CN1084097C - 光时隙交换设备和操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种光时隙交换(OTSI)设备，它具有较低的光纤要求和良好的衰减和信/噪比特性。该OTSI采用了并联反馈(PFB)来提供延迟。该PFB OTSI能够用n×n光纵横交换器实施。如果还包括了采用本发明的控制方法的控制器，则该PFB OTSI对于16×16纵横交换器实施来说是有条件即可重新排列非阻塞的。

Description

光时隙交换设备和操作方法
本发明涉及光学系统，且更具体地说是涉及一种光时隙交换器(OTSI)和用于操作该OTSI以为数据帧的所有可能的时隙交换提供非阻塞路径。
以前已知的光时隙交换器可以被分成两个很不同的种类。在一个极端的是光纤密集1×n分束器/n×1合成器OTSI，称为无环结构，它可以从R.A.Thompson于1988年8月在IEEE JournalON SELECTED AREAS OF COMMUNICATIONS上发表的“Architecture with Improved Signal-to-Noise Ratio in PhotonicSystems with Fiber-Loop Delay Lines”的论文中得知。它被称为无环，是因为在获得延迟的过程中没有采用环或再循环。这种OTSI具有n个单独的光纤长度，最短的是一个时隙延迟且最长的是n个时隙。n条光纤的每一条的长度都比前一个较短的延迟长一个时隙，例如1，2，3...n-1，n。无环结构提供了用于N个时隙的帧的OTSI。对n＝16，对于帧整体保持OTSI，可能的最大帧将具有8个时隙，且总的光纤延迟将为136时隙。这种OTSI被显示为图1中的系统10。
在另一个极端的，是单级Thompson再进入存储环设计，它能够通过实现各个时隙的n个单独的延迟，而为N个时隙实现N个可能延迟内的任意个。大于一个时隙的延迟，是借助使时隙的信号在其相应的延迟光纤内循环的切换电路，来提供的。在使数据的第一个时隙延迟N-1个时隙并将其插入到帧的末端的最差的情况下，需要N个延迟。这种OTSI在图2中被显示为系统20，并在上述论文中得到了描述。
然而，这种Thompson再进入型OTSI 20具有显著的衰减和SNR限制，因为某些时隙的信号通过同一条延迟光纤和这些光纤的有关交换器元件而环行了多达N次。在各个循环中，特定时隙的光信号被延迟光纤所衰减，并经受了交换器元件的插入损耗。这些衰减和SNR限制，使这种OTSI结构被很多人认为是不实用的，即使它在所有的OTSI结构中采用了最少量的光纤。
因此，在技术上，需要具有少的光纤延迟但没有严重的衰减和交换器损耗的N时隙OTSI。N时隙OTSI支持0时隙与N-1时隙之间的所有延迟，并支持帧内的时隙的所有置换，包括所有N个时隙都被延迟N-1个时隙位置的最差情况。这意味着总的光纤长度必须能够同时存储N-1个时隙的信息，并能够提供N-1个时隙的最大延迟。另外，总的光纤延迟必须提供这样的合成，即该合成在没有任何两个时隙的信号同时要求同一延迟光纤的情况下传送在0和N-1个时隙之间的每一种可能的延迟。
本发明的一个目的是提供一种N时隙OTSI，它具有上述的所需特性并由总长度最小的光纤构成。
本发明的另一个目的，是提供一种N时隙OTSI，它由最小长度的光纤构成，且没有任何时隙的信号通过同一延迟光纤和相关的交换器元件再循环两次。
本发明的再一个目的，是提供一种N时隙OTSI，它能够支持帧内所有的时隙置换，最差的情况是所有N个时隙都被延迟了N-1个时隙位置，这意味着总光纤长度必须能够同时存储N-1个时隙的信息并能够提供N-1个时隙的最大延迟。
本发明的又一个目的，是提供一种OTSI，其中光纤的总长度以一种方式得到分割，以实现这样的合成，即这种合成能够传送在0与N-1个时隙之间的每一种可能的延迟且没有任何时隙的信号通过同一条延迟光纤和相关的交换器元件再循环两次。
简单地说，根据本发明的一个方面，上述目的是通过提供一种OTSI而实现的，这种OTSI实现了N-1个时隙的延迟光纤长度并采用了少数的延迟光纤以提供在0与N-1个时隙之间任何所希望的延迟置换。另外，这种OTSI具有良好的衰减和SNR特性，因为它不使任何时隙的信号通过延迟光纤及其相应的延迟光纤输入/输出交换器元件而进行再循环。如果时隙通过任何延迟光纤的再循环受到禁止，则这种OTSI是非阻塞的。
