光ネットワーク内でバイパスを作成する方法
【課題】光ネットワークにおいてエネルギー効率の良い経路を求める方法を提供する。
【解決手段】複数の送信元、クロスコネクト（ＸＣ）および宛先ノードを含む光ネットワークにおいて、送信元ノードおよび宛先ノードの組合せの可能な対ごとにトラフィック需要行列を構築し、送信元ノードおよびいずれかのＸＣノードとの間のバイパスを作成するための第１のエネルギー削減メトリックを、トラフィック需要行列に基づいて求め、いずれかのＸＣノードと宛先ノードとの間のバイパスを作成するための第２のエネルギー削減メトリックを、トラフィック需要行列を用いて求め、次に、ＸＣノードのうち、最大エネルギー削減メトリックを有する１つのＸＣノードで終了するバイパスを作成する。
【解決手段】複数の送信元、クロスコネクト（ＸＣ）および宛先ノードを含む光ネットワークにおいて、送信元ノードおよび宛先ノードの組合せの可能な対ごとにトラフィック需要行列を構築し、送信元ノードおよびいずれかのＸＣノードとの間のバイパスを作成するための第１のエネルギー削減メトリックを、トラフィック需要行列に基づいて求め、いずれかのＸＣノードと宛先ノードとの間のバイパスを作成するための第２のエネルギー削減メトリックを、トラフィック需要行列を用いて求め、次に、ＸＣノードのうち、最大エネルギー削減メトリックを有する１つのＸＣノードで終了するバイパスを作成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、光ネットワークに関し、より詳細には、光ネットワーク内でエネルギー効率の良い経路を求め、光ネットワーク内で光バイパスを作成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気通信産業におけるエネルギー消費は、世界中の全エネルギー消費に直接影響を与える。例えば、２００５年には、テレコムイタリアネットワークでの消費は、２ＴＷｈを超え、これは全てのイタリアのエネルギー消費の約１％にあたる。エネルギー消費は、ＣＯ２ガスの発生も意味し、例えば、２ＴＷｈは、４，０００，０００トンのＣＯ２放出と同等である。したがって、電気通信ネットワークのエネルギー消費を削減することが重要である。
【０００３】
次世代光トランスポートネットワーク（ＯＴＮ）のフレームは、光データユニット（ＯＤＵ）を用いてデータをトランスポートする。異なるレベルのＯＤＵは、異なるデータレートでトラフィックを搬送することができる。具体的には、ＯＤＵ０は、１．２５Ｇｂｐｓを搬送し、ＯＤＵ１は、２．５Ｇｂｐｓを搬送し、ＯＤＵ２は、１０Ｇｂｐｓを搬送し、ＯＤＵ３は、４０Ｇｂｐｓを搬送し、ＯＤＵ４は、１００Ｇｂｐｓを搬送する（全ての値は、公称値である）。
【０００４】
クロスコネクト（ＸＣ）における大きな方のＯＤＵの処理のビットあたりのエネルギー消費は、小さな方のＯＤＵの半分であることが分かっている。その結果、大量のデータを有する光パスのビットあたりのエネルギー消費は、小さな方のＯＤＵを有するパスよりも少ない。
【０００５】
各光ファイバーは、複数の波長を介して光データトラフィックを搬送することができる。一般的なコア光ネットワークは、１０Ｇｂｐｓ、４０Ｇｂｐｓ、または１００Ｇｂｐｓのラインレートを有することができる。これは、各波長が１０Ｇｂｐｓ、４０Ｇｂｐｓ、または１００Ｇｂｐｓで情報を搬送することができることを意味する。例えば、波長が１００Ｇｂｐｓを有する場合、ファイバーは、単一のＯＤＵ４若しくは４つのＯＤＵ３、またはさまざまなレベルのＯＤＵの他の任意の組合せを搬送するのに用いることができる。波長が２つ以上のＯＤＵを搬送するとき、光信号は、ＸＣにおいて電気信号に変換される。各ＯＤＵのデータは、対応する出力ポートによって送信される前に、ＸＣにおいて処理され、次いで、光領域に変換され、戻される。
【０００６】
波長が、単一のＯＤＵのみを搬送し、データが、ＸＣの出力ポートにおいて同じ波長にルーティングされるとき、光バイパスを用いることができる。光バイパスは、光／電気（Ｏ２Ｅ）変換および電気／光（Ｅ２Ｏ）変換（以下「変換」という）を必要とせず、したがって、バイパスは、変換を必要とする他の任意のスイッチング方式よりもエネルギー消費が実質的に少ない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の実施の形態は、大きな光データユニット（ＯＤＵ）の光バイパスおよび処理を利用する光ネットワークにおいてエネルギー効率の良い経路を求める方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施の形態は、エネルギー消費を削減し、大きな光ネットワークに光バイパスを作成する最適なロケーションを求めるのに用いることができる。
【０００９】
全ての光バイパスが作成された後、実施の形態は、大きなＯＤＵを好んで用いることによって、エネルギー消費を削減する光経路を求める。
【００１０】
実施の形態は、エネルギー効率の良い経路を求めるシグナリング要件も提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は、バイパスが本発明の実施形態による方法に従って作成される光ネットワークのブロック図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態による方法によって作成される光バイパスを有する光ネットワークのブロック図である。
【図２】送信元、クロスコネクト、およびバイパスオプションを有する光ネットワークの概略図である。
【図３Ａ】送信元ノードＡ、ＸＣノード、宛先ノードＢおよびＣ、ならびに最小ホップ距離を有する光ネットワークの概略図である。
【図３Ｂ】図３Ａのネットワークの仮定、オプション、およびグラフ制約の概略図である。
【図４】本発明の実施形態によるバイパスを作成する方法のフローチャートである。
【図５】データレートの関数としてのエネルギーおよびエネルギーの導関数のグラフである。
【図６】本発明の実施形態に従って構成されたスパニング木である。
【図７】本発明の実施形態に従って構成されたスパニング木である。
【図８】図７のスパニング木に対応する光ネットワークの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１（ａ）は、光バイパスを有しない光ネットワークの一部を示している。本発明の実施の形態による方法４００に従って、ネットワークにバイパスを作成することが望まれている。光ネットワークは、通常、複数のクロスコネクト（ＸＣ）１１０、およびファイバーリンク１２０を含む。各ＸＣは、データを受信する入力ポート１１１および送信データを送信する出力ポート１１２を有する。光データユニット（ＯＤＵ）のサイズに応じて、受信機の入力ポートにおけるエネルギー消費は、送信機の出力ポートにおけるものと異なる。
【００１３】
本発明は、１組の複数の送信元ノードおよび１組の複数の宛先ノードを有するネットワークに適用されるが、簡単にするために、単一の送信元および単一の宛先について、エネルギー節減の動機を説明する。
【００１４】
この説明を簡単にするために、特定のリンクおよびＸＣの入力ポートおよび出力ポートの双方におけるスイッチングエネルギー消費が、ＥＳであると仮定する。リンクを介して送信中に、複数の光リピーターが存在し、その結果、送信リンクを介したエネルギー消費は、送信エネルギーＥＴに比例する。このエネルギー消費は、リンクの距離に依存する。例えば、３つのＸＣおよび２つのファイバーリンクを有するネットワークでは、消費される全エネルギーは４ＥＳ＋ＤＥＴであり、ここで、Ｄは、ファイバーリンクの総距離である。
【００１５】
図１（ｂ）に示すように、大量のトラフィックが送信され、その結果、トラフィックが波長全体を用いる場合、図１（ａ）の中央のＸＣの代わりに、光バイパス１３０を用いることが可能である。このように、バイパスでは、光信号と電気信号との間の変換が必要とされない。逆に、波長全体が入力ポートから出力ポートに直接バイパスされる。このとき、全エネルギー消費は、２ＥＳ＋ＤＥＴとなる。
【００１６】
一般に、ＸＣにおけるエネルギー消費は、ラインデータレートＲが増加するにつれて増加する。一方、情報のビットを処理する限界エネルギー消費は、より大きなＯＤＵの使用に起因して、データレートが増加するにつれて減少する。したがって、データレートＲの関数としてのスイッチングエネルギー消費ＥＳは、傾きが減少していく凹関数である（図５参照）。明らかに、全てのリンクは、最大容量を有する。
【００１７】
ファイバーリンクにおける送信エネルギー消費ＥＳは、増幅に由来し、リンクを介した送信データ量にかかわらずほぼ一定である。さらに、リンクは、トラフィックの複数のストリームを介して送信リソースを分割することができるので、ファイバーを介した送信中の送信エネルギー消費は、データレートＲに比例すると仮定することができ、その結果、ＥＴ＝τＲとなり、τは、定数である。スイッチングは、変換を要するので、スイッチングエネルギー消費は、一般に、ファイバーを介した送信エネルギー消費よりもはるかに高い。換言すれば、ＥＳ＞＞＞ＥＴである。
