Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Mehrkanal-, Mehrsprung-Lichtwellenkommunikationsnetz mit
dem eine Mehrzahl von Nutzdatenpaketen gleichzeitig im
Netz verweilen können und dabei das Erfordernis für agile
optische Bauteile vermieden wird.
Beschreibung des Standes der Technik
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Die Lichtwellentechnik hat sich als die
bevorzugte Technik für Langstrecken-Punkt-zu-Punkt-
Kommunikationen herausgestellt. Als lokale
Mehrbenutzersysteme angewandt, besitzt die Lichtwellentechnik das
Potential einer enormen Bandbreite für jeden Endbenutzer,
in Verbindung mit der entsprechenden Gelegenheit,
revolutionäre neue Benutzerdienste und Fähigkeiten auf
Grund einer Fülle kostengünstiger Bandbreite anzubieten.
Die Wirklichkeit von Lichtwellennetzen unterscheidet sich
jedoch etwas von diesem Potential. Im Vergleich mit
Netzen auf der Basis von verdrillten Paaren,
Koaxialkabeln oder Funk mit aktiven elektronischen Schaltungen
ist die Lichtwellentechnik eine verhältnismäßig unreife
Technik.
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Einfache, aktive Bauteile erfordernde Funktionen
wie lineare Verstärkung, Präzisionssteuerung der
Momentanfrequenz eines Benutzerlasers und Leitweglenkung von
optischen Signalen unter einer Mehrzahl von Benutzern,
die zur Entwicklung des vollen Potentials von
Lichtwellennetzen erforderlich sein würden, warten noch auf
technische Durchbrüche. Darüber hinaus ist, obwohl das
Lichtwellenübertragungsmedium eine Bandbreite besitzt,
die zweistellig im Terahertzbereich gemessen werden kann,
die Fähigkeit eines bestimmten Benutzers, über einen
einzigen Benutzeranschluß am Netz auf die Bandbreite
zuzugreifen, um entweder zu empfangen oder zu senden,
durch die Geschwindigkeit begrenzt, mit der Licht
elektrooptisch moduliert oder demoduliert werden kann,
einer Geschwindigkeit, die auf den Bereich von mehreren
Gigabit/Sekunde beschränkt ist.
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Die zwei gewöhnlichsten Verfahren zum Teilen
eines Kommunikationskanals unter mehreren Benutzern sind
Zeitmultiplex und Frequenz-(bzw. Wellenlängen-)Multiplex.
In dieser Hinsicht sei beispielsweise auf die Artikel
Teil I und Teil 11 von T.S. Kinsel und O. E. DeLange
verwiesen, die sich auf Zeitmultiplex bzw.
Frequenzmultiplex für optische Breitbandkommunikationssysteme in
Proceedings of the IEEE, Band 58, Nr. 10, Oktober 1970
auf Seiten 1666-1682 bzw. 1683-1690 beziehen.
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Gleichzeitigkeit erfordert, daß die im Netz
befindlichen mehrfachen Übertragungen bei ihrer
Wegeleitung durch das Netz unterscheidbar bleiben, so daß sie
von den Benutzerempfängern entsprechend identifiziert
werden können. Ein möglicher Weg zur Aufrechterhaltung
von Unterscheidbarkeit in einem Lichtwellennetz ist mit
Wellenlängenmultiplex (WDM), wobei jedem der zwei an
einer gegebenen Übertragung beteiligten Endbenutzer eine
sich von allen anderen gleichzeitigen Übertragungen
unterscheidende eindeutige Wellenlänge für die Dauer der
Übertragung dieser Nachricht zugewiesen wird. Dieser Weg
leidet unter zwei bestimmten Nachteilen. Erstens, um
vollständige Zusammenschaltbarkeit unter allen Benutzern
bereitzustellen, damit jeder Benutzer mit jedem anderen
Benutzer verkehren kann, ist erforderlich, daß entweder
alle Benutzersender oder alle Benutzerempfänger oder
beide in der Lage sind, auf jeden beliebigen der im Netz
erzeugten Wellenlängenkanäle eingestellt zu werden.
