JPH0227847A - パケット呼接続制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、パケット交換網において、過剰なパケット通
信呼の接続により、通信中の呼のパケット廃棄率、パケ
ット遅延などの通信品質が、呼の要求値を満足しない値
にまで低下するような場合に、新しい呼の接続要求の受
付を規制することにより、通信中の呼の通信品質を満足
する値に制御するパケット呼接続制御装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

パケット交換網は、多数の端末から出力されるパケット
を交換機内のバッファと呼ばれる記憶領域に一時的に保
存してから転送する綱である。この綱では、全ての通信
のパケットを統計的に多重化することにより、回線を効
率よく使うことができる。しかし、多数の端末が同時に
パケットを転送するような場合には、バッファにおける
転送待ち時間が長くなりパケット遅延が長くなったり、
バッファの空き容量が不足しパケットが廃棄されたりす
ることがある。従来のパケット通信では、データ通信が
主体であったため、パケット転送遅延に対する要求がき
びしくなく、交換機間、交換機一端末間で相手側のパケ
ット受信を確認しながらパケットを転送し、パケットに
廃棄があれば再度パケットを通信するというような制御
が行われていた。

しかし最近では、パケット通信の高速化技術により１つ
のパケット転送に必要な時間が短縮されてきたために、
音声や画像というような短いパケット転送遅延を要求す
る通信、即ち即時性要求の強い通信もパケット通信とし
て統合して扱うＡＴＭ交換１ｉ１　（Ａｓｙｎｃｈｒｏ
ｎｏｕｓ　Ｔｒａｎｓ＋５ｉｓｓｉｏｎ　Ｍｏｄｅ網）
が考えられている。ＡＴＭｌｉｉでは、パケット転送を
高速化するために、交換機間、交換機一端末間のパケッ
ト送達確認を行わず、データ通信などの即時性要求の弱
い通信では、端末間のみでパケット送達確認を行うこと
が考えられている。しかし、即時性要求の強い通信では
、パケット転送遅延が長くなるために端末間でのパケッ
トの再送は行えない、そこで、接続した呼の通信中のパ
ケット廃棄率やパケット遅延を、通信呼が要求する値以
下に制御するために、通信網の負荷パターン（接続中の
呼のパケット送出特性の観測値、接続要求呼のパケット
送出特性申告値、発呼率など）を観測し、過剰な呼の接
続要求の受付を規制するという制御が必要となる。しか
も、ＡＴＶ交換網は多数の交換機から構成されており、
網金体の呼の通信品質を接続中の全ての呼の要求を満足
するように制御するためには、全ての交換機において呼
の接続要求の受付率を適切に操作する必要がある。

このような制御において、ＡＴＭ網に加わる負荷パター
ンを入力とし、呼の接続要求に対する受付率という操作
量を出力する一連の操作は、多数入力変数多数出力変数
関数と考えることができる。

以下ではこの関数を制御関数と呼ぶ。

〔発明が解決しようとする課題〕

このＡＴＭＷＩのための通信品質制御の制御関数を、従
来の回線交換網で用いられてきた手法を利用して決定し
ようとすると、非常に多くの手間を必要とすることにな
る。制御関数は、一般に多数の観測値からい（つかの特
徴量を抽出するための統計処理と、抽出した特徴から操
作量を決定する関数から構成されている。従来手法では
、制御関数を用いる時の状況を網羅的に予測し、どのよ
うな状況に対しても制御がうまくいくような適切な特徴
量を洗い出し、負荷パターンから特徴量を抽出するため
の統計処理方法、特徴量から操作量を決める関数を、シ
ミュレーシヨンや解析により決定していた。しかし、利
用する通信サービスや利用者によって呼のパケット送出
特性が異なり、通信品質に対する要求条件も呼ごとに異
なるという状況で、全ての負荷パケットを網羅的に検討
することは、非常に多くの手間を必要とするという問題
があった。また、この方法ではあらかじめ予測できない
ような負荷パターンが発生した場合には適切な制御が行
えないという問題があった。

