特表 2024-517981 通信ネットワークにおける使用率分布を最適化するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-04-23

(54)【発明の名称】通信ネットワークにおける使用率分布を最適化するための方法

(51)【国際特許分類】

   H04L 41/142 20220101AFI20240416BHJP

【ＦＩ】

H04L41/142

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023570454

(86)(22)【出願日】2022-09-15

(85)【翻訳文提出日】2023-11-14

(86)【国際出願番号】 EP2022075647

(87)【国際公開番号】W WO2023041645

(87)【国際公開日】2023-03-23

(31)【優先権主張番号】102021004716.8

(32)【優先日】2021-09-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(31)【優先権主張番号】21205005.8

(32)【優先日】2021-10-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522288832

【氏名又は名称】フジツウ テクノロジー ソリューションズ ゲーエムベーハー

(71)【出願人】

【識別番号】595135947

【氏名又は名称】ドイチェ テレコム アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｄｅｕｔｓｃｈｅ Ｔｅｌｅｋｏｍ ＡＧ

【住所又は居所原語表記】Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈ－Ｅｂｅｒｔ－Ａｌｌｅｅ １４０， Ｄ－５３１１３ Ｂｏｎｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100135079

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 修

(72)【発明者】

【氏名】ガイツ・マーク

(72)【発明者】

【氏名】ホルシュケ・オリバー

(72)【発明者】

【氏名】シュラー・ティミー

(72)【発明者】

【氏名】ミュンヒ・クリスチャン

(72)【発明者】

【氏名】シンケル・フリッツ

(72)【発明者】

【氏名】エンゲル・セバスチャン

(57)【要約】

本発明は、量子概念プロセッサ（６）を使用して、通信ネットワーク（１）における使用率部分のルーティングを最適化するためのコンピュータ実装方法に関する。複数の通信ノード２のうち、起点ノードｏと終点ノードｄとの間で、決定されたデータボリュームの転送に対するトラフィック要求のセットがキャプチャされる。トラフィック要求（５）は、サブ要求（７、ｐ）にスプリットされる。各サブ要求（７、ｐ）の個別のルーティングのための選択的な通信経路（ｋ）のセットが指定される。選択的な通信経路（ｋ）のセット内のエッジ（ｅ）には、それぞれの使用率容量制限が割り当てられる。エッジ（ｅ）の部分容量使用率は、それぞれの使用率容量制限に基づいて計算される。次いで、計算された部分容量使用率が、二次応力関数の項として定式化される。量子論的概念プロセッサ６を用いて、二次応力関数が最小となるように、各サブ要求（７、ｐ）に対して、選択的な通信経路（ｋ）のセットから１つの通信経路（ｋ）を選択することにより、最適化されたルーティングが決定される。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

データトラフィックがルーティングされる通信ネットワーク（１）において、使用率分布を最適化するためのコンピュータ実装方法であって、前記通信ネットワーク（１）は、前記データトラフィックのルーティングのために通信経路のエッジ（４）を介して接続可能な複数の通信ノードを有し、前記方法は、
トラフィック要求のセット（５）をキャプチャすることであって、各トラフィック要求（５ａ～５ｃ）は、前記複数の通信ノード（２）のうち、起点ノード（ｏ）から宛先ノード（ｄ）への決定されたデータボリュームの転送を指定する、ことと、
前記トラフィック要求（５ａ～５ｃ）をサブ要求（７、ｐ）にスプリットすることと、
各サブ要求（７、ｐ）の個別のルーティングに対して選択的な通信経路（ｋ）のセットを指定することであって、前記選択的な通信経路（ｋ）のセット内のエッジ（ｅ）には、それぞれの使用率容量制限が割り当てられる、ことと、
各サブ要求（７、ｐ）に対して、前記選択的な通信経路（ｋ）のセット内の前記エッジ（ｅ）の部分容量使用率を計算することであって、前記部分容量使用率は、前記それぞれの使用率容量制限に基づいて計算される、ことと、
計算された前記部分容量使用率を二次応力関数の項として定式化することと、
量子論的概念プロセッサ（６）を使用して、前記二次応力関数が最小となるように、各サブ要求（７、ｐ）に対して、前記選択的な通信経路（ｋ）から１つの通信経路（ｋ１、ｋ２）を選択することにより、最適化されたルーティングを決定することと、を含む、方法。

【請求項2】

経路変数のセットを指定することであって、各経路変数は、前記選択的な通信経路のセット（ｋ）から、サブ要求（７、ｐ）のうちの１つと１つの通信経路（ｋ１、ｋ２）に関連付けられる、ことと、
前記二次応力関数において、経路項を定式化することであって、前記経路項は、前記選択的な通信経路（ｋ）のセットからのそれぞれの通信経路（ｋ１、ｋ２）の前記エッジ（ｅ）の算出された部分容量使用率を、前記選択的な通信経路（ｋ）のセットからの前記それぞれの通信経路（ｋ１、ｋ２）に関連付けられた前記経路変数と接続する、ことと、
前記量子論的概念プロセッサ（６）を使用して、前記二次応力関数が最小になるように、各サブ要求（７、ｐ）に対して、前記選択的な通信経路（ｋ）のセットから１つの通信経路（ｋ１、ｋ２）を選択するための経路項を計算することと、を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記経路項は、各サブ要求（７、ｐ）が前記選択的な通信経路（ｋ）のセットから正確に１つの通信経路（ｋ１、ｋ２）に沿ってルーティングされるという経路条件を考慮して計算される、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

トラフィック要求（５）は、決定された離散データボリュームを有するサブ要求（７、ｐ）にスプリットされる、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記二次応力関数は、前記トラフィック要求のセット（５）又は前記それぞれのサブ要求（７、ｐ）に対する以下の制約、すなわち、
異なるネットワークドメインにおける通信ネットワーク（１）の組織、
前記通信ネットワーク（１）のレイテンシ、のうちの１つ又は両方を考慮して定式化される、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

各サブ要求（７、ｐ）の個別のルーティングのための前記選択的な通信経路のセット（ｋ）は、以下の制約、すなわち、
前記通信ネットワーク（１）のサブネットワークに関連付けられた１つ以上の冗長な選択的な通信経路（ｋ）、
異なるネットワークドメインにおける通信ネットワーク（１）の組織、
前記通信ネットワーク（１）のレイテンシ、のうちの１つ以上を考慮して指定される、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

各サブ要求（７、ｐ）の個別のルーティングのための前記選択的な通信経路（ｋ）のセットは、トポロジー的に近い起点ノード及び宛先ノード（ｏ、ｄ）に対して、トポロジー的に遠い起点ノード及び宛先ノード（ｏ、ｄ）に対するよりも少ない数の選択的な通信経路（ｋ）が選択されるように指定される、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記二次応力関数は、二次制約なし二値最適（ＱＵＢＯ）関数として定式化される、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

請求項１に記載の方法の１つ以上のステップを実行するように構成された、量子概念プロセッサ（６）、特に、デジタルアニーリング処理ユニット又は量子アニーリング処理ユニット。

【請求項10】

命令を含むコンピュータプログラムであって、前記命令は、前記コンピュータプログラムが１つ以上のプロセッサによって実行されるときに、前記１つ以上のプロセッサの各々に、請求項１に記載の方法の１つ以上のステップを実行させる、コンピュータプログラム。

