KR100237838B1 - 대용량 광비동기전송 모드스위치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광 비동기전송모드(ATM:Asynchronous Transfer Mode) 스위치의 처리용량의 한계를 극복함은 물론 대용량의 스위칭을 수행할 수 있도록 한 대용량 광 비동기전송모드 스위치에 관한 것으로,
본 발명은 스위치의 각 입력단인 전송링크를 통해서 파장다중화된 광채널을 역다중화시켜 각 채널로 경로배정을 위한 1차 파장으로 변환시키고 셀들 간의 충돌을 막기 위해 압축하여 시분할 다중화시키는 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈과, 상기 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈에서 1차 파장변환된 각 셀을 1 차 목적지로 경로 배정하는 제 1 경로배정기와, 상기 제 1 경로배정기에서 배정된 채널 신호를 역다중화하여 원래의 신호형태로 역압축을 한 뒤 최종 목적지로 경로 배정되기 위한 파장으로 변환시켜 다시 셀 충돌을 막기위하여 압축하는 시분할다중화/파장분할다중화 스위칭모듈과, 상기 시분할다중화/파장분할다중화 스위칭모듈에서 역압축한 신호를 최종목적지로 셀들을 경로 배정하는 제 2 경로배정기로 구성됨을 특징으로 한다.

Description

대용량 광 비동기전송모드 스위치
본 발명은 대용량 광 비동기전송모드 스위치에 관한 것으로, 특히 광 비동기전송모드(ATM:Asynchronous Transfer Mode) 스위치의 처리용량의 한계를 극복함은 물론 대용량의 스위칭을 수행할 수 있도록 한 대용량 광 비동기전송모드 스위치에 관한 것이다.
현재까지 제안된 광교환 방식은 공간분할다중화(Space Division Multiplex-
ing:SDM), 시간분할다중화(Time Division Multiplexing:TDM), 파장분할다중화(Wavelength Division Multiplexing:WDM), 자유공간 방식이 있으며, 상기 각 교환방식들은 그 방식마다 장.단점을 가지고 있다. 전기적 경로배정을 취하지 않은 광 비동기전송모드(ATM) 시스템으로는 벨코어(Bellcore)에서 스타 커플러(star coupler)형태의 셀 라우팅 방법을 처음으로 제안하였고, 그 외에는 대부분 비동기 전송모드(ATM)의 제어는 전기적으로 해결하고 고속 광대역 스위칭은 광기술로 분담하는 형태의 시스템이 제안되고 있다. 이러한 시스템의 대표적인 예가 일본전기주식회사(NEC)의 광패킷 교환 시스템, 일본전신전화주식회사(NTT)의 ULPHA(Ultrafast Photonic ATM) 시스템, 히다찌(Hitachi)의 공간분할 스위치를 이용한 경우 등이 있으며, 최근 일본전신전화주식회사(NTT)에서 FRONTIERNET(Frequency Routing Type
Time Division Interconnection Network) 스위치를 학계에 발표한 바 있다.
따라서 상기 NTT에서 제안한 ULPHA 스위칭 시스템을 살펴보면, 도 1 에 도시한 바와같이, 시간분할 스위칭 시스템의 대표적인 예로써 N 개의 입ㆍ출력 채널(1)로 이루어져 있고, 각 채널에는 전기적 신호 또는 광신호가 전송된다. 각 채널은 입력 인터페이스 모듈(2)로 입력 되는데, 셀은 위상 지터를 제거하기 위해 재생되고, 각각의 셀들은 시스템 클럭에 의해 동기화된 시간 슬롯에 삽입된다. 동시에 시스템에 내장된 레이저 다이오드(3)는 시스템 클럭에 동기화되어 초고속 광 신호를 만들어 각각의 셀코더(4)로 분배(5)하게 된다.