本発明は、上述ｐような問題点を解決することのできる
パケット呼接続制御装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では、上記目的を達成するために、パケット呼接
続制御装置において、交換網に一定時間に到着するパケ
ット数の履歴や接続要求呼の通信中の性質に関する申告
値、発呼率などの負荷の観測値（負荷パターン）と通信
品質との関係を学習する多数入力変数多数出力変数非線
形関数学習器と、その学習によって得られた関数を用い
て呼の接続要求を受け付ける割合（受付率）を決定して
接続中の呼の通信品質を制御する制御装置と、を具備し
た。

〔作用〕

このパケット呼接続制御装置を用いれば、起こりうる状
況の網羅的な予測やそれに応じた適切な特徴量の抽出、
統計処理、操作量決定のための関数の選択などの手間を
省くことが可能とな４る。また、未知の状況が発生して
も、学習により制御関数を変更・修正することにより柔
軟に対応する制御を行うことができる。

以下、詳細に説明する。

まず、ＡＴＭ網に用意された測定器により交換網に加わ
る負荷パターンおよび通信品質は観測することが可能で
あることを前提とする。このとき負荷パターンを入力と
し、その負荷パターンがＡＴＭ網に加わった後の通信品
質が目標品質を満足するかどうかの判定値を出力するよ
うな関数を学習により形成する。制御時には、学習した
関数に制御直前の負荷パターンを入力し、それに対する
出力値が通信品質を満足するという判定であれば新しい
通信呼の接続要求の受付率を多くし、通信品質を満足し
ないという判定であれば接続要求の受付率を低くすると
いう操作を行う。

ここで、負荷パターンから、通信品質が要求品質を満足
するかどうかを判定するという関数は、−船釣に多数入
力変数・多数出力変数の非線形関数である。この関数を
学習する方法としては例えば、バックプロパーゲーシゴ
ン法を用いて学習を行う神経回路網を利用する方法があ
る。この回路網は、多数入力変数の値と、その入力に対
して出力すべき多数出力変数の正解値を外部から与える
ことにより、目標とする非線形関数を学習する機能を有
している。多数入力変数の値としては入力変数の変域上
のさまざまな点をランダムに選び、それに対応する正解
出力値を与えて学習°させることを繰り返し行うことに
より正しい関数を学習することができる。

従って、負荷パターンから通信品質が要求値を満足する
かどうかを精度よ（判定する制御関数を学習させるため
には、要求品質を満足する負荷パターンと要求品質を満
足できない負荷パターンの両方を繰り返しランダムに与
える必要がある。この二つの負荷パターンを与える頻度
の偏りが大きすぎると、その２つのパターンの区別を行
う境界を正しく学習できない。

ここで、観測された順に負荷パターンを与えるような学
習を考えると、制御関数が正解に近づいて来た場合に、
通信品質の要求を満足しないような負荷パターンがほと
んど観測されず、通信品質に対する要求を満足するよう
な負荷パターンばかりが観測されるようになる。従って
、上述の理由で精度の高い判定を行う関数の学習が行え
ないという問題がある。

そこで、本発明では、記憶領域を２つ設け、１つの記憶
領域には通信品質に対する要求を満足するような負荷パ
ターンを、もう１つの記憶領域には通信品質に対する要
求を満足しない負荷パターンを保存する。以下では、そ
れぞれの記憶領域をパターンテーブルと呼ぶ。

パターンテーブルの大きさは、適切なサイズにあらかじ
め決められており、常に保存可能な数の最新の負荷パタ
ーンのみを保存する。すなわち、新しく観測された負荷
パターンに対して記憶領域がなければ、最も古い負荷パ
ターンを消し、新しい負荷パターンを保存する。学習時
に与える入力として負荷パターンを選択する場合には、
確率的に選択したパターンテーブルからランダムに負荷
パターンを選ぶ。従ってパターンテーブルの分離により
、学習時にはいつでも、通信品質に対する要求を満足す
るような負荷パターンと通信品質に対する要求を満足し
ないような負荷パターンを学習することが可能となるた
めに、精度のよい判定値を出力する関数の学習が可能と
なる。

