JP2016220033A - 帯域割当装置及び帯域割当方法 - Google Patents

Abstract

【課題】通信システムの省電力化を図りながら、求められる通信品質に応じた帯域割当を低遅延で行う。【解決手段】光スプリッタ７は、終端装置３−１〜３−Ｎが送信した信号を多重して端局装置２に出力する。端局装置２は、終端装置３ごとに、端局装置２と終端装置３との間の時系列のトラヒック量を示すトラヒック情報を取得する。端局装置２は、終端装置３ごとに、終端装置３について収集されたトラヒック情報からトラヒックの変動周期を抽出し、抽出された変動周期を１以上の時間スロットに分割し、時間スロットごとに、トラヒック情報が示す時間スロットにおけるトラヒック量に基づいて帯域割当量を算出する。端局装置２は、時間スロットごとの帯域割当量に基づく制御スケジュールに従って終端装置３に帯域割当を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、帯域割当装置及び帯域割当方法に関する。

受動光通信網（ＰＯＮ：Passive Optical Network）では、１本の光ファイバで伝送される通信信号を光スプリッタが複数に分配することにより、１台の端局装置と複数台の終端装置とが接続される。端局装置と複数台の終端装置との間の通信は、時分割多重方式、周波数分割多重方式、波長分割多重方式等により多重化される。このように１台の端局装置を複数の終端装置で共用することから、端局装置に接続される上位装置と、各終端装置に接続される複数の下位装置とにより構成されるサービスを、低コストで提供することが可能である。

時分割多重方式を用いるＰＯＮの場合、端局装置から終端装置への通信（「下り」又は「下り通信」ともいう。）はＴＤＭ（Time Division Multiplexing）方式により、終端装置から端局装置への通信（「上り」又は「上り通信」ともいう。）はＴＤＭＡ（Time Division Multiplexing Access）方式により行われる。特に、上り通信では、複数の端局装置が同時に送信を行うと信号の衝突が起こるため、端局装置がそれぞれの終端装置に対して、送信許可時刻と送信可能な時間長を許可する。

許可方法には、固定帯域割当（ＦＢＡ：Fixed Bandwidth Allocation）と動的帯域割当（ＤＢＡ：Dynamic Bandwidth Allocation）とがあり、上りの帯域利用効率を高めるためにはＤＢＡが利用されている。ＤＢＡの分類としては、終端装置からの送信許可要求を用いて上り帯域を割当てるStatus Reporting（ＳＲ−ＤＢＡ）方式（例えば、非特許文献１参照）と、ＦＢＡをベースとしてトラヒックモニタ等の情報を用いて上り帯域の割当を行うNon-Status Reporting（ＮＳＲ−ＤＢＡ）方式（例えば、非特許文献２参照）がある。

ＳＲ−ＤＢＡでは、端局装置から終端装置に対して固定または可変のポーリング周期で定期的に割当てられる上り帯域を用いて、終端装置は端局装置に送信許可要求量を通知（Report）する。端局装置は、Reportに基づいて送信許可時刻およびその量を各終端装置に送る（Grant）。この方式では、各端局装置の送信許可量を正確に把握できるため、高い帯域利用効率が得られる。

一方、ＮＳＲ−ＤＢＡでは上り帯域割当に際し、一定の送信許可量を各終端装置に固定的に割当てておき、下りのトラヒック量や上りのトラヒック量をモニタすることで、信号の伝送が開始されたことを検出し、信号の流量に応じて割当許可量を増減させる。この方式では、固定の上り送信許可を一定の周期で終端装置に与えていることから低遅延な信号伝送が可能になる。

吉原 修、外２名、「ＧＥ−ＰＯＮに適した動的帯域割当アルゴリズム」、電子情報通信学会技術研究報告．ＮＳ、ネットワークシステム、社団法人 電子情報通信学会、２００２年、１０２（２０）、ｐ．１−４ 田中 正基、外４名、「１０Ｇ−ＥＰＯＮにおける異速度ＯＮＵ混在収容時の公平性を実現する適応型ＤＢＡアルゴリズム」、電子情報通信学会論文誌Ｂ、社団法人 電子情報通信学会、２０１０年、Ｖｏｌ．Ｊ９３−Ｂ、Ｎｏ．１２、ｐ．１５９３−１６０１

しかしながら、ＳＲ−ＤＢＡでは、Report/Grantのやり取りが光ファイバ網を介して行われるため、応答時間（ＲＴＴ：Round Trip Time）が必要となる。信号の伝送には、光ファイバ１ｋｍにつき片道約５μ秒がかかる。例えば、２０ｋｍの光ファイバで構成されたＰＯＮの場合、ＲＴＴは伝送遅延だけで２００μ秒に達する。このため、Reportのポーリング周期にもよるが、下位装置から送信された上り信号が終端装置に到着してから、端局装置に向けて送信開始されるまでに１ｍｓ程度の遅延を生じる。このような遅延は、低遅延性が求められる光張り出し構成の移動体通信システム等を収容する際に問題になる。

