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JP2015019159A - Queue delay calculation device, queue delay calculation method and program - Google Patents

Queue delay calculation device, queue delay calculation method and program Download PDF

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JP2015019159A
JP2015019159A JP2013143839A JP2013143839A JP2015019159A JP 2015019159 A JP2015019159 A JP 2015019159A JP 2013143839 A JP2013143839 A JP 2013143839A JP 2013143839 A JP2013143839 A JP 2013143839A JP 2015019159 A JP2015019159 A JP 2015019159A
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distribution
queue delay
queue
calculating
system number
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JP2013143839A
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泰理 本多
Yasumasa Honda
泰理 本多
山本 浩司
Koji Yamamoto
浩司 山本
天真 中村
Sorami Nakamura
天真 中村
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To calculate a probability distribution of queue delay by inputting an arrival process and the average and dispersion of service time distribution.SOLUTION: The queue delay calculation device for calculating queue delay comprises: number in-system estimation means for calculating number in-system distribution by inputting a moment observation value up to the second-order of an arrival time to a queue to calculate a positive solution of diffusion approximation; and queue delay distribution calculation means for inputting the calculated number in-system distribution and a moment observation value up to the Nth-order (N≥2) of a queue service time to calculate queue delay distribution.

Description

本発明は、待ち行列シミュレーションに関する技術であり、待ち行列モデルによる待ち行列遅延のシミュレーションを行うキュー遅延算出装置、キュー遅延算出方法及びプログラムに関する。   The present invention relates to a queue simulation technique, and relates to a queue delay calculation device, a queue delay calculation method, and a program that perform a queue delay simulation using a queue model.

一般的な待ち行列モデルは、キューへの到着を表す到着過程と、サービスに必要なサービス時間と、サービスの数によって表される。   A general queuing model is represented by an arrival process representing arrival at a queue, a service time required for the service, and the number of services.

到着過程もサービス時間も共にマルコフ的でない場合、非マルコフモデルと呼ばれる。非マルコフモデルに対する近似法は複数存在するが、それらの近似法の中でも、普遍性を持ち、システム性能尺度が結果的に容易に得られるものとして拡散近似法が知られている。拡散近似とは、非マルコフ待ち行列システムにおけるシステム性能評価尺度を得るために、系内客数過程あるいは仮待ち時間過程を拡散方程式で記述する定式化である。これにより、キュー遅延の近似値を容易に算出することができる。   If neither the arrival process nor the service time is Markovian, it is called a non-Markov model. There are a plurality of approximation methods for non-Markov models. Among these approximation methods, the diffusion approximation method is known as having universality and easily obtaining a system performance measure as a result. Diffusion approximation is a formulation that describes the number of customers in a system or the provisional waiting time process using a diffusion equation in order to obtain a system performance evaluation scale in a non-Markov queuing system. Thereby, the approximate value of the queue delay can be easily calculated.

E. Gelenbe, "Probabilistic models of computer systems, Part II, Diffusion approximations, waiting times and batch arrivals," Acta Informatica, vol. 12, pp.285-303, 1979.E. Gelenbe, "Probabilistic models of computer systems, Part II, Diffusion approximations, waiting times and batch arrivals," Acta Informatica, vol. 12, pp.285-303, 1979. 高橋敬隆:「拡散近似法(非マルコフモデル近似式導出法)」,電子情報通信学会知識ベース,2010.http://www.ieice-hbkb.org/files/05/05gun_01hen_03.pdfTakataka Takahashi: "Diffusion approximation (non-Markov model approximation)", IEICE Knowledge Base, 2010.http: //www.ieice-hbkb.org/files/05/05gun_01hen_03.pdf

到着過程やサービス時間の一方または双方が所定のよく知られた分布に従う待ち行列モデル、例えばM/D/1モデルにおいては、系内数分布の理論値が帰納的にではあるが陽に算出可能である。しかし、到着過程とサービス時間分布の双方とも一般の確率分布に従うGI/GI/1モデルにおいては、陽に系内数分布を算出することが困難である。前記の拡散近似はよく知られる手法であり、その適用により数値的に近似解の構成も可能である。しかしながら、GI/GI/1モデルの場合には、拡散近似の陽な解が知られていないため、拡散近似モデルの妥当性や、数値計算における誤差、定常解への収束可否やモデルに課されるべき条件が不明である。   In a queuing model in which one or both of the arrival process and service time follow a predetermined well-known distribution, such as the M / D / 1 model, the theoretical value of the in-system distribution can be calculated recursively but explicitly. It is. However, in the GI / GI / 1 model that follows the general probability distribution for both the arrival process and the service time distribution, it is difficult to calculate the number distribution in the system. The diffusion approximation is a well-known technique, and an approximate solution can be configured numerically by applying the diffusion approximation. However, in the case of the GI / GI / 1 model, since the explicit solution of the diffusion approximation is not known, the validity of the diffusion approximation model, the error in the numerical calculation, the convergence to the stationary solution, and the model are imposed. The conditions to be determined are unknown.