【００１８】
バイパスを用いると、エネルギー消費を削減することができることは明らかであるが、大きな光ネットワーク内で、光バイパスに最適なロケーションを求めることは容易ではない。
【００１９】
図２に示すように、光ネットワークは、単一の送信元ノード（Ｓ）および５つのＸＣノード（１〜５）を含む。送信元は、Ｒのデータ量を送信する必要がある。各波長は、３Ｒのデータ量を搬送することができる。
【００２０】
オプションＡ ２０１では、バイパスは用いられない。全スイッチングエネルギーは、６ＥＳ（３Ｒ）＋２ＥＳ（２Ｒ）＋２ＥＳ（Ｒ）であり、送信エネルギーは、１２τＤＲであり、容量は、１２Ｒである。
【００２１】
オプションＢ ２０２では、バイパスがＸＣ１〜２に取って代わる。これによって、オプションＡよりも良好な性能が達成される。全スイッチングエネルギーは、２ＥＳ（３Ｒ）＋２ＥＳ（２Ｒ）＋２ＥＳ（Ｒ）であり、送信エネルギーは、１２τＤＲであり、容量は、１２Ｒである。
【００２２】
オプションＣ ２０３では、バイパスがＸＣ１〜３に取って代わる。これは、これまでにない手法である。全スイッチングエネルギーは、２ＥＳ（３Ｒ）＋４ＥＳ（Ｒ）であり、送信エネルギーは、１４τＤＲであり、容量は、１４Ｒである。スイッチングエネルギーは、送信エネルギーよりもはるかに高いので、オプションＣが消費するエネルギー量は、この例において最小である。
【００２３】
オプションＣが使用するエネルギー量は、最小であるが、オプションＣは、より多くのネットワークデータ容量リソースを消費する。ネットワークオペレーターは、ピークでない時間中は、付加的なネットワークリソースを常に有し、付加的なリソースも、増大を予想して配置される。光ネットワークのルーティングトポロジーを変更することによって、ネットワークオペレーターは、エネルギー消費および業務費を削減することができる。
【００２４】
バイパスが用いられないとき、経路内のＸＣの数は、変換数を直接意味するので、エネルギー消費が検討されるとき、ノードの間の最小ホップ距離に留意することが重要である。
【００２５】
図３Ａは、送信元ノードＡ、複数のＸＣノード、ならびに宛先ノードＢおよびＣを有する光ネットワークを示している。ノードＡとＢとの間の最小ホップ距離は、ＨＡＢであり、ノードＢとＣとの間の最小ホップ距離は、ＨＢＣであり、ノードＡとＣとの間の最小ホップ距離は、ＨＡＣである。
【００２６】
図３Ｂは、図３Ａのネットワークのための仮定３０１、オプション（１）３０２、オプション（２）３０３、およびグラフ制約３０４を示している。他のトラフィックはなく、Ａ→ＢのパスおよびＡ→Ｃのパスは交わらないと仮定し、２つのオプション：オプション（１）バイパスなしと、オプション（２）Ｂへのバイパス、次いでＣへのルーティングとを比較する。グラフに対する制約は、最小ホップ：ＨＡＢ＋ＨＢＣ≧ＨＡＣ≧ＨＡＢ−ＨＢＣである。
【００２７】
バイパスのないオプション（１）のエネルギー消費を、バイパスが送信元ＡからＢであるオプション（２）のエネルギー消費と比較し、次に、データは、Ｂから中間のＸＣを通ってＣに送信される。
【００２８】
オプション（１）では、スイッチングエネルギー消費は、２（ＨＡＢＥＳ（ＲＢ）＋ＨＡＣＥＳ（ＲＣ））である。送信エネルギーは、τ（ＤＡＢＲＢ＋ＤＡＣＲＣ）である。容量は、ＨＡＢＲＢ＋ＨＡＣＲＣである。
【００２９】
オプション（２）では、スイッチングエネルギー消費は、２（ＥＳ（ＲＢ＋ＲＣ）＋ＨＢＣＥＳ（ＲＣ））である。送信エネルギーは、τ（ＤＡＢ（ＲＢ＋ＲＣ）＋ＤＢＣＲＣ）である。容量は、ＨＡＢ（ＲＢ＋ＲＣ）＋ＨＢＣＲＣである。
【００３０】
送信エネルギーは、スイッチングエネルギーと比較して小さいので、この説明を簡単にするために、送信エネルギーＥＳを省略することにする。式は、送信エネルギーを含むように容易に変更することができる。以下の式に従って、ノードＢをバイパスに置き換えることにより、エネルギー削減を求める。
【００３１】
【数１】
【００３２】
第１項は、ＨＢＣ≦ＨＡＣ−１であるときにエネルギー削減を達成することができるという重要な見識を提供する。換言すれば、バイパスから宛先への最小ホップ距離は、送信元から宛先への最小ホップ距離よりも小さい。
【００３３】
第２項は、バイパスノードが、途中にある多くの変換をなくすので、遠く離れたノードへのバイパスを作成することが、より好都合であることを示している。
【００３４】
バイパスがノードＡとＢとの間に作成されると、このことは、ノードＡとＢとの間のリンクにおけるどのクロスコネクトノードにおいても、Ｏ２Ｅ変換およびＥ２Ｏ変換が行われないことを意味する。Ｅ２Ｏ変換は、ノードＡで依然として行われ、Ｏ２Ｅ変換は、ノードＢで依然として行われる。換言すれば、ノードＡとＢとの間のバイパスは、ノードＡおよびＢの振る舞いを変えない。逆に、バイパスは、ノードＡとＢとを接続するリンクにおける全てのクロスコネクトノードの振る舞いを変える。
【００３５】
したがって、送信元ＡからＸＣノードＢへのバイパスを作成する第１のエネルギー削減メトリックを、以下のように定義する。
【００３６】
【数２】
【００３７】
第１のエネルギー削減メトリックの第２項は、即時の観測結果を示している。送信元から特定のクロスコネクトへのトラフィック需要が波長の容量よりも高い場合、送信元からその特定のクロスコネクトへのバイパスを作成すべきである。
【００３８】
したがって、正規化されたトラフィック需要は、ｄ、すなわち、光リンクのラインレートによって除算されたトラフィック需要である。フロア演算子を用いて、ｄよりも小さな最大整数を得ることができ、ｆｌｏｏｒ（ｄ）は、送信元から宛先への直接のバイパスで用いられる波長チャネルの最小数を示す。ｆｌｏｏｒ（ｄ）のトラフィック量がこの手順に計上されるので、この手順は、残りのトラフィックを検討する。残りトラフィック量を端数需要（fractional demand）と呼ぶことにする。端数需要は、原需要からｆｌｏｏｒを減算することによって求めることができる。すなわち、端数需要は、ｄ−ｆｌｏｏｒ（ｄ）である。さらに、ノードが送信元に直接隣接しているとき、バイパスを用いてエネルギー削減を達成することはできない。
【００３９】
端数需要のための最適なバイパスを求めるために、全てのノード対のための第１のエネルギー削減メトリックＳＡＢが求められる。削減をもたらす端数需要の総量のトラフィックを送信するためのエネルギー需要が、波長の容量よりも高い場合、バイパスは、最初に、より大きな削減を達成するトラフィックを選ぶ。その後、波長が完全に満たされていない場合または需要を複数の経路にわたって分割する必要がある場合、残りの需要および容量が無駄を削減するために検討される。
【００４０】
これまで、実施の形態は、単一の送信元のバイパスのみを説明してきた。この概念は、単一の宛先のバイパス用に一般化することができる。単一の送信元のバイパスは、まず、ノードへのバイパスを作成し、次に、トラフィックが分割され、複数の宛先に送信される。単一の宛先のバイパスの場合、複数の送信元は、まず、ノードにおいてトラフィックを結合し、次に、バイパスがノードから宛先に作成される。単一の宛先のバイパスのための第２のエネルギー削減メトリックは、以下のものである。
【００４１】
【数３】
【００４２】
ネットワークが複数の送信元ノードおよび複数の宛先ノードを有するとき、単一の送信元のバイパスおよび単一の宛先のバイパスの双方を同時に検討するように、ステップを選ぶことができる。有効な需要行列は、各バイパスが作成された後に更新される。
【００４３】
双方のエネルギー削減メトリックでは、バイパスが、ノードＡからノードＢへ、またはノードＢからノードＣへのいずれかで作成される。したがって、双方のエネルギー節減メトリックＳＡＢおよびＳＢＣが、ノードＢにおいて終了するバイパスを作成するためのエネルギー節減を検討することについて述べることにする。
【００４４】
これまで、説明では、送信元ノードとしてノードＡがあり、および宛先ノードとしてノードＣがある。実際の光ネットワークでは、多くの送信元ノードおよび宛先ノードが存在する。したがって、それぞれの送信元および宛先の対のトラフィック需要が検討される。
【００４５】
また、大きなネットワークでは、あるリンクにおいて送信元または宛先として動作するクロスコネクトは、別のリンクのための中間クロスコネクトノードとしての役割を果たすこともできる。例えば、第１のリンクでは、トラフィックは、ニューヨーク市からシカゴを介してサンフランシスコに向かい、第２のリンクでは、トラフィックは、シカゴからマイアミに向かう。シカゴにおけるクロスコネクトは、第２のリンクの送信元であり、この送信元は、第１のリンクにおいてトラフィックを受け持つ中間クロスコネクトでもある。したがって、全てのクロスコネクトは、トラフィック需要の送信元または宛先でもある可能性がある。
