量推定部。
【図１】
0004823254.tif 000014
【図２】
0004823254.tif 000015
【図３】
0004823254.tif 000016
【図４】
0004823254.tif 000017
【図５】
0004823254.tif 000018