一方、ＦＢＡやＮＳＲ−ＤＢＡでは、上り帯域の割当に際し、終端装置からのReportを用いないため、ＲＴＴによる遅延は発生しない。しかしながら、ＦＢＡやＮＳＲ−ＤＢＡでは、大きな上りトラヒックが突発的に発生した場合には、終端装置におけるバッファリングが生じることにより大きな伝送遅延が発生し、さらにバッファがあふれた場合には送信データの破棄が発生する。トラヒックが非常に小さい場合には不必要な帯域割当が発生し、消費電力が大きくなる。ＦＢＡやＮＳＲ−ＤＢＡ方式を、波長リソースを活用するＴＷＤＭ（Time and wavelength division multiplexing）−ＰＯＮに適用する場合、１波長で収容可能なトラヒックでも、複数の波長を使用して伝送を行うケースがあり、波長リソースの利用効率の低下や過剰な装置駆動電力が必要になる。

上記事情に鑑み、本発明は、通信システムの省電力化を図りながら、求められる通信品質に応じた帯域割当を低遅延で行う帯域割当装置及び帯域割当方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、第一通信装置ごとに、複数の前記第一通信装置からの信号が多重された信号を受信する第二通信装置との間の時系列のトラヒック量を示すトラヒック情報を取得するトラヒック情報取得部と、前記第一通信装置ごとに、前記第一通信装置について収集された前記トラヒック情報からトラヒックの変動周期を抽出し、抽出された変動周期を１以上の時間スロットに分割し、前記時間スロットごとに、前記トラヒック情報が示す前記時間スロットにおけるトラヒック量に基づいて帯域割当量を算出する帯域割当量算出部と、前記時間スロットごとの前記帯域割当量に基づく制御スケジュールに従って前記第一通信装置に帯域割当を行う帯域割当機能部とを備えることを特徴とする帯域割当装置である。

本発明の一態様は、上述した帯域割当装置であって、前記帯域割当機能部は、前記帯域割当量算出部が前記帯域割当量を算出するまで、前記第一通信装置に固定の帯域割当量により帯域割当を行う、ことを特徴とする。

本発明の一態様は、上述した帯域割当装置であって、前記帯域割当量算出部は、前記第一通信装置の前記時間スロットごとに、前記トラヒック情報からトラヒック量の平均値及び標準偏差を統計情報として取得し、取得した前記統計情報と所定の危険率とを用いて前記帯域割当量を算出する、ことを特徴とする。

本発明の一態様は、上述した帯域割当装置であって、前記帯域割当機能部は、実トラヒックが前記帯域割当量を超過した場合、前記第一通信装置に固定の帯域割当量により帯域割当を行い、前記帯域割当量算出部は、前記固定の帯域割当量により帯域割当が行われている間に前記トラヒック情報取得部が収集した前記トラヒック情報を用いて前記帯域割当量を更新する、ことを特徴とする。

本発明の一態様は、帯域割当装置が実行する帯域割当方法であって、第一通信装置ごとに、複数の前記第一通信装置からの信号が多重された信号を受信する第二通信装置との間の時系列のトラヒック量を示すトラヒック情報を取得するトラヒック情報取得ステップと、前記第一通信装置ごとに、前記第一通信装置について収集された前記トラヒック情報からトラヒックの変動周期を抽出し、抽出された変動周期を１以上の時間スロットに分割し、前記時間スロットごとに、前記トラヒック情報が示す前記時間スロットにおけるトラヒック量に基づいて帯域割当量を算出する帯域割当量算出ステップと、前記時間スロットごとの前記帯域割当量に基づく制御スケジュールに従って前記第一通信装置に帯域割当を行う帯域割当ステップと、を有する帯域割当方法である。

本発明により、通信システムの省電力化を図りながら、求められる通信品質に応じた帯域割当を低遅延で行うことが可能となる。

本発明の第１の実施形態による通信システムの構成図である。 同実施形態による端局装置の機能ブロック図である。 同実施形態による端局装置の上り帯域割当手順を示すフロー図である。 同実施形態による１台の終端装置についてのトラヒックを示す図である。 第２の実施形態による端局装置の機能ブロック図である。 同実施形態による１台の終端装置についてのトラヒックパターンを示す図である。 同実施形態による端局装置の上り帯域割当手順を示すフロー図である。 同実施形態による帯域割当量を示す図である。 第３の実施形態による端局装置の機能ブロック図である。 同実施形態による端局装置の上り帯域割当手順を示すフロー図である。 波長ごとに帯域割当を行ったときのスループットの例を示す図である。 波長を含めて帯域割当を行ったときのスループットの例を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を、図１から図４を用いて説明する。
図１は、本実施形態による通信システム１０の構成図である。同図に示すように、通信システム１０は、上位装置１、端局装置２、Ｎ台（Ｎは１以上の整数）の終端装置３、Ｎ第の下位装置４、及び、Ｍ台の（Ｍは１以上の整数）ユーザ装置５を備えて構成される。以下では、Ｎ台の終端装置３をそれぞれ終端装置３−１〜３−Ｎと記載し、Ｎ台の下位装置４をそれぞれ下位装置４−１〜４−Ｎと記載し、Ｍ台のユーザ装置５をそれぞれユーザ装置５−１〜５−Ｍと記載する。端局装置２は、複数の第一通信装置からの信号が多重された信号を受信する第二通信装置、及び、帯域割当装置の一例であり、終端装置３は、第一通信装置の一例である。例えば、通信システム１０は、受動光通信網（ＰＯＮ：Passive Optical Network）システムであり、端局装置２は、ＯＬＴ（Optical Line Terminal：光加入者線終端装置）であり、終端装置３は、ＯＮＵ（Optical Network Unit：光加入者線ネットワーク装置）である。

