DE69914344T2

DE69914344T2 - Nichtblockierender optischer schalterkern mit optimierter schaltarchitektur basierend auf reziprozitätsbedingungen

Info

Publication number: DE69914344T2
Application number: DE69914344T
Authority: DE
Inventors: J. Philip LIN; E. Paul GREEN; A. Ornan GERSTEL
Original assignee: Tellabs Operations Inc
Current assignee: Coriant Operations Inc
Priority date: 1998-09-04
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2004-11-11
Anticipated expiration: 2019-09-08
Also published as: DE69914344D1; US7224861B2; US6985653B2; US20020061156A1; US20060269187A1; AU5811699A; EP1116060A1; WO2000014583A1; US7292747B2; EP1116060B1; US6785438B2; CA2342111C; US6591028B2; US20030138192A1; US6366713B1; CA2342111A1; US20060018592A1; ATE258317T1; US20050002601A1; EP1116060A4

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In optischen Netzen werden optische Schalter und Schaltarchitekturen für zahlreiche Anwendungen eingesetzt. Eine Anwendung optischer Schalter besteht im Bereitstellen von Lichtwegen. In dieser Anwendung dienen die Schalter dazu, miteinander verbindbare optische Architekturen zu bilden, die man leicht umkonfigurieren kann, um neue Lichtpfade zu unterstützen. In dieser Anwendung dienen die Schalter als Ersatz für manuelle Lichtleiter-Schalttafeln. Für diesen Einsatz sind Schalter mit Schaltzeiten im Millisekundenbereich annehmbar. Die Herausforderung bei derartigen Anwendungen besteht darin, Schalter mit sehr großem Umfang zu verwirklichen.
Das Herzstück des optischen Schalters bildet der Schalterkern. Bezüglich der Schaltfunktionen kann man Schalterkerne entweder als sperrende oder nicht sperrende Architekturen bezeichnen. Eine Schalterkernarchitektur heißt nicht sperrend, wenn man jeden beliebigen freien Eingangsanschluss mit jedem beliebigen freien Ausgangsanschluss verbinden kann. Damit kann man mit einem nicht sperrenden Schalterkern jedwedes Verbindungsmuster zwischen den Eingängen und Ausgängen herstellen. Kann man bestimmte Verbindungsmuster nicht herstellen, so heißt der Schalter sperrend.
Eine gängige Architektur zum Aufbau großer nicht integrierter Schalterkerne ist die in 1 dargestellte Spanke-Architektur. Bei der Spanke-Architektur stellt man einen N × N-Schalter dadurch her, dass man N Schalter der Bauart 1 × N mit N Schaltern der Bauart N × 1 wie dargestellt verbindet. Die Spanke-Architektur liefert eine strikt nicht sperrende Schalterkern-Architektur, für die 2 N Schalter erforderlich sind. Der in 1 dargestellte Schalter ist ein 4 × 4-Schalterkern.
Die zunehmende Beliebtheit optischer Netzwerke hat einen Bedarf an größeren optischen Schalterkernen bewirkt, wodurch die Anzahl der Eingangs- und Ausgangskanäle (N) zunimmt. Da gemäß der obigen Formel die Gesamtanzahl der verwendeten Schalter und ebenso die Größe eines jeden Schalters in der Spanke-Schalterkernarchitektur beträchtlich zunimmt, wenn die Anzahl der Eingangs- und Ausgangskänäle ansteigt, sind die Kosten zum Bereitstellen eines großen Schalters erheblich und in gewissen Fällen prohibitiv.
EP 0 315 351 offenbart, wie man die Komponentenanzahl eines Sternkopplers verringern kann.
US 5,724,165 offenbart einen elektromagnetisch gesteuerten Schalter, der so ausgelegt ist, dass Anschlüsse bidirektional verbunden werden.
