通信網に関するシミュ V ーション
川島幸之助
111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111.

はじめに通信網は巨大なシステムである.

1 世紀に及ぶ長い歴史と各種の技術革新により，今日の情報化社会を支えるシステムを形成してきた.さらに，電話トラヒッタのみならず，コンピュータ情報，ピデオ情報等を運ぶマルチメディア通信網へと発展しつつある.

図 1

通信網の構成通信網を流れる情報，すなわち(通信)トラヒック(交通と区別するときは teletraffic を使う)の発生，消滅

開発が非常に盛んに行なわれている等は確率的事象としてとらえられる.約90年前にトラヒchronousTransferMode) 技術を端末一端末間にック理論が開拓され今日にいたっているが，複雑な対象適用した場合の通信品質を解析するために開発されたに対しては，理論では十分な解析はできない.たとえば，シミュレータ

ATM(Asynｭ

大規模な通信網の特性解明や，複雑なスケジューリング

(3) アクセス網に関するものとして，通信サービスを新たを含む交換機の性能評価等には，解析的手法の適用は限に開設したり，移転するときのお客様に対する+ーピられているので，計算機を用いたシミュレーション [IJ

ス性を評価するためのシミュレータが用いられる.

このシミュレータは上記(1) ，通信網にシミュレーションを使用した初期の例としては，物理現象から生じる乱数を用いた先駆的研究 [2J があるが，その後のディジタル計算機の発展とともに，1965年頃より多くのシミュレーションが実施されている [3J.
本稿では，特徴的な 3 つの最近の実施例を原論文を引用しながら紹介する.

2. 通信網の構成と紹介するシミュ
レータ(2) とは異なって本来の意味の通信を対象としていないが，通信網に関する一種の生産工程管理に関するものとして紹介する.
なお，ノードに関するシミュレーションは，過去多くの実施例があるが，本稿では割愛する.

3.

ダイナミックルーチング用シミュ

レータ
近年，電話サービスの多様化や使用形態の変化，さらには競争状況の進展によって通信網におけるトラヒック

通信網は，簡単にいえば交換機(ノード)と伝送路(リはその量，質ともに変化しつつある.このような予期せンク)から構成される(図 1 ).また，多くの国(通信会

ぬトラヒック変動に柔軟に対処するため，呼の経路選択社)の通信網は，図のような全国的な中継続，地域中継法，すなわちんーチングを状態に応じて動的に変更する網，およびアクセス網に分けられる.

いわゆるダイナミックルーチング[勾が研究，あるいは導本稿では，次の 3 種類のシミュレータを紹介する.

(1)全国中継商の効率的運用のために各国で研究・導入されつつあるダイナミックルーチング方式の研究用に開入されている.本章では，ルーチングアルゴリズムの研究用に開発されたシミュレー夕日， 6J を紹介する.

3.
1 基本条件とシステム構成
本シミュレータでは，以下の条件を仮定している.

発されたシミュレータ(均現在マルチメディア通信に対する通信技術として研究.回線の空/塞状態を模擬する.

・各呼処理において交換機内の共通機器および呼発生・
かわしま

こうのすけ

NTT 通信網総合研究所〒 180 武蔵野市緑町 3 ‑ 9‑11
1993 年 11 月号

消滅時の処理に必要な共通線信号処理は模擬しない.
.空回線数等の網情報を収集・管理するセンタを設置す© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

(27)583

ることを前提とするんーチング方式では，センタにおする計算機時間の削減のためユーザーの評価要求に適しける網情報の更新周期，および転送遅延時聞を模擬す

たシミュレータの実行モジュールを作成することである.

る.実行モジュール作成プロセスは以下の処理から成る.

・呼の生起間隔分布，保留時間分布は任意に設定できる.
用いられているシミュレーション方法は，時間追跡法[円である.時間追跡法は，生起間隔，保留時間，等に任.実行環境選択・シミュレーションプログラムの選択.データ管理方法の最適化

意の分布を指定できる.しかし，各イベントの発生時刻，シミュレージョンの高速化のため，時間管理データ作終了時刻をそれらの処理順序とともに管理する必要があ

成部，シミュレーション実行部それぞれにおいて以下のるため，対象とする網や呼量が大規模になると，メモリ技術を取り入れている.

量や計算機時聞が増大する.