上位装置１と端局装置２との間、ならびに、終端装置３と下位装置４との間は１対１で接続される。同図において、終端装置３−ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）と接続される下位装置４を下位装置４−ｎとしている。端局装置２と、終端装置３−１〜３−ｎとの間は１対多で、光ファイバ６および光スプリッタ７を用いたＯＤＮ（Optical Distribution Network）により接続される。すなわち、端局装置２と終端装置３−１〜３−ｎとは、１本の光ファイバ６で伝送される通信信号を、光スプリッタ７によって複数に分配することにより接続される。端局装置２は、終端装置３に送信する信号（下り信号）をＴＤＭ方式により多重して送信し、光スプリッタ７は多重された下り信号をそのまま各終端装置３に転送する。また、終端装置３から端局装置２に送信される信号（上り信号）は、光スプリッタ７によりＴＤＭＡ方式で多重され、端局装置２に送信される。下位装置４は、１以上のユーザ装置５と下位網を介して接続される。想定される具体的な装置としては、例えば、光張り出し構成の移動体通信システムを仮定すると、上位装置１は集約親局に該当し、下位装置４は光張り出しの子局に該当し、ユーザ装置５は携帯端末に該当する。

図２は、端局装置２の構成を示す機能ブロック図であり、本実施形態と関係する機能ブロックのみを抽出して示してある。端局装置２は、上位送受信機能部２１と、下位送受信機能部２２と、トラヒック監視・情報取得部２３と、帯域割当量算出部２４と、帯域割当機能部２５とを備えて構成される。

上位送受信機能部２１は、上位装置１との間の通信を行うインターフェースである。下位送受信機能部２２は、終端装置３との間の通信を行うインターフェースである。トラヒック監視・情報取得部２３は、端局装置２と各終端装置３との間のトラヒックを監視するトラヒック監視部、及び、トラヒック情報を取得するトラヒック情報取得部として機能する。トラヒック情報は、トラヒックの監視により得られた端局装置２と各終端装置３との間の時系列のトラヒック量を示す。なお、以下では、「トラヒック」は、特に断りがない限り、上り通信のトラヒックを意味する。帯域割当量算出部２４は、終端装置３ごとに、トラヒック監視・情報取得部２３が得たトラヒック情報からトラヒックの変動周期を抽出する。帯域割当量算出部２４は、終端装置３ごとに、変動周期を１以上の時間スロットに分割し、さらに、時間スロットごとに、トラヒック情報から得られるトラヒック量の統計情報と所定の危険率とに基づいて帯域割当量を算出する。帯域割当機能部２５は、帯域割当量算出部２４が終端装置３ごとに算出した各時間スロットの帯域割当量に基づき帯域割当の制御スケジュールを決定する。帯域割当機能部２５は、決定した制御スケジュールに従って、送信許可時刻と、その送信許可時刻が含まれる時間スロットの帯域割当量を各終端装置３に通知し、帯域割当を行う。

図３は、端局装置２による上り帯域割当手順を示すフロー図である。
システム開始時には、トラヒック情報を収集するために、端局装置２の帯域割当機能部２５は、公平帯域割当などにより、各終端装置３に対して固定帯域割当（ＦＢＡ）を行う。例えば、上り帯域がＢ_ｕｐ［ｂｐｓ（ビット毎秒）］であり、端局装置２にＮ台の終端装置３が接続されている場合、帯域割当機能部２５は、各終端装置３に対して帯域Ｒ_０［ｂｐｓ］＝Ｂ_ｕｐ／Ｎを割当てる。各下位装置４に接続されているユーザ装置５の数が既知の場合には、帯域割当機能部２５は、各終端装置３に対して、その終端装置３の下位装置４に接続されているユーザ装置５の数を重み係数として用い、帯域を割当ててもよい。帯域割当機能部２５は、各終端装置３について算出した帯域Ｒ_０（帯域割当量）に基づいて、帯域割当の制御スケジュールを決定する。帯域割当は、下位送受信機能部２２を介して行われる。つまり、下位送受信機能部２２は、各終端装置３に、制御スケジュールに基づく送信許可時刻と、帯域割当機能部２５がその終端装置３に割当てた帯域Ｒ_０を通知する。

端局装置２は、各終端装置３について、ステップＳ１１０〜ステップＳ１２０のトラヒック情報収集手順、ステップＳ１３０の統計情報算出手順、及び、ステップＳ１４０の帯域割当量算出手順を行う。
まず、１台の終端装置３についてのトラヒック情報収集手順について説明する。端局装置２のトラヒック監視・情報取得部２３は、終端装置３に固定帯域割当が行われている状態において、端局装置２と終端装置３との間のトラヒックを監視し、トラヒック情報を収集する（ステップＳ１１０）。トラヒック監視・情報取得部２３は、トラヒック情報が示すトラヒック量の時系列データからトラヒックの周期性が検出されるまで（ステップＳ１２０：ＮＯ）、トラヒック情報の収集を継続する（ステップＳ１１０）。トラヒックの周期性は、トラヒック量の時系列データの自己相関を計算し、計算結果が設定した閾値を超えたかを判断するなどして検出することができる。トラヒック情報の収集は、トラヒックの変動周期が２周期以上含まれる時間、継続して行われる。

