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Die Erfindung betrifft eine optische
Schaltvorrichtung, welche die Möglichkeit
bietet, Daten in Form digitaler optischer Signale zu schalten, die
optische Pakete bilden.
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Ein optisches Paket ist typischerweise
eine PDU – das
Kunstwort für
den englischen Ausdruck "Protocol
Data Unit" –, die im
Rahmen der vorliegenden Erfindung entweder fest oder variabel sein
kann. Dies impliziert folglich keinerlei einschränkende Hypothese bezüglich des
Formats des optischen Pakets und der Art und Weise, in der das Paket
gefüllt wird.
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Ein optisches Paket, das an einem
Eingangs-Port einer Schaltmatrix ankommt, enthält Weiterleitungsangaben, die
zur Weiterleitung des Pakets innerhalb der Schaltmatrix zu einem
oder mehreren Ausgangs-Ports genutzt werden können.
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Eine optische Schaltmatrix weist
mehrere Eingangs-Ports und mehrere Ausgangs-Ports auf. Es kann daher
vorkommen, dass optische Pakete von mehreren Eingangs-Ports zum
selben Ausgangs-Port geschaltet werden müssen. Auf diese Weise können mehrere
optische Pakete gemeinsam ankommen und für denselben Ausgangs-Port bestimmt
sein und dadurch zu einem Phänomen
führen, das
als Konflikt (englisch "Contention") bezeichnet wird.
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Dieses Konfliktproblem wird in bekannter Weise
nach dem Stand der Technik durch den Einsatz von Pufferspeichern
gelöst.
Auf diese Weise kann man über
Pufferspeicher im Innern der Schaltmatrix verfügen. Bei diesem Schaltmatrixtyp,
der mit einem zentralen Pufferspeicher ausgestattet ist, werden
die von den Eingangs-Ports gelieferten optischen Daten gespeichert,
wenn sie ankommen, danach werden sie nacheinander an die Ausgangszugänge geliefert.
Der Pufferspeicher wird in Abhängigkeit
von Routing-Informationen
gesteuert, die für
jeden zu schaltenden Datenwert den Ausgangs-Port der Matrix angeben,
für den
dieser Datenwert bestimmt ist. Schaltvorrichtungen ermöglichen
auch, die Ablagedauer im Pufferspeicher so zu wählen, dass eine Warteschlange
für jeden
einzelnen Ausgang gebildet wird, so dass Konflikte zwischen zwei zum
selben Ausgang zu schaltenden Datenwerten vermieden werden, wenn
diese Datenwerte gleichzeitig am Eingang der Schaltmatrix ankommen.
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Auf ihrem Weg zwischen einem Eingangs-Port
und einem Ausgangs-Port
wird der optische Datenwert folglich zu einem optischen Pufferspeicher
geleitet, der allen Ausgängen
der Matrix gemeinsam ist und in dem dieser Datenwert für eine zwischen
O und K.Tc wählbare
Dauer abgelegt ist, wobei K eine ganze Zahl und Tc die Dauer eines
Datenwertes ist. Die Dauer eines Datenwertes ist die erforderliche
Zeit, um einen Datenwert an einen Ausgangs-Port zu übertragen. Ein Pufferspeicher
besteht aus optischen Verzögerungsleitungen,
welche die Möglichkeit
bieten, ein und demselben Ausgangszugang zeitlich gestaffelte Daten
zu liefern.
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Allerdings weist eine Architektur
dieses Typs, bei der die Auflösung
des Konflikts in der Matrix selbst erfolgt, eine Reihe von Nachteilen
auf. Insbesondere erfordert eine Architektur dieses Typs, dass der
gesamte Verkehr durch die Speicher verläuft. Da nun aber der Speicher
in der Optik eine knappe Ressource ist, weist diese Architektur
im Hinblick auf die gemeinsame Nutzung des statistischen Multiplexverfahrens
Schwächen
auf. Da die oben dargestellte Architektur nach dem bisherigen Stand
der Technik zudem Speicherressourcen verbraucht, ist sie kostspielig
und komplex in der Umsetzung.
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Im Übrigen gibt es Architekturen,
bei denen der Speicher außerhalb
der Schaltmatrix liegt.
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Die Erfindung betrifft diesen letztgenannten Architekturtyp,
bei dem der Speicher außerhalb
der Schaltmatrix liegt, wie im Dokument
EP 790750 beschrieben.