【請求項11】

請求項１０に記載のコンピュータプログラムが記憶されたコンピュータ可読記憶媒体。

【請求項12】

請求項１に記載の方法によって決定された最適化されたルーティングを検証するように構成された、ネットワークプランナーのためのワークプレイス。

【請求項13】

データトラフィックがルーティングされる通信ネットワーク（１）の複数の通信ノード（２）への１つ以上のインターフェースを含むインターフェース構成であって、請求項１に記載の方法によって決定された最適化されたルーティングを、前記通信ネットワーク（１）の前記通信ノード（２）に自動的に展開するように構成されたインターフェース構成。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、データトラフィックがルーティングされる通信ネットワークにおいて、使用率分布を最適化するためのコンピュータ実装方法に関し、通信ネットワークは、データトラフィックのルーティングのために通信経路のエッジ（リンク）を介して接続可能な複数の通信ノードを有する。本発明は、そのような方法を実行するために構成された量子概念プロセッサ、及びそのような方法を実行するように実装されたコンピュータプログラムにも関する。

【背景技術】

【0002】

通信ネットワークにおけるデータトラフィックに関する今日の要求は、これらの時代に劇的に増加している。最近の５Ｇの導入により、ますます多くのデバイス及びアプリケーションがデータトラフィックを新たなピークに押し上げている。さらに、デジタル化され分散化された作業の要求の増加と、民間世帯の国内環境におけるストリーミング要求の増加も、この傾向に大きく寄与している。インターネットのような通信ネットワークを介して転送されるデータ量の増加は、サービスプロバイダにとって大きな課題を課している。通信ネットワークの輻輳とユーザ体験の劣化を回避するために、トラフィックエンジニアリング技術は、ネットワークインフラストラクチャの比較的低速で高価な拡張を補完するために展開され得る。

【0003】

通信ネットワークにおけるデータトラフィック管理のために最も広く展開されているエンジニアリング技術は、リンク重みに関して計算される通信経路を前提として動作する。これらの重みは、リンク容量、すなわち、開始ノードから、そのリンクによってそれぞれエッジで接続された終了ノードまで、リンクを介してルーティングすることができる単位時間当たりの最大データ量に関連することが多い。データストリームの起点ノードから宛先ノードへの最終的なルーティングは、中間ノード及び所与のリンク又はエッジを考慮して、発見された最も短い経路の識別された経路に基づく。その結果、トラフィック要求をガイドするための最も単純で実用的な技法は、リンクメトリック又はＩＧＰ（Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｇａｔｅｗａｙ Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ）メトリックとも呼ばれるこれらのリンク重みの操作によるものである。エッジのリンク重みが高いほど、データがそれぞれのエッジを介してルーティングされる確率が高くなる。このアプローチに従って、反応的な方法で、特定のリンクに過大な負荷がかかる傾向があるときはいつでも、リンク重みが局所的に適応される。より体系的な方式では、この問題は、線形整数コンピュータプログラムを適用することによってさらに処理され、ここでは、最適化の目標は、ネットワークにおける最大リンク容量使用の最小化である。しかし、大域的に最適なメトリックのセットを見つけるタスクは非常に複雑である。計算の複雑さに関しては、このタスクはＮＰ困難である。これは、各リンクメトリックが多数の通信経路に影響を与える可能性があるためである。

【0004】

これまでに適用された線形最適化技術は、冗長性、地理的サブグループ又はサブドメイン（例えば、１つのモデルで考慮されるヨーロッパのネットワークと米国のネットワーク）、衛星の包含、サービス品質、ＱｏＳ、関係などの実際の非線形条件を考慮するときに、急速に限界に達する。さらに、既知の技術は、ネットワーク内の通信経路における未使用の容量使用率及びリンク容量の過負荷の問題につながることが多く、ここでは、多くのリンクがその容量限界に近い。

【発明の概要】

【0005】

したがって、本開示の問題は、容量制限に関して通信ネットワーク内の通信経路の最適化された利用を可能にし、それによって最適化されたルーティングを達成する強化された技術を提供することにある。

【0006】

この問題は、請求項１に記載の方法によって解決される。さらなる実施形態は、従属する請求項及び以下の説明に記載される。

【0007】

本方法は、データトラフィックがルーティングされる通信ネットワークにおいて使用率部分を最適化するためのコンピュータ実装手順であって、通信ネットワークは、複数の通信ノードを有する。通信ノードは、通信ネットワークのエッジによって接続される。一連のエッジは、データトラフィックのルーティングのための通信経路を生成する。したがって、このコンテキストにおける通信経路のエッジは、通信経路内の２つの隣接するノード間の接続を記載する。

【0008】

本方法は、
－ トラフィック要求のセットをキャプチャすることであって、各トラフィック要求は、複数の通信ノードのうち起点ノードから宛先ノードへの決定されたデータボリュームの転送を指定する、ことと、
－ トラフィック要求をサブ要求にスプリットすることと、
－ 各サブ要求の個別のルーティングに対して選択的な通信経路のセットを指定することであって、選択的な通信経路のセット内のエッジには、それぞれの使用率容量制限が割り当てられる、ことと、
－ 各サブ要求に対して、選択的な通信経路のセット内のエッジの部分容量使用率を計算することであって、部分容量使用率は、それぞれの使用率容量制限に基づいて計算される、ことと、
－ 計算された部分容量使用率を二次応力関数の項として定式化することと、
－ 量子論的概念プロセッサを使用して、二次応力関数が最小となるように、各サブ要求に対して、選択的な通信経路から１つの通信経路を選択することにより、最適化されたルーティングを決定することと、を含む。

【0009】

本方法は、ネットワーク内の全体的な容量が最適に使用されるように、最適化された通信経路に沿って通信ネットワーク内のネットワーク要求をルーティングする問題に確実に対処し、それにより、ネットワーク内のリンク容量が超過されることを回避する。

【0010】

本方法を適用することにより、トラフィック要求からの与えられたサブ要求ごとに、選択的な通信経路のセットから通信経路に対する１つの最適な選択肢が選択され得る。この選択は、ネットワーク内の使用される通信経路内の全てのエッジ（リンク）の容量が、それらに沿ってルーティングされるトラフィック要求の総ボリュームの上限として尊重され、ネットワーク内の全ての通信経路の平均負荷が最小になるように選択される。さらに、最大リンク利用率（ＭＬＵ）の最小化が達成され得る。

【0011】

このコンテキストにおける「トラフィック要求」は、３タプルとしてモデル化され、起点ノード（データストリームのソース）、終点ノード又は宛先ノード（データストリームの宛先）、及び起点と宛先の間で転送される決定されたデータトラフィックを定義する。焦点は、ネットワーク上で連続したデータストリームを提供することにあり、これは、与えられたトランスポートリンク上で指定された容量を超えることによって伝送中にデータが失われないようにモデル化され、ルーティングされる。このようなデータストリーム要求又は要求のデータ転送レートの測定は、現在、Ｇｂｐｓ（ギガビット／秒）で指定されている。

【0012】

このコンテキストでの「サブ要求」は、フラグメントにスプリットされたトラフィック要求である。したがって、１つのサブ要求は、決定されたデータボリュームパケットにスプリットされたデータボリュームに関して、初期トラフィック要求のフラグメントを表す。