図４は、１台の終端装置３についてのトラヒックを示す図である。図４（ａ）は、終端装置３の時間経過に伴うトラヒック量の変化を示している。図４（ａ）に示すように、時刻ｔ_０から時刻ｔ_２までの固定帯域割当領域では、終端装置３に対して固定帯域割当が行われている。この固定帯域割当領域の間に、トラヒック監視・情報取得部２３は、終端装置３についてトラヒック周期Ｔのトラヒックパターン（トラヒック量の変化のパターン）を抽出する。トラヒック周期Ｔは、終端装置３のトラヒックの変動周期である。

図３において、トラヒック監視・情報取得部２３は、トラヒックの周期性を検出すると（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、トラヒックパターンに関する統計情報を抽出する（ステップＳ１３０）。
例えば、トラヒック監視・情報取得部２３は、図４（ａ）に示すトラヒック周期Ｔの１周期を、３つの時間スロットである区間Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３に分割する。図４（ｂ）は、区間Ｔ_１のトラヒック量の分布を示す図であり、図４（ｃ）は、区間Ｔ_２のトラヒック量の分布を示す図であり、図４（ｄ）は、区間Ｔ_３のトラヒック量の分布を示す図である。以下では、トラヒック量の分布を「トラヒック分布」と記載する。トラヒック監視・情報取得部２３は、図４（ｂ）〜（ｄ）に示されるように、それぞれの区間Ｔ_ｋ（ｋ＝１，２，３）におけるトラヒック分布、ならびに、トラヒック分布に基づく終端装置３のトラヒック量の標準偏差σ_ｋ及び平均値ｍ_ｋなどの統計量を算出する。トラヒック監視・情報取得部２３は、算出した各区間の統計量を示す統計情報を帯域割当量算出部２４に転送する。

図３において、帯域割当量算出部２４は、トラヒック監視・情報取得部２３から取得した統計情報が示す各区間の統計量に基づいて、終端装置３の各区間のトラヒック量を推定する。帯域割当量算出部２４は、推定した各区間のトラヒック量に基づいて、その区間における終端装置３の帯域割当量を算出する（ステップＳ１４０）。

帯域割当量算出部２４における、１台の終端装置３に対する帯域割当量算出手順を詳細に説明する。各終端装置３には多数のユーザ装置５が接続されているため、トラヒック分布は、統計多重効果により、確率分布モデル（正規分布・指数分布など）で表すことができる。従って、通信システム１０で要求される危険率Ｐを与えれば、トラヒック監視・情報取得部２３から転送された統計量を用いて必要な帯域（推定されるトラヒック量）を算出可能であり、この算出された必要な帯域を帯域割当量とする。例えば、危険率Ｐ＝６．３３×１０^−５とし、得られたトラヒック分布が正規分布とする。この場合、図４（ａ）に示される各区間Ｔ_ｋ（ｋ＝１，２，３）に設定する終端装置３の帯域割当量Ｒ_ｋは、Ｒ_ｋ＝ｍ_ｋ＋４σ_ｋで与えられる。標準偏差σ_ｋにかかる係数をαとすると（前述の例の場合はα＝４）、係数αの値は危険率Ｐに依存して決まる。帯域割当量算出部２４は、各区間に設定する帯域割当量の算出後、区間Ｔ_ｋと、区間Ｔ_ｋに設定する帯域割当量Ｒ_ｋとを示す区間情報を帯域割当機能部２５に転送する。

上記の例では、トラヒック周期の１周期を３つに分割したが、トラヒックのパターンに応じていくつに分割してもよい。Ｋ区間に分割した場合には、区間Ｔ_ｋ（ｋは１以上Ｋ以下の整数）は、トラヒック周期Ｔに対して、以下の式（１）満たせばよい。なお、Ｔはトラヒック周期Ｔの長さである。

帯域割当量算出部２４は、以上の手順を、終端装置３ごとに行い、各終端装置３の区間ごとの帯域割当量を算出し、算出結果を示す区間情報を帯域割当機能部２５に出力する。帯域割当機能部２５は、区間情報に基づき、各終端装置３の帯域割当の制御スケジュールを決定し、その制御スケジュールに従って、下位送受信機能部２２を介して帯域割当の許可信号を伝送する（ステップＳ１５０）。帯域割当機能部２５は、この許可信号によって、終端装置３に送信許可時刻、及び、その送信許可時刻が属する区間の帯域割当量（送信許可量）を通知する。

