WO2023095313A1 - パス制御装置、パス制御方法及びプログラム - Google Patents

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WO2023095313A1
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path
frequency
matrix
vector
edges
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PCT/JP2021/043484
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English (en)
French (fr)
Inventor
一晃 東森
拓也 大原
史一 犬塚
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04J—MULTIPLEX COMMUNICATION
    • H04J14/00—Optical multiplex systems
    • H04J14/02—Wavelength-division multiplex systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L45/00—Routing or path finding of packets in data switching networks
    • H04L45/42—Centralised routing
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L47/00—Traffic control in data switching networks
    • H04L47/70—Admission control; Resource allocation

Definitions

  • the present invention relates to a path control device, path control method and program.
  • a user terminal may request a communication connection to the optical communication network from the request management device.
  • the request management device instructs the path control device to execute dynamic routing and spectrum allocation (RSA) when a user terminal requests communication connection to the optical communication network.
  • RSA dynamic routing and spectrum allocation
  • the edge of the physical topology of optical communication networks is realized using optical fibers.
  • the path control device connects the optical signal path of each user terminal and the frequency band allocation (setting and deletion) so that the allocation of the frequency band of the optical signal does not collide in the path of the optical signal. Run on demand.
  • frequency blocking preventing the same frequency (wavelength) from being assigned to the same optical fiber.
  • a signal that allocates frequencies with center frequencies limited to a fixed interval (fixed grid method)
  • a method that allocates frequencies without limiting the bandwidth and center frequency intervals (flex grid system).
  • the fixed grid scheme is called RWA (Routing and Wavelength Assignment).
  • the flexible grid method is called RSA (Routing and Spectrum Allocation).
  • FF First-Fit
  • LU Least Used
  • MU Most Used
  • the challenge in flexible grid frequency allocation is to more efficiently achieve the goals of the above indicators.
  • An aspect of the present invention derives a plurality of path vectors representing a combination of a plurality of edges connecting from the start node to the end node based on the physical topology information of the network and the start node and the end node of the network.
  • a route deriving unit for deriving a route band matrix including the route vector duplicated according to a required band for each of the route vectors, and a route frequency representing a state of frequency allocation to the plurality of edges in the network
  • a feature derivation unit for deriving a feature vector for the plurality of frequencies and a feature vector for the plurality of edges based on the matrix and the pathband matrix
  • a feature vector for the plurality of frequencies and a feature vector for the plurality of edges based on the path frequency matrix.
  • One aspect of the present invention is a path control method executed by a path control device, comprising a plurality of paths connecting the start node to the end node based on the physical topology information of the network and the start node and the end node of the network. deriving for each path vector a path band matrix containing said path vector replicated according to a required bandwidth, and deriving said plurality of path vectors in said network deriving a feature vector relating to the plurality of frequencies and a feature vector relating to the plurality of edges based on the path frequency matrix representing the allocation of frequencies to edges and the path band matrix; and assigning frequencies to combinations of the plurality of edges of the path vector based on vectors, feature vectors associated with the plurality of edges, and the path frequency matrix.
  • One aspect of the present invention is a program for causing a computer to function as the above path control device.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a path control system in the first embodiment
  • FIG. FIG. 4 is a diagram showing examples of physical topology information, route vectors, and route band matrices in the first embodiment
  • It is a figure which shows the example of a route band matrix, a route frequency matrix, a propriety determination vector, and an information distance vector in 1st Embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of fixed grid frequency allocation in the first embodiment
  • 4 is a sequence diagram showing an operation example of the path control system in the first embodiment
  • FIG. 4 is a sequence diagram showing an operation example of the path control device in the first embodiment;
  • FIG. 4 is a sequence diagram showing an operation example of an allocation unit in the first embodiment; It is a figure showing an example of an effect of a path control system in a 1st embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of frequency allocation in a flexible grid system in the second embodiment;
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of effects of the path control system in the second embodiment;
  • 3 is a diagram showing an example hardware configuration of a path control device in each embodiment;
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a path control system 1 in the first embodiment.
  • a path control system 1 is a system that controls the path and frequency of a communication line.
  • the path control system 1 selects a communication line path in response to a communication connection request from a user terminal.
  • the path control system 1 dynamically allocates frequencies to the selected paths in response to communication connection requests from user terminals.
  • the path control system 1 includes a communication line 2, a request management device 4, a storage device 3, and a path control device 5.
  • the path control device 5 includes a condition control section 51 and an allocation section 52 .
  • the allocation unit 52 includes an allocation control unit 53 , a route derivation unit 54 and a feature derivation unit 55 .
  • the feature derivation unit 55 includes a matrix derivation unit 551 , a determination unit 552 and a distance derivation unit 553 .
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of the physical topology information 6, the route vector 7, and the route band matrix 8 "a i,j " in the first embodiment.
  • the physical topology information 6 represents the physical topology of the communication line connecting the first user terminal (not shown) and the second user terminal (not shown).
  • the physical topology information 6 comprises multiple nodes and 'm' edges. The 'm' edges connect the given nodes.
  • the physical topology information 6 includes, for example, nodes 60 to 65 and edges 70 to 85 .
  • the route derivation unit 54 derives a plurality of candidates for routes connecting the start node (transmitting node) and the end node (receiving node).
  • the start node is, for example, a node to which the first user terminal (not shown) connects, and is the node 60 as an example.
  • the end node is, for example, a node to which the second user terminal (not shown) connects, and is node 65 as an example.
  • a first user terminal (not shown) communicates with a second user terminal (not shown) using an optical signal transmitted through a route assigned a frequency by the path control device 5 .
  • the path including edge 70, edge 72, edge 78, edge 81, and edge 83 is an example of a candidate path to be selected.
  • the route derivation unit 54 outputs physical topology information 6 including route candidate information, which is information representing route candidates, to the allocation control unit 53 .
  • the physical topology information 6 is represented, for example, in the form of a directed graph.
  • the matrix derivation unit 551 derives the route vector 7 based on the route candidate information in the physical topology information 6.
  • the path vector 7 is a vector of the total number of edges "m" of the physical topology information 6 (physical topology graph).
  • Vector components (elements) represented in white in FIG. 2 represent components that do not form a path. Components that do not form a path have a value of zero.
  • the components of the vectors shown in black in FIG. 2 represent the components that make up the path.
  • the value of the components that make up the path is one.
  • Band “ ⁇ ” is a natural number representing the width of the frequency slot.
  • the matrix derivation unit 551 converts (format conversion) the physical topology information 6 including the route candidate information into the route band matrix 8 by duplicating the route vector 7 in the row direction by the number of bands “ ⁇ ”.
  • the path band matrix 8 is a matrix of ⁇ rows and m columns. That is, the matrix deriving unit 551 defines the path band matrix 8 “a i,j ” with i rows and j columns for each path vector 7 (path candidate).
  • the band “ ⁇ ” is the row size of the path band matrix 8.
  • the band “ ⁇ ” is determined based on the modulation scheme information.
  • the modulation method (frequency grid width) changes according to the length of the path. Therefore, the determination unit 552 uses a window function having the width of the frequency grid of each route candidate to perform convolution processing between the matrix representing the usage status of the combination of frequency and edge and the route band matrix 8 (route candidate). do.
  • the reason why the path band matrix 8 is introduced is to obtain the feature quantity (feature vector) of each path.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the route band matrix 8, the route frequency matrix 9, the availability determination vector 10, and the information distance vector 11 in the first embodiment.
  • the processing illustrated in FIG. 3 can also be executed in the second embodiment.
  • the path frequency matrix 9 represents the usage status (assignment status) of combinations of frequencies and edges in the network.
  • the band " ⁇ " width of frequency slot
  • the size of the path frequency matrix 9 is j rows and k columns.
  • the row size 'j' is equal to the total number of edges 'm' in the physical topology information 6 (physical topology graph).
  • the column size 'k' represents the total number of frequency slots.
