JP6553555B2

JP6553555B2 - サービス品質制御装置、サービス品質制御方法及びプログラム

Info

Publication number: JP6553555B2
Application number: JP2016153218A
Authority: JP
Inventors: 直樹肥後; 末田　欣子; 欣子末田; 巧大羽; 新小池
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-08-03
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2036-08-03
Also published as: JP2018023014A

Description

本発明は、制御コントローラがネットワークを介して制御対象を制御するときのサービス品質を制御するサービス品質制御装置、サービス品質制御方法及びプログラムに関する。

インターネットに代表されるパケット交換ネットワークでは、複数の異なるアプリケーションによりリソースが共有される。そのため、各アプリケーションが要求するリソース量が利用可能なリソース量を超えると、パケットの遅延又は破棄が発生する。

このような状況においてネットワークのリソースが公平に各アプリケーションの通信に割り当てられる場合、アプリケーションの要求条件を満たすことができず、その結果、アプリケーションを利用するデバイスの制御動作が不安定になる場合が発生する。例えば、制御コントローラを用いて制御対象であるロボットアームを遠隔で制御する場合を考える。ロボットアームの映像は、ネットワークを介して制御コントローラに送信され、制御コントローラは、送信された映像を確認して、ロボットアームの制御を続ける。このような制御においてロボットアームの映像トラヒックに遅延が発生した場合、制御動作が不安定になる。

そこで、各アプリケーションのフロー毎に、接続時に申告された帯域を保証するという帯域保証が提案されている。

また、アプリケーションサーバから必要な帯域をネットワークに申告することにより、トラヒックの転送レートの変動を許容して、時間制約の厳しいアプリケーションの要求条件を満たす適応型アドミッション制御が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００８−８５９７４号公報

上記のように、ネットワークのリソースが公平に各アプリケーションの通信に割り当てられる場合、アプリケーションを利用するデバイスの制御動作が不安定になる場合が発生する。また、デバイスの制御動作が不安定化しても、補償することができない。

帯域保証が行われる場合、デバイスの動作が安定するほど十分な帯域が保証されなければならず、無駄に帯域を保証してしまう可能性がある。上記のロボットアームの例では、ロボットアームを動かしていない場合にも、無駄に帯域を保証してしまう可能性がある。

適応型アドミッション制御が行われる場合にも、必要以上の帯域が申請される可能性があり、同様に、上記のロボットアームの例では、ロボットアームを動かしていない場合にも、無駄に帯域を保証してしまう可能性がある。

本発明は、制御コントローラがネットワークを介して制御対象を制御するときに、適切にサービス品質を制御して制御動作の安定性を向上させることを目的とする。

本発明の一形態に係るサービス品質制御装置は、
制御コントローラがネットワークを介して制御対象を制御するときのサービス品質を制御するサービス品質制御装置であって、
前記制御コントローラから前記制御対象に送信されるパケットを取得し、当該パケットから、前記制御コントローラが前記制御対象を制御する制御量を取得するパケット取得部と、
前記制御量に基づいて優先度を決定する優先度決定部と、
前記優先度に基づいてサービス品質を決定するサービス品質決定部と、
を有することを特徴とする。

また、本発明の一形態に係るサービス品質制御方法は、
制御コントローラがネットワークを介して制御対象を制御するときのサービス品質を制御するサービス品質制御装置におけるサービス品質制御方法であって、
前記制御コントローラから前記制御対象に送信されるパケットを取得し、当該パケットから、前記制御コントローラが前記制御対象を制御する制御量を取得するステップと、
前記制御量に基づいて優先度を決定するステップと、
前記優先度に基づいてサービス品質を決定するステップと、
を有することを特徴とする。