また、パターンテーブル内の負荷パターンのうち、保存
されてから一定の時間を経過したパターンを消去する機
構を設ける。これは、それぞれのパターンテーブル内の
負荷パターンの全てが常に学習時点での制御の環境に即
した負荷パターンであることを保証するための機構であ
る。

例えば、制御中に大きな環境の変化が生じるなどして、
制御関数が一時的に誤った関数になる場合があるが、こ
のとき観測されるパターンのすべてがひとつのパターン
テーブルに保存される負荷パターンのみになることがあ
る。この状態が長く続くと他方のパターンテーブル内の
負荷パターンは新しい負荷パターンが得られないため更
新されず、現在の制御環境に対応しない古い負荷パター
ンばかりとなる。従って、このパターンテーブルからの
データを学習すると状況に応じた適切な制御関数を学習
できないという問題が生じる。しかし、長時間保存され
たイベントテーブル内のデー夕が消去されるようになっ
ていれば、古すぎて学習時の状況に対応しないデータを
学習することを避けることが可能となる。

〔実施向〕

以下では、ＡＴＭ綱の通信品質制御の例として、ＡＴＭ
網内の交換機のパケットバッファを対象とし、状態観測
値としては一定時間にバケットバッファに到着するパケ
ット到着量、通信品質としては一定時間のパケット廃棄
率のみを観測し、ＡＴＭ網に対する操作としては呼の接
続要求の受付を許可するか規制するかどうかのみを決定
する制御系において、本発明の一実施例としてのパケッ
ト呼接続制御装置を図を用いて詳細に説明する。

なお、神経回路網の内部構造や学習アルゴリズムとして
は、パックプロパゲーション法（参考文献：ＭｃＣｌｅ
ｌｌａｎｄ、　Ｒｕｍｅｌｈａｒｔ、　ａｎｄ　ｔｈｅ
　　ＰＤ　Ｐ　　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　　ＧｒＯｕｐ＋　
　ＰＡＲＡＬＬＥＬＤＩＳＴＲＩＢＵＴＥＤ　　ＰＲＯ
ＣＥＳＳＩＮＧ”ＭＩＴ　　Ｐｒｅｓｓ（１９８６））
を利用することを考える。

以下では、負荷パターンとしては、連続したＮ個のパケ
ット到着量観測値を考える。これをパケット到着パター
ンと呼ぶ、また、通信品質に対する要求としては、観測
廃棄率の最大値を目標廃棄率以下に制御することを考え
る。また、ここで用いる神経回路網は入力数Ｎ５出力数
１とする。

第１図は本発明の一実施例としてのパケット呼接続制御
装置の全体構成を示すブロック図である。

同図中のｌはＡＴＭｗ４の交換機内のバケットバッファ
、２はバケットバッファの状況の測定回路、３はシフト
レジスタ、４はパックプロパゲーション法を用いた神経
回路網、５は神経回路網の出力値に対するしきい値回路
である。６はパケット到着パターンの分類回路、７は要
求品質を満足したパケット到着パターンのイベントテー
ブル、８は要求品質を満足しなかったパケット到着パタ
ーンのイベントテーブル、９は学習イベント選択回路、
１０．１１は制御時と学習時を切り替えるスイッチであ
る。

まず、制御時について回路の動作を説明する。

制御時には第１図のうち、スイッチ１０．１１を設定す
ることにより、バケットバッファ１、測定回路２、シフ
トレジスタ３、神経回路網４、しきい値回路５によって
構成される回路が動作する。

測定回路２は、バケットバッファ１の状態を観測し、一
定時間内にバッファに到着したパケット数（パケット到
着量）や、一定時間内に廃棄されたパケット数（パケッ
ト廃棄率）をカウントする。

この観測結果のうちパケット到着量を順次、シフトレジ
スタ３に伝える。このシフトレジスタ３は後述のように
最新のＮ個のパケット到着量観測値を到着順に保存して
おり、それをスイッチ１０を通してパケット到着パター
ンとして並列に神経回路網４に入力する。神経回路ＷＩ
４では、学習により形成された内部の非線形関数を用い
て、神経回路ｗ４４に入力されたパケット到着パターン
がバケットバッファ１に到着した後のバッファのパケッ
ト廃棄率が目標値を越えるかどうかを判定する値を出力
する。