一呼処理の分類，ルーチング方式の評価に必要な機能の基本構成は，発生時刻，終話時刻の算出，およびそれらの時間データのソーティング処理を行なう時間管理データ作成部と呼処理を行なうシミュレーション実行部からなる(図 2 ).なお，本シミュレ}ションでは，交換機内は模擬していないので，待ち行列は生じない.また，プログラミングには汎用言語を用いている.時間管理デ抽出により，ルチーングシミュレータの特質にあったモジュール化構造を実現している.
一時間管理データの構造は，リスト形式であり，ルーチングシミュレータに適したクイックソート技術を取り入れたデータ管理方法を用いている.

一回線空塞状態，各種トランザグション等の大容量配列

ータ作成処理は，ルーチング方式にかかわらず l つのトの領域をトラヒック量や網モデルの規模に応じて設定ラヒッグ・パターンに対して 1 回実行すればよい.つまする方法を取り入れている.

り，シミュレーションで最も処理時間を要する部分であ(の実行プロセスる時間管理データ作成処理を前処理化することにより，あるトラヒック・パターンに対する，各種のルーチング方式の性能評価に要する時聞を大幅に短縮できる.

3.
2 実行手順る.シミュレーションを実行するために必要となるデータは，以下の処理によって作成される.

シミュレーションの実行手順は，実行モジュール作成プロセスと実行プロセスに分けられる.
(1)実行モジュール作成フ。戸セス

このプロセスの目的は 2 つある.

実行プロセスは，実行モジュール作成プロセスで作成されたシミュレータを実行させるためのプロセスでゐ-網モテ"ル，トラヒックデータ作成

・時間管理データ作成-シミュレーションデータ作成……シミュレーションの

1 つはユーザーの要求する計算環境で実行可能なシミュレーションプログラムを作ることであり，もう 1 つはシミュレーションに要起動条件，ルーチング方式を定義するパラメータ等の入力データファイルを作成する.
・ジョブファイル作成

本シミュレータにより，各種のダイナミックルーチング方式の比較評価が可能となり， NTT 中継網に適した新たな方式が開発された.
さらに現在，通信網の運用に関する各種措置の効果を高速に把掻するため，並列処理方式を用いたシミュレー
タが研究されている [7J. その狙いは，通信網を規定するネットワークアーキテクチャの用語でいえば，回線，パス(論理的伝送路)，設備(物理的伝送路)の各階層に関する状況のシミュレーション結果，および知識ベースによる過去の分析結果の再利用により，オベレータに迅速に判断データを提供することにある.すなわち，現実の通信網の動作状況を計算機上に実現する，一種のバーチ
図 2

ダイナミック ルーチングシミュレーションのヤルリアリティをめざすものである.

システム構成584 (28)© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

オペレーションズ・リザーチ実体ヨン

ATM 網及 v'通信サービスの品質調IJ定各ノード，リンク毎の品質調IJ定

廃棄率，遅延時間，遅延ゆらぎ

廃棄率，遅延時間，遅延ゆらぎ
情報部誤り率等

ヘッダ誤り率等

図 34.

ATM網品質解析用シミュレータの対象と摂u定項目

C 単位での品質を解析対象としているので，セルの発生

ATM 網晶質解析用シミュレータ

は品質を測定したい VC (着目 VC と呼ぶ)とその他のマルチメディア情報を運ぶ通信網として，高速広帯域V C (着目 VC と伝送路を共用する VC をまとめてパッISDN(B-ISDN) に対する研究開発が盛んに行なわれてクグランドと呼ぶ)とに分けて行なう.また通信中の品いるが，その情報伝達方式として期待されているのが A質を対象とし，呼設定過程に関するシミュレーションはTM(AsynchronousTransferMode) 技術である [8J.

省略する.

ATM技術は送信情報を画定長の情報に分割しこれ4.
2 基本条件とシステム構成に宛先等の制御情報(ヘッダ)を付加してセルと呼ばれシミュレータに求められる条件は，①中継ノード数のる情報ブロックに再構成して通信する技術である.各ノ追加や品質制御方式の変更が簡単に行なえるよう，プロードではヘッダを見てハードウェア論理により次のノーグラムやモジュール化されていること，②シミュレーシドへ送出する.また昨今の伝送路(光ファイパー)の高ョンの実行に要する時間が速いこと，である.この 2 条

品質化によりセルの再送処理は網内では実施しな L 、，あ件を満たす走行環境として 1 ノードに 1 プロセッサを対るいはアロー制御も非常に簡素化されユーザ一間に委ね応させたマルチプロセッサシステムによる分散シミュレられている.回線交換技術ではエンドーエンド聞には物ータが適している.