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In den bekannten Architekturen dieses
Typs nach dem bisherigen Stand der Technik wird der Speicher für den gesamten
Konflikte aufweisenden Verkehr gemeinsam genutzt. Somit nutzt nur
der Konflikte aufweisende Verkehr die Speicherressource. Darüber hinaus
sind bestimmte Ausgangs-Ports der Schaltmatrix speziell für den Zugang
zum Speicher reserviert.
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Bei einer Architektur dieses Typs
werden, wenn ein Konfliktphänomen
auftritt, die optischen Pakete, die geschaltet werden können, auf
den normalen Leitungen gesendet, und eine gewisse Zahl von Ports,
die für
den Zugang zum Speicher reserviert sind, werden hinzugefügt.
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Infolgedessen nimmt die Größe der Matrix zu,
damit ein ausreichend großer
Zugang zum Speicher möglich
ist und gleichzeitig akzeptable Leistungen hinsichtlich des pro
Eingangszugang zulässigen mittleren
Datendurchsatzes beibehalten werden.
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Einer der bedeutenden Nachteile bei
einer Architektur dieses Typs mit einem Speicher außerhalb
der Matrix und Ports, die für
den Zugang zum Speicher reserviert ist, besteht somit darin, dass
sie eine Zunahme der Matrixgröße in der
Größenordnung
von 20% bis 25% erfordert, um korrekte Schaltleistungen zu erzielen.
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Daher besteht das Problem, dessen
Lösung sich
die Erfindung zum Ziel gesetzt hat, darin, eine optische Schaltmatrix
zu verwirklichen, bei der es keine Konflikte zwischen den optischen
Paketen mehr gibt, und gleichzeitig sollen die oben dargelegten Nachteile
des bisherigen Stands der Technik gemildert werden, die sich insbesondere
auf die Nutzung der Speicherressource und die Größe der Schaltmatrix beziehen.
Das Ziel der Erfindung besteht folglich darin, eine optische Schaltmatrix
vorzustellen, die einfacher und kostengünstiger ist als die Matrizen des
bekannten Typs.
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Zu diesem Zweck geht die Erfindung
von der Feststellung aus, dass es nicht mehr Verkehr gibt, der von
einem Knoten abgeht, als Verkehr, der in den Knoten eintritt. So
gibt es, wenn ein Konfliktphänomen
auftritt, ebenso viele freie Ausgangs-Ports wie optische Pakete,
die sich im Konflikt befinden. Die Erfindung besteht also darin,
diese vorhandenen Ausgangs-Ports für den Zugang zum Speicher zu
nutzen. Hierzu ist hinter den Ausgangs-Ports der Matrix eine Schaltfunktion "von 1 nach 2" vorgesehen. Auf
diese Weise sind alle Ausgangs-Ports der Matrix ein potenzieller
Zugang zum Speicher.
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Gegenstand der Erfindung ist folglich
eine optische Schaltvorrichtung, um Datenwerte in Form optischer
Pakete ohne Konflikt zu schalten, wobei diese Vorrichtung eine räumliche
Schaltmatrix mit mehreren Eingangs-Ports und Ausgangs-Ports und einen
Block außerhalb
der genannten räumlichen Schaltmatrix
aufweist, der aus einem allen Ausgangs-Ports der Matrix gemeinsamen
Pufferspeicher besteht, dadurch gekennzeichnet, dass jeder dieser Ausgangs-Ports
die Möglichkeit
bietet, Zugang zum Pufferspeicher über eine räumliche Schaltstufe zu erlangen,
die aus Schaltvorrichtungen besteht, welche eine räumliche
Schaltfunktion "von
1 nach 2" erfüllen.
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Anhand der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
unter Verweis auf die folgende Abbildung wird die Erfindung verständlicher werden,
und weitere Eigenschaften und Vorteile werden klarer zutage treten:
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1 ist
eine schematische Darstellung der optischen Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1 zeigt
eine räumliche
Schaltmatrix 1 NXN. Im Beispiel von 1 wird N gleich 16 gewählt. Die
Matrix 1 ist folglich mit 16 Eingangs-Ports e1, ..., e16 und mit 16 Ausgangs-Ports
s1, ..., s16 ausgestattet. Von den 16 Ausgangs-Ports der Matrix sind
die Ausgangs-Ports s1 bis s4 für
das Ziel A reserviert, die Ports s5 bis s8 für das Ziel B, die Ports s9
bis s12 für
das Ziel C und schließlich
die Ports s13 bis s16 für
das Ziel D.
