CN1462127A - 基于混合交换的wdm城域接入网结构 - Google Patents

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Abstract

光网络节点(50)通过在各自波长上的多个信道(42)从输入光纤中接收信息。该节点(50)包括复用/解复用电路(60)，用于将光信号分离成一组电路交换信道(48)和一组突发交换信道(46)。电路交换(波长交换)电路(68)交换电路交换信道中的信息，突发交换电路(62)为突发交换信道中的信息选择路由。复用/解复用电路(60)将来自第一和第二组信道的信息组合到输出光纤，因此光纤既运送电路交换又运送突发交换信息。一公共控制平台管理两种类型业务的通信。

Description

基于混合交换的WDM城域接入网结构
技术领域
本发明通常涉及电信系统，更特别是涉及波分复用网和光突发交换技术。
背景技术
在近十年里，通过电传送的信息量急剧增长。随着更大通信带宽需求的增长，有效使用通信基础设施的重要性也在增加。波分复用(WDM)和多波长光网络已经成为新兴和将来公众网的关键技术。目前WDM已经建立为允许长途通信大传输容量的主要技术。
近年来，采用多波长光网络的重点已经移向城域网(区域城域网和接入城域网)。如今正在研究多种光网络解决方案用于接入环路(FTTC[光纤到路边]、FTTH[光纤到户]、PON[无源光网络]、APON[基于ATM的无源光网络]、EPON[基于以太网的无源光网络]等等)、和用于区域/核心城域网(OADM和OXC)。目的在于将多波长网络引入这些舞台。但是，WDM接入网和WDM城域网所面临的挑战不同于WDM在长途通信中所遇到的挑战。一方面，现有的长途WDM系统设计成用来克服由于较长路程的光纤传输造成的损坏，因此运载了额外的成本容限，这对于接入网和城域网是一种浪费。另一方面，接入网和城域网的结构挑战根本不同于长途系统。
如今，城域网和接入网的业务提供商面临这样一种情形，即需要认识到更大带宽的需求。但是这种需求是混乱的而且是基于不可预料的业务和客户的混合情况(通过多种技术-DSL、快速以太网、吉比特以太网、CATV、ATM、帧中继和SONET的数据、话音和/或视频)。原则上，对更多带宽的需求只能由WDM满足。但是，宽带应用和业务相对混合的不确定性表明WDM系统异常灵活的选择并能够有效地处理多种协议、比特率和信号格式。已经考虑了基于波长到业务量类型或波长到业务的专用解决方案，但是这些解决方案中所希望的大量波长和这些解决方案的成本有效性变得难以在城域网的级别上得以验证，更难以在接入网的级别上得以验证。
另一方面，当数据业务量在公众网占优势时，基于有限波长库的波长路由选择(电路交换)的解决方案无法有效地利用传输介质。这就是如今对带宽日益增长的需求主要是由于IP数据业务量惊人增长的现状。全光分组交换将是以最有效的方式处理往返于互联网核心的大量光IP分组流的最佳传输模式。但是，如今大量的分组交换操作(例如，超快速脉冲调制、比特和分组同步、超高速交换、缓冲和首部处理)无法以逐个分组为基础在光域进行。
已经研究了许多旧的和新的传输模式。突发交换(BS)和快速电路交换(FCS)就是例子，前者看来正得到越来越多的重视。但是，大部分的研究都集中在核心网中的突发交换，在核心网中太贵也太难以有效的方式允许突发交换加入网络和将突发交换一起接入IP、ATM和SONET。许多研究都考虑到核心网中的光突发交换。这更难以实施。同时，接入网向终端用户传递例如明文电话和有线电视等业务并且在将来较长的时间段内非常可能继续如此的事实，意味着除了占优势的数据业务以外，应当还要为传统的面向连接的业务留有空间。
许多类型的信息都可以通过WDM网传送，每种信息都有它自己的要求。例如，话音和音频数据需要相对较小的带宽；另一方面，话音和实时音频数据的中断将非常干扰参与者。非实时的数据传输，例如互联网浏览和其它的数据通信需要大量的带宽，但是数据流的中断不会被用户察觉。高分辨率的视频传输既需要高带宽又需要无中断传输。
