JP5431596B2 - 大容量スイッチングシステム - Google Patents

Description

本発明は通信の分野に関し、より詳細には、光伝送ネットワークで使用するための大容量ネットワークノードに関する。

光伝送ネットワークでは、多数の入力ポートと出力ポートの間で大量の高速データ信号を柔軟に切り替えることができるネットワークノードが必要とされている。現在、光インターフェースは最大で４０ギガビット／秒の信号レートで利用可能であり、１００ギガビット／秒の信号レート向けのインターフェースが進行中である。現在、大規模なネットワークノードが処理することができる全トラフィック容量は、最大で数テラビット／秒の範囲内である。そのようなネットワークノードは、高速電気信号スイッチングに基づいている。

コアネットワークでの増大し続けるトラフィック需要を考慮すると、将来は、さらに大きいスイッチング容量を有するネットワークノードが必要になると予想され得る。電気領域でのスイッチングを実行するネットワークノードは、床面積および電力消費の点で規模が制限される。全光スイッチ技術は開発中であるが、現在のところ、少なくとも大型スイッチ向けではない、パケット粒度またはＳＴＳ−１の１００ギガビット／秒の信号を切り替えることを可能にする光スイッチはまだ利用可能になっておらず、完成すればかなり高価になるであろう。

欧州特許第１６９９２５７号明細書 欧州特許第１６４１１９１号明細書

本発明は、伝送ネットワークで使用するための大容量スイッチングシステムを提供し、このシステムは、いくつかの入力／出力サブシステムと、入力／出力サブシステムを構成可能に相互接続する中央相互接続手段とを含む。サブシステムは、ネットワークの伝送回線とデータ信号を送受信するための入力／出力回線モジュールと、サブシステムを相互接続手段に接続する１つまたは複数のリンクモジュールと、１つのサブシステム内の入力／出力モジュールと１つまたは複数のリンクモジュールの間で時間空間領域におけるデータ信号を切り替えるローカルスイッチング手段とを有する。リンクモジュールは、同じ入力／出力サブシステムの異なる入力／出力回線モジュールからのデータ信号であって、前記入力／出力サブシステムのうちの別の入力／出力サブシステムの入力／出力回線モジュールに向けられたデータ信号を集約して信号バーストにし、ペイロードギャップをそれぞれの信号バーストに付加するように構成される。スイッチングシステムは、ペイロードギャップの間に相互接続手段を構成して信号バーストをその宛先サブシステムに切り替えるスケジューラをさらに有する。

特定の実施形態では、相互接続手段は、前記サブシステムの任意のサブシステムを任意のサブシステムに接続する双方向光リングの形で構成された光ファイバ相互接続部を備える。光送信機は、リンクモジュールに配置され、それぞれ固有の波長で送信を行い、光ファイバリングから信号バーストを受信するためのチューナブル光受信機も、リンクモジュールに配置される。

代替実施形態では、相互接続手段は、光空間スイッチングマトリックスを使用して実施される。

実施形態は、低コストで実施することができる、増大し続けるトラフィック需要のための拡張可能で柔軟な解決策を提供する。特に、光リングの実装は、冗長性、コスト、および電力消費の点で利点をもたらす。さらに、これはマルチキャスト接続の非常に効率的な実施を可能にする。

次に、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態が説明される。

光クロスバースイッチを利用する大容量ネットワークノードの第１の実施形態を示す図である。 光リングを利用する大容量ネットワークノードの第２の実施形態を示す図である。 図２のネットワークノードで使用される内部信号構造を示す図である。

既存のスイッチングシステムの制約および欠点を考慮して、本発明者らは、大容量高速光ネットワークノードを実現するための新しいノードアーキテクチャおよびスイッチング原理について考えた。スイッチングシステムは、ＩＰトラフィック、ＳＯＮＥＴ／ＳＤＨ／ＯＴＨトラフィック、またはイーサネット（登録商標）トラフィックなどの伝送トラフィックがシステムに入るいくつかのＩ／Ｏカードを保持するいくつかの入力／出力シェルフ、中央スイッチファブリックおよび制御サブシステムを用いる。好ましい実施形態では、スイッチファブリックは、波長分割多重に基づく単純なドロップアンドコンティニュー（ｄｒｏｐ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｅ）アーキテクチャを有する。高速チューナブル受信機は、以下でより詳細に説明されるように、適切なトラフィック信号を選択するために使用される。

