CN1217508C

CN1217508C - 波长k次重用的单纤双向传输wdm星形多波长光网络系统

Info

Publication number: CN1217508C
Application number: CN021360715A
Authority: CN
Inventors: 甘朝钦
Original assignee: Alcatel Lucent Shanghai Bell Co Ltd
Current assignee: Nokia Shanghai Bell Co Ltd
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2022-07-17
Also published as: CN1469577A

Abstract

一种波长K次重用的单纤双向传输WDM星形多波长光网络系统，由K×N个节点、K个连接模块和1个控制模块所构成，每个连接模块分别连接N个节点，并分别与控制模块相连，同时，K个连接模块还分别两两互连，其中：每个节点是通过1根光纤与相应的连接模块相连； K个连接模块均受控制模控制，控制节点与连接模块、节点与节点以及连接模块与连接模块之间的通信。本发明利用可调多波长选择路由器的波长选择路由特性，实现1 ×K的多波长选择路由；利用光放大器对光的传输损耗进行补偿；利用反馈回路实现网络的单纤双向传输，可使网络规模扩大一倍，同时也克服了常规WDM星形网所用光纤过长问题；在实现网络所有信道波长K次重用的同时，实现网络所连接节点数的相应倍增。

Description

波长K次重用的单纤双向传输WDM星形多波长光网络系统

(一)技术领域

本发明涉及一种WDM(波分复用)星形多波长光网络系统，尤其涉及波长K次重用的单纤双向传输WDM星形多波长光网络系统。

(二)背景技术

目前，基于WDM技术的点到点光纤通信系统已经实用化，但是WDM网络技术尚有许多问题需要研究。在WDM局域网方面，未来WDM全光局域网将主要采用星形结构，而WDM局域网的发展目标是：建立一个既有高度生存性，又有良好扩展性，能支持数百甚至数千个节点的超大容量WDM全光通信网；但常规WDM星形网受传输型星形耦合器分配损耗和实际可供利用的有限信道波长数双重限制，其规模无法适应未来大容量WDM局域网的需求；此外，由于常规WDM星形网中每个节点要用两根光纤与中心星形耦合器相连，因而常规WDM星形网还存在网络所用“光纤过长”问题。对于上述问题，虽然已提出了多种解决方案，但现有每种方案都只是解决某一方面的问题，甚至某一方面问题的解决也十分有限，尚未出现一个能全面解决问题的办法，如：有源大规模星形耦合器只解决“分配损耗”问题；反射型星形耦合器只解决“光纤过长”问题；而在WDM星形网的波长重用方面，尽管实现了波长的重用甚至多次重用，但绝大多数是部分信道波长重用或多次重用，对于网络所有信道波长的重用，则仅限于重用一次。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种波长K次重用的单纤双向传输WDM星形多波长光网络系统，该系统能克服有限信道波长数和星形耦合器分配损耗对网络规模的双重限制，并解决常规WDM星形网的“光纤过长”问题，实现网络的大规模化。

本发明所提供的一种波长K次重用的单纤双向传输波分复用(WDM)星形多波长光网络系统，其特征在于，它由K×N个节点、K个连接模块和1个控制模块所构成，每个连接模块分别连接N个节点，并分别与控制模块相连，同时，K个连接模块还分别两两互连，其中：每个节点是通过1根光纤与相应的连接模块相连，该节点需要发送的信息和送往该节点的信息在同一根光纤中传输；K个连接模块均受控制模控制，即控制节点与连接模块之间、节点与节点之间以及连接模块与连接模块之间的通信；每个节点配置两个收发机：一可调波长收发机，用于可使用网络中任意一个信道波长发射数据信号给其它节点、同时可接收来自网络中所有其它节点的数据信号；一固定波长收发机，用于节点通过控制信道向控制系统发送通信请求和接收来自控制系统的控制指令；所述的连接模块由1个N×(K+2)星形耦合器、1个1×K可调波长路由器和1个宽带光放大器所构成，其中：N×(K+2)星形耦合器一边的N个端口分别连接N个节点，另一边的(K+2)个端口中：一个端口与所述的控制模块相连，用于通信节点向控制系统发出通信请求和控制系统向各节点发送控制指令；两个端口用于形成一由一端口至光放大器再至可调波长路由器回至另一端口的反馈回路，使得与N×(K+2)星形耦合器直接相连的N个节点之间的能进行通信；(K-1)个端口分别与其它(K-1)个连接模块中可调波长路由器的一个输出端口连接，另外，可调波长路由器还直接与控制模块连接，以便控制模块控制其的运行状态。

