WO2023238273A1 - 光パス設計装置、光パス設計方法およびプログラム - Google Patents

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WO2023238273A1
WO2023238273A1 PCT/JP2022/023090 JP2022023090W WO2023238273A1 WO 2023238273 A1 WO2023238273 A1 WO 2023238273A1 JP 2022023090 W JP2022023090 W JP 2022023090W WO 2023238273 A1 WO2023238273 A1 WO 2023238273A1
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WO
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path
demand
wavelength
optical
edge
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PCT/JP2022/023090
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English (en)
French (fr)
Inventor
貴章 田中
一晃 東森
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • 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
    • H04L45/12—Shortest path evaluation

Definitions

  • the present invention relates to an optical path design device, an optical path design method, and a program.
  • Wavelength division multiplexing (WDM) paths in which one or more wavelengths are multiplexed onto an optical fiber and transmitted, and one or more time division multiplexing units that are accommodated in each wavelength division multiplexing path and are fixed-length time slots.
  • a multilayer network consisting of Time Division Multiplexing (TDM) paths is known.
  • TDM Time Division Multiplexing
  • Non-Patent Document 1 discloses a method of performing multi-layer path accommodation design using an auxiliary graph.
  • Non-Patent Document 1 when a demand for a multilayer path between two points occurs, an edge formed by an existing wavelength multiplexed path that can accommodate the demand and an edge formed by a new path are combined. It is disclosed that an appropriate route and frequency can be selected by searching for the shortest route in an auxiliary graph.
  • the modulation method, symbol rate, etc. are selected from a transmission mode that is a combination of these. For example, if QPSK and 16QAM can be used as modulation schemes and each has two types of bit rates, there are four transmission modes. Actual transmission modes may have even more combinations than this.
  • Non-Patent Document 1 also does not disclose a method for selecting the best transmission mode from a large number of transmission modes.
  • An object of the present invention is to provide an optical path design device, an optical path design method, and a program that can determine the transmission mode at the same time as the route in an optical network including wavelength multiplexed paths having multiple transmission modes.
  • One aspect of the present invention is an optical path design device that designs a path based on path demand in an optical network having an optical communication path in which one or more time-divided wavelength paths are set,
  • a demand acquisition unit that acquires the path demand indicating an end point and required communication capacity, and a plurality of nodes forming the optical network can allocate the path demand among the wavelength paths set on the optical communication channel.
  • a graph that is connected by an existing edge that is an edge that indicates a wavelength path that can be set, and a new edge that is an edge that is an edge that indicates a candidate for a wavelength path that can be newly set.
  • a graph generation unit that generates an auxiliary graph in which a weight is set; a search unit that searches for a route from the start point to the end point indicated by the path demand for the auxiliary graph based on the weight; path design information for setting a wavelength path in the optical communication path using the transmission method related to the newly established edge included in the route, and accommodating the path demand in the wavelength path at a frequency related to each edge included in the route;
  • One aspect of the present invention is an optical path design method for designing a path based on path demand in an optical network having an optical communication path in which one or more wavelength multiplexed paths are set, the method comprising: a demand acquisition step of acquiring the path demand indicating the communication capacity; and an existing edge which is an edge indicating a wavelength division multiplexing path to which the path demand can be assigned among the wavelength division multiplexing paths already set in the optical communication path. , an auxiliary graph generation step of generating an auxiliary graph connecting a plurality of nodes constituting the optical network with a newly established edge that is an edge indicating a candidate for a wavelength multiplexed path that can be newly set; and each edge of the auxiliary graph.
  • the optical path design method includes a design step of allocating the path demand to the wavelength multiplexed path and generating path design information.
  • One aspect of the present invention is a program that causes a computer to function as the optical path design device according to the above aspect.
  • the transmission mode can be determined at the same time as the route in an optical network including wavelength multiplexed paths having multiple transmission modes.
  • FIG. 1 is a diagram showing an optical path design device and a multilayer network NW according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a method for accommodating multilayer path demand in an embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram showing the configuration of an optical path design device according to a first embodiment.
  • 3 is a flowchart illustrating a multilayer path design method according to the first embodiment.
  • 3 is a flowchart illustrating a method of generating an existing graph according to the first embodiment.
  • 3 is a flowchart illustrating a method for generating a newly created graph according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a physical network according to the first embodiment. It is a diagram showing an example of an existing graph according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a newly established graph according to the first embodiment. It is a figure showing an example of an auxiliary graph concerning a 1st embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing route search results according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic block diagram showing the configuration of an optical path design device according to a second embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing an optical path design device 10 and a multilayer network NW according to an embodiment.
  • the optical path design device 10 according to the embodiment designs a multilayer path that accommodates a new multilayer path demand (connection request) when a new multilayer path demand (connection request) occurs in the multilayer network NW.
  • the multi-layer network NW is a network in which a plurality of nodes N are connected through optical communication channels such as optical fibers.
  • Node N may be a digital coherent optical transceiver.
  • Each node N sets up a wavelength multiplexing path for multiplexing optical signals of one or more wavelengths between it and the opposing node.
  • a wavelength multiplex path is a path in which one or more wavelength paths are multiplexed.
  • a wavelength path is assigned to a frequency band consisting of a group of frequency slots that are part of a plurality of frequency slots obtained by dividing a frequency band that can be used in an optical communication path.
  • the frequency bandwidth of the wavelength path is determined by the modulation method and bit rate.
  • Combinations of signal modulation schemes and symbol rates that can be set for wavelength multiplexing paths are prepared in advance as transmission modes.
  • the modulation method, symbol rate, and transmission mode are examples of transmission methods.
  • wavelength multiplexed paths are time-division multiplexed into multiple time slots.
  • the multilayer network NW is constituted by optical communication channels in which one or more time-divided wavelength paths are set. Multilayer path demands are assigned combinations of wavelength paths and time slots.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a method for accommodating multilayer path demand in the embodiment.
  • the multilayer network NW has the following configuration.
  • the multilayer network NW includes a node N1, a node N2, and a node N3.
  • Node N1 and node N2 are connected via an optical communication path
  • node N2 and node N3 are connected via an optical communication path.
  • a wavelength path P1 using a frequency slot F2 is set between the node N2 and the node N3.
  • the multi-layer path demand can be accommodated as follows.
  • the first accommodating method is to set up a new wavelength path P2 with the number of hops of 1 using frequency slot F1 between node N1 and node N2, and use any time slot of the new wavelength path P2 and the existing wavelength.
  • electrical relay processing is performed at node N2.
  • the second accommodating method is to set up a new wavelength path P3 with the number of hops of 2 using frequency slot F1 between node N1 and node N3, and to create a multilayer path in any time slot of the new wavelength path P3. It is about accommodating demand.
  • the node N2 transfers the optical signal input from the node N1 to the node N3 without photoelectrically converting it.
  • the optical path design device 10 designs a route that appropriately accommodates the multilayer path demand when the multilayer path demand occurs.
  • FIG. 3 is a schematic block diagram showing the configuration of the optical path design device 10 according to the first embodiment.
  • the optical path design device 10 includes a demand acquisition section 11 , a graph generation section 12 , a search section 13 , a design section 14 , and a storage section 15 .
  • the demand acquisition unit 11 acquires multilayer path demand from devices connected to the multilayer network NW.
  • the multilayer path demand is forwarded by a node N connected to the equipment, for example.
  • the multilayer path demand includes a starting node, an ending node, and a required bit rate (required communication capacity).
  • the graph generation unit 12 generates an auxiliary graph composed of nodes N constituting the multilayer network NW and edges indicating wavelength multiplexed paths constructed between the nodes N and satisfying the required bit rate of the multilayer path demand.
  • the graph generation section 12 includes an existing graph generation section 121 , a new graph generation section 122 , and a weight determination section 123 .
  • the existing graph generation unit 121 generates an existing graph whose edges are wavelength paths to which multilayer path demand can be additionally allocated among existing wavelength paths.
  • a wavelength path to which a multilayer path demand can be additionally allocated is a wavelength path whose time slot is free enough to satisfy the required bit rate of the multilayer path demand.