相应的，需要一种灵活的WDM系统，能够有效处理多种协议、比特率和信号格式。未来的WDM城域/接入系统必须能够有效处理分组业务和电路类型业务。
发明内容
在本发明中，光网络节点通过在各自波长上的多个信道从输入光纤中接收信息。该节点包括分离电路，用于将光信号分离成第一组信道和第二组信道。电路交换电路交换第一组信道中的信息，突发交换电路为第二组信道中的信息选择路由。网络中电路交换部分的交换间隔度(granularity)是波长，而突发交换部分中的间隔度是数据突发。控制电路管理通过电路交换电路和突发交换电路的通信。组合电路将来自第一和第二组信道的信息组合到输出光纤。
本发明提供比现有技术明显的优点。这些节点组合了电路交换(波长交换)和突发交换的性质，允许为给定的传输使用最有效的交换方法。该结构允许在子网络中分别对待电路和突发，该子网络优化用于运送指定类型的业务(突发或波长电路)。指定公共控制平台来控制通过突发和电路子网络的业务。公共控制平台管理两种业务类型的通信。另外，本发明提供将突发交换作为一项新的交换技术的入口策略(entry strategy)。虽然目前对突发交换的研究是设想在实际难以引入的核心网(由于要接入多种核心协议和包括IP、ATM和SONET系统，加上这样做需要非常高的成本)，但是在接入网的级别引入突发交换可以改进公众网在该级别的性能(更高的效率和缓解瓶颈)，同时可以避开核心网中一些复杂的接入要求。在城域/区域网，突发可以映射到SONET电路并且平滑地与主数据流合并直到核心网，如今由于OADM(光分插复用器)和OXC(光交叉连接)的出现，在核心网可以获得额外的带宽并且引入高级业务管理。
附图说明
为了更完整的理解本发明及其优点，现在将参照下文结合附图的描述，其中：
图1说明现有城域网的方框图；
图2说明现有的波分复用技术；
图3说明基于混合交换(光突发和波长交换)的光网络的方框图；
图4说明在图3网络中的信道分配；
图5说明突发交换；
图6说明图3网络中一节点的方框图；
图7说明图6的节点所用的波长分割/交织；
图8说明在各个节点之间突发传输和电路连接建立的一般方案，包括其所需的信令。
图9说明通知分组的结构；以及
图10A到10C说明描述用于所建议结构的公共控制和MAC(媒体接入控制)协议方法的流程图。
具体实施方式
本发明参照附图1-10可以得到最好的理解，各图中类似的数字用于表示类似的元件。
城域网，例如如图1所示的城域网，占据中间的地理区域，在多数情况下链接长途系统与本地、企业和接入网。但在许多情况下，城域网被认为是包括企业网、接入环路和整个客户前端。根据公众网中一个片断的具体情形，可以存在一个或两个城域网。没有标准的分类，实际上，除了附图中所述的术语外其它的术语也是可能的。图1说明城域网10的通用方框图。区域级城域环12包括多个以环状结构互联的区域级中心局14。区域级中心局14可以连接到包括环状结构的接入级中心局18的接入级城域网16(一些中心局可以是区域级和接入级网络的一部分)。区域级中心局14还可以连接到区域级分布点20。区域级分布点连接到接入级分布点22。接入级分布点22连接到客户和星状结构的其它接入级分布点。
为了满足额外带宽的需求，强烈希望在接入网中采用WDM。图2说明在WDM系统中划分信道的例子。信息经光纤30通过多个分立和可辨别的波长运送。每个波长可以称为一条“信道”。在图2中，有n条信道32(λ1-λn)运送通信业务和控制。
WDM可以急剧增加通过光纤30传送的带宽量，特别是随着连同WDM一起使用的可辨别的波长数目在近几年里表现出稳定的增长。但是，WDM成功应用到城域网非常有限。一方面，需要异常的灵活性来容纳网络将要运送的不同类型的信息，因为业务和客户的混合(通过多种技术，例如DSL、快速以太网、吉比特以太网、CATV、ATM、帧中继和SONET的数据、话音和/或视频)以不可预知的方式快速变化着。另一方面，成本有效性是WDM接入网和城域网所面临挑战的症结之所在。显然，如今产业中所建议的所有技术方案都没有成功的面对该挑战。