上述的波长K次重用的单纤双向传输WDM星形多波长光网络系统，其中，K个1×K可调波长路由器与K个N×(K+2)星形耦合器之间各对应端口的连接规律由下表所示，即：

表中：“#”表示编号，第1行从左至右依次是K个N×(K+2)星形耦合器的编号，第1列从上至下依次是K个可调波长路由器的编号；与可调波长路由器相应的一行K个元素分别表示它的K个输出端口号，这K个输出端口号所在的K列又分别对应着K个N×(K+2)星形耦合器的编号。

在上述的波长K次重用的单纤双向传输WDM星形多波长光网络系统中，设置一个固定波长λ_K作为控制信道专用波长，节点向控制模块发送通信请求和控制模块向节点发送控制指令都使用这个波长λ_K。

在上述的波长K次重用的单纤双向传输WDM星形多波长光网络系统中，将K×N个节点分成K个节点集，每个节点集又分成K个节点组，同时将网络的所有m个信道波长分成K个波长组：λ¹、λ²、...、λ^K，通信时，某节点组中的各节点使用第j个波长组λ^j，即：网络中每一个数据信道波长可被网络中的K个节点同时使用，以使网络中每一个波长组都可被不同的节点组重用K次。

由于采用了上述的技术解决方案，即：1)利用可调多波长选择路由器的波长选择路由特性，实现1×K的多波长选择路由；2)利用光放大器对光的传输损耗进行补偿；3)利用反馈回路实现网络的单纤双向传输，这样，在同等条件下可使网络规模扩大一倍，同时也克服了常规WDM星形网所用光纤过长问题；4)通过恰当设计，在实现网络所有信道波长K次重用的同时，实现网络所连接节点数的相应倍增。

(四)附图说明

图1是本发明波长K次重用的单纤双向传输WDM星形多波长光网络系统结构示意框图；

图2是本发明中第一连接模块的结构示意框图；

图3是本发明波长K次重用的单纤双向传输WDM星形多波长光网络系统具体结构示意框图；

图4是本发明的实施例波长3次重用的单纤双向传输多波长光网络系统结构示意框图；

图5是本发明的实施例波长3次重用及节点分组示意图。

(五)具体实施方式

如图1所示，本发明，即：波长K次重用的单纤双向传输WDM星形多波长光网络系统，由K×N个节点11~KN、K个连接模块1~K和1个控制模块100所构成，每个连接模块不但要连接N个节点，而且分别与控制模块100相连，同时K个连接模块还分别两两互连。每个节点通过1根光纤与相应的连接模块相连，该节点需要发送的信息和送往该节点的信息在同一根光纤中传输。K个连接模块均受控制模块100控制，因而节点与连接模块之间、节点与节点之间以及连接模块与连接模块之间的通信都受控制模块控制。

如图2所示，第一连接模块1由1个N×(K+2)星形耦合器(1#)12、1个1×K可调波长路由器(TWR)(1#)11、1个宽带光放大器(OA)10连接构成。对于N×(K+2)星形耦合器12，在其同一边的(K+2)个端口中，一个端口与控制模块100相连，用于通信节点向控制系统发出通信请求和控制系统向各节点发送控制指令；两个端口用于与光放大器10以及可调波长路由器11一起形成反馈回路1；反馈回路1的作用在于：使得与N×(K+2)星形耦合器12直接相连的N个节点之间的通信成为可能。考虑到光波要多次通过N×(K+2)耦合器12而存在功率损耗以及TWR11存在插入损耗，在每个TWR11前加一光放大器10进行功率补偿。剩余的(K-1)个端口分别与其它(K-1)个连接模块中TWR的一个输出端口连接；位于N×(K+2)星形耦合器12另一边的N个端口分别连接N个节点。对于1×K型TWR11，它的输入端与光放大器(OA)10的输出端连接，在它的K个输出端口中，输出端口1与N×(K+2)星形耦合器12的端口11’相连，其余(K-1)个输出端口分别与其它(K-1)个连接模块中N×(K+2)星形耦合器的一个端口相连；它的控制接口与控制模块100连接，以便控制模块控制TWR11的运行状态。对于OA，它的输入端与N×(K+2)星形耦合器12的端口12’连接，它的输出端与TWR11的输入端口连接。每个节点通过1根光纤与N×(K+2)星形耦合器12的一个端口相连，该节点需要发送的信息和送往该节点的信息均在这根光纤中传输。