あらかじめ設定した固定的な判定しきい値を内部に持つ
しきい値判定回路５では、スイッチ１１を通して入力さ
れる神経回路網４の出力値を判定しきい値と比較し、判
定値が判定しきい値を越えていれば、呼の接続要求の受
付を規制するような出力をバケットバッファ１に送り、
判定値が判定しいき値を越えていなければ呼の接続要求
の受付を許可するような出力をバケットバッファｌに送
る。

このような一連の操作により、パケット到着パターンか
ら、その後の通信品質が要求を満足しなくなると予想さ
れるような状況では、新たな呼の接続を規制し、そうで
ない場合には呼の接続を許可するという操作を行うこと
になり、接続中の呼の通信品質が常に要求値を満足する
ように制御することが可能となる。

第２図はシフトレジスタ３やスイッチ１０などの詳細を
示す回路図である。シフトレジスタ３が最新のＮ個のパ
ケット到着量観測値を保存していることが理解できるで
あろう。

次に第１図に戻り、学習時の回路の動作を説明する、学
習時には、第１図のスイッチ１０．１１を設定すること
により、パケットバッファ１、測定回路２、パターン分
類回路６、パターンテーブル７．８、パターン選択回路
９、神経回路！［４からなる回路が動作する。

まず、バケットバッファｌから測定回路２により観測さ
れたパケット到着量観測値とパケット廃棄率は、パター
ン分類器６に入力される。

パターン分類器６は、第３図のような構成をしている。

第３図中の１２．１３はシフトレジスタ、１４は平均値
演算回路、１５は目標廃棄率レジスタ、１６は比較器、
１７はパターンテーブルセレクタである。

パケット到着量観測値はシフトレジスタ１２に入力され
る。シフトレジスタ１２では、最新の（Ｍ＋Ｎ）個のパ
ケット到着観測値を観測順に保存しており、そのうち古
い方からＮ個の観測値を、神経回路網の入力と同じ形の
パケット到着パターンとしてパターンテーブルセレクタ
１７に並列に入力する。

一方、パケット廃棄率観測値はシフトレジスタ１３に入
力される。シフトレジスタ１３では、最新のＭ個のパケ
ット廃棄率観測値を観測順に保存しており、それを並列
に平均値演算回路１４に入力する。平均値演算回路１４
では、Ｍ個のパケット廃棄率の平均値を算出する。この
平均値と目標廃棄率レジスタ１６に設定されている目標
廃棄率を比較器１５により比較し、パターンテーブル選
択スイッチ１７を操作する。すなわち、平均値が目標廃
棄率よりも小さければ、スイッチに入力されたパケット
到着パターンをパターンテーブル７に、平均値が目標廃
棄率よりも大きければ、パターンテーブル８に入力する
ように操作を行う。

このようなパターン分類器６の動作により、Ｎ個の連続
するパケット到着量観測値から作られるパケット到着パ
ターンを、そのパターンがバケットバッファ１に到着し
た後のＭ個のパケット廃棄率の平均値が目標値を越えて
いるかどうかにより、２つのパターンテーブルに分類し
て保存することが可能となる。

パターンテーブル及び選択回路の詳細な構造を第４図に
示す、７は廃棄を起こさないパケット到着パターンのパ
ターンテーブル、８は廃棄を起こすパケット到着パター
ンのパターンテーブル、１８１９はそれぞれのパターン
書き込み位置レジスタ、２０．２１はそれぞれのテーブ
ルのパターン消去回路、２２はパターンテーブル選択回
路、２３は学習用パターン出力セレクタ、２４．２５は
それぞれのテーブルからの読み出しパターン決定回路、
２６は廃棄を起こさないパターンに対する正解出力信号
（値はＯ）、２７は廃棄を起こすパターンに対する正解
出力信号（値は１）である、２８２９は、それぞれのパ
ターンテーブルにおいて、パターンを記憶する領域であ
る。以下に、このパターンテーブルとパターン選択回路
の動作を説明する。