  • the total number of frequency slots “k” is the sum of the number “l” of frequency slots (assignment slots) that can be assigned to the path and the number of boundaries “2”. Frequency slots that can be assigned to paths include unassigned frequencies.
  • the value of each frequency slot (outer boundary) outside the frequency slots that can be assigned to the path is fixed to the value "1" for convenience, indicating that the frequency has already been assigned. That is, in the path frequency matrix 9, the determination unit 552 fixes the value of the component of the frequency slot other than the frequency slots that can be assigned to the path to the value "1" indicating that the frequency has already been assigned.
  • Boundaries 90 and 91 are located outside frequency slots that can be allocated to paths (assigned slots).
  • the frequency slot number of boundary 90 is zero.
  • the frequency slot number of boundary 91 is seventeen.
  • all component values of frequency slot numbers '0' and '17' in the path frequency matrix 9 are fixed to the value '1', which indicates that the frequencies have already been assigned, as a boundary condition setting.
  • the determination unit 552 derives the availability determination vector 10 (frequency blocking determination vector) by performing convolution integration (Hadamard integration) of the path band matrix 8 and the path frequency matrix 9 .
  • the propriety determination vector 10 is a vector (integer string) representing whether or not frequency assignment is possible (degree of conformity in the frequency direction). Frequency assignment is not possible if frequency blocking occurs.
  • the permission determination vector 10 “ ⁇ n ” is expressed as in Equation (1).
  • the frequency of the frequency slot whose component (decision value) of the propriety decision vector 10 “ ⁇ n ” is 0 can be assigned to the path.
  • the Distance derivation unit 553 derives information distance vector 11 (integer sequence) by performing convolution integration (integration of the number of permutations) of path band matrix 8 and path frequency matrix 9 .
  • the information distance vector 11 is a vector representing an index (information distance) of route utilization efficiency.
  • the utilization efficiency of a route is expressed as a Hamming distance, for example.
  • the information distance vector 11 “ ⁇ n ” is expressed as shown in Equation (2).
  • the allocation control unit 53 derives a path frequency allocation determination vector.
  • the path frequency allocation decision vector is a vector containing the availability decision vector 10 " ⁇ n " in the denominator and the information distance vector 11 " ⁇ n " in the numerator.
  • a path frequency allocation determination vector is expressed as in Equation (3).
  • the allocation control unit 53 gives priority to a route with high utilization efficiency and allocates a frequency to that route. For example, the allocation control unit 53 determines the start slot number with the longest Hamming distance "max" by specifying the maximum slot number (index) among the components of the path frequency allocation determination vector. That is, based on the path frequency allocation decision vector, the allocation control unit 53 derives the start slot number "na " , which is the slot number for starting frequency allocation, as shown in Equation (4).
  • the allocation control unit 53 selects the frequency slot number "na" having the longest information distance "max” from among the allocated slots whose component value (determination value) of the availability determination vector 10 is 0.
  • the allocation control unit 53 derives a sequence of starting slot numbers ⁇ n a +1 , .
  • the allocation control unit 53 allocates and deletes frequencies to paths as shown in equation (5).
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of fixed grid system (RWA) frequency allocation in the first embodiment.
  • the allocation control unit 53 allocates the frequency band of the selected frequency grid number (frequency grid index) to each edge of edge numbers “0”, “2”, “8”, “11” and “13”.
  • FIG. 5 is a sequence diagram showing an operation example of the path control system 1 in the first embodiment.
  • the storage device 3 transmits the physical topology information 6 and the path frequency matrix to the condition control section 51 in response to a request from the condition control section 51 .
  • the condition control unit 51 acquires the physical topology information 6 and the route frequency matrix from the storage device 3 (step S101).
  • the request management device 4 transmits allocation request information to the condition control unit 51 .
  • the condition control unit 51 acquires allocation request information from the request management device 4 (step S102).
  • the condition control unit 51 transmits the allocation request information, the physical topology information and the route frequency matrix to the allocation unit 52 .
  • the allocation unit 52 acquires the allocation request information, the physical topology information and the route frequency matrix from the condition control unit 51 (step S103).
  • the allocation unit 52 derives a route vector based on allocation request information and physical topology information.
  • the allocation unit 52 derives a path band matrix based on the path vector.
  • the allocation unit 52 derives the availability decision vector and the information distance vector based on the route band matrix and the route frequency matrix.
  • the allocation unit 52 updates the route frequency matrix by allocating frequency bands to routes based on the availability decision vector and the information distance vector.
  • the allocation unit 52 transmits the updated path frequency matrix to the condition control unit 51 .
  • the condition control unit 51 acquires the updated path frequency matrix from the allocation unit 52 (step S104).
  • the condition control unit 51 extracts allocation results representing routes and frequency bands from the updated route frequency matrix.
  • Condition control unit 51 transmits the allocation result to request management device 4 .
  • the request management device 4 acquires the allocation result from the condition control unit 51 (step S105).
  • Condition control unit 51 transmits the updated path frequency matrix to storage device 3 .
  • the storage device 3 stores the updated path frequency matrix (step S106). Note that the condition control unit 51 may omit the execution of step S106 and store the updated path frequency matrix.
  • step S101 may be executed only when the service is started, and the processing from step S102 to step S105 may be repeatedly executed.
  • FIG. 6 is a sequence diagram showing an operation example of the path control device 5 in the first embodiment.
  • the condition control unit 51 transmits the allocation request information, the physical topology information and the route frequency matrix to the allocation control unit 53 .
  • the allocation control unit 53 acquires the allocation request information, the physical topology information and the route frequency matrix from the condition control unit 51 (step S103 illustrated in FIG. 5).
  • the allocation control unit 53 transmits allocation request information and physical topology information to the route derivation unit 54.
  • the route derivation unit 54 derives route candidate information based on the allocation request information and the physical topology information (step S201).
  • the route derivation unit 54 transmits route candidate information to the allocation control unit 53 .
  • the allocation control unit 53 generates modulation scheme information for each route candidate based on the route candidate information. That is, the allocation control unit 53 determines the band " ⁇ " (required band information) required for communication for which allocation is requested (step S202).
  • the allocation control unit 53 transmits the route frequency matrix, route candidate information and modulation method information to the feature derivation unit 55.
  • the feature deriving unit 55 derives a route band matrix based on route candidate information and modulation scheme information (required band information).
  • the feature derivation unit 55 derives a vector (possibility determination vector ).
  • the feature derivation unit 55 derives a vector (information distance vector) representing the information distance (second feature) of each route candidate based on the result of convolution (compression in the direction of the route) using the route band matrix and the route frequency matrix. (step S203).
  • the feature derivation unit 55 converts an availability determination vector representing whether or not a frequency can be assigned to each route candidate (whether or not frequency blocking is performed) and an information distance vector representing the information distance of each route candidate to an allocation control unit. 53 (step S204).
  • the allocation control unit 53 updates the route frequency matrix based on whether a frequency can be allocated to each route candidate (first feature) and the information distance of each route candidate (second feature). If there are one or more route candidates, the allocation control unit 53 determines one or more of the route candidates based on whether or not a frequency can be allocated to each route candidate (first feature) and the information distance of each route candidate (second feature). Select a route from route candidates.
  • the allocation control unit 53 allocates a frequency band (band) to the selected route. If there is no route candidate, the allocation control unit 53 generates information indicating that allocation is impossible (step S205).
  • the allocation control unit 53 transmits the updated path frequency matrix to the condition control unit 51.
  • Condition control unit 51 acquires the updated path frequency matrix from allocation control unit 53 .
  • allocation control section 53 transmits the information indicating that allocation is not possible to condition control section 51 .
  • the condition control unit 51 acquires information indicating that allocation is not possible from the allocation control unit 53 (step S104 illustrated in FIG. 5).
  • FIG. 7 is a sequence diagram showing an operation example of the allocation unit 52 in the first embodiment.