在本发明中，图3用图表示出两个独立的网络，Bnet(突发交换网)34和Cnet(电路交换或波长交换网)36以及控制信令38形成通过公共光纤42和节点44的网络40。无源星状耦合器45位于网络40的中心，该耦合器45将输入信号的功率划分到所有的输出。网络40通常位于公众网的最后一英里，其中基于拓扑的光无源星状耦合器比环状耦合器更受欢迎。网络40的结构是“广播和选择一个”。网络中的每个节点44都可以采用任何类型的电信终端形式(可以聚集多个区域/商业业务流的区域、商业或中心接入点)。
如图4所示，利用WDM，数据信道46包括两个不同的组；突发交换网利用一组48个x信道，λb1到λbx，电路交换网利用一组50个y信道λc1到λcy。专用控制信道52，λctr，在优选实施例中实现MAC协议，并确保节点之间协调和通信安全。在优选实施例中，控制方案是基于令牌传递的，即令牌以特定的顺序在节点之间传递，捕捉到令牌的节点允许开始传送数据突发和/或允许建立新的连接。
虽然图4表示每一组信道48和50利用相邻组的信道，但是每一组可以使用任何组的信道，无论相邻或不相邻。此外，控制信道的数据可以根据实施方式而改变。
在与节点44的电路交换连接中，一组信道50中的一个信道专用于连接。建立该连接的通信对话在对话期间唯一地占用该信道。因此，在整个通信对话期间，信息可以通过该信道传递，直到该信道的带宽极限。如果信息传输小于该信道的带宽，则有额外的容量未使用。电路交换连接特别有用于高带宽、高质量的业务应用，例如实时视频和数据中断不可接受的通信对话，例如话音通信。另一方面，对于例如互联网浏览的应用，即存在大量未使用带宽的时间段，则电路交换并不能有效利用资源。
在突发交换的通信对话中，最初分组化的数据聚集成标为“数据突发”56的更大的数据单元，如图5所示。为了举例，数据突发56在图5中描述为DB(信源、信宿、突发ID)。较小数据分组聚集成较大DB的过程可以是根据公共信宿节点和业务质量测量。突发集合的标准可以是根据最大和最小突发大小和突发寿命。
相应的，突发交换可以极其有效地利用可用资源。但是，如果有意外的高业务量，则突发可能会被延迟或丢失，引起中断。因此，突发交换是非实时数据传输和网络浏览所非常想要的，即中断对用户来说不明显。另一方面，突发交换并不是高带宽实时视频的好选择，即中断会导致掉落和黑白干扰。
如上所述，本发明允许使用电路交换(波长交换)和突发交换，因此对于给定的通信对话可以使用最想要的方法。
图6说明节点44的方框图，光交织/分割电路60连接到进入和外出光纤。突发单元62经可调谐接收机(TR)64和固定发射机(FT)66连接到交织/分割电路60。同样，电路单元68经可调谐接收机70和固定发射机72连接到交织/分割电路60。突发单元62包括缓冲器74，电路单元68包括缓冲器76。用户接口78连接到突发单元62和电路单元68。控制电路80连接到突发单元62、电路单元68和用户接口78。控制电路80还接收进入和外出控制信道λctr。
操作中，在优选实施例中，允许每个节点44一次(单个令牌周期)处理电路交换连接、突发交换通信对话、或至多，电路交换连接和突发交换通信对话。突发单元62利用固定波长发射机66通过预定信道发射突发，并利用可调谐接收机通过想要(可变)的信道接收突发。同样，电路单元68利用固定波长发射机70通过预定信道发射信息，并利用可调谐接收机通过想要(可变)的信道接收信息。可调谐接收机64和70能够接收各自信道组48和50中的任何信道上的数据。因此，对于N个节点的网络，信道组48(x信道)中必要的信道总数小于或等于2N。对于x＜2N，信道可以循环的方式分配给连续的节点(根据令牌路径排序)，因此传输媒介中没有x Bnet信道在所有其它的信道使用前再次使用。这种循环避免了两个或多个节点通过同一信道传输的突发干扰/碰撞。每个节点每个令牌周期要投入的突发数目和长度需要与此信道分配顺序同步。在许多应用中，根据特定的设计和网络负荷，x可以低到N/2，或甚至更低。但是为了说明的目的，假设信道数目等于2N，便于解释。