在一个具体实施例中，上述目的是通过提供一种平行反馈光时隙交换器(OTSI)而实现的，该光时隙交换器包括一个具有n个输入端和n个输出端的n×n光交换器，其中n是大于2的整数。一个输入光纤与这n个输入端之一相连。一个输出光纤与这n个输出端之一相连。其余的n-1个输出端每一个都与多个n-1延迟光纤中的相应延迟光纤的一端相连。n-1个延迟光纤的每一条的第二端与其余n-1个输入端中的相应输入端相连。用于控制光交换器的一个控制器以这样的方式切换帧的通过延迟光纤的各个时隙的信号，即在预定的时间提供了至输出端的非阻塞路径。
从下面结合附图所进行的描述，本发明将得到最好的理解。在附图中：
图1是一种已知OTSI的框图，它要求相当长的光纤长度。
图2是要求最短的总光纤长度的已知OTSI的框图。
图3是根据本发明的一个实施例的OTSI的框图。
图4是根据本发明的另一个实施例的OTSI的框图。
参见图3，其中显示了一种平行反馈(PFB)OTSI 30。PFBOTSI30具有n×n光纵横交换器32。一个输入光纤34与n个输入端之一相连，且一个光纤输出端36与n个输出端之一相连。其余的n-1个输入端和n-1个输出端与光纤400-40n-2相连。这n-1个光纤具有从1至N/2个时隙的依次增大的二进制延迟长度，其中N是一个帧中的时隙的数目。一个数据帧中可以被PFBOTSI 30所处理的时隙的数目，是(n-1)＝整数(log2N)或N＝2(2+1)。从这些表达式，如果n＝8，则最大的N可以是128，且如果n＝16，则最大的N为32768。
最差情况的时隙置换是第一个时隙的数据信号与N个时隙的最后一个的信号的交换。这是n-1个时隙的延迟。为了获得这种延迟，开始时处于第一个时隙的信号必须通过n-1条延迟光纤400-40n-2中的每一条。
PFB OTSI 30具有这样的优点，即其所有的光交换器元件都位于一个具有适中的尺寸的单个基底上。已经实现了8×8维的光空间交换器，例如在P Granestrad等人在Electronics Letters，Vol.22，No.15，第816-818页，July 17，1986上发表的“StrictlyNon-Blocking 8×8 Integrated Optical Switch Matrix”中描述的交换器。16×16的光空间交换器不久也将能够在商业上获得。一个16×16交换器可以在一边上带有16个光纤输入端和16个光纤输出端的一个器件上制成，这可以借助当前的技术而方便地实现。已经证明，根据本发明的PFB OTSI 30对于小于或等于16的n是非阻塞的。即能够提供所有可能的时隙交换。具有大于16的n的PFB OTSI相信是非阻塞的，即这种结构是可以从8×8或16×16类型放大的，但证明它们是非阻塞的模拟还没有进行过。
PFB OTSI 30具有控制器42；该控制器42进行使各个输入时隙的信号通过其相应的延迟光纤的路由处理，以实现各个预定时隙交换置换。控制器42在时隙之间的防护间隔时间里切换n×n交换器32的连接，以实现这种路由处理。控制器42在下一个数据帧到达之前足够长的时间，被提供有下一个帧的所希望的时隙置换，以使控制器42能够确定以什么顺序来通过具体的延迟光纤400-40n-2从而产生所需的延迟。一般地，所需的置换对于各个随后的帧是相同的，因而控制器只需要就置换要在哪里改变进行更新。一种具体的延迟可能在某一延迟光纤被另一个信号所占据的一个具体的时刻要求该延迟光纤。在此情况下，一个信号的延迟顺序被重新排列，以使两个信号都能够得到路由处理并使各个信号最终受到正确的总延迟。由于进行了这种重新排列以解决PFB OTSI 30的路由处理阻塞，所以PFB OTSI 30被归为可重新排列的非阻塞OTSI。
控制器42实现所要求的时隙置换的控制方法，对于PFBOTSI 30来说不是无足轻重的。用于确定哪一个信号在什么时刻被分配给什么延迟以实现所希望的无阻塞置换的控制方法，经常是复杂的。