また、系内数の分布が得られても、それに基づき直接キュー遅延を算出することができない。   Further, even if the distribution of the numbers in the system is obtained, the queue delay cannot be directly calculated based on the distribution.

本発明は、上記の問題に鑑み、待ち行列モデルGI/GI/1におけるキュー遅延分布の近似値を算出することを目的とする。具体的には、本発明は、待ち行列モデルGI/GI/1において、容易に入手可能な到着過程及びサービス時間分布の平均及び分散を入力としてキュー遅延の確率分布を算出することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to calculate an approximate value of a queue delay distribution in the queue model GI / GI / 1. Specifically, an object of the present invention is to calculate a probability distribution of queue delays by using, as input, readily available arrival processes and service time distribution averages and variances in the queuing model GI / GI / 1. .

本発明の一形態に係るキュー遅延算出装置は、
キュー遅延を算出するキュー遅延算出装置であって、
キューへの到着時間の2次までのモーメント観測値を入力として、拡散近似の陽な解を算出することにより、系内数分布を算出する系内数推定手段と、
算出された系内数分布と、キューのサービス時間のN次(N≧2)までのモーメント観測値とを入力として、キュー遅延分布を算出するキュー遅延分布算出手段と、
を有することを特徴とする。
A queue delay calculation apparatus according to an aspect of the present invention provides:
A queue delay calculation device for calculating a queue delay,
An in-system number estimation means for calculating an in-system number distribution by calculating an explicit solution of diffusion approximation by using moment observation values up to the second order of arrival time to the queue;
Queue delay distribution calculating means for calculating the queue delay distribution by using the calculated intra-system number distribution and the observed moment values up to the Nth order (N ≧ 2) of the queue service time,
It is characterized by having.

本発明の一形態に係るキュー遅延算出方法は、
キュー遅延を算出するキュー遅延算出装置におけるキュー遅延算出方法であって、
前記キュー遅延算出装置の系内数推定手段が、キューへの到着時間の2次までのモーメント観測値を入力として、拡散近似の陽な解を算出することにより、系内数分布を算出するステップと、
前記キュー遅延算出装置のキュー遅延分布算出手段が、算出された系内数分布と、キューのサービス時間のN次(N≧2)までのモーメント観測値とを入力として、キュー遅延分布を算出するステップと、
を有することを特徴とする。
A queue delay calculation method according to an aspect of the present invention includes:
A queue delay calculation method in a queue delay calculation device for calculating a queue delay,
A step of calculating an in-system number distribution by calculating an explicit solution of diffusion approximation by using the moment observation value up to the second order of the arrival time to the queue as an input by the in-system number estimating means of the queue delay calculating device; When,
The queue delay distribution calculating means of the queue delay calculating device calculates the queue delay distribution by using the calculated intra-system number distribution and the observed moment values up to the Nth order (N ≧ 2) of the queue service time as inputs. Steps,
It is characterized by having.

本発明の一形態に係るプログラムは、
キュー遅延を算出するキュー遅延算出装置として、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
キューへの到着時間の2次までのモーメント観測値を入力として、拡散近似の陽な解を算出することにより、系内数分布を算出する系内数推定手段、及び
算出された系内数分布と、キューのサービス時間のN次(N≧2)までのモーメント観測値とを入力として、キュー遅延分布を算出するキュー遅延分布算出手段、
として機能させることを特徴とする。
A program according to one aspect of the present invention is:
A program for operating a computer as a cue delay calculation device that calculates cue delay, and using this computer as input for moment observation values up to the second order of arrival time to the cue, an explicit solution of diffusion approximation is calculated System input number estimation means for calculating the system number distribution, and the calculated system number distribution and the observed moment values up to the Nth order (N ≧ 2) of the queue service time as input. A queue delay distribution calculating means for calculating a delay distribution;
It is made to function as.

本発明によれば、到着過程及びサービス時間分布の平均及び分散を入力としてキュー遅延の確率分布を算出することが可能になる。   According to the present invention, it is possible to calculate the probability distribution of the queue delay with the arrival process and the average and variance of the service time distribution as inputs.

