JPH1084386A

JPH1084386A - パケット通信システムの輻輳制御における制御入力計算装置及び制御入力計算方法並びに通信品質計算装置及び通信品質計算方法

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Publication number: JPH1084386A
Application number: JP23913796A
Authority: JP
Inventors: Hitoki Satou; 仁樹佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1996-09-10
Publication date: 1998-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】パケットの到着速度が不明または申告された
値から変動した場合でも、パケットの廃棄やパケットが
バッファを通過する際の遅延時間などの通信品質が要求
される品質よりも悪化しないように輻輳制御を行うこと
ができるパケット通信システムの輻輳制御における制御
入力計算装置を提供すること。【解決手段】パケット通信システム内部のバッファに
おける通信品質を制御する輻輳制御装置の動作を規定す
る制御入力を、パケット通信システムの内部状態から計
算する制御入力計算装置において、前記パケット通信シ
ステムの内部状態から前記パケット通信システムの通信
品質を計算する通信品質計算手段と、前記通信品質計算
手段により得られた通信品質および前記パケット通信シ
ステムの内部状態をもとにして前記制御入力を計算する
制御入力設定手段とを備えたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セルやパケットを
用いて情報の通信や蓄積を行うパケット通信システムや
ＡＴＭ通信システムでの輻輳制御装置の動作を規定する
制御入力計算装置、制御入力計算方法、輻輳制御装置に
用いられる通信品質計算装置、通信品質計算方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】パケット通信システムでは、通信システ
ム内のバッファにパケットを一時蓄積する必要があるた
め、バッファのサービス速度をパケット到着速度が上回
ると、キュー長が伸びる。そのため、パケット到着が過
度に連続するとパケットの廃棄やパケットがバッファを
通過する際の遅延時間が増大するという問題点がある。

【０００３】また、ＡＴＭ通信では、申告パラメータや
セル到着率の観測値などを用いて、バッファヘセル到着
率を推定し、セル廃棄率や遅延時間の予測を行い、呼の
受付を制限する呼受付制御が考えられている。しかし、
申告パラメータや到着率の観測値を用いても、端末が申
告パラメータに従ってセルを送出するとは限らないうえ
にトラヒックがＣＤＶにより変形するため、セル廃棄率
や遅延時間の予測は困難である。

【０００４】これらの問題を回避するために、パケット
通信システムでは、パケットの優先制御や、フロー制御
等の輻輳制御が行われている。

【０００５】優先制御は、しきい値法とプッシュアウト
法の２種類に大別できる。しきい値法は、低優先セルが
バッファに到着した時、キュー長としきい値を比較し、
キュー長がしきい値以上の場合にはバッファに到着した
低優先セルを強制的に廃棄し、しきい値よりテイル側の
バッファ領域を高優先セルのみで使用することにより、
高優先セルの廃棄を減少させる方法である。また、プッ
シュアウト法は、バッファが一杯の状態で高優先セルが
到着した際に、バッファ内の低優先セルを廃棄し、到着
した高優先セルをバッファに入れる方法である。

【０００６】前者は、実現が比較的容易であり、低優先
セルの負荷がどんなに増大した場合でも高優先セルの最
悪のセル廃棄率を保証できるという長所がある。しか
し、実際に得られるセル廃棄率はセルの到着率に大きく
影響されるという欠点がある。また、後者の高優先セル
のセル廃棄率は、低優先セルの負荷の変動の影響を受け
にくいが、低優先セルの負荷が過度に集中した場合に高
優先セルの最悪のセル廃棄率を保証できないという欠点
がある（大場、岩村、他、”ＡＴＭ網における優先制御
部のしきい値に関する検討”、電子情報通信学会秋季大
会、Ｂ−４３１、１９９３）。

【０００７】フロー制御は、バッファのキュー長としき
い値とを比較することにより回線の輻輳を判定し、その
バッファに接続されているコネクションに対して、パケ
ットの発生速度の規制率や発生速度そのものを通知する
ことにより、パケットの廃棄や遅延時間の増大を防ぐ手
法である。しかし、バッファに到着するセルのトラヒッ
クの予測が困難であるうえ、パケットの発生速度の規制
率や発生速度の通知に要する時間が変動するため、輻輳
検出のためのしきい値を正確に設定することができない
という問題点があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の輻輳制御では、
パケットの到着速度が不明でありまたは申告された値か
ら変動すると、要求通信品質を保証できなくなる不具合
があった。

【０００９】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、パケットの到着速度が不明または申告された値か
ら変動した場合でも、パケットの廃棄やパケットがバッ
ファを通過する際の遅延時間などの通信品質が要求され
る品質よりも悪化しないように輻輳制御を行うことがで
きるパケット通信システムの輻輳制御における制御入力
計算装置及び制御入力計算方法並びに通信品質計算装置
及び通信品質計算方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、パケット通信
システム内部のバッファにおける通信品質を制御する輻
輳制御装置の動作を規定する制御入力を、パケット通信
システムの内部状態から計算する制御入力計算装置にお
いて、前記パケット通信システムの内部状態から前記パ
ケット通信システムの通信品質を計算する通信品質計算
手段と、前記通信品質計算手段により得られた通信品質
および前記パケット通信システムの内部状態をもとにし
て前記制御入力を計算する制御入力設定手段とを備えた
ことを特徴とする。

【００１１】好ましくは、前記通信品質計算手段は、前
記内部状態および前記内部状態の写像の少なくとも一方
の平均値を取る平均値算出手段を用いることにより、過
去から現在までの平均的な通信品質を計算することを特
徴とする。