考虑用带有1、2和4个时隙的延迟光纤的4×4交换器(n＝4)来实现8个时隙(N＝8)的OTSI 30的简单例子。OTSI 30是要进行任意的置换，例如II，它被定义为II1＝7；II2＝4；II3＝2；II4＝5；II5＝8；II6＝6；II7＝1；和II8＝3。
该控制方法的第一步，是确定各个输入时隙的所需延迟Di。各个延迟是通过利用modN算法从时隙的最后位置减去该时隙的开始位置而确定的，它给出：延迟(Di)＝IIi-i(modN)。
将该延迟表达式应用于上述例子的置换II，则该延迟表达式是：D1＝7-1＝6；D2＝4-2＝2；D3＝2-3＝7；D4＝5-4＝1；D6＝8-5＝3；D6＝6-6＝0；D7＝1-7＝2；和D8＝3-8＝3。
该控制方法的下一步，是将各个所需的延迟分割成所需的延迟光纤组成的基本组，即延迟6需要光纤{2，4}。这些延迟光纤可以以任何顺序排列，只要它们都被通过以给出总延迟6。输入i的基本光纤组被表示为Ei。置换II所需的基本光纤Ei，被给出如下：E1＝{4，2}；E2＝{2}；E3＝{4，2，1}；E4＝{1}；E5＝{2，1}；E6＝{NULL}；E7＝{2}；以及E8＝{2，1}。
该控制方法的下一步，是构成一个延迟表，该延迟表列出了所有log2N条延迟光纤和用于N个时隙的每一个的输出光纤。该表可以用手工填制，或者象通常那样形成控制器42内的存储器中的存储位置阵列。在完成之后，该表显示出哪一个信号在哪一个时隙(TS)正在进入哪一个延迟光纤。为了避免阻塞，在同一时隙中不允许两个信号进入同一延迟光纤。
现在参见表I，对于要求两或多个延迟元件的时隙，可以按照任何顺序通过这些延迟元件。然而，对于只要求单个延迟元件的时隙，在特定时隙必须进入的光纤是固定的。继续看置换II的例子，时隙7要求单个的延迟元件2，因此信号7必须在时隙7进入光纤延迟线路2。这通过在时隙7将一个7(信号7)置于延迟光纤2而显示。这将在时隙1(实际时隙7+2mod8)从延迟光纤2出来，在该时刻它必须被置于输出光纤36。这在表中通过在时隙1将信号7置于输出光纤上而显示。该控制方法的这一步骤给该延迟表填入所有的单个元件延迟。这是由于实现等价的延迟的其他方式将破坏不允许信号两个或多次循环通过一个延迟光纤的规则。该步骤还包括填充直到表的输出光纤部分的单个元件，由于根据无再循环规则，除了以这种方式分配延迟之外没有其他的选择。将该控制方法的第一步用于置换II，时隙2、4、和7只要求单个的延迟元件，且时隙6要求立即输出，因此，在所要求的项被填入延迟表之后，该延迟表看上去如所附的表I。
  延迟光纤     时隙
    1     2     3     4     5     6     7     8
  4
  2     2     7
  1     4
  输出     7     2     4     6
表I
在置换的单个可能元件的分配被固定之后，该控制方法开始填充其余的元件—它们都具有多重可能。然而，为一个元件组选择这些可能中的一个，会阻塞其他的元件组。因此，该控制方法按照找到非阻塞路径的策略进行。
该控制方法的下一个步骤，是为具有多个元件的各个延迟确定可能的分配的数目。对于组中有n个元件的延迟，有{n×(n+1)}/2种使信号通过延迟光纤的路由处理可能。要求多个元件的各个时隙的这些可能随后被依次编号。在置换II的例子中，时隙3具有采用元件{4，2，1}的延迟7。有6种使时隙3的信号通过元件{4，2，1}的方式，如下所示
1.在TS3中的延迟4，随后是在TS7中的延迟2，随后是在TS1中的延迟1
2.在TS3中的延迟4，随后是在TS7中的延迟1，随后是在TS8中的延迟2
3.在TS3中的延迟2，随后是在TS5中的延迟4，随后是在TS1中的延迟1
4.在TS3中的延迟2，随后是在TS5中的延迟1，随后是在TS6中的延迟4
5.在TS3中的延迟1，随后是在TS4中的延迟4，随后是在TS8中的延迟2
6.在TS3中的延迟1，随后是在TS4中的延迟2，随后是在TS6中的延迟4
在该例中，E3有6种可能，且E1、E5、和E8都有2种可能。可能需要尝试的可能组合的总数，是各个多元件延迟的可能数目的乘积。对于上述例子，可能的组合为：6×2×2×2＝48种组合。