  • the allocation control unit 53 transmits the route frequency matrix, route candidate information and modulation scheme information to the feature derivation unit 55 .
  • the matrix derivation unit 551 derives a path band matrix based on the path candidate information and the modulation scheme information (required band information) (step S203 illustrated in FIG. 6).
  • the matrix derivation unit 551 transmits the path band matrix and the path frequency matrix to the determination unit 552 (step S301).
  • the determination unit 552 derives a vector (possibility determination vector) representing the assignment propriety (first feature) of each route candidate based on the result of the convolution using the route band matrix and the route frequency matrix (step S302).
  • the determination unit 552 transmits to the allocation control unit 53 a vector (possibility determination vector) representing whether each route candidate can be assigned.
  • the allocation control unit 53 acquires the permission determination vector from the determination unit 552 (step S204-1 illustrated in FIG. 6).
  • the matrix derivation unit 551 transmits the path band matrix and the path frequency matrix to the distance derivation unit 553 (step S303).
  • the distance derivation unit 553 derives a vector (information distance vector) representing the information distance (second feature) of each route candidate based on the result of the convolution using the route band matrix and the route frequency matrix (step S304).
  • the distance derivation unit 553 transmits a vector representing the information distance of each route candidate (information distance vector) to the allocation control unit 53 .
  • the allocation control unit 53 acquires the information distance vector from the distance derivation unit 553 (step S204-2 illustrated in FIG. 6).
  • the allocation control unit 53 allocates a frequency band to a route having the longest information distance vector component value (determination value) and the longest information distance vector component value (determination value) (see FIG. 6). illustrated step S205).
  • the route derivation unit 54 generates a plurality of route vectors 7 representing a combination of a plurality of edges connecting from the start node to the end node based on the physical topology information 6 of the network and the start node and end node of the network.
  • the feature deriving unit 55 derives, for each path vector 7, a path band matrix 8 including path vectors replicated according to the required bandwidth.
  • a feature derivation unit 55 derives a decision vector 10 (a feature vector relating to a plurality of frequencies) and an information distance vector based on a path frequency matrix 9 and a path band matrix 8 representing the allocation of frequencies to a plurality of edges in the network. 11 (feature vectors for multiple edges).
  • the allocation control unit 53 allocates frequencies to combinations of a plurality of edges of the path vector 7 based on the propriety determination vector 10 , the information distance vector 11 and the path frequency matrix 9 .
  • the propriety determination vector represents the degree of conformity in the frequency direction.
  • the information distance vector represents the degree of matching with respect to the direction of the route. Since the size of the availability determination vector and the size of the information distance vector are the same, an optimum index (for example, the vector of Equation (3)) is created by combining the frequency direction and the route direction. As a result, it is possible to quickly derive an approximate solution that is closer to an exact solution.
  • an index based on either information of frequency or route information is derived, and optimality is determined based on such an index.
  • optimality is determined based only on information in the frequency direction.
  • JPN25 representing the physical topology of a Japanese network (the number of nodes is 25) as an example.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of effects of the path control system 1 in the first embodiment.
  • the technique of the path control system 1 in the first embodiment is an effective technique compared with, for example, the FF method.
  • the path control system 1 in the first embodiment can efficiently use network resources.
  • user terminals (not shown) are arranged at each node of the physical topology "JPN25".
  • the condition control unit 51 acquires the physical topology “JPN25” from the storage device 3 .
  • the condition control unit 51 acquires allocation request information from the request management device 4 .
  • Allocation request information is determined in advance as a parameter of the communication load of the entire network.
  • Each user terminal generates a connection request with an equal probability so that the service usage time has an exponential distribution so that the communication load of the entire network and the parameter (allocation request information) are equal.
  • frequency blocking rate derivation is performed multiple times for multiple user terminals.
  • the frequency blocking rate is the ratio of the number of failed connection requests to the number of successful connection requests. That is, the frequency blocking rate is a value obtained by dividing the number of failed connection requests by the number of successful connection requests.
  • the path control device 5 creates an optimal index in which the frequency direction and the route direction are combined. In addition, the path control device 5 derives detailed features in the route direction as information distances. This makes the communication network more resistant to communication loads.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that flexible grid frequency allocation is performed.
  • 2nd Embodiment demonstrates centering around the difference with 1st Embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of flexible grid frequency allocation in the second embodiment.
  • the “Exact-Fit (EF) method” considers matching not only in the path (edge slot) direction but also in the frequency (frequency slot) direction.
  • the “Exact-Fit (EF) method” and the flexible grid method are combined. This combination (extension) is called “EFHDM” (Exact-Fit Hamming Distance Maximization).
  • Corresponding arrows 92 represent the correspondence between the matrix product of convolution in deriving the propriety determination vector 10 “ ⁇ n ” and the correspondence of the matrix product of convolution in deriving the information distance vector 11 “ ⁇ n ”. Also, frequency adaptation vectors “ ⁇ S,n ” and “ ⁇ L,n ” are defined in order to derive the degree of adaptation (fitness) in the frequency direction (horizontal axis).
  • the frequency matching vector “ ⁇ S,n ” represents the degree of matching in the frequency direction (horizontal axis) between the boundary 93 on the side of the smaller frequency slot number and the path band matrix 8 “a i,j ”.
  • the frequency adaptation vector “ ⁇ S,n ” is expressed as in Equation (6).
  • the frequency matching vector “ ⁇ L,n ” represents the degree of matching in the frequency direction (horizontal axis) between the boundary 93 on the side of the higher frequency slot number and the path band matrix 8 “a i,j ”.
  • the frequency adaptation vector “ ⁇ L,n ” is expressed as in Equation (7).
  • the maximum vector (frequency matching determination vector) when the degree of matching in the frequency direction is highest and when frequencies can be assigned (when frequency blocking does not occur) is the frequency matching vector " ⁇ S,n ". , the frequency matching vector “ ⁇ L,n ”, and the propriety determination vector 10 “ ⁇ n ”, as in Equation (8).
  • Equation (8) is equal to Equation (9), the degree of matching in the frequency direction is highest.
  • Expression (8) is equal to Expression (9), that is, when the degree of matching in the frequency direction is the highest, the determination unit 552 determines "true” in the determination process. If it is determined to be “true” in the determination process, the determination unit 552 allocates frequencies to the paths using Equation (5). If it is determined to be “false” in the determination process, the determination unit 552 allocates frequencies to the paths using, for example, the FF method.
  • the feature deriving unit 55 fixes the values of frequency slots other than the frequency slots that can be assigned to the path in the path frequency matrix to the value "1", which indicates that the frequency has already been assigned.
  • the feature derivation unit 55 uses a vector (frequency matching determination vector) that has the highest degree of matching in the frequency direction and is maximized when frequencies can be assigned, and extracts the components of the path frequency assignment determination vector. to identify the maximum slot number (index). Thereby, the feature deriving unit 55 determines the start slot number with the longest Hamming distance "max”.
  • the feature derivation unit 55 assigns frequencies to paths with priority given to the frequency slot of the starting slot number.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of effects of the path control system 1 in the second embodiment.
  • the required band changes according to the modulation system.
  • the frequency blocking is constant, the larger the value of the horizontal axis (communication load of the entire network), the higher the efficiency of the algorithm. That is, the further to the right the graph is in FIG. 10, the larger the total communication capacity that can be accommodated in the network.
  • the technique of the path control system 1 in the second embodiment is an effective technique compared with, for example, the FF method.
  • the path control system 1 in the second embodiment can efficiently use network resources.
  • FIG. 11 is a diagram showing a hardware configuration example of the path control device 5 in each embodiment.
  • Some or all of the functional units of the path control device 5 are composed of a processor 101 such as a CPU (Central Processing Unit), a storage device 102 having a non-volatile recording medium (non-temporary recording medium), and a memory 103. It is implemented as software by executing a program stored in the . The program may be recorded on a computer-readable non-transitory recording medium.