其它(K-1)个连接模块有与第一连接模块相同的结构，它们各端口的连接关系也类似。

图3是本发明波长K次重用的单纤双向传输WDM星形多波长光网络系统的具体结构图，该网络系统是由K个N×(K+2)星形耦合器12~K2、K个1×K可调波长路由器(TWR)11~K1、K个光放大器(OA)10~K0、K×N个节点及1个控制模块100连接构成。在位于每个N×(K+2)星形耦合器同一边的(K+2)个端口中，一个端口用于与控制模块100相连，两个端口用于和光放大器以及可调波长路由器一起形成反馈回路；而位于同一N×(K+2)星形耦合器另一边的N个端口用来连接节点，且每个端口通过一根光纤连接一个节点，如：11节点通过一根光纤与星形耦合器(1#)12的端口11连接。如此，网络所支持的节点数为K×N；换句话说，网络所支持的节点数达到常规WDM星形网的K倍。网络中，每个节点配置两个收发机，即：一个可调波长收发机和一个固定波长收发机。可调波长收发机(可调波长发射机和可调波长接收机)可使用网络中任意一个信道波长发射数据信号给其它节点、同时可接收来自网络中所有其它节点的数据信号；固定波长收发机(固定波长发射机和固定波长接收机)用于节点向控制系统发送通信请求和接收来自控制系统的控制指令；网络系统设置一个固定波长(λ_K)作为控制信道专用波长，节点向控制系统发送通信请求和控制系统向节点发送控制指令都使用这个波长。通信时，某节点的发射机采用哪个波长以及接收机调至哪个波长均由控制系统根据通信协议决定。每个N×(K+2)星形耦合器提供一个端口与控制模块100相连，以便各节点通过控制信道专用波长(λ_K)向控制系统发送通信请求和控制系统通过控制信道专用波长向各节点发送控制指令。每个可调波长路由器通过它的K个输出端口分别与K个N×(K+2)星形耦合器相连，为了避免网络通信时产生波长冲突，K个1×K TWR与K个(K+1)×N耦合器之间各端口的连接必须遵从一定的规律，其具体连接方式由表一给出。表一如下：

表一中，第1行从左至右依次是K个N×(K+2)星形耦合器的编号，第1列从上至下依次是K个可调波长路由器的编号；与可调波长路由器(1#)相应的一行K个元素分别表示它的K个输出端口号，这K个输出端口号所在的K列又分别对应着K个N×(K+2)星形耦合器的编号，这种对应表示着它们的连接关系，即：可调波长路由器(1#)的第1个输出端口与N×(K+2)星形耦合器(1#)相连、...、可调波长路由器(1#)的第K个输出端口与N×(K+2)星形耦合器(K#)K2相连；其它各行元素有类似的含义。

所有可调波长路由器都与控制模块100直接相连，它们有着同样的设置，所有这些设置及其相应的变化都由控制系统控制。设网络可利用的信道波长数为m，根据各节点的通信请求，控制系统将网络所具有的m个信道波长分成K个波长组：λ¹、λ²、...、λ^K，并发出同步控制指令给各可调波长路由器。每个可调波长路由器接收到来自控制系统的同步控制指令，同步地设置它们的参数，使得K个波长组(λ¹、λ²、...、λ^K)分别从其相应的K个输出端口：1、2、...、K输出。与此同时，各通信节点收到控制系统通过控制信道波长(λ_K)发来的指令，分别、且同步地将各自的可调波长收发机调至相应指定的波长，如此，网络通信即可顺利进行。图3中，两个同样的信道不可能同时到达同一个节点，所以，网络通信中，任何时刻都不会发生波长冲突。

据图3网络结构，网络中心部分可看成一个(K×N)-反射型星形耦合器，可见，该网络实际上是一个所有信道都能被K次重用的WDM星形单跳多波长光网络；此外，该网络还具有分布型结构特点：网络的抗毁性强、可靠性高；网络中，若某个连接模块出现故障，只会影响该连接模块所连节点中各节点之间以及这些节点与其它节点之间的通信，网络其余部分不受影响。由于采用模块化设计，该网络可方便地实现网络的在线扩容、升级。