図１は、第１の実施形態における、中央空間スイッチマトリックスＭを介して相互接続されるいくつかのＩ／ＯシェルフＳ１−Ｓｎを有する大規模なスイッチングシステム１の設計を示す。簡潔にするために、トラフィックフローの方向は左から右に示されている。しかし、実際は、全ての信号経路は双方向であり、それぞれのＩ／Ｏシェルフは両方向用に、同じＩ／Ｏ基板上で一体化された受信機ならびに送信機を有することを理解されたい。しかし、以下の説明では、左側のシェルフではスイッチングシステム１の受信機機能のみが示されており、右側のシェルフでは送信機機能のみが示されている。

入力側シェルフＳ１、．．．、Ｓｎ−１のそれぞれは、いくつかの入力回線カードまたはモジュールＩ１−Ｉ４と、いくつかの中央段スイッチＣＳ１−ＣＳ４と、いくつかのリンクカードＬＣ１−ＬＣ４とを有する。入力回線カードＩ１の接続およびリンクカードＬＣ１の接続のみの例として示されているように、入力回線カードＩ１−Ｉ４のそれぞれは、それぞれの中央段スイッチＣＳ１−ＣＳ４を介してそれぞれのリンクカードＬＣ１−ＬＣ４に接続される。この実施形態では、４つの入力カード、４つの中央段スイッチカードおよび４つのリンクカードが示されている。しかし、本実施形態はこの特定の数に限定されず、入力回線カードの数、中央段スイッチの数およびリンクカードの数は互いに異なっていてもよい。

本実施形態の中央段スイッチはセル非依存型スイッチである。入力回線カードは、受信トラフィック信号の適応機能およびトラフィック信号を分割して同じ長さのセルにするセグメント化機能を提供し、出力ポートを示すアドレス情報を付加する。ＳＤＨフレームまたはＯＴＮフレームなどの時分割多重（ＴＤＭ）トラフィックの場合、入力回線カードは、信号が中央段スイッチに入る前にタイムスロット位置を交換する時間スイッチ機能をさらに提供する。リンクカードは受信セルを集約し、受信セルを中央スイッチマトリックスＭに供給する。また、リンクカードは時間スイッチ機能を実行して、中央段モジュールから受信されたセルを、中央スイッチマトリックスＭに向かう信号内の適切なタイムスロット位置に切り替える。したがって、それぞれの入力シェルフは、ＴＤＭトラフィックに時間−空間−時間（ＴＳＴ）スイッチング機能を提供することができる。

特に、リンクカードは、スイッチマトリックスＭに向かう出力において、信号ＢＳとして概略的に示されているように、バースト構造出力信号を提供する。バースト信号ＢＳは等しい長さの信号バーストＢを含み、それぞれのバーストは特定の出力シェルフに向けられている。信号バーストＢは１つまたは複数のセルＣを含み、ペイロードギャップＧで始まる（ペイロードギャップＧの機能は以下で説明される）。したがって、それぞれのリンクカードにおける時間スイッチング機能は、異なる入力ポートからのセルであって、同じ出力シェルフに向けられたセルを集約して信号バーストＢにする。これにより、相互接続チャネルの数が大幅に低減され得る。信号内のギャップＧを許容するために、信号ビットレートが上げられている。バーストは基本的に内部時分割多重信号内のタイムスロットとみなすことができ、それぞれ、特定のペイロードチャネルを表すことができる。以下でさらに説明されるように、ペイロードチャネルに加えて、ＯＡＭおよび制御チャネルが内部信号に付加され得る。

中央スイッチマトリックスＭは、入力シェルフおよび出力シェルフにおけるスイッチよりも低いスイッチング粒度およびスイッチング速度を有する空間スイッチである。したがって、ギャップＧは、バースト毎にスイッチマトリックスＭを構成するのに必要な時間を得るために使用される。この概念は、異なるスイッチング速度を有するスイッチング技術の任意の組合せに適用され得る。好ましい実施形態では、中央スイッチマトリックスＭは光スイッチであり、リンクカードは光バースト信号ＢＳを生成するためのＥ／Ｏ変換器を含む。光スイッチマトリックスは、例えば、マイクロミラー技術、液晶技術、平面導波回路におけるビームステアリングスイッチ、またはチューナブル光フィルタ技術を使用して実現され得る。