本発明の実施例に係るキュー遅延算出装置の構成図1 is a configuration diagram of a queue delay calculation apparatus according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施例に係るキュー遅延算出装置の入力情報同定手段の例を示す図The figure which shows the example of the input information identification means of the queue delay calculation apparatus which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係るキュー遅延算出方法のフローチャートFlowchart of queue delay calculation method according to an embodiment of the present invention M/D/1系内数理論値と本発明の実施例に係るキュー遅延算出装置における推定結果との比較を示す図The figure which shows the comparison with the estimation result in the queue delay calculation apparatus which concerns on the queue delay calculation apparatus which concerns on the Example of M / D / 1 system internal number

以下、本発明の実施例について詳細に説明する。   Examples of the present invention will be described in detail below.

本発明の実施例では、ネットワークのボトルネックリンクにおけるキュー遅延の確率分布近似値を、到着間隔については2次まで、サービス時間についてはN次まで(N≧2)のモーメント観測値を入力として出力するキュー遅延算出装置について説明する。   In the embodiment of the present invention, an approximate value of the probability distribution of the queue delay at the bottleneck link of the network is output as an input of moment observation values up to the second order for the arrival interval and the Nth order (N ≧ 2) for the service time. A queue delay calculation apparatus will be described.

本発明の実施例に係るキュー遅延算出装置は、拡散近似の陽な解を算出して用いることにより、待ち行列モデルGI/GI/1において、容易に入手可能な到着過程及び待ち時間分布の平均及び分散を入力として、各時刻もしくは定常状態における系内数分布を出力する。次に、算出した系内数分布に基づき、キュー遅延の分布を算出する。ここではサービス時間のN次(N≧2)までのモーメント観測値を利用し、漸近展開を活用して当該時刻における到着パケットの待ち時間の分布を算出する。   The queue delay calculation apparatus according to the embodiment of the present invention calculates and uses an explicit solution of the diffusion approximation, and in the queuing model GI / GI / 1, the arrival process and the average of the waiting time distribution that are easily available And the variance as inputs, the system number distribution at each time or steady state is output. Next, a queue delay distribution is calculated based on the calculated intra-system number distribution. Here, moment distributions up to the Nth order (N ≧ 2) of the service time are used, and asymptotic expansion is used to calculate the waiting time distribution of arrival packets at that time.

図1に、本発明の実施例に係るキュー遅延算出装置の構成図を示す。キュー遅延算出装置は、系内数推定手段101と、キュー遅延分布算出手段102とを有する。また、以下に説明する通り、キュー遅延算出装置は、到着間隔の測定値及びサービス時間の測定値から、到着間隔の平均及び分散とサービス時間のN次までのモーメント観測値とを同定する入力情報同定手段103を更に有してもよい。   FIG. 1 is a configuration diagram of a queue delay calculation apparatus according to an embodiment of the present invention. The queue delay calculation apparatus includes an in-system number estimation unit 101 and a queue delay distribution calculation unit 102. Further, as will be described below, the queue delay calculation device is configured to input information for identifying the average and variance of the arrival intervals and the observed moment values up to the Nth order of the service time from the measured values of the arrival intervals and the measured service times. You may further have the identification means 103. FIG.

まず、入力情報同定手段103は、観測されたネットワーク情報から、到着間隔の平均及び分散とサービス時間のN次までのモーメント観測値とを同定し、系内数推定手段101への入力情報とする。例えば、図2に示すように、入力情報同定手段103は、ボトルネックリンクのルータの前後にて、パケットキャプチャデータから到着パケットの時間間隔を抽出し、その平均値及び標準偏差を算出する。サービス時間については、当該ルータの前後で時刻同期したパケットキャプチャ装置にてキャプチャを行い、ルータ通過時間を計測する。各パケットp_i(i=1,2,...,M)のルータ通過時間をそれぞれt_i(i=1,2,...,M)とすると、そのk次モーメント観測値μ_k(k=1,2,...,N)は以下の様に得ることができる。   First, the input information identifying unit 103 identifies the average and variance of arrival intervals and the observed moment values up to the Nth order of service time from the observed network information, and uses it as input information to the in-system number estimating unit 101. . For example, as shown in FIG. 2, the input information identification unit 103 extracts the time interval of arrival packets from the packet capture data before and after the bottleneck link router, and calculates the average value and standard deviation. The service time is captured by a packet capture device synchronized in time before and after the router, and the router transit time is measured. If the packet transit time of each packet p_i (i = 1, 2, ..., M) is t_i (i = 1, 2, ..., M), the k-th moment observed value μ_k (k = 1 , 2, ..., N) can be obtained as follows.

μ_k=E[t_ik]
ただし、系内数推定手段101への入力情報は、別の装置で計測されてもよい。例えばサーバにおけるバッチ処理のような場合には、サーバ端末におけるログを活用してこれらの値を取得することも考えられる。
μ_k = E [t_i k ]
However, the input information to the in-system number estimation means 101 may be measured by another device. For example, in the case of batch processing in a server, it is also possible to acquire these values by utilizing a log in a server terminal.