【００１２】また、本発明は、パケット通信システム内
部のバッファにおける通信品質を制御する輻輳制御装置
の動作を規定する制御入力を、パケット通信システムの
内部状態から計算する制御入力計算方法において、前記
パケット通信システムの内部状態から前記パケット通信
システムの通信品質を計算し、前記パケット通信システ
ムの内部状態から計算された通信品質および前記パケッ
ト通信システムをもとにして前記制御入力を計算するこ
とを特徴とする。

【００１３】また、本発明は、パケット通信システム内
部のバッファにおける通信品質の制御を行う際に用いら
れる通信品質計算装置において、前記バッファのキュー
長と前記通信品質との対応関係が書き込まれている通信
品質格納手段と、キュー長が入力されると、該キュー長
に対応する通信品質、該キュー長に対応する通信品質の
平均値、および該キュー長に対応する通信品質の加重平
均のうち少なくとも１つを出力する手段とを備えたこと
を特徴とする。

【００１４】また、本発明は、パケット通信システム内
部のバッファにおける通信品質の制御を行う際に用いら
れる通信品質計算方法において、キュー長の写像、キュ
ー長の写像の平均値、およびキュー長の写像の加重平均
のうち少なくとも１つを計算することを特徴とする。

【００１５】ここで、パケット通信システム内部のバッ
ファにおける通信品質とは、例えば、パケット廃棄率、
パケットがバッファに到着してバッファから出発するま
での遅延時間、パケット廃棄率の統計量、および遅延時
間の統計量の少なくとも１つからなるものである。

【００１６】また、パケット通信システムの内部状態と
は、例えば、キュー長、パケット廃棄数、パケット到着
数、遅延時間、呼接続状況、各端末のパケット送出速度
を表す申告パラメータ、キュー長の統計量、パケット廃
棄数の統計量、パケット到着数の統計量、遅延時間の統
計量、呼接続状況の統計量、および申告パラメータの統
計量の少なくとも１つからなるものである。

【００１７】本発明では、パケット通信システムの内部
状態からパケット通信システムの通信品質を計算し、得
られた通信品質とパケット通信システムの内部状態の両
者を用いて制御入力を計算するため、最適な制御を容易
に実現できる。

【００１８】また、通信品質の計算において、内部状態
または内部状態の写像の少なくともいづれか１つの平均
値を取る平均値算出により過去から現在までの平均的な
通信品質を計算し、これを用いて制御入力を計算するこ
とにより、過去の制御結果をフィードバックすることが
できるので、到着率の変動などにより制御入力が誤って
計算されても、後からその誤りをキャンセルすることが
可能となる。

【００１９】また、本発明では、キュー長と通信品質の
対応関係が書き込まれている通信品質格納手段を持ち、
キュー長が入力されると、キュー長に対応する通信品質
またはキュー長に対応する通信品質の平均値またはキュ
ー長に対応する通信品質の加重平均のうち少なくともい
づれか１つを出力することにより、通信品質がセル廃棄
率の場合には、セル廃棄が起きない場合でも、キュー長
に対応したセル廃棄率の期待値を知ることができるの
で、時事刻々と変化するシステムの内部状態を通信品質
に反映させることができる。

【００２０】なお、以上の各装置に係る発明は、方法に
係る説明としても成立する。また、以上の各方法に係る
発明は、装置に係る説明としても成立する。

【００２１】また、上記の発明は、相当する手順あるい
は手段をコンピュータに実行させるためのプログラムを
記録した機械読取り可能な媒体としても成立する。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら発明の
実施の形態を説明する。

【００２３】本実施形態では、本発明をＡＴＭ通信シス
テムに適用した場合を例として説明する。

【００２４】ここで、現在時刻をｎ、現在より単位時間
過去の時刻をｎ−１としたとき、ＡＴＭ通信システムで
は、単位時間を１セルスロットとすると、セルスロット
の番号を…，ｎ−１，ｎ，ｎ＋１，…で表すことができ
る。以下では、ＡＴＭ通信において１セルスロットでの
高優先セルのセル廃棄率をＣＬＲ_H(n) とし、ＣＬＲ_H
(n) の加重平均をＣＬＲ_H ^A(n) とし、システムの通信
品質を高優先セルの平均セル廃棄率とした場合について
説明する。

【００２５】以下では、ｘ、ｙ、ｚ（添字等のないも
の）は、各々システムの内部状態、通信品質、制御入力
を表すベクトル、Ｍ_x，Ｍ_y、Ｍ_zは、各々ｘ，ｙ，ｚ
の次元数を、ｘ_mは、ｘのｍ番目の要素を、ｙ_mは、ｙ
のｍ番目の要素を、ｚ_mは、ｚのｍ番目の要素を、ｘ
^(c)は、ｘのｃ（≦Ｍ_x）次元部分空間を、ｋ(n) は、
セルスロットｎでのキュー長を、ＣＡＮ_H(n) は、セル
スロットｎ−１での高優先セルの到着数を、ＣＬＮ
_H(n) は、セルスロットｎ−１での高優先セルの廃棄数
を、Ｒは、整数または実数の集合を、Ｚは、整数の集合
を、Ｚ⁰⁺は、非負の整数の集合を、Ｎは、自然数の集合
を、θ：Ｒ^d→Ｒ^Myは、Ｒ^d上の１点をＲ^My上の１点に
写像する関数を、それぞれ表す。

【００２６】また、Ｑ：Ｒ^d→（Ｚ⁰⁺）^d'は、ｄ次元の
変数を量子化し、ｄ´次元のインデックスに写像する関
数、Ｑ^-1は量子化インデックスに対応する変数値を表す
関数であり、Ｑ_x［ｘ^(c)］＝（Ｑ_x0［ｘ₀］，…，Ｑ
_xc-1［ｘ_c-1］）＝（ｉ_x0，…，ｉ_xc-1）＝ｉ_x または、Ｑ_x［ｘ^(c)］＝ｉ_x とする。