【0013】

このコンテキストにおける選択的な通信経路は、一般に、ルーティング、パス長、又はネットワーク内の中間ノードの数に関するいかなる制限も受けない。しかしながら、選択的な通信経路のセットは、ネットワークを介して伝送される各サブ要求に関して予め決定される。このような予めの決定では、有用又は好適な経路は、レイテンシ（可能な限り最も短い経路、可能な限り最も少ないＩＰホップ）、冗長性（モデルは接続の障害に対して冗長性を持つべきである）、ドメイン（例えば、ＥＵ、ＵＳ）又は階層（コアネットワーク、アクセスネットワーク）などに関して考慮され得る。例えば、選択的な通信経路のセットは、各トラフィック要求又は各それぞれのサブ要求に対する可能な通信経路のサブセットである。選択的な通信経路のセットは、例えば、コンピュータ実装アルゴリズムによってアクセスされ得る「経路ボックス」として記憶される。有利には、二次応力関数を解く、すなわち、量子概念プロセッサによって、（大域的な）最小値を見つけるための十分に大きな解空間を提供するために、適切なだけの数の発散（最も多様な又は互いに素な）経路が経路ボックス内で予め選択される。このような予めの選択は、量子概念プロセッサの処理性能及び容量に依存する可能性がある。

【0014】

さらに、このコンテキストにおけるトラフィック要求は、理論的には、実際の実装に好適である任意の均等又は不均等なフラグメントサイズを有するサブ要求にスプリットされ得る。ここでのアプローチは、各トラフィック要求を複数のサブ要求にスプリットし、各サブ要求に対してネットワークを通る最適な通信経路を見つけることである。このようにして、このアプローチは、ソースルーティングの一種である、いわゆるＭＣＦＲ（Ｍｕｌｔｉ Ｃｏｍｍｏｄｉｔｙ Ｆｌｏｗ Ｒｏｕｔｉｎｇ）に基づいている。このようなトラフィック要求のスプリットは、量子概念プロセッサの処理性能及び容量に依存する可能性がある。

【0015】

各サブ要求に対して、選択的な通信経路のセット内のエッジの部分容量使用率を計算し、計算された部分容量使用率を二次応力関数の項として定式化することによって、上記に説明した最適化問題の複雑さに対処するために二次最適化問題を定式化することができる。このような二次最適化問題の適用は、通信経路の個別のエッジ上での高い容量使用率を大きく不利にする二次応力関数を定式化することができるという効果を有する。

【0016】

このようにして、二次応力関数が最小になるように、各サブ要求に対して、選択的な通信経路のセットから１つの通信経路を選択することによって、最適化されたルーティングが決定される。二次応力関数の最小値は、大域的な最小値であることが好ましいが、局所的な最小値とすることもできる。

【0017】

したがって、本方法は、容量制限に関してネットワークの均一な最小の利用を達成するために、ネットワークの均一な最小の利用と、ネットワーク内の容量制限までの距離の分散という技術的効果と利点を有する。

【0018】

基礎となる二次最適化問題は、上述したように、非常に複雑である。これは、選択された１つの通信経路が他の通信経路に影響を与える可能性があること、及びネットワーク内の複数の起点ノードと宛先ノードとの間で管理される膨大な量のデータトラフィックによるものだけではない。また、考慮しなければならない多くの実際的な制約があるため、この問題は非常に複雑である。より多くの制約が実装されるにつれて、このような問題はより複雑になり、解くことが困難になる。これは、トラフィックエンジニアリング解が迅速に必要とされる場合、例えば、予期しないネットワーク障害への対応として、又はレイテンシ（可能な限り最も短い経路、可能な限り最小のＩＰホップ）、冗長性（モデルは、１つ以上／多数のエッジの障害、計画された停止、又はネットワークリンクのメンテナンスに対して冗長とすべきである）、ドメイン（ＥＵ、ＵＳ）又は階層（コアネットワーク、アクセスネットワーク）などのさらなる実際的な制約を考慮している場合には、問題があるか、困難である。ここに記載された方法は、根本的な問題がますます複雑になる従来のアプローチと比較して、その強度を有利に示す。言い換えれば、上記に説明されたような実際的な制約を考慮した複雑な最適化問題に対して、ここに記載された方法は、従来の技術に対してかなりの強さを有する。

【0019】

ここに記載された方法は、量子コンピューティングに触発されたアプローチを利用する。トラフィック要求のセットの全てのサブ要求に対する最適化された通信経路を決定するための二次応力関数の最適解の計算は、いわゆる量子論的概念プロセッサによって実行される。本開示のコンテキストにおける量子概念プロセッサとして、いわゆる「イジングモデル」又は等価な二次制約なし二値問題を解くプロセッサが定義される。例えば、量子アニーリングや量子アニーリングエミュレーションを用いて最適化問題を解くように構成されたプロセッサである。このようなプロセッサは、例えば、従来のハードウェア技術、例えば、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）技術に基づく。このような量子概念プロセッサの例として、富士通のデジタルアニーラがある。代替的には、他の任意の量子プロセッサを、本明細書に記載された方法に使用することができ、将来は、実際の量子ビット技術に基づく技術も使用することができる。このような量子概念プロセッサのさらなる例は、ＤＷａｖｅの量子アニーラ（例えば５０００Ｑ）だけでなく、ＱＡＯＡ又はＶＱＥなどの量子最適化アルゴリズムを利用する量子論的ゲートコンピュータ（ＩＢＭ、Ｒｉｇｅｔｔｉ、ＯｐｅｎＳｕｐｅｒＱ、ＩｏｎＱ 又はＨｏｎｅｙｗｅｌｌ）もある。

【0020】

言い換えれば、本明細書で定義される量子概念プロセッサは、特殊なプロセッサの古典的技術、量子ゲートコンピュータ、又は量子アニーラのいずれかで、いわゆる二次制約なし二値最適化（ＱＵＢＯ）関数の最小化の概念を実現するプロセッサである。

【0021】

少なくとも１つの実装では、本方法は、
－ 経路変数のセットを指定することであって、各経路変数は、選択的な通信経路のセットから、サブ要求のうちの１つと１つの通信経路に関連付けられる、ことと、
－ 二次応力関数において、経路項を定式化することであって、経路項は、選択的な通信経路のセットからのそれぞれの通信経路のエッジの算出された部分容量使用率を、選択的な通信経路のセットからのそれぞれの通信経路に関連付けられた経路変数と接続する、ことと、
－ 量子論的概念プロセッサを使用して、二次応力関数が最小になるように、各サブ要求に対して、選択的な通信経路のセットから１つの通信経路を選択するための経路項を計算することと、をさらに含む。

【0022】

このようにして、各サブ要求に対して、ネットワーク内の隣接するノード間の接続の連結に沿った、１つの選択された通信経路上の起点ノードと宛先ノードとの間の最適ルーティングを個別に計算することができる。これは、特に、上記に説明されたようなＭＣＦＲアプローチを考慮した場合に、データトラフィックの非常に柔軟で可変のルーティングのエレガントな実装を提供する。したがって、（例えば、異なる中間ノードを介した）異なるサブ要求に対する異なる通信経路は、ネットワーク内の通信経路の各エッジでの容量使用率の過負荷又は重大な増加を回避し、ネットワーク全体にわたって最適化された方式で全体的な容量使用率を分布させるために、選択され得る。