例えば、帯域割当機能部２５は、区間情報を受信した次の（またはそれ以降の）トラヒック周期Ｔの開始時刻である時刻ｔ_２以降は、区間Ｔ_ｋに含まれる送信許可時刻については帯域割当量Ｒ_ｋを送信許可量として終端装置３に設定する。具体的には、帯域割当機能部２５は、送信許可時刻がトラヒック周期Ｔの区間Ｔ_１に含まれる場合、帯域割当量Ｒ_１を送信許可量として許可信号により終端装置３に通知する。また、帯域割当機能部２５は、送信許可時刻がトラヒック周期Ｔの区間Ｔ_２に含まれる場合、帯域割当量Ｒ_２を送信許可量として通知し、送信許可時刻がトラヒック周期Ｔの区間Ｔ_３に含まれる場合、帯域割当量Ｒ_３を送信許可量として通知する。
このように帯域割当を行うことで、固定帯域割当との差分｜Ｒ_０−Ｒ_ｋ｜に応じた時間をスリープにあてることができ、終端装置３が省電力化される。

上述したように本実施形態では、端局装置２は、終端装置３からの送信要求を用いずに、終端装置３のトラヒックパターンの学習結果に基づき、終端装置３に対して帯域割当を行う。従って、ラウンドトリップタイム（ＲＴＴ）が不要であり、ＳＲ−ＤＢＡ方式と比較して低遅延な上り信号の送信制御を行うことができる。

以上説明したように、本実施形態は、端局装置２が各終端装置３のトラヒックについて学習した統計的情報に基づいて帯域割当を行うことで、求められる通信システム品質に応じた上り帯域割当を低遅延で行い、かつ、省電力なＰＯＮシステムを実現できる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、各トラヒック周期におけるトラヒック量に大きな変化がない場合の帯域割当を実現する。本実施形態は、トラヒック周期はあるが、各トラヒック周期におけるトラヒック量に増加傾向又は減少傾向がある場合の帯域割当を行う。この帯域割当は、既に行われた帯域割当のリセット機能も付加される。以下では、本実施形態を、図５〜８を用いて、第１の実施形態との差分を中心に説明する。

本実施形態による通信システムの構成は、図１に示す第１の実施形態の通信システム１０における端局装置２に代えて、図５に示す端局装置２ａを設けた構成である。
図５は、端局装置２ａの構成を示す機能ブロック図であり、本実施形態と関係する機能ブロックのみを抽出して示してある。同図において、図２に示す第１の実施形態による端局装置２と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。同図に示す端局装置２ａが、第１の実施形態の端局装置２と異なる点は、トラヒック監視・情報取得部２３及び帯域割当量算出部２４に代えて、トラヒック監視・情報取得部２３ａ及び帯域割当量算出部２４ａを備える点である。

トラヒック監視・情報取得部２３ａは、監視により得られた終端装置３のトラヒック量が、その終端装置３に動的に割当てた帯域割当量を超過したと判断した場合、帯域割当機能部２５に対して固定帯域割当の開始を指示する。帯域割当量算出部２４ａは、終端装置３の帯域割当量を、その終端装置３の新たなトラヒック周期におけるトラヒック量と過去のトラヒック周期におけるトラヒック量との差分に応じて調整する。

図６は、本実施形態における１台の終端装置３についてのトラヒックパターンを示す図である。図６（ａ）は、終端装置３の時間経過に伴うトラヒック量を示す。図６（ａ）に示すように、終端装置３のトラヒックパターンはトラヒック周期Ｔを持つが、時間経過に伴い各トラヒック周期におけるトラヒック量が増加している。

図７は、本実施形態の端局装置２ａによる上り帯域割当手順を示す図である。端局装置２ａは、同図に示す上り帯域手順を各終端装置３について行う。
ステップＳ２１０〜ステップＳ２２０における本実施形態の固定帯域割当によるトラヒック情報の収集手順は、第１の実施形態とほぼ同様の手順で行われる。本実施形態では、トラヒック周期Ｔの時間内で緩やかにトラヒックが変動しており、トラヒックのバラつきを求めるにはトラヒック変動の傾きの影響を取り除く必要がある。トラヒック周期およびそのモデルの検出は第１の実施形態と同様の手法で得ることができる。統計情報から算出したトラヒック周期Ｔ内でのトラヒック変動をモデル化した曲線をモデル曲線ｓ（ｔ）、０≦ｔ＜Ｔとし、実際に流れているトラヒック量（実トラヒック）をｒ（ｔ）、モデル曲線ｓ（ｔ）からのバラつきをｄ（ｔ）とすると、ｄ（ｔ）＝ｓ（ｔ）−ｒ（ｔ）で表すことができる。トラヒックのバラつきｄ（ｔ）を用いて時間経過に伴うトラヒック量変動の影響を取り除くと、図６（ｂ）に示すようなトラヒック分布が得られ、このトラヒック分布から標準偏差σが得られる。

図８は、本実施形態による帯域割当量を示す図である。同図では、トラヒック周期Ｔを６つの区間Ｔ_１〜Ｔ_６に区切る場合を例に示している。終端装置３の時刻ｔ_０からｔ_１の間の区間Ｔ_ｋ（ｋは１以上６以下の整数）で設定する帯域割当量Ｒ_ｋは、以下の式（２）で与えられる。