【００２７】ここで、ｉ_x∈｛０，１，…，Ｉ_x｝は、
ｘまたはｘ_mの量子化インデックスを、ｉ_y∈｛０，
１，…，Ｉ_y｝は、ｙまたはｙ_mの量子化インデックス
を、ｉ_z∈｛０，１，…，Ｉ_z｝は、ｚまたはｚ_mの量
子化インデックスを表す。例えば、Ｑ：Ｒ→Ｚ⁰⁺の場
合、ＱとＱ^-1は、量子化誤差δ_M，δ_P≧０、任意のス
カラ−ｓに対して、ｉ＝Ｑ［ｓ］，ｓ−δ_M≦Ｑ^-1［ｉ］≦ｓ＋δ_P，ｉ
＝Ｑ［Ｑ^-1［ｉ］］なる性質を持つ。但し、以下のＱ、Ｑ^-1なる操作は必ず
しも行う必要はない。

【００２８】平均値は、例えば、以下のように計算す
る。

【００２９】変数ａ(n) の平均値をａ(n) の加重平均ａ
^A(n) で定義し、ａ^A(n) を次式で計算する。

【００３０】ａ^A(n) ＝μ₁ａ(n) ＋ａ^A(n-1) 一μ₁ａ^A(n-1) ここで、μ₁＝１／２νとして、μ₁ａ(n) とμ₁ａ^A
(n-1) を、各々、ａ(n) とａ^A(n-1) をν回ビットシフ
トすることにより計算することにより、乗算の計算をビ
ットシフトに置き換えることができるので、より単純な
ハードウェアにより実現が可能となる。

【００３１】図１に、本実施形態の基本構成図を示す。

【００３２】１はパケット通信システム、３はパケット
通信システム１の内部状態ｘからパケット通信システム
１の通信品質ｙを計算する通信品質計算部、２は記通信
品質計算部３により得られた通信品質ｙおよびパケット
通信システム１の内部状態ｘをもとにして制御入力ｚを
計算する制御入力設定部である。

【００３３】パケット通信システム１は、その内部に、
パケットを出力するまで（あるいは廃棄されるまで）保
持するバッファ（図示せず）と、バッファにおける通信
品質を、制御入力設定部２から与えられる制御入力ｚを
もとに制御する輻輳制御装置（図示せず）を持つ。

【００３４】まず、通信品質計算部３の第１構成例を説
明する。

【００３５】ここでは、ＡＴＭ通信システムの通信品質
を以下のようにして計算する。

【００３６】第ｎセルスロットでの内部状態ベクトルを
ｘ(n) としたとき、θ：Ｒ^c→Ｒ^Myなる関数を用いて、
通信品質ｙ(n) をｙ(n) ＝θ（Ｑ_x［ｘ^(c)(n) ］）とする。また、θ（Ｑ_x［ｘ^(c)(n) ］）を単位時間あ
たりの通信品質と考え、その加重平均ｙ(n) ＝μ₁θ（Ｑ_x［ｘ^(c)(n) ］）＋ｙ(n-1) −μ
₁ｙ(n-1) を通信品質とする。

【００３７】具体的には、内部状態をキュー長ｋ(n) と
し、ＣＬＲ_H(n) ＝θ（Ｑ［ｋ（ｎ）］）（１）から、単位時間当たりの通信品質ＣＬＲ_H(n) を計算す
る。

【００３８】また、上記ＣＬＲ_H(n) の加重平均ＣＬＲ_H ^A(n) ＝μ₁ＣＬＲ_H(n) ＋ＣＬＲ_H ^A(n-1)
一μ₁ＣＬＲ_H ^A(n-1) を通信品質とする。

【００３９】本通信品質計算部３では、キュー長をセル
廃棄率に変換するキュー長通信品質変換部４と、このキ
ュー長通信品質変換部４から得られるセル廃棄率の加重
平均を取る加重平均算出部５を持ち、加重平均算出部５
から得られるセル廃棄率の加重平均を通信品質として出
力している。このような通信品質計算部３の構成を図２
に示す。

【００４０】次に、通信品質計算部３の第２構成例を説
明する。

【００４１】ここでは、ＡＴＭ通信システムの通信品質
を以下のようにして計算する。

【００４２】内部状態をｋ(n) 、ＣＡＮ_H(n) の加重平
均ＣＡＮ_H ^A(n) として、次式より単位時間あたりの通
信品質ＣＬＲ_H(n) を計算する。

【００４３】ＣＬＲ_H(n) ＝θ（Ｑ［ＣＡＮ_H ^A(n) ，ｋ(n) ］）（２）そして、ＣＬＲ_H(n) の加重平均ＣＬＲ_H ^A(n) ＝μ₁ＣＬＲ_H(n) ＋ＣＬＲ_H ^A(n-1)
一μ₁ＣＬＲ_H ^A(n-1) を通信品質とする。

【００４４】次に、通信品質計算部３の第３構成例を説
明する。

【００４５】ここでは、ＡＴＭ通信システムの通信品質
を以下のようにして計算する。

【００４６】ｉ∈（Ｚ⁰⁺）^d，θ：Ｒ^c+d→Ｒ^Myなる関
数を用いて、通信品質の計算値ｙ(n) をｙ(n) ＝θ（ｉ，Ｑ_x［ｘ^(c)(n) ］）または、ｙ(n) ＝μ₁θ（ｉ，Ｑ_x［ｘ^(c)(n) ］）＋ｙ(n-1)
−μ₁ｙ(n-1) のように計算する。