Die Erfinder haben die Reziprozität der Verbindungen in einem üblichen optischen Schalterkern erkannt, der in einem herkömmlichen optischen Netzwerk verwendet wird. Die Erfinder haben die Reziprozitätsbedingungen dazu verwendet, eine strikt nicht sperrende Architektur eines optischen Schalterkerns bereitzustellen, die die Anzahl der Schalter, die zum Aufbau des Schalterkerns erforderlich sind, beträchtlich verringert.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird ein reziproker N-fach-Schalterkern mit N bidirektionalen Eingängen und Ausgängen bereitgestellt, umfassend:
N optische Duplexschalter, wobei jeder Schalter einen einzigen bidirektionalen Kern-Ein/Ausgabeport und mindestens N – 1 bidirektionale Verbindungsports aufweist; und
eine Anzahl Verbindungsleitungen, wobei diese Leitungen die Anzahl optischer Duplexschalter so verbinden, dass jeder Verbindungsport Y eines jeden Schalters X an einen Verbin dungsport X des Schalters Y angeschlossen ist, falls gilt X ≠ Y, und X eine Zahl zwischen 1 und N ist, die eine Schalterstellung des optischen Duplexschalters gegenüber anderen optischen Duplexschaltern des Schalterkerns darstellt, und Y eine Zahl zwischen 1 und N ist, die eine Position eines Verbindungsports gegenüber anderen Verbindungsports des Schalters X darstellt, und diese Verbindungen von X = 1 fortschreiten, bis eine einzige Verbindung zwischen jedem der optischen Duplexschalter der Anzahl optischer Duplexschalter bereitgestellt ist, und jede Verbindungsleitung so eingerichtet ist, dass sie ein Signal nur an die beiden jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Ports der Verbindungen koppelt, oder ein Signal nur von dort empfängt, die von X = 1 fortschreiten, bis eine einzige Verbindung zwischen jedem der optischen Duplexschalter der Anzahl optischer Duplexschalter bereitgestellt ist, und jede Verbindungsleitung so eingerichtet ist, dass sie ein Signal nur an die beiden jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Ports der Schalter koppelt, mit denen sie verbunden ist, oder ein Signal nur von dort empfängt.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt:
1 eine Blockdiagrammskizze eines Spanke-Schalters;
2 eine Blockdiagrammskizze eines nicht quadratischen rechteckigen Spanke-Schalterkerns;
3A und 3B Blockdiagrammskizzen eines reziproken N-fach-Schalters, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist;
4 ein Blockdiagramm eines 1 × k-Duplexschalters;
5A und 5B Blockdiagramme von 1 × k-Duplexschaltern, die aus Duplexschaltern geringerer Ordnung aufgebaut sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der Spanke-Schalterarchitektur, die in 1 für einen N × N-Schalter dargestellt ist, sind zwei Spalten mit Schaltern vorhanden, nämlich eine linke Eingangsspalte mit 1 × N-Schaltern, die allgemein mit 10 bezeichnet ist, und eine rechte Ausgangsspalte mit N × 1-Schaltern, die allgemein mit 15 bezeichnet ist. Die Schalter der Spalte 10 arbeiten als Eingangsanschlüsse, die äußeren Verkehr aufnehmen und diesen Verkehr durch die Verbindungsstruktur leiten, die allgemein mit 17 bezeichnet ist. Die Schalter der Spalte 15 arbeiten als Ausgangsanschlüsse, die den geschalteten Verkehr an eine äußere Einrichtung liefern.
In 1 ist der Fall dargestellt, dass Reziprozität für einen Pfad vorhanden ist, der ein "ostwärts gehendes" (nach rechts laufendes) Signal am Eingangsanschluss 20 mit dem Ausgangsanschluss bei 25 verbindet. Gemäß der Reziprozitätsbedingung wird das entsprechende "westwärts gehende" (nach links laufende) Signal am Eingangsanschluss 30 mit dem Ausgangsanschluss 35 verbunden. In einem allgemeineren Sinn liegt Reziprozität dann vor, wenn der Eingangsanschluss A seinen Verkehr mit dem Ausgangsanschluss B verbindet, und der Eingangsanschluss B zugleich seinen Verkehr mit dem Ausgangsanschluss A verbindet.