系内数分布算出手段101への入力としては、到着間隔及びサービス時間の2次までのモーメント観測値とする。系内数分布算出手段101は、下記に示す拡散近似の陽な解(2)と前記入力に基づき、所望の時刻tもしくは定常状態における系内数分布を算出、出力する。系内数推定手段101の出力は、キュー遅延分布算出手段102への入力とする。   The input to the intra-system number distribution calculating means 101 is moment observation values up to the second order of the arrival interval and service time. The in-system number distribution calculating means 101 calculates and outputs an in-system number distribution at a desired time t or in a steady state based on the explicit diffusion solution (2) shown below and the input. The output of the in-system number estimation unit 101 is input to the queue delay distribution calculation unit 102.

系内数分布算出手段101が系内数分布の算出に利用する基本反射壁境界条件を採用したGI/GI/1の拡散近似は以下の様に表現される。   The diffusion approximation of GI / GI / 1 that employs the basic reflecting wall boundary condition that the intra-system number distribution calculation means 101 uses to calculate the intra-system number distribution is expressed as follows.

Figure 2015019159
ここで方程式の係数は
(α,β)=(λK_a+μK_s,λ-μ)
により与えられ(非特許文献1参照)、前記入力された到着間隔及びサービス時間の2次までのモーメント観測値から算出するものとする。(λ,K_a,μ,K_s)はそれぞれ平均到着率、到着間隔の変動係数(標準偏差を平均で除した値)、平均サービス率、サービス時間の変動係数である。独立変数(x,t)はそれぞれ系内数の近似値と時刻、未知変数f(x,t)は時刻tにおける系内数の確率密度関数、Λ-1は系内数が0となる時間間隔の平均、R(t)は時刻tにおける系内数0の確率を示す。
Figure 2015019159
Where the coefficient of the equation is
(α, β) = (λK_a + μK_s, λ-μ)
(See Non-Patent Document 1), and is calculated from the moment observation values up to the second order of the input arrival interval and service time. (λ, K_a, μ, K_s) are an average arrival rate, a variation coefficient of arrival intervals (a value obtained by dividing the standard deviation by an average), an average service rate, and a variation coefficient of service time, respectively. The independent variable (x, t) is the approximate value and time of the system number, the unknown variable f (x, t) is the probability density function of the system number at time t, and Λ -1 is the time when the system number is 0 The average of the intervals, R (t), indicates the probability of 0 in the system at time t.

上記(1)は、モデルとしては与えられているものの、その陽な解は現在まで知られていなかった(非特許文献2参照)。そこで、系内数分布算出手段101ではまず、上記の陽な解を与え、これを用いることにより、系内数の分布及びキュー遅延分布の簡易な算出を実現する。具体的には、上記の陽な解は以下の様に求めることができる。   Although the above (1) is given as a model, its explicit solution has not been known until now (see Non-Patent Document 2). Therefore, the in-system number distribution calculation means 101 first gives the above-mentioned explicit solution and uses this to realize simple calculation of the in-system number distribution and the queue delay distribution. Specifically, the explicit solution can be obtained as follows.

Figure 2015019159
*、*xはそれぞれ(x,t)及びxに関する畳み込み、δ(・)、H(・),はそれぞれDiracのデルタ関数、Heavisideのステップ関数である。解の表現(2)を得る具体的な証明は省略する。
Figure 2015019159
* And * x are convolutions about (x, t) and x, respectively, and δ (·) and H (·) are a Dirac delta function and a Heaviside step function, respectively. The concrete proof for obtaining the solution expression (2) is omitted.

定常状態における系内数分布を算出するためには、上記(2)においてt→∞として得られる以下の関数を適用する。   In order to calculate the system number distribution in the steady state, the following function obtained as t → ∞ in (2) above is applied.

Figure 2015019159
次に再度図1を使用して、キュー遅延分布算出手段102につき記載する。キュー遅延分布算出手段102は、系内数推定手段101で算出された系内数分布とサービス時間分布のN次(N≧2)までのモーメントを入力として、キュー遅延分布を算出し、出力する。ここでNは、後述するように所望の推定精度要件に応じて設定する。ここでは、観測されているサービス時間分布のモーメント次数に応じ、分布関数に対する標本数に関する漸近展開の適用により、近似的にキュー遅延Wtの分布を算出・出力する。
Figure 2015019159
Next, the queue delay distribution calculating means 102 will be described again using FIG. The queue delay distribution calculating unit 102 calculates and outputs the queue delay distribution by using the system number distribution calculated by the system number estimating unit 101 and the moment up to the Nth order (N ≧ 2) of the service time distribution as inputs. . Here, N is set according to a desired estimation accuracy requirement as described later. Here, the distribution of the queue delay W t is approximately calculated and output by applying asymptotic expansion regarding the number of samples to the distribution function according to the observed moment order of the service time distribution.