在节点44，利用半导体光放大器(SOA)、铌酸锂技术和MEMS(宏电机系统)在光域执行交换，铌酸锂技术是突发交换单元的主要候选者，MEMS是电路(波长)交换单元的主要候选者。另一方面，在电域执行缓冲和控制。这是优选实施例，也可以使用其它的技术。输入WDM信道通过下文将更详细描述的交织/分割/复用/解复用单元。进入光纤的信道解复用成波长成分并根据分配的相关信道组指向相关的突发单元64或电路单元68。在节点44产生或聚集的业务量在缓冲器74和76缓冲并在通过各自的发射机66或72调制之前编址。利用先进先出方案或基于优先级的方案可以进行缓冲器中的排队。
可以利用光交织/分割电路60执行进入和外出光纤上数据的解复用/复用。在许多传统的WDM系统中，利用例如薄膜滤波器、阵列波导或光纤布拉格光栅技术实现复用/解复用电路，多信道系统的最大信道容量在开始时就放入网络，即使一些信道没有立即使用。当然，这会导致较高的启动成本。而且当模块化产品在随后的日子增加来增强灵活性时性能恶化，例如插入损耗会增加。在4或8信道长途系统中，这种情形有时可以接受。但是，它将会是城域/接入网中极度浪费的大信道计数(channel-count)长途系统。
克服灵活性和成本矛盾的一种方式是通过利用光分割/交织，如图7所示。光分割(有时称为光解交织)是将一组周期间隔的波长分成两个是原始间隔两倍的互补波长组。逆向技术，光交织是将两个适当间隔的波长组组合成单个同等间隔的波长组。
如图7所示，每个分割步骤增加了相邻信道间的波长差。在信道分割的每个阶段，下行数据流的复杂性减半。相应的，分割器/交织器60可以利用便宜的WDM滤波器，WDM滤波器设计用来在宽信道间隔操作，并被扩展到具有50GHz或更少范围内的窄信道间隔的系统设计中。
在图6所示的网络结构中，分割器/交织器60还可以将两组信道48和50组合成一个密集波长组以注入外出光纤。
分割器/交织器可以用熔融光纤Mach-Zehnder干涉仪实现。实质上，两个类似的光纤覆层以非常小心的控制方式熔融在一起。在熔融区内，来自输入端口的光线在两个输出之间以熔融区几何形状确定的比例分裂。因为熔融区“下锥形”端几何形状的改变，能量从输入光纤的纤芯模式传递到所有光纤所共有的覆层模式。在“上锥形”区，这些模式又转换回纤芯模式。如果熔融区逐渐倾斜而且不存在不连续性，则从纤芯到覆层模式的转换或相反的损耗相当小。因此组合装置具有较低的插入损耗并具有较高的方向性。当两个熔融光纤耦合器依次组合时，该组装件变成具有Mach-Zehnder干涉仪属性的分割器。它将输入功率导入与波长有关的输出端口。熔融光纤Mach-Zehnder干涉仪技术近年来已经为本领域所熟知，但是它的采用受到其性能相对于温度变化不稳定的限制。最近熔融设计和制造过程的进步已经解决了该问题。
更复杂的路由选择、或上/下话路可以通过依次组装Mach-Zehnder干涉仪来实现。例如，设计用于32信道WDM系统的1×4解交织器在装置的每个输出光纤具有8个信道。最初的系统可以采用只具有8个信道的一个输出光纤，当需要带宽时，可以将其它组的发射机和WDM滤波器加到未使用的分割器/交织器光纤中。
图8说明用于突发传输和电路交换连接建立，包括信令和时间考虑的一般方案。图8说明来自节点A的控制信号，节点A已经收到用于节点G、B和J的数据突发并将突发存在缓冲器74中，还收到来自节点C的用于电路交换连接的连接请求。此请求在节点A的缓冲器76中排队。
当令牌到达节点A时，通知分组(NT)从节点A广播到控制信道，假设控制信道如同传输介质一样采用对称的广播星形。通知分组在大致相同的时间在网络中的各处被接收到。