【００４６】
図４は、本発明の実施の形態による光ネットワーク内でバイパスを作成する方法を示している。この方法のステップ、および本明細書で説明する他の任意のプロセスは、当該技術分野で知られているように、メモリおよび入出力インターフェースに接続されたプロセッサで実行することができる。
【００４７】
まず、送信元−宛先の組合せの対ごとに、トラフィック需要行列Ｄを構築する（４１０）。送信元および宛先は、クロス接続されている可能性もあるし、エッジルーター、アクセスルーター、またはコアルーターに接続されている可能性もある。ｎ個の送信元およびｎ個の宛先が存在する場合、トラフィック需要行列は、ｎ×ｎ行列となる。この行列は、
【数４】
となり、ここで、Ｄｉ，ｊは、送信元ノードｉおよび宛先ノードｊの対の間の端数需要である。
【００４８】
端数需要を求めるために、ノードｉおよびノードｊの各対の間のトラフィック需要は、それらのノード間の光リンクのラインレートＲに正規化され、ｆｌｏｏｒ演算が用いられて端数需要が得られる。例えば、ノード２と５との間のトラフィック需要が２５Ｇｂｐｓであり、リンクレートが１０Ｇｂｐｓである場合、正規化された需要は、２５Ｇｂｐｓ／１０Ｇｂｐｓ＝２．５である。次に、正規化されたトラフィック需要に対する２．５にフロア演算子を適用して、端数需要を得る。すなわち、ノード２と５との間の端数需要は、Ｄ２，５＝２．５−ｆｌｏｏｒ（２．５）＝２．５−２＝０．５である。
【００４９】
第１のエネルギー削減メトリックＳＡＢおよび第２のエネルギー削減メトリックＳＢＣの双方を求める（４２０）。ここで、ノードＡは、送信元であり、ノードＣは、宛先であり、ノードＢは、クロスコネクト等のネットワーク内の他の任意のノードである。
【００５０】
全ての可能なノードＡおよびＣの中で、最大エネルギー削減をもたらすノードＢを求める（４３０）。すなわち、
【数５】
である。ここで、関数ａｒｇ ｍａｘは、最大値を有するインデックスを返す。
【００５１】
時に、波長は、需要よりも高い容量を有する可能性がある。この場合、帯域幅の浪費に起因したエネルギー損失を検討し、エネルギー損失を、バイパスを有しないエネルギー消費と比較する。バイパスのエネルギー削減は、非常に高いので、バイパスは、需要がバイパスの全容量を占めない場合であっても作成される。残余の容量は、他のトラフィックが用いることができる。
【００５２】
時に、高い値を有する削減メトリックが、最良の選択肢でない可能性がある。この理由は、バイパスを用いるには、リソースを分割することが必要とされ、これによって、さらに、より小さなＯＤＵサイズが、残りのトラフィックのための、より高い限界エネルギーイルミネーティッドで用いられるからである。
【００５３】
したがって、システムは、リソースを分割する問題を考慮して、ノードＢへのバイパスの作成が実際にエネルギー消費を削減するのか否かを検証し（４４０）、エネルギーが削減される場合にのみバイパスを作成し、そうでない場合には終了する（４４５）。
【００５４】
エネルギーが削減される場合、単一の送信元のバイパスが、より大きなエネルギー削減を有するのかまたは単一の宛先のバイパスが、より大きなエネルギー削減を有するのかを判断し（４５０）、それに応じて、ノードＡからノードＢへバイパス４６０またはノードＢからノードＣへのバイパス４７０を作成する。
【００５５】
残余の容量があれば、それを記録し（４８０）、それに応じて、トラフィック需要行列を更新し（４８５）、ステップ４２０において繰り返す。
【００５６】
時に、需要が正確に分かっていない場合がある。需要の確率分布関数が分かっている場合、Ｙ％のエネルギー削減が確実になるように、エネルギー削減メトリックを検討する。例えば、Ｙ＝５０であり場合、中央値が用いられる。
【００５７】
非バイパストラフィックのルーティング
本発明の実施の形態は、光ネットワークを通るエネルギー効率の良い最適な経路を求める新規なスパニング木を生成する。従来、スパニング木プロセスは、固定されたイルミネーティッドを有するリンクを検討する。
【００５８】
本発明者らのプロセスでは、リンクは、エネルギーおよび需要に対応する可変のイルミネーティッドを有する。リンクのイルミネーティッドは、木の特定の枝において接続されているノードに応じて変化する。需要がより高いノードを有する枝ほど、イルミネーティッドがより低いリンクを有する。
【００５９】
図５に示すように、スイッチングエネルギーＥＳは、レートＲの凹関数である。これは、スイッチングエネルギー関数の導関数Ｅ’ＳがラインレートＲの減少関数であることを意味する。
【００６０】
一例として、送信元ノード１を有する単一の送信元のケースを、図８に示すネットワークトポロジーおよびトラフィック需要を用いて検討する。トラフィック需要を、ＯＤＵ０の倍数となるように正規化する。
【００６１】
図６に示すように、スパニング木を生成するプロセスは、次のとおりである。図６は、初期スパニング木を示している。図７は、１５個のノードを有する図８に示すネットワークのための完成スパニング木を示している。
【００６２】
送信元ノード１は、スパニング木のルートである。
【００６３】
まず、ルート（送信元ノード１）Ｉの全ての１ホップの近隣ノードが、イルミネーティッドの増加順に木の異なる枝に追加される。この例の場合、ノード２は、２２個のトラフィックユニットを有し、ノード３は、１２個のトラフィックユニットを有し、ノード４は、１１個のトラフィックユニットを有する。
【００６４】
ノード１と２との間の枝は、イルミネーティッドＥ’Ｓ（２２）を有し、ノード１と３との間の枝は、イルミネーティッドＥ’Ｓ（１２）を有し、ノード１と８との間の枝は、イルミネーティッドＥ’Ｓ（１１）を有する。Ｅ’Ｓは、減少関数であるので、Ｅ’Ｓ（２２）が最小である。例えば、ＥＳ（ｘ）＝２√（ｘ）とすると、Ｅ’Ｓ＝１／√（ｘ）である。したがって、枝１→２は、イルミネーティッド１／√（２２）＝０．２１３２を有し、枝１→３は、イルミネーティッド１／√（１２）＝０．２８８７を有し、枝１→８は、イルミネーティッド１／√（１１）＝０．３０１５を有する。
【００６５】
枝１→２は、最小イルミネーティッドを有するので、ノード２をこの枝に追加する。ここで、ノード２と４との間には、８個のトラフィックユニットがある。ノード４が、１→２から枝を出すように追加された後、全てのリンクのイルミネーティッドが更新される。
【００６６】
１→２から、リンクは、２２＋８＝３０個のトラフィックユニットを受け持つ必要があり、これは、１／√（３０）＝０．１８２６のイルミネーティッドに対応する。２→４からは、８個のトラフィックユニットしかなく、これは０．３５３６のイルミネーティッドに対応する。
【００６７】
このプロセスは、最小限界イルミネーティッドの枝を特定するために繰り返される。この例では、この枝は、枝１→３である。限界イルミネーティッドは、全イルミネーティッドの導関数である。
【００６８】
ノード７が枝１→３に追加された後、イルミネーティッドは、１→３と３→７との間で更新される。
【００６９】
ここで、枝１→８が、最小イルミネーティッドを有する。
【００７０】
ノード８は、複数の近隣者を有するので、ノード８から複数のノードの枝を出すことができる。
【００７１】
１→８の間のリンクイルミネーティッドは、その枝の下にノードが追加されるごとに減少する。ノード１１および６の追加により、ノード１からノード８に向かう全トラフィックは、この場合、１１＋１５＋２１＝４７ユニットであり、これは、０．１４５９の限界イルミネーティッドを有する。
【００７２】
このプロセスは、繰り返される。時に、最低イルミネーティッドを有する枝は、新たな近隣者を有しないことがある。したがって、近隣者を有する最低イルミネーティッドの枝にのみノードを追加する。
【００７３】
複数の送信元および複数の宛先の場合、このプロセスは、単一の送信元の場合と類似している。しかしながら、単一のルートを有するスパニング木を構築する代わりに、ウェブが作成される。このプロセスは、全体的な需要行列から開始し、単一の送信元の場合と同様に、１ホップ近隣者から開始する。リンクが追加されるたびに、２つのノード間の限界イルミネーティッドを求めることができる。各反復中、リンクを介して既に割り当てられたものを考慮して、最小限界エネルギー消費を有するエンドツーエンド経路を検討する。エンドツーエンド経路がウェブに追加されるたびに、エンドツーエンド経路に含まれるリンクの限界イルミネーティッドが減少する。このプロセスは、全ての需要が検討されるまで繰り返すことができる。
【００７４】
リンク容量も検討される。このプロセスは、特定のリンクにわたる集約した需要が、該リンクの最大容量よりも高くないことを保証する。容量に達すると、そのリンクは、グラフから削除される。