【0023】

選択的な通信経路内のエッジの計算された部分容量使用率を、それぞれの通信経路に関連付けられた経路変数と接続することにより、全てのサブ要求に対する二次応力関数の最適解（最小値）の計算が可能となる。このようにして、各サブ要求に対して経路ボックスから１つの経路を最適に選択することが、上記に説明した最適化問題を満たすために達成され得る。したがって、１つのサブ要求に対して選択された通信経路が、他のサブ要求に対して可能な他の通信経路に与える影響が緩和され得る。これにより、ルーティングの自由度が非常に高くなるが、解くのは非常に複雑である。全てのサブ要求に対する経路ボックスからのそれぞれの経路の最適化された選択は、上記に説明されたように、量子概念プロセッサによって実行される。

【0024】

本方法の少なくとも１つの実装では、経路項は、各サブ需要が、選択的な通信経路のセットから正確に１つの通信経路に沿ってルーティングされるという経路条件を考慮して計算される。このような経路条件は、各サブ要求が経路ボックスから正確に１つの経路にのみ割り当てられるように、方法に対する制約又は「境界」を形成する。これにより、望ましくない解が回避され、各サブ要求のルーティングが十分に考慮されることが保証される。

【0025】

本方法の少なくとも１つの実装では、トラフィック要求は、決定された離散（ｄｉｓｃｒｅｔｅ）データボリュームを有するサブ要求にスプリットされる。サブ要求は、実装及び実際的な考慮に応じて、各々同じサイズ又は異なるサイズを有することができる。例えば、ボリュームサイズが１０００Ｇｂｉｔ／ｓのトラフィック要求は、５０Ｇｂｉｔ／ｓの偶数サイズの複数のサブ要求にスプリットされる。代替的に、異なるサイズを有するサブ要求が生成され、異なるサブ要求は、例えば、５０、１００、及び２５０Ｇｂｉｔ／ｓの異なるサイズを有してもよい。決定された離散データボリュームを有するサブ要求へのトラフィック要求のスプリットは、ネットワーク内で実際に実装可能なアルゴリズム手順の効果を有し、安定で信頼性のあるデータストリームの制御を維持するのに役立つ。このようにして、このようなアプローチは、一種の離散ＭＣＦＲアプローチである。

【0026】

本方法の少なくとも１つの実装では、二次応力関数は、トラフィック要求のセット又はそれぞれのサブ要求に対する以下の制約、すなわち、
－ 異なるネットワークドメインにおける通信ネットワークの組織、
－ 通信ネットワークのレイテンシ、のうちの１つ又は両方を考慮して定式化される。

【0027】

二次応力関数の定式化においてこのような制約を考慮することにより、上記の条件に反する最適化問題の解にペナルティを課すことができる。これにより、通信ネットワークの実際のネットワーク条件の実際的な制約を考慮して、好適な最適解を見つけることが可能となる。

【0028】

本方法の少なくとも１つの実装では、各サブ要求の個別のルーティングのための選択的な通信経路のセットは、以下の制約、すなわち、
－ 通信ネットワーク（１）のサブネットワークに関連付けられた１つ以上の冗長な選択的な通信経路、
－ 異なるネットワークドメインにおける通信ネットワークの組織、
－ 通信ネットワークのレイテンシ、のうちの１つ以上を考慮して指定される。

【0029】

これは、最適化されたルーティングの計算が、通信ネットワーク内のゾーン、セグメント、又はサブネットワークにおける障害に反応して補償することができ、ネットワークの異なるドメインを考慮し、及び／又はネットワークにおけるレイテンシに反応して補償することができるという有利な効果を有する。これはまた、全てのサブ要求の最適化されたルーティングの計算において、それぞれのサブネットワーク、ドメイン、及びレイテンシを強調することを可能にする、追加の自由度を与える。例えば、通信ネットワーク内のあるゾーン又は領域は、他のゾーン又は領域よりも大きな重要度、重要性又は使用密度を有することができる。これは、そのような方策によって対抗され得る。また、通信ネットワークは、異なるサブネットワークにセグメント化されて、この点に関して異なるレイテンシ要件をよりよく処理することができる。

【0030】

本方法の少なくとも１つの実装では、各サブ要求の個別のルーティングのための前記選択的な通信経路のセットは、トポロジー的に近い起点ノード及び宛先ノードに対して、トポロジー的に遠い起点ノード及び宛先ノードに対するよりも少ない数の選択的な通信経路が選択されるように指定される。これは、通信経路の全ての可能な組み合せ及び選択肢が、各それぞれのサブ要求に対して、経路ボックス内の好適な数の選択的な経路に凝縮され得るという利点を有する。トポロジー的に近い起点ノード及び宛先ノードに対しては、より少ない数の選択的な通信経路で十分であるが、トポロジー的に遠い起点ノード及び宛先ノードに対しては、より多い数の選択的な通信経路が推奨される。近い起点ノードと終点ノードに対しては、むしろ短い経路が好まれるが、遠い起点ノードと終点ノードに対しては、十分な代替ルート又は迂回が考慮され得る。したがって、起点ノードと宛先ノードとの間の「距離」が増加するにつれて、各々の場合において、アルゴリズムの複雑さに過度の負担をかけることなく、好適かつ十分な選択肢及び代替案を、選択的な通信経路として事前に決定することができる。

【0031】

本方法の少なくとも１つの実装では、二次応力関数は、二次制約なし二値最適（ＱＵＢＯ）関数として定式化される。このＱＵＢＯ関数は、上記の方法により、全てのサブ要求の最適化されたルーティングのために、この最適化問題を解決する量子概念プロセッサの「入力」として機能する。一般に言えば、ＱＵＢＯは、ビット又は量子ビット（以下、Ｑビット）として量子概念プロセッサ内で表現される二値変数の二次多項式である。本開示の最適化問題のコンテキストでは、ＱＵＢＯ関数は、異なるＱビットの関数として、選択的な通信経路内のそれぞれのエッジの部分容量使用率の可能性がある寄与の合計を表し、各Ｑビットは、値「０」又は値「１」を仮定することができる経路代替の選択を表す。二次最適化問題（二次応力関数）を解くために、量子論的概念プロセッサは、二次最適化問題を最小化するような解を見つけるために、異なるＱビットの異なるセッティングを実行する。このようにして、最適化問題のＱＵＢＯ表現は、ここで適用される量子概念コンピューティングに関してエレガントな特性を有する。例えば、上記に説明した経路変数は、そのようなＱビットの形式で定式化される。

【0032】

本方法の少なくとも１つの実装では、二次応力関数及び経路条件は、上記に説明されたように、大域的なＱＵＢＯ関数に向けて重み付け及び結合される。大域的なＱＵＢＯ関数では、上記に説明した制約のうちの１つ以上を考慮することができる。この点に関して、上記に説明した制約のうちの１つ以上は、ソフト制約としてＱＵＢＯ関数内で重み付けされ得る。これは、ＱＵＢＯ機能が、ネットワーク全体にわたる均一な容量使用率分布の最適化、又は前述の（ソフト）制約の１つ以上の達成のいずれかの最適化問題の焦点に応じて、ある程度微調整され得るという利点を有する。