  • a computer-readable non-temporary recording medium is, for example, a portable medium such as a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM (Read Only Memory), a CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), or a hard disk built into a computer system. It is a non-temporary recording medium such as a storage device such as The communication unit 104 executes predetermined communication processing. The communication unit 104 may acquire data and programs.
  • LSI Large Scale Integrated circuit
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • PLD Programmable Logic Device
  • FPGA Field Programmable Gate Array
  • the present invention is applicable to communication systems.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)

Abstract

パス制御装置は、ネットワークの物理トポロジ情報とネットワークの始点ノード及び終点ノードとに基づいて、始点ノードから終点ノードまでを結ぶ複数のエッジの組み合わせを表す複数の経路ベクトルを導出する経路導出部と、必要とされる帯域に応じて複製された経路ベクトルを含む経路帯域行列を経路ベクトルごとに導出し、ネットワークにおける複数のエッジへの周波数の割り当て状況を表す経路周波数行列と経路帯域行列とに基づいて、複数の周波数に関する特徴ベクトルと複数のエッジに関する特徴ベクトルとを導出する特徴導出部と、複数の周波数に関する特徴ベクトルと複数のエッジに関する特徴ベクトルと経路周波数行列とに基づいて、経路ベクトルの複数のエッジの組み合わせに周波数を割り当てる割当制御部とを備える。

Description

パス制御装置、パス制御方法及びプログラム
　本発明は、パス制御装置、パス制御方法及びプログラムに関する。
　光通信ネットワークへの通信接続をユーザ端末が要求管理装置に対して要求する場合がある。要求管理装置は、光通信ネットワークへの通信接続をユーザ端末が要求した場合、動的経路周波数割り当て（RSA : Dynamic Routing and Spectrum Allocation）の実行を、パス制御装置に指示する。
　光通信ネットワークの物理トポロジのエッジは、光ファイバを用いて実現される。ここで、光ファイバが収容可能である光信号の周波数には制限がある。すなわち、同一の光ファイバに同一の周波数（波長）を割り当てることはできない。そこで、パス制御装置は、光信号の周波数帯の割り当てが光信号の経路（パス）において衝突しないように、各ユーザ端末の光信号の経路と周波数帯の割り当て（設定及び削除）とを、接続要求に応じて実行する。以下、同一の周波数（波長）が同一の光ファイバに割り当てられないようにすることを「周波数ブロッキング」という。
　動的経路周波数割り当てのアルゴリズムに関する問題として、経路割り当て問題と、周波数割り当て問題とがある。経路割り当て問題には、ｋ本最短経路（k-shortest-paths）法が適用されることがある。このため、動的経路周波数割り当てのアルゴリズムのうちでは、主に周波数割り当て問題のアルゴリズムが工夫される。
　周波数割り当て問題には、中心周波数が一定間隔に制限された周波数を割り当てる信号（固定グリッド方式）と、帯域幅を一定に制限せず且つ中心周波数間隔を一定に制限せずに周波数を割り当てる方式（フレキシブルグリッド方式）とがある。固定グリッド方式は、ＲＷＡ（Routing and Wavelength Assignment）と呼ばれる。また、フレキシブルグリッド方式は、ＲＳＡ（Routing and Spectrum Allocation）と呼ばれる。
　固定グリッド方式の周波数割り当てのアルゴリズムとして、「Ｆｉｒｓｔ－Ｆｉｔ（FF）法」と、「Ｌｅａｓｔ　Ｕｓｅｄ（LU）法」と、Ｒａｎｄｏｍ法と、「Ｍｏｓｔ　Ｕｓｅｄ（MU）法」とが知られている（非特許文献１参照）。これらのうちで、「Ｆｉｒｓｔ－Ｆｉｔ（FF）法」は、簡易で優れたアルゴリズムとして知られている。また、固定グリッド方式の周波数割り当てのアルゴリズムとして、経路割り当て法「ｋ－ｓｈｏｒｔｅｓｔ－ｐａｔｈｓ（ksp）法」と周波数割り当て法との組み合わせである「ｋｓｐ－ＦＦ」法が、優れたアルゴリズムとして知られている。
　また、フレキシブルグリッド方式の周波数割り当てのアルゴリズムとして、「Ｆｉｒｓｔ－Ｆｉｔ(FF)法」と、「Ｅｘａｃｔ－Ｆｉｔ(EF）法」と、「Ｆｉｒｓｔ－Ｌａｓｔ－Ｆｉｔ（FLF）法」とが知られている（非特許文献２及び３）。
Hui Zang, et al., "A Review of Routing and Wavelength Assignment Approaches for Wavelength-Routed Optical WDM Networks", 2000, Optical Networks Magazine. Chatterjee, et al., "Routing and Spectrum Allocation in Elastic Optical Networks: A Tutorial", IEEE Communication surveys & tutorials, vol., 17, no. 3 (2015) Yuan, et al., "A Spectrum Assignment Algorithm in Elastic Optical Network With Minimum Sum of Weighted Resource Reductions in all Associated Paths", Journal of Lightwave Technology, vol. 37, no. 21 (2019)
　フレキシブルグリッド方式の周波数割り当て（RSA）では、周波数ブロッキングが生じる確率を低く維持した上で多くの通信容量を収容することが、アルゴリズムの指標(目的関数）として求められている。したがって、フレキシブルグリッド方式の周波数割り当てにおける課題は、より効率的に上記指標の目標が達成されることである。
　現実的な時間内では、周波数割り当ての厳密な最適解（厳密解）を導出することは困難である。このことから、周波数割り当ての近似解が導出される。このため、より厳密解に近い近似解を高速に導出することが可能なアルゴリズムが求められている。このように、接続要求された通信の収容効率を向上させることができないという問題がある。
　上記事情に鑑み、本発明は、接続要求された通信の収容効率を向上させることが可能であるパス制御装置、パス制御方法及びプログラムを提供することを目的としている。
　本発明の一態様は、ネットワークの物理トポロジ情報と前記ネットワークの始点ノード及び終点ノードとに基づいて、前記始点ノードから前記終点ノードまでを結ぶ複数のエッジの組み合わせを表す複数の経路ベクトルを導出する経路導出部と、必要とされる帯域に応じて複製された前記経路ベクトルを含む経路帯域行列を前記経路ベクトルごとに導出し、前記ネットワークにおける前記複数のエッジへの周波数の割り当て状況を表す経路周波数行列と前記経路帯域行列とに基づいて、前記複数の周波数に関する特徴ベクトルと前記複数のエッジに関する特徴ベクトルとを導出する特徴導出部と、前記複数の周波数に関する特徴ベクトルと前記複数のエッジに関する特徴ベクトルと前記経路周波数行列とに基づいて、前記経路ベクトルの前記複数のエッジの組み合わせに周波数を割り当てる割当制御部とを備えるパス制御装置である。