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Ein Block 2, der außerhalb
der räumlichen Schaltmatrix 1 liegt,
besteht aus einem optischen Pufferspeicher 4, der allen
Ausgängen
der Matrix 1 gemeinsam ist. Der außerhalb der Matrix liegende Speicher 4 ist
vorgesehen, um jedes im Konflikt befindliche optische Paket selektiv
zu verzögern,
das heißt,
die in einem Konflikt befindlichen Pakete, die zu ein und demselben
Ziel geschaltet werden sollen.
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Vorzugsweise besteht der Speicher
aus optischen Verzögerungsleitungen.
Ein optischer Sender, der auf der 1 nicht
dargestellt ist, wird hinter dem Speicher angeordnet und ermöglicht,
die im Speicher abgelegten optischen Pakete zu regenerieren, um
sie zu Eingangszugängen,
sogenannten Rückführungszugängen, der
Matrix 1 zu senden.
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Jeder der Ausgangs-Ports s1 bis s16
ist mit einer räumlichen
Schaltfunktion "von
1 nach 2" ausgestattet.
Hierfür
weist die Schaltvorrichtung eine räumliche Schaltstufe 3 auf,
die aus 16 Schaltern "von
1 nach 2" SW1 bis
SW16 besteht. Jeder Ausgangs-Port s1 bis s16 der Matrix 1 bietet
somit die Möglichkeit,
Zugang zum Pufferspeicher 4 über die räumliche Schaltstufe 3 zu
erlangen, die aus Schaltern SW1 bis SW16 besteht, welche eine räumliche Schaltfunktion "von 1 nach 2" erfüllen.
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Sechzehn optische Pakete OP1 bis
OP16 kommen jeweils an den sechzehn Eingangs-Ports e1 bis e16 der
optischen Schaltmatrix 1 an.
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Im Beispiel von 1 tritt ein Konflikt zwischen optischen
Paketen für
das Ziel D auf. Denn bei sechs optischen Paketen, die gleichzeitig
ankommen, nämlich
OP4, OP5, OP6, OP8, OP9, OF10, ist vorgesehen, dass sie zum Ziel
des Ausgangszugangs D der Matrix 1 geschaltet werden. Nun
sind aber nur vier Ports verfügbar,
nämlich
s13 bis s16.
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Zunächst einmal werden alle Transit-Pakete, die
ohne Konflikt verarbeitet werden können, den Ausgangs-Ports der
Matrix zugewiesen, die für
das Ziel D reserviert sind. So werden die optischen Pakete OP6,
OP8, OP9 und OP10 jeweils den Ausgangs-Ports s13 bis s16 der Matrix 1 zugewiesen.
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Außerdem werden die beiden restlichen,
optischen Pakete OP4 und OP5, bei denen es sich um optische Pakete
handelt, für
die ein Konflikt bei der Schaltung zum selben Ziel D besteht, freien
Ausgangs-Ports der Matrix zugewiesen, nämlich s1 und s9 gemäß dem Beispiel
von 1, so dass sie auf den
Speicher 2 zugreifen können.
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Wenn man nämlich das Ausgangspostulat der
Endung wieder auf nimmt, kann es an einem Knoten nicht mehr ankommenden
Verkehr als abgehenden Verkehr geben, daher gibt es, wenn ein Konfliktphänomen auftritt,
so viele freie Ausgangs-Ports wie optische Pakete, die sich im Konflikt
befinden.
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So bieten die Ausgangs-Ports s1 und
s9, die vorhandene Ports der Matrix 1 sind und die bei
Vorliegen eines Konflikts nicht genutzt werden, die Möglichkeit, über die
Schalter SW1 und SW9 Zugang zum Speicher zu erlangen.
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Alle vorhandenen Ausgangs-Ports s1
bis s16 der Matrix 1 werden somit dank der Schalter SW1
bis SW16, die hinter jedem von ihnen eingefügt werden, zu einem potenziellen
Speicherzugang. Es ist daher nicht erforderlich, speziell für den Zugang
zum Speicher reservierte Ports vorzusehen.
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Mehrere Lösungen können in Betracht kommen, um
die Schaltfunktion der Schalter SW1 bis SW16 umzusetzen, die den
im Konflikt befindlichen optischen Paketen den Zugang zum Speicher
von den vorhandenen Ausgangs-Ports
der optischen Schaltmatrix aus ermöglichen.