また、本発明の一形態に係るプログラムは、
制御コントローラがネットワークを介して制御対象を制御するときのサービス品質を制御するサービス品質制御装置として、コンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該コンピュータを、
前記制御コントローラから前記制御対象に送信されるパケットを取得し、当該パケットから、前記制御コントローラが前記制御対象を制御する制御量を取得するパケット取得手段、
前記制御量に基づいて優先度を決定する優先度決定手段、及び
前記優先度に基づいてサービス品質を決定するサービス品質決定手段、
として機能させることを特徴とする。

本発明によれば、制御コントローラがネットワークを介して制御対象を制御するときに、制御動作の安定性を向上させることが可能になる。

本発明の実施例によるサービス品質制御の概略図本発明の実施例に係るサービス品質制御装置の機能構成図本発明の実施例に係るサービス品質制御装置における動作を示すシーケンス図本発明の実施例に係るサービス品質制御装置ハードウェア構成例を示す図

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例では、制御コントローラがネットワークを介して制御対象を制御するときのサービス品質を制御するサービス品質制御装置について説明する。サービス品質制御装置は、ネットワークを構成するルータ等の通信ノードに接続されており、通信ノードに対してサービス品質（ＱｏＳ）制御ポリシーを設定することができる装置である。

図１は、本発明の実施例によるサービス品質制御の概略図である。図１は、制御コントローラを用いて制御対象であるロボットアームを遠隔で制御する例を示している。制御コントローラ１はロボットアームの位置を目標値まで近づける誤差が大きく、制御コントローラ２はロボットアームの位置を目標値まで近づける誤差が小さいと想定する。ロボットアームの映像は、ネットワークを介して制御コントローラ１及び２に送信され、制御コントローラ１及び２は、送信された映像を確認して、ロボットアームの制御（すなわち、フィードバック制御）を行う。この場合、複数のロボットアームからの映像トラヒックは、限られたリソースを共用することになる。このような場合、制御コントローラ１の方がロボットアームの制御量が大きく、ロボットアームを高速で制御する必要がある。従って、映像トラヒックの遅延による影響は、制御コントローラ１の方が制御コントローラ２より大きく受けると考えられる。

なお、ここでの誤差とは、目標状態と現在状態との差を示しており、ロボットアームの位置を制御する例では、目標とする位置に対する現在の位置の差が誤差となる。ドローンの高さを制御する例では、目標とする高さに対する現在の高さの差が誤差となる。また、自動車の速度を制御する例では、目標とする速度に対する現在の速度の差が誤差となる。制御量は、現在状態から目標状態まで近づけるときの具体的な数値情報であり、例えば、速度、加速度等の数値である。

本発明の実施例では、制御量に基づいてトラヒックの優先度を決定し、優先度に基づいてＱｏＳ制御することにより、制御動作の安定性を向上させる。図１の例では、ネットワーク上に配置されたサービス品質制御装置は、制御コントローラ１及び２から制御対象であるロボットアームに送信される制御フローのパケットを取得する。サービス品質制御装置は、パケットのペイロードから制御量を抜き出すことにより制御コントローラ１及び２がロボットアームを制御する速度等の制御量を取得する。

そして、サービス品質制御装置は、制御量に基づいて優先度を決定し、優先度に基づいてＱｏＳ（例えば、帯域）を決定する。図１の例では、制御量が大きい制御コントローラ１の方が制御コントローラ２より優先度を高く設定する。

更に、サービス品質制御装置は、ルータ等の通信ノードに対してＱｏＳ制御を実施する。

図２は、本発明の実施例に係るサービス品質制御装置１００の機能構成図である。

サービス品質制御装置１００は、パケット取得部１０１と、優先度決定部１０３と、ＱｏＳ決定部１０５と、ＱｏＳ制御部１０７とを有する。

図３を参照して、それぞれの機能部について説明する。図３は、本発明の実施例に係るサービス品質制御装置１００における動作を示すシーケンス図である。

パケット取得部１０１は、送信元アドレス及び宛先アドレス等から、制御コントローラから制御対象に送信される制御フローのパケットを取得することができる。そして、パケットのペイロードを分析し、ペイロードから制御フローの制御量を抜き出す（ステップＳ１０１）。制御量は、優先度決定部１０３に送信される（ステップＳ１０３−１、Ｓ１０３−ｍ）。