パターンテーブルセレクタ１７を通して分類されたパケ
ット到着パターンは、分類されたパターンテーブルの記
憶領域２８．２９に記憶される。

１８．１９は、それぞれのテーブルに入力されたパター
ンを書き込む記憶領域内の位置を保存しているレジスタ
である。入力されたパターンは、それぞれのパターンテ
ーブルのパターン書き込み位置レジスタの指す位置に書
き込まれる。レジスタの内容は、書き込みが終了後火の
位置を指すように修正される。テーブルの端まで、パタ
ーンを書き終わった場合には、次のデータは再びテーブ
ルの先頭から書き込むことにする。このようなパターン
の書き込み方式により、それぞれのパターンテーブルは
、入力されるパターンのうち、記憶できる範囲内で最新
のパターンのみを保存することになる。

２０．２１のパターン消去回路は、乱数発生回路から構
成されている。この回路は、あらかじめ設定された頻度
でそれぞれのパターンテーブル内のパターンを消去する
。消去するパターンは、テーブル内のパターンからラン
ダムに選ぶ。この操作により、パターンテーブル内のデ
ータは、テーブルに記憶されている確率は時間とともに
小さくなる。従って、パターンテーブル内のデータの学
習をすれば常に状況に応じたデータのみを学習すること
が可能となる。

次に学習パターン選択回路９について説明する。

２２はパターンテーブル選択回路で、学習時にあらかじ
め設定された確率で、２つのパターンテーブルのいづれ
かを選択する。このパターンテーブル選択回路２２は、
その選択の結果を読みだしパターン決定回路２４．２５
とセレクタ２３に送って制御する。２４．２５は、それ
ぞれのパターンテーブルが選択された場合に、学習に用
いるために読み出すパターンをランダムに決定する回路
である。読みだしたパターンはパターン出力セレクタ２
３に入力される。パターン出力セレクタ２３は、選択さ
れたパターンテーブルから読みだされたパターンを、パ
ターンテーブルに応じて選択した正解出力信号２６．２
７とともに出力する。この出力は、スイッチ１０．１１
を通して神経回路網に伝えられる。

このような学習用パターン選択回路９の動作により、廃
棄を起こすパケット到着パターンと廃棄を起こさないパ
ケット到着パターンを適切な頻度で神経回路ｍ４に与え
ることができ、それに対する正解出力信号を与えること
が可能となる。このようにして与えられるパターンと正
解出力信号を神経回路１１４により学習すると、廃棄を
起こさないパケット到着パターンに対してはＯ１廃棄を
起こすパケット到着パターンに対しては１を出力する関
数を学習することになる。即ち、パケット到着パターン
から、そのパケット到着パターンがバッファに加わった
後のパケット廃棄率の推定を行い、その値が目標値を越
えるのならばｌ、越えないのならば０という判定値を出
力する関数が実現できる。

このようにして学習した関数を、先に述べたような動作
で制御に用いることにより、パケットバッファの適切な
通信品質制御を行うことができる。

また、学習時と制御時はスイッチ１０．１１を交互に切
り替えることにより、制御中に学習に必要なデータを集
め、制御に必要な関数を常に学習しながら、学習中の関
数を用いて制御を行うという制御装置が実現できる。

上記の例では、観測値としてパケットバッファに到着す
るパケット到着量のみを負荷パターンとして用いる例を
示したが、負荷パターンとしては、単位時間当りの呼の
接続要求数の観測値（発呼率）、あるいは接続を要求す
る呼の通信中のパケット送出特性などの申告値も、要素
として加えることも考えられる。上記の例で、このよう
な負荷パターンの拡張を行うことは容易である。