　本発明の一態様は、パス制御装置が実行するパス制御方法であって、ネットワークの物理トポロジ情報と前記ネットワークの始点ノード及び終点ノードとに基づいて、前記始点ノードから前記終点ノードまでを結ぶ複数のエッジの組み合わせを表す複数の経路ベクトルを導出するステップと、必要とされる帯域に応じて複製された前記経路ベクトルを含む経路帯域行列を前記経路ベクトルごとに導出し、前記ネットワークにおける前記複数のエッジへの周波数の割り当て状況を表す経路周波数行列と前記経路帯域行列とに基づいて、前記複数の周波数に関する特徴ベクトルと前記複数のエッジに関する特徴ベクトルとを導出するステップと、前記複数の周波数に関する特徴ベクトルと前記複数のエッジに関する特徴ベクトルと前記経路周波数行列とに基づいて、前記経路ベクトルの前記複数のエッジの組み合わせに周波数を割り当てるステップとを含むパス制御方法である。
　本発明の一態様は、上記のパス制御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る。
　本発明により、接続要求された通信の収容効率を向上させることが可能である。
第１実施形態における、パス制御システムの構成例を示す図である。 第１実施形態における、物理トポロジ情報と経路ベクトルと経路帯域行列との例を示す図である。 第１実施形態における、経路帯域行列と経路周波数行列と可否判定ベクトルと情報距離ベクトルとの例を示す図である。 第１実施形態における、固定グリッド方式の周波数の割当例を示す図である。 第１実施形態における、パス制御システムの動作例を示すシーケンス図である。 第１実施形態における、パス制御装置の動作例を示すシーケンス図である。 第１実施形態における、割当部の動作例を示すシーケンス図である。 第１実施形態における、パス制御システムの効果例を示す図である。 第２実施形態における、フレキシブルグリッド方式の周波数の割当例を示す図である。 第２実施形態における、パス制御システムの効果例を示す図である。 各実施形態における、パス制御装置のハードウェア構成例を示す図である。
　本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
　（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態における、パス制御システム１の構成例を示す図である。パス制御システム１は、通信回線の経路及び周波数を制御するシステムである。パス制御システム１は、ユーザ端末の通信の接続要求に応じて、通信回線の経路を選択する。また、パス制御システム１は、ユーザ端末の通信の接続要求に応じて、選択された経路に周波数を動的に割り当てる。
　パス制御システム１は、通信回線２と、要求管理装置４と、記憶装置３と、パス制御装置５とを備える。パス制御装置５は、条件制御部５１と、割当部５２とを備える。割当部５２は、割当制御部５３と、経路導出部５４と、特徴導出部５５とを備える。特徴導出部５５は、行列導出部５５１と、判定部５５２と、距離導出部５５３とを備える。
　図２は、第１実施形態における、物理トポロジ情報６と経路ベクトル７と経路帯域行列８「ａｉ，ｊ」との例を示す図である。物理トポロジ情報６は、第１ユーザ端末（不図示）と第２ユーザ端末（不図示）とが接続される通信回線の物理トポロジを表す。物理トポロジ情報６は、複数のノードと、「ｍ」本のエッジとを備える。「ｍ」本のエッジは、所定のノード同士をつなぐ。物理トポロジ情報６は、一例として、ノード６０からノード６５までと、エッジ７０からエッジ８５までとを備える。
　経路導出部５４は、物理トポロジ情報６に基づいて、始点ノード（送信側ノード）と終点ノード（受信側ノード）を繋ぐ経路の複数の候補を導出する。始点ノードは、例えば第１ユーザ端末（不図示）が接続するノードであり、一例としてノード６０である。終点ノードは、例えば第２ユーザ端末（不図示）が接続するノードであり、一例としてノード６５である。第１ユーザ端末（不図示）は、パス制御装置５によって周波数が割り当てられた経路を伝送される光信号を用いて、第２ユーザ端末（不図示）と通信する。図２では、エッジ７０とエッジ７２とエッジ７８とエッジ８１とエッジ８３とを含む経路が、選択される経路の候補の一例である。経路導出部５４は、経路の候補を表す情報である経路候補情報を含む物理トポロジ情報６を、割当制御部５３に出力する。物理トポロジ情報６は、例えば、有向グラフの形式で表現される。
　行列導出部５５１は、物理トポロジ情報６における経路候補情報に基づいて、経路ベクトル７を導出する。経路ベクトル７は、物理トポロジ情報６（物理トポロジグラフ）のエッジの総数「ｍ」のベクトルである。図２において白色で表されるベクトルの成分（要素）は、経路を構成していない成分であることを表す。経路を構成していない成分の値は、０である。図２において黒色で表されるベクトルの成分は、経路を構成している成分であることを表す。経路を構成している成分の値は、１である。
　帯域「Δ」は、周波数スロットの幅を表す自然数である。行列導出部５５１は、帯域「Δ」の個数だけ経路ベクトル７を行方向に複製することによって、経路候補情報を含む物理トポロジ情報６を経路帯域行列８に変換（形式変換）する。経路帯域行列８は、Δ行ｍ列の行列である。すなわち、行列導出部５５１は、ｉ行ｊ列の経路帯域行列８「ａｉ，ｊ」を、経路ベクトル７（経路候補）ごとに定義する。
　したがって、帯域「Δ」は、経路帯域行列８の行サイズである。帯域「Δ」は、変調方式情報に基づいて定まる。変調方式情報とは、信号帯域をカバーするために必要な周波数グリッドのサイズ（必要帯域）である。例えば、周波数グリッドの幅が１２．５ＧＨｚであり、且つ、信号帯域が３７．５ＧＨｚ（＝３×１２．５ＧＨｚ）である場合、少なくとも３周波数グリッドが必要である。したがって、変調方式情報として、自然数「Δ≧３」が与えられる。
　固定グリッド方式では、変調方式（周波数グリッドの幅）は、経路の長さに応じて変化する。そこで、判定部５５２は、各経路候補の周波数グリッドの幅を有する窓関数を用いて、周波数とエッジとの組み合わせの利用状況を表す行列と経路帯域行列８（経路候補）との畳み込み処理を実行する。これによって各経路の特徴量（特徴ベクトル）を得ることが、経路帯域行列８が導入された理由である。
　図３は、第１実施形態における、経路帯域行列８と経路周波数行列９と可否判定ベクトル１０と情報距離ベクトル１１との例を示す図である。図３に例示された処理は、第２実施形態においても実行可能である。経路周波数行列９は、ネットワークにおける周波数とエッジとの組み合わせの利用状況（割り当て状況）を表す。
　帯域「Δ」（周波数スロットの幅)は、一例として、２である。経路周波数行列９（ビットマップ）のサイズは、ｊ行ｋ列である。行サイズ「ｊ」は、物理トポロジ情報６（物理トポロジグラフ）のエッジの総数「ｍ」と等しい。列サイズ「ｋ」は、周波数スロットの総数を表す。周波数スロットの総数「ｋ」は、経路に割り当てることが可能な周波数スロット（割り当てスロット）の個数「ｌ」と、境界の個数「２」との合計である。経路に割り当てることが可能な周波数スロットは、割り当て済でない周波数を含む。
　第２実施形態において後述されるフレキシブルグリッド方式への拡張（ＲＳＡ拡張）のために、経路周波数行列９において、経路に割り当てることが可能な周波数スロットよりも外側の各周波数スロット（外部境界）の値は、便宜上、周波数が割り当て済であることを表す値「１」に固定される。すなわち、判定部５５２は、経路周波数行列９において、経路に割り当てることが可能な周波数スロット以外の周波数スロットの成分の値を、周波数が割り当て済であることを表す値「１」に固定する。
　境界９０と境界９１は、経路に割り当てることが可能な周波数スロット（割り当てスロット）よりも外側に位置する。境界９０の周波数スロット番号は、０である。境界９１の周波数スロット番号は、１７である。図３では、経路周波数行列９における周波数スロット番号「０」及び「１７」の全ての成分値は、境界条件の設定として、周波数が割り当て済であることを表す値「１」に固定される。