网络信道波长的K次重用。网络中，将K×N个节点分成K个节点集，每个节点集有N个节点。定义与第i个N×(K+2)星形耦合器(i#)相连接的N个节点为第i个节点集，这里，i＝1、2、...、K。由于通信既可能在同一节点集中任意两节点之间进行，也可能在某个节点集中的一个节点和另一个节点集中的另一个节点之间进行，所以，又进一步将每个节点集中的N个节点分成K个节点组。定义：在第i节点集中，只与第j节点集中节点通信的节点为第ij节点组(ijG)，这里，j＝1、2、...、K；特别地，当j＝i时，通信仅在第i节点集内部节点之间进行，这些节点构成的节点组为第ii节点组(iiG)。根据图3所示网络结构，通信时，节点组(ijG)中各节点使用的波长将从i#可调波长路由器i1的第j个输出端口输出；实际上，这些波长就是第j个波长组：λ^j；显然，ijG与λ^j，第i节点集与N×(K+2)星形耦合器i2有着对应关系。以上可见，网络中每一个波长组都可被不同的节点组重用K次，由此实现了网络所有数据波长的K次重用；所以，在信道波长数相同条件下，网络最大吞吐量达到常规WDM星形网的K倍。值得注意的是：欲通信的某节点对数据信道波长使用权的竞争只局限于本组节点内部各波长使用权的竞争，该节点不得使用相应波长组之外的波长发送数据。网络中，各节点之间的通信情况是不断变化的，因此，每组节点中节点的数量及具体由那些节点构成等都是动态变化的，每个波长组中的波长数及具体由那些波长组成也是动态变化的。但是，所有这些变化均受控制系统控制，由控制系统根据当时网络中各节点的通信情况决定。

举例。以上讨论了波长K次重用的单纤双向传输WDM星形多波长光网络系统结构及其波长重用特性；为使对网络结构及其波长重用特性有一更好的理解，下面再通过一个波长三次重用的单纤双向传输多波长光网络系统结构实例来作进一步说明，同时给出网络波长重用特性的直观显示。波长三次重用的单纤双向传输多波长光网络系统结构如图4所示，它由3个N×5星形耦合器、3个1×3 TWR、3个宽带光放大器、3N个节点和1个控制模块100组成。对于每个N×5星形耦合器，在其一边的5个端口中，一个端口与控制模块100相连，两个端口用于与光放大器以及TWR一起构成反馈回路，其余2个端口分别与另外两个连接模块中TWR的输出端口连接；在另一边的N个端口用于连接节点，且每个端口通过一根光纤连接1个节点。3个N×5星形耦合器和3个TWR之间各端口的连接规律由表二给出。表二如下：

根据控制系统指令，每个可调波长路由器都将网络的m个数据信道波长数分成λ¹、λ²和λ³三个波长组，使得它们从其相应的3个输出端口：1、2、3输出，并由此将这些波长组发往3个N×5星形耦合器12、22、32。每个节点通过1根光纤与相应的N×5星形耦合器的一个端口相连，如此，网络所支持的节点数为3N，即网络规模达到常规WDM星形网的3倍。进一步，将网络中3N个节点分成3个节点集，设与N×5星形耦合器12相连的N个节点为第1节点集，与N×5星形耦合器22相连的N个节点为第2节点集，与N×5星形耦合器32相连的N个节点为第3节点集，如图4所示。由于通信既可在每个节点集内部各节点之间发生，也可在两节点集之间的各节点之间发生，因而又将每个节点集分为3个节点组。设第1节点集中，仅与自身第1节点集内部其它节点发生通信的节点为第11组节点(11G)，仅与第2节点集中的节点发生通信的各节点为第12组节点(12G)，仅与第3节点集中的节点发生通信的各节点为第13组节点(13G)。同理，第2节点集中，仅与自身第2节点集内部其它节点发生通信的节点为第22组节点(22G)，仅与第1节点集中的节点发生通信的各节点为第21组节点(21G)，仅与第3节点集中的节点发生通信的各节点为第23组节点(23G)。第3节点集中，仅与自身第3节点集内部其它节点发生通信的节点为第33组节点(33G)，仅与第1节点集中的节点发生通信的各节点为第31组节点(31G)，仅与第2节点集中的节点发生通信的各节点为第32组节点(32G)。通信时，λ¹波长组可同时用于11G组节点内部各节点之间的通信、23G组节点向32G组节点发送数据以及32G组节点向23G组节点发送数据；λ²波长组可同时用于33G组节点内部各节点之间的通信、21G组节点向12G组节点发送数据以及12G组节点向21G组节点发送数据；λ³波长组可同时用于22G组节点内部各节点之间的通信、13G组节点向31G组节点发送数据以及31G组节点向13G组节点发送数据。如此，λ¹、λ²和λ³波长组都得到3次重用，即：网络中每一个数据信道波长可被网络中的3个节点同时使用；图5给出了网络节点分组与波长3次重用关系的示意图，从图中可清楚地看出，λ¹、λ²和λ³波长组都被各节点组3次重用。因此，网络的最大吞吐量达到常规WDM星形网的3倍。网络运行中，欲通信的某节点对数据信道波长使用权的竞争只局限于本组节点内部波长使用权的竞争，该节点不得使用相应波长组之外的波长发送数据。网络中各节点之间的通信情况是不断变化的，因此，每组节点中节点的数量及具体由那些节点构成等都是动态变化的，每个波长组中的波长数及具体由那些波长组成也是动态变化的。但是，所有这些变化均受控制系统控制，由控制系统根据当时网络中各节点的通信情况决定。

