In the future, photonic ATM (or packet) switching technology is expected to play an essential role in both routing and switching because electronic switching technology has several limitations in large-capacity switches owing to speed bottleneck of electronic devices and physical constraints in packaging. However, the application of purely optical technology to switching systems is very limited due to a difficulty in processing cell headers in the photonic domain. Therefore, hybrid-type photonic switches have been proposed to take advantage of an optical layer for high-speed transport and an electrical layer for routing control. These approaches utilize electronic buffers or optical buffers at input or output interface and electronic processing of cell header signals in the switch controllers. In this dissertation, we design the architectures of photonic ATM switches with multicast capabilities, which take advantage of the characteristics of both optical transport and electronic control. We also design multicast cell scheduling schemes with input reservation algorithm operating at a switch controller.
Two cell scheduling schemes for multicast switches have been introduced; 1) a one-shot scheduling scheme - transmission of all replicated cells in a cell time and 2) a cell splitting scheme - transmission of replicated cells over several cell times. Another issue in multicast switches is the input reservation method. In this dissertation, a new parameter for input reservation is introduced. This parameter is the number of rejected copy cells occurring only in multicast switches. Using this parameter an enhanced priority reservation algorithm for ATM multicast switches is proposed. Priority for input reservation is selected among input ports considering the number of rejected copy cells and the blocked age of head-of-line (HOL) cells. One significant point of the proposed algorithm is to achieve high throughput with proper fairness according to the design factor, which is selected to balance the tradeoff between throughput and fairness. The proposed enhanced priority reservation algorithm can be applied effectively in the multicast switches with one-shot scheduling scheme, which require high throughput and small average cell delays. Conventional optical output-buffering scheme requires a large amount of buffers to obtain the required cell loss rate and a WDM amplifier to recover the power loss in the output port. Specially, if switch size N is greater than 32 and channel speed is over 10Gb/s, then the performance of WDM amplifier is degraded in the aspect of gain and flatness due to full access to the output port. In this dissertation, we introduce a multiple access factor to the output port to be limited as smaller value than N. And an input/output optical buffering scheme is considered as a combination of input buffer to facilitate the control of multicast cell and output buffer to be able to access multiple cells to the output port using internal WDM speed-up characteristic. We design an architecture of photonic ATM switch with wavelength routing capabilities, which support a multicast switching function using a multicast cell scheduling scheme of strict-sense cell splitting. The performance of the proposed switch is evaluated in terms of switch throughput, average cell delay and cell loss probability according to the multiple access factor.
We propose the architecture of photonic ATM multicast switch and a multicast cell-scheduling scheme based on broadcast-and-select principle. Photonic ATM switch with wavelength routing capabilities can support only a multicast cell scheduling scheme using "strict-sense" cell splitting. However, broadcast-and-select ATM switch can apply a multicast cell-scheduling scheme with good performance such as wide-sense cell splitting. In this architecture, an input/output buffering scheme is also considered, and the proposed switch has a back-pressure scheme to prohibit transmission of cells from the input buffer to the output buffer to avoid cell overflows at the WDM output buffer. The performance of the proposed switch is evaluated in terms of switch throughput, average cell delay and cell loss probability. We compare the results with three types of switch architecture.
미래 B-ISDN 망에서는 멀티미디어 서비스 제공을 위해 Tb/s급 또는 그 이상의 용량을 가지는 ATM 스위치가 요구될 것이다. 전자적인 영역에서의 고속 스위치 신호 처리는 전자 소자 속도의 병목현상과 실제 구현 시 병렬 신호처리로 인한 하드웨어의 물리적 한계에 의한 제약이 발생하게 된다. 이를 극복하기 위한 방안으로 광대역 매체인 광 영역에서 스위치 기능을 수행하는 방법이 향후 대용량 스위치 구성의 방안으로 제안되고 있다. 그러나, 순수 광 영역에서의 신호 처리는 관련 광 소자, 즉 광 메모리와 광 논리소자 등이 유용하지 않은 관계로 광 버퍼링과 헤드 신호 처리의 곤란성으로 인해 실제 구현 시 또한 제약 사항이 된다. 그래서 광 신호전달과 전기 신호처리가 복합된 스위치 구조가 제안되고 있으며, 신호 전달은 광 영역에서 처리하고 스위치 제어 알고리즘 구현은 전기적인 영역에서 처리하는 형태이다. 이러한 스위치를 구현하기 위해서는 전기적인 스위치 구조와 마찬가지로 광학적인 측면을 고려한 스위치 구조가 연구되어져야 하고, 출력충돌 문제, 멀티캐스트 제어 등을 해결하기 위한 전자적 스위치 제어 방식이 광학적 영역의 특성에 부합하도록 연구되어져야 한다.