  • the newly established graph generation unit 122 generates a newly established graph whose edges are candidates for a newly set wavelength path.
  • the newly established graph generating section 122 includes a transmission mode determining section 1221 that determines parameters such as a transmission mode and frequency of a wavelength path candidate related to an edge of the newly established graph, and a frequency determining section 1222 that allocates a frequency to the wavelength path candidate.
  • the weight determination unit 123 determines edge weights of the auxiliary graph.
  • the search unit 13 searches for a route connecting the starting point node to the ending point node of the multilayer path demand.
  • the design unit 14 Based on the searched route, the design unit 14 generates multilayer path design information including a new wavelength path setting instruction and an accommodation instruction for specifying a frequency and a time slot to accommodate the multilayer path demand.
  • the storage unit 15 stores information necessary to generate the auxiliary graph.
  • the storage unit 15 has storage areas related to a transmission mode holding unit 151 , a topology holding unit 152 , and a path holding unit 153 .
  • the transmission mode holding unit 151 associates and stores the modulation method, symbol rate, required number of frequency slots (bandwidth), and maximum number of transmittable hops for each transmission mode.
  • the maximum number of hops is an example of the distance between nodes. Note that in other embodiments, the transmission mode holding unit 151 may store other distances such as path lengths in the physical topology instead of the maximum number of hops. Furthermore, the higher the frequency efficiency of the transmission mode, the smaller the maximum number of hops that can be transmitted.
  • the transmission mode holding unit 151 may store available transmission modes for each node N.
  • the topology holding unit 152 holds information on the physical topology of the optical transmission lines, nodes N, etc. that constitute the multilayer network NW. That is, the topology holding unit 152 holds information indicating the connection relationship between the nodes N.
  • the path holding unit 153 holds information on existing multilayer paths.
  • the path holding unit 153 holds, for an existing wavelength path, the node N that constitutes the wavelength path, the transmission mode, the frequency slot to be used, and the time slot in use.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the multilayer path design method according to the first embodiment.
  • the optical path design device 10 attempts to accommodate the multilayer path demand using the procedure shown in FIG. 4 .
  • the existing graph generation unit 121 generates an existing graph indicating wavelength paths to which the required bit rate of the multi-layer path demand can be allocated among the already allocated wavelength paths (step S1).
  • FIG. 5 is a flowchart showing a method of generating an existing graph according to the first embodiment.
  • the existing graph generation unit 121 first generates an existing graph of only nodes N without edges (step S11).
  • the existing graph generation unit 121 identifies all the existing wavelength paths based on the information held by the path holding unit 153, selects the existing wavelength paths one by one, and performs the steps from step S13 to step S16 below.
  • the following process is executed (step S12).
  • the existing graph generation unit 121 specifies the number of time slots required to satisfy the required bit rate based on the transmission mode of the selected wavelength path (step S13).
  • the existing graph generation unit 121 determines whether or not the specified number of time slots are vacant in the selected wavelength path (step S14). If the specified number of time slots are vacant (step S14: YES), the existing graph generation unit 121 adds an edge connecting the starting point and the ending point of the selected wavelength path to the existing graph (step S15).
  • the weight determining unit 123 determines the weight of the added edge according to equation (1) below (step S16).
  • w app indicates the edge weight of the existing graph.
  • x app indicates a constant term of edge weight of the existing graph.
  • h sd indicates the number of hops on the wavelength path.
  • y app indicates a weighting coefficient for the number of hops in the existing graph.
  • step S14 If the specified number of time slots are not available in the selected wavelength path (step S14: NO), the next wavelength path is selected without adding any edges related to the wavelength path.
  • the existing graph is created by the procedure shown in FIG. If there are multiple edges between the same node pair in the existing graph, the existing graph generation unit 121 may leave only the edge with the smallest weight and delete the other edges.
  • the newly installed graph generation unit 122 generates a newly installed graph indicating wavelength path candidates to which the required bit rate of the multilayer path demand can be assigned (step S2).
  • FIG. 6 is a flowchart showing a method for generating a newly created graph according to the first embodiment.
  • the new graph generation unit 122 first generates a new graph including only nodes N without edges (step S21).
  • the newly established graph generation unit 122 identifies all patterns of pairs of nodes N based on the information held by the topology holding unit 152, selects pairs of nodes N one by one, and performs the following steps from step S23.
  • the processing up to S26 is executed (step S22).
  • the newly established graph generation unit 122 searches for the shortest route on the physical network that connects the selected pair of nodes N based on the information held by the topology holding unit 152 (step S23).
  • the search for the shortest path may be performed using a search algorithm such as Dijkstra's method or A* method, using distance as edge weight.
  • the newly established graph generation unit 122 refers to the transmission mode holding unit 151 and determines whether there is one or more transmission modes that can be set in the wavelength path connecting the identified shortest path (step S24). That is, the newly installed graph generation unit 122 determines whether there is a transmission mode in which the maximum number of hops is greater than or equal to the number of hops related to the shortest route.
  • the transmission mode determination unit 1221 of the newly established graph generation unit 122 selects an appropriate transmission mode from the one or more settable transmission modes based on a predetermined policy. is selected (step S25). For example, the transmission mode determining unit 1221 may select the transmission mode with the smallest difference between the number of hops of the path and the maximum number of hops among one or more settable transmission modes, or may select the transmission mode with the largest transmission capacity. The transmission mode may be selected, or the transmission mode with the smallest required frequency band may be selected.
  • the newly established graph generation unit 122 Based on the information stored in the path holding unit 153, the newly established graph generation unit 122 generates an available frequency that can secure the frequency bandwidth required for setting the selected transmission mode in the optical communication path connecting the nodes related to the shortest path. It is determined whether a slot exists (step S26). An available frequency slot is a frequency slot that is not assigned to any other wavelength path. If there is an available frequency slot (step S26: YES), the frequency determining unit 1222 of the newly installed graph generating unit 122 selects an appropriate frequency slot from the available frequency slots (step S27). For example, the frequency determining unit 1222 may select the frequency slot with the smallest frequency slot number from among the available frequency slots. Then, the newly created graph generation unit 122 adds an edge connecting the selected pair of nodes N to the newly created graph (step S28). The weight determining unit 123 determines the weight of the added edge according to equation (2) below (step S29).
  • west indicates the weight of the edge of the newly created graph.
  • x est indicates a constant term of edge weight of the newly created graph.
  • y est indicates a weighting coefficient for the number of hops in the newly established graph.
  • step S24 if there is no settable transmission mode for the selected pair of nodes N (step S24: NO) or if there is no usable frequency slot (step S26: NO), the pair of nodes N is connected. Select the next pair of nodes N without adding any edges.
  • the graph generation unit 12 synthesizes the existing graph and the new graph to generate an auxiliary graph (step S3). If there are multiple edges between the same node pair in the auxiliary graph, the graph generation unit 12 may leave only the edge with the smallest weight and delete the other edges.
  • the searching unit 13 searches for a route on the auxiliary graph that connects the starting point node N and the ending point node N of the multilayer path demand and has the minimum total weight (step S4).
  • the route search may be performed using a search algorithm such as Dijkstra's method or A* method, using distance as edge weight.
  • the search unit 13 determines whether a route exists that connects the starting node N and the ending node N (step S5).
  • step S6 the design unit 14 generates path design information for realizing the route (step S6). Specifically, the design unit 14 creates a new wavelength path for a wavelength path candidate among the edges on the searched route based on the path, frequency slot, and transmission mode set for the edge. Generate configuration instructions for configuration. The design unit 14 also generates a time slot allocation instruction that achieves the required bit rate for the wavelength path related to each edge on the searched route. The design unit 14 transmits the setting instruction and the allocation instruction to the corresponding node N.
  • step S5 If the route does not exist (step S5: NO), the design unit 14 rejects the multilayer path demand because the multilayer path demand cannot be set (step S7). At this time, the design unit 14 may notify the transmission source of the multilayer path demand of the rejection.