シェルフＳ２などの出力側シェルフはリンクカードＬＣ１’−ＬＣ４’を含み、リンクカードＬＣ１’−ＬＣ４’は中央スイッチマトリックスＭから信号を受信し、電気領域に変換し、信号バーストＢ内に含まれるペイロードセルをいくつかの中央段スイッチＣＳ１’−ＣＳ４’を介して適切な出力回線カードＯ１−Ｏ４に分配する。出力回線カードは、受信信号セルからの前方伝送のためのペイロード信号を再アセンブルする再アセンブリ機能を有する。入力側での場合と同様に、シェルフＳ２は異なるリンクカードＬＣ１’−ＬＣ４’で受信された信号バーストから出力回線カードＯ１−Ｏ４の出力データ信号への時間−空間−時間スイッチング機能を実行する。

要するに、本発明者らによって提案されるスイッチ概念は入口Ｉ／Ｏシェルフに配置された複数の電気的な時間−空間−時間スイッチを用い、このスイッチは、実際のペイロード信号を保持する連続バーストの間で、ギャップ（ペイロードに換算した）を伴うより高いレートの新しいＴＤＭ信号を生成する。空間スイッチＭは出口Ｉ／Ｏシェルフを定義する。出口Ｉ／Ｏシェルフは、第２の電気的な時間−空間−時間スイッチング機能を提供する。

入力側Ｉ／Ｏシェルフは、その他のＩ／Ｏシェルフに対してローカルな第１の段スイッチングを可能にする第１のスイッチング段を表す。同じＩ／Ｏシェルフ内にないポート専用の全ての信号は、それぞれのバーストが１つの他のシェルフ専用の信号のセットを含むように再構成される。バースト自体は、非常に細かい信号スイッチング粒度、例えばＳＴＳ−１相当のものを維持することを可能にするために、セル内で下部構成化される。タイムスロット再構築に加えて、ペイロードギャップが導入され、このことは連続バーストと呼ばれることがあるものをもたらす。ギャップの導入は、内部信号の伝送速度を高める。次いで、バーストは中央空間段Ｍにおいて、それぞれの宛先Ｉ／Ｏシェルフに切り替えられる。

中央段は異なる技術、例えば、スイッチング速度が異なる光クロスバースイッチングまたはバーストスイッチングを使用しているので、ギャップはこの速度に適応することができる。光スイッチは、中央スケジューラ（図示せず）によって、入来するバーストの前で構成される。最後に、信号は、出口段において細かい粒度で、宛先となる出力ポートの適切なタイムスロットに切り替えられる。ブロードキャストまたはマルチキャストの場合、バーストはいくつかの出口Ｉ／Ｏシェルフにも接続され得る。

図２は、波長分割多重および高速チューナブル受信機を使用するスイッチングシステムの好適な実装のブロック図を示す。スイッチングシステム１０は４つのＩ／Ｏシェルフ１１、１２、１３、１４を有し、Ｉ／ＯシェルフのそれぞれにはいくつかのＩ／Ｏカードまたはモジュールが備えられている。Ｉ／Ｏシェルフ１１−１４は、中央スイッチファブリック１５を介して相互接続される。スイッチファブリック１５は、それぞれのＩ／Ｏシェルフ１１−１４が接続される双方向の２ファイバ光リング１６を含む。光リング１６は波長多重を使用して、全てのシェルフからの全てのトラフィックを全ての他のシェルフに搬送する。それぞれのシェルフには、伝送用に異なるサブセットの波長λ１−λ４が割り当てられる。それぞれのシェルフ上の受信機は、バースト毎に任意の波長に同調され得る。

「実際の」スイッチの代わりに、全てのＩ／Ｏシェルフの全てのリンクカードからの全ての信号を光リング１６に沿ってルーティングし、この全ての信号を全ての他のＩ／Ｏシェルフで受信することができる。異なるリンクカードからの光バースト信号および異なるＩ／Ｏシェルフからの光バースト信号が波長多重を使用して並行して送信され得るように、また、適切な受信機で切り離され得るように、入力側Ｉ／Ｏシェルフのリンクカード内のそれぞれの光送信機には固有の波長が割り当てられる。