Die Erfinder haben erkannt, dass unter derartigen reziproken Pfadbedingungen die Anschlussposition, die ein Eingabeschalter in der linken Eingangsspalte 10 dazu verwendet, den Verkehr durch die Verbindungsstruktur zu leiten, direkt der Verbindungsstruktur-Anschlussposition des zugehörigen Ausgangsschalters der rechten Ausgangsspalte 15 entspricht (z. B. ist der Strukturanschluss 4 des Eingangsschalters 20 dem Ausgangsschalter 25 zugeteilt, der sich in der vierten Position der rechten Ausgangsspalte 15 befindet, und der Strukturanschluss 1 des Eingangsschalters 30 ist dem Ausgangsschalter 35 zugeteilt, der sich in der ersten Position der rechten Ausgangsspalte 15 befindet).
Die Reziprozitätsbedingung hat einige interessante Konsequenzen. Im Schalterkern in 1 erledigen der Schalter 20 und der Schalter 35 die gleiche Aufgabe. Sie sind beide auf der Struktureingangsposition 4 eingeschaltet. Die Erfinder haben erkannt, dass dies bedeutet, dass die Schalter 20 und 35 durch den gleichen physikalischen Schalter implementiert werden können, wobei getrennte Lichtstrahlen in entgegengesetzten Richtungen durch gemeinsame Linsen oder Spiegel verlaufen, die innerhalb des Schalters angeordnet sind. Damit können abhängig von der besonderen Konstruktion der einzelnen Schalter die gleichen Stellglieder, Spiegel, Linsen usw., die die Links-Rechts-Verbindung durch den Eingangsschalter 20 aufbauen, dupliziert werden, damit sie eine Rechts-Links-Verbindung führen, indem man einen zweiten Satz optischer Vorrichtungen verwendet, und der zweite Satz optischer Vorrichtungen den Ausgangsschalter 35 bildet. In bestimmten Fällen benötigt man den zweiten Satz optischer Vorrichtungen nicht. In diesen Fällen führt der gleiche Satz optischer Vorrichtungen zwei parallele Lichtstrahlen, die in entgegengesetzte Richtungen laufen. Dies bewirkt, dass der Eingangsschalter und der Ausgangsschalter zu einem einzigen 1 × N-Duplexschalter zusammenfallen, der zwei Lichtstrahlen aufweist, die Verkehr in entgegengesetzten Richtungen übertragen. In einer Richtung verhält sich ein derartiger Duplexschalter wie ein 1 × N-Eingangsschalter, und in der anderen Richtung wie ein N × 1-Ausgangsschalter.
Eine quadratische N × N-Architektur ist nicht die einzige Architektur, in der Reziprozität auftreten und vorteilhaft ausgenutzt werden kann. 2 zeigt einen nicht quadratischen rechteckigen Spanke-Schalterkern, in dem nicht alle Eingänge mit allen Ausgängen verbunden sind. Nicht benutzte Wege sind mit gestrichelten Linien dargestellt. Ein solcher Schalter kann trotzdem von den Einsparungen profitieren, die im Zusammenhang mit der Reziprozität auftreten. Bei einem reziproken Verbindungszustand sendet der Eingangsschalter 40 wie oben den "ostwärts gehenden" Verkehr durch die Struktur 17, und zwar vom Strukturanschluss an der Position 4 zum Strukturanschluss an der Position 1 des Ausgangsschalters 45 in der vierten Position. In vergleichbarer Weise sendet der Eingangsschalter 50 den entsprechenden "westwärts gehenden" Verkehr durch die Struktur 17, und zwar vom Strukturanschluss an der Position 1 zum Strukturanschluss an der Position 4 des Ausgangsschalters 55 in der ersten Position. Reziprozität bedeutet wiederum, dass man jeden Eingangsschalter mit dem zugehörigen Ausgangsschalter kombinieren kann, und zwar mit Hilfe von doppelten Lichtwegen durch gemeinsame Linsen oder Spiegel. Die ausschlaggebende Differenz zwischen den Schalterkern in 1 und dem Schalterkern in 2 besteht darin, dass gewisse Pfade im Kern in 2 nicht verwendet werden; sie sind durch die dünnen gestrichelten Linien dargestellt.