【００７５】
エネルギー効率の良い光経路のためのシグナリング
一般化マルチプロトコルラベルスイッチング（ＧＭＰＬＳ）フレームワーク（ＲＦＣ３９４５、２００４年１０月、Ｍａｎｎｉｅ）の下では、ユーザーネットワークインターフェース（ＵＮＩ）およびネットワーク−ネットワークインターフェース（ＮＮＩ）が、さまざまな自律ネットワークの間で通信を行うのに用いられる。
【００７６】
ＵＮＩは、アクセスネットワーク内のユーザーが接続のための帯域幅およびサービスクラス、ならびにネットワーク復旧要件およびネットワーク保護要件を要求することを可能にする。エネルギー効率の良い光経路により、環境問題意識を持っているユーザーは、経路が遅延に最適なものでない可能性があっても、エネルギー効率の良い方法でセットアップされる経路を指定することができる。エネルギー効率の良い経路は、ネットワークオペレーターの業務費を下げるので、ネットワークオペレーターは、エネルギー効率の良い経路を好むユーザーのための価格決定誘因も提供することができる。
【００７７】
ＮＮＩは、隣接したネットワークにおいて利用可能なネットワークリソースをアドバタイズする。エネルギー効率の良い経路を近隣者にアドバタイズすることができ、その後、複数の自律ネットワークにわたって全体的にエネルギー効率の良い経路の作成のために、ネットワークユーザーに報告することができる。
【００７８】
自律ネットワークを通る波長バイパスは、ＮＮＩを通じた適切なシグナリングによっても作成することができる。例えば、ネットワークプロバイダーＸは、ともに自身のネットワーク内にあるエッジルーターＡとノードＢとの間にバイパスを作成することができる。また、このネットワークプロバイダーが他の２つのネットワークプロバイダーＹおよびＺへの接続を有し、それによって、エッジルーターＡがネットワークプロバイダーＹからの別のエッジルーターに接続され、エッジルーターＢがネットワークプロバイダーＺからの別のエッジルーターに接続されるものと仮定する。この場合、ネットワークプロバイダーＸは、ネットワークプロバイダーＹがトラフィックをネットワークプロバイダーＺに直接送信することを可能にするＮＮＩを用いて、ある特定の波長およびポートにおいて光バイパスリンクを推進することができる。この方法によって、複数の自律ネットワークにわたるエネルギー削減が可能になる。
【００７９】
ネットワークＢが、ネットワークＣに送信する十分なトラフィックを有する場合、トラフィックがエッジルーターをもはや通過する必要がないように、ネットワークＡとＢとの間の接続を変更することができる。逆に、光バイパスがネットワークＢからネットワークＣに直接作成される。
【００８０】
異なるネットワークは、異なるスイッチングエネルギーイルミネーティッドを有する可能性がある。ネットワーク機器のベンダーは、自身の特定の機器について、データレートの関数としてエネルギー消費を記述する適切な関数を提供する。すなわち、スイッチングエネルギー関数ＥＳおよびその導関数Ｅ’Ｓの双方が必要とされる。そのような情報が提供されない場合、そのような関数を測定し、ネットワーク管理および経路設計のソフトウェアに該関数を利用可能にすることができる。
【００８１】
レイヤ３ルーティングへの拡張
現在、ルーティング機能は、インターネットプロトコル（ＩＰ）を用いてネットワーキングレイヤで行われている。ネットワークリソースを発見するために、ルーティングテーブルが交換される。しかしながら、開放型最短パス優先（ＯＳＰＦ）ＩＰプロトコルで用いられているように、送信元から宛先への「最短」パスを求めるのに、ホップカウントしか用いられていない。
【００８２】
レイヤ３（Ｌ３）ルーターにおける隣接した近隣者は、基礎をなす光ネットワーク内の経路構成によって決まることに留意することが重要である。光ネットワークのエネルギー消費は、バイパスの使用、およびそのファイバーリンクのそれぞれを通るトラフィックの需要に応じて変化するので、光ネットワークは、ルーターへのリンクの現在の利用に依存する追加のエネルギーイルミネーティッド関数を提供することができる。そのような情報がＬ３ルーター内に統合されると、通信ネットワーク全体にわたる、さらに全体的なエネルギー削減を得ることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的には、光ネットワークに関し、より詳細には、光ネットワーク内でエネルギー効率の良い経路を求め、光ネットワーク内で光バイパスを作成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気通信産業におけるエネルギー消費は、世界中の全エネルギー消費に直接影響を与える。例えば、２００５年には、テレコムイタリアネットワークでの消費は、２ＴＷｈを超え、これは全てのイタリアのエネルギー消費の約１％にあたる。エネルギー消費は、ＣＯ２ガスの発生も意味し、例えば、２ＴＷｈは、４，０００，０００トンのＣＯ２放出と同等である。したがって、電気通信ネットワークのエネルギー消費を削減することが重要である。
【０００３】
次世代光トランスポートネットワーク（ＯＴＮ）のフレームは、光データユニット（ＯＤＵ）を用いてデータをトランスポートする。異なるレベルのＯＤＵは、異なるデータレートでトラフィックを搬送することができる。具体的には、ＯＤＵ０は、１．２５Ｇｂｐｓを搬送し、ＯＤＵ１は、２．５Ｇｂｐｓを搬送し、ＯＤＵ２は、１０Ｇｂｐｓを搬送し、ＯＤＵ３は、４０Ｇｂｐｓを搬送し、ＯＤＵ４は、１００Ｇｂｐｓを搬送する（全ての値は、公称値である）。
【０００４】
クロスコネクト（ＸＣ）における大きな方のＯＤＵの処理のビットあたりのエネルギー消費は、小さな方のＯＤＵの半分であることが分かっている。その結果、大量のデータを有する光パスのビットあたりのエネルギー消費は、小さな方のＯＤＵを有するパスよりも少ない。
【０００５】
各光ファイバーは、複数の波長を介して光データトラフィックを搬送することができる。一般的なコア光ネットワークは、１０Ｇｂｐｓ、４０Ｇｂｐｓ、または１００Ｇｂｐｓのラインレートを有することができる。これは、各波長が１０Ｇｂｐｓ、４０Ｇｂｐｓ、または１００Ｇｂｐｓで情報を搬送することができることを意味する。例えば、波長が１００Ｇｂｐｓを有する場合、ファイバーは、単一のＯＤＵ４若しくは４つのＯＤＵ３、またはさまざまなレベルのＯＤＵの他の任意の組合せを搬送するのに用いることができる。波長が２つ以上のＯＤＵを搬送するとき、光信号は、ＸＣにおいて電気信号に変換される。各ＯＤＵのデータは、対応する出力ポートによって送信される前に、ＸＣにおいて処理され、次いで、光領域に変換され、戻される。
【０００６】
波長が、単一のＯＤＵのみを搬送し、データが、ＸＣの出力ポートにおいて同じ波長にルーティングされるとき、光バイパスを用いることができる。光バイパスは、光／電気（Ｏ２Ｅ）変換および電気／光（Ｅ２Ｏ）変換（以下「変換」という）を必要とせず、したがって、バイパスは、変換を必要とする他の任意のスイッチング方式よりもエネルギー消費が実質的に少ない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の実施の形態は、大きな光データユニット（ＯＤＵ）の光バイパスおよび処理を利用する光ネットワークにおいてエネルギー効率の良い経路を求める方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施の形態は、エネルギー消費を削減し、大きな光ネットワークに光バイパスを作成する最適なロケーションを求めるのに用いることができる。
【０００９】
全ての光バイパスが作成された後、実施の形態は、大きなＯＤＵを好んで用いることによって、エネルギー消費を削減する光経路を求める。
【００１０】
実施の形態は、エネルギー効率の良い経路を求めるシグナリング要件も提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は、バイパスが本発明の実施形態による方法に従って作成される光ネットワークのブロック図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態による方法によって作成される光バイパスを有する光ネットワークのブロック図である。
【図２】送信元、クロスコネクト、およびバイパスオプションを有する光ネットワークの概略図である。
【図３Ａ】送信元ノードＡ、ＸＣノード、宛先ノードＢおよびＣ、ならびに最小ホップ距離を有する光ネットワークの概略図である。
【図３Ｂ】図３Ａのネットワークの仮定、オプション、およびグラフ制約の概略図である。
【図４】本発明の実施形態によるバイパスを作成する方法のフローチャートである。
【図５】データレートの関数としてのエネルギーおよびエネルギーの導関数のグラフである。