【0033】

上述の問題は、添付の特許請求の範囲に請求されてれている量子概念プロセッサによっても解決される。量子概念プロセッサは、上記のような方法の１つ以上のステップを実行するために構成される。例示的な実装によれば、量子概念プロセッサは、デジタルアニーリング処理ユニットである。このユニットは、上記に説明されたように、量子アニーリング又は量子アニーリングエミュレーションを実行するように特別に構成され得る。量子概念プロセッサは、任意のタイプの上記に説明したもののうちのものとすることができる。

【0034】

上述の問題は、命令を含むコンピュータプログラムであって、命令は、プログラムが１つ以上のプロセッサによって実行されるときに、１つ以上のプロセッサの各々に、上述の記載の方法の１つ以上のステップを実行させる、コンピュータプログラムによっても解決される。これらのプロセッサのうちの少なくとも１つは、例えば、上記で説明されたような量子概念プロセッサである。他のプロセッサは、コンピュータプログラムを実行することによって、上記で説明されたような方法の予備的ステップ又は反復的ステップを処理するために構成され得る。

【0035】

さらに、上述されたような方法によって決定された最適化経路を検証するためにネットワークプランナーのためのワークプレイスによっても上述の問題は解決される。このようなワークプレイスは、例えば、上述されたような方法によって決定された最適化された経路の（自動又は半自動の）検証のために構成された検証手段を有する。これは、ネットワークプランナーが、上述されたような方法によって見つけられた最適化結果を検証するのに機能する。検証手段は、ソフトウェア及び／又はハードウェアで実装され得る。例えば、ワークプレイスは、上述されたような方法を実行する量子概念プロセッサを含むシステムと通信するか、又はこれに接続され得る。次いで、結果は、ワークプレイスに引き継がれ得る。

【0036】

さらに、上述の問題はまた、データトラフィックがルーティングされる通信ネットワークの複数の通信ノードへの１つ以上のインターフェースを含むインターフェース構成によっても解決され、インターフェース構成は、上述されたような方法によって決定された最適化されたルーティングを、通信ネットワークの通信ノードに自動的に展開するように構成されている。このようにして、上述されたような方法によって決定された最適化されたルーティングは、それぞれの通信ネットワークの複数の通信ノードに（自動的に又は半自動的に）展開され得る。例えば、インターフェース構成は、上述のされたようなワークプレイス、又は上述されたような方法を実行する量子概念プロセッサを含むシステムと通信するか、又はこれに接続され得る。結果は、インターフェース構成に引き継がれ得る。

【0037】

さらに、コンピュータ実施手順の上記に説明したステップのうちの１つ以上のための予備的な方策として、それぞれの最適化の前に通信ネットワークからパラメータを読み出し、そのようなパラメータを説明されたコンピュータ実施最適化手順に入力するためのインターフェースが実装又は使用され得る。パラメータは、例えば、ネットワーク構成、ネットワークのグラフ記述のための隣接情報、ネットワーク内の利用可能な容量、及び予想されるトラフィック要求を含む。

【0038】

上記で説明された方法に関連して単独で又は互いに組み合わせて記載される任意の態様、特徴、効果及び方策は、上記で説明された量子概念プロセッサ又はコンピュータプログラムに関連して単独で又は互いに組み合わせて記載される態様、特徴、効果及び方策に適用されるか、又は類似の表現を見つけることができ、逆もまた同様である。

【図面の簡単な説明】

【0039】

本発明は、複数の図面の助けを借りていくつかの実装を考慮して、以下にさらに記載される。

【0040】

【図1】従来のアプローチに従ったトラフィック要求の例示的なルーティングを有する通信ネットワークの例示的な構成を示す。

【図2A】代替的なアプローチに従ったトラフィック要求の例示的なルーティングを有する通信ネットワークの例示的な構成を示す。

【図2B】本発明によるアプローチに従ったトラフィック要求の例示的なルーティングを有する通信ネットワークの例示的な構成を示す。

【図3】起点ノードと宛先ノードとの間のトラフィック要求のルーティングのための選択的な通信経路の例示的な概略図を示す。

【図4A】本発明によるアプローチに従う部分的な最適化問題の例示的な数学的定式化を示す。

【図4B】本発明によるアプローチに従う部分的な最適化問題の例示的な数学的定式化を示す。

【図5】本発明によるアプローチを実行するアルゴリズムの例示的な概略図を示す。

【0041】

図１は、従来のアプローチに従ったトラフィック要求５ａ、５ｂ及び５ｃの例示的なルーティングを有する通信ネットワーク１の例示的な構成を示す。通信ネットワーク１は、複数の通信ノード２を含む、２つの隣接する通信ノード２間の接続４をエッジと呼ぶ。これは、通信ノード２と別の通信ノード２ｃとの間で示され、これらは、接続４を介して相互に通信することができる。通信ネットワーク１の歴史的に成長した構成及び実装に応じて、いくつかの通信ノード２は、いわゆる集約ノード３に集約される。図１に例示的に示されるように、例えば、通信ノード２ａは、集約ノード３ａ内に集約され、他の通信ノード２ｂ、２ｄ、２ｅは、集約ノード３ｂ内に集約される。

【0042】

通信ノード２は、例えば、ネットワーク１内の着信及び発信データトラフィックをルーティングするための、いわゆるラベルエッジルータ（ＬＥＲ）である。集約ノード３は、メタノードと呼ばれ、ネットワーク１の特定の領域におけるＬＥＲの集約ゾーンである。例えば、集約ノード３は、通信が行われるべき決定された経済地域又は都市の集中集約ゾーンである。他のアプリケーションでは、集約ノード３は、例えば、産業ネットワーク又はトラフィックネットワークなどのエンティティとすることができる。

【0043】

通信ネットワーク１は、一般に、部分的にマッシュされている。これは、全ての通信ノード２が他の全ての通信ノード２と接続されているわけではないことを意味する。その代わりに、ネットワーク１に実装されたいくつかの通信ノード２の間には、例えば、ネットワーク１の歴史的発展から生じた、いくつかの接続４（点線の接続を参照）しかない。それぞれの通信ノード２間の接続４は、例えば、光ファイバ接続によって実装される。しかし、無線技術（例えば、５Ｇ）及び銅線／ＤＳＬ技術などの他の技術も一般に適用可能である。

【0044】

上記に説明したように、図１は、トラフィック要求５ａ、５ｂ及び５ｃの特定のシナリオを示し、それに従って、特定のデータ量が、ネットワーク１内のそれぞれの通信ノード２間で転送されなければならない。例示的に示されるように、第１のトラフィック要求５ａは、集約ノード３ａ内の通信ノード２ａと、集約ノード３ｄ内の別の通信ノード２ｆとの間にある。第２のトラフィック要求５ｂは、集約ノード３ｂ内の通信ノード２ｅと、繰り返しになるが集約ノード３ｄ内の通信ノード２ｆとの間にある。第３のトラフィック要求５ｃは、集約ノード３ｃ内の通信ノード２ｃと、繰り返しになるが集約ノード３ｄ内の通信ノード２ｆとの間にある。したがって、各トラフィック要求５ａ、５ｂ及び５ｃは、起点ノードから宛先ノードに転送される決定された量を定義する。図１による例示的なシナリオでは、トラフィック要求５ａに対する起点ノードは通信ノード２ａであるが、トラフィック要求５ａに対する宛先ノードは通信ノード２ｆである。同様に、トラフィック要求５ｂに対して、起点ノードは通信ノード２ｅであり、宛先ノードは通信ノード２ｆである。さらに、同様に、トラフィック要求５ｃに対して、起点ノードは通信ノード２ｃであり、繰り返しになるが宛先ノードは通信ノード２ｆである。