　判定部５５２は、経路帯域行列８と経路周波数行列９との畳み込み積分（アダマール積分）を実行することによって、可否判定ベクトル１０（周波数ブロッキング判定ベクトル）を導出する。可否判定ベクトル１０は、周波数の割り当てが可能であるか否か（周波数方向の適合の度合い）を表すベクトル（整数列）である。周波数ブロッキングが生じる場合、周波数の割り当てはできない。可否判定ベクトル１０「ξｎ」は、式（１）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、可否判定ベクトル１０「ξｎ」の成分（判定値）が０である周波数スロットの周波数は、経路への割り当てが可能である。
　距離導出部５５３は、経路帯域行列８と経路周波数行列９との畳み込み積分（置換回数の積分）を実行することによって、情報距離ベクトル１１（整数列）を導出する。情報距離ベクトル１１は、経路の利用効率の指標（情報距離）を表すベクトルである。経路の利用効率は、例えば、ハミング距離として表される。情報距離ベクトル１１「ζｎ」は、式（２）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、情報距離ベクトル１１「ζｎ」の成分値が最大である周波数スロットを経路に割り当てることが最適である。すなわち、経路の利用効率が最高となる周波数スロットを経路に割り当てることが最適である。
　割当制御部５３は、経路周波数割り当て判定ベクトルを導出する。経路周波数割り当て判定ベクトルは、可否判定ベクトル１０「ξｎ」を分母に含み、情報距離ベクトル１１「ζｎ」を分子に含むベクトルである。経路周波数割り当て判定ベクトルは、式（３）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　割当制御部５３は、経路の利用効率が高くなる経路を優先し、その経路に周波数を割り当てる。例えば、割当制御部５３は、経路周波数割り当て判定ベクトルの成分のうちで最大となるスロット番号（インデックス）を特定することによって、ハミング距離が最長「ｍａｘ」となる開始スロット番号を決定する。すなわち、割当制御部５３は、経路周波数割り当て判定ベクトルに基づいて、周波数の割り当てを開始するスロット番号である開始スロット番号「ｎａ」を、式（４）のように導出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　割当制御部５３は、可否判定ベクトル１０の成分の値（判定値）が０である割り当てスロットのうちから、情報距離が最長「ｍａｘ」となる周波数スロット番号「ｎａ」を選択する。割当制御部５３は、割り当てスロットにおける周波数スロット番号「ｎａ」に基づいて、開始スロット番号の列｛ｎａ＋１，…，ｎａ＋Δ｝を導出する。割当制御部５３は、式（５）のように、経路への周波数の割り当て及び削除を実行する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　図４は、第１実施形態における、固定グリッド方式（ＲＷＡ）の周波数の割当例を示す図である。図４に例示された可否判定ベクトル１０において、空白の成分の値は１以上である。判定値「ξｎ＝０」の箇所は、周波数の割り当て候補である。図４では、周波数スロット番号「５」、「１０」及び「１５」の各周波数が、割り当て可能な周波数の候補である。図４に例示された情報距離ベクトル１１において、「ζｎ＝０」の箇所は、空白で表現されている。図４では、割当制御部５３は、経路周波数行列９において、情報距離ベクトル１１の最大値「ζｎ＝１６」の成分に対応する周波数グリッド番号「ｎａ＝５」を選択する。割当制御部５３は、選択された周波数グリッド番号（周波数グリッドのインデックス）の周波数帯を、エッジ番号「０」、「２」、「８」、「１１」及び「１３」の各エッジに割り当てる。
　次に、パス制御システム１の動作例を説明する。
　図５は、第１実施形態における、パス制御システム１の動作例を示すシーケンス図である。記憶装置３は、条件制御部５１による要求に応じて、物理トポロジ情報６及び経路周波数行列を、条件制御部５１に送信する。条件制御部５１は、物理トポロジ情報６及び経路周波数行列を、記憶装置３から取得する（ステップＳ１０１）。
　要求管理装置４は、割当要求情報を条件制御部５１に送信する。条件制御部５１は、割当要求情報を要求管理装置４から取得する（ステップＳ１０２）。条件制御部５１は、割当要求情報、物理トポロジ情報及び経路周波数行列を、割当部５２に送信する。割当部５２は、割当要求情報、物理トポロジ情報及び経路周波数行列を、条件制御部５１から取得する（ステップＳ１０３）。
　割当部５２は、割当要求情報及び物理トポロジ情報に基づいて、経路ベクトルを導出する。割当部５２は、経路ベクトルに基づいて、経路帯域行列を導出する。割当部５２は、経路帯域行列及び経路周波数行列に基づいて、可否判定ベクトル及び情報距離ベクトルを導出する。割当部５２は、可否判定ベクトル及び情報距離ベクトルに基づいて経路に周波数帯を割り当てることによって、経路周波数行列を更新する。割当部５２は、更新された経路周波数行列を、条件制御部５１に送信する。条件制御部５１は、更新された経路周波数行列を、割当部５２から取得する（ステップＳ１０４）。
　条件制御部５１は、更新された経路周波数行列から、経路及び周波数帯を表す割当結果を抽出する。条件制御部５１は、割当結果を要求管理装置４に送信する。要求管理装置４は、割当結果を条件制御部５１から取得する（ステップＳ１０５）。条件制御部５１は、更新された経路周波数行列を、記憶装置３に送信する。記憶装置３は、更新された経路周波数行列を記憶する（ステップＳ１０６）。なお、条件制御部５１は、ステップＳ１０６の実行を省略し、更新された経路周波数行列を記憶してもよい。
　また、ステップＳ１０１がサービス開始時にのみ実行され、ステップＳ１０２からステップＳ１０５までの処理が繰り返し実行されてもよい。
　図６は、第１実施形態における、パス制御装置５の動作例を示すシーケンス図である。条件制御部５１は、割当要求情報、物理トポロジ情報及び経路周波数行列を、割当制御部５３に送信する。割当制御部５３は、割当要求情報、物理トポロジ情報及び経路周波数行列を、条件制御部５１から取得する（図５に例示されたステップＳ１０３）。
　割当制御部５３は、割当要求情報及び物理トポロジ情報を、経路導出部５４に送信する。経路導出部５４は、割当要求情報及び物理トポロジ情報に基づいて、経路候補情報を導出する（ステップＳ２０１）。経路導出部５４は、経路候補情報を割当制御部５３に送信する。割当制御部５３は、経路候補情報に基づいて、各経路候補の変調方式情報を生成する。すなわち、割当制御部５３は、割当要求された通信に必要とされる帯域「Δ」（必要帯域情報）を定める（ステップＳ２０２）。
　割当制御部５３は、経路周波数行列、経路候補情報及び変調方式情報を、特徴導出部５５に送信する。特徴導出部５５は、経路候補情報と変調方式情報（必要帯域情報）とに基づいて、経路帯域行列を導出する。特徴導出部５５は、経路帯域行列及び経路周波数行列を用いる畳み込み積分（周波数方向の圧縮）の結果に基づいて、各経路候補への周波数の割当可否（第１特徴）を表すベクトル（可否判定ベクトル）を導出する。特徴導出部５５は、経路帯域行列及び経路周波数行列を用いる畳み込み積分（経路方向の圧縮）の結果に基づいて、各経路候補の情報距離（第２特徴）を表すベクトル（情報距離ベクトル）を導出する（ステップＳ２０３）。
　特徴導出部５５は、各経路候補への周波数の割当可否（周波数ブロッキングが無しであるか否か）を表す可否判定ベクトルと、各経路候補の情報距離を表す情報距離ベクトルとを、割当制御部５３に送信する（ステップＳ２０４）。割当制御部５３は、各経路候補への周波数の割当可否（第１特徴）と、各経路候補の情報距離（第２特徴）とに基づいて、経路周波数行列を更新する。１以上の経路候補がある場合、割当制御部５３は、各経路候補への周波数の割当可否（第１特徴）と、各経路候補の情報距離（第２特徴）とに基づいて、１以上の経路候補のうちから経路を選択する。割当制御部５３は、選択された経路に周波数帯（帯域）を割り当てる。経路候補がない場合には、割当制御部５３は、割り当て不可を表す情報を生成する（ステップＳ２０５）。
　割当制御部５３は、更新された経路周波数行列を、条件制御部５１に送信する。条件制御部５１は、更新された経路周波数行列を、割当制御部５３から取得する。割り当て不可を表す情報が生成された場合には、割当制御部５３は、割り当て不可を表す情報を、条件制御部５１に送信する。条件制御部５１は、割り当て不可を表す情報を、割当制御部５３から取得する（図５に例示されたステップＳ１０４）。