【図６】本発明の実施形態に従って構成されたスパニング木である。
【図７】本発明の実施形態に従って構成されたスパニング木である。
【図８】図７のスパニング木に対応する光ネットワークの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１（ａ）は、光バイパスを有しない光ネットワークの一部を示している。本発明の実施の形態による方法４００に従って、ネットワークにバイパスを作成することが望まれている。光ネットワークは、通常、複数のクロスコネクト（ＸＣ）１１０、およびファイバーリンク１２０を含む。各ＸＣは、データを受信する入力ポート１１１および送信データを送信する出力ポート１１２を有する。光データユニット（ＯＤＵ）のサイズに応じて、受信機の入力ポートにおけるエネルギー消費は、送信機の出力ポートにおけるものと異なる。
【００１３】
本発明は、１組の複数の送信元ノードおよび１組の複数の宛先ノードを有するネットワークに適用されるが、簡単にするために、単一の送信元および単一の宛先について、エネルギー節減の動機を説明する。
【００１４】
この説明を簡単にするために、特定のリンクおよびＸＣの入力ポートおよび出力ポートの双方におけるスイッチングエネルギー消費が、ＥＳであると仮定する。リンクを介して送信中に、複数の光リピーターが存在し、その結果、送信リンクを介したエネルギー消費は、送信エネルギーＥＴに比例する。このエネルギー消費は、リンクの距離に依存する。例えば、３つのＸＣおよび２つのファイバーリンクを有するネットワークでは、消費される全エネルギーは４ＥＳ＋ＤＥＴであり、ここで、Ｄは、ファイバーリンクの総距離である。
【００１５】
図１（ｂ）に示すように、大量のトラフィックが送信され、その結果、トラフィックが波長全体を用いる場合、図１（ａ）の中央のＸＣの代わりに、光バイパス１３０を用いることが可能である。このように、バイパスでは、光信号と電気信号との間の変換が必要とされない。逆に、波長全体が入力ポートから出力ポートに直接バイパスされる。このとき、全エネルギー消費は、２ＥＳ＋ＤＥＴとなる。
【００１６】
一般に、ＸＣにおけるエネルギー消費は、ラインデータレートＲが増加するにつれて増加する。一方、情報のビットを処理する限界エネルギー消費は、より大きなＯＤＵの使用に起因して、データレートが増加するにつれて減少する。したがって、データレートＲの関数としてのスイッチングエネルギー消費ＥＳは、傾きが減少していく凹関数である（図５参照）。明らかに、全てのリンクは、最大容量を有する。
【００１７】
ファイバーリンクにおける送信エネルギー消費ＥＳは、増幅に由来し、リンクを介した送信データ量にかかわらずほぼ一定である。さらに、リンクは、トラフィックの複数のストリームを介して送信リソースを分割することができるので、ファイバーを介した送信中の送信エネルギー消費は、データレートＲに比例すると仮定することができ、その結果、ＥＴ＝τＲとなり、τは、定数である。スイッチングは、変換を要するので、スイッチングエネルギー消費は、一般に、ファイバーを介した送信エネルギー消費よりもはるかに高い。換言すれば、ＥＳ＞＞＞ＥＴである。
【００１８】
バイパスを用いると、エネルギー消費を削減することができることは明らかであるが、大きな光ネットワーク内で、光バイパスに最適なロケーションを求めることは容易ではない。
【００１９】
図２に示すように、光ネットワークは、単一の送信元ノード（Ｓ）および５つのＸＣノード（１〜５）を含む。送信元は、Ｒのデータ量を送信する必要がある。各波長は、３Ｒのデータ量を搬送することができる。
【００２０】
オプションＡ ２０１では、バイパスは用いられない。全スイッチングエネルギーは、６ＥＳ（３Ｒ）＋２ＥＳ（２Ｒ）＋２ＥＳ（Ｒ）であり、送信エネルギーは、１２τＤＲであり、容量は、１２Ｒである。
【００２１】
オプションＢ ２０２では、バイパスがＸＣ１〜２に取って代わる。これによって、オプションＡよりも良好な性能が達成される。全スイッチングエネルギーは、２ＥＳ（３Ｒ）＋２ＥＳ（２Ｒ）＋２ＥＳ（Ｒ）であり、送信エネルギーは、１２τＤＲであり、容量は、１２Ｒである。
【００２２】
オプションＣ ２０３では、バイパスがＸＣ１〜３に取って代わる。これは、これまでにない手法である。全スイッチングエネルギーは、２ＥＳ（３Ｒ）＋４ＥＳ（Ｒ）であり、送信エネルギーは、１４τＤＲであり、容量は、１４Ｒである。スイッチングエネルギーは、送信エネルギーよりもはるかに高いので、オプションＣが消費するエネルギー量は、この例において最小である。
【００２３】
オプションＣが使用するエネルギー量は、最小であるが、オプションＣは、より多くのネットワークデータ容量リソースを消費する。ネットワークオペレーターは、ピークでない時間中は、付加的なネットワークリソースを常に有し、付加的なリソースも、増大を予想して配置される。光ネットワークのルーティングトポロジーを変更することによって、ネットワークオペレーターは、エネルギー消費および業務費を削減することができる。
【００２４】
バイパスが用いられないとき、経路内のＸＣの数は、変換数を直接意味するので、エネルギー消費が検討されるとき、ノードの間の最小ホップ距離に留意することが重要である。
【００２５】
図３Ａは、送信元ノードＡ、複数のＸＣノード、ならびに宛先ノードＢおよびＣを有する光ネットワークを示している。ノードＡとＢとの間の最小ホップ距離は、ＨＡＢであり、ノードＢとＣとの間の最小ホップ距離は、ＨＢＣであり、ノードＡとＣとの間の最小ホップ距離は、ＨＡＣである。
【００２６】
図３Ｂは、図３Ａのネットワークのための仮定３０１、オプション（１）３０２、オプション（２）３０３、およびグラフ制約３０４を示している。他のトラフィックはなく、Ａ→ＢのパスおよびＡ→Ｃのパスは交わらないと仮定し、２つのオプション：オプション（１）バイパスなしと、オプション（２）Ｂへのバイパス、次いでＣへのルーティングとを比較する。グラフに対する制約は、最小ホップ：ＨＡＢ＋ＨＢＣ≧ＨＡＣ≧ＨＡＢ−ＨＢＣである。
【００２７】
バイパスのないオプション（１）のエネルギー消費を、バイパスが送信元ＡからＢであるオプション（２）のエネルギー消費と比較し、次に、データは、Ｂから中間のＸＣを通ってＣに送信される。
【００２８】
オプション（１）では、スイッチングエネルギー消費は、２（ＨＡＢＥＳ（ＲＢ）＋ＨＡＣＥＳ（ＲＣ））である。送信エネルギーは、τ（ＤＡＢＲＢ＋ＤＡＣＲＣ）である。容量は、ＨＡＢＲＢ＋ＨＡＣＲＣである。
【００２９】
オプション（２）では、スイッチングエネルギー消費は、２（ＥＳ（ＲＢ＋ＲＣ）＋ＨＢＣＥＳ（ＲＣ））である。送信エネルギーは、τ（ＤＡＢ（ＲＢ＋ＲＣ）＋ＤＢＣＲＣ）である。容量は、ＨＡＢ（ＲＢ＋ＲＣ）＋ＨＢＣＲＣである。
【００３０】
送信エネルギーは、スイッチングエネルギーと比較して小さいので、この説明を簡単にするために、送信エネルギーＥＳを省略することにする。式は、送信エネルギーを含むように容易に変更することができる。以下の式に従って、ノードＢをバイパスに置き換えることにより、エネルギー削減を求める。
【００３１】
【数１】
【００３２】
第１項は、ＨＢＣ≦ＨＡＣ−１であるときにエネルギー削減を達成することができるという重要な見識を提供する。換言すれば、バイパスから宛先への最小ホップ距離は、送信元から宛先への最小ホップ距離よりも小さい。
【００３３】
第２項は、バイパスノードが、途中にある多くの変換をなくすので、遠く離れたノードへのバイパスを作成することが、より好都合であることを示している。
【００３４】
バイパスがノードＡとＢとの間に作成されると、このことは、ノードＡとＢとの間のリンクにおけるどのクロスコネクトノードにおいても、Ｏ２Ｅ変換およびＥ２Ｏ変換が行われないことを意味する。Ｅ２Ｏ変換は、ノードＡで依然として行われ、Ｏ２Ｅ変換は、ノードＢで依然として行われる。換言すれば、ノードＡとＢとの間のバイパスは、ノードＡおよびＢの振る舞いを変えない。逆に、バイパスは、ノードＡとＢとを接続するリンクにおける全てのクロスコネクトノードの振る舞いを変える。
【００３５】
したがって、送信元ＡからＸＣノードＢへのバイパスを作成する第１のエネルギー削減メトリックを、以下のように定義する。
【００３６】
【数２】
【００３７】
第１のエネルギー削減メトリックの第２項は、即時の観測結果を示している。送信元から特定のクロスコネクトへのトラフィック需要が波長の容量よりも高い場合、送信元からその特定のクロスコネクトへのバイパスを作成すべきである。
【００３８】