  • the modulation method is 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation), the bit rate is 200 Gbps, and the maximum number of hops is 1 hop.
  • the modulation method is QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), the bit rate is 100 Gbps, and the maximum number of hops is 2 hops.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the configuration of a physical network according to the first embodiment.
  • the multilayer network NW includes six nodes N, namely, node N1, node N2, node N3, node N4, node N5, and node N6.
  • Node N1 is physically connected to node N2 and node N6 via an optical transmission line.
  • Node N2 is physically connected to node N1, node N3, and node N6 via an optical transmission line.
  • Node N3 is physically connected to node N2, node N4, and node N5 via an optical transmission line.
  • Node N4 is physically connected to node N3 and node N5 via an optical transmission line.
  • Node N5 is physically connected to node N3, node N4, and node N6 via an optical transmission line.
  • Node N6 is physically connected to node N1, node N2, and node N5 via an optical transmission line. Assume that in such a multilayer network NW, a demand for a multilayer path between node N1 and node N4 occurs.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of an existing graph according to the first embodiment.
  • the wavelength path between the node N1 and the node N3 is a two-hop path via the node N2.
  • the weight of a 1-hop edge is 1.0
  • the weight of a 2-hop edge is 1.5.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a newly established graph according to the first embodiment.
  • nodes N1 and N2 between nodes N2 and N3, between nodes N3 and N4, between nodes N4 and N5, between nodes N5 and N6,
  • One-hop edges are provided between nodes N1 and N6, between nodes N2 and N6, and between nodes N3 and N5, and between nodes N1 and N3, and between nodes N2 and N5.
  • Two-hop edges are provided between the node N4, the node N1 and the node N5, and the node N4 and the node N6, respectively.
  • the graph generation unit 12 generates an auxiliary graph by combining the existing graph and the new graph.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an example of an auxiliary graph according to the first embodiment. If there are multiple edges for the same N pair of nodes, the edge with the smaller weight is selected.
  • the search unit 13 calculates a route that accommodates the multilayer path demand.
  • FIG. 11 is a diagram showing route search results according to the first embodiment. As shown in FIG. 11, the search unit 13 detects a route that passes through the edge between the node N1 and the node N3 and the edge between the node N3 and the node N4, which have the smallest sum of weights.
  • the design department 14 adds a time slot to the two-hop wavelength path between node N1 and node N3, and adds a time slot to the two-hop wavelength path between node N3 and node N4 to establish a new wavelength multiplexed path in transmission mode 2.
  • the optical path design device 10 identifies existing edges indicating wavelength paths to which path demand can be assigned among existing wavelength paths, and request bits related to multilayer path demand.
  • An auxiliary graph having new edges indicating wavelength path candidates that satisfy the rate is generated.
  • the optical path design device 10 sets the transmission mode and frequency of the wavelength path and the weight of the edge for each edge of the auxiliary graph.
  • the optical path design device 10 sets a wavelength path to a newly established edge included in the route searched by the auxiliary graph, and generates path design information for accommodating multilayer path demand in the wavelength path related to each edge.
  • the optical path design device 10 sets the transmission mode and frequency for the newly established edge in the auxiliary graph, thereby determining the wavelength path to be newly set and its transmission mode to accommodate the multilayer path demand. can be decided at the same time.
  • one appropriate transmission mode is selected from the settable transmission modes in step S25 and an edge is added, but the present invention is not limited to this.
  • edges weighted according to the transmission mode may be added for each transmission mode.
  • the weighting coefficient x est or y est may be set, for example, to a value depending on the frequency bandwidth or a value depending on the bit rate.
  • the edge weight may be determined by adding a value corresponding to the frequency bandwidth or a term corresponding to the bit rate to equation (2).
  • an appropriate frequency slot is selected from a plurality of frequency slots and an edge is added in step S27, but the present invention is not limited to this.
  • weights may be determined according to the center frequency for a plurality of frequency bands, and the edge with the smallest weight may be added.
  • the edge weight is determined by adding a weight term depending on the center frequency to equation (2). The weight according to the center frequency may become smaller as the frequency slot number becomes smaller, or may become smaller as the number of consecutive empty frequency slots remaining after the wavelength path is added becomes larger. .
  • the optical path design device 10 sets all nodes of the network as the nodes N to be configured for the existing graph or the newly established graph, but the present invention is not limited to this.
  • the amount of calculation may be reduced by limiting the number of nodes N to be included in the graph to some nodes.
  • the optical path design device 10 calculates in advance a K-Shortest Paths algorithm that calculates K shortest paths between the start point and end point of a multilayer path, and By configuring only the included edges in the existing graph and the new graph, the amount of calculation can be reduced while leaving the nodes N necessary for calculating the optimal solution.
  • FIG. 12 is a schematic block diagram showing the configuration of the optical path design device 10 according to the second embodiment.
  • the optical path design device 10 according to the second embodiment determines edge weights using a reinforcement learning model.
  • the optical path design device 10 according to the second embodiment differs from the first embodiment in the processing of the weight determination unit 123.
  • the storage unit 15 according to the second embodiment further stores a model holding unit 154 that holds a trained model related to reinforcement learning.
  • the trained model held by the model holding unit 154 is configured to perform x app , y app when a feature vector representing the environment of the multilayer network NW (transmission mode of an existing wavelength path, frequency band, time slot, etc.) is input. , x est , y est .
  • the weight determination unit 123 calculates x app , y app , x est , and y est by inputting the state of the multi-layer network NW when the multi-layer path demand occurs into the learned model.
  • the weight determination unit 123 determines the weight of each edge by calculating equations (1) and (2) using the calculated x app , y app , x est , and y est .
  • the output of the learned model may be a probability density function of x app , y app , x est , and y est .
  • the weight determination unit 123 may determine the weight of each edge for each of x app , y app , x est , and y est using the peak value of the probability density function.
  • the optical path design device 10 further includes a demand generation section 16, a simulator 17, and an update section 18.
  • the demand generation unit 16, simulator 17, and update unit 18 function as reinforcement learning agents.
  • the simulator 17 simulates the behavior of the multilayer network NW.
  • the simulator 17 simulates a path design based on the path design information provided by the design unit 14, and simulates communication based on the designed path.
  • the demand generation unit 16 generates multilayer path demand to be simulated by the simulator 17.
  • the demand generation unit 16 determines, for example, a starting point node, an ending point node, a requested bit rate, and generation timing of a multilayer path demand based on random numbers.
  • the updating unit 18 calculates a reward for designing a path based on the behavior of the simulator 17 after setting the path designed by the designing unit 14 in accordance with the multi-layer path demand generated by the demand generating unit 16, and adds the reward to the Based on this, the parameters of the model held by the model holding unit 154 are updated.
  • the reward design can be set arbitrarily by the operator. For example, when designing an objective function to minimize the rejection rate of multilayer path demand, the reward is +1 if the design is successful and -1 if the design is rejected. Can be set.
  • the updating unit 18 updates the parameters x app , y app , x est , and y est so that the reward for designing the path is maximized.
  • the optical path design device 10 determines edge weights using a reinforcement learning model.
  • Appropriate path design may change depending on the environment of the multilayer network NW, but the optical path design device 10 of the second embodiment appropriately changes edge weights depending on the environment, thereby designing a suitable path according to the environment. Path design can be realized.
  • the parameters x app , y app , x est , and y est are calculated using the learned model, but the calculation is not limited thereto.
  • the trained model is configured to output x est and y est for each transmission mode of a new path, instead of common x est and y est regardless of transmission mode. may be done.
  • the subscript i indicates the transmission mode number.
  • the trained model may be configured to output the transmission mode to be set in addition to or instead of the parameters x app , y app , x est , y est .
  • the trained model may be configured to output reward values for each transmission mode, and the transmission mode determining unit 1221 may select the transmission mode with the highest reward.
  • the trained model may be configured to output a frequency to be set in addition to or in place of the parameters x app , y app , x est , y est .
  • the trained model may be configured to output reward values for each frequency slot, and the frequency determining unit 1222 may select a frequency band centered on the frequency slot with the highest reward.