该控制方法的分配从选择第一时隙的第一个可能即{4，2}开始。暂时将该值填入延迟表，即对于时隙1将1置于延迟光纤4，随后在时隙5将一个1置于延迟光纤2，随后在时隙7将一个1置于输出端。该控制方法随后为第二时隙选择第一种可能，并尝试以相同的方式推广该延迟分配表。如果成功，随后用于第三时隙的该第一种可能得到选择，且各个延迟被暂时置于表中。该控制方法尝试经过所有的时隙，且如果达到最后的时隙且该方法成功地将最后的时隙置于延迟表中，则置换得到路由处理。
非常可能的是，在达到最后的时隙之前，对于一个时隙的第一种可能，由于该延迟光纤已经在该时隙中被占用，而不能进行路由处理。在此情况下，控制方法进行到为该时隙的下一种可能。如果能够为该时隙的任何可能得到路由处理，则该方法象以前那样继续下一个时隙。然而，如果在找到成功的路由处理之前所有的可能都已经被穷尽，该控制方法回到前一时隙并使可能编号加一。借助在前一时隙中的新的可能，该控制方法开始在当前时隙中的第一种可能。该控制方法继续进行，且由于该结构对于4×4OTSI是非阻塞的，所以存在有至少一组能够给出有效路由处理的可能。
继续看置换的这个例子，选择TS1的第一种可能{4，2}。尝试TS3的第一种可能{4，2，1}，但延迟2在时隙7中已经被占用，如表I所示，所以该可能不行。尝试第二种可能{4，1，2}并发现它是能够进行路由处理的。随后，尝试TS5的第一种可能{2，1}，但延迟1在时隙7中已经被占用。尝试第二种可能{1，2}并发现它是能够进行路由处理的。最后，尝试TS8的第一种可能{2，1}。然而在时隙8中延迟2已经被占用。因此，尝试TS8的第二种可能{1，2}并发现它是能够进行路由处理的。将表II中的这些非阻塞路由处理结果填入表I；表II是用于置换II的有效非阻塞延迟分配。
  延迟光纤                    时隙
  1   2   3   4   5   6   7   8
  4   1   .   3   .   .   .   .   .
  2   8   2   .   .   .   5   7   3
  1   .   .   .   4   5   .   3   8
  输出   7   3   8   2   4   6   1   5
表II
在此例子中，各个时隙的可能中的一个总是能够进行路由处理的，因而控制器42不用回到前一时隙。根据所选择的总体置换，控制器42可能需要频繁地返回。
上述的控制方法容易借助计算机程序而实施。能够以C或其他语言写出实施上述控制方法的计算机程序。这种程序已经被用来证实，对于4×4OTSI、8×8OTSI和16×16OTSI的所有可能的置换，都能够通过采用本发明的控制方法而得到路由处理。16×16OTSI的可能输出置换的数目是16的阶乘(16！)，即20，922，789，888，000种置换。对16×16PFB OTSI的全部路由处理的证实，是由在一个先进的工作站上进行的4个星期的连续运行获得的。
参见图4，它描述了本发明的第二实施例。该第二实施例具有与图3所示的PFB OTSI 32相同的控制方法。
由于PFB OTSI 100只要求理论上最小数目的光纤1100-110n-2，该PFB结构使其自身能够方便加上光放大器1120-112n-2，诸如铒掺杂光纤放大器。在该系统中所需的光放大器的数目较少(log2N)，使得该系统就时隙而言能够非常大。光放大器1120-112n-2的加上，使得最差情况插入损耗要求降低到只需要通过交换器基底一次再加上N/2时隙的最差情况光纤延迟。但更重要的是，光放大器的加入完全消除了PFB结构中的不同衰减问题，因而产生其中重新排列的时隙信号都具有相同的强度的输出数据帧。而且，光放大器可以被加到任何OTSI结构中，该PFB OTSI特别适用于它们的用途，因为只需要数目很少的放大器来实现多路的交换器。
因此，现在可以理解的是，公布了一种平行反馈光时隙交换器，它采用了非常少量的光纤并具有良好的衰减和信/嗓比特性。虽然结合本发明的最佳实施例而对其进行了具体的描述和显示，但不难理解的是对于本领域的人员来说从这种描述和显示可以作出在形式、细节和应用上的各种改变。例如，这种结构可以放大到大于16×16的开关。虽然对大于16×16的修正的证明还没有作出，但本发明已经明确给出了证明采用大于16×16的交换器的PFB OTSI的方法。因此，所附的权利要求书包括了不脱离本发明的真正精神和范围的所有这些形式、细节和应用上的改变。