Da der Löwenanteil der Kosten bei den meisten Schaltern auf den Betätigungsmechanismus und die im Schalter verwendeten Spiegel oder Linsen entfällt, kann man mit einem zusammengefassten Schalter, bei dem diese Komponenten beiden Lichtwegen gemeinsam sind, eine annähernd fünfzigprozentige Einsparung erzielen, falls die Pfade reziprok sind. Es hat sich herausgestellt, dass übliche Netzwerke, beispielsweise SONET, diese Reziprozitätsbedingung, wenn überhaupt, dann sehr selten verletzen.
Die Anwendung der genannten Prinzipien auf den Entwurf ausgedehnter optischer Schalterkerne führt zu einer Anzahl unterschiedlicher Schalterkernarchitekturen, die verglichen mit herkömmlich entworfenen Schalterkernen verbessert sind. Die optimierten Schalterkernarchitekturen bestehen aus einer oder mehreren Stufen von Duplexschaltermodulen, z. B. dem einzelnen Modul, das in 3 bei 60 dargestellt ist. Jedes Duplexschaltermodul 60 besteht aus einzelnen 1 × k-Duplexschaltern, beispielsweise bei 65 in 3A und 4. Dabei kann sich k innerhalb des Moduls von Schalter zu Schalter ändern. Wie erwähnt arbeitet ein 1 × k-Duplexschalter generell wie ein herkömmlicher 1 × k-Schalter, erlaubt jedoch den Durchgang des Signalverkehrs in beiden Schalterrichtungen. Dadurch kann der Schalter wie ein Eingangsschalter und ein Ausgangsschalter arbeiten, wobei in den Eingangs- und Ausgangspfaden gemeinsame optische Komponenten verwendet werden.
Eine Ausführungsform einer Schalterkernarchitektur, in der die genannten Prinzipien zum Verringern der Komplexität der Schaltarchitektur eingesetzt werden, ist in 3A dargestellt. Der optische Schalterkern enthält wie dargestellt ein einziges N-fach-Duplexmodul 60, das aus N Schaltern 65 besteht, die 1 × (N – 1)-Duplexschalter sind (d. h., k = N – 1). Ein solcher Schalterkern 60 erlaubt Duplexverbindungen zwischen jedem beliebigen Paar freier Anschlüsse, und zwar unabhängig von vorhandenen Verbindungen, und gleicht dahingehend der strikt nicht sperrenden N × N-Spanke-Schalterarchitektur in 1. Der Schalterkern 60 ist jedoch nur für reziproken Verkehr strikt nicht sperrend.
In der in 3A dargestellten Ausführungsform ist das Modul 60 ein reziproker Vierfach-Schalterkern, in dem 4 Duplexschalter der 1 × 3-Schalterbauart verwendet werden. Die 1 × 3-Duplexschalter sind in der in Tabelle 1 angegebenen Weise verbunden, so dass sie die Struktur des reziproken Vierfach-Schalterkerns bilden.
TABELLE 1
Gemäß den obigen Verbindungen der Duplexschalter der Schalterbauart 1 × (N – 1) ist jeder Schalter mit jedem anderen Schalter über eine einzige Strukturverbindung verknüpft. Für das Verbinden der Schalter sind zahlreiche Vertauschungen möglich. Das Hauptkriterium ist, jeden Schalter mit jedem anderen Schalter zu verbinden.
Verwendet man 1 × 4-Duplexschalter (z. B. 1 × (N)-Duplexschalter) so kann man eine strikt nicht sperrende Schalterarchitektur mit Rückführung implementieren. Eine derartige Architektur ist in 3B dargestellt. Die Duplexschalter in einer solchen Architektur sind wie in Tabelle 2 angegeben verbunden.