  • the optical path design device 10 performs both learning of model parameters and calculation of weights using the learned model, but the invention is not limited to this.
  • a configuration for learning parameters for example, demand generation unit 16, simulator 17, update unit 18
  • the optical path design device 10 performs learning results by the learning device.
  • the weights may be calculated using a trained model.
  • optical path design device 10 may be configured by a single computer, or the configuration of the optical path design device 10 may be divided into multiple computers and the multiple computers may be configured to communicate with each other. They may function as the optical path design device 10 by working together.
  • the node N according to the embodiment described above determines the modulation method and symbol rate by selecting the transmission mode
  • the present invention is not limited to this.
  • the node N according to another embodiment may directly specify the modulation method and symbol rate.
  • the optical path design device 10 includes a processor, a memory, an auxiliary storage device, etc. connected via a bus, and executes an optical path design program to obtain a demand acquisition section 11, a graph generation section 12, a search section 13, a design section 14, It functions as a device including a storage section 15.
  • Examples of the processor include a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphic Processing Unit), and a microprocessor.
  • the optical path design program may be recorded on a computer-readable recording medium.
  • the computer-readable recording medium is, for example, a storage device such as a magnetic disk, a magneto-optical disk, an optical disk, or a semiconductor memory.
  • the optical path design program may be transmitted via a telecommunications line.
  • each function of the optical path design program may be realized using a custom LSI (Large Scale Integrated Circuit) such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or a PLD (Programmable Logic Device).
  • PLDs include PAL (Programmable Array Logic), GAL (Generic Array Logic), CPLD (Complex Programmable Logic Device), and FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • PAL Programmable Array Logic
  • GAL Generic Array Logic
  • CPLD Complex Programmable Logic Device
  • FPGA Field Programmable Gate Array
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Abstract

需要取得部は、通信の始点と終点と要求通信容量とを示す前記パス需要を取得する。グラフ生成部は、光ネットワークを構成する複数のノードを、光通信路に設定済みの波長パスのうちパス需要を割り当てることが可能な波長パスを示すエッジである既設エッジ、および新たに設定可能な波長パスの候補を示すエッジである新設エッジによって接続する補助グラフを生成する。補助グラフにおいて、各エッジに波長パスの伝送方式および周波数と、当該エッジの重みとが設定される。探索部は、重みに基づいて補助グラフに対してパス需要が示す始点から終点までのルートを探索する。設計部は、探索されたルートに含まれる新設エッジに係る伝送方式で光通信路に波長パスを設定し、ルートに含まれる各エッジに係る周波数で波長パスにパス需要を収容する。

Description

光パス設計装置、光パス設計方法およびプログラム
　本発明は、光パス設計装置、光パス設計方法およびプログラムに関する。
　１以上の波長が光ファイバに多重されて伝送する波長多重（Wavelength Division Multiplexing, WDM）パスと、各々の波長多重パスに収容される、固定長のタイムスロットを単位とする１以上の時分割多重（Time Division Multiplexing, TDM）パスからなるマルチレイヤネットワークが知られている。このようなマルチレイヤネットワークに、マルチレイヤパス需要が発生した場合、波長多重パスのルートおよび周波数、ならびに時分割多重パスのルートを決定することで、マルチレイヤパス需要を収容する必要がある。
　非特許文献１には、補助グラフを用いてマルチレイヤパス収容設計を行う方法が開示されている。非特許文献１では、ある２地点間のマルチレイヤパス需要が発生した際に、当該需要を収容可能な既設の波長多重パスによって構成されるエッジと、新規パスによって構成されるエッジとを合成した補助グラフにおける最短ルートを探索することにより、適切なルートと周波数を選択できることが開示されている。
Shuqiang Zhang, Charles Martel, Biswanath Mukherjee, "Dynamic traffic grooming in elastic optical networks," IEEE Journal on selected areas in communications, vol. 31, no. 1. Jan. 2013.
　一方で、近年ではデジタルコヒーレント光通信技術の進展により、変調方式やシンボルレート等を単一デバイスで任意に設定することができ、これによって設計がより複雑になってきている。一般にデジタルコヒーレント光送受信器では、状態管理を容易にするために、変調方式やシンボルレート等を、これらの組み合わせである伝送モードから選択する。例えば、変調方式としてＱＰＳＫと１６ＱＡＭを利用でき、それぞれに対して２種類のビットレートを有する場合、４つの伝送モードが存在する。実際の伝送モードはこれよりさらに多くの組み合わせをとる可能性がある。
　しかしながら、伝送モードをマルチレイヤパスのルートや周波数と同時に決定する方法は提案されていない。伝送モードをルートおよび周波数と別個に設計する場合、取りうる解の範囲が狭くなる可能性があり、出力された解が最適解から外れたものになる可能性がある。また、非特許文献１においても、多数の伝送モードから最良のものを選択する方法が示されていない。