したがって、正規化されたトラフィック需要は、ｄ、すなわち、光リンクのラインレートによって除算されたトラフィック需要である。フロア演算子を用いて、ｄよりも小さな最大整数を得ることができ、ｆｌｏｏｒ（ｄ）は、送信元から宛先への直接のバイパスで用いられる波長チャネルの最小数を示す。ｆｌｏｏｒ（ｄ）のトラフィック量がこの手順に計上されるので、この手順は、残りのトラフィックを検討する。残りトラフィック量を端数需要（fractional demand）と呼ぶことにする。端数需要は、原需要からｆｌｏｏｒを減算することによって求めることができる。すなわち、端数需要は、ｄ−ｆｌｏｏｒ（ｄ）である。さらに、ノードが送信元に直接隣接しているとき、バイパスを用いてエネルギー削減を達成することはできない。
【００３９】
端数需要のための最適なバイパスを求めるために、全てのノード対のための第１のエネルギー削減メトリックＳＡＢが求められる。削減をもたらす端数需要の総量のトラフィックを送信するためのエネルギー需要が、波長の容量よりも高い場合、バイパスは、最初に、より大きな削減を達成するトラフィックを選ぶ。その後、波長が完全に満たされていない場合または需要を複数の経路にわたって分割する必要がある場合、残りの需要および容量が無駄を削減するために検討される。
【００４０】
これまで、実施の形態は、単一の送信元のバイパスのみを説明してきた。この概念は、単一の宛先のバイパス用に一般化することができる。単一の送信元のバイパスは、まず、ノードへのバイパスを作成し、次に、トラフィックが分割され、複数の宛先に送信される。単一の宛先のバイパスの場合、複数の送信元は、まず、ノードにおいてトラフィックを結合し、次に、バイパスがノードから宛先に作成される。単一の宛先のバイパスのための第２のエネルギー削減メトリックは、以下のものである。
【００４１】
【数３】
【００４２】
ネットワークが複数の送信元ノードおよび複数の宛先ノードを有するとき、単一の送信元のバイパスおよび単一の宛先のバイパスの双方を同時に検討するように、ステップを選ぶことができる。有効な需要行列は、各バイパスが作成された後に更新される。
【００４３】
双方のエネルギー削減メトリックでは、バイパスが、ノードＡからノードＢへ、またはノードＢからノードＣへのいずれかで作成される。したがって、双方のエネルギー節減メトリックＳＡＢおよびＳＢＣが、ノードＢにおいて終了するバイパスを作成するためのエネルギー節減を検討することについて述べることにする。
【００４４】
これまで、説明では、送信元ノードとしてノードＡがあり、および宛先ノードとしてノードＣがある。実際の光ネットワークでは、多くの送信元ノードおよび宛先ノードが存在する。したがって、それぞれの送信元および宛先の対のトラフィック需要が検討される。
【００４５】
また、大きなネットワークでは、あるリンクにおいて送信元または宛先として動作するクロスコネクトは、別のリンクのための中間クロスコネクトノードとしての役割を果たすこともできる。例えば、第１のリンクでは、トラフィックは、ニューヨーク市からシカゴを介してサンフランシスコに向かい、第２のリンクでは、トラフィックは、シカゴからマイアミに向かう。シカゴにおけるクロスコネクトは、第２のリンクの送信元であり、この送信元は、第１のリンクにおいてトラフィックを受け持つ中間クロスコネクトでもある。したがって、全てのクロスコネクトは、トラフィック需要の送信元または宛先でもある可能性がある。
【００４６】
図４は、本発明の実施の形態による光ネットワーク内でバイパスを作成する方法を示している。この方法のステップ、および本明細書で説明する他の任意のプロセスは、当該技術分野で知られているように、メモリおよび入出力インターフェースに接続されたプロセッサで実行することができる。
【００４７】
まず、送信元−宛先の組合せの対ごとに、トラフィック需要行列Ｄを構築する（４１０）。送信元および宛先は、クロス接続されている可能性もあるし、エッジルーター、アクセスルーター、またはコアルーターに接続されている可能性もある。ｎ個の送信元およびｎ個の宛先が存在する場合、トラフィック需要行列は、ｎ×ｎ行列となる。この行列は、
【数４】
となり、ここで、Ｄｉ，ｊは、送信元ノードｉおよび宛先ノードｊの対の間の端数需要である。
【００４８】
端数需要を求めるために、ノードｉおよびノードｊの各対の間のトラフィック需要は、それらのノード間の光リンクのラインレートＲに正規化され、ｆｌｏｏｒ演算が用いられて端数需要が得られる。例えば、ノード２と５との間のトラフィック需要が２５Ｇｂｐｓであり、リンクレートが１０Ｇｂｐｓである場合、正規化された需要は、２５Ｇｂｐｓ／１０Ｇｂｐｓ＝２．５である。次に、正規化されたトラフィック需要に対する２．５にフロア演算子を適用して、端数需要を得る。すなわち、ノード２と５との間の端数需要は、Ｄ２，５＝２．５−ｆｌｏｏｒ（２．５）＝２．５−２＝０．５である。
【００４９】
第１のエネルギー削減メトリックＳＡＢおよび第２のエネルギー削減メトリックＳＢＣの双方を求める（４２０）。ここで、ノードＡは、送信元であり、ノードＣは、宛先であり、ノードＢは、クロスコネクト等のネットワーク内の他の任意のノードである。
【００５０】
全ての可能なノードＡおよびＣの中で、最大エネルギー削減をもたらすノードＢを求める（４３０）。すなわち、
【数５】
である。ここで、関数ａｒｇ ｍａｘは、最大値を有するインデックスを返す。
【００５１】
時に、波長は、需要よりも高い容量を有する可能性がある。この場合、帯域幅の浪費に起因したエネルギー損失を検討し、エネルギー損失を、バイパスを有しないエネルギー消費と比較する。バイパスのエネルギー削減は、非常に高いので、バイパスは、需要がバイパスの全容量を占めない場合であっても作成される。残余の容量は、他のトラフィックが用いることができる。
【００５２】
時に、高い値を有する削減メトリックが、最良の選択肢でない可能性がある。この理由は、バイパスを用いるには、リソースを分割することが必要とされ、これによって、さらに、より小さなＯＤＵサイズが、残りのトラフィックのための、より高い限界エネルギーイルミネーティッドで用いられるからである。
【００５３】
したがって、システムは、リソースを分割する問題を考慮して、ノードＢへのバイパスの作成が実際にエネルギー消費を削減するのか否かを検証し（４４０）、エネルギーが削減される場合にのみバイパスを作成し、そうでない場合には終了する（４４５）。
【００５４】
エネルギーが削減される場合、単一の送信元のバイパスが、より大きなエネルギー削減を有するのかまたは単一の宛先のバイパスが、より大きなエネルギー削減を有するのかを判断し（４５０）、それに応じて、ノードＡからノードＢへバイパス４６０またはノードＢからノードＣへのバイパス４７０を作成する。
【００５５】
残余の容量があれば、それを記録し（４８０）、それに応じて、トラフィック需要行列を更新し（４８５）、ステップ４２０において繰り返す。
【００５６】
時に、需要が正確に分かっていない場合がある。需要の確率分布関数が分かっている場合、Ｙ％のエネルギー削減が確実になるように、エネルギー削減メトリックを検討する。例えば、Ｙ＝５０であり場合、中央値が用いられる。
【００５７】
非バイパストラフィックのルーティング
本発明の実施の形態は、光ネットワークを通るエネルギー効率の良い最適な経路を求める新規なスパニング木を生成する。従来、スパニング木プロセスは、固定されたイルミネーティッドを有するリンクを検討する。
【００５８】
本発明者らのプロセスでは、リンクは、エネルギーおよび需要に対応する可変のイルミネーティッドを有する。リンクのイルミネーティッドは、木の特定の枝において接続されているノードに応じて変化する。需要がより高いノードを有する枝ほど、イルミネーティッドがより低いリンクを有する。
【００５９】
図５に示すように、スイッチングエネルギーＥＳは、レートＲの凹関数である。これは、スイッチングエネルギー関数の導関数Ｅ’ＳがラインレートＲの減少関数であることを意味する。
【００６０】
一例として、送信元ノード１を有する単一の送信元のケースを、図８に示すネットワークトポロジーおよびトラフィック需要を用いて検討する。トラフィック需要を、ＯＤＵ０の倍数となるように正規化する。
【００６１】
図６に示すように、スパニング木を生成するプロセスは、次のとおりである。図６は、初期スパニング木を示している。図７は、１５個のノードを有する図８に示すネットワークのための完成スパニング木を示している。
【００６２】
送信元ノード１は、スパニング木のルートである。
【００６３】
まず、ルート（送信元ノード１）Ｉの全ての１ホップの近隣ノードが、イルミネーティッドの増加順に木の異なる枝に追加される。この例の場合、ノード２は、２２個のトラフィックユニットを有し、ノード３は、１２個のトラフィックユニットを有し、ノード４は、１１個のトラフィックユニットを有する。
【００６４】
ノード１と２との間の枝は、イルミネーティッドＥ’Ｓ（２２）を有し、ノード１と３との間の枝は、イルミネーティッドＥ’Ｓ（１２）を有し、ノード１と８との間の枝は、イルミネーティッドＥ’Ｓ（１１）を有する。Ｅ’Ｓは、減少関数であるので、Ｅ’Ｓ（２２）が最小である。例えば、ＥＳ（ｘ）＝２√（ｘ）とすると、Ｅ’Ｓ＝１／√（ｘ）である。したがって、枝１→２は、イルミネーティッド１／√（２２）＝０．２１３２を有し、枝１→３は、イルミネーティッド１／√（１２）＝０．２８８７を有し、枝１→８は、イルミネーティッド１／√（１１）＝０．３０１５を有する。