理的に回線(ある L 、はタイムスロット)が占有されるが，ATM網でのセル転送には以下の特徴があるため，プATM技術ではパケット交換のように仮に呼の通信経路ロセッサをタンデムに結合する簡単な形のマルチプロセが設定ッサ構成で分散シミュレータが実現できる.

(Virtual Channel あるいは VC と呼ぶ)

されるのみであり，この上をセルが断続的に転送される.
したがってパップァや伝送路のような物理的な共用リソ(1) 1V C のセルが経由するノードは呼設定時に定められ，呼の続く間変化はしない.

ースではトラヒック的な競合が確率的に生じるため，通(2) セル転送は発側から着側へ一方向に行なわれ，基本信中の品質解析が重要な課題となる.そのために開発さ的にフィードパック，同ーのノードへ戻ることがない.

れたマルチプロセッサ型のシミュレータ [9 ， 10J を紹介す本シミュレータでは，端末と通信網を構成するノード，リンクに着目し，シミュレーション対象を次の 3 種類にる.

4.1 シミュレーション対象分類している.①発端末と 1 ノード，② 1 リンクと 1 ノシミュレーションで対象とする範囲を図 3 に示す .Vード，③着端末.これらでの処理をそれぞれ 1 プロセッ

1993 年 11 月号© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

(29)585サに割り当て，エンドーエンドのセル転送を模擬している.プロセッサシステムは，高並列処理用に開発された PAX コンピュータ[I1 J の考えにもとづいている.

これにより，シミュレーション対象の通信網との対応がわかりやすくなるとともに，プロセッザ聞の結合度が疎になり，プロセッサごとのプログラムを独立して開発できるようになる.なお，プログラミングには汎用言語を用いている.
本シミュレータでは，シミュレーションの時間管理を行なうために，各セルに時間情報

図 4(タイムスタンプ)を乗せ，それをもとに各プ

サービス開通業務のフロー概要ログラムモジュールで独立に時間管理する.この方式は

図 4 に示す.サービス性向上をめざして，自動化MDF集中管理方式(シミュレータ全体の時間管理を担当する(MainDistributingFrame) 等による作業の自動化

プロセッサで各プロセッサから現時刻の報告を受け，全と業務フローの見直しが並行して行なわれている.これプロセッサの時間を一括して更新する方式)に比べ，各らの施策がサービス性向上にどの程度寄与できるかを事プロセッサ上のプログラム実行がアイドルになることが前にかつ定量的に評価するため，シミュレータ [12 ，少なく，時間管理のためプロセッサ開通信を頻繁に行なが開発された.本シミュレータは，一種の生産工程シミう必要がないので，シミュレーションの実行速度の点、でュレータである.

も優れている.

13Jお客様の注文をシステム中を流れる要素 (entity) と見なし，電話サーピス開通業務の業務フローを模擬し，シ5. サーピス性評価用シミュレータ

ミュレーション言語 SLAMn を用いて作成されている.

電話サービス開通業務は，電話回線の新規加入，移転，本シミュレータへの入力データは，お客様来訪数，注文付加+ーピス(キャッチホン等)の追加を処理する業務

種別IJ (新規申込，移転，付加サービスの追加)等の外部である.本業務に関するお客様からの注文は，NTT の婆因と，人員配置，作業時間等，電気通信事業者が決定

場合，全国で年間 800万件にも達するため，そのサービスできる内部要因に分類される.一方，出力データとして，性，特に「お客様の注文受付からサービス提供までに要お客様の申込からサービス開通までの所要時間，受付時する時間 J を評価，短縮することは重要な課題である.の待ち時間等を得ることができる(図 5 ).各種の時間の5.
1 業務フローとシミュレータ

オーダーは，すでに紹介した 2 種類のシミュレータに比電話サービス開通業務の業務フロー(作業の流れ)をべて非常に大きく，分，時間である.

業務フロー

出力データ

5.
2 シミ a レータの汎用化
上記シミュレータでは，業務フローが変更された場合，そのつど，業務フローに相当するプ:L

ログラムを作成し直す必要があり，プログラミング技術をもたないユーザーを想定した汎用化が図られた [14J.
汎用化，ユーザーフレンドリー化のために，システムに要求される機能として，次の項目が考えられた.
・さまざまな業務フローの容易な入力機能
・入力フローをもとにしたシミュレーションモ
図 5586 (30)-ij-ーピス性評価用シミュレータの概要

デルの自動生成機能© 日本オペレーションズ・リサーチ学会. 無断複写・複製・転載を禁ず.