　本発明の目的は、多数の伝送モードを有する波長多重パスを含む光ネットワークにおいて、伝送モードをルートと同時に決定することができる光パス設計装置、光パス設計方法およびプログラムを提供することにある。
　本発明の一態様は、時分割された１以上の波長パスが設定された光通信路を有する光ネットワークにおいて、パス需要に基づいてパスを設計する光パス設計装置であって、通信の始点と終点と要求通信容量とを示す前記パス需要を取得する需要取得部と、前記光ネットワークを構成する複数のノードを、前記光通信路に設定済みの波長パスのうち前記パス需要を割り当てることが可能な波長パスを示すエッジである既設エッジ、および新たに設定可能な波長パスの候補を示すエッジである新設エッジによって接続するグラフであって、各エッジに波長パスの伝送方式および周波数と、当該エッジの重みとが設定された補助グラフを生成するグラフ生成部と、前記重みに基づいて前記補助グラフに対して前記パス需要が示す始点から終点までのルートを探索する探索部と、探索された前記ルートに含まれる前記新設エッジに係る前記伝送方式で前記光通信路に波長パスを設定し、前記ルートに含まれる各エッジに係る周波数で前記波長パスに前記パス需要を収容するためのパス設計情報を生成する設計部とを備える光パス設計装置である。
　本発明の一態様は、１以上の波長多重パスが設定された光通信路を有する光ネットワークにおいて、パス需要に基づいてパスを設計する光パス設計方法であって、通信の始点と終点と要求通信容量とを示す前記パス需要を取得する需要取得ステップと、前記光通信路に設定済みの波長多重パスのうち、前記パス需要を割り当てることが可能な波長多重パスを示すエッジである既設エッジと、新たに設定可能な波長多重パスの候補を示すエッジである新設エッジとで、前記光ネットワークを構成する複数のノードを接続する補助グラフを生成する補助グラフ生成ステップと、前記補助グラフの各エッジに、当該エッジが示す波長多重パスの伝送モードと、前記パス需要を割り当てる周波数と、重みとを設定するエッジ設定ステップと、前記重みに基づいて前記補助グラフに対して前記パス需要が示す始点から終点までのルートを探索する探索ステップと、探索された前記ルートに含まれる前記新設エッジに係る前記伝送モードで前記光通信路に波長多重パスを設定し、前記ルートに含まれる各エッジに係る周波数で前記波長多重パスに前記パス需要を割り当てる、パス設計情報を生成する設計ステップとを含む光パス設計方法である。
　本発明の一態様は、上記態様に係る光パス設計装置としてコンピュータを機能させるプログラムである。
　上記態様によれば、多数の伝送モードを有する波長多重パスを含む光ネットワークにおいて、伝送モードをルートと同時に決定することができる。
実施形態に係る光パス設計装置とマルチレイヤネットワークＮＷとを示す図である。 実施形態におけるマルチレイヤパス需要の収容方法の例を示す図である。 第１の実施形態に係る光パス設計装置の構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態に係るマルチレイヤパス設計方法を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る既設グラフの生成方法を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る新設グラフの生成方法を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る物理ネットワークの構成の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る既設グラフの一例を示す図である。 第１の実施形態に係る新設グラフの一例を示す図である。 第１の実施形態に係る補助グラフの一例を示す図である。 第１の実施形態に係るルートの探索結果を示す図である。 第２の実施形態に係る光パス設計装置の構成を示す概略ブロック図である。
　以下、光パス設計装置、光パス設計方法およびプログラムの実施形態について説明する。図１は、実施形態に係る光パス設計装置１０とマルチレイヤネットワークＮＷとを示す図である。実施形態に係る光パス設計装置１０は、マルチレイヤネットワークＮＷにおいて新たなマルチレイヤパス需要（接続要求）が発生したときに、当該マルチレイヤパス需要を収容するマルチレイヤパスを設計する。
　マルチレイヤネットワークＮＷは、複数のノードＮを光ファイバなどの光通信路で接続したネットワークである。ノードＮは、デジタルコヒーレント光送受信器であってよい。各ノードＮは、対向するノードとの間に、１以上の波長の光信号を多重する波長多重パスを設定する。波長多重パスは、１以上の波長パスを多重したパスである。波長パスは、光通信路において使用可能な周波数帯域を切り分けた複数の周波数スロットのうち一部の周波数スロット群からなる周波数帯域に割り当てられる。波長パスの周波数帯域幅は、変調方式およびビットレートによって決定される。波長多重パスに設定可能な信号の変調方式とシンボルレートの組み合わせは、伝送モードとして予め用意される。変調方式、シンボルレート、および伝送モードは、伝送方式の一例である。
　マルチレイヤネットワークＮＷでは、波長多重パスは複数のタイムスロットに時分割多重される。つまり、マルチレイヤネットワークＮＷは、時分割された１以上の波長パスが設定された光通信路によって構成される。マルチレイヤパス需要には、波長パスとタイムスロットの組み合わせが割り当てられる。
　ここで、マルチレイヤパス需要の収容について説明する。図２は、実施形態におけるマルチレイヤパス需要の収容方法の例を示す図である。
　図２に示す例では、マルチレイヤネットワークＮＷは以下の構成を有する。マルチレイヤネットワークＮＷは、ノードＮ１、ノードＮ２およびノードＮ３を備える。ノードＮ１とノードＮ２とが光通信路を介して接続され、またノードＮ２とノードＮ３とが光通信路を介して接続される。ノードＮ２とノードＮ３との間には、周波数スロットＦ２を用いた波長パスＰ１が設定されている。
　ここで、ノードＮ１を始点とし、ノードＮ３を終点とするマルチレイヤパス需要が発生した場合、当該マルチレイヤパス需要は、以下のように収容することが考えられる。
　第１の収容方法は、ノードＮ１とノードＮ２との間に周波数スロットＦ１を用いたホップ数１の新たな波長パスＰ２を設定して、新たな波長パスＰ２の任意のタイムスロットと既設の波長パスＰ１の未使用のタイムスロットとにマルチレイヤパス需要を収容することである。この場合、ノードＮ２において電気中継処理が行われる。
　第２の収容方法は、ノードＮ１とノードＮ３との間に周波数スロットＦ１を用いたホップ数２の新たな波長パスＰ３を設定して、新たな波長パスＰ３の任意のタイムスロットにマルチレイヤパス需要を収容することである。この場合、ノードＮ２は、ノードＮ１から入力された光信号を光電変換することなくノードＮ３へ転送する。
　実施形態に係る光パス設計装置１０は、マルチレイヤパス需要が発生したときに、当該マルチレイヤパス需要を適切に収容するルートを設計する。
〈第１の実施形態〉
　図３は、第１の実施形態に係る光パス設計装置１０の構成を示す概略ブロック図である。
　光パス設計装置１０は、需要取得部１１、グラフ生成部１２、探索部１３、設計部１４、記憶部１５を備える。
　需要取得部１１は、マルチレイヤネットワークＮＷに接続される機器からマルチレイヤパス需要を取得する。マルチレイヤパス需要は、例えば機器に接続されたノードＮによって転送される。マルチレイヤパス需要には、始点ノードと、終点ノードと、要求ビットレート（要求通信容量）とが含まれる。
　グラフ生成部１２は、マルチレイヤネットワークＮＷを構成するノードＮと、ノードＮ間に構築され、マルチレイヤパス需要の要求ビットレートを満たす波長多重パスを示すエッジとから構成される補助グラフを生成する。グラフ生成部１２は、既設グラフ生成部１２１と新設グラフ生成部１２２と重み決定部１２３とを含む。
　既設グラフ生成部１２１は、既設の波長パスのうち、マルチレイヤパス需要を追加で割り当てることが可能な波長パスをエッジとする既設グラフを生成する。マルチレイヤパス需要を追加で割り当てることが可能な波長パスとは、タイムスロットにマルチレイヤパス需要の要求ビットレートを満たすだけの空きのある波長パスである。
　新設グラフ生成部１２２は、新たに設定する波長パスの候補をエッジとする新設グラフを生成する。新設グラフ生成部１２２は、新設グラフのエッジに係る波長パス候補の伝送モードや周波数などのパラメータを決定する伝送モード決定部１２２１および波長パス候補に周波数を割り当てる周波数決定部１２２２とを含む。
　重み決定部１２３は、補助グラフのエッジ重みを決定する。
　探索部１３は、マルチレイヤパス需要の始点ノードから終点ノードまでを結ぶルートを探索する。
　設計部１４は、探索されたルートに基づいて、新規の波長パスの設定指示や、周波数およびタイムスロットを指定してマルチレイヤパス需要を収容する収容指示を含むマルチレイヤパス設計情報を生成する。
　記憶部１５は、補助グラフを生成するために必要な情報を記憶する。記憶部１５は、伝送モード保持部１５１、トポロジ保持部１５２、パス保持部１５３に係る記憶領域を有する。