Figure 2015019159
ここでP(Wt≦y)はキュー遅延yの分布関数、P(k,t)は時刻tにおける系内数kの確率密度であり、前記(2)により得たf(x,t)を用いて以下の通り算出する.
Figure 2015019159
Here, P (W t ≦ y) is the distribution function of the queue delay y, P (k, t) is the probability density of the number k in the system at time t, and f (x, t) obtained by the above (2) Is calculated as follows.

Figure 2015019159
また、
Figure 2015019159
Also,

Figure 2015019159
は当該系内kパケットの全処理時間がy以下である確率を表す。当該確率は未知であるが、系内数kに関して漸近的に正規分布に従うことから、系内数kに関する漸近展開により近似的に陽な表現を求めることができる。以上により、式(3)を用いてキュー遅延分布算出手段102の出力が算出される。これがキュー遅延算出装置の最終出力である。
Figure 2015019159
Represents the probability that the total processing time of the in-system k packet is y or less. Although the probability is unknown, since it follows the normal distribution asymptotically with respect to the system number k, an approximately explicit expression can be obtained by asymptotic expansion with respect to the system number k. As described above, the output of the queue delay distribution calculating unit 102 is calculated using the equation (3). This is the final output of the queue delay calculation device.

次に、図3を参照して、本発明の実施例に係るキュー遅延算出方法のフローチャートについて説明する。   Next, a flowchart of a queue delay calculation method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

まずステップS101において、入力情報同定手段103が入力情報を同定する。入力情報同定手段103は、入力情報として、観測されたネットワーク情報から到着間隔の平均及び分散と、サービス時間分布のN次までのモーメント観測値とをそれぞれ同定する。到着間隔の平均及び分散は例えば、所定の時間区間に到達するパケットの個数の観測により同定可能である。サービス時間分布についてはルータ前後での測定により各パケットの通過時間を観測することにより得られる。前述のように、入力情報同定手段103自体は別の装置に存在してもよく、ここでは規定しない。またモデル(1)においては、R(t)及びΛを所与とする必要がある。これらについても事前に所与する。   First, in step S101, the input information identification unit 103 identifies input information. The input information identification unit 103 identifies, as input information, the average and variance of arrival intervals from the observed network information and the observed moment values up to the Nth order of the service time distribution. The average and variance of arrival intervals can be identified, for example, by observing the number of packets that arrive at a predetermined time interval. The service time distribution is obtained by observing the transit time of each packet by measurement before and after the router. As described above, the input information identification unit 103 itself may exist in another apparatus and is not defined here. In model (1), R (t) and Λ need to be given. These are given in advance.

次にステップS102において、系内数分布算出手段101が系内数分布を推定する。系内数分布算出手段101は、モデル(1)に入力情報同定手段103からの入力情報を代入することにより、所望の時刻における系内数分布を算出し、出力する。   Next, in step S102, the in-system number distribution calculating unit 101 estimates the in-system number distribution. The in-system number distribution calculating unit 101 calculates and outputs the in-system number distribution at a desired time by substituting the input information from the input information identifying unit 103 into the model (1).

次にステップS103において、キュー遅延分布算出手段102は、前記算出された系内数分布に基づき、キュー遅延分布を算出し、出力する。ここで系に到着したパケットが、その前に到着したパケットの処理が終了してから享受する待ち時間は同一のサービス時間分布に従う。このため、ある時刻に系に到着したパケットが経験する待ち時間は、当該時刻における系内のパケットの独立同分布に従う確率変数の和である。キュー遅延分布算出手段102はまず、系内数k(k=0,1,2,...)である確率P(k,t)を系内数分布算出手段101の出力である確率密度関数f(x,t)を用いて以下の様に算出する(式(3)再掲)。   In step S103, the queue delay distribution calculation unit 102 calculates a queue delay distribution based on the calculated intra-system number distribution and outputs the queue delay distribution. Here, the waiting time that the packet arriving at the system enjoys after the processing of the packet arriving before it follows the same service time distribution. For this reason, the waiting time experienced by a packet arriving at the system at a certain time is the sum of random variables that follow the independent and uniform distribution of packets in the system at that time. The queue delay distribution calculating means 102 first calculates a probability P (k, t) that is an in-system number k (k = 0, 1, 2,...) As an output of the in-system number distribution calculating means 101. Using f (x, t), the following calculation is performed (Equation (3) again).