本发明波长K次重用的多波长光网络的优点在于：(1)通过多星形耦合器内连，网络规模达到常规WDM星形网的K倍，实现了网络的大规模化；(2)通过网络所有数据信道波长的K次重用，网络最大吞吐量达到常规WDM星形网的K倍；在实现网络大规模化的同时，相应使得网络的最大吞吐量同比增长，保证了网络的阻塞率不变；(3)在网络规模不变的条件下，可极大地降低网络通信节点的排队时延，有效地改善网络性能；(4)由于采用模块化设计，网络可方便地进行在线扩容、升级；(5)网络的抗毁性强、可靠性高：网络中，若某个模块出现故障，只会影响该模块部分所在节点组中各节点之间以及该节点组与其它节点组之间的通信，网络其余部分仍可进行通信。(6)由于每个节点仅通过一根光纤与中心星形耦合器相连，因而在网络规模相同条件下，可节省一半光纤。

Claims

1.一种波长K次重用的单纤双向传输波分复用(WDM)星形多波长光网络系统，其特征在于，它由K×N个节点、K个连接模块和1个控制模块所构成，每个连接模块分别连接N个节点，并分别与控制模块相连，同时，K个连接模块还分别两两互连，其中：每个节点是通过1根光纤与相应的连接模块相连，该节点需要发送的信息和送往该节点的信息在同一根光纤中传输；K个连接模块均受控制模控制，即控制节点与连接模块之间、节点与节点之间以及连接模块与连接模块之间的通信；

每个节点配置两个收发机：一可调波长收发机，用于可使用网络中任意一个信道波长发射数据信号给其它节点、同时可接收来自网络中所有其它节点的数据信号；一固定波长收发机，用于节点通过控制信道向控制系统发送通信请求和接收来自控制系统的控制指令；

所述的连接模块由1个N×(K+2)星形耦合器、1个1×K可调波长路由器和1个宽带光放大器所构成，其中：

N×(K+2)星形耦合器一边的N个端口分别连接N个节点，另一边的(K+2)个端口中：一个端口与所述的控制模块相连，用于通信节点向控制系统发出通信请求和控制系统向各节点发送控制指令；两个端口用于形成一由一端口至光放大器再至可调波长路由器回至另一端口的反馈回路，使得与N×(K+2)星形耦合器直接相连的N个节点之间的能进行通信；(K-1)个端口分别与其它(K-1)个连接模块中可调波长路由器的一个输出端口连接，

另外，可调波长路由器还直接与控制模块连接，以便控制模块控制其的运行状态。

2.根据权利要求1所述的一种波长K次重用的单纤双向传输波分复用(WDM)星形多波长光网络系统，其特征在于，K个1×K可调波长路由器与K个N×(K+2)星形耦合器之间各对应端口的连接规律由下表所示，即：

3.根据权利要求1所述的一种波长K次重用的单纤双向传输波分复用(WDM)星形多波长光网络系统，其特征在于：在网络系统中，设置一个固定波长λ_K作为控制信道专用波长，节点向控制模块发送通信请求和控制模块向节点发送控制指令都使用这个波长λ_K。

4.根据权利要求1所述的一种波长K次重用的单纤双向传输波分复用(WDM)星形多波长光网络系统，其特征在于：将K×N个节点分成K个节点集，每个节点集又分成K个节点组，同时将网络的所有m个信道波长分成K个波长组：λ¹、λ²、...、λ^K，通信时，某节点组中的各节点使用第j个波长组λ^j，即：网络中每一个数据信道波长可被网络中的K个节点同时使用，以使网络中每一个波长组都可被不同的节点组重用K次。