光リング１６は２ファイバリングであり、全ての信号は両方のリングに供給されるが、保護目的で反対方向を使用している。光リングはＩ／Ｏシェルフを相互接続する１つの可能性にすぎないことを理解されたい。光バス型、スター型またはハブ型アーキテクチャなどの他の相互接続技術も使用され得る。

出力側Ｉ／Ｏシェルフ内の受信機は、バーストからバーストへ、すなわち、バースト毎に適切な波長に同調される。バースト信号内のペイロードギャップは、光受信機を同調するのに十分な時間をとる。「実際の」ギャップの代わりに、すなわち、信号休止の代わりに、ペイロードギャップは、同調段階で正しい波長へと受信機をトレーニングするためのトレーニング信号を含むことができる。これは同調を著しく速めることができる。動作の際、受信機は第１の波長に同調されて第１の信号バーストを受信し、次いで、異なるＩ／Ｏシェルフに由来する第２の波長に同調されて第２の信号バーストを受信する、などである。したがって、この実施形態での光スイッチングは、受信機の同調によって実現される。中央スケジューラ２１は、入力側シェルフが特定の出力側シェルフに対するセルを適切な信号バーストにマップし、出力側シェルフ内のチューナブル受信機が適切なときに適切な波長に同調されて、このシェルフに向けられた信号バーストを受信するように、Ｉ／Ｏシェルフを制御する。

原則として、固定波長を受信機に割り当て、バースト毎に送信機を同調することが同様に可能である。しかし、その際に送信機はバーストが行くはずであるそれぞれの受信機波長でバーストを複製しなければならなくなるので、これはマルチキャスト相互接続の実施を複雑にする。さらに、チューナブル送信機は固定波長送信機およびチューナブル受信機に比べてより高価である。

スケジューリングも別個のＯＡＭおよび制御チャネルがサポートすることができ、スケジューリングはペイロードチャネルとともに送信されるが、光スイッチングを制御するために電気的に処理される。中央制御システム２０は中央制御およびスケジューリング用に提供される。中央制御システム２０は、スケジューラ２１ならびに性能監視（ＰＭ）およびアラーム処理と保護スイッチングコントローラの機能を含む。制御、ＯＡＭおよびスケジューリング情報は並行して中央制御システム２０に送信され、スケジューラ２１はスイッチ制御情報を使用して光スイッチング機能を構成する。

スケジューラ２１は、バーストが送信機において送信されるときのタイミングと宛先Ｉ／Ｏシェルフ内の受信機が送信機波長に同調されてバーストを受信するときのタイミングを協調させるように機能する。この協調は、全てのリンクカードがバーストを同じ時点で送信するように同期されるときに簡易化され、そのためスケジューラは、２つの送信機が同じ受信機に対するバーストを同時に送信することのないように協調するだけでよい。

中央制御およびスケジューリングシステムの代替として、互いに通信する入力スケジューラおよび出力スケジューラを有する分散型スケジューリングシステムが実装され得る。入力スケジューラと出力スケジューラの間の通信は、要求メッセージおよび許可メッセージによって実現され得る。さらに、輻輳を解消するために中央スケジューラが使用され得る。

ペイロードギャップを挿入して光スイッチを構成することを可能にする超過速度係数（ｏｖｅｒｓｐｅｅｄ ｆａｃｔｏｒ）は、６４ＱＡＭ変調を使用する光ＯＦＤＭ（直交周波数分割多重）などの非常に効率的な変調フォーマットによって実現され得る。

図３は、第１のバーストＢ１および第２のバーストＢ２を有する光バースト信号ＢＳを示す。それぞれの信号バーストＢ１、Ｂ２の始端にあるペイロードギャップはトレーニング信号Ｔで満たされる。バーストのペイロード部分は信号セルＣを保持する。トレーニング信号は、最適な波長を効率的に見つけることを可能にする、知られている信号パターンを有する。トレーニング信号は、光信号における信号遷移の最大数を有し得る。信号パターンの選択は、実際に使用される変調方式に基づいてもよい。単純なオンオフキーキングの場合、例えば、パターン１０１０１０１０．．．は良い選択を表す。