Letztendlich würde für ein WDM-Netz schnelle
Wellenlängenagilität oder die Fähigkeit zum genauen Einstellen
von optischen Sendern oder Empfängern in einem
Zeitmaßstab, der im Vergleich mit der Dauer von im Netz
fließenden Nutzpaketen kurz ist, benötigt werden.
Zweitens ist, da ein gegebener Empfänger zu jedem
gegebenen Moment nur in einen Kanal hineinhören kann, ein
WDM-Netz naturgemäß nicht rundsendend und es muß ein
Reservierungsverfahren benutzt werden, so daß für jede
Nachricht das entsprechende Sender/Empfängerpaar für
dieselbe Zeitdauer auf denselben Kanal gewiesen werden
kann. So ist strikte dynamische Koordinierung unter allen
Benutzern erforderlich, was die Notwendigkeit für eine
zentrale oder verteilte Netzsteuerung oder -ablaufplanung
bedeutet. Für ein Zeitmultiplex-Lichtwellennetz bestehen
ähnliche Erfordernisse.
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In WO-A-8400860 ist ein Kommunikationssystem
offenbart, in dem eine Mehrzahl von Stellen an eine
Mehrzahl von Datennetzen angekoppelt sind. Jede Stelle
hat ein 'Heimat'-Netz, an das es normalerweise
angekoppelt ist, kann aber an das Heimatnetz einer
anderen Stelle angekoppelt werden, um eine Verbindung zu
dieser Stelle einzuleiten.
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In IEEE International Conference on
Communications, Toronto, Juni 1986, Band 2, Seiten 931-933,
'Application of wavelength division multiplexing to
communication network architectures', offenbaren M.S.
Goodman und andere ein Kommunikationsnetz, in dem eine
Gruppe von Knotenstellen (z. B.
Fernsprech-Vermittlungsämter) in einer faseroptischen Sternkonfiguration
miteinander verbunden sind. Jeder Knoten sendet auf einer
eindeutigen Wellenlänge, kann aber parallel auf den
Wellenlängen einiger oder aller Wellenlängen der anderen
Knotenstellen empfangen, so daß jede Knotenstelle mit
einigen oder allen der anderen Knotenstellen verkehren
kann und sich nicht um einen Übertragungskanal streiten
muß.
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Das mit den gewöhnlichen Wegen zur Bereitstellung
von Gleichzeitigkeit verbundene Grundproblem besteht
darin, daß jeder Übertragungsknoten sofort mit dem
entsprechenden Empfangsknoten verbunden werden muß. Im
gegenwärtigen Stand der Lichtwellentechnik kann die zum
entsprechenden Zusammenschalten von Benutzerpaaren
benötigte dynamische Agilität nicht bereitgestellt
werden. Das Problem im Stand der Technik besteht daher
darin, ein Lichtwellennetz bereitzustellen, das
Gleichzeitigkeit mehrfacher Übertragungen zwischen
Netzbenutzerpaaren erreicht und dabei das Erfordernis der
dynamischen Agilität vermeidet.