【００６５】
枝１→２は、最小イルミネーティッドを有するので、ノード２をこの枝に追加する。ここで、ノード２と４との間には、８個のトラフィックユニットがある。ノード４が、１→２から枝を出すように追加された後、全てのリンクのイルミネーティッドが更新される。
【００６６】
１→２から、リンクは、２２＋８＝３０個のトラフィックユニットを受け持つ必要があり、これは、１／√（３０）＝０．１８２６のイルミネーティッドに対応する。２→４からは、８個のトラフィックユニットしかなく、これは０．３５３６のイルミネーティッドに対応する。
【００６７】
このプロセスは、最小限界イルミネーティッドの枝を特定するために繰り返される。この例では、この枝は、枝１→３である。限界イルミネーティッドは、全イルミネーティッドの導関数である。
【００６８】
ノード７が枝１→３に追加された後、イルミネーティッドは、１→３と３→７との間で更新される。
【００６９】
ここで、枝１→８が、最小イルミネーティッドを有する。
【００７０】
ノード８は、複数の近隣者を有するので、ノード８から複数のノードの枝を出すことができる。
【００７１】
１→８の間のリンクイルミネーティッドは、その枝の下にノードが追加されるごとに減少する。ノード１１および６の追加により、ノード１からノード８に向かう全トラフィックは、この場合、１１＋１５＋２１＝４７ユニットであり、これは、０．１４５９の限界イルミネーティッドを有する。
【００７２】
このプロセスは、繰り返される。時に、最低イルミネーティッドを有する枝は、新たな近隣者を有しないことがある。したがって、近隣者を有する最低イルミネーティッドの枝にのみノードを追加する。
【００７３】
複数の送信元および複数の宛先の場合、このプロセスは、単一の送信元の場合と類似している。しかしながら、単一のルートを有するスパニング木を構築する代わりに、ウェブが作成される。このプロセスは、全体的な需要行列から開始し、単一の送信元の場合と同様に、１ホップ近隣者から開始する。リンクが追加されるたびに、２つのノード間の限界イルミネーティッドを求めることができる。各反復中、リンクを介して既に割り当てられたものを考慮して、最小限界エネルギー消費を有するエンドツーエンド経路を検討する。エンドツーエンド経路がウェブに追加されるたびに、エンドツーエンド経路に含まれるリンクの限界イルミネーティッドが減少する。このプロセスは、全ての需要が検討されるまで繰り返すことができる。
【００７４】
リンク容量も検討される。このプロセスは、特定のリンクにわたる集約した需要が、該リンクの最大容量よりも高くないことを保証する。容量に達すると、そのリンクは、グラフから削除される。
【００７５】
エネルギー効率の良い光経路のためのシグナリング
一般化マルチプロトコルラベルスイッチング（ＧＭＰＬＳ）フレームワーク（ＲＦＣ３９４５、２００４年１０月、Ｍａｎｎｉｅ）の下では、ユーザーネットワークインターフェース（ＵＮＩ）およびネットワーク−ネットワークインターフェース（ＮＮＩ）が、さまざまな自律ネットワークの間で通信を行うのに用いられる。
【００７６】
ＵＮＩは、アクセスネットワーク内のユーザーが接続のための帯域幅およびサービスクラス、ならびにネットワーク復旧要件およびネットワーク保護要件を要求することを可能にする。エネルギー効率の良い光経路により、環境問題意識を持っているユーザーは、経路が遅延に最適なものでない可能性があっても、エネルギー効率の良い方法でセットアップされる経路を指定することができる。エネルギー効率の良い経路は、ネットワークオペレーターの業務費を下げるので、ネットワークオペレーターは、エネルギー効率の良い経路を好むユーザーのための価格決定誘因も提供することができる。
【００７７】
ＮＮＩは、隣接したネットワークにおいて利用可能なネットワークリソースをアドバタイズする。エネルギー効率の良い経路を近隣者にアドバタイズすることができ、その後、複数の自律ネットワークにわたって全体的にエネルギー効率の良い経路の作成のために、ネットワークユーザーに報告することができる。
【００７８】
自律ネットワークを通る波長バイパスは、ＮＮＩを通じた適切なシグナリングによっても作成することができる。例えば、ネットワークプロバイダーＸは、ともに自身のネットワーク内にあるエッジルーターＡとノードＢとの間にバイパスを作成することができる。また、このネットワークプロバイダーが他の２つのネットワークプロバイダーＹおよびＺへの接続を有し、それによって、エッジルーターＡがネットワークプロバイダーＹからの別のエッジルーターに接続され、エッジルーターＢがネットワークプロバイダーＺからの別のエッジルーターに接続されるものと仮定する。この場合、ネットワークプロバイダーＸは、ネットワークプロバイダーＹがトラフィックをネットワークプロバイダーＺに直接送信することを可能にするＮＮＩを用いて、ある特定の波長およびポートにおいて光バイパスリンクを推進することができる。この方法によって、複数の自律ネットワークにわたるエネルギー削減が可能になる。
【００７９】
ネットワークＢが、ネットワークＣに送信する十分なトラフィックを有する場合、トラフィックがエッジルーターをもはや通過する必要がないように、ネットワークＡとＢとの間の接続を変更することができる。逆に、光バイパスがネットワークＢからネットワークＣに直接作成される。
【００８０】
異なるネットワークは、異なるスイッチングエネルギーイルミネーティッドを有する可能性がある。ネットワーク機器のベンダーは、自身の特定の機器について、データレートの関数としてエネルギー消費を記述する適切な関数を提供する。すなわち、スイッチングエネルギー関数ＥＳおよびその導関数Ｅ’Ｓの双方が必要とされる。そのような情報が提供されない場合、そのような関数を測定し、ネットワーク管理および経路設計のソフトウェアに該関数を利用可能にすることができる。
【００８１】
レイヤ３ルーティングへの拡張
現在、ルーティング機能は、インターネットプロトコル（ＩＰ）を用いてネットワーキングレイヤで行われている。ネットワークリソースを発見するために、ルーティングテーブルが交換される。しかしながら、開放型最短パス優先（ＯＳＰＦ）ＩＰプロトコルで用いられているように、送信元から宛先への「最短」パスを求めるのに、ホップカウントしか用いられていない。
【００８２】
レイヤ３（Ｌ３）ルーターにおける隣接した近隣者は、基礎をなす光ネットワーク内の経路構成によって決まることに留意することが重要である。光ネットワークのエネルギー消費は、バイパスの使用、およびそのファイバーリンクのそれぞれを通るトラフィックの需要に応じて変化するので、光ネットワークは、ルーターへのリンクの現在の利用に依存する追加のエネルギーイルミネーティッド関数を提供することができる。そのような情報がＬ３ルーター内に統合されると、通信ネットワーク全体にわたる、さらに全体的なエネルギー削減を得ることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信元ノード、複数のクロスコネクトノード（ＸＣ）、および複数の宛先ノードを含む光ネットワーク内でバイパスを作成する方法であって、
前記送信元ノードおよび前記宛先ノードの組合せの可能な対ごとにトラフィック需要行列を構築するステップと、
前記トラフィック需要行列に基づいて、前記送信元ノードといずれかのＸＣノードとの間に前記バイパスを作成するための第１のエネルギー削減メトリックを求めるステップと、
前記トラフィック需要行列を用いて、いずれかのＸＣノードと前記宛先ノードとの間に前記バイパスを作成するための第２のエネルギー削減メトリックを求めるステップと、
前記ＸＣノードのうち、最大エネルギー削減メトリックを有する１つのＸＣノードにおいて終了するバイパスを作成するステップと、
を含み、
前記ステップは、プロセッサで実行される、複数の送信元ノード、複数のクロスコネクトノード（ＸＣ）、および複数の宛先ノードを含む光ネットワーク内でバイパスを作成する方法。
【請求項２】
前記光ネットワーク内のデータトラフィックは、光データユニットで送信され、前記バイパスを通過するデータトラフィックは、波長全体を用いる
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記バイパスから特定のノードまでの間の最小ホップ距離は、前記送信元ノードから前記宛先ノードまでの最小ホップ距離よりも小さい
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記トラフィック需要行列は、前記ノードの前記各対の間の端数需要から構築される