優先度決定部１０３は、制御フロー毎に、制御量に基づいて優先度を決定する（ステップＳ１０５−１、Ｓ１０５−ｍ）。例えば、一定時間の間における制御量の各変数が従う分布は、正規分布に近似可能と仮定する。この仮定をもとに、以下のアルゴリズムによって制御量を優先度に変換する。

m個の制御コントローラがそれぞれ制御対象を制御するときの制御フローk（k=1,...,m）における時刻tの制御量

が正規分布に従うと仮定する。すなわち、

とモデル化して、時刻tにおける制御コントローラによる制御フローkの制御量^kx_i(t)（i=1,...,n）の平均値^kμi及び分散^kσ_i ²を推定する。ここで、nは制御量の変数の数を示す。例えばnの一例としてx軸の制御量、y軸の制御量、z軸の制御量等の変数が用いられてもよい。また、変数の数nは制御フローk毎に異なってもよい。

次に、

とすると、^kY(t)は自由度nのカイ二乗分布に従う。

F_n(*)を自由度nのカイ二乗分布の累積分布関数として、F_n ^-1(Y(t))により時刻tにおける制御量の大きさを0から1の間で表すことができる。大きいほど一定時間

の間で入力された制御量のうちで、重要度が高いことになる。そこで、制御量に基づいた優先度の高さ^kV(t)を

により定義する。

ここで、^kV(t)は、時間変動が激しいことが想定されるため、移動平均等のローパスフィルタをかけることが必要と考えられ、適当な伝達関数Gによりフィルタリングした値

を優先度として用いる。

ＱｏＳ決定部１０５は、例えば周期的に、優先度決定部１０３に対して優先度情報を要求し（ステップＳ１０７−１、Ｓ１０７−ｍ）、優先度決定部１０３から優先度情報を受け取る（ステップＳ１０９−１、Ｓ１０９−ｍ）。

ＱｏＳ決定部１０５は、制御フローk毎に、優先度に基づいてＱｏＳを決定する（ステップＳ１１１）。例えば、以下のアルゴリズムによって優先度をＱｏＳに変換する。ここではＱｏＳ制御として、帯域を制御する例について説明する。

全ての制御フローに割り当て可能な帯域の合計をb_allとし、制御フローkに必要な最低保証帯域を^kb_minとした場合、制御フローkに割り当てられる帯域^kbを

で算出する、
関数hの選び方は様々であるが、例えば以下のような関数が用いられてもよい。

なお、上記の式のVとして、伝達関数Gによりフィルタリングした優先度の高さを用いてもよい。

そして、ＱｏＳ制御部１０７は、制御フロー1〜m毎に、通信ノードに対してＱｏＳ情報を送信し（ステップＳ１１３−１、Ｓ１１−３ｍ）、ＱｏＳ制御ポリシーを変更する（ステップＳ１１５−１、Ｓ１１５−ｍ）。

以上のように、本発明の実施例によれば、制御コントローラがネットワークを介して制御対象を制御するときに、制御動作の安定性を向上させることが可能になる。この方式では、制御フローの関連付けを行うことにより、制御フローから自動的に帯域が制御されるため、帯域保証や適応型アドミッション制御のように無駄に帯域を保証することはない。その結果、トラヒック効率が向上する。また、適応型アドミッション制御のようなアプリケーションサーバとのインタフェースを規定する必要もない。