式（２）において、ｍａｘ（）は、その区間Ｔ_ｋで最大のトラヒック量を表し、βは、通信システムに求められる危険率から決まる正の実数である。同図では、時刻ｔ_０〜ｔ_１と時刻ｔ_１〜ｔ_２では、トラヒックの周期性は相似であるが、トラヒック量の絶対値が異なる。トラヒック周期ごとにトラヒック増減がある場合には、一意に式（２）で帯域を設定すると、通信システムが所望の危険率を満たさない場合や、終端装置３に過剰な帯域を割当てる可能性がある。このため、本実施形態では、トラヒック量の絶対値の増減に応じて式（２）に基づく帯域割当量の微調整を行う。微調整の例としては、ｓ（ｔ）−ｒ（ｔ）が一定の時間内に連続で常に同符号の値をとった場合に、その符号と同じ方向に帯域割当量を修正する。さらに、トラヒック監視・情報取得部２３ａは、トラヒック量をモニタリングし、帯域割当機能部２５から取得した帯域割当量をトラヒック量が超えた場合には、固定の帯域割当モードに移行するリセット処理を行う。リセット処理が行われた場合、端局装置２ａは、統計情報をすべて消去して統計情報の収集を再度開始し、新たに収集した統計情報に基づいて帯域割当を行う。

図７における端局装置２ａのステップＳ２１０〜ステップＳ２５０の処理は、図３に示すステップＳ１１０〜ステップＳ１５０の処理と同様である。トラヒック監視・情報取得部２３ａは、ステップＳ２５０における可変帯域割当開始後も、終端装置３のトラヒックを監視してトラヒック情報を取得し、トラヒック周期Ｔにおけるトラヒック量の統計情報を更新する（ステップＳ２６０）。

トラヒック監視・情報取得部２３ａは、終端装置３のトラヒック量が、その終端装置３−ｎの現在の帯域割当量を超えたか否かを判定する（ステップＳ２７０）。トラヒック監視・情報取得部２３ａは、トラヒック量が帯域割当量を超えていないと判定した場合、ステップＳ２６０において更新した統計情報が示すトラヒック周期Ｔのトラヒックパターンと、既知の、すなわち、過去のトラヒック周期Ｔにおけるトラヒックパターンとの間のトラヒック量のずれを検知する（ステップＳ２８０）。帯域割当量算出部２４ａは、終端装置３について推定した区間毎のトラヒック量を、トラヒック量のずれの大きさに応じて修正する。つまり、帯域割当量算出部２４ａは、更新したトラヒックパターンから過去のトラヒックパターンを減算して得た差分が、一定の時間内に連続で常に同符号の値をとった場合に、その符号と同じ方向に、差分の値（差分量）に応じて帯域割当量を修正する。帯域割当機能部２５は、各終端装置３に対し、帯域割当量算出部２４ａが修正した帯域割当量に基づいて、下位送受信機能部２２を介して許可信号を伝送する（ステップＳ２９０）。端局装置２ａは、ステップＳ２６０からの処理を繰り返す。

そして、ステップＳ２７０において、トラヒック監視・情報取得部２３ａは、トラヒック量が帯域割当量を超えていると判定した場合、帯域割当機能部２５に固定帯域割当の開始を指示する。これにより、端局装置２ａは、ステップＳ２１０からの処理を繰り返す。

本実施形態では、終端装置３からの送信要求を用いずに帯域割当を終端装置３に対して行っており、ラウンドトリップタイムが必要ないためＳＲ−ＤＢＡと比較して低遅延な上り信号の送信制御を行うことができる。また、帯域割当量を超えた場合でも、リセット処理により固定帯域割当を行うことで、低遅延性を維持することができる。

端局装置２ａは、以上の手順を通信が終了するまで各終端装置３につき実施する。以上の手順により、図８に示すように、固定帯域割当を常に行う場合と比較して、適切な帯域割当を行うことができるため、終端装置３のスリープ時間などを増やすことができ、消費電力が抑えられ、経済化を図ることができる。また、Status Report方式を用いないため、帯域割当にかかるＲＴＴに主に起因する制御遅延が削減できるため、低遅延化が可能となる。

このように統計的情報に基づいて帯域割当を行うことで、トラヒックが周期ごとに変動する場合にも、求められる通信システム品質に応じた低遅延かつ経済的な帯域割当を実現できる。

（第３の実施形態）
本実施形態の通信システムは、波長多重を用いたＷＤＭ／ＴＤＭ−ＰＯＮ方式である。本実施形態について図９〜図１２を用いて説明する。以下では、第２の実施形態との差分を中心に説明する。

本実施形態の通信システムの構成は、図１に示す第１の実施形態の通信システム１０における端局装置２を、図９に示す端局装置２ｂに置き換えた構成である。
図９は、端局装置２ｂの構成を示すブロック図である。同図において、図５に示す第２の実施形態による端局装置２ａと同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。同図に示す端局装置２ｂが図５に示す端局装置２ａと異なる点は、下位送受信機能部２２及び帯域割当機能部２５に代えて、下位送受信機能部２２ｂ及び帯域割当機能部２５ｂを備える点である。下位送受信機能部２２ｂは、それぞれ異なる波長を用いて送受信を行う送受信機能部２６−１〜２６−Ｌ（Ｌは２以上の整数）を備える。以下では、送受信機能部２６−１〜２６−Ｌを総称して、送受信機能部２６と記載する。帯域割当機能部２５ｂは、波長集約が可能か否かを判断する。