　伝送モード保持部１５１は、伝送モードごとに、変調方式と、シンボルレートと、必要な周波数スロット数（帯域幅）と、伝送可能な最大ホップ数とを関連付けて記憶する。最大ホップ数はノード間の距離の一例である。なお、他の実施形態においては、伝送モード保持部１５１は、最大ホップ数に代えて、物理トポロジーにおける経路長などの他の距離を記憶してもよい。また伝送モードの周波数効率が高いほど、伝送可能な最大ホップ数が小さくなる。伝送モード保持部１５１は、ノードＮごとに利用可能な伝送モードを記憶してもよい。
　トポロジ保持部１５２は、マルチレイヤネットワークＮＷを構成する光伝送路やノードＮ等の物理トポロジの情報を保持する。つまり、トポロジ保持部１５２は、ノードＮ同士の接続関係を示す情報を保持する。
　パス保持部１５３は、既設のマルチレイヤパスの情報を保持する。例えば、パス保持部１５３は、既設の波長パスについて、当該波長パスを構成するノードＮ、伝送モード、使用する周波数スロット、および使用中のタイムスロットを保持する。
　図４は、第１の実施形態に係るマルチレイヤパス設計方法を示すフローチャートである。
　光パス設計装置１０は、マルチレイヤパス需要が入力されると、図４に示す手順でマルチレイヤパス需要の収容を試みる。
　まず、既設グラフ生成部１２１は、既に割り当てられている波長パスのうち、マルチレイヤパス需要の要求ビットレートを割り当て可能な波長パスを示す既設グラフを生成する（ステップＳ１）。
　図５は、第１の実施形態に係る既設グラフの生成方法を示すフローチャートである。
　既設グラフ生成部１２１は、まずエッジの無いノードＮだけの既設グラフを生成する（ステップＳ１１）。次に、既設グラフ生成部１２１は、パス保持部１５３が保持する情報に基づいてすべての既設の波長パスを特定し、既設の波長パスを１つずつ選択して以下のステップＳ１３からステップＳ１６までの処理を実行する（ステップＳ１２）。
　既設グラフ生成部１２１は、選択された波長パスの伝送モードに基づいて、要求ビットレートを満たすために必要なタイムスロットの数を特定する（ステップＳ１３）。既設グラフ生成部１２１は、選択された波長パスにおいて、特定した数のタイムスロットが空いているか否かを判定する（ステップＳ１４）。特定した数のタイムスロットが空いている場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、既設グラフ生成部１２１は、選択された波長パスの始点と終点とを結ぶエッジを、既設グラフに追加する（ステップＳ１５）。重み決定部１２３は、下記の式（１）に従って追加したエッジの重みを決定する（ステップＳ１６）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ｗａｐｐは既設グラフのエッジの重みを示す。ｘａｐｐは既設グラフのエッジの重みの定数項を示す。ｈｓｄは波長パスのホップ数を示す。ｙａｐｐは既設グラフのホップ数に対する重みの係数を示す。
　選択された波長パスにおいて特定した数のタイムスロットが空いていない場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、当該波長パスに係るエッジを追加せずに、次の波長パスを選択する。
　このように図５に示す手順によって既設グラフが作成される。既設グラフにおいて同じノードペア間に複数のエッジがある場合、既設グラフ生成部１２１は、重みの最も小さいエッジのみを残して、他のエッジを削除してもよい。次に、新設グラフ生成部１２２は、マルチレイヤパス需要の要求ビットレートを割り当て可能な波長パスの候補を示す新設グラフを生成する（ステップＳ２）。
　図６は、第１の実施形態に係る新設グラフの生成方法を示すフローチャートである。
　新設グラフ生成部１２２は、まずエッジの無いノードＮだけの新設グラフを生成する（ステップＳ２１）。次に、新設グラフ生成部１２２は、トポロジ保持部１５２が保持する情報に基づいてノードＮのペアのすべてのパターンを特定し、ノードＮのペアを１つずつ選択して以下のステップＳ２３からステップＳ２６までの処理を実行する（ステップＳ２２）。
　新設グラフ生成部１２２は、トポロジ保持部１５２が保持する情報に基づいて、選択されたノードＮのペアを結ぶ物理ネットワーク上の最短経路を探索する（ステップＳ２３）。最短経路の探索は、距離をエッジの重みとして、例えばダイクストラ法やＡ＊法などの探索アルゴリズムによってなされてよい。新設グラフ生成部１２２は、伝送モード保持部１５１を参照し、特定された最短経路を結ぶ波長パスに設定可能な１以上の伝送モードがあるか否かを判定する（ステップＳ２４）。つまり、新設グラフ生成部１２２は、最大ホップ数が最短経路に係るホップ数以上の伝送モードが存在するか否かを判定する。
　設定可能な１以上の伝送モードがある場合（ステップＳ２４：ＹＥＳ）、新設グラフ生成部１２２の伝送モード決定部１２２１は、所定のポリシーに基づいて設定可能な１以上の伝送モードから適切な伝送モードを選択する（ステップＳ２５）。例えば、伝送モード決定部１２２１は、設定可能な１以上の伝送モードのうち、当該パスのホップ数と最大ホップ数との差が最も小さい伝送モードを選択してもよいし、伝送容量の最も大きい伝送モードを選択してもよいし、必要な周波数帯域が最も小さい伝送モードを選択してもよい。
　新設グラフ生成部１２２は、パス保持部１５３が記憶する情報に基づいて、最短経路に係るノード間を結ぶ光通信路において、選択した伝送モードの設定に要する周波数帯域幅を確保できる利用可能な周波数スロットが存在するか否かを判定する（ステップＳ２６）。利用可能な周波数スロットとは、他の波長パスに割り当てられていない周波数スロットである。利用可能な周波数スロットが存在する場合（ステップＳ２６：ＹＥＳ）、新設グラフ生成部１２２の周波数決定部１２２２は、利用可能な周波数スロットから適切な周波数スロットを選択する（ステップＳ２７）。例えば、周波数決定部１２２２は、利用可能な周波数スロットのうち周波数スロット番号の最も小さい周波数スロットを選択してもよい。そして、新設グラフ生成部１２２は、選択されたノードＮのペアを結ぶエッジを、新設グラフに追加する（ステップＳ２８）。重み決定部１２３は、下記の式（２）に従って追加したエッジの重みを決定する（ステップＳ２９）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ｗｅｓｔは新設グラフのエッジの重みを示す。ｘｅｓｔは新設グラフのエッジの重みの定数項を示す。ｙｅｓｔは新設グラフのホップ数に対する重みの係数を示す。
　なお、選択されたノードＮのペアにおいて設定可能な伝送モードが存在しない場合（ステップＳ２４：ＮＯ）、または利用可能な周波数スロットが存在しない場合（ステップＳ２６：ＮＯ）、当該ノードＮのペアを結ぶエッジを追加せずに、次のノードＮのペアを選択する。
　図６に示す手順で新設グラフが作成されると、グラフ生成部１２は、既設グラフと新設グラフとを合成して補助グラフを生成する（ステップＳ３）。補助グラフにおいて同じノードペア間に複数のエッジがある場合、グラフ生成部１２は、重みの最も小さいエッジのみを残して、他のエッジを削除してもよい。次に、探索部１３は、マルチレイヤパス需要の始点のノードＮと終点のノードＮとを結び、重みの総和が最小となるルートを補助グラフ上で探索する（ステップＳ４）。ルートの探索は、距離をエッジの重みとして、例えばダイクストラ法やＡ＊法などの探索アルゴリズムによってなされてよい。探索部１３は、探索の結果、始点のノードＮと終点のノードＮとを結ぶルートが存在するか否かを判定する（ステップＳ５）。
　ルートが存在する場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、設計部１４は、当該ルートを実現するためのパス設計情報を生成する（ステップＳ６）。具体的には、設計部１４は、探索されたルート上のエッジのうち、波長パスの候補に係るものについて、当該エッジに設定されたパス、周波数スロットおよび伝送モードに基づいて波長パスを新規に設定するための設定指示を生成する。また設計部１４は、探索されたルート上の各エッジに係る波長パスについて、要求ビットレートを実現するタイムスロットの割当指示を生成する。設計部１４は、設定指示および割当指示を、対応するノードＮに送信する。
　ルートが存在しない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、設計部１４は、マルチレイヤパス需要が設定不可であるため、当該マルチレイヤパス需要を棄却する（ステップＳ７）。このとき設計部１４は、マルチレイヤパス需要の送信元に、棄却を通知してもよい。
　ここで、具体的例を用いてマルチレイヤパス設計方法を説明する。以下に示す例では、伝送モードとして、以下の２つの伝送モードが設定できる。伝送モードＭ１は、変調方式が１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）、ビットレートが２００Ｇｂｐｓ、最大ホップ数が１ホップである。伝送モードＭ２は、変調方式がＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）、ビットレートが１００Ｇｂｐｓ、最大ホップ数が２ホップである。