上述のスイッチングアーキテクチャは、１０Ｔ／１００Ｔまたはよりいっそう優れたスイッチングおよびルーティングシステムをコスト効率、電力効率および規模効率が非常に良い方法で構築することを可能にする。Ｉ／Ｏ段については、Ａｌｃａｔｅｌ Ｌｕｃｅｎｔの光クロスコネクト１８７０ＴＴＳなどの既存のスイッチングシステムが再利用され得る。Ｉ／Ｏシェルフ内のローカル中央段スイッチは、例えば、参照により本明細書に組み込まれる、ＥＰ１６９９２５７およびＥＰ１６４１１９１に記載された、または出願番号０８１７２４２２を有する欧州特許出願「Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｅｌｅｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ Ｓｉｇｎａｌｓ」に記載されたセル非依存性スイッチとして実装され得る。

本明細書および図面は、本発明の原理を例示するにすぎない。したがって、当業者が、本明細書には明示的に記載または図示されていないが、本発明の原理を実施する様々な構成を考案することができることを理解されたい。さらに、本明細書に記載される全ての例は、主として、読者が本発明の原理と、当技術分野の推進に対して本発明者らが寄与した概念とを理解するのを助けるための教育的な目的のみとすることが明確に意図されている。

好ましい実装のより具体的な例を挙げると、Ｉ／Ｏシェルフは、それぞれが１００Ｇの信号容量を有する、３２の回線カードを有することができる。マトリックスに対して、Ｉ／Ｏシェルフは４つの異なる波長で動作する４つの送信機を保持する単一のリンクカードを有する。１５（または２５）のＩ／Ｏシェルフを中央スイッチ機能１５を介して接続することができ、したがって、６０（または１００）の異なる波長を保持する。それぞれの波長は、ほぼ１テラビット／秒の信号レートでバースト信号を搬送する。合計光リンク長は３００ｍ未満である。

Ｉ／Ｏシェルフでは、ＴＤＭトラフィックは、約５３メガビット／秒（ＳＴＳ−１相当）の倍数のタイムスロットで切り替えられる。ペイロードバーストは、それぞれ９．６μｓｅｃの長さを有し得る。受信機における同調は、ほぼ２０ｎｓで実現され得る。それぞれのバーストのトレーニングシーケンスは、例えば、８０ｎｓの長さを有することができる。

Claims (10)