　図７は、第１実施形態における、割当部５２の動作例を示すシーケンス図である。割当制御部５３は、経路周波数行列、経路候補情報及び変調方式情報を、特徴導出部５５に送信する。行列導出部５５１は、経路候補情報と変調方式情報（必要帯域情報）とに基づいて、経路帯域行列を導出する（図６に例示されたステップＳ２０３）。
　行列導出部５５１は、経路帯域行列及び経路周波数行列を、判定部５５２に送信する（ステップＳ３０１）。判定部５５２は、経路帯域行列及び経路周波数行列を用いる畳み込み積分の結果に基づいて、各経路候補の割当可否（第１特徴）を表すベクトル（可否判定ベクトル）を導出する（ステップＳ３０２）。判定部５５２は、各経路候補の割当可否を表すベクトル（可否判定ベクトル）を、割当制御部５３に送信する。割当制御部５３は、可否判定ベクトルを判定部５５２から取得する（図６に例示されたステップＳ２０４－１）。
　行列導出部５５１は、経路帯域行列及び経路周波数行列を、距離導出部５５３に送信する（ステップＳ３０３）。距離導出部５５３は、経路帯域行列及び経路周波数行列を用いる畳み込み積分の結果に基づいて、各経路候補の情報距離（第２特徴）を表すベクトル（情報距離ベクトル）を導出する（ステップＳ３０４）。距離導出部５５３は、各経路候補の情報距離を表すベクトル（情報距離ベクトル）を、割当制御部５３に送信する。割当制御部５３は、情報距離ベクトルを距離導出部５５３から取得する（図６に例示されたステップＳ２０４－２）。
　割当制御部５３は、可否判定ベクトルの成分の値（判定値）が可であり、且つ、情報距離ベクトルの成分の値（情報距離）が最長である経路に、周波数帯を割り当てる（図６に例示されたステップＳ２０５）。
　以上のように、経路導出部５４は、ネットワークの物理トポロジ情報６とネットワークの始点ノード及び終点ノードとに基づいて、始点ノードから終点ノードまでを結ぶ複数のエッジの組み合わせを表す複数の経路ベクトル７を導出する。特徴導出部５５は、必要とされる帯域に応じて複製された経路ベクトルを含む経路帯域行列８を、経路ベクトル７ごとに導出する。特徴導出部５５は、ネットワークにおける複数のエッジへの周波数の割り当て状況を表す経路周波数行列９と経路帯域行列８とに基づいて、可否判定ベクトル１０（複数の周波数に関する特徴ベクトル）と、情報距離ベクトル１１（複数のエッジに関する特徴ベクトル）とを導出する。割当制御部５３は、可否判定ベクトル１０と情報距離ベクトル１１と経路周波数行列９とに基づいて、経路ベクトル７の複数のエッジの組み合わせに周波数を割り当てる。
　これによって、接続要求された通信の収容効率を向上させることが可能である。
　周波数割り当て演算に畳み込み処理が導入されたので、「ｆｏｒ文」及び「ｉｆ文」の形式のアルゴリズムでなく、代数的な形式のアルゴリズムが用いられるので、複雑な処理（例えば、情報距離の導出処理）が導入されやすい。これによって、決まったサイズ（例えば、行列）の演算をパス制御装置５が実行すればよいので、パス制御装置５におけるＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等を用いる高速演算への適用領域が増える。より厳密解に近い近似解を高速に導出することが可能なアルゴリズムで、パス制御装置５が近似解を導出することが可能である。
　可否判定ベクトル（周波数ブロッキング判定ベクトル）は、周波数方向について、適合の度合いを表す。情報距離ベクトルは、経路方向について、適合の度合いを表す。可否判定ベクトルのサイズと情報距離ベクトルのサイズとが同じになるので、周波数方向と経路方向とが組み合わされた最適な指標（例えば、式（３）のベクトル）が作成される。これによって、より厳密解に近い近似解を高速に導出することが可能である。
　なお、従来手法では、周波数又は経路情報の一方の情報に基づく指標が導出され、そのような指標に基づいて最適性が判定される。例えば、「Ｆｉｒｓｔ－Ｆｉｔ（FF）法」では、周波数方向の情報のみに基づいて、最適性が判定される。
　従来の「Ｌｅａｓｔ　Ｕｓｅｄ（LU）法」と、Ｒａｎｄｏｍ法と、Ｍｏｓｔ　Ｕｓｅｄ（MU）法とでは、経路方向の情報のみに基づいて、最適性が判定される。従来の手法では、仮に経路周波数行列（ビットマップ）が導出されたとしても、経路周波数行列における経路方向のみについて空き領域がいくつ存在するかという情報しか扱えない。これに対して、パス制御装置５では、割り当ての候補とされた経路（パス）と経路周波数行列との間の関係が、情報距離として一般化された形で定義されている。これによって、割り当ての候補とされた経路ごとに、且つ、より詳細に、経路方向についての適合性の度合いを表現することが可能である。
　次に、日本のネットワークの物理トポロジ（ノード数は２５個）を表す「ＪＰＮ２５」を例として、第１実施形態におけるパス制御システム１の効果例を説明する。
　図８は、第１実施形態における、パス制御システム１の効果例を示す図である。周波数ブロッキングが一定である場合、横軸（ネットワーク全体の通信負荷）の値が大きいほど、効率がより高いアルゴリズムである。すなわち、図８においてグラフが右側にあるほど、ネットワークに収容可能な通信総容量は大きい。第１実施形態におけるパス制御システム１の手法は、例えばＦＦ法と比較して効果的な手法である。第１実施形態におけるパス制御システム１はネットワーク資源を効率的に利用することが可能である。
　図８に例示されたグラフを導出するシミュレーションでは、物理トポロジ「ＪＰＮ２５」の各ノードには、ユーザ端末（不図示）が配置されている。条件制御部５１は、物理トポロジ「ＪＰＮ２５」を記憶装置３から取得する。
　固定グリッド方式では、変調方式によらずに、必要帯域が定まる。条件制御部５１は、割当要求情報を要求管理装置４から取得する。割当要求情報は、ネットワーク全体の通信負荷のパラメータとして、予め定められる。ネットワーク全体の通信負荷とパラメータ（割当要求情報）とが等しくなるように、各ユーザ端末は、サービス利用時間が指数分布になるように、均等な確率で接続要求を発生させる。
　パラメータ（割当要求情報）ごとに、複数のユーザ端末に対して、周波数ブロッキング率の導出が複数回実行される。周波数ブロッキング率は、接続要求の成功回数に対する、接続要求の失敗回数の割合である。すなわち、周波数ブロッキング率は、接続要求の失敗回数が接続要求の成功回数で除算された結果の値である。
　パス制御装置５は、周波数方向と経路方向とが組み合わされた最適な指標を作成する。また、パス制御装置５は、経路方向の詳細な特徴を、情報距離として導出する。これによって、通信ネットワークは通信負荷の耐性に強くなる。
　（第２実施形態）
　第２実施形態では、フレキシブルグリッド方式の周波数の割当が実行される点が、第１実施形態との差分である。第２実施形態では、第１実施形態との差分を中心に説明する。
　図９は、第２実施形態における、フレキシブルグリッド方式の周波数の割当例を示す図である。「Ｅｘａｃｔ－Ｆｉｔ(EF）法」では、経路（edge slot）方向だけでなく、周波数（frequency slot）方向へのマッチングが考慮される。第２実施形態では、「Ｅｘａｃｔ－Ｆｉｔ(EF）法」とフレキシブルグリッド方式とが組み合わされる。この組み合わせ（拡張）を、「ＥＦＨＤＭ」(Exact-Fit Hamming Distance Maximization)という。
　対応矢印９２は、可否判定ベクトル１０「ξｎ」の導出における畳み込みの行列積の対応付けと、情報距離ベクトル１１「ζｎ」の導出における畳み込みの行列積の対応付けとを表す。また、周波数方向（横軸）の適合の度合（適応度）を導出するために、周波数適合ベクトル「θＳ,ｎ」及び「θＬ,ｎ」が定義される。