상기 셀코더(4)로 입력되는 셀은 어드레스 부분과 데이터 부분으로 나누어 서로 다른 파장으로 변조가 이루어진다. 이때 시스템 마스터 클럭에 동기가 맞추어진 레이저 다이오드(3)의 펄스열이 외부 변조기로 입력되면 전기적인 신호로 바뀌어진 각 채널의 데이터는 외부 변조기를 변조시키게 된다. 상기 변조기를 통해 출력되는 펄스열은 교환이 이루어지는 동안 동일 파장을 사용하므로서 생기게 되는 셀 충돌을 막기 위해 셀 주기(T)를 전체 채널수(n)로 나눈 값(T/n)의 비율로 압축시키게 된다.
상기 각각의 압축된 셀들은 서로 다른 파이버 지연을 겪게 되고, 스타커플러(6)로 입력되는 셀은 시간 다중화된 셀이 된다. 상기 스타커플러(6)를 통해 입력되는 셀은 모든 출력단으로 그 파워가 분배되고 각각의 출력단은 압축된 셀들의 어드레스를 검출하여 원하는 셀만을 다음 단으로 출력할 수 있도록 광셀렉터(7)를 동작시킨다. 만약 전체 입력 포트의 셀들이 하나의 출력단으로 가고자 한다면, 원래의 셀 주기(T)안에 전체 채널수 n개의 압축된 셀들이 있으므로 수신을 위해 원래의 전송신호로 역압축을 하게되면 셀 충돌을 피할 길이 없게 된다. 이런 이유로 셀 버퍼(8)를 두어 T주기마다 하나의 압축된 셀만을 다음단으로 출력시키게 된다. 셀디코더(9)에서는 압축된 셀을 원래의 전송신호로 역압축을 하게 되어 다음 광 링크로 전송이 이루어지거나, 혹은 전기적인 신호로 바뀌어 최종 수신기에 전달되게 한다.
즉 상기 ULPHA 스위칭시스템은 스타커플러(6)를 사용하여 모든 출력단에 셀의 광파워를 분배하기 때문에 처리용량을 높이기 위해 시스템을 확장할 경우 각각의 수신단에서의 수신 광파워는 링크수에 비례하여 적어지게 되고, 위와 같은 시분할 구조로 확장을 할 경우 각 링크의 셀코더(4)에서 요구되어지는 압축을 또한 비례하여 증가하기 때문에 대용량으로 확장이 어렵다.
또한 NTT에서 제안한 FRONTIERNET(Frequency-Routing-Type Time-Division Interconnection Network)의 다단 스위칭 시스템을 살펴보면 도 2 에 도시한 바와같이 (M X N)개의 주파수 변환기(10)와 (N + M)개의 주파수 경로배정기(FR)(11), (M X N)개의 주파수스위치(12), (K X M)개의 주파수 다중 출력 버퍼(13)로 이루어진다. 여기서 각 입ㆍ출력 링크(14)는 주파수 다중방식된 하나의 전송선로일 수도 있고, 개개의 전송선로가 시간다중화된 전송형태일 수 있다. 여기에서는 후자의 경우로 해석을 하고 있으며, 셀의 헤더와 페이로드의 주파수가 각각 다르게 되어 있다고 가정한다. 입력링크의 한 채널을 예를 들어 설명하면, 주파수 변환기(10)에 입력되는 ATM셀은 역다중화기(15)에 의해 데이터와 헤더부분으로 분리되고 각 신호는 광전자변환기(16)에서 주파수할당신호인 전기적인 신호로 변환된다. 이 전기적인 신호로 바뀐 헤더의 정보로부터 경로배정을 위한 주파수를 선택하게 되고, 이 선택된 주파수로 발진하는 가변파장변환기(레이저다이오드)(17)의 연속된 빔은 외부 변조기(18)로 입력되어, 최초 입력된 데이터 신호에 의해 변조된다. 경로배정을 위해 주파수 변환된 셀은 경로 배정기(frequency router)(11)에 의해 목적지 링크의 주파수 스위치 모듈(19)로 입력된다. 이 다단 스위칭 시스템에서는 처리용량을 높이기 위해 확장할 경우 하나의 입력 링크에서 경로배정을 위해 요구되어지는 주파수는 입력 채널수와 출력단 링크수의 곱만큼 요구되어진다. 만약 한 입력링크에서 모든 채널(K)이 하나의 출력링크의 주파수 스위치(12)로 입력된 셀은 K개의 주파수 선택기(20)로 선택되어 분배기(21)로 분배되고 상기 주파수 선택기(20)에 의해 하나의 원하는 주파수만을 선택하여 최종 목적지로 경로 배정되기 위한 주파수변환기(22)로 변화시킨다. 출력단에서는 입력단의 모든 채널이 한 곳의 목적지로 오는 최악의 경우 병목현상이 발생하므로 이를 해결하기 위해 대용량의 주파수분할다중화 출력 버퍼(13)가 필수적이다.