【0045】

代替の実装では、トラフィック要求は、それぞれの集約ノード３内のどの内部通信ノード２で通信が開始又は終了するかに関係なく、集約ノード３間の要求として定義することができる。例えば、要求５ａ、５ｂ、５ｂは、集約ノード３ａと３ｄとの間の要求（要求５ａ）、集約ノード３ｂと３ｄとの間の要求（要求５ｂ）、集約ノード３ｄと３ｄとの間の要求（要求５ｃ）と定義することができる。このような実装では、それぞれの集約ノードとその内部通信ノードとの間に「仮想」エッジがあり、仮想エッジは非常に高い容量を有する。これは、それぞれの集約ノード３内の内部通信ノード２上で通信が開始又は終了することが重要な役割を果たさないという効果につながる。

【0046】

各トラフィック要求５ａ、５ｂ及び５ｃは、ネットワーク１にネットワークの容量の使用率、すなわち、ネットワーク１内のそれぞれの通信ノード２間の可能性がある通信経路のそれぞれの接続４の容量の使用率で負担をかける。図１の例示的なシナリオでは、トラフィック要求５ａは、通信ノード２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、及び２ｆを介して、通信ノード２ａから通信ノード２ｆに転送される。これと並行して、通信ノード２ｅと２ｆとの間の接続４を介して、トラフィック要求５ｂが単純に転送される。さらに、トラフィック要求５ｃは、通信ノード２ｄ、２ｅ、及び２ｆを介して、通信ノード２ｃから通信ノード２ｆに転送される。このシナリオでは、主に２つの欠点が発生する。第１の欠点は、トラフィック要求５ａ及び５ｃを転送するための通信経路が長く、ネットワーク１を通るかなり複雑な経路であることにある。これらの転送は、トラフィック要求５ａ及び５ｃを転送するために、ネットワーク１内に複数の通信ノード２及び接続４を埋め込み、これは、ネットワーク内の他の転送に大きな影響を与える可能性がある。第２の欠点は、全てのトラフィック要求５ａ～５ｃが、最終的に、通信ノード２ｅ及び２ｆの間の接続４を介して転送されるという事実にある。したがって、ノード２ｅと２ｆとの間の接続４のリンク容量は、かなりの程度までの負荷となる。これは、ノード２ｅと２ｆとの間の接続４の過負荷につながり、レイテンシの増加又はデータの損失などをもたらすことがある。

【0047】

図２Ａは、代替的なアプローチに従ったトラフィック要求５ａ、５ｂ及び５ｃ（上記を参照）の例示的なルーティングを伴う通信ネットワーク１の例示的な構成を示す。図２Ａによるシナリオでは、トラフィック要求５ａに対して、トラフィック要求５ａが、繰り返しになるが通信ノード２Ａで開始し、通信ノード２ｂ、２ｄ、２ｅ、及び２ｆに続く代替的な通信経路上で転送されるように、代替的な経路が選択される。代替的な経路は、例えば、ネットワーク１内の接続４のリンク重みを操作することにより選択される。

【0048】

図２Ａによるシナリオは、トラフィック要求５ａの転送のための通信経路が、短い経路戦略に近くなり、それによって、他の転送に対する影響を低減するために、ネットワーク１内の関与する通信ノード２及び接続４の数を低く（少なくとも図１のシナリオよりも低く）保ち、図１のシナリオよりも有利である。しかし、図２Ａのシナリオにおいても、他の欠点が残っており、それによれば、ノード２ｅと２ｆとの間の接続４には、トラフィック要求５ａ～５ｃの３つ全てがネットワーク１のこの接続を通過し依然として重い負荷がかかっている。

【0049】

図２Ｂは、図１及び図２Ａによる通信ネットワーク１の例示的な構成を示すが、ここでは、トラフィック要求５ａ～５ｃの例示的なルーティングが本発明によるアプローチに従う。図２Ｂのシナリオでは、３つの全てのトラフィック要求５ａ～５ｃのデータボリュームに関して最適化された複数の通信経路が選択される。この点に関して、トラフィック要求５ａ～５ｃは全て複数のサブ要求にスプリットされており、各サブ要求は、トラフィック要求５ａ～５ｃのうちの関連するもののデータボリュームの離散フラグメントを表す。これは、図２Ｂに示されており、トラフィック要求５ａ～５ｃは、破線の矢印によってのみ示されている。したがって、図２Ｂの実装によれば、各トラフィック要求５ａ～５ｃに対して、１つの規定された経路だけでなく、各トラフィック要求５ａ～５ｃの各サブ要求に関する複数の（異なる、別個の）経路がある。

【0050】

したがって、図２Ｂによるシナリオは、複数のフラグメント（サブ要求）にスプリットされたトラフィック要求５ａ～５ｃの全体的なデータボリュームを、ネットワークを介してそれぞれの起点からそれぞれの宛先までの非常に異なる通信経路上で転送する。したがって、このアプローチは離散ＭＣＦＲアプローチに従う。図２Ｂによるシナリオの実質的な価値は、全てのトラフィック要求５ａ～５ｃの全体的なデータボリュームがネットワーク全体に分布し、それにより、ネットワーク内の単一セグメントにわたって大きな負荷が転送され、ネットワーク内の単一接続４に大きな負担をかけることを回避するという事実にある。

【0051】

したがって、図２Ｂのシナリオは、図１及び２Ａによるアプローチの欠点を解決し、それによって、可能な限り異なるトラフィック要求５ａ～５ｃの転送間の影響及び採用の低減と共に、ネットワーク１内で転送されなければならない全てのトラフィック要求５に対して、ネットワーク１内の接続４の全体的な容量使用率の均一で最適化された分布を達成する。

【0052】

以下では、図２Ｂによるアプローチの実装をさらに詳細に説明する。

【0053】

解決すべき最適化問題は、数学的に定式化された二次応力関数（コア最適化問題）が最小化されるように、それぞれのトラフィック要求５のフラグメントとしての各サブ要求に対して、選択的な通信経路のセットから１つの通信経路を選択することによって、ネットワーク１を通る最適化されたルーティングを決定することにある。これは、ネットワーク１内の全てのトラフィック要求５の全てのサブ要求に対して、ネットワーク１内の接続４の全体的な容量使用率がネットワーク１にわたって均一に最小化することができるという効果と共にそれぞれの通信経路を選択するという目的を果たす。これにより、接続４に、重い負担又は過大な負荷がかかることが回避される、一方、他の接続４の小さな負荷は、そのようなストレスを著しく低下させることができる。

【0054】

上記の効果を達成するために、通信ネットワーク１内のルーティングを最適化するためのコンピュータ実装アルゴリズム方法が実装される。これは、以下に説明される。

【0055】

図３は、起点ノードｏと宛先ノードｄとの間のトラフィック要求のフラグメント（サブ要求）のルーティングのための選択的な通信経路ｋ１及びｋ２の例示的な概略図を示す。（トラフィック要求ｏ，ｄがスプリットされる）決定されたデータボリュームの複数のサブ要求が、ｏとｄの間で転送される。ここで、コア最適化問題は、ネットワーク内の容量の全体的な使用率がネットワーク内で均一に最小化されるように、選択的な通信経路内の接続の全体的な容量使用率が最小化されるように、ｏとｄの間の全てのサブ要求に対して最適に分布した通信経路を選択し、決定することにある。