Claims (10)

1.用于对帧的每一个时隙进行通过一个n×n并联反馈OTSI的路由处理的方法，该OTSI的n个输出端中的n-1个通过相应的延迟光纤而连回到n个输入端中的n-1个且这些时隙中的至少两个受到了置换，该方法包括以下步骤：
对于各个输入时隙，分别通过对该时隙的开始位置与该时隙的最后位置之间的差进行modN算法运算，为该时隙确定一个延迟；
将各个相应的延迟分成提供相应的延迟所需的光纤延迟元件组；
在给定的时隙上将各个元件对各个信号的延迟分配给各个信号，以使两个信号不能在相同的时隙进入相同的延迟光纤。
2.根据权利要求1的方法，其中所述分配包括：
制成列出所有log2N条延迟光纤和对于N个时隙中的每一个的输出光纤的延迟分配表，该表列出了在没有两个信号能够在相同的时隙进入相同的延迟光纤以防止阻塞的限制条件下哪一个信号在哪一个时隙进入了哪一条延迟光纤；
将在所要求的时间单个的光纤延迟所能够遇到的各个信号列入所述表中；
确定借助多个元件的各个延迟通过光纤延迟的可能分配的数目；
为第一时隙选择一个第一种可能并暂时将该值填入延迟表；
为第二时隙选择一个第一种可能，并通过暂时将该第二值填入延迟表而尝试满足其延迟要求；
为第三时隙选择一个第一种可能并暂时将各个延迟置于延迟表中；以及
进行对随后各个时隙的处理，且如果最后的时隙被成功地填入延迟表中，就将该暂时选择确定为用于该置换的路由处理的最终选择。
3.根据权利要求2的方法，进一步包括以下步骤：
如果在最后的时隙得到成功路由处理之前，用于一个时隙的第一种可能由于在该时隙中延迟光纤已经被占用而不能得到路由处理，则选择用于该时隙的下一种可能；
如果对于该时隙的任何可能能够得到路由处理，就暂时选择该路由处理并将其填入到延迟表中；
进行对随后的每一个时隙的处理，且如果最后的时隙被成功地填入延迟表，则将该暂时选择作为用于该置换的路由处理的最终选择。
4.根据权利要求3的方法，进一步包括以下步骤：
如果在能够找到成功的路由处理之前所有的可能都已经被穷尽，则回到前一个时隙并暂时选择其下一种可能；
在前一个时隙中暂时选择的该下一种可能的情况下，选择当前时隙的第一种可能；
如果用于该时隙的任何可能能够得到路由处理，就暂时选择该路由处理并将其填入延迟表；
进行对各个随后的时隙的处理，且如果最后的时隙被成功填入延迟表，就将该暂时选择作为用于该置换的路由处理的最终选择。
5.一种用于交换多个时隙中的至少一个数据时隙的光时隙交换机(OTSI)机，包括：
一个n×n光交换器，其中n是一个大于2的整数；
与该n×n光交换器的n个输入端中的第一个相连的输入光纤；
与该n×n光交换器的n个输出端中的第一个相连的输出光纤；
多至n-1条的多条延迟光纤，这些光纤中的每一条都具有与n×n光交换器的其余n-1个输出端中的一个输出端相连的一端和与该光交换器的其余的n-1个输入端中的相应输入端相连的第二端；
确定装置，用于对于各个输入时隙，分别通过对该时隙的开始位置与该时隙的最后位置之间的差进行modN算法运算，为该时隙确定一个延迟；
控制装置，用于对所述光交换器进行控制，从而使一个给定的时隙从所述第一个输入端经具有由该确定装置所确定的延迟的延迟光纤而被路由到所述第一个输出端。
6.根据权利要求5的OTSI，其中所述控制装置提供了对数据帧的所有数据时隙的非阻塞路由处理。
7.根据权利要求5的OTSI，进一步包括多个光放大器，各个所述光放大器与所述延迟光纤中的一个相应光纤相连。
8.根据权利要求5的OTSI，其中至一个数据帧有N个时隙，其中N是2的n-1次幂。
9.根据权利要求8的OTSI，其中各个延迟光纤是N个时隙的一个的时间周期的整数倍。
10.根据权利要求8的OTSI，其中各个延迟光纤是2的幂乘以N个时隙中的一个的时间周期，该2的幂分别从2的零次幂至2的n-2次幂。
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