通知分组90将结合图9更详细地表示。通知分组包括表示分组90开始和结束的起始字段92和结束字段94。Bnet确认字段96用于逐个确认在前一个令牌周期期间收到突发、到达节点。如果发送节点在发送突发以后没有收到这个字段中的确认，则表示突发必须重发。Cnet信息字段98包含未完成的连接建立信息，如果有的话。此字段包含待定请求的起始地址和目的地地址。同一令牌周期中连接请求的确认是建立连接所必须的。第三个字段，Bnet信息字段100列出了排队在当前令牌环周期的传输的突发，如果有的话，以及它们的起始地址和目的地地址。
突发传输对话的持续时间由突发数目、长度和比特率确定。特定令牌周期中节点的突发对话时间不应当超过平均的令牌周期。因此，设置一门限来满足这种条件。无论何时节点收到令牌，它规定当前周期要投入的突发，以便不超过此门限。当节点持有令牌时到达的任何额外的突发都推迟到下一个周期。
再参见图8，在广播通知分组90以后，节点A连续地将规定的突发发送到节点G、B和J。所有的这些传输都通过节点A的固定发射机的不同的突发传输波长(λA_bst)进行。在节点A的Cnet端，响应收到的通知分组90，节点C认为自己就是电路交换连接的目的地，并用确认信号ACK(C)响应节点A的连接请求，假设节点C可用。节点A和C之间的连接建立，两个节点可以通过预定的信道(λA_ct和λC_ct)开始通信。每个节点的接收机70在解码通知分组90中的连接信息之后调谐到其它节点的传输波长。
如果节点C不可用，则不返回确认，节点A将在指定的超时周期(t0)后结束连接请求。
任何节点，在当前情况下节点A，拥有令牌都尝试连接建立过程(不尝试突发传输，即令牌传递以后还剩一些突发要投入)。因此，只要建立连接，令牌就由节点A传递到循环中的下一个节点。在目的地节点忙并且无法从事连接的情况下，令牌持有策略确定正确的动作。一种选择是采用温和的(lenient)令牌持有策略，即当“C”忙时，节点A将令牌传递到下一个节点。在选择温和的持有策略和持久的(persistent)持有策略之间存在多种折中。但是，在所说明的结构中，公共控制信道(和相同的令牌)用来服务Bnet，不局限于Cnet，满足温和的持有策略。
图10A到10C说明描述用于管理网络40通信的组合、公共控制、Bnet/Cnet协议的流程图，可以在控制电路80中实现。在方框110，收到一个或多个接收请求(Bnet请求、Cnet请求或两者)。如果在判决方框112其中一个请求是Cnet请求，则在判决方框114确定节点44是否正忙于另一个电路交换连接。如果忙，则在方框116忽略该连接请求(不返回确认)。如果不忙，则在方框118接收机70调谐到与请求节点有关的信道并发送确认。在方框120，建立连接并开始传输。
在判决方框122，检测到连接结束。一旦检测到，在方框124结束连接，在判决方框126检验新的通知分组。如果有新的通知分组，则控制返回到方框110用于接收请求。如果在方框126没有新的通知分组，判决方框128确定该节点是否还控制令牌。如果否，则系统在方框126和128之间循环直到新的通知分组或令牌到达。如果在方框128令牌到达，控制传到发送方框130。
回到判决方框122，如果其中一个请求是Bnet接收请求，则在方框132接收机64调谐到请求节点的信道，突发通过此信道被接收。判决方框134确定何时收到所有的突发。当突发传输完成时，在方框136确认写入下一个通知分组的字段96由节点发送，突发对话在方框137结束。
判决方框138和140确定接收新的通知分组(方框138)或令牌(方框140)。当在方框138收到新的通知分组时，控制返回到方框110。如果在方框140收到令牌，则控制传到发射请求方框130。
对于方框130中的发射请求，Cnet请求、Bnet请求或两者都可以在判决方框142待定。如果其中一个发射请求是Bnet请求，则在方框144节点确定它是否还控制令牌。一旦收到令牌，则在方框146规定要传送的突发，在方框148此信息写入下一个通知分组的字段100。
回到方框142，如果其中一个发射请求是Cnet请求，则在方框150节点确定它是否还控制令牌。如果节点还控制令牌，则在方框152确定它是否具有当前的电路交换连接。如果是，则在方框154该请求被缓冲，规定一空白的Cnet字段98。否则，在方框156连接信息写入Cnet字段98。