이상에서와 같이 종래의 처리용량이 큰 광스위칭 시스템을 구현하기 위해서는 요구되어지는 하드웨워의 수가 상당히 많아지게 되고 경로배정을 위한 광주파수의 가변범위가 상대적으로 넓어져야 한다. 그러나 광증폭기의 평탄이득 대역폭을 고려하면 주파수 간격을 세밀하게 나누어야 하고, 이는 높은 주파수 안정도를 요구하느 만큼 상당한 기술력이 요구된다. 또 구현을 위한 비용 면에서도 큰 단점으로 작용하게 된다.
또한 상기 두 가지 스위칭 시스템 모두 처리용량을 높이기 위해서는 상당수준의 기술력과 많은 하드웨어 수, 구현을 위한 비용이 기하 급수적으로 증가한다는 큰 단점이 있다.
본 발명의 목적은 광 ATM 스위칭 시스템에 있어서, 대용량의 스위칭 능력은 물론 하드웨어의 수를 대폭 감소시켜 시스템 비용을 감소시키고자 하는데 있다.
상기의 목적을 실현하기 위하여 본 발명은 스위치의 각 입력단인 전송링크를 통해서 파장다중화된 광채널을 역다중화시켜 각 채널로 경로배정을 위한 1차 파장으로 변환시키고 셀들 간의 충돌을 막기 위해 압축하여 시분할 다중화시키는 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈과, 상기 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈에서 1차 파장변환된 각 셀을 1 차 목적지로 경로 배정하는 제 1 경로배정기와, 상기 제 1 경로배정기에서 배정된 채널 신호를 역다중화하여 원래의 신호형태로 역압축을 한 뒤 최종 목적지로 경로 배정되기 위한 파장으로 변환시켜 다시 셀 충돌을 막기위하여 압축하는 시분할다중화/파장분할다중화 스위칭모듈과, 상기 시분할다중화/파장분할다중화 스위칭모듈에서 역압축한 신호를 최종목적지로 셀들을 경로 배정하는 제 2 경로배정기로 구성됨을 특징으로 한다.
도 1 은 종래 ULPHA 스위치의 구성도.
도 2 는 종래 FRONTIERNET의 구성도.
도 3 은 본 발명 대용량 광 ATM 스위치 전체 구성도.
도 4 는 본 발명 대용량 광ATM 스위치 WDM-to-TDM 변환모듈 구성도.
도 5 는 본 발명 대용량 광ATM 스위치 WDM-to-TDM 변환모듈의 타이밍도.
도 6 은 본 발명 대용량 광ATM 제 1 경로배정기의 실시예.
도 7 은 본 발명 대용량 광ATM 스위치 TDM & WDM 스위칭모듈의 구성도.
도 8 은 본 발명 대용량 광ATM 스위치 TDM & WDM 스위칭모듈의 타이밍도.
도 9 는 본 발명 대용량 광ATM 스위치 제 2 경로배정기와 데코더의 구성도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
24-1: 역다중화기 24:파장분할다중화/시분할다중화변환모듈
25: 제 1 경로배정기 26:시분할다중화/파장분할다중화스위칭모듈
27: 제 2 경로배정기 28; 디코더
30; 다중화기 35: 배열도파관회절기
36: 가변파장변환기 38: 압축기
40: 파이버지연선 42; 커플러
이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제 3 도는 본 발명에 의한 대용량 광 ATM 스위치의 전체 구성도이다.