【００４７】ここで、ｄ＝Ｍ_y＝１とした場合、ｙ
^ob(n) を通信品質の観測値として、適当なＩ_R∈Ｎに対
して、以下のｓｔｅｐ１〜ｓｔｅｐ３の手順でｉを更新
する。ここでｉの初期値は適当に与えておく。 step1 ｉｆｙ(n) ≧ｙ^ob(n) ｔｈｅｎｉ＝ｉ−Ｉ_R ｅｌｓｅｉｆｙ(n) ＜ｙ^ob(n) ｔｈｅｎｉ＝ｉ＋Ｉ_R step2 ｉｆｉ＞Ｉ_y ｔｈｅｎｉ＝Ｉ_y step3 ｉｆｉ＜０ｔｈｅｎｉ＝０例えば、内部状態をｋ(n) 、ＣＡＮ_H(n) 、ＣＬＮ
_H(n) 、通信品質の観測値をＣＬＲ_H ^Aob(n) 、ｉ∈Ｚ
⁰⁺、ｋ(n) ∈｛０，１，…，Ｋ｝としたときの通信品質
の計算値、ＣＬＲ_H ^A(n) を以下のように求める。

【００４８】まず、次式によりＣＡＮ_H(n) 、ＣＬＮ_H
(n) の加重平均ＣＡＮ_H ^A(n) 、ＣＬＮ_H ^A(n) を求め
る。ＣＬＮ_H ^A(n) ＝μ₁ＣＬＮ_H(n) ＋ＣＬＮ_H ^A(n-1)
−μ₁ＣＬＮ_H ^A(n-1) ＣＡＮ_H ^A(n) ＝μ₁ＣＡＮ_H(n) ＋ＣＡＮ_H ^A(n-1)
−μ₁ＣＡＮ_H ^A(n-1) 次に、通信品質の観測値ＣＬＲ_H ^Aob(n) をＣＬＲ_H ^Aob(n) ＝ＣＬＮ_H ^A(n) ／ＣＡＮ_H ^A(n) のように計算する。

【００４９】その後、ＣＬＲ_H(n) ＝θ（ｉ，ｋ(n) ）（３）ＣＬＲ_H ^A(n) ＝μ₁ＣＬＲ_H(n) ＋ＣＬＲ_H ^A(n-1)
−μ₁ＣＬＲ_H ^A(n-1) によりシステムの通信品質ＣＬＲ_H ^A(n) を計算する。

【００５０】そして、適当なＩ_R∈Ｎに対して、以下の
ｓｔｅｐ１〜ｓｔｅｐ３の手順でｉをｎ₀セルスロット
ごとに更新する。ここでｉの初期値は適当に与えてお
く。 step1 ｉｆＣＬＲ_H ^A(n) ≧ＣＬＲ_H ^Aob(n) ｔｈｅｎｉ＝ｉ−Ｉ_R ｅｌｓｅｉｆＣＬＲ_H ^A(n) ＜ＣＬＲ_H ^Aob(n) ｔｈｅｎｉ＝ｉ＋Ｉ_R step2 ｉｆｉ＞Ｉ_MAX ｔｈｅｎｉ＝Ｉ_MAX step3 ｉｆｉ＜０ｔｈｅｎｉ＝０本通信品質計算部３では、キュー長をセル廃棄率に変換
するキュー長通信品質変換部６と、このキュー長通信品
質変換部６から得られるセル廃棄率の加重平均を取る加
重平均算出部５と、実際の通信品質の観測を行う通信品
質観測部７と、実際の通信品質と加重平均算出部５で得
られた通信品質を比較して、キュー長通信品質変換部６
のパラメータｉを決める比較部８を持ち、加重平均算出
部５から得られるセル廃棄率の加重平均を通信品質とし
て出力している。このような通信品質計算部３の構成を
図３に、そのアルゴリズムを図４に示す。ここで、通信
品質観測部７としては、例えば図５に示すように加重平
均算出部５と除算部９からなる構成を用いることができ
る。

【００５１】次に、通信品質計算部３の第４構成例を説
明する。

【００５２】ここでは、ＡＴＭ通信システムの通信品質
を以下のようにして計算する。

【００５３】図５は、通信品質計算部３の構成であり、
加重平均算出部５と除算部９からなる。

【００５４】内部状態をＣＬＮ_H(n) 、ＣＡＮ_H(n) と
して、それらの加重平均ＣＬＮ_H ^A(n) ＝μ₁ＣＬＮ_H(n) ＋ＣＬＮ_H ^A(n-1)
−μ₁ＣＬＮ_H ^A(n-1) ＣＡＮ_H ^A(n) ＝μ₁ＣＡＮ_H(n) ＋ＣＡＮ_H ^A(n-1)
−μ₁ＣＡＮ_H ^A(n-1) を加重平均算出部５で計算し、通信品質を除算部９を用
いて、ＣＬＲ_H ^A(n) ＝ＣＬＮ_H ^A(n) ／ＣＡＮ_H ^A(n) （４）とする。

【００５５】以下では、制御入力設定部２について説明
する、まず、制御入力設定部２の第１構成例を説明す
る。

【００５６】ここでは、ＡＴＭ通信システムに与える制
御入力を以下のようにして計算する。

【００５７】制御入力を計算する際に、ＡＴＭ通信シス
テムの内部状態の要素のうちキュー長をｋ、１次元の通
信品質をｙ、１次元の制御入力をｚ、１次元の変数ｓと
ｔに対してｄｓ／ｄｔをｓのｔに関する微分または差分
としたとき、例えばバッファのしきい値またはパケット
到着速度または呼接続数のようにｄｙ／ｄｚ≧０となる
ような制御入力ｚを用いる場合、ｄｚ／ｄｋ≦０かつｄｚ／ｄｙ≦０（５）なる関係を任意のｋ、ｙ、ｚが満たすように制御入力を
決める。