　周波数適合ベクトル「θＳ,ｎ」は、周波数スロット番号が小さい側の境界９３と、経路帯域行列８「ａｉ，ｊ」との周波数方向（横軸）の適合の度合を表す。周波数適合ベクトル「θＳ,ｎ」は、式（６）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　周波数適合ベクトル「θＬ,ｎ」は、周波数スロット番号が大きい側の境界９３と、経路帯域行列８「ａｉ，ｊ」との周波数方向（横軸）の適合の度合を表す。周波数適合ベクトル「θＬ,ｎ」は、式（７）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　周波数方向の適合の度合が最も高く、且つ、周波数の割り当てが可能である場合（周波数ブロッキングが生じない場合）に最大となるベクトル（周波数適合判定ベクトル）は、周波数適合ベクトル「θＳ,ｎ」と、周波数適合ベクトル「θＬ,ｎ」と、可否判定ベクトル１０「ξｎ」とを用いて、式（８）のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　式（８）が式（９）と等しい場合、周波数方向の適合の度合は最も高い。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　式（８）が式（９）と等しい場合、すなわち、周波数方向の適合の度合が最も高い場合、判定部５５２は、判定処理において「真」と判定する。判定処理において「真」と判定された場合、判定部５５２は、式（５）を用いて、経路に周波数を割り当てる。判定処理において「偽」と判定された場合、判定部５５２は、例えばＦＦ法を用いて、経路に周波数を割り当てる。
　以上のように、特徴導出部５５は、経路周波数行列において、経路に割り当てることが可能な周波数スロット以外の周波数スロットの値を、周波数が割り当て済であることを表す値「１」に固定する。特徴導出部５５は、周波数方向の適合の度合が最も高く、且つ、周波数の割り当てが可能である場合に最大となるベクトル（周波数適合判定ベクトル）を用いて、経路周波数割り当て判定ベクトルの成分のうちで最大となるスロット番号（インデックス）を特定する。これによって、特徴導出部５５は、ハミング距離が最長「ｍａｘ」となる開始スロット番号を決定する。特徴導出部５５は、開始スロット番号の周波数スロットを優先して、経路に周波数を割り当てる。
　これによって、フレキシブルグリッド方式の周波数の割当において、接続要求された通信の収容効率を向上させることが可能である。
　次に、第２実施形態におけるパス制御システム１の効果例を説明する。
　図１０は、第２実施形態における、パス制御システム１の効果例を示す図である。フレキシブルグリッド方式では、変調方式に応じて必要帯域が変わる。周波数ブロッキングが一定である場合、横軸（ネットワーク全体の通信負荷）の値が大きいほど、効率がより高いアルゴリズムである。すなわち、図１０においてグラフが右側にあるほど、ネットワークに収容可能な通信総容量は大きい。第２実施形態におけるパス制御システム１の手法は、例えばＦＦ法と比較して効果的な手法である。第２実施形態におけるパス制御システム１はネットワーク資源を効率的に利用することが可能である。
　（ハードウェア構成例）
　図１１は、各実施形態における、パス制御装置５のハードウェア構成例を示す図である。パス制御装置５の各機能部のうちの一部又は全部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ１０１が、不揮発性の記録媒体（非一時的記録媒体）を有する記憶装置１０２とメモリ１０３とに記憶されたプログラムを実行することにより、ソフトウェアとして実現される。プログラムは、コンピュータ読み取り可能な非一時的記録媒体に記録されてもよい。コンピュータ読み取り可能な非一時的記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）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などの非一時的記録媒体である。通信部１０４は、所定の通信処理を実行する。通信部１０４は、データとプログラムとを取得してもよい。
　パス制御装置５の各機能部の一部又は全部は、例えば、ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等を用いた電子回路（electronic circuit又はcircuitry）を含むハードウェアを用いて実現されてもよい。要求管理装置４についても同様である。
　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。
　本発明は、通信システムに適用可能である。
１…パス制御システム、２…通信回線、３…記憶装置、４…要求管理装置、５…パス制御装置、６…物理トポロジ情報、７…経路ベクトル、８…経路帯域行列、９…経路周波数行列、１０…可否判定ベクトル、１１…情報距離ベクトル、５１…条件制御部、５２…割当部、５３…割当制御部、５４…経路導出部、５５…特徴導出部、６０～６５…ノード、７０～８５…エッジ、９０…境界、９１…境界、９２…対応矢印、９３…境界、９４…境界、１０１…プロセッサ、１０２…記憶装置、１０３…メモリ、１０４…通信部、５５１…行列導出部、５５２…判定部、５５３…距離導出部

Claims (8)

  1. 　ネットワークの物理トポロジ情報と前記ネットワークの始点ノード及び終点ノードとに基づいて、前記始点ノードから前記終点ノードまでを結ぶ複数のエッジの組み合わせを表す複数の経路ベクトルを導出する経路導出部と、
    　必要とされる帯域に応じて複製された前記経路ベクトルを含む経路帯域行列を前記経路ベクトルごとに導出し、前記ネットワークにおける前記複数のエッジへの周波数の割り当て状況を表す経路周波数行列と前記経路帯域行列とに基づいて、前記複数の周波数に関する特徴ベクトルと前記複数のエッジに関する特徴ベクトルとを導出する特徴導出部と、
    　前記複数の周波数に関する特徴ベクトルと前記複数のエッジに関する特徴ベクトルと前記経路周波数行列とに基づいて、前記経路ベクトルの前記複数のエッジの組み合わせに周波数を割り当てる割当制御部と
    　を備えるパス制御装置。
  2. 　前記特徴導出部は、前記経路周波数行列と前記経路帯域行列との畳み込み積分の結果に基づいて、前記複数の周波数に関する特徴ベクトルと前記複数のエッジに関する特徴ベクトルとを導出する、
    　請求項１に記載のパス制御装置。
  3. 　前記複数の周波数に関する特徴ベクトルは、周波数の割り当てが可能であるか否かを表すベクトルであり、
    　前記複数のエッジに関する特徴ベクトルは、前記ネットワークにおける経路の利用効率を表すベクトルである、
    　請求項２に記載のパス制御装置。
  4. 　前記ネットワークにおける経路の利用効率は、ハミング距離として表される、
    　請求項３に記載のパス制御装置。
  5. 　前記割当制御部は、前記利用効率が高くなる経路を優先して、前記周波数を割り当てる、
    　請求項３又は請求項４に記載のパス制御装置。
  6. 　前記特徴導出部は、前記経路周波数行列において、経路に割り当てることが可能な周波数スロット以外の周波数スロットの値を、周波数が割り当て済であることを表す値に固定する、
    　請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパス制御装置。
  7. 　パス制御装置が実行するパス制御方法であって、
    　ネットワークの物理トポロジ情報と前記ネットワークの始点ノード及び終点ノードとに基づいて、前記始点ノードから前記終点ノードまでを結ぶ複数のエッジの組み合わせを表す複数の経路ベクトルを導出するステップと、
    　必要とされる帯域に応じて複製された前記経路ベクトルを含む経路帯域行列を前記経路ベクトルごとに導出し、前記ネットワークにおける前記複数のエッジへの周波数の割り当て状況を表す経路周波数行列と前記経路帯域行列とに基づいて、前記複数の周波数に関する特徴ベクトルと前記複数のエッジに関する特徴ベクトルとを導出するステップと、
    　前記複数の周波数に関する特徴ベクトルと前記複数のエッジに関する特徴ベクトルと前記経路周波数行列とに基づいて、前記経路ベクトルの前記複数のエッジの組み合わせに周波数を割り当てるステップと
    　を含むパス制御方法。
  8. 　請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のパス制御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。
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JP2016001835A (ja) * 2014-06-12 2016-01-07 富士通株式会社 波長選択方法、波長選択装置および波長選択システム

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