스위치의 각 입력단 인 전송링크(23)를 통해서 파장다중화된 광채널을 역다중화시키는 역다중화기(DEMUX)(24-1)와, 이 역다중화기(DEMUX)(24-1)에서 다중화된 신호를 각 채널로 경로배정을 위한 1차 파장으로 변환시키고 셀들 간의 충돌을 막기 위해압축하여 시분할 다중화시키는 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈(WDM-to-TDM Conversion Module)(24)과, 상기 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈(24)에서 1차 파장변환된 각 셀을 1 차 목적지로 경로 배정하는 제 1 경로배정기(Router)(25)와, 상기 제 1 경로배정기(Router)(25)에서 배정된 채널 신호를 역다중화하여 원래의 신호형태로 역압축을 한 뒤 최종 목적지로 경로 배정되기 위한 파장으로 변환시켜 다시 셀 충돌을 막기위하여 압축하는 시분할다중화/파장분할다중화스위칭모듈(26)과, 상기 시분할다중화/파장분할다중화 스위칭모듈(26)에서 역압축한 신호를 최종목적지로 셀들을 경로 배정하는 제 2 경로배정기(27)와, 상기 제 2 경로배정기(27)에서 경로 배정된 셀들을 해독하는 디코더(28)와, 상기 디코더(28)에서 해독된 셀을 다중화시켜 스위치의 각 출력 전송링크로 전송하는 다중화기(30)로 구성되게 된다.
도 4 는 본 발명 대용량 광ATM 스위치 WDM-to-TDM 변환모듈 구성도 이고, 도 5 는 본 발명 대용량 광ATM 스위치 WDM-to-TDM 변환모듈의 타이밍도 로서, 광망을 구성하고 있는 전송링크가 전송효율을 높이기 위해 n개의 파장(λ1-λn))(33)으로 파장분할다중화(WDM)되어 있다고 볼 때, 각 입력링크(34)로 입력되는 채널들은 역다중화기(24-1)를 통해 역다중화된다. 여기서 역다중화 기능을 수행하기 위해 (1 x n)배열도파관회절기(Arrayed Waveguide Grating)(AWG)(35)을 사용하였다. 만약 입력단이 전송 링크(23)가 아니라, 가입자인 경우에는 역다중화기(24-1)를 사용되지 않고 각 가입자가 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈(24)로 직접 접속된다. 역다중화된 n개의 서로 다른 채널들(33)은 가변파장변환기(Tunable Wavelength Convertor: TWC I)(36)에 의해 목적링크로 경로 배정되기 위한 파장으로 변환된다. n개의 채널들(33)중 목적 링크가 같은 경우가 발생할 수 있고, 또 최악의 경우 모든 채널이 하나의 목적 링크로 가고자 한다면 가변파장변환기I(36)에 의해 동일한 파장으로 변환되기 때문에 제 1 경로배정기(25)로 입력되는 과정에서 셀들 간의 충돌이 발생하게 된다. 이런 경우를 방지하기 위하여 각 셀들은 하나의 셀 주기(T)(37)에 모든 채널(n)(33)이 시분할다중화될 수 있도록 압축기(Compressor)(39)에 의해 T/n 으로 압축된다. 상기 압축된 셀들은 각각 T/n(41) 만큼의 지연길이 차이를 가지는 파이버 지연선(40)을 통과하여 n x 1 커플러(42)에 의해 커플링이 된다. 결국 위의 과정을 모두 겪은 최초의 파장다중화된 n개의 채널들(33)은 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈(24)을 통해 하나의 셀 주기 T (37) 안에 시분할다중화되어 제 1 경로 배정기(25)로 입력된다.