例えば、第１図の測定回路２の機能として、発呼率の測
定や接続要求の呼の申告値を観測する機能を付加する。

さらに、第２図において、パケット到着量を負荷パター
ンとして神経回路網４に入力するシフトレジスタ３に加
え、観測した発呼率や接続要求呼の申告値を並列して神
経回路網４に入力できるようなシフトレジスタを付加す
る。即ち、シフトレジスタ３の値と発呼率、申告値のす
べてにより、負荷パターンを作るような構成にする。こ
れに合わせて神経回路網４の入力数も増やす。また、第
３図において、パターンテーブルに保存するための負荷
パターンを作るために、シフトレジスタ１２に加え、測
定回路２からの観測発呼率や接続要求呼の申告値を並列
に入力するためのシフトレジスタを付加する。これに合
わせて、第４図の記憶領域２８．２９の記憶できるパタ
ーンの大きさも増やす。

このように上述の例の単純な拡張により、容易に発呼率
や接続要求呼の申告値を負荷パターンとして用いるよう
なパケット呼接続装置が実現できる。

また、同様に通信品質として、パケット廃棄率のみでな
く、パケット遅延などの他の通信品質を考慮した制御を
行う装置も、上述の例の単純な拡張により実現できる。

例えば、パケット遅延を通信品質に加えることを考えた
場合、第１図の測定回路２に単位時間当りのパケット遅
延を観測する機能を付加する。また、第３図において、
通信品質を目標通信品質と比較する部分にパケット遅延
を加えるために、パケット遅延の観測値を記憶するシフ
トレジスタ、及びパケット遅延の平均を求める平均値演
算回路、目標遅延レジスタ、目標遅延と観測平均遅延を
比較する比較器を加える。さらに、パターンテーブルセ
レクタ１７は、比較器の結果が目標廃棄率及び目標遅延
を共に満足している場合にのみ、入力された負荷パター
ンを、通信品質を満足した負荷パターンテーブル７に保
存するように操作する。

その他の場合には、入力された負荷パターンを通信品質
を満足しない負荷パターンテーブル８に保存するように
操作する。

このように上述の例の単純な拡張により、容易にパケッ
ト遅延のようなものを通信品質として用いるようなパケ
ット呼接続装置が実現できる。

〔発明の効果〕

本発明は、神経回路網を用いた学習機能により、ＡＴＭ
網に加わる負荷と、その負荷を加えた時の通信品質を多
数入力変数多数出力変数の非線形関数として学習し、そ
の関数を制御関数として用いた制御を実現する装置であ
る。この装置により、従来必要であった、通信網に加わ
る負荷の網羅的で詳細な予測、及びそれらに対応するた
めの制御関数の選択などの処理が不必要となる。また、
予測できないような状況に対しても、制御関数を学習に
より更新することにより柔軟に対応するような通信品質
制御が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の全体構成を示すブロック図
、第２図は第１図におけるシフトレジスタ３やスイッチ
１０の詳細構成を示す回路図、第３図は第１図における
パターン分類回路６の詳細を示す構成図、第４図は第１
図におけるパターンテーブル７．８及びパターン選択回
路９の詳細を示す構成図、である。 符号の説明 ｌ・・・バケットバッファ、２・・・測定回路、３川シ
フトレジスタ、４・・・神経回路網、５・・・比較回路
、６・・・パターン分類回路、７．８・・・パターンテ
ーブル、９・・・パターン選択回路、１０．１１・・・
制御・学習切り替え用スイッチ、 冨　１　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）パケット交換網において、過剰なパケット通信呼の
   接続により、通信中の呼のパケット廃棄率、パケット遅
   延などの通信品質が、呼の要求値を満足しない値にまで
   低下するような場合に、新しい呼の接続要求の受付を規
   制することにより、通信中の呼の通信品質を満足する値
   に制御するパケット呼接続制御装置において、 交換網に一定時間に到着するパケット数の履歴や接続要
   求呼の通信中の性質に関する申告値、発呼率などの負荷
   の観測値（負荷パターン）と通信品質との関係を学習す
   る多数入力変数多数出力変数非線形関数学習器と、その
   学習によって得られた関数を用いて呼の接続要求を受け
   付ける割合（受付率）を決定して接続中の呼の通信品質
   を制御する制御装置と、を具備したことを特徴とするパ
   ケット呼接続制御装置。