　図７は、第１の実施形態に係る物理ネットワークの構成の一例を示す図である。図７に示すように、マルチレイヤネットワークＮＷは、６つのノードＮ、すなわちノードＮ１、ノードＮ２、ノードＮ３、ノードＮ４、ノードＮ５およびノードＮ６を備える。
　ノードＮ１は、ノードＮ２およびノードＮ６と光伝送路で物理的に接続される。
　ノードＮ２は、ノードＮ１、ノードＮ３およびノードＮ６と光伝送路で物理的に接続される。
　ノードＮ３は、ノードＮ２、ノードＮ４およびノードＮ５と光伝送路で物理的に接続される。
　ノードＮ４は、ノードＮ３およびノードＮ５と光伝送路で物理的に接続される。
　ノードＮ５は、ノードＮ３、ノードＮ４およびノードＮ６と光伝送路で物理的に接続される。
　ノードＮ６は、ノードＮ１、ノードＮ２およびノードＮ５と光伝送路で物理的に接続される。
　このようなマルチレイヤネットワークＮＷにおいて、ノードＮ１とノードＮ４との間のマルチレイヤパス需要が発生したものとする。
　既設グラフ生成部１２１は、既設グラフを生成する。図８は、第１の実施形態に係る既設グラフの一例を示す図である。この例では、ノードＮ１とノードＮ３との間、ノードＮ３とノードＮ５との間、ノードＮ４とノードＮ５との間に、それぞれタイムスロットに秋のある既存の波長パスが存在するものとする。なお、ノードＮ１とノードＮ３との間の波長パスは、ノードＮ２を介する２ホップのパスである。図８に示す例では、ｘａｐｐ＝０．５、ｙａｐｐ＝０．５とする。これにより、１ホップのエッジの重みは１．０、２ホップのエッジの重みは１．５となる。
　新設グラフ生成部１２２は、新設グラフを生成する。図９は、第１の実施形態に係る新設グラフの一例を示す図である。この例では、ノードＮ１とノードＮ２との間、ノードＮ２とノードＮ３との間、ノードＮ３とノードＮ４との間、ノードＮ４とノードＮ５との間、ノードＮ５とノードＮ６との間、ノードＮ１とノードＮ６との間、ノードＮ２とノードＮ６との間、およびノードＮ３とノードＮ５との間のそれぞれに１ホップのエッジが設けられ、ノードＮ１とノードＮ３との間、ノードＮ２とノードＮ４との間、ノードＮ１とノードＮ５との間、およびノードＮ４とノードＮ６との間のそれぞれ２ホップのエッジが設けられる。新設グラフ生成部１２２の伝送モード決定部１２２１は、ビットレート優先で伝送モードを決定する。そのため、１ホップのエッジには１６ＱＡＭの伝送モード１、２ホップのエッジにはＱＰＳＫの伝送モード２が関連付けられる。図９に示す例では、ｘｅｓｔ＝１．０、ｙｅｓｔ＝０．５とする。これにより、１ホップのエッジの重みは１．５、２ホップのエッジの重みは２．０となる。
　グラフ生成部１２は、既設グラフおよび新設グラフを合成した補助グラフを生成する。図１０は、第１の実施形態に係る補助グラフの一例を示す図である。同一ノードＮペアに複数のエッジがある場合は、重みのより小さいエッジが選択されている。探索部１３がマルチレイヤパス需要を収容するルートを演算する。図１１は、第１の実施形態に係るルートの探索結果を示す図である。探索部１３は、図１１に示すように、重みの総和が最も小さいノードＮ１とノードＮ３との間のエッジと、ノードＮ３とノードＮ４との間のエッジとを通るルートを検出する。これにより、設計部１４は、ノードＮ１とノードＮ３との間の２ホップの波長パスにタイムスロットを追加し、ノードＮ３とノードＮ４との間に伝送モード２の波長多重パスを新設するためのパス設計情報を生成する。
　このように、第１の実施形態によれば、光パス設計装置１０は、既設の波長パスのうちパス需要を割り当てることが可能な波長パスを示す既設エッジと、マルチレイヤパス需要に係る要求ビットレートを満たす波長パスの候補を示す新設エッジとを有する補助グラフを生成する。光パス設計装置１０は、補助グラフの各エッジに波長パスの伝送モードおよび周波数と、当該エッジの重みとを設定する。光パス設計装置１０は、補助グラフによって探索されたルートに含まれる新設エッジに波長パスを設定し、各エッジに係る波長パスにマルチレイヤパス需要を収容するためのパス設計情報を生成する。
　つまり、光パス設計装置１０は、補助グラフのうち新設エッジに伝送モードおよび周波数を設定しておくことで、マルチレイヤパス需要を収容するために新たに設定すべき波長パスと、その伝送モードを同時に決定することができる。
　第１の実施形態においては、ステップＳ２５において設定可能な伝送モードから、適切な伝送モードを１つ選択してエッジを追加するが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、各伝送モードについて、伝送モードに応じた重みを付したエッジを追加するものであってもよい。この場合、重み係数ｘｅｓｔまたはｙｅｓｔは、例えば周波数帯域幅に応じた値やビットレートに応じた値に設定されてよい。またはエッジの重みが式（２）に周波数帯域幅に応じた値やビットレートに応じた項を追加したものによって求められてもよい。
　第１の実施形態においては、ステップＳ２７において複数の周波数スロットから、適切な周波数スロットを選択してエッジを追加するが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、複数の周波数帯域について、中心周波数に応じた重みを求め、重みが最も小さいエッジを追加するものであってもよい。この場合、エッジの重みは、式（２）に中心周波数に応じた重みの項を追加したものによって求められる。中心周波数に応じた重みは、周波数スロットの番号が小さいほど小さくなるものであってもよいし、当該波長パスの追加後に残る連続する空き周波数スロットの数が大きいほど小さくなるものであってもよい。
　第１の実施形態においては、光パス設計装置１０は既設グラフや新設グラフの構成対象となるノードＮをネットワークの全ノードとするが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、グラフの構成対象のノードＮを一部ノードに限定することにより、計算量を削減してもよい。例えば、他の実施形態においては、光パス設計装置１０がマルチレイヤパスの始点および終点間でＫ個の最短経路を算出するK-Shortest Pathsアルゴリズムを予め計算しておき、そこで通過するノードＮに含まれる辺のみを既設グラフおよび新設グラフの構成対象とすることで、最適解の算出に必要なノードＮを残した状態で、計算量を削減できる。
〈第２の実施形態〉
　図１２は、第２の実施形態に係る光パス設計装置１０の構成を示す概略ブロック図である。
　第２の実施形態に係る光パス設計装置１０は、強化学習のモデルを用いてエッジの重みを決定する。つまり第２の実施形態に係る光パス設計装置１０は、第１の実施形態と重み決定部１２３の処理が異なる。また第２の実施形態に係る記憶部１５は、強化学習に係る学習済みモデルを保持するモデル保持部１５４をさらに記憶する。
　モデル保持部１５４が保持する学習済みモデルは、マルチレイヤネットワークＮＷの環境（既設の波長パスの伝送モード、周波数帯域およびタイムスロットなど）を表す特徴量ベクトルが入力されると、ｘａｐｐ、ｙａｐｐ、ｘｅｓｔ、ｙｅｓｔを出力するように学習されたモデルである。
　重み決定部１２３は、マルチレイヤパス需要が発生したときのマルチレイヤネットワークＮＷの状態を学習済みモデルに入力することで、ｘａｐｐ、ｙａｐｐ、ｘｅｓｔ、ｙｅｓｔを算出する。重み決定部１２３は、算出されたｘａｐｐ、ｙａｐｐ、ｘｅｓｔ、ｙｅｓｔを用いて、式（１）および式（２）の計算を行うことで、各エッジの重みを決定する。
　なお、学習済みモデルの出力は、ｘａｐｐ、ｙａｐｐ、ｘｅｓｔ、ｙｅｓｔの確率密度関数であってもよい。この場合、重み決定部１２３は、ｘａｐｐ、ｙａｐｐ、ｘｅｓｔ、ｙｅｓｔのそれぞれについて、確率密度関数のピーク値を用いて各エッジの重みを決定してもよい。
　また、第２の実施形態に係る光パス設計装置１０は、第１の実施形態の構成に加え、さらに需要生成部１６、シミュレータ１７、更新部１８を備える。需要生成部１６、シミュレータ１７および更新部１８は、強化学習のエージェントとして機能する。
　シミュレータ１７は、マルチレイヤネットワークＮＷの挙動を模擬する。シミュレータ１７は、設計部１４によるパス設計情報に基づいてパスの設計を模擬し、設計されたパスに基づく通信を模擬する。
　需要生成部１６は、シミュレータ１７にシミュレートさせるマルチレイヤパス需要を生成する。需要生成部１６は、例えばマルチレイヤパス需要の始点ノード、終点ノードおよび要求ビットレート、ならびに発生タイミングを乱数に基づいて決定する。
　更新部１８は、需要生成部１６が生成したマルチレイヤパス需要に応じて設計部１４によって設計されたパスの設定後のシミュレータ１７の挙動に基づいてパスの設計に対する報酬を算出し、当該報酬に基づいてモデル保持部１５４が保持するモデルのパラメータを更新する。報酬の設計はオペレータが任意に設定でき、例えばマルチレイヤパス需要の棄却率を最小にするように目的関数を設計する場合、設計が成功した場合に＋１、設計が棄却された場合に－１と設定することができる。更新部１８は、パスの設計に対する報酬が最大化されるようにパラメータｘａｐｐ、ｙａｐｐ、ｘｅｓｔ、ｙｅｓｔを更新する。