＜ハードウェア構成例＞
図４に、本発明の実施例に係るサービス品質制御装置１００のハードウェア構成例を示す。サービス品質制御装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１５１等のプロセッサ、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリ装置１５２、ハードディスク等の記憶装置１５３等から構成されたコンピュータでもよい。例えば、サービス品質制御装置１００の機能及び処理は、記憶装置１５３又はメモリ装置１５２に格納されているデータやプログラムをＣＰＵ１５１が実行することによって実現される。また、サービス品質制御装置１００に必要な情報は、入出力インタフェース装置１５４から入力され、サービス品質制御装置１００において求められた結果は、入出力インタフェース装置１５４から出力されてもよい。

＜補足＞
説明の便宜上、本発明の実施例に係るサービス品質制御装置は機能的なブロック図を用いて説明しているが、本発明の実施例に係るサービス品質制御装置は、ハードウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせで実現されてもよい。例えば、本発明の実施例は、コンピュータに対して本発明の実施例に係るサービス品質制御装置の機能を実現させるプログラム、コンピュータに対して本発明の実施例に係る方法の各手順を実行させるプログラム等により、実現されてもよい。また、各機能部が必要に応じて組み合わせて使用されてもよい。また、本発明の実施例に係る方法は、実施例に示す順序と異なる順序で実施されてもよい。

以上、制御コントローラがネットワークを介して制御対象を制御するときに、適切にサービス品質を制御して制御動作の安定化を向上させるための手法について説明したが、本発明は、上記の実施例に限定されることなく、特許請求の範囲内において、種々の変更・応用が可能である。

１００サービス品質制御装置
１０１パケット取得部
１０３優先度決定部
１０５ＱｏＳ決定部
１０７ＱｏＳ制御部
１５１ＣＰＵ
１５２メモリ装置
１５３記憶装置
１５４入出力インタフェース装置

Claims

制御コントローラがネットワークを介して制御対象を制御するときのサービス品質を制御するサービス品質制御装置であって、
前記制御コントローラから前記制御対象に送信されるパケットを取得し、当該パケットから、前記制御コントローラが前記制御対象を制御する制御量を取得するパケット取得部と、
前記制御量に基づいて優先度を決定する優先度決定部と、
前記優先度に基づいてサービス品質を決定するサービス品質決定部と、
を有するサービス品質制御装置。
前記優先度決定部は、制御量が大きいほど優先度を高く設定する、請求項１に記載のサービス品質制御装置。
前記優先度決定部は、m個の制御コントローラがそれぞれ制御対象を制御するときの制御フローk（k=1,...,m）における時刻tの制御量

が正規分布に従うと仮定して、時刻tにおける制御コントローラによる制御フローkのn個の制御量^kx_i(t)（i=1,...,n）の平均値^kμi及び分散^kσ_i ²を推定し、

とし、F_n(*)を自由度nのカイ二乗分布の累積分布関数として、F_n ^-1(Y(t))により時刻tにおける制御量の大きさを表し、当該制御量の大きさに基づいて優先度を決定する、請求項１又は２に記載のサービス品質制御装置。
前記優先度決定部は、
優先度の高さ^kV(t)を

により決定し、伝達関数Gによりフィルタリングした値

を優先度とする、請求項３に記載のサービス品質制御装置。
制御コントローラがネットワークを介して制御対象を制御するときのサービス品質を制御するサービス品質制御装置におけるサービス品質制御方法であって、
前記制御コントローラから前記制御対象に送信されるパケットを取得し、当該パケットから、前記制御コントローラが前記制御対象を制御する制御量を取得するステップと、
前記制御量に基づいて優先度を決定するステップと、
前記優先度に基づいてサービス品質を決定するステップと、
を有するサービス品質制御方法。
制御コントローラがネットワークを介して制御対象を制御するときのサービス品質を制御するサービス品質制御装置として、コンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該コンピュータを、
前記制御コントローラから前記制御対象に送信されるパケットを取得し、当該パケットから、前記制御コントローラが前記制御対象を制御する制御量を取得するパケット取得手段、
前記制御量に基づいて優先度を決定する優先度決定手段、及び
前記優先度に基づいてサービス品質を決定するサービス品質決定手段、
として機能させるプログラム。