【0056】

図３によれば、選択的な通信経路ｋ１～ｋ２のセットが予め指定される。これは、転送される各サブ要求に対して、起点ノードｏと宛先ノードｄとの間の選択的な通信経路を計算する任意の好適な経路計画アルゴリズムの適用を通じて行われ得る。図３に例示的に示されているように、経路ｋ１は、ｏ１から中間ノードｉ１を介してｄ１に至る。経路ｋ２は、ｏ１から別の中間ノードｉ２を介してｄ１に至る。これらは、起点ｏから宛先ｄへの各サブ要求に含まれるデータトラフィックのルーティングのための選択的な通信経路である。計画経路ｋ１、ｋ２は、経路ボックスの形態で予め記憶され、経路ボックスから各サブ要求に対して１つの経路を選択するためのアルゴリズムによってアクセスされ得る。

【0057】

図３は、エッジｅ１及びｅ２としてさらに参照され、選択的な通信経路ｋ１、Ｋ２内にある２つの例示的な接続をさらに示す。エッジｅ１は、中間ノードｉ１と宛先ｄとの間に構成され、エッジｅ２は、中間ノードｉ２と宛先ｄとの間に構成される。

【0058】

経路ボックスｋ１、ｋ２に基づいて、起点ｏと宛先ｄの間の２つのサブ要求のルーティングのための異なるオプションを例示的に仮定する。サブ要求ごとのルーティングの１つの選択肢は、データトラフィックがエッジｅ１を介して転送されるような経路ｋ１である。サブ要求ごとのルーティングの他の選択肢は、データトラフィックがエッジｅ２を介して転送されるような経路ｋ２である。サブ要求ごとのデータトラフィックのルーティングのためのこれらの異なる選択肢から分かるように、２つのサブ要求の各々に対して通信経路の組み合わせがあり、２つのエッジｅ１及びｅ２にはそれぞれ１つのサブ要求のみの負担がかかる。これは、例えば、経路ｋ１を通る一方のサブ要求と経路ｋ２を通る他方のサブ要求で与えられる。しかし、エッジｅ１及びｅ２の一方に両方のサブ要求の負荷が実質的かつ重くかかり、エッジｅ１及びｅ２の他方が全く使用されない通信経路の可能な組み合わせもある。これは、同じ経路ｋ１又はｋ２を通る両方のサブ要求で与えられる。

【0059】

後者の組み合わせは、エッジｅ１及びｅ２のうちの一方の容量使用率が著しく高く、それぞれのエッジの過負荷又は故障をもたらす可能性があるという重大な欠点を有する。したがって、最適化問題は、全体的な容量使用率が両方のエッジｅ１及びｅ２の両方にわたって分布するように、ｏとｄとの間の全てのサブ要求に対して分布した通信経路を決定し、選択することにある。

【0060】

この最適化問題を解くために、全てのトラフィック要求がスプリットされるサブ要求のセット全体に対して、選択的な通信経路ｋ１、ｋ２のセット内の全てのエッジの部分容量使用率が計算される。図３に例示的に与えられるように、このような方策は、ｏとｄとの間のサブ要求の各々に対するエッジｅ１及びｅ２の各々の部分容量使用率の計算を含む。それぞれのエッジの「部分容量使用率」とは、各エッジのそれぞれの使用率容量制限に基づいて、このエッジを介して伝送される各サブ要求に必要な容量使用率の部分（ｆｒａｃｔｉｏｎ）が計算されることを意味する。

【0061】

例えば、図３に関して、ｏとｄとの間の各サブ要求が、それぞれのエッジを通過するときに、各エッジｅ１及びｅ２の最大使用率容量の半分を必要とすると仮定する（すなわち、容量の５０％）。これは、エッジｅ１及びｅ２に、それぞれのサブ要求がそれぞれのエッジを通過するときに、ｏとｄとの間の各サブ要求に対するその使用率容量の半分の負担がかかることを意味する。言い換えれば、一方のサブ要求が経路ｋ１を通り、他方のサブ要求が経路ｋ２を通る場合、エッジｅ１及びｅ２の両方に、それら使用率容量制限の５０％の負担がかかる。そうでなければ、両方のサブ要求が１つの同じ経路ｋ１又はｋ２を通る場合、それぞれのエッジｅ１（ｋ１の場合）又はｅ２（ｋ２の場合）には、十分かつ完全に負担がかかり（２ｘ５０％＝１００％）、それにより、その容量制限に達し、エッジ容量全体の利用をもたらす。

【0062】

このような部分容量使用率の計算は、図３のシナリオでは、選択的な通信経路ｋ１及びｋ２内にある残りの全てのエッジに対して実行される。次いで、計算された部分容量使用率は、以下で詳細に説明し、かつ図４Ｂを参照して、二次応力関数の項として定式化される。

【0063】

図４Ａ及び図４Ｂは、図２Ｂ及び図３に関して、上記に説明されたようなアプローチに従う部分的な最適化問題の例示的な数学的定式化を示す。図４Ａ及び図４Ｂの数学的定式化は、いわゆるハミルトニアン関数、短いハミルトニアンとして表される。

【0064】

図４Ａの数学的定式化は、それぞれの起点と宛先（ｏ、ｄ）との間の各サブ要求が、経路ボックスＰ（ｋ∈Ｐ）から正確に１つの経路ｋに沿ってルーティングされることにより経路条件を定式化する。これは、図３のシナリオに対して、ｏとｄとの間の各サブ要求がｋ１又はｋ２を通ることを意味する。

【0065】

図４Ａの数学的定式化は、値「０」又は値「１」（又は、その両方が特定の確率を有する）を仮定することができ、ビット（又は、以下で使用されるようなｑビット）として量子論的概念プロセッサにおいて表されるバイナリ変数

【数1】

の合計項として定式化される。各選択的な経路ｋ∈Ｐに対して、かつ、起点ｏから宛先ｄまでのパケットサイズｐを有する各サブ要求を考慮して、それぞれのＱビット

【数2】

が経路変数としてセットされ得る。それぞれのＱビット

【数3】

は、それぞれのサブ要求が通信経路ｋを通る場合、値「１」にセットされ、通らない場合、値「０」にセットされる。図４Ａのハミルトニアンの定式化を考慮すると、ハミルトニアンは「０」に等しくなければならない。これは、各サブ要求ｐに対して、１つの経路変数

【数4】

のみが値「１」を仮定し、他の経路に対する他の全ての経路変数

【数5】

が値「０」を有するように、正確に１つのパスｋ∈Ｐが選択される場合にのみ満たされる。そうでなければ、経路ｋが選択されないか、又は複数の経路ｋが選択される場合、図４Ａの条件は満たされない。図４Ａのハミルトニアンとして数学的に定式化された経路条件は、ネットワーク内の全てのサブ要求の最適化されたルーティングの全体的な計算のために、このサブ要求ｐを考慮するために、各サブ要求ｐに対して正確に１つの通信経路ｋが選択されなければならないという効果を有する。