【００５８】また、他の例として、パケットをバッファ
ヘ入れる際の規制率または必要帯域のようにｄｙ／ｄｚ
≦０となるような制御入力ｚを用いる場合、ｄｚ／ｄｋ≧０かつｄｚ／ｄｙ≧０（６）なる関係を任意のｋ、ｙ、ｚが満たすように制御入力を
決める。

【００５９】次に、制御入力設定部２の第２構成例を説
明する。

【００６０】ここでは、ＡＴＭ通信システムに与える制
御入力を以下のようにして計算する。

【００６１】制御入力ｚを内部状態ｘと通信品質ｙの方
程式ｚ＝ｆ（ｘ、ｙ）から計算する。例えば、定数ａ、ｂに対して、ｚ＝ａｘ＋ｂｙまたは、ｚ＝Ｑ［ａｘ＋ｂｙ］とする。

【００６２】次に、制御入力設定部２の第３構成例を説
明する。

【００６３】ここでは、ＡＴＭ通信システムに与える制
御入力を以下のようにして計算する。

【００６４】内部状態ｘ、通信品質ｙに対して、Ｑ
_x［ｘ］、Ｑ_y［ｙ］を計算し、φ：（Ｚ⁰⁺）^Mx+My→
Ｒ^Mxなる写像を用いて、制御入力ｚをｚ＝φ（Ｑ_x［ｘ］，Ｑ_y［ｙ］）で決定する。これは、Ｑ_x［ｘ］，Ｑ_y［ｙ］なるアド
レスにｚを記憶させるテーブルを用いて実現できる。

【００６５】次に、制御入力設定部２の第４構成例を説
明する。

【００６６】ここでは、ＡＴＭ通信システムに与える制
御入力を以下のようにして計算する。

【００６７】内部状態ｘ、通信品質ｙ、制御入力ｚ、ｉ
_x＝_xＱ［ｘ］，ｙ^*：（Ｚ⁰⁺）²→Ｒ¹，Ｑ_z ^-1を用
いて、制御入力ｚを、ｚ(n) ＝Ｑ_z ^-1［０］ｉｆｙ＜ｙ^*（０，ｉ_x）ｚ(n) ＝Ｑ_z ^-1［ｉ_z＋１］ｉｆｙ^*（ｉ_z，ｉ_x）≦ｙ＜ｙ^*（ｉ_z ＋１，ｉ_x）（７）とする。

【００６８】具体的には、セルに高優先セルと低優先セ
ルの２種類の優先クラスがあり、高優先セルの廃棄率に
関する要求品質をＱＯＳ_H、制御入力ｚを各セルスロッ
トにおける低優先セルの規制率、ｚ∈｛０％，１００
％｝としたとき、ｚ＝１００％ならばそのセルスロット
に到着した定優先セルをすべて強制廃棄し、ｚ＝０％な
らば低優先セルもバッファに蓄積することにより、高優
先セルの廃棄率がＱＯＳ_Hを満足するように制御するセ
ル優先制御において、通信品質を高優先セルの廃棄率の
加重平均ＣＬＲ^A(n) 、ＣＬＲ^A*(k) を１次元配列、セ
ルスロットｎの先頭でのキュー長をｋ(n) としたとき、ｉｆＣＬＲ^A*(k(n))≦ＣＬＲ^A(n) ｔｈｅｎｚ＝１００％ｅｌｓｅｚ＝０％のようにｚを決める。

【００６９】このようなセル優先制御のアルゴリズムを
図６に示す。

【００７０】また、ＣＬＲ^A*(k(n))は、ｋ（ｎ）をアド
レス、ＣＬＲ^A*(k(n))をデータに持つＣＬＲ^A*テーブル
１１の検索により得られ、比較部１０によりＣＬＲ^A*(k
(n))とＣＬＲ^A(n) を比較してｚの値を決めるものとす
ると、このようなセル優先制御装置の制御入力計算装置
の構成は、図７のようになる。

【００７１】この方法は、式（７）において、ｉ_x＝
ｋ、ｉ_z∈｛０，１｝、Ｑ_z ^-1［１］＝１００、Ｑ_z ^-1
［０］＝０、ｙ^*（１，ｉ_x）＝∞、ｙ^*（０，ｉ_x）
＝ＣＬＲ^A*(k(n))とした場合に相当する。

【００７２】また、上記制御が、式（５）または式
（６）を満たしたときの、ｘ，ｙ，ｚの関係を図８に示
す。

【００７３】次に、制御入力設定部２の第５構成例を説
明する。

【００７４】ここでは、ＡＴＭ通信システムに与える制
御入力を以下のようにして計算する。

【００７５】内部状態ｘ、通信品質ｙ、制御入力ｚとし
て、ａ：（Ｚ⁰⁺）¹→Ｒ¹，ｂ：（Ｚ⁰⁺）¹→Ｒ¹，
ｆ：（Ｒ，Ｚ⁰⁺）→Ｒ¹としたとき、ｚ(n) ＝Ｑ_z ^-1［ｉ_z＋１］ｉｆｙ^*（ｉ_z）≦ｙ
(n) ＜ｙ^*（ｉ_z＋１）ｙ^*（ｉ_z）＝ｆ（ｘ，ｉ_z）とする。

【００７６】例えば、ｆを次式で表すことができる。ｙ^*（ｉ_z）＝ａ（ｉ_z）ｘ＋ｂ（ｉ_z）次に、制御入力設定部２の第６構成例を説明する。

【００７７】ここでは、ＡＴＭ通信システムに与える制
御入力を以下のようにして計算する。

【００７８】ＡＴＭ通信システムの内部状態に応じてａ：（Ｚ⁰⁺）¹→Ｒ¹，ｂ：（Ｚ⁰⁺）¹→Ｒ¹，θ：Ｒ
^d→Ｒ^My，φ：→（Ｚ⁰⁺）^Mx+My→Ｒ^Mz，ｙ^*：
（Ｚ⁰⁺）²→Ｒ¹ で表される写像関係を更新することにより、正確な制御
入力の計算が可能となる。