図１０は、端局装置２ｂによる上り帯域割当手順を示すフロー図である。端局装置２ｂは、同図に示す上り帯域割当手順を、各波長の送受信機能部２６それぞれについて行う。
端局装置２ｂのステップＳ３１０からステップＳ３９０の処理は、図７に示す第２の実施形態のステップＳ２１０〜ステップＳ２９０の処理と同様である。すなわち、端局装置２ｂのトラヒック監視・情報取得部２３ａは、送受信機能部２６が収容する終端装置３ごとにトラヒックのモニタを行い、トラヒック情報を収集する。帯域割当量算出部２４ａは、収集したトラヒック情報からトラヒック量の統計情報を抽出し、抽出した統計情報を用いて終端装置３に対して上り通信の帯域割当を行う。

波長多重を用いたＰＯＮシステムの総容量Ｒは、各波長の伝送速度をＲｌ（ｌは１以上Ｌ以下の整数）とすると、Ｒ＝Ｒｌ×Ｌで与えられる。第１の実施形態及び第２の実施形態では、ＴＤＭ−ＰＯＮの上り帯域割当を統計情報に基づいて割当てると、帯域に余裕が生じることを利用して、余剰帯域の時間をスリープ等に割当てることで消費電力を削減した。波長多重システムでは、余剰帯域の合計が１波長の帯域以上になる場合があり、この場合は、使用する波長数を削減できる。そこで、Ｌ個の送受信機能部２６のうち、過剰な送受信機能部２６をスリープさせることによって消費電力を削減することができる。

端局装置２ｂは、統計情報により上り通信の帯域割当を行い、トラヒックに応じて適応的に帯域割当量をアップデートする処理を行った後に、波長の切り替え・集約が可能かの判断処理を行う（ステップＳ４００）。具体的には、帯域割当機能部２５ｂは、下記の式（３）に従って使用する波長数を定める。

ｍは自然数であり、使用する波長数を表す。添え字ｐは各波長を使って通信している終端装置３の数、ｌは波長、Ｒ_ｌｐは波長ｌにおけるトラヒックの統計情報を基に割当てられたｐ番目の終端装置３の帯域割当量を示す。最少の波長数を用いるには、式（３）を満たす最少のｍを選択すればよい。帯域割当機能部２５ｂは、式（３）に従って、波長の集約が可能かの判断を行う。つまり、帯域割当機能部２５ｂは、式（３）で求めた最少のｍが、稼働している（スリープしていない）送受信機能部２６の数以上である場合、波長の削減ができないと判断し、求めたｍが、稼働している送受信機能部２６の数よりも小さい場合、波長の集約が可能と判断する。帯域割当機能部２５ｂは、波長の削減ができないと判断した場合（ステップＳ４００：ＮＯ）、各波長のトラヒック量の統計情報のアップデートの手順（ステップＳ３６０）に戻る。

帯域割当機能部２５ｂは、波長集約が可能と判断した場合（ステップＳ４００）、スリープする（集約される側の）波長を使用する送受信機能部２６に、集約先の波長を使用する送受信機能部２６を通知する。スリープする送受信機能部２６の決定方法としては、帯域利用の少ない波長の送受信機能部２６をスリープさせる方法がある。スリープする波長を使用する送受信機能部２６は（ステップＳ４１０：ＮＯ）、収容している終端装置３の情報及び、その終端装置３の区間毎の帯域割当量の情報を、集約先の波長を使用する送受信機能部２６に引き継ぐ（ステップＳ４２０）。スリープする波長を使用する送受信機能部２６は、波長切り替え処理の後、スリープに入る。集約先の波長を使用する送受信機能部２６は（ステップＳ４１０：ＹＥＳ）、スリープする波長を使用していた終端装置３を収容する（ステップＳ４３０）。集約先の波長の送受信機能部２６は、引き継いだ各種情報とすでに収容している終端装置３の情報を用いて、終端装置３に帯域割当を行い、帯域割当量のアップデート処理を開始するために、ステップＳ３６０からの処理を繰り返す。

図１１及び図１２は、波長ｌがλ１〜λ４の４波長を用いる場合のスループットの例を示す図である。図１１は、波長ごとに統計情報による帯域割当を行ったときのスループットの例を示す図であり、図１２は、波長を含めて統計情報による帯域割当を行ったときのスループットの例を示す図である。
図１１では、統計情報による帯域割当による個別の省電力化効果はあるが、各波長の送受信機能部２６は稼働をし続ける。
一方、本実施形態の波長集約を行う場合では、図１２に示すように、合計トラヒックに応じて波長のオン・オフを行うため、図１１に比べて省電力化が期待できる。例えば、時刻０〜１までは、波長λ１の送受信機能部２６のみが通信を行い、波長λ２〜λ４の送受信機能部２６はスリープしている。集約処理後、集約先の送受信機能部２６におけるトラヒックが、１つの送受信機能部２６当たりの速度限界を超えた場合は、集約および帯域割当をリセットし、スリープしていた送受信機能部２６に対して、終端装置３の収容先を返還する。例えば、時刻１〜２までは、波長λ１の送受信機能部２６に加え、波長λ４の送受信機能部２６が通信を行い、波長λ２及びλ３の送受信機能部２６はスリープしている。そして、時刻２〜３までは、波長λ１〜波長λ４の送受信機能部２６が通信を行う。