본 논문에서는 기존의 전자적인 멀티캐스트 제어 알고리즘 연구를 통해, 전기적인 스위치 구조와 마찬가지로 다파장 광 ATM 교환 망에 적합한 멀티캐스트 제어 구조 및 셀 분배 알고리즘, 출력 충돌 제어 알고리즘 등을 연구하고, 대용량 신호처리 및 멀티캐스트가 가능한 광학 스위치의 구조를 제안하고 이의 성능 평가를 수행하였다.
본 연구의 멀티캐스트 제어 알고리즘 연구에서는 원샷-스케쥴링 기법을 이용한 멀티캐스트 스위치의 개선된 우선순위 예약 알고리즘을 고안하였으며, 본 연구에서는 입력예약을 위한 새로운 파라미터로서 멀티캐스트 스위치에서만 발생할 수 있는 거절된 복제 셀의 수를 이용하여 개선된 우선순위예약방식을 제안하였다. 입력예약을 위한 우선순위는 거절된 복제 셀의 수와 HOL 셀의 블러킹 횟수를 고려하여 입력포트 중에서 선택되어진다. 제안한 알고리즘의 장점은 적당한 공정성을 가지고 높은 스루풋과 작은 평균셀지연을 획득함으로써 지연에 민감하지 않은 멀티캐스트 스위치에서 유용하게 적용할 수 있다.
광 ATM 스위치 구성 방식은 방송형 스타 구조 또는 파장 라우팅 구조로서 분류되며 방송형 스타 구조는 다지점 연결을 용이하게 실현할 수 있으나 광 전력 손실문제, 파장 채널의 제한등에 따르는 제약사항이 있다. 반면, 파장 라우팅 구조는 레이저의 파장을 튜닝하는 것에 의해서 N 입력에서 N 출력으로 원하는 출력으로 파장 자체가 라우팅이 되는 구조로서 광 전력 손실측면에서는 방송형 스타 구조보다 유리하지만 멀티캐스트 기능 구현 시 제약사항이 발생한다. 다파장 광 ATM 교환기 구조 연구에서 배열형 도파로 격자(arrayed waveguide grating)를 이용한 파장 라우팅 스위치 구조를 제안하고 멀티캐스트 서비스를 수용할 수 있는 멀티캐스트 제어 기능을 제시하였으며, 성능평가를 통해 전체출력버퍼를 가진 구조와 비교하여 동등한 스위치 스루풋, 평균셀지연 성능에 근접함을 확인하였다. 또한 이 결과를 활용하여 파장 라우팅 구조를 가지는 광 ATM 스위치를 구현 시 유용하게 이용할 수 있다.
또한 수동성형 소자를 이용한 멀티캐스트 스위치 구조를 제안하고, 멀티캐스트 제어가 가능한 스위치 제어 알고리즘을 고안하였다. 대부분의 수동성형 소자를 이용한 멀티캐스트 스위치 구조는 WDM 출력버퍼 형태로서 수동성형 소자의 각 출력포트 당 많은 양의 광 버퍼를 요구하게 된다. 이를 구현하기 위해서 기존의 연구에서는 광 버퍼 모듈을 캐스케이드로 연결하는 확장구조를 제시하고 있으며 이러한 구조는 WDM 신호를 전달하여 전송성능을 만족하기에는 많은 비용과 구현 상의 어려움이 존재하게 된다. 본 연구에서는 광 ATM 멀티캐스트 스위치의 구조에서 기존 WDM 출력버퍼와 동일한 성능을 유지하면서 광섬유지연선 즉 광 버퍼를 줄일 수 있는 구조를 제시하고, 출력버퍼의 확장 대신 입력버퍼를 두는 입출력 광 버퍼에 기본한 광 ATM 멀티캐스트 스위치 구조를 제안한다. 멀티캐스트 제어 알고리즘으로는 원샷-스케쥴링 기법과 셀 분배 기법을 적용한 멀티캐스트 스위치를 설계, 고안하였으며 성능 향상을 위해 백프레셔 기법을 설계, 적용하였다. 성능평가를 통해 스위치 스루풋, 셀 손실 성능 등을 확인하였으며, 이 결과를 활용하여 멀티캐스트 기능을 가지는 광 ATM 스위치를 구현 시 유용하게 이용할 수 있다.
본 연구를 통해서 향후 가입자 서비스의 다양화 및 서비스의 광대역화에 따른 광 ATM 교환기의 실제 구현 가능성을 증진 시킬 수 있을 뿐만 아니라 미래의 완전 광교환망 구축에 대비할 수 있다.