【００７９】以上、通信品質計算部３と制御入力設定部
２についてそれぞれ幾つかの実施形態を説明してきた
が、いずれの通信品質計算部３の構成例といずれの制御
入力設定部２の構成例とを組み合わせても良い。

【００８０】以下では、本実施形態の構成、効果につい
てより具体的に説明する。

【００８１】セルに高優先セルと低優先セルの２種類の
優先クラスがあり、通信品質を高優先セルのセル廃棄
率、高優先セルのセル廃棄率に関する要求品質をＱＯＳ
_Hとしたとき、セル優先制御により高優先セルのセル廃
棄率がＱＯＳ_Hを満足するようにセル優先制御による輻
輳制御を行う場合について説明する。

【００８２】先に述べたように、従来のセル優先制御で
あるプッシュアウト法では、バッファが一杯の状態で高
優先セルが到着した際に、バッファ内の低優先セルを廃
棄し、到着した高優先セルをバッファに入れる。そのた
め、低優先セルの負荷の変動の影響を受けにくいが、低
優先セルの負荷が過度に集中した場合に高優先セルの最
悪のセル廃棄率を保証できないという欠点がある。

【００８３】また、しきい値法による優先制御では、低
優先セルがバッファに到着した時、キュー長としきい値
を比較し、キュー長がしきい値以上の場合にはバッファ
に到着した低優先セルを強制的に廃棄することにより、
高優先セルの廃棄を減少させる方法である。そのため、
高優先セルのセル廃棄率はセルの到着率としきい値に依
存するが、バッファに到着するセルのトラヒックは大き
く変動し、その予測は困難であるため、適切なしきい値
を決めることができなかった。

【００８４】しきい値法によるセル優先制御において、
しきい値を制御入力としたとき、本発明によれば、バッ
ファの内部状態から高優先セルのセル廃棄率を計算し、
高優先セルのセル廃棄率と内部状態から適切にしきい値
を決めることができるので、バッファに到着するセルの
トラヒックが変動した場合でも、高優先セルのセル廃棄
率を要求品質を満たすような制御が可能となる。

【００８５】また、セル廃棄率をキュー長の関数として
計算することにより、システムの内部状態の変化をセル
廃棄率の加重平均に反映させることができるため、廃棄
セル数と到着セル数からセル廃棄率を計算する場合より
正確な制御が可能となる。

【００８６】以下に、高優先セルのセル廃棄率と内部状
態から決めたしきい値によりセル優先制御を行つた場合
の作用効果を具体的に示す。

【００８７】セルスロットｎでのしきい値がｔ(n) のと
きの、セルスロットｉでの高優先セルのセル廃棄率の加
重平均の期待値をＣＬＲ_H ^A（ｉ｜ｔ(n) ）、システム
の評価関数をＶ(n+1) ＝Σ_i=n+1 ^∞（ＣＬＲ_H ^A（ｉ｜ｔ(n) ））−ＱＯＳ_H）² （８）としたとき、制御入力計算装置では、式（９）のように
評価関数Ｖ(n+1) を最小にするようにしきい値ｔ(n) を
計算し、ｔ(n) ＝ａｒｇ［min _tＶ（n+1 ｜ｔ）］（９）このｔ(n) をセル優先制御に用いることにより、高優先
セルのセル廃棄率がＱＯＳ_Hと等しくなるようなセル優
先制御を行うことができる。なお、ａｒｇ［min_tＨ
（ｔ）］は、Ｈ（ｔ）の最小値を与えるｔを表わす。

【００８８】ここで、ｉ＞ｎに対しては、ＣＬＲ_H（ｉ
｜ｔ(n) ）の期待値はセル到着率が申告パラメータ通り
と仮定すると、現在のキュー長ｋ(n) とｔ(n) から導く
ことができる。これを用いて、ＣＬＲ_H ^A（ｉ｜ｔ(n) ）＝μ₁ＣＬＲ_H（ｉ｜ｔ(n) ）＋ＣＬＲ_H ^A(n ) −μ₁ＣＬＲ_H ^A(n) （１０）により定義されるＣＬＲ_H ^A（ｉ｜ｔ(n) ）の期待値を
ＣＬＲ_H ^A(n) 、ｋ(n)、ｔ(n) の関数として表すと、
同様にＶ(n+1) は、ＣＬＲ_H ^A(n) 、ｋ(n) 、ｔ(n) の
関数となる。これをＶ（n+1 ｜ＣＬＲ_H ^A(n) 、ｋ(n)
、ｔ(n) ）と表す。

【００８９】すると、式（９）は、ｔ(n) ＝ａｒｇ［min _tＶ（n+1 ｜ＣＬＲ_H ^A(n) 、ｋ(n) 、ｔ）］（１１）と表される。

【００９０】さらに、式（１１）右辺のｔは、ｔについ
てＶを最小化する操作により右辺から消すと、ｔ(n) は
ＣＬＲ_H ^A(n) 、ｋ(n) の関数になるので、式（１１）
は、ｔ(n) ＝φ（ＣＬＲ_H ^A(n) ，ｋ(n) ）（１２）と表される。従って、通信品質計算部３で計算されたＣ
ＬＲ_H ^A(n) と内部状態であるｋ(n) から、式（１２）
の関係を用いて制御入力設定部２でｔ(n) を決めること
により、しきい値ｔ(n) を最適に決めることができる。

【００９１】これは、キュー長ｋ(n) と高優先セルのセ
ル廃棄率の加重平均ＣＬＲ_H ^A(n)の関数としてしきい
値ｔ(n) を決める制御によりシステムの評価関数を最小
にすることができることを意味しており、簡単なハード
ウェアで実現することができる。

【００９２】ここで、式（８）で表されるシステムの評
価関数の代わりに、次の評価関数を用いた場合、Ｖ(n+1) ＝Σ_i=n+1 ^∞（ＣＬＲ_H（ｉ｜ｔ(n) ）−ＱＯＳ_H）² （１３）ｔ(n) は、ｔ(n) ＝φ（ＣＬＲ_H(n) ，ｋ(n) ）（１４）となる。この制御では過去の制御の結果によるセル廃棄
率の変化がフィードバックされないため、到着率の変化
などにより発生する制御誤りを修正できない。

【００９３】これに対して、評価関数を式（８）とした
場合には、過去の制御結果をフィードバックすることが
できるので、過去のセル廃棄率が高すぎる場合には将来
のセル廃棄率を押さえるようにしきい値を決めることが
可能となる。従って、通信品質計算部３では過去から現
在までの高優先セルのセル廃棄率の加重平均を計算し、
それを用いて制御を行うことにより、到着率が変化した
場合でも高優先セルのセル廃棄率をＱＯＳ_Hの近傍に維
持することが可能となる。

【００９４】以下に、しきい値法によるセル優先制御に
おけるしきい値を本発明により決めたときの効果を、シ
ミュレーション（Ｓｉｍ．）と解析（Ａｎａｌ．）によ
り示す。また、比較のために、従来例としてしきい値を
ｔ^oで固定したしきい値法（Ｆｉｘｅｄ）によるセル優
先制御方式の性能も示す。固定しきい値法のしきい値
は、実際のセル到着過程が申告された到着率通りのベル
ヌーイ過程の場合に、本発明によりしきい値を決めたし
きい値法と固定しきい値法の性能が等しくなるように決
めた。ここで、高優先セルと低優先セルの申告パラメー
タを各々λ_H ^Rq、λ_L ^Rq、実際のセル到着過程を到着率
λ_H ^Ph，λ_L ^Phのベルヌーイ過程、バッファ長＝１６、
ｔ^o＝１３、入力リンク数４、λ_H ^Rq＝０．１２、λ_L
^Rq＝０．１２、ＱＯＳ_H＝５．３×１０^-5とする。この
とき、入力リンク１本あたりの高優先セルの到着率λ_H
^Phが申告パラメータλ_H ^Rqに等しく、入力リンク１本あ
たりの低優先セルの到着率λ_L ^Phが申告パラメータλ_L
^RqのΔ_L倍（λ_L ^Ph＝λ_L ^Rq×Δ_L）となる場合のセル
廃棄率を図９に、λ_L ^Phがλ_L ^Rqに等しく、λ_H ^Phがλ
_H ^RqのΔ_H倍（λ_H ^Ph＝λ_H ^Rq×Δ_H）となる場合のセ
ル廃棄率を、図１０に示す。

【００９５】図９と図１０より、固定しきい値法の高優
先セルのセル廃棄率ＣＬＲ_HはΔ_LまたはΔ_Hに従って
大きく変化するが、本発明によりしきい値を決めたしき
い値法のＣＬＲ_Hは、図９では０．７≦Δ_L、図１０で
は０．７≦Δ_H≦１．６の領域で、ほぼＱＯＳ_Hを保つ
ことが分かる。一方、Δ_L＝０．６およびΔ_H＝０．
６、１．８の場合には、本発明によりしきい値を決めた
しきい値法のＣＬＲ_HがＱＯＳ_Hから大きく変化してい
るが、負荷がしきい値の設定範囲外になつているためで
あり、制御則の欠陥ではない。これは、しきい値ｔ＝バ
ッファ長＋１または０の固定しきい値法（前者は優先制
御を行わない通常のＦＩＦＯ、後者は高優先セルのみが
到着する場合のＦＩＦＯと等しい）の特性と本発明によ
りしきい値を決めたしきい値法の特性が一致しているこ
とから分かる。また、Δ_L，Δ_H＜１の場合は、高優先
セルに過剰品質を与えていないため、ＣＬＲ_Lが固定し
きい値法と比べて良くなることが分かる。

【００９６】これらの結果から、本発明による方法で
は、低優先セルや高優先セルの到着率が申告パラメータ
から変動しても、ＣＬＲ_HはＱＯＳ_Hから変化しないこ
とが分かった。また、実際のセル到着率が申告パラメー
タより小さい場合には、高優先セルに過剰品質を与えな
いために、固定しきい値法と比較して低優先セルのスル
ープットが良くなることが分かる。

【００９７】例えば、上記セル優先制御において、ＱＯ
Ｓ_H＝１０^-9の場合を考える。セル廃棄率の加重平均の
観測値ＣＬＲ_H ^Aob(n) は、実施例にもあるように、ＣＬＲ_H ^Aob(n) ＝ＣＬＮ_H ^A(n) ／ＣＡＮ_H ^A(n) ＣＬＮ_H ^A(n) ＝μ₁ＣＬＮ_H(n) ＋ＣＬＮ_H ^A(n-1)
−μ₁ＣＬＮ_H ^A(n-1) ＣＡＮ_H ^A(n) ＝μ₁ＣＡＮ_H(n) ＋ＣＡＮ_H ^A(n-1)
−μ₁ＣＡＮ_H ^A(n-1) となる。上式から明らかなように、ＣＬＲ_H ^Aob(n) に
は廃棄されたセル数のμ₁倍が加算されていくので、セ
ル廃棄が起こるとＣＬＲ_H ^Aob(n) は急激に値が大きく
なり、システムの状態を強く反映するが、その反面セル
廃棄が起きないときは少しずつ減少するのみであり、シ
ステムの状態に関する情報はほとんど持っていない。従
って、ＱＯＳ_H＝１０^-9の場合のようにセルが廃棄され
る間隔がｏ（１０⁹）セルスロットになるような場合に
は、平均してｏ（１０⁹）セルスロットごとにしかシス
テムの情報が得られない。一方、ｏ（１０⁹）セルスロ
ットという間隔は、呼の接続状況や端末の内部状態など
が変化するのに十分な時間であるため、ｏ（１０⁹）セ
ルスロットより短い間隔で緻密な制御を行う必要があ
る。従つて、ＣＬＲ_H(n) を用いて高品質なＱＯＳ_Hを
要求される場合の制御を行うのは望ましくない。

【００９８】一方、キュー長は１セルスロットごとに変
動しているうえに、セル廃棄率はキュー長に大きく依存
しているため、１セルスロットごとの通信品質を、ＣＬＲ_H(n) ＝θ（Ｑ［ｋ(n) ］）（１５）で推定し、その加重平均ＣＬＲ_H ^A(n) ＝μ₁ＣＬＲ_H(n) ＋ＣＬＲ_H ^A(n-1)
−μ₁ＣＬＲ_H ^A(n-1) をシステムの通信品質として用いた場合、ＣＬＲ
_H ^A(n) は１セルスロットごとのシステムの状態の変化
を反映しているため、より緻密な制御が可能となる。

【００９９】また、式（１）または式（２）または式
（３）のようにセル廃棄率を求めることにより、式
（４）のようにわり算を毎セルスロットごとに行う必要
がないため、演算量またはハードウェア規模を削減する
ことができる。

【０１００】なお、以上の説明では主としてＡＴＭ通信
方式について説明したが、本発明は他の通信方式にも適
用可能である。

【０１０１】本発明は、上述した実施の形態に限定され
るものではなく、その技術的範囲において種々変形して
実施することができる。

【０１０２】

【発明の効果】本発明では、パケット通信システムの内
部状態からパケット通信システムの通信品質を計算し、
得られた通信品質とパケット通信システムの内部状態の
両者を用いて制御入力を計算するため、パケットの到着
速度が不明、または申告された値から変動した場合で
も、パケットの廃棄やパケットがバッファを通過する際
の遅延時間が要求される品質よりも悪化しないように最
適な輻輳制御を行うことができる。

【０１０３】また、通信品質の計算において、内部状態
または内部状態の写像の少なくともいづれか１つの平均
値を取る平均値算出により過去から現在までの平均的な
通信品質を計算し、これを用いて制御入力を計算するこ
とにより、過去の制御結果をフィードバックすることが
できるので、到着率の変動などにより制御入力が誤って
計算されても、後からその誤りをキャンセルすることが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る通信システムの構成
を示す図

【図２】通信品質計算部の一構成例を示す図

【図３】通信品質計算部の他の構成例を示す図

【図４】通信品質計算手順の一例を示すフローチャート

【図５】通信品質観測部の一構成例を示す図

【図６】セル優先制御手順の一例を示すフローチャート

【図７】本発明の一実施形態に係る通信システムの構成
を示す図

【図８】通信品質と内部状態と制御入力の関係の一例を
示す図

【図９】本発明によりセル優先制御を行った際の低優先
セルの平均到着率の変動とセル廃棄率の関係の一例を示
す図

【図１０】本発明によりセル優先制御を行った際の高優
先セルの平均到着率の変動とセル廃棄率の関係の一例を
示す図

【符号の説明】

１…パケット通信システム２…制御入力設定部３…通信品質計算部４…キュー長通信品質変換部５…加重平均算出部６…キュー長通信品質変換部７…通信品質観測部８…比較部９…除算部１０…比較部１１…キュー長通信品質対照テーブル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パケット通信システム内部のバッファにお
ける通信品質を制御する輻輳制御装置の動作を規定する
制御入力を、パケット通信システムの内部状態から計算
する制御入力計算装置において、前記パケット通信システムの内部状態から前記パケット
通信システムの通信品質を計算する通信品質計算手段
と、前記通信品質計算手段により得られた通信品質および前
記パケット通信システムの内部状態をもとにして前記制
御入力を計算する制御入力設定手段とを備えたことを特
徴とするパケット通信システムの輻輳制御における制御
入力計算装置。
【請求項２】前記通信品質計算手段は、前記内部状態お
よび前記内部状態の写像の少なくとも一方の平均値を取
る平均値算出手段を用いることにより、過去から現在ま
での平均的な通信品質を計算することを特徴とする請求
項１に記載のパケット通信システムの輻輳制御における
制御入力計算装置。
【請求項３】パケット通信システム内部のバッファにお
ける通信品質を制御する輻輳制御装置の動作を規定する
制御入力を、パケット通信システムの内部状態から計算
する制御入力計算方法において、前記パケット通信システムの内部状態から前記パケット
通信システムの通信品質を計算し、前記パケット通信システムの内部状態から計算された通
信品質および前記パケット通信システムをもとにして前
記制御入力を計算することを特徴とするパケット通信シ
ステムの輻輳制御における制御入力計算方法。
【請求項４】パケット通信システム内部のバッファにお
ける通信品質の制御を行う際に用いられる通信品質計算
装置において、前記バッファのキュー長と前記通信品質との対応関係が
書き込まれている通信品質格納手段と、キュー長が入力されると、該キュー長に対応する通信品
質、該キュー長に対応する通信品質の平均値、および該
キュー長に対応する通信品質の加重平均のうち少なくと
も１つを出力する手段とを備えたことを特徴とする通信
品質計算装置。
【請求項５】パケット通信システム内部のバッファにお
ける通信品質の制御を行う際に用いられる通信品質計算
方法において、キュー長の写像、キュー長の写像の平均値、およびキュ
ー長の写像の加重平均のうち少なくとも１つを計算する
ことを特徴とする通信品質計算方法。