【0066】

図４Ｂによるハミルトニアンの数学的定式化は、ネットワーク内の全てのエッジＥのうちのエッジｅ（ｅ∈Ｅ）の計算された部分的容量使用率を考慮した二次応力関数として定式化されるコア最適問題を表し、エッジｅは、全てのトラフィック要求ｏ、ｄに対して、選択的な通信経路ｋ∈Ｐのセット内にある。したがって、ここでのコア最適化問題は、ネットワーク内で伝送される全てのサブ要求に対して最適化された通信経路を見つけるために、図４Ｂによりハミルトニアンを最小化することにある。

【0067】

図４Ａの式が満たされると仮定すると、図４Ｂのハミルトニアンは、全ての起点ｏと宛先ｄとの間の全てのサブ要求ｐを考慮して、選択的な通信経路ｋ内の各エッジｅに対する合計項を考慮する。したがって、図４ＢのＱＵＢＯは、次いで、選択的な通信経路ｋの一部である全てのエッジｅの、全ての計算された部分容量使用率

【数6】

を合計する。ここで、

【数7】

は、それぞれのサブ要求ｐのボリュームを表し、

【数8】

は、それぞれのエッジｅの容量を表す。部分容量使用率

【数9】

は、経路項に向けてそれぞれのＱビット

【数10】

（経路変数）と接続される。上記に説明されたように、Ｑビット

【数11】

は、それぞれのＱビット

【数12】

に関連付けられた選択的な経路が考慮されるかどうかに応じて、値「０」又は値「１」のいずれかを仮定することができる。

【0068】

２つのサブ要求ｐ１、ｐ２及び２つのエッジｅ１及びｅ２の例示に対する図３のシナリオを考慮すると、図４Ｂによるハミルトニアンは、以下の式を有してもよい。

【数13】

【0069】

各サブ要求ｐ１、ｐ２がそれぞれのエッジｅ１、ｅ２にそれらの容量の半分（５０％）の負担をかけるという仮定の下で、上記に説明されたように、ｐ１及びｐ２が異なるパスｋ１、ｋ２を介してルーティングされる場合、上記の項は最小値に達する。そして、上記の項は以下のようである。

【数14】

【0070】

そうでなければ、ｐ１及びｐ２が１つの共通経路ｋ１又はｋ２を介してルーティングされる場合（他の経路は使用されない）、上記の項は以下のようである。

【数15】

【0071】

したがって、ネットワークのコスト／ストレスは、後者の解の方が高く、上記の解よりも悪い。

【0072】

上記の例は、２つのサブ要求ｐ１、ｐ２に対して異なるパスｋ１、ｋ２を選択することが、ネットワーク全体の全体的な容量使用率の分布という最適化目標を達成するための好ましい解決策であることを示している。

【0073】

図４Ｂのハミルトニアンは、一般に、ネットワーク内の全てのサブ要求に対して、それぞれのＱビット

【数16】

の値の異なるセッティング通して実行する量子論的概念プロセッサによって解かれ、それによってハミルトニアンのそれぞれの結果を計算する。そうすることの目標は、Ｑビット

【数17】

のそれぞれのセット値に対するハミルトニアンの最小値を見つけることである。図４Ｂのハミルトニアンのそれぞれの最小値が見つかるとすぐに、この最小値につながるＱビット

【数18】

のそれぞれの値が記憶され、最終的に、それぞれのサブ要求のそれぞれの通信経路を定義する。これは、上記に説明されたように、各Ｑビット

【数19】

が各サブ要求ｐに対して１つの通信経路を定義するという事実による。したがって、量子概念プロセッサを使用して図４Ｂのハミルトニアンの最小値を計算することによって、各サブ要求ｐに対して、選択的な通信経路のセットから１つの通信経路ｋを選択することによって、最適化されたルーティングが計算される。

【0074】

図５は、上記に説明されたようなアプローチを実行するアルゴリズムの例示的な概略図を示す。図５は、トラフィック要求のセット５を考慮した、上記で説明した方法のステップ及び手順の処理を示す。トラフィック要求５は、各々、決定された離散的なパケットサイズを有するそれぞれのサブ要求７にスプリットされる。

【0075】

前処理されたサブ要求７は、次いで、量子概念プロセッサ６内のアルゴリズム手順に入力される。例えば、図５による量子概念プロセッサ６は、量子アニーリングエミュレーションによって最適化問題を解くように構成されている。量子概念プロセッサ６は、図４Ａ及び図４Ｂによる全体の最適化問題の数学的定式化を適用する。次いで、量子概念プロセッサ６は、図４Ａによる制約を考慮して、図４Ｂによる最適化問題の最適化されたルーティング解をサブ要求７に対して計算する。

【0076】

アルゴリズム手順が完了した後、図４Ｂによる最適化問題の最終的に計算された最小値が、それぞれのサブ要求７に対して量子概念プロセッサ６から出力される。次いで、最適化問題の見つかった最適値により決定した通信経路ｋが、サブ要求７に対して記憶される。次いで、アルゴリズムが終了する。

【0077】

したがって、図２Ｂ～図４Ｂに関する上記の実装及び説明に基づく、図５によるコンピュータ実施アルゴリズム手順を適用することによって、最適化されたルーティングが、通信ネットワーク１を介して個別に選択された通信経路上の全てのトラフィック要求に対して提供され得る。

【0078】

ＱＵＢＯ表現としての最適化問題の定式化は、プロセッサ６内でのここで適用される量子概念コンピューティングに関してエレガントな特性を有する。今日、量子概念コンピューティングは依然として大きな限界に達している。しかし、量子コンピュータに向けてコンピュータ科学がますます発展するにつれて、ここに記載されたアプローチは、将来さらに強化され、発展する可能性がある。例えば、量子コンピューティングが、基礎となる最適化問題の複雑さの増加にますます適用可能となるときに、より多くの経路変数が量子コンピューティングを通じて計算され得るため、経路ボックスは、通信経路のためのより多くの代替オプションを有することができる。さらに、量子コンピューティングがますます適用可能になるにつれて、ますます増加するＱビット数、ますます複雑な最適化問題、及び／又はますます非線形制約を、ここで説明するアプローチによって考慮することができる。

【0079】

本明細書で説明するアプローチは、主に通信ネットワークに適用可能である。しかし、このアプローチは、鉄道ネットワーク、エネルギーグリッド、交通ネットワークなど、他の任意のネットワークにも適用でき、ここで、特定の「トラフィック」又は「負荷」が、最適化された経路を介してネットワーク全体に伝送されなくてはならない。

【0080】

本明細書に示され説明される実施形態は、例示にすぎない。

【符号の説明】

【0081】

１ 通信ネットワーク
２、２ａ～２ｆ 通信ノード
３、３ａ～３ｆ 集約ノード
４ 隣接ノード間の接続
５ トラフィック要求のセット
５ａ～５ｃ トラフィック要求
６ 量子コンセプトプロセッサ
７ サブ要求
ｄ 宛先ノード
ｅ、ｅ１、ｅ２ エッジ
ｉ１、ｉ２ 中間ノード
ｏ 起点ノード
ｐ 特定のサイズｐを有するサブ要求
ｋ、ｋ１～ｋ２ 可能性がある通信経路

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【国際調査報告】