Figure 2015019159
次に式(3)を用いて、時刻tにおける待ち時間Wtがx以下である確率P(Wt≦y)を以下の様に算出する。
Figure 2015019159
Next, using equation (3), the probability P (W t ≦ y) that the waiting time W t at time t is less than or equal to x is calculated as follows.

Figure 2015019159
ここで
Figure 2015019159
here

Figure 2015019159
は、当該系内の全処理時間がy以下である確率を表す。この確率について、系内数kが大きい場合には、中心極限定理により当該分布は系内数に関し漸近的に平均、標準偏差がそれぞれ(k/μ,kσ_s)の正規分布のそれに従うことが知られている。ここでσ_sはサービス時間の標準偏差である。また更に精度を高める手段としてEdgeworth展開が知られている。Edgeworth展開では、サービス時間分布のモーメントを高次まで入力するほど、推定誤差を標本数の負冪のオーダで抑制することができる。例として、ここでは2次のEdgeWorth展開により
Figure 2015019159
Represents the probability that the total processing time in the system is y or less. With regard to this probability, when the system number k is large, the central limit theorem indicates that the distribution asymptotically follows the normal distribution with an average and standard deviation of (k / μ, kσ_s). It has been. Here, σ_s is a standard deviation of service time. Further, Edgeworth expansion is known as a means for further improving accuracy. In Edgeworth expansion, the estimation error can be suppressed on the order of negative number of samples as the moment of service time distribution is input to higher order. As an example, here is a secondary EdgeWorth expansion

Figure 2015019159
の表現を陽に与える手法を記載する。この場合、推定誤差はo(k-1.5)である。
Figure 2015019159
Describes a method for explicitly giving the expression. In this case, the estimation error is o (k −1.5 ).

まずサービス時間分布を正規化した確率変数Z及びそのk個の標本値{Zi}i=1 kを考える。 First, consider a random variable Z with normalized service time distribution and its k sample values {Zi} i = 1 k .

Z=(X-μ)σs -1
これに2次のEdgeWorth展開を適用すると、そのk個の和の確率分布は以下の様に与えられる。
Z = (X-μ) σ s -1
Applying the second-order EdgeWorth expansion to this, the probability distribution of the k sums is given as follows.

Figure 2015019159
ここでΦ(・)、φ(・)はそれぞれ標準正規分布の分布関数及び確率密度関数、Hi(・)(i=2,3,5)はi次Hermite多項式、(μ34)はサービス時間分布の3次及び4次のモーメントである。従って前記所望の確率は、近似的に以下の様に表現することができる。
Figure 2015019159
Where Φ (•) and φ (•) are the distribution function and probability density function of the standard normal distribution, H i (•) (i = 2,3,5) is the i-th order Hermite polynomial, (μ 3 , μ 4 ) Is the third and fourth moment of the service time distribution. Therefore, the desired probability can be approximately expressed as follows.

Figure 2015019159
これが本装置の最終出力である。
Figure 2015019159
This is the final output of this device.

なおHermite多項式は例えば5次までの場合以下の様に与えられている。   The Hermite polynomial is given as follows in the case of up to the fifth order, for example.

Figure 2015019159
<本発明の実施例の効果>
上記のように、一般的なGI/GI/1モデルを対象とする場合、従来技術では、確率密度関数を陽に表現する手段が存在しなかった。このため、コンピュータ上に待ち行列システムを実装して、シミュレーションを膨大な回数反復し、近似する手段しか存在しなかった。本発明の実施例では、各時刻における確率密度関数の近似値を陽に求めて用いることにより、各時刻における確率密度を、陽な表現で極めて容易に出力することが可能である。
Figure 2015019159
<Effect of the embodiment of the present invention>
As described above, when a general GI / GI / 1 model is targeted, the prior art has no means for explicitly expressing the probability density function. For this reason, there is only a means for implementing a queuing system on a computer, repeating the simulation numerous times, and approximating it. In the embodiment of the present invention, by using the approximate value of the probability density function at each time explicitly obtained and used, the probability density at each time can be output very easily in an explicit expression.

本発明の実施例によれば、到着過程・サービス時間分布とも一般の確率分布に従うGI/GI/1モデルに従う待ち行列シミュレーションにおいて、平均到着率、到着間隔の変動係数、サービス時間のモーメントの入力により、各時刻における系内数分布及びキュー遅延分布を算出可能である。従って、ネットワーク上の簡易な測定により、当該ネットワークのボトルネックリンクにおけるキュー遅延の推定・予測をするネットワークの品質制御技術に適用することができる。   According to the embodiment of the present invention, in the queuing simulation according to the GI / GI / 1 model according to the general probability distribution for both the arrival process and the service time distribution, the average arrival rate, the variation coefficient of the arrival interval, and the moment of the service time are input. The intra-system number distribution and the queue delay distribution at each time can be calculated. Therefore, the present invention can be applied to a network quality control technique for estimating / predicting a queue delay in a bottleneck link of the network by simple measurement on the network.