TABELLE 2
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, dass auch andere Zuordnungen für die Verbindungsstruktur möglich sind. Das Hauptziel besteht darin, jeden Schalter mit jedem anderen Schalter zu verbinden, und zwar mit mindestens einer Strukturverbindung. Die besonderen Verbindungen der Duplexschalter der 1 × N-Schalterbauart in Tabelle 2 lassen sich in jedoch in folgender Weise verallgemeinern. Sei X die Schalterposition des Duplexschalters in der Gesamtschalterarchitektur, wobei X eine Zahl zwischen beispielsweise 1 und N ist. Sei Y der Strukturanschluss des Schalters X, wobei Y eine Zahl zwischen beispielsweise 1 und N ist. Um die Duplexschalter zu einem strikt nicht sperrenden N-fach-Schalter für reziproken Verkehr zu verbinden, wird jeder Strukturanschluss Y eines jeden Schalters X mit dem Strukturanschluss X des Schalters Y verbunden, falls gilt X ≠ Y. Dabei kann man jeden Pfad Y wahlweise für die Rückführung verwenden, wenn gilt X = Y. Derartige Verbindungen beginnen wiederum beim Schalter X = 1, bis jeder Duplexschalter mit einer einzigen Verbindung mit jedem anderen Duplexschalter der Verbindungsstruktur verknüpft ist.
5A und 5B zeigen verschiedene Arten, in denen Duplexschalter geringerer Ordnung kaskadiert werden können, damit größere 1 × k-Duplexschalter entstehen, z. B. der bei 65 in 4 dargestellte Duplexschalter. Im Einzelnen zeigt 5A bei 65 einen reziproken 1 × 12-Schalter, der aus einem einzigen reziproken 1 × 3-Schalter 67 besteht, der mit einer weiteren Gruppe von drei reziproken 1 × 4-Schaltern 69 in Kaskade geschaltet ist. In ähnlicher Weise zeigt 5B bei 65 einen reziproken 1 × 9-Schalter, der aus einem einzigen 1 × 3-Schalter 71 besteht, der mit einer weiteren Gruppe von drei reziproken 1 × 3-Schaltern 73 in Kaskade geschaltet ist. Man kann sehen, dass man weitere reziproke 1 × k-Schalter aus reziproken Schaltern geringerer Ordnung aufbauen kann. In diesen Fällen kann man die Gesamtschalterarchitektur dadurch optimieren, dass man so wenig reziproke Schalterarten bzw. Schalterarten geringerer Ordnung wie möglich verwendet. Dadurch sinkt die An zahl der Komponentenarten, die zum Fertigen des Gesamtschalters erforderlich sind.

Claims

Reziproker N-fach-Schalterkern (60) mit N bidirektionalen Eingängen/Ausgängen, umfassend: N optische Duplexschalter (65), wobei jeder Schalter (65) einen einzigen bidirektionalen Kern-Ein/Ausgabeport und mindestens N – 1 bidirektionale Verbindungsports aufweist, gekennzeichnet durch: eine Anzahl Verbindungsleitungen, wobei diese Leitungen die Anzahl optischer Duplexschalter (65) so verbinden, dass jeder Verbindungsport Y eines jeden Schalters X an einen Verbindungsport X des Schalters Y angeschlossen ist, falls gilt X ≠ Y, und X eine Zahl zwischen 1 und N ist, die eine Schalterstellung des optischen Duplexschalters gegenüber anderen optischen Duplexschaltern (65) des Schalterkerns (60) darstellt, und Y eine Zahl zwischen 1 und N ist, die eine Position eines Verbindungsports gegenüber anderen Verbindungsports des Schalters X darstellt, und diese Verbindungen von X = 1 fortschreiten, bis eine einzige Verbindung zwischen jedem der optischen Duplexschalter der Anzahl optischer Duplexschalter bereitgestellt ist, und jede Verbindungsleitung so eingerichtet ist, dass sie ein Signal nur an die beiden jeweiligen Eingabe-Ausgabe-Ports der Schalter koppelt, mit denen sie verbunden ist, oder ein Signal nur von dort empfängt.
Schalterkern (60) nach Anspruch 1, wobei jeder der Duplexschalter (65) einen Rückführport enthält.
Schalterkern (60) nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Duplexschalter (65) N bidirektionale Verbindungsports aufweist.
Schalterkern (60) nach Anspruch 3, wobei mindestens einer der Duplexschalter (65) einen Rückführport enthält.