1. いくつかの入力／出力サブシステム（Ｓ１−Ｓｎ；１１−１４）と、入力／出力サブシステムを構成可能に相互接続するための中央相互接続手段（Ｍ；１５、ＬＣ１’−ＬＣ４’）とを備える、伝送ネットワークで使用するためのスイッチングシステムであって、サブシステムが、
   前記ネットワークの伝送回線とデータ信号を送受信するための入力／出力回線モジュール（Ｉ１−Ｉ４、Ｏ１−Ｏ４）と、
   前記サブシステム（Ｓ１−Ｓｎ；１１−１４）を前記相互接続手段（Ｍ；１５）に接続するための１つまたは複数のリンクモジュール（ＬＣ１−ＬＣ４、ＬＣ１’−ＬＣ４’）と、
   前記サブシステム（Ｓ１−Ｓｎ；１１−１４）内の前記入力／出力モジュール（Ｉ１−Ｉ４、Ｏ１−Ｏ４）と前記１つまたは複数のリンクモジュール（ＬＣ１−ＬＣ４、ＬＣ１’−ＬＣ４’）の間で時間空間領域におけるデータ信号を切り替えるためのローカルスイッチング手段（ＣＳ１−ＣＳ４、ＣＳ１’−ＣＳ４’）とを備え、
   前記リンクモジュール（ＬＣ１−ＬＣ４、ＬＣ１’−ＬＣ４’）が、同じ入力／出力サブシステムの異なる入力／出力回線モジュール（Ｉ１−Ｉ４）からのデータ信号であって、前記入力／出力サブシステムのうちの別の入力／出力サブシステムの入力／出力回線モジュール（Ｏ１−Ｏ４）に向けられたデータ信号を集約して信号バースト（Ｂ；Ｂ１、Ｂ２）にし、ペイロードギャップ（Ｇ；Ｔ）を前記信号バースト（Ｂ；Ｂ１、Ｂ２）に提供するように構成され、
   前記スイッチングシステムが、前記ペイロードギャップ（Ｇ；Ｔ）の間に前記相互接続手段（Ｍ；１５、ＬＣ１’−ＬＣ４’）を構成して前記信号バーストをその宛先サブシステムに切り替えるためのスケジューラ（２１）をさらに備える、スイッチングシステム。
2. 前記相互接続手段が、
   前記サブシステム（１１−１４）の任意のサブシステムを任意のサブシステムに接続する光ファイバ相互接続部（１６）と、
   前記リンクモジュール（ＬＣ１−ＬＣ４）に配置された光送信機であって、それぞれの光送信機が、任意の他の前記光送信機の波長とは異なる固有の波長（λ１−λ４）で送信するように構成される、光送信機と、
   前記リンクモジュール（ＬＣ１’−ＬＣ４’）に配置された、前記光ファイバ相互接続部（１６）から信号バースト（Ｂ１、Ｂ２）を受信するためのチューナブル光受信機とを備える、請求項１に記載のスイッチングシステム。
3. 前記光ファイバ相互接続部（１６）が双方向光リングの形で構成される、請求項２に記載のスイッチングシステム。
4. 前記ペイロードギャップ（Ｔ）が、前記チューナブル受信機の高速同調のためのトレーニング信号を備える、請求項２に記載のスイッチングシステム。
5. 前記相互接続手段が、光空間スイッチングマトリックス（Ｍ）を備える、請求項１に記載のスイッチングシステム。
6. 前記ローカルスイッチング手段（ＣＳ１−ＣＳ４、ＣＳ１’−ＣＳ４’）が、時間−空間−時間スイッチング機能を実行するように構成される、請求項１に記載のスイッチングシステム。
7. 前記ローカルスイッチング手段（ＣＳ１−ＣＳ４、ＣＳ１’−ＣＳ４’）が、前記入力／出力回線モジュール（Ｉ１−Ｉ４、Ｏ１−Ｏ４）に配置された、受信されたデータ信号および送信されるべきデータ信号においてタイムスロットを交換するための第１の時間スイッチング手段と、前記入力／出力回線モジュール（Ｉ１−Ｉ４、Ｏ１−Ｏ４）と前記１つまたは複数のリンクモジュール（ＬＣ１−ＬＣ４、ＬＣ１’−ＬＣ４’）の間で空間スイッチング機能を実行するためのローカル中央段モジュール（ＬＣ１−ＬＣ４、ＬＣ１’−ＬＣ４’）と、前記１つまたは複数のリンクモジュール（ＬＣ１−ＬＣ４、ＬＣ１’−ＬＣ４’）に配置された、前記信号バースト（Ｂ１、Ｂ２）とのペイロード信号を切り替えるための第２の時間スイッチング手段とを備える、請求項６に記載のスイッチングシステム。
8. 前記ローカルスイッチング手段（ＬＣ１−ＬＣ４、ＬＣ１’−ＬＣ４’）がセルスイッチを備え、前記入力／出力回線モジュールが、受信データ信号を分割して同じ長さのセルにし、前記セルスイッチのアドレス情報を付加するためのセグメント化デバイスおよびセルを再アセンブルして送信されるべきデータ信号を形成するための再アセンブリデバイスを備える、請求項１に記載のスイッチングシステム。
9. 前記リンクモジュール（ＬＣ１−ＬＣ４、ＬＣ１’−ＬＣ４’）が、前記入力／出力回線モジュール（Ｉ１−Ｉ４、Ｏ１−Ｏ４）よりもかなり高いデータレートで送信する、請求項１に記載のスイッチングシステム。
10. 全ての入力／出力サブシステム（Ｓ１−Ｓｎ；１１−１４）のリンクモジュール（ＬＣ１−ＬＣ４、ＬＣ１’−ＬＣ４’）が、前記バースト（Ｂ；Ｂ１、Ｂ２）を同期して送信するように同期する、請求項１から９のいずれかに記載のスイッチングシステム。

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