また、終端装置３に波長可変が可能な光源が備わっている場合、ＰＯＮシステムの制御チャネルを通じて、波長切り替えに伴い終端装置３に使用する波長を指示する。波長の切り替え方法については、例えば以下の参考文献１等の手法を用いることができる。

（参考文献１）飯田 大輔、外２名、「モバイル光ネットワークへのＴＷＤＭ−ＰＯＮ適用における無瞬断波長変更方式の提案」、２０１４年 電気情報通信学会総合大会、通信講演論文集２、２０１４年、Ｂ−８−５６

端局装置２ｂは、以上の手順を通信が終了するまで各送受信機能部２６につき実施する。以上の手順により、固定帯域割当を常に行う場合および波長をすべて用いて通信を続ける場合と比較して、適切な帯域割当を行うことができる。従って、終端装置３の数や過剰な送受信機能部２６のスリープ時間などを増やすことができ、消費電力が抑えられ、経済化を図ることができる。また、Status Report方式を用いないため、帯域割当にかかるＲＴＴに主に起因する制御遅延が削減でき、低遅延化が可能となる。また、２以上のトラヒック変動周期が含まれる時間は、例えばＦＴＴＨ（Fiber to the home）での利用を考えた場合、利用者が生活の中でネットワークを利用する時間であり、少なくとも２日以上、好ましくは１週間程度である。

上述した実施形態によれば、求められる通信システム品質に応じた低遅延な上り帯域割当を可能にし、かつ、省電力なＰＯＮシステムを提供することが可能となる。

上述した実施形態における端局装置２、２ａ、２ｂの一部の機能をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

ＴＤＭ方式により通信を行う通信システムに適用できる。

１ 上位装置
２、２ａ、２ｂ 端局装置（帯域割当装置、第二通信装置）
３、３−１、３−２、３−Ｎ 終端装置（第一通信装置）
４、４−１、４−２、４−Ｎ 下位装置
５、５−１、５−２、５−Ｍ ユーザ装置
６ 光ファイバ
７ 光スプリッタ
２１ 上位送受信機能部
２２、２２ｂ 下位送受信機能部
２３、２３ａ トラヒック監視・情報取得部（トラヒック情報取得部）
２４、２４ａ 帯域割当量算出部
２５、２５ｂ 帯域割当機能部
２６、２６−１、２６−Ｌ 送受信機能部

Claims (5)

1. 第一通信装置ごとに、複数の前記第一通信装置からの信号が多重された信号を受信する第二通信装置との間の時系列のトラヒック量を示すトラヒック情報を取得するトラヒック情報取得部と、
   前記第一通信装置ごとに、前記第一通信装置について収集された前記トラヒック情報からトラヒックの変動周期を抽出し、抽出された変動周期を１以上の時間スロットに分割し、前記時間スロットごとに、前記トラヒック情報が示す前記時間スロットにおけるトラヒック量に基づいて帯域割当量を算出する帯域割当量算出部と、
   前記時間スロットごとの前記帯域割当量に基づく制御スケジュールに従って前記第一通信装置に帯域割当を行う帯域割当機能部と
   を備えることを特徴とする帯域割当装置。
2. 前記帯域割当機能部は、前記帯域割当量算出部が前記帯域割当量を算出するまで、前記第一通信装置に固定の帯域割当量により帯域割当を行う、
   ことを特徴とする請求項１記載の帯域割当装置。
3. 前記帯域割当量算出部は、前記第一通信装置の前記時間スロットごとに、前記トラヒック情報からトラヒック量の平均値及び標準偏差を統計情報として取得し、取得した前記統計情報と所定の危険率とを用いて前記帯域割当量を算出する、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の帯域割当装置。
4. 前記帯域割当機能部は、実トラヒックが前記帯域割当量を超過した場合、前記第一通信装置に固定の帯域割当量により帯域割当を行い、
   前記帯域割当量算出部は、前記固定の帯域割当量により帯域割当が行われている間に前記トラヒック情報取得部が収集した前記トラヒック情報を用いて前記帯域割当量を更新する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の帯域割当装置。
5. 帯域割当装置が実行する帯域割当方法であって、
   第一通信装置ごとに、複数の前記第一通信装置からの信号が多重された信号を受信する第二通信装置との間の時系列のトラヒック量を示すトラヒック情報を取得するトラヒック情報取得ステップと、
   前記第一通信装置ごとに、前記第一通信装置について収集された前記トラヒック情報からトラヒックの変動周期を抽出し、抽出された変動周期を１以上の時間スロットに分割し、前記時間スロットごとに、前記トラヒック情報が示す前記時間スロットにおけるトラヒック量に基づいて帯域割当量を算出する帯域割当量算出ステップと、
   前記時間スロットごとの前記帯域割当量に基づく制御スケジュールに従って前記第一通信装置に帯域割当を行う帯域割当ステップと、
   を有する帯域割当方法。

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