当在判决方框158要写入通知分组的所有字段都已经完成时，通知分组在方框160发送。如果方框162中正在处理突发，则在方框164发送突发，直到在判决方框166发送所有的突发。一旦发送完所有的突发，则突发对话在方框168结束。
同时，如果正在处理电路交换连接(判决方框170)，则在方框172接收机70调谐到与连接节点有关的信道，一旦在方框174收到确认，则在方框176建立连接并开始传输。在连接建立以后，令牌在方框178传递。当在判决方框180结束连接时，连接在方框182结束。
如果在判决方框184超时之前在方框174没有收到确认，或者如果节点在方框170没有任何当前的连接请求，则令牌在方框186传递。
本发明提供比现有技术明显的优点。这些节点组合了光电路交换(波长交换)和光突发交换的性质，允许为给定的传输使用最有效的交换方法。该结构允许在子网络中分别对待电路和突发，该子网络优化用于运送指定类型的业务(突发或电路)。公共控制平台管理两种业务类型的通信。
另外，本发明提供将突发交换作为一项新的交换技术的入口策略。虽然目前对突发交换的研究是设想在实际难以引入的核心网(由于要接入多种核心协议和包括IP、ATM和SONET系统，加上这样做需要非常高的成本)，但是在接入网的级别引入突发交换可以改进公众网在该级别的性能(更高的效率和缓解瓶颈)，同时可以避开核心网中一些复杂的接入要求。在城域/区域网，突发可以映射到SONET电路并且平滑地与主数据流合并直到核心网，如今由于OADM(光分插复用器)和OXC(光交叉连接)的出现，在核心网可以获得额外的带宽并且引入高级业务管理。
该解决方案所增加的一项重要的优点在于，在此划分两种不同业务量的特定节点结构的复用/解复用阶段采用了无源技术(光交织/分割)，导致节点光域部分的简化和成本降低。
虽然本发明的详细描述针对特定的示范性实施例，但这些实施例的各种改变以及备选实施例将会给本领域技术人员提供建议，本发明包括落入权利要求书范围内的任何改变或备选实施例。

Claims (10)

1、一种用于通过在各自波长上的多个信道从输入光纤中接收信息的光网络节点，包括：
分离电路，用于将光信号分离成第一组信道和第二组信道；
电路交换电路，用于交换第一组信道中的信息；
突发交换电路，用于为第二组信道中的信息选择路由；
控制电路，用于管理通过所述电路交换电路和所述突发交换电路的通信；和
组合电路，用于将第一和第二组信道复用到输出光纤。
2、权利要求1的光网络节点，其特征在于，所述电路交换电路包括用于通过所述第一组信道的预定一个信道发射的电路。
3、权利要求2的光网络节点，其特征在于，所述电路交换电路包括用于从所述第一组信道的选定一个信道接收的电路。
4、权利要求1的光网络节点，其特征在于，所述突发交换电路包括用于通过所述第一组信道的预定一个信道发射突发的电路。
5、权利要求1的光网络节点，其特征在于，所述突发交换电路包括用于从所述第一组信道的选定一个信道接收的电路。
6、一种用于通过在各自波长上的多个信道从输入光纤中接收信息的方法，包括：
将光信号分离成第一组信道和第二组信道；
电路交换第一组信道中的信息；
为第二组信道中的突发选择路由；
利用公共控制电路管理通过第一和第二组信道的通信；和
将第一和第二组信道复用到输出光纤。
7、权利要求6的方法，其特征在于，电路交换步骤包括通过所述第一组信道的预定一个信道发射的步骤。
8、权利要求7的方法，其特征在于，电路交换步骤包括从所述第一组信道的选定一个信道接收的步骤。
9、权利要求6的方法，其特征在于，路由选择步骤包括通过所述第一组信道的预定一个信道发射突发的步骤。
10、权利要求6的方法，其特征在于，路由选择步骤包括从所述第一组信道的选定一个信道接收突发的步骤。
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