オベレーションズ・リサーチ

[3J 五嶋，何回:通信網におけるシミュレーション技-シミュレーション実行機能
・シミュレーション結果の視覚的な出力機能等
これらの要求条件を満足するために，次の各モジュー

Vo 1. 60, No.7 , pp.747‑

752(1977).
[4J 間瀬憲一:ダイナミックルーチングのモデル化手ルを有するシステムとして実現されている.

• GUI(GraphicalUserInterface)術，電子情報通信学会誌，を用いた業務フ

ローおよび各種条件の入力が可能なプリプロセッサ・シミュレーションモデルの自動生成およびシミュレー

法，オペレーションズ・リサーチ，
pp.144 ー 148

Vo 1. 35 , No.3 ,(1990).

[5J 井上，山本:ダイナミックルーチング評価支援用
大規模ルーチングシミュレータ，電子情報通信学会交ション結果の収集を行なうシミュレータ
・シミュレーション結果をもとにしたアニメーション表
示および帳票グラフ表示を行なうポストプロセッサ

なお，プログラミングには，汎用言語を用いている.
入力された業務フローデータからシミュレーションモデルを自動生成する方法として，ソースプログラムの自動コーディングが考えられるが，プログラムを実行形式に変換するための処理時間を要するという欠点がある.
そこで本システムでは，あらかじめ実行形式に変換しである各ノードごとの処理プログラムを組み合せて処理フローテープルを作成し，これにより業務フローのシミュレーションモデルを表現する方法をとっている.
また，業務の混み具合等を分析するには，時系列データのアニメーション機能が有効である.本シミュレータ
でも注文の流れ，滞留状況を画面上に表示している.

6. おわりに換システム研究会報告， SSE89-67 , pp.
31‑36(1989).

[6[ Inoue , A. , Yamamoto , H. , and Harada ,Y.

An Advanced Large.Scale Simulation

SystemforTelecommunicationNetworkswith
DynamicRouting , Proc. NETWORKS'89 , pp.
77‑82 (1989).
[7J Hasegawa , H. , and Inoue , A.

Approachto Nationwide Network Simulation Making
Virtual Reality for Telecommunication
Network Management , Proc. of the 1992
Winter Simulation Conference ,pp.1374‑1379(1992).
[8J 紀一誠 :ATM のモデル化とその周辺，日本 O
R 学会第 25 回シンポジウム「待ち行列ーモデリングと解法一 J ， pp.8 ー 20(1991).

[9J 横井，岸本 :ATM網エンドーエンド品質解析用

通信網の運用，新技術の適用，さらにはお客様対応の業務等，さまざまな局面で定量的評価・分析のために，シミュレーションが広く用いられている事例を示した.
昨今のグラフィックス能力の向上，計算機の高速化により，より使いやすい，理解しやすいシミュレータの作成が可能となってきた.今後さらに，通信網を対象としていわゆるバーチャルリアリティ的なシミュレーションシミュレータの構成法，全国大会，

日 OJ

1990年電子情報通信学会春季

B.636 (1990).

Yokoi , T. , Kishimoto , N.and Fujii , Y.:

AT MNetworkPerfomance Evaluation usingParal1elandDistributedSimulationTechnique ,Proc. ofITC14 , "Teletraffi
candDatatraffic" ,pp.815‑820 (1991).

も可能であり，シミュレーション技術は今後の通信網構[l1J 星野力 :PAX コンピュータ，オーム社，( 1985).

築・運用に対してますます大きな貢献ができるものと期[
12J 小関，池内:電話サービス開通業務のサービス性侍される.最後に，本稿の作成に際し， NTT 通信網総合研究所の井上明也主任研究員，横井忠寛主幹研究員，池内哲之主任研究員をはじめ関係者から，種々のご助力評価，

1992 年電子情報通信学会春季大会，

B‑643(1992).
日 3JOzeki , S. , and Ikeuchi ,N.: Customer

Service Evaluationinthe Telephone Serviceをいただいたことを記し深謝する.

ProvisioningProcess , Proc.oft
he1992Winter
参意文献

Simulation Conference , pp.1341 ー 1348 (1992).

[1J 秋丸，川島:情報通信トラヒック一基礎と応用ー
電気通信協会(1 993).

ンフロー評価システムの構築，[2J 猪瀬博:定位形交換線群擬似電子装置，電気通信学会誌，

Vo 1. 37 ,1993 年 11 月号[14J 今中，佐藤，小関，池内:加入者系オベレーショ

No ふ pp.398-402

会春季大会，1993年電子情報通信学

SB‑7‑2 (1993).

(1954).

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