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ノードの前記各対の間の前記各トラフィック需要は、該ノードの該対の間の光リンクのラインレートＲに対して正規化され、前記方法は、
前記端数需要を得るために、前記各正規化されたトラフィック需要にｆｌｏｏｒ演算を適用するステップ
をさらに含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記トラフィック需要行列を更新するステップ、および前記２つの求めるステップを繰り返すステップ
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
リソースの分割が必要とされるときに、前記バイパスがエネルギーを削減するか否かを判断するステップと、前記バイパスが前記エネルギーを削減する場合にのみ前記ＸＣノードを置き換えるステップであって、そうでない場合には終了する、置き換えるステップと
をさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記光ネットワークを通る最適なエネルギー効率の良い経路を求めるスパニング木を生成するステップ
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記送信元ノードは、前記スパニング木のルートによって表され、前記ノードの間のリンクは、前記スパニング木の枝によって表され、前記各リンクに関連付けられた限界イルミネーティッドは、前記枝によって接続された前記ノードの対の間の変動するトラフィック需要に対応する
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記送信元ノードの全ての１ホップの近隣ノードを前記木の異なる枝に、前記限界イルミネーティッドの増加する順で追加するステップ
をさらに含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
一般化マルチプロトコルラベルスイッチングにおいて、ユーザーネットワークインターフェースでエネルギー削減を達成する前記バイパスをアドバタイズするステップ
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
一般化マルチプロトコルラベルスイッチングにおいて、ネットワーク−ネットワークインターフェースでエネルギー削減を達成する前記バイパスをアドバタイズするステップ
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
レイヤ３ルーターで用いられるエネルギーイルミネーティッド関数を提供するステップ
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１】
複数の送信元ノード、複数のクロスコネクトノード（ＸＣ）、および複数の宛先ノードを含む光ネットワーク内でバイパスを作成する方法であって、
前記送信元ノードおよび前記宛先ノードの組合せの可能な対ごとにトラフィック需要行列を構築するステップと、
前記トラフィック需要行列に基づいて、前記送信元ノードといずれかのＸＣノードとの間に前記バイパスを作成するための第１のエネルギー削減メトリックを求めるステップと、
前記トラフィック需要行列を用いて、いずれかのＸＣノードと前記宛先ノードとの間に前記バイパスを作成するための第２のエネルギー削減メトリックを求めるステップと、
前記ＸＣノードのうち、最大エネルギー削減メトリックを有する１つのＸＣノードにおいて終了するバイパスを作成するステップと、
を含み、
前記ステップは、プロセッサで実行される、複数の送信元ノード、複数のクロスコネクトノード（ＸＣ）、および複数の宛先ノードを含む光ネットワーク内でバイパスを作成する方法。
【請求項２】
前記光ネットワーク内のデータトラフィックは、光データユニットで送信され、前記バイパスを通過するデータトラフィックは、波長全体を用いる
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記バイパスから特定のノードまでの間の最小ホップ距離は、前記送信元ノードから前記宛先ノードまでの最小ホップ距離よりも小さい
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記トラフィック需要行列は、前記ノードの前記各対の間の端数需要から構築される
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ノードの前記各対の間の前記各トラフィック需要は、該ノードの該対の間の光リンクのラインレートＲに対して正規化され、前記方法は、
前記端数需要を得るために、前記各正規化されたトラフィック需要にｆｌｏｏｒ演算を適用するステップ
をさらに含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記トラフィック需要行列を更新するステップ、および前記２つの求めるステップを繰り返すステップ
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
リソースの分割が必要とされるときに、前記バイパスがエネルギーを削減するか否かを判断するステップと、前記バイパスが前記エネルギーを削減する場合にのみ前記ＸＣノードを置き換えるステップであって、そうでない場合には終了する、置き換えるステップと
をさらに含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記光ネットワークを通る最適なエネルギー効率の良い経路を求めるスパニング木を生成するステップ
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記送信元ノードは、前記スパニング木のルートによって表され、前記ノードの間のリンクは、前記スパニング木の枝によって表され、前記各リンクに関連付けられた限界イルミネーティッドは、前記枝によって接続された前記ノードの対の間の変動するトラフィック需要に対応する
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記送信元ノードの全ての１ホップの近隣ノードを前記木の異なる枝に、前記限界イルミネーティッドの増加する順で追加するステップ
をさらに含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
一般化マルチプロトコルラベルスイッチングにおいて、ユーザーネットワークインターフェースでエネルギー削減を達成する前記バイパスをアドバタイズするステップ
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
一般化マルチプロトコルラベルスイッチングにおいて、ネットワーク−ネットワークインターフェースでエネルギー削減を達成する前記バイパスをアドバタイズするステップ
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
レイヤ３ルーターで用いられるエネルギーイルミネーティッド関数を提供するステップ
をさらに含む請求項１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１４２９３３（Ｐ２０１２−１４２９３３Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２８１７５３（Ｐ２０１１−２８１７５３）
【出願日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【出願人】（５９７０６７５７４）ミツビシ・エレクトリック・リサーチ・ラボラトリーズ・インコーポレイテッド (484)
【住所又は居所原語表記】２０１ ＢＲＯＡＤＷＡＹ， ＣＡＭＢＲＩＤＧＥ， ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ ０２１３９， Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８１７５３（Ｐ２０１１−２８１７５３）
【出願日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【出願人】（５９７０６７５７４）ミツビシ・エレクトリック・リサーチ・ラボラトリーズ・インコーポレイテッド (484)
【住所又は居所原語表記】２０１ ＢＲＯＡＤＷＡＹ， ＣＡＭＢＲＩＤＧＥ， ＭＡＳＳＡＣＨＵＳＥＴＴＳ ０２１３９， Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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