本発明の実施例に係る手法はまた、任意時刻における系内数や遅延の分布を算出可能であることから、将来の分布変動や定常状態における分布の予測推定にも用いることができる。   Since the method according to the embodiment of the present invention can also calculate the number of systems and the distribution of delay at an arbitrary time, it can be used for predictive estimation of distribution distribution in the future and distribution in a steady state.

以下では到着過程がポアソン過程、待ち時間が固定の場合(M/D/1)について本発明の実施例に係る装置を用いた場合のキュー遅延分布の例を示す。到着間隔の平均値1/λ、変動係数K_a、サービス時間の平均値1/μ、変動係数K_sは以下を用いる。   In the following, an example of a queue delay distribution when the apparatus according to the embodiment of the present invention is used when the arrival process is a Poisson process and the waiting time is fixed (M / D / 1) will be shown. The average value 1 / λ of arrival intervals, the variation coefficient K_a, the average value 1 / μ of service time, and the variation coefficient K_s are as follows.

(1/λ,K_a,1/μ,K_s,μ34)=(2,1,1,0,0,0)
また分布の推定対象とする時刻はt=10、Λ=0.5、R(t)=1+exp(-t)でそれぞれ所与とする。この場合ρ=0.5である。
(1 / λ, K_a, 1 / μ, K_s, μ 3 , μ 4 ) = (2,1,1,0,0,0)
The time for which the distribution is to be estimated is given as t = 10, Λ = 0.5, and R (t) = 1 + exp (−t). In this case, ρ = 0.5.

これを入力として、本発明の実施例により推定されるサービス時間分布は図4の様になり、ρ=0.5の場合におけるM/D/1の定常状態キュー遅延の確率密度関数理論値とほぼ同等の結果が得られることが確認できる。   With this as an input, the service time distribution estimated by the embodiment of the present invention is as shown in FIG. 4, which is almost equal to the theoretical value of the probability density function of the steady state queue delay of M / D / 1 when ρ = 0.5. It can be confirmed that the results are obtained.

本発明の実施例は、M/M/1モデル等を含み、単一サーバ且つ無限長のキューを有する待ち行列モデル(GI/GI/1モデル)に適用可能である。   The embodiment of the present invention is applicable to a queuing model (GI / GI / 1 model) having a single server and an infinitely long queue including an M / M / 1 model and the like.

説明の便宜上、本発明の実施例に係るキュー遅延算出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キュー遅延算出装置は、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。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処理の流れを示すフローチャートを用いて説明しているが、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。   For convenience of explanation, the queue delay calculation device according to the embodiment of the present invention has been described using a functional block diagram. However, the queue delay calculation device according to the embodiment of the present invention may be hardware, software, or their It may be realized in combination. In addition, the functional units may be used in combination as necessary. Further, although the method according to the embodiment of the present invention has been described using the flowchart showing the flow of processing, the method according to the embodiment of the present invention may be performed in an order different from the order shown in the embodiment. .

以上、到着過程及びサービス時間分布の平均及び分散を入力としてキュー遅延の確率分布を算出す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。   As described above, the method for calculating the probability distribution of the queue delay using the arrival process and the average and variance of the service time distribution as input has been described, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and Various modifications and applications can be made within.

101 系内数推定手段
102 キュー遅延分布算出手段
103 入力情報同定手段
101 In-system number estimation means 102 Queue delay distribution calculation means 103 Input information identification means

Claims (7)