　このように、第２の実施形態によれば、光パス設計装置１０は、強化学習のモデルを用いてエッジの重みを決定する。適切なパス設計は、マルチレイヤネットワークＮＷの環境によって変化し得るところ、第２の実施形態の光パス設計装置１０は、環境に応じてエッジの重みを適切に変化させることで、環境に応じたパス設計を実現することができる。
　なお、第２の実施形態では学習済みモデルを用いてパラメータｘａｐｐ、ｙａｐｐ、ｘｅｓｔ、ｙｅｓｔを算出するが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、学習済みモデルが伝送モードによらない共通のｘｅｓｔ、ｙｅｓｔに代えて、新たなパスの伝送モード別のｘｉ ｅｓｔ、ｙｉ ｅｓｔを出力するように構成されてもよい。添え字のｉは伝送モードの番号を示す。
　また他の実施形態においては、学習済みモデルが、パラメータｘａｐｐ、ｙａｐｐ、ｘｅｓｔ、ｙｅｓｔに加えて、または代えて、設定すべき伝送モードを出力するように構成されてもよい。この場合、学習済みモデルは、伝送モード別の報酬の値を出力するように構成され、伝送モード決定部１２２１は報酬が最も高い伝送モードを選択してよい。
　また他の実施形態においては、学習済みモデルが、パラメータｘａｐｐ、ｙａｐｐ、ｘｅｓｔ、ｙｅｓｔに加えて、または代えて、設定すべき周波数を出力するように構成されてもよい。この場合、学習済みモデルは、周波数スロット別の報酬の値を出力するように構成され、周波数決定部１２２２は報酬が最も高い周波数スロットを中心とする周波数帯域を選択してよい。
　第２の実施形態では、光パス設計装置１０がモデルのパラメータの学習と、学習済みモデルを用いた重みの計算の両方を行うが、これに限られない。例えば、他の実施形態においては、パラメータを学習する構成（例えば、需要生成部１６、シミュレータ１７、更新部１８）を別個の学習装置に実行させ、光パス設計装置１０が当該学習装置による学習結果の学習済みモデルを用いて重みの計算を行ってもよい。
〈他の実施形態〉
　以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。すなわち、他の実施形態においては、上述の処理の順序が適宜変更されてもよい。また、一部の処理が並列に実行されてもよい。
　上述した実施形態に係る光パス設計装置１０は、単独のコンピュータによって構成されるものであってもよいし、光パス設計装置１０の構成を複数のコンピュータに分けて配置し、複数のコンピュータが互いに協働することで光パス設計装置１０として機能するものであってもよい。
　また、上述した実施形態に係るノードＮは、伝送モードの選択によって変調方式およびシンボルレートを決定するが、これに限られない。例えば他の実施形態に係るノードＮは、変調方式およびシンボルレートを直接指定するものであってもよい。
〈コンピュータ構成〉
　光パス設計装置１０は、バスで接続されたプロセッサ、メモリ、補助記憶装置などを備え、光パス設計プログラムを実行することによって需要取得部１１、グラフ生成部１２、探索部１３、設計部１４、記憶部１５を備える装置として機能する。プロセッサの例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphic Processing Unit）、マイクロプロセッサなどが挙げられる。
　光パス設計プログラムは、コンピュータ読み取り可能な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記録媒体とは、例えば磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等の記憶装置である。光パス設計プログラムは、電気通信回線を介して送信されてもよい。
　なお、光パス設計プログラムの各機能の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）等のカスタムＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）を用いて実現されてもよい。ＰＬＤの例としては、ＰＡＬ(Programmable Array Logic)、ＧＡＬ(Generic Array Logic)、ＣＰＬＤ(Complex Programmable Logic Device)、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が挙げられる。このような集積回路も、プロセッサの一例に含まれる。
　１０…光パス設計装置　１１…需要取得部　１２…グラフ生成部　１２１…既設グラフ生成部　１２２…新設グラフ生成部　１２２１…伝送モード決定部　１２２２…周波数決定部　１２３…重み決定部　１３…探索部　１４…設計部　１５…記憶部　１５１…伝送モード保持部　１５２…トポロジ保持部　１５３…パス保持部　１５４…モデル保持部　１６…需要生成部　１７…シミュレータ　１８…更新部　Ｎ…ノード　ＮＷ…マルチレイヤネットワーク　

Claims (8)

  1. 　時分割された１以上の波長パスが設定された光通信路を有する光ネットワークにおいて、パス需要に基づいてパスを設計する光パス設計装置であって、
    　通信の始点と終点と要求通信容量とを示す前記パス需要を取得する需要取得部と、
    　前記光ネットワークを構成する複数のノードを、前記光通信路に設定済みの波長パスのうち前記パス需要を割り当てることが可能な波長パスを示すエッジである既設エッジ、および新たに設定可能な波長パスの候補を示すエッジである新設エッジによって接続するグラフであって、各エッジに波長パスの伝送方式および周波数と、当該エッジの重みとが設定された補助グラフを生成するグラフ生成部と、
    　前記重みに基づいて前記補助グラフに対して前記パス需要が示す始点から終点までのルートを探索する探索部と、
    　探索された前記ルートに含まれる前記新設エッジに係る前記伝送方式で前記光通信路に波長パスを設定し、前記ルートに含まれる各エッジに係る周波数で前記波長パスに前記パス需要を収容するためのパス設計情報を生成する設計部と
    　を備える光パス設計装置。
  2. 　前記グラフ生成部は、パス需要を割り当てた後の前記光ネットワークの状態を模擬するシミュレータによって模擬される前記光ネットワークの状態に基づく前記パス需要の割り当てに対する報酬を用いた強化学習によって、前記伝送方式、前記周波数、および前記重みの少なくとも１つを各エッジに設定する
    　請求項１に記載の光パス設計装置。
  3. 　前記グラフ生成部は、各エッジの前記重みを、前記波長パスの距離に基づいて設定する
    　請求項１または請求項２に記載の光パス設計装置。
  4. 　前記グラフ生成部は、前記新設エッジの伝送方式を、複数の伝送方式のうち伝送可能な距離と前記新設エッジに係る波長パスの距離との差が最も小さい伝送方式に設定する
    　請求項１または請求項２に記載の光パス設計装置。
  5. 　前記グラフ生成部は、前記伝送方式または前記周波数に基づいて前記重みを設定する
    　請求項１または請求項２に記載の光パス設計装置。
  6. 　前記グラフ生成部は、伝送方式ごとまたは周波数ごとに前記新設エッジを設け、
    　前記探索部は、前記重みが最も小さいエッジの組み合わせからなるルートを探索する
    　請求項５に記載の光パス設計装置。
  7. 　時分割された１以上の波長パスが設定された光通信路を有する光ネットワークにおいて、パス需要に基づいてパスを設計する光パス設計方法であって、
    　通信の始点と終点と要求通信容量とを示す前記パス需要を取得する需要取得ステップと、
    　前記光ネットワークを構成する複数のノードを、前記光通信路に設定済みの波長パスのうち前記パス需要を割り当てることが可能な波長パスを示すエッジである既設エッジ、および新たに設定可能な波長パスの候補を示すエッジである新設エッジによって接続するグラフであって、各エッジに波長パスの伝送方式および周波数と、当該エッジの重みとが設定された補助グラフを生成する補助グラフ生成ステップと、
    　前記重みに基づいて前記補助グラフに対して前記パス需要が示す始点から終点までのルートを探索する探索ステップと、
    　探索された前記ルートに含まれる前記新設エッジに係る前記伝送方式で前記光通信路に波長パスを設定し、前記ルートに含まれる各エッジに係る周波数で前記波長パスに前記パス需要を割り当てる、パス設計情報を生成する設計ステップと
    　を含む光パス設計方法。
  8. 　請求項１または請求項２に記載の光パス設計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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