Zusammenfassung der Erfindung
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Das obige Problem nach dem Stand der Technik ist
entsprechend der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 1
gelöst worden. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer
beispielhaften Anordnung eines
8-Benutzer-Mehrsprung-Lichtwellennetzes nach der vorliegenden Erfindung und zeigt
beispielhafte Kanalzuweisungen;
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Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der einseitig
gerichteten physikalischen Verbindungen für das Netz der
Fig. 1;
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Fig. 3 ist ein Konnektivitätsgraph für die in
Fig. 1 dargestellte Netzanordnung unter Benutzung eines
Idealmischungs-Zusammenschaltungsmusters;
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Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer
beispielhaften Netzanschlußeinheit 11 zur Verwendung im Netz der
Fig. 1;
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Fig. 5 ist ein Konnektivitätsgraph für ein Netz
mit 24 Benutzern unter Verwendung eines Idealmischungs-
Zusammenschaltungsmusters;
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Fig. 6 ist ein Konnektivitätsgraph für ein
Wiederholungs-Idealmischungs-Zusammenschaltungsmuster für
24 Benutzer gleich Fig. 5 mit Kanalzuweisungen für
geteilte Kanäle;
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Fig. 7 ist ein Konnektivitätsgraph für ein
ShuffleNet für 8 Benutzer (p=2,k=2) gleich Fig. 3 mit
vier geteilten Kanälen;
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Fig. 8 ist ein Konnektivitätsgraph für ein
ShuffleNet für 18 Benutzer (p=3,k=2), der die Anordnung
eines auf spannenden Baumes zur Leitweglenkung von
Nutzpaketen zeigt;
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Fig. 9 ist ein Konnektivitäts-Teilgraph für die
Netzanordnung der Fig. 8, wobei je NIU 1 Sender und 3
Empfänger benutzt werden;
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Fig. 10 ist ein Konnektivitäts-Teilgraph für die
Netzanordnung der Fig. 8, wobei je NIU 3 Sender und 1
Empfänger benutzt werden; und
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Fig. 11 ist eine beispielhafte physikalische
Topologie für die wirkungsvolle Kanalteilung eines
einzelnen Senders und einzelnen Empfängers pro Benutzer-
ShuffleNet mit gemeinsamen Kanälen.
Detaillierte Beschreibung
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Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen beispielhaften
Weg für das gegenwärtige Mehrsprung-Lichtwellennetz, das
der Einfachheit halber für eine Bustopologie gezeichnet
ist. Es wird zu verstehen gegeben, daß dieser
beispielhafte Weg nur für Erläuterungszwecke und nicht für
Begrenzungszwecke benutzt wird und daß ein solcher Weg
erweitert werden kann, um durch Einschließen anderer
Netztopologien und Komponentenübertragungs- und
Empfangszuweisungen, wie hiernach beschrieben, einen
weiterreichenden Aspekt der vorliegenden Erfindung abzudecken.
In der Fig. 2 sind die Einzelbenutzer beziehungsweise
Einzelbenutzergruppen über eine Folge von
Netzanschlußeinheiten (NIU) 11&sub0; bis 11&sub7;, die entlang der Busse
verteilt sind, im Netzanschluß mit zwei einseitig
gerichteten Lichtwellenbussen 10a und 10b verbunden, die an einem
Kopfende 12 zusammengeschlossen sind und aus einem
einzigen Lichtleiter wie einer optischen Faser oder
mehrfachen Lichtleitern gebildet sein können. Alle NIU
übertragen auf den Sendebus 10a, der einseitig gerichtet
alle Nachrichten zum Kopfende 12 fortleitet, wo der die
Busse bildende Lichtleiter passiv zurückschleift, um die
Nachrichten oder Pakete über den Rundsendebus 10b zu den
NIU 11&sub0; bis 11&sub7; fortzuleiten.
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Fig. 1 stellt ein beispielhaftes Netz der Fig. 2
dar, in dem beispielsweise sechzehn
wellenlängenverschachtelte (WDM) Kanäle innerhalb des einzelnen
Faserbuses 10a und 10b erzeugt werden. Für
Erläuterungszwecke wird angenommen, daß die Kanäle so
beabstandet sind, daß die modulierten Träger auf den
verschiedenen Kanälen nicht überlappen und alle Träger,
wenn sie moduliert sind, eindeutig sind. Jede NIU 11i
dieses Netzes ist mit zwei Lasersendern ausgerüstet wovon
der Einfachheit halber angenommen wird, daß es
Einmodenlaser sind, obwohl Mehrmodenlaser ebenfalls
benutzt werden können, solange die Kanäle eindeutig
bleiben. Jeder der zwei optischen Sender in jeder NIU ist
permanent auf einen der sechzehn WDM-Kanäle abgestimmt
und kann mit einer Benutzerknotengeschwindigkeit von
beispielsweise 1 Gb/sek. moduliert werden. Mit den beiden
Lasersendern kann jede NIU nur mit der maximalen
Geschwindigkeit der beispielhaften 1 Gb/sek. über zwei
Kanäle senden, denen sie zugewiesen ist. Gleichermaßen
ist jede NIU mit zwei Empfängern ausgerüstet, von denen
jeder permanent so abgestimmt ist, daß er einen der WDM-
Kanäle mit der beispielhaften Kanalgeschwindigkeit von 1
Gb/sek. empfängt. Die Kanalauswahl kann beispielsweise
entweder mit zwei optischen Schmalbandfiltern zur Auswahl
der entsprechenden zwei Kanäle oder über kohärente
Überlagerungsdemodulierung durchgeführt werden, wobei die
Empfänger zwei Einmodenlaser enthalten würden, wobei der
jeweilige Laser, wie in Fig. 4 gezeigt und mehr im
einzelnen hiernach beschrieben, zum Empfang des
entsprechenden Kanals abgestimmt ist.
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Es ist zu bemerken, daß das Mehrsprungnetz der
Fig. 1 auch zur Beschreibung eines Nicht-WDM-,
Mehrsprung-, Sternnetzes benutzt werden kann, wobei die die
verschiedenen Kanäle auf den Bussen 10a und 10b
darstellenden Linien getrennte Lichtleiter sein können, die
am Kopfende zum Zusammenschalten der entsprechenden NIU-
Paare zusammengeschlossen sind. Insbesondere würden die
ersten und zweiten Sender der NIU 11&sub0; über getrennte
Lichtleiter senden, die als die Leitungen für Kanäle 9
bzw. 11 gezeigt sind, die am Kopfende mit als Kanäle 9
und 11 angedeuteten entsprechenden getrennten
Lichtleitern zusammengeschaltet oder verbunden sein würden,
die in einem der beiden Empfänger von NEU 11&sub4; bzw. 11&sub5;
abgeschlossen sind. Die anderen NIU würden ähnlich mit
getrennten Lichtleitern verbunden und an einem getrennten
Empfänger der zugehörigen NIU-Paare abgeschlossen sein.
Mit dem Begriff Kanal kann daher je nachdem entweder ein
getrenntes WDM-Frequenzband oder eine getrennte fest
zugeordnete Lichtfaser bezeichnet sein. Darüber hinaus
kann die vollständige Menge von im Netz benutzten Kanälen
aus der Kombination von WDM auf mehrfachen Lichtfasern
abgeleitet sein.
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Aus den beispielhaften acht NIU mit 16 WDM-
Kanälen oder zugeordneten Fasern der Fig. 1 ist
ersichtlich, daß keine zwei Sender über denselben Kanal senden
und keine zwei Empfänger in denselben Kanal hineinhören,
und die Kanalzuweisungen sind so getroffen, daß nur ein
Empfänger in jeden der Kanäle hineinhört. Beispielsweise
kann der Benutzerknoten 0 mit NIU 11&sub0; nur über Kanäle 9
und 11 senden, die nur von NIU 11&sub4; bzw. NIU 11&sub5; empfangen
werden können. Insbesondere nimmt die Zuweisung von
optischen Kanälen unter NIU-Paaren, wie in Fig. 3
dargestellt, die Form eines Wiederholungs-Idealmischungs-
Zusammenschaltungsmusters an. Die NIU sind hier in zwei
Spalten gruppiert, wobei NIU 11&sub0; bis 11&sub3; in der ersten
Spalte und NIU 11&sub4; bis 11&sub7; in der zweiten Spalte
angeordnet sind. Die rechte Seite jedes NIU-Blocks
entspricht der Senderichtung und die linke Seite entspricht
der Empfangsrichtung. Die Verbindung zwischen den Sendern
der Spalte 1 und den Empfängern der Spalte 2 nimmt die
Form eines Idealmischungsmusters an. Gleichfalls nimmt,
wenn die Spalte 1 auf der rechten Seite der Spalte 2 neu
gezeichnet wird, die Verbindung zwischen den Sendern der
Spalte 2 und den Empfängern der Spalte 1 ebenfalls die
Form einer Idealmischung an.
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Mit dem Idealmischungsmuster wird sichergestellt,
daß, für ein solches beispielhaftes Netz mit acht
Benutzerknoten, jede Nachricht entweder über eine direkte
Verbindung oder durch Springen entlang von von Zwischen-
NIU belegten Wegen ihren Weg zum richtigen Bestimmungsort
finden kann und keine Nachricht mehr als dreimal in das
Netz eingeführt werden muß. Man nehme beispielsweise,
unter Bezugnahme auf entweder Fig. 1 oder Fig. 3, an, daß
der Benutzerknoten 6 eine Nachricht oder ein Paket zum
Benutzerknoten 1 senden möchte. Diese Nachricht oder
dieses Paket kommt über die elektronische Schnittstelle
vom Benutzerknoten 6 an der NIU 11&sub6; an, wo sie bzw. es
(a) elektronisch zu dem Kanal 4 speisenden Sender
geleitet und dann (b) vom Kanal 4 optisch von NIU 11
empfangen und darin regeneriert wird, um ein elektrisches
Signal zu erzeugen, das über die elektronische
Schnittstelle von NIU 11&sub1; zum Benutzerknoten 1 übertragen
wird. Gleichfalls wird, wenn der Benutzerknoten 0 eine
Nachricht zum Benutzerknoten 6 zu senden wünscht, die
Nachricht vom Benutzerknoten 0 über die elektronische
Schnittstelle bei der NIU 11&sub0; ankommen, wo sie (a)
elektronisch zu dem den optischen Kanal 11 speisenden
Sender geleitet wird, (b) von NIU 11&sub5; optisch empfangen
und regeneriert, (c) elektronisch zu dem den optischen
Kanal 7 speisenden Sender der NIU 11&sub5; geleitet, (d) von
NIU 11&sub3; optisch empfangen und regeneriert, (e)
elektronisch zu dem Kanal 14 speisenden Sender von NIU
11&sub3; geleitet und (f) von NIU 11&sub6; optisch empfangen und
regeneriert wird, um ein elektrisches Signal zu erzeugen,
das über die elektronische Schnittstelle zum
Benutzerknoten 6 übertragen wird. Das oben beschriebene Netz
bietet daher Gleichzeitigkeit von Signalen von den
Benutzerknoten und vollständige Verknüpfbarkeit aller
Benutzer des Netzes und vermeidet dabei Agilität
erfordernde optische Bauteile.
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In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer
repräsentativen NIU 11i für ein WDM-Netz nach Fig. 1 und 2
dargestellt. Die gezeigte NIU 11i enthält drei Eingänge,
wobei der erste Eingang die elektronische
Schnittstelle 20 vom zugehörigen Benutzerknoten i ist. Die zwei
übrigen Eingänge 21 und 22 sind optisch und entsprechen
den zwei WDM-Empfangskanälen vom Bus 10b, dem die NIU 11i
permanent zugewiesen ist. Da der NIU alle optischen
Kanäle vom Bus 10b zur Verfügung stehen, sind zur Auswahl
der entsprechenden zwei Kanäle zwei Filtermittel
notwendig. Dies kann, wie in Fig. 4 gezeigt, durch optische
Überlagerung stattfinden, wobei ein erster Demodulator 23
und ein zweiter Demodulator 24 jeweils einen getrennten
der zwei mit der NIU verbundenen fest zugeordneten Kanäle
zur Weiterverarbeitung auf das Basisband demodulieren.
Als Alternative können anstelle der Demodulatoren 23 und
24 (nicht gezeigte) feste optische Schmalbandfilter- und
Demodulationsmittel benutzt werden, um die gewünschten
Kanäle durchzulassen, während sie alle anderen abweisen
und die zwei gewünschten elektronischen Ausgangssignale
erzeugen.
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Die drei an den Eingängen 20 bis 22 ankommenden
elektronischen Basisbandsignale werden dann zu einem
vollverschalteten elektronischen 3·3-Koppelmittel
verteilt, das die Form von drei Sätzen von drei Kanalweichen
25a-27a bis 25c-27c annehmen kann. Die drei mit jedem
Ausgang verbundenen Weichen, z. B. mit dem Ausgang 31
verbundene Weichen 25a-27a wählen die für diesen
bestimmten Ausgang bestimmten Signale aus jedem der drei
Eingänge 20-22 aus und verwerfen den Rest. Insbesondere
enthält jede der Kanalweichen 25i-27i aktive Elektronik,
die sich beispielsweise ein Kopffeld in der empfangenen
Nachricht oder dem empfangenen Paket ansieht und diese
Information mit gespeicherten Zieladressen vergleicht, um
zu bestimmen, ob die Nachricht vorzugsweise über den
zugehörigen Ausgang übertragen werden sollte oder nicht.
Jeder der drei Ausgänge 31-33 wird von einem gemeinsamen
Pufferspeicher 28 bis 30 bedient, der ankommende
Nachrichten für einen bestimmten Ausgang auf Durchlaufbasis
speichert. Für die WDM-Netzkonfiguration der Fig. 1
treiben die Ausgänge 31 und 32 optische Modulatoren 34
bzw. 35, um die Ausgangssignale an die entsprechenden
Kanäle des Buses 10a anzulegen. Der dritte Ausgang 33 ist
eine elektronische Schnittstelle, die direkt zum
zugehörigen Zielbenutzerknoten geht. Für die Nicht-WDM-
Konfiguration der Fig. 1, in der getrennte Lichtleiter
für jeden Kanal benutzt werden, würden die Eingänge 21
und 22 direkt mit den zugehörigen optischen Empfängern
für die getrennten Lichtleiter des Buses 10b verbunden
sein und die Ausgänge 31 und 32 würden direkt mit den
optischen Sendern für die getrennten fest zugeordneten
Fasern des Buses 10a verbunden sein.
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Für ein allgemeines
Wiederholungs-Idealmischungsnetz kann gezeigt werden, daß die Anzahl N von NIU
entsprechend der allgemeinen Gleichung
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N = kpk, k =
1,2, . . . p - 1,2, . . . (1)
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wächst, wobei k die Anzahl von Spalten im
Konnektivitätsgraphen ist, in die die NIU eingeteilt sind
und p die Anzahl von getrennten Kanälen ist, die von
jeder NIU für die Übertragung benutzt werden. Allgemeiner
gesagt werden vom Konnektivitätsgraphen, wie
beispielsweise in Fig. 3 gezeigt, N = kpk NIU in k Spalten von
jeweils pk NIU angeordnet, wobei k = 2, p = 2 und N = 8.
Zusätzlich wächst die Anzahl der für ein dem Netz von
Fig. 2 entsprechendes Netz benötigten Kanäle W
entsprechend
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W = kpk+1, k = 1,2,3,4 . . . (2)
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In Fig. 5 ist ein typisches Beispiel für einen
Kanalzusammenschaltungsgraphen für ein Netz mit 24
Benutzerknoten dargestellt, wobei k = 3, p = 2, N = 24 und
W = 48. Aus einem solchen Beispiel ist ersichtlich, daß
für eine große Anzahl von Benutzerknoten eine große
Anzahl von Kanälen notwendig wäre.
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Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann
die Anzahl der benötigten Kanäle wesentlich reduziert
werden. Anstatt jedem Sender einen fest zugeordneten
Kanal zu einem Empfänger zuzuteilen, kann ein gegebener
Kanal von mehreren Sendern geteilt werden und man kann
mehrere Empfänger einen bestimmten Kanal empfangen
lassen. Insbesondere zeigt die Fig. 5 ein
Zusammenschaltungsmuster für ein Netz mit 24 Benutzerknoten,
wobei k = 3 in Gleichung (1), und Fig. 6 verändert dieses
Muster dahingehend, daß die Empfangskanäle in jeder
Spalte wie gezeigt von 1 bis 16 durchnummeriert sind. Mit
diesem Muster beaufschlagen die NIU 0, 8 und 16 alle die
Kanäle 1 und 3. Im Effekt wird die Anzahl von vom Muster
der Fig. 5 in den Bussen 10 der Fig. 1 erstellten WDM-
Kanälen beträchtlich reduziert, von 48 auf 16 Kanäle in
Fig. 6 reduziert und jeder Kanal wird von 3 NIU geteilt.
Wenn beispielsweise NIU 1 dann eine Nachricht hat, die
auf Kanal 5 zu NIU 10 geleitet werden muß, und NIU 9 eine
Nachricht hat, die auf Kanal 5 zu NIU 18 geleitet werden
muß, dann müssen sich die NIU 1 und 9 um das Recht zur
Benutzung des Kanals 5 zu dieser Zeit mittels eines
bekannten Wettbewerbverfahrens bewerben; diejenige, der
das Übertragungsrecht verweigert worden ist, muß auf
einen späteren Zeitpunkt warten.
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Nach dem Nummerierungsplan der Fig. 6 wächst die
Anzahl gemeinsamer Kanäle F nach
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F = pk+1, k = 2,3,4, . . . (3)
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So wird für ein großes Netz von beispielsweise k = 7,
p = 2, wobei N = kpk = 896 Benutzerknoten, die Anzahl von
WDM-Kanälen bedeutend von W = 1792 Kanälen auf F = 256
Kanäle reduziert. Da die Anzahl von sich um einen
gegebenen Kanal bewerbenden NIU für das gemeinsame
Kanalmuster von Fig. 6 nur k beträgt und somit viel geringer
als die Anzahl von NIU ist, ist eine Strategie zur
Freigabe gespeicherter Pakete ein Schema des
Zeitvielfachzugriffs (TDMA) mit fester Zuweisung. Dabei
ist die Zeit in wiederholte Rahmen eingeteilt, die
jeweils k Zeitschlitze enthalten, und eine der sich um
einen gegebenen Kanal bewerbenden k NIU ist permanent
einem der k Zeitschlitze zugewiesen. Wenn alle
Pufferspeicher 28 und 29 der Fig. 4 in den NIU nicht leer
sind, dann geht aufgrund der festen TDMA-Zuweisung keine
Zeit auf einem Kanal verloren. Als Alternative kann ein
in der Vergangenheit für Einkanalnetze benutzter
wirkungsvoller Token-Bus-Zugriff für jeden der WDM-Kanäle
benutzt werden.
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Als Alternative können Kanäle, anstatt von einer
Reihe von NIU geteilt zu werden, von NIU in einer Spalte,
wie in Fig. 7 dargestellt, geteilt werden. Auf diese
Weise ist für jede NIU nur ein Sender und ein Empfänger
erforderlich. Allgemein ausgedrückt werden, außer in der
Konfiguration p = 1, WDM-Kanäle oder Lichtleiter von NIU
in den gegenwärtigen, hiernach ShuffleNet genannten
Idealmischungsnetzen, mit nur einem Sender und einem
Empfänger pro NIU, gemeinsam benutzt. Insbesondere senden
Gruppen von p NIU in jeder Spalte eines
Konnektivitätsgraphen auf einem gemeinsamen Kanal, wobei eine getrennte
Gruppe von p NIU in der nächsten Spalte jeden Kanal
empfängt. Es gibt daher pk-1 Kanäle pro Spalte von NIU und
insgesamt kpk-1 Kanäle im Netz. Bei i = 0,1, . . . ,p-1
übertragen NIU i, i+pk+1, i+2pk-1, . . . , und i+(k-1)pk-1 in
einer Spalte auf einem gemeinsamen Kanal, der von NIU
j,j+1,j+2, . . . und j+p-1 in der nächsten Spalte empfangen
wird, wobei j = (i mod pk-1)p. In Fig. 7 wird dies für den
ShuffleNet-Konnektivitätsgraphen für 8 Benutzer (p = 2,
k = 2), ähnlich der Fig. 3, dargestellt. Dort sendet
jedes der NIU-Paare (0,2), (1,3), (4,6) und (5,7) auf
einem unterschiedlichen Kanal, wobei jede NIU einen
Sender und einen Empfänger benutzt.
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Die Bedeutung von ShuffleNet als Mehrsprung-
Lichtwellennetz ergibt sich aus seiner Fähigkeit,
mehrfache WDM-Kanäle wirksam unter gleichförmigen
Verkehrsbelastungen mit einfachen feststehenden
Weiterleitungsprozeduren zu benutzen. In Fig. 8 ist für
ein ShuffleNet mit 18 Benutzern (p = 3, k = 2) ein
aufspannender Baum dargestellt, der zur Zuweisung von
Leitwegen für vom Benutzer 0 erzeugte Pakete, die für
andere Benutzer im Netz bestimmt sind, benutzt werden
könnte. Bestände nicht der für die Weiterleitung von
Paketen vom Benutzer 0 über den Benutzer 9 zurück zu sich
selber vorgesehene Weg, würde die k=2-ShuffleNet-
Anordnung einer Konfiguration eines idealen aufspannenden
Baums gleich sein, wo der Baum für die Weiterleitung von
Paketen in einem regulären Konnektivitätsgraphen des
Grades p die Form eines p-ären Baumes besitzt. Zur
Leitweglenkung in einem ShuffleNet-Konnektivitätsgraphen
sind Adressen auf natürliche Weise zugewiesen, wobei
Spalten c von links nach rechts von 0 bis k-1 nummeriert
und Reihen r von oben nach unten von 0 bis pk-1 nummeriert
sind. Da WDM-Kanäle gemeinsam benutzt werden können, wobei
p NIU in dieselbe Wellenlänge hineinhören und dieselben
Pakete empfangen, muß der Weiterleitungsalgorithmus
angeben, von welchem NIU ein empfangenes Paket wiederholt
werden sollte. Insbesondere muß eine NIU, wenn sie ein
nicht für ihren zugehörigen Benutzer bestimmtes Paket
empfängt, bestimmen, ob sie das Paket über ihren Sendekanal
wiederholen oder das Paket einfach ignorieren soll. Man
betrachte einen beliebigen Benutzer im-Netz und lasse die
Adresse dieses Benutzers durch die Koordinaten ( )
bezeichnet sein. Wenn NIU ( ) ein Paket mit einer
Zieladresse (cd,rd) = [cd,rd(k-1)rd(k-2) . . . rd(0)] empfängt,
werden die folgenden Weiterleitungsentscheidungen
getroffen:
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(1) Wenn (cd,rd) = ( ),
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dann ist ( ) das Ziel und das Paket wird nicht
wiederholt.
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(2) Wenn (cd,rd) ≠ ( ), dann wird das Paket nur
dann wiederholt, wenn
rd((k + cd - )modk) = (0).
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Es ist zu bemerken, daß die Weiterleitungsentscheidung
nur auf einem der p-ären Ziffern in der Zieladresse des
Empfangspaketes beruht.
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Eine Weