JP4530285B2

JP4530285B2 - ネットワーク収容設計システムおよびその集線率決定方法ならびにプログラムおよびその記憶媒体

Info

Publication number: JP4530285B2
Application number: JP2005353430A
Authority: JP
Inventors: 裕規古屋
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2025-12-07
Also published as: JP2007158917A

Description

本発明は、ユーザの通信品質を考慮してネットワークに収容できるユーザ数を決定したり、あるいはユーザ数に応じてネットワークを設計するネットワーク収容設計システムおよびその集線率決定方法ならびにプログラムおよびその記憶媒体に関する。

複数のユーザ回線を一つに集約する集線回線やルータの帯域を設計する際、各ユーザ回線の契約帯域を単純加算して必要帯域を求めると、過剰品質となってネットワーク資源が無駄になる。したがって、収容設計は各ユーザの実トラヒックを考慮して行う必要がある。特許文献１には、各ユーザの平均トラヒック値および集線回線速度を入力パラメータとしてルータのユーザ回線収容数を決定する技術が開示されている。

一方、集線回線やルータの帯域を設計する手法として、各ユーザの契約帯域を単純加算して得られる帯域に所定の集線率ρを乗じて設計帯域を決定する手法が知られている。ここで、ユーザの通信品質を満足させるためには、ピークトラヒック値が設計帯域を超えないように集線率を設定する必要がある。しかしながら、集線回線のピークトラヒック値は各ユーザの契約帯域のみならず、各ユーザのトラヒック値の平均値、ピーク値および分散等に依存するので、集線率を定量的に求めることができなかった。このため、従来技術では集線率を経験則に基づいて設定し、この集線率に基づいて収容設計が行われていた。
特開２００３−３１８９７２号公報

上記した特許文献１の技術では、収容設計に際して通信品質を具体的に指定することができないので、QoSを保証するネットワークの収容設計には不適であった。

また、従来は集線率が経験則に基づいて決定されており、経験則では集線率を正確に設定することができないので、過剰品質となってネットワーク資源に無駄が生じたり、あるいはネットワーク資源が不足して所定の通信品質を満足できなくなるという技術課題があった。

さらに、集線率には地域的な偏在性や、時間的あるいは時期的な偏在性があるものの、これらを経験則に基づいて正確に設定することはできなかった。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、各ユーザの実トラヒックを分析して集線率を統計的に求めることで、集線率の偏在性にかかわらず正確な収容設計を可能にしたネットワーク収容設計システムおよびその集線率決定方法、ならびにプログラムおよびその記憶媒体を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明は、複数のユーザ回線を集約する集線回線の収容設計を行うネットワーク収容設計システムおよびその集線率決定方法において、以下のような手段を具備した点に特徴がある。

(1)本発明のネットワーク収容設計システムは、各ユーザ回線の契約帯域(ci)および平均トラヒック値(mi)を入力する手段と、前記集線回線に要求される通信品質を指定する手段と、前記契約帯域、平均トラヒック値および通信品質に基づいて集線回線の集線率(ρ)を算出する集線率計算手段と、前記集線率ρに基づいて前記集線回線の設計帯域を決定する帯域決定手段とを含むことを特徴とする。

(2)本発明の集線率決定方法は、各ユーザ回線の契約帯域(ci)および平均トラヒック値(mi)を入力する手順と、前記集線回線に要求される通信品質を指定する手順と、各ユーザ回線の契約帯域(Ci)および平均トラヒック値(mi)に基づいて集線回線のトラヒックの標準偏差（σ）を推定する手順と、前記標準偏差（σ）、各ユーザ回線の平均トラヒック値の総和および前記通信品質を代表する品質パラメータに基づいて集線回線のピークトラヒック値(Z)を推定する手順と、前記集線回線のピークトラヒック値(Z)および各ユーザ回線の契約帯域の総和(ΣCi)に基づいて集線率ρを求める手順とを含むことを特徴とする。

上記した特徴(1)によれば、複数のユーザ回線の契約帯域(ci)および平均トラヒック値(mi)を入力し、さらに所望の通信品質を指定するだけで、所望の通信品質を満足できる集線回線の集線率ρを求められるので、各ユーザの実トラヒック値が反映された適正な収容設計が可能になる。

また、集線回線の集線率を実トラヒック値に基づいて求められるので、各ユーザの実トラヒック値に地域的な偏在性や、時間的あるいは時期的な偏在性がある場合でも適正な収容設計が可能になる。

上記した特徴(2)によれば、各ユーザ回線の契約帯域(ci)および平均トラヒック値(mi)を入力し、さらに所望の通信品質を指定するだけで、所望の通信品質を満足できる集線回線の集線率ρを統計的に求められるようになる。

以下、図面を参照して本発明の最良の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係るネットワーク収容設計システムのブロック図であり、各ユーザに割り当てられたユーザ回線ULi(UL1，UL2…ULn)はアクセススイッチ１で集線回線ALに集約されてインターネット等の広域ネットワーク２に接続される。トラヒック監視部３は、各ユーザ回線ULiのトラヒックを定期的に監視し、監視結果をトラヒックデータベース(DB)４に登録する。本実施形態では、各ユーザ回線ULiの平均トラヒック値mi(m1，m2…mn)が監視結果として登録される。

ユーザDB５には、各ユーザ回線ULiの契約帯域ciをユーザIDで管理するユーザ情報が登録されている。設備DB６には、ユーザ回線ULiや集線回線AL等のネットワーク設備に関する情報が登録されている。収容状態DB７には、ネットワークへのユーザの収容状態が登録されている。

ネットワーク収容設計部８は、集線回線ALの集線率ρを算出する集線率計算部８１および集線率ρの計算結果に基づいて収容判定を行う収容判定部８２を含み、表示部９および入力操作部１０が接続されている。このネットワーク収容設計部８は、MPU、ROM、RAM、インターフェースおよびこれらを相互に接続する内部バス等を備えた汎用コンピュータに、後述する演算処理を実行するプログラムを実装することで実現できる。前記入力操作部１０からは、集線回線ALに要求する通信品質として、集線回線ALに許容する回線容量超過率αまたは後述する標準偏差係数kが指定される。

図２は、前記ネットワーク収容設計部８による収容設計方法を模式的に示した図であり、各ユーザ回線ULiおよび集線回線ALの太さは帯域の容量を代表している。

本実施形態では、前記集線率計算部８１において、ユーザDB５に登録されている各ユーザ回線ULi(UL1，UL2…ULn)の契約帯域ci(c1，c2…cn)、トラヒックDB４に登録されている各ユーザ回線ULiの平均トラヒック値mi(m1，m2…mn)、および入力操作部１０から入力される通信品質（回線容量超過率αまたは標準偏差係数k）を入力パラメータとして、集線回線ALの平均トラヒック値M、ピークトラヒック値Z、分散Vおよび標準偏差σが計算され、これらの計算結果に基づいて、最終的に集線回線ALの集線率ρが求められて表示部９へ出力される。

さらに、収容判定部８２において、設備DB６に登録されている集線回線ALの容量（割り当て可能な帯域）、収容状態DB７に登録されている現在の収容状態、および前記集線率ρの計算結果に基づいて、集線回線ALに割り当てる帯域の見直しが行われると共に、入力操作部１０から入力された新規ユーザの契約帯域に関する情報等に基づいて、当該新規ユーザを集線回線ALに追加収容可能であるか否かの判定が行われる。この判定結果も表示部９へ出力される。

次いで、前記ネットワーク収容設計部８による集線率ρの算出方法および収容設計方法をさらに具体的に説明する。

集線回線ALの集線率ρは、各ユーザの契約帯域ciを単純加算して得られる帯域Ｃに対するトラヒックの実使用量の割合と考えられるので、各ユーザ回線の契約帯域をci、集線回線ALのピークトラヒック値をZ、ユーザ数をnとすれば、集線率ρは次式(1)で求められる。

集線回線ALのピークトラヒック値Zは未知であるが、集線回線ALの平均トラヒック値をM、集線回線ALにおけるトラヒックの標準偏差をσ、標準偏差係数をkとすれば、前記ピークトラヒック値Zは次式(2)で求められる。

集線回線ALのトラヒックの標準偏差σは未知であるものの、この標準偏差σは集線回線の分散Vの平方根として求まる。ただし、集線回線ALにおけるトラヒック値の分散Vは、ユーザの利用形態、使用アプリケーションおよび時間帯に依存して動的に変化する。そこで、本実施形態では各ユーザ回線ULiのトラヒック値が契約帯域ci内で最大限に変動する最悪値を想定して各ユーザ回線ULiの分散viを求め、その総和Σviとして集線回線ALの分散Vを算出している。

すなわち、各ユーザ回線Uiにおけるトラヒック値の分散viは、各ユーザ回線Uiの平均トラヒック値をmi、所定のサンプリングタイミングpにおけるトラヒック値をxp、サンプリング回数をPとすれば次式(3)で表される。

ここで、トラヒック値xpは０≦xp≦ciの範囲内なので、トラヒック値xpが当該範囲内でサンプリングごとに最大限に変化する最悪状態を仮定すれば、上式(3)の(xp−mi)の項は、xpが最小値の「０」である場合の「mi」と、xpが最大値の「ci」である場合の「(ci−mi)」とを繰り返し、mi，(ci−mi)，mi，(ci−mi)…となる。したがって、サンプリング回数Pを無限大とすれば、上式(3)は次式(4)，(5)に書き換えられる。

各ユーザ回線Uiのトラヒックの振る舞いが相互に独立であると仮定すれば、集線回線ALの分散Vは、次式(6)のように各ユーザ回線Uiの分散viの総和として求められる。

集線回線ALの平均トラヒック値Mは、各ユーザ回線Uiの平均トラヒック値をmiとすれば、その総和として次式(7)で表されるので、前記(2)式は次式(8)のように書き換えられ、前記(1)は次式(9)のように書き換えられる。すなわち、各ユーザ回線Uiの契約帯域ciおよび平均トラヒック値miのみを入力パラメータとして集線回線の集線率ρが求められる。

そして、本実施形態では集線回線ALの集線率ρを、例えば５分周期で２４時間にわたって求め、その中の最悪値で当該集線回線ALの集線率ρを代表させる。

なお、上式(2)，(8)，(9)において、標準偏差係数kはネットワーク品質の指標となるパラメータであり、これを大きくすれば回線容量超過率αが減少してネットワーク品質が向上するものの、集線率ρが大きくなるので通信資源の節約率が減少する。一方、標準偏差係数kを小さくすれば回線容量超過率αが増大してネットワーク品質が低下するものの、集線率ρが小さくなるので通信資源の節約率が増加する。

このように、回線容量超過率αと標準偏差係数kとの間には定量的な関係があるので、例えば、集線回線ALのトラヒック値にチェビシェフの不等式を適用すれば、図３に一例を示したように、回線容量超過（Z＞M+kσ）の確率αを１／k∧2未満とできる。したがって、標準偏差係数kを「１０」に設定することで回線容量超過αの確率を１％未満に抑えられる。

なお、各ユーザ回線ULi(UL1，UL2…ULn)の契約帯域ci(c1，c2…cn)が同程度であり、各ユーザ回線Uiのトラヒックの振る舞いが相互に独立であり、かつ収容ユーザ数が１０人以上であれば、トラヒックが正規分布するものと仮定できる。したがって、集線回線ALのトラヒックの分布を、図4に示したように正規分布と仮定できるものとすれば、標準正規分布関数を適用して標準偏差係数kを「２」に設定することで回線容量超過αの確率を２．３％未満に抑えられ、標準偏差係数kを「３」に設定することで回線容量超過αの確率を０．１３％未満に抑えられる。

本実施形態では、上式(9)に示したように、集線率ρが標準偏差係数kの関数として求められるので、所望の回線容量超過率α、換言すれば所望のネットワーク品質に対応した集線率ρを簡単に求められるようになる。

なお、上記した説明ではネットワーク品質の指標として標準偏差係数kが指定されるものとして説明したが、標準偏差係数kと回線容量超過率αとの関係は上述のとおり既知なので、ネットワーク収容設計部８に対しては回線容量超過率αが指定され、ネットワーク収容設計部８において回線容量超過率αを標準偏差係数kに変換して上式(9)に適用するようにしても良い。

図５は、３２人のユーザに関して、その契約帯域c、平均トラヒック値m、推定最大分散vおよび推定標準偏差σを一覧表示した図であり、図６は図５に基づいて、標準偏差係数kを「３」として計算された集線回線ALの平均トラヒック値M、推定最大分散V、推定標準偏差σ、ピークトラヒック値、回線使用率および集線率ρを一覧表示した図である。

本実施形態では、集線回線ALの平均トラヒック値Mが「１００５」であり、推定標準偏差σが「２４９．２４９」であり、標準偏差係数kが「３」なので、これらを上式(2)に代表すれば、集線回線ALのピークトラヒック値Zとして「１７５２．７４７」が求まる。そして、ユーザ回線の契約帯域の総和は３２００[Mbps]なので、これらを上式(1)に代入すれば集線率ρ（＝Z／Σci)として０．５４８（＝１７５２．７４７／３２００）が求まる。

したがって、集線回線ALの設計帯域Cとして、各ユーザの契約帯域ciの総和３２００[Mbps]の５４．８％を割り当てれば、通信資源を無駄にすることなく、全てのユーザに高品質の通信を保証できるようになる。そして、集線回線ALのトラヒック分布を正規分布と仮定できるものとして標準正規分布関数を適用すれば、回線線容量超過の確率を０．１３％未満(k=3)に抑えられことを予測できる。

さらに、新規ユーザの登録要求があったときも、当該各ユーザの利用状況を既存ユーザと同等とみなせば、各新規ユーザの契約帯域に基づいてピークトラヒック値Zを算出できるので、現在の集線回線に収容可能であるか否かを定量的に求めることができ、かつ収容不可能な場合には回線容量の増分を簡単に求められるようになる。

さらに、本実施形態によればユーザ回線ULiのトラヒックを監視するだけで、これを集約する集線回線ALに割り当てる帯域を最適化できるので、集線回線ALの集線率ρを地域ごとに、あるいは時間帯ごとに求めれば、トラヒック値に地域的あるいは時間的な偏在性がある場合でも、各集線回線ALに割り当てる帯域を簡単に最適化できるようになる。

本発明に係るネットワーク収容設計システムのブロック図である。ネットワーク収容設計部による収容設計方法を模式的に示した図である。トラヒック分布にチェビシェフの不等式を適用して回線容量超過の確率を推定する方法を示した図である。トラヒック分布に標準正規分布関数を適用して回線容量超過の確率を推定する方法を示した図である。契約帯域c、平均トラヒック値m、推定最大分散vおよび推定標準偏差σの一例を一覧表示した図である。図５に基づいて、標準偏差係数kを「３」として計算された集線回線ALの平均トラヒック値M、推定最大分散V、推定標準偏差σ、ピークトラヒック値Z、回線使用率および集線率ρを一覧表示した図である。

Claims

複数のユーザ回線を集約する集線回線の収容設計を行うネットワーク収容設計システムにおいて、
各ユーザ回線の契約帯域(ci)および平均トラヒック値(mi)を入力する手段と、
前記集線回線に要求される通信品質を指定する手段と、
前記契約帯域、平均トラヒック値および通信品質に基づいて集線回線の集線率(ρ)を算出する集線率計算手段と、
前記集線率ρに基づいて前記集線回線の帯域を決定する帯域決定手段とを含むことを特徴とするネットワーク収容設計システム。
前記集線率計算手段は、
各ユーザ回線の契約帯域および平均トラヒック値に基づいて集線回線のトラヒックの標準偏差（σ）を推定する手段と、
前記標準偏差（σ）、各ユーザ回線の平均トラヒック値の総和および前記通信品質を代表する品質パラメータに基づいて集線回線のピークトラヒック値(Z)を推定する手段と、
前記集線回線のピークトラヒック値および各ユーザ回線の契約帯域の総和(ΣCi)に基づいて集線率を求める手段とを含むことを特徴とする請求項１に記載のネットワーク収容設計システム。
前記通信品質が集線回線の回線容量超過率であり、前記品質パラメータをチェビシェフの不等式に基づいて設定する手段をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のネットワーク収容設計システム。
前記通信品質が集線回線の回線容量超過率であり、前記品質パラメータをトラヒック分布の正規分布近似に基づいて設定する手段をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のネットワーク収容設計システム。
複数のユーザ回線を集約する集線回線の収容設計を行うネットワーク収容設計システムの集線率を決定する集線率決定方法において、
各ユーザ回線の契約帯域(ci)および平均トラヒック値(mi)を入力する手順と、
前記集線回線に要求される通信品質を指定する手順と、
各ユーザ回線の契約帯域(Ci)および平均トラヒック値(mi)に基づいて集線回線のトラヒックの標準偏差（σ）を推定する手順と、
前記標準偏差（σ）、各ユーザ回線の平均トラヒック値の総和および前記通信品質を代表する品質パラメータに基づいて集線回線のピークトラヒック値(Z)を推定する手順と、
前記集線回線のピークトラヒック値(Z)および各ユーザ回線の契約帯域の総和(ΣCi)に基づいて集線率ρを求める手順とを含むことを特徴とするネットワーク収容設計システムの集線率決定方法。
前記通信品質が集線回線の回線容量超過率であり、前記品質パラメータをチェビシェフの不等式に基づいて設定する手順をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のネットワーク収容設計システムの集線率決定方法。
前記通信品質が集線回線の回線容量超過率であり、前記品質パラメータをトラヒック分布の正規分布近似に基づいて設定する手順をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のネットワーク収容設計システムの集線率決定方法。
複数のユーザ回線を集約する集線回線の収容設計を行うネットワーク収容設計システムの集線率を決定する集線率決定プログラムにおいて、
コンピュータに、
各ユーザ回線の契約帯域(ci)および平均トラヒック値(mi)を入力する手順と、
前記集線回線に要求される通信品質を指定する手順と、
各ユーザ回線の契約帯域(Ci)および平均トラヒック値(mi)に基づいて集線回線のトラヒックの標準偏差（σ）を推定する手順と、
前記標準偏差（σ）、各ユーザ回線の平均トラヒック値の総和および前記通信品質を代表する品質パラメータに基づいて集線回線のピークトラヒック値(Z)を推定する手順と、
前記集線回線のピークトラヒック値(Z)および各ユーザ回線の契約帯域の総和(ΣCi)に基づいて集線率ρを求める手順と、
を実行させるためのプログラム。
複数のユーザ回線を集約する集線回線の収容設計を行うネットワーク収容設計システムの集線率を決定する集線率決定プログラムにおいて、
コンピュータに、
各ユーザ回線の契約帯域(ci)および平均トラヒック値(mi)を入力する手順と、
前記集線回線に要求される通信品質を指定する手順と、
各ユーザ回線の契約帯域(Ci)および平均トラヒック値(mi)に基づいて集線回線のトラヒックの標準偏差（σ）を推定する手順と、
前記標準偏差（σ）、各ユーザ回線の平均トラヒック値の総和および前記通信品質を代表する品質パラメータに基づいて集線回線のピークトラヒック値(Z)を推定する手順と、
前記集線回線のピークトラヒック値(Z)および各ユーザ回線の契約帯域の総和(ΣCi)に基づいて集線率ρを求める手順と、
を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。