도 6 은 본 발명 대용량 광ATM 스위치의 제 1 경로배정기 실시예 로서, 여기서 4개의 입ㆍ출력 링크에 대해 배열도파관회절기(AWG)(43)를 이용한 경로배정의 일례를 보인 구성도이다. 배열도파관회절기(AWG)(43)에서의 파장에 따른 채널의 경로배정을 위한 알고니즘을 살펴보면, 한 링크 내에서 입력단(23)을 ｉ, 출력단(30)을 ｊ,입·출력단의 수를 N 이라 할 때,{(ｉ+ｊ-2)mod N} + 1 이라는 관계식에 의해 각 셀들의 파장을 결정하게 된다. 예를 들어 도 6에서 입출력단의 수가 4이고, 입력단 3으로 들어온 셀이 출력단 1로 스위칭되고자 할 때에는 상기 관계식에 의해{(3+1-2) mod N} + 1 = 3 즉, λ₃(44)의 파장으로 변환되게 된다. 만약 입력단 1에서 동시에 같은 출력단인 1로 스위칭되고자 할 때에는 {(1+1-2) mod N} = 1 즉 λ₁(45)의 파장으로 변환되어 첫 번째 출력단으로 스위칭된다. 배열도파관회절기(AWG)(43)는 동일 파장을 가진 채널이 서로 입력 포트가 다르면 출력되는 포트 또한 다르게 되고 또 서로 다른 입력포트로부터 동일한 출력 포트로 신호를 전달하려면 서로 다른 파장이 요구되므로 , 배열도파관회절기(AWG)(43)의 한 출력 포트에는 여러 입력 포트로부터 들어온 파장다중화된 신호들을 가질 수 있게 되며, 이때 신호간의 충돌은 없다, 즉 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈(24)에 의해 시분할 다중화된 각 입력단의 셀들은 배열도파관회절기(AWG)(43)를 통과한 후 동일목적지로 향하는 셀들이 같은 타임슬롯 내에서 파장다중화된 형태가 된다. 이 파장다중화와 시간다중화가 동시에 이루어진 셀은 목적 출력링크의 시분할다중화/파장분할다중화 스위칭 모듈(TDM & WDM Hybrid Switching Module)(26)로 입력된다. 이 파장다중화와 시간다중화를 동시에 이용하는 경로배정 방식은 기 제안된 스위치 구조들 보다 경로배정을 위해 요구되는 광파워가 휠씬 작을 뿐만 아니라 경로배정을 위해 요구되어지는 파장수 또한 적어지는 이점이 있다.
도 7 은 본 발명 대용량 광ATM 스위치 TDM & WDM 스위칭모듈의 구성도이고, 도 8 은 본 발명 대용량 광ATM 스위치 TDM & WDM 스위칭모듈의 타이밍도 로서,상기 시분활다중화/파장분할다중화 스위칭모듈(26)에서는 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈(24)에서처럼 먼저 (1×ｎ)배열도파관회절기(AWG)(46)를 이용하여 파장 역다중화를 시킨다. 각각의 역다중화된 셀들은 최종목적지로 경로 배정되기 위한 파장으로 변환되게 되는데 고속의 ATM셀인 경우, 예를 들어 전송링크에서의 전송속도가 10 Gbps인 10개의 채널이 다중화 되어 있는 경우, 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈(24)에서 T/n압축기(38)으로 압축되기 때문에 압축된 ATM셀의 비트 레이트(bit rate)는 100 Gbit/s가 된다. 현재의 기술수준으로는 100 Gbit/s의 속도로 LD(Laser Diode)를 직접 변조하기가 어려운 실정이므로 변조가능한 최고속도인 10 Gbit/s의 속도로 만들어주어야 한다. 이런 이유로 가변파장변환기(47)앞단에 비트와 비트간의 간격을 늘리기 위한 셀역압축기(48)를 두어 원래의 전송속도인 주기 T(49)로 역압축시킨다. 그러나 T(49)주기 안에는 T/n(38)로 압축된 n개의 셀이 있을 수 있으므로 하나의 압축된 셀이 역압축이 이루어지는 동안 뒤이어 오는 셀과 충돌하게 되는 병목현상을 막기 위해 셀버퍼(50)를 두어 주기 T(49)마다 한 셀씩 셀역압축기(48)로 출력시킨다. 만약 최초의 채널 전송속도가 수십 ∼수백 Mbps이거나 ,100 Gbit/s의 신호를 처리할 수 있는 파장변조기술이 개발된다면, 셀버퍼(50)와 셀역압축기(48), 셀압축기(51)는 사용하지 않아도 된다.