キュー遅延を算出するキュー遅延算出装置であって、
キューへの到着時間の2次までのモーメント観測値を入力として、拡散近似の陽な解を算出することにより、系内数分布を算出する系内数推定手段と、
算出された系内数分布と、キューのサービス時間のN次(N≧2)までのモーメント観測値とを入力として、キュー遅延分布を算出するキュー遅延分布算出手段と、
を有するキュー遅延算出装置。
A queue delay calculation device for calculating a queue delay,
An in-system number estimation means for calculating an in-system number distribution by calculating an explicit solution of diffusion approximation by using moment observation values up to the second order of arrival time to the queue;
Queue delay distribution calculating means for calculating the queue delay distribution by using the calculated intra-system number distribution and the observed moment values up to the Nth order (N ≧ 2) of the queue service time,
A queue delay calculating device.
前記系内数推定手段は、定常状態における系内数分布を更に算出する、請求項1に記載のキュー遅延算出装置。   The queue delay calculation apparatus according to claim 1, wherein the in-system number estimation unit further calculates an in-system number distribution in a steady state. 前記系内数推定手段は、時刻tにおける系内数の近似値xの確率密度関数f(x,t):
Figure 2015019159
ただし、(α,β)=(λK_a+μK_s,λ-μ)、
(λ,K_a,μ,K_s)はそれぞれ平均到着率、到着間隔の変動係数、平均サービス率、サービス時間の変動係数、
Λ-1は系内数が0となる時間間隔の平均、R(t)は時刻tにおける系内数0の確率、
*、*xはそれぞれ(x,t)及びxに関する畳み込み、δ(・)、H(・),はそれぞれDiracのデルタ関数、Heavisideのステップ関数、
を用いて、系内数分布を算出する、請求項1又は2に記載のキュー遅延算出装置。
The intra-system number estimation means is a probability density function f (x, t) of an approximate value x of the intra-system number at time t:
Figure 2015019159
Where (α, β) = (λK_a + μK_s, λ-μ),
(λ, K_a, μ, K_s) is the average arrival rate, arrival interval variation coefficient, average service rate, service time variation coefficient,
Λ -1 is the average of the time intervals when the in-system number is 0, R (t) is the probability of in-system number 0 at time t,
*, * X are convolutions about (x, t) and x, respectively, δ (・), H (・), are Dirac delta functions, Heaviside step functions,
The queue delay calculation apparatus according to claim 1, wherein the intra-system number distribution is calculated by using.
前記キュー遅延分布算出手段は、時刻tにおける系内数kの確率密度P(k,t):
Figure 2015019159
を算出し、系内の処理時間がy以下である確率:
Figure 2015019159
を、系内数kに関する漸近展開により近似的に陽な表現を求め、キュー遅延Wtの確率密度関数P(Wt≦y):
Figure 2015019159
を算出する、請求項3に記載のキュー遅延算出装置。
The queue delay distribution calculating means is a probability density P (k, t) of the number k in the system at time t:
Figure 2015019159
And the probability that the processing time in the system is y or less:
Figure 2015019159
Is approximated by an asymptotic expansion for the number k in the system, and the probability density function P (W t ≤ y) of the queue delay W t :
Figure 2015019159
The queue delay calculation apparatus according to claim 3, wherein
通信機器に到達するパケットを観測することにより、到着時間の2次までのモーメント観測値である平均及び分散を同定し、当該通信機器の通過時間を観測することにより、サービス時間のN次までのモーメント観測値を同定する入力情報同定手段を更に有する、請求項1乃至4のうちいずれか1項に記載のキュー遅延算出装置。   By observing packets that arrive at a communication device, the average and variance of moment observation values up to the second order of the arrival time are identified, and by observing the transit time of the communication device, up to the Nth order of the service time The queue delay calculation device according to claim 1, further comprising input information identification means for identifying a moment observation value. キュー遅延を算出するキュー遅延算出装置におけるキュー遅延算出方法であって、
前記キュー遅延算出装置の系内数推定手段が、キューへの到着時間の2次までのモーメント観測値を入力として、拡散近似の陽な解を算出することにより、系内数分布を算出するステップと、
前記キュー遅延算出装置のキュー遅延分布算出手段が、算出された系内数分布と、キューのサービス時間のN次(N≧2)までのモーメント観測値とを入力として、キュー遅延分布を算出するステップと、
を有するキュー遅延算出方法。
A queue delay calculation method in a queue delay calculation device for calculating a queue delay,
A step of calculating an in-system number distribution by calculating an explicit solution of diffusion approximation by using the moment observation value up to the second order of the arrival time to the queue as an input by the in-system number estimating means of the queue delay calculating device; When,
The queue delay distribution calculating means of the queue delay calculating device calculates the queue delay distribution by using the calculated intra-system number distribution and the observed moment values up to the Nth order (N ≧ 2) of the queue service time as inputs. Steps,
A queue delay calculation method.
キュー遅延を算出するキュー遅延算出装置として、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
キューへの到着時間の2次までのモーメント観測値を入力として、拡散近似の陽な解を算出することにより、系内数分布を算出する系内数推定手段、及び
算出された系内数分布と、キューのサービス時間のN次(N≧2)までのモーメント観測値とを入力として、キュー遅延分布を算出するキュー遅延分布算出手段、
として機能させるためのプログラム。
A program for operating a computer as a cue delay calculation device that calculates cue delay, and using this computer as input for moment observation values up to the second order of arrival time to the cue, an explicit solution of diffusion approximation is calculated System input number estimation means for calculating the system number distribution, and the calculated system number distribution and the observed moment values up to the Nth order (N ≧ 2) of the queue service time as input. A queue delay distribution calculating means for calculating a delay distribution;
Program to function as.
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