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Die Regenerierung des optischen Signals kann
so mit Hilfe eines optoelektronischen Schalters erfolgen. Eine solche
Vorrichtung besteht aus einem optischen Empfänger, beispielsweise vom Typ
einer Photodiode, und einem optischen Sender vom Typ einer Leuchtdiode
oder Laserdiode und übernimmt die
Aufgabe einer Lichtquelle. Da die Regenerierung auf optoelektronischen
Komponenten basiert, kann die Information unmittelbar vor dem optischen
Sender direkt zum Pufferspeicher umgeleitet werden. In diesem Fall
handelt es sich um einen Pufferspeicher des elektronischen Typs.
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Nach einer anderen Ausführungsvariante wird
die hinter jedem der Ausgangs-Ports der Matrix angeordnete Schaltfunktion
dadurch realisiert, dass optische Schalter des Typs "optische Verstärker" eingesetzt werden.
Ein optischer Verstärker
lässt das
Signal durch, wenn er eingeschaltet ist, und entfernt die optische
Verbindung, auf der er angeordnet ist, wenn er ausgeschaltet ist.
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Schließlich besteht eine weitere
Ausführungsvariante
der Schaltfunktion darin, einfach das Signal zu erfassen und es
zum Ziel des optischen Speichers zu schalten. Die Schalter SW1 bis
SW16, die hinter jedem Ausgangs-Port s1 bis s16 der Matrix angeordnet
sind, ermöglichen
somit den im Konflikt befindlichen Paketen, über die bereits in der Matrix vorhandenen
Ausgangs-Ports zum Speicher zu gelangen.
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Es ist daher nicht erforderlich,
speziell für den
Zugang zum Speicher reservierte Ausgangs-Ports vorzusehen. Denn
nach dem Grundprinzip der Erfindung gibt es aufgrund des Umstandes, dass
es nicht mehr Verkehr gibt, der aus dem Knoten abgeht, als Verkehr,
der in den Knoten eintritt, ebenso viele freie Ausgangs-Ports wie
optische Pakete, die sich im Konflikt befinden.
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Diese freien Ausgangs-Ports werden
dann für
den Zugang zum Speicher über
die hinter ihnen angeordneten Schalter verwendet.
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Dasselbe Prinzip kann auch für den Zugang zu
den Datenausgabe-Ports
verwendet werden, der aufgrund der Konfliktprobleme ebenfalls eine
Quelle für
den Verlust optischer Pakete in Architekturen nach dem bisherigen
Stand der Technik ist.
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So können die Ausgangs-Ports der
Matrix, die gerade frei sind, wenn sich optische Pakete im Konflikt
befinden, nicht nur für
den Zugang zum Speicher, sondern auch für den Zugang zu den Datenausgabe-Ports
verwendet werden.
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Infolgedessen wird in dieser besonderen Ausführungsvariante
der Erfindung ein Schaltblock 5 zwischen der räumlichen
Schaltstufe 3 und dem Speicher 4 eingesetzt, um
zwischen dem zur Ausgabe bestimmten Verkehr einerseits und andererseits dem
Verkehr zu unterscheiden, der den Speicher 4 durchlaufen
muss, um verzögert
zu werden.
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Um eine Matrix zu erhalten, die mit
null Konflikten arbeitet, besteht der Schalter 5 aus so
vielen Elementarschaltern "von
1 nach 2", wie Ausgangs-Ports an der Matrix 1 vorhanden
sind. In dem Beispiel von 1 besteht
der Schalter 5 somit aus 16 Elementarschaltern "von 1 nach 2". Zur Verallgemeinerung
sei N die Anzahl der Eingangs- und Ausgangs-Ports der Schaltmatrix 1,
dann besteht der Schalter 5 aus 2 Elementarschaltern, wobei
w = N.
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Die der Erfindung entsprechende optische Schaltvorrichtung
ermöglicht
somit, das Problem des Konflikts zwischen optischen Paketen zu beseitigen. Ein
weiterer Vorteil der Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung besteht darin,
dass sie die Möglichkeit
bietet, eine Größe der Schaltmatrix
zu erzielen, die gegenüber
Architekturen nach dem bisherigen Stand der Technik um etwa 20%
kleiner ist, während
gleichzeitig die Leistungen und die Kosten verbessert werden.