가변파장변환기Ⅱ(47)에 의해 파장 변환된 최대 n개의 셀들을 고려할 때 이 n개의 셀이 동일 목적지로 스위칭되고자 한다면 시분할다중화/파장분할다중화스위칭모듈(26)의 출력단에서 셀 충돌을 피할 수 없게 되므로, 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈(24)에서와 같이 (T/n)압축기(52)로 압축을 시키고 서로 다른 지연길이(T/n)(53)를 갖는 파이버 지연선(54)을 통과시켜 n×1 커플러(55)에 의해 커플링되게 한다. 결국 시분할다중화/파장분할다중화스위칭모듈(26)에서 출력되는 셀은 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈(24)의 출력처럼 시분할다중화된 형태가 된다. 경로배정을 위한 알고리즘은 상술한 바와 같으며, 가변파장변환기Ⅱ(47)는 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈(24)의 가변파장변환기Ⅰ(36)에서 요구되어지는 가변 파장범위와 동일한 것을 사용하여도 무방하다.
도 9 는 본 발명 대용량 광ATM 스위치 제 2 경로배정기와 데코더의 구성도 로서, 시분할다중화/파장분할다중화스위칭모듈(26)에서 출력된 시분할 다중화된 셀은 제 2 경로배정기Ⅱ(27)에 의해 파장별로 역다중화된다. 이 경우 사용되어지는 디바이스는 (1×n)배열도파관회절기(AWG)(56)가 된다. 이방법은 ULPHA 스위치 구조나. FRONTIERNET 스위치 구조의 경로배정 과정보다 광파워의 이득을 휠씬 많이 볼 수 있는 장점이 있다.
따라서 경로 배정과정에서 충돌을 막기 위해 (T/n)압축기(52)로 압축되었던 셀은 원래의 주기 T(57)로 역압축되는데, 이때 시분할다중화/파장분할다중화스위칭모듈(26)에서와 같이 병목현상을 막기 위해 셀버퍼(58)를 둔다. 만약 스위치의 출력단이 가입자라면 광/전 변환되고, 최종목적지가 아니라 다음단의 전송 링크라면 다중화기(MUX)(30)를 사용하여 n개의 채널을 다중화시켜 원래의 파장다중화방식으로 전송할 수 있다.
이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 대용량의 광ATM 스위치에 있어서, 파장분할 방식과 시간분할 방식을 혼용함으로써, 기존에 제안되었던 구조들보다 구현을 위한 하드웨어의 수를 대폭 감소시킬 수 있고, 그에 상응하여 시스템 비용 또한 대폭 감소시킬 수 있는 이점을 가지게 되는 것이다.

Claims (2)

  1. 파장다중화된 입력단과 출력단을 가지는 광ATM 스위치에 있어서, 스위치의 각 입력단인 전송링크를 통해서 파장다중화된 광채널을 역다중화시켜 각 채널로 경로배정을 위한 1차 파장으로 변환시키고 셀들 간의 충돌을 막기 위해 압축하여 시분할 다중화시키는 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈과, 상기 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈에서 1차 파장변환된 각 셀을 1 차 목적지로 경로 배정하는 제 1 경로배정기와, 상기 제 1 경로배정기에서 배정된 채널 신호를 역다중화하여 원래의 신호형태로 역압축을 한 뒤 최종 목적지로 경로 배정되기 위한 파장으로 변환시켜 다시 셀 충돌을 막기위하여 압축하는 시분할다중화/파장분할다중화 스위칭모듈과, 상기 시분할다중화/파장분할다중화 스위칭모듈에서 역압축한 신호를 최종목적지로 셀들을 경로 배정하는 제 2 경로배정기로 구성됨을 특징으로 하는 대용량 파장분할다중화 광 ATM 스위치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 파장분할다중화/시분할다중화변환모듈은 역다중화기에 의해 역다중화된 셀들을 경로배정을 위한 1차 파장으로 변환하는 가변파장변화기Ⅰ, 셀들간의 충돌을 방지하기 위해 셀을 압축하여 시분할다중화된 신호열로 바꾸는 T/n압축기와 T/n광섬유 지연선, n x 1커플러로 이루어짐을 특징으로 하는 대용량 파장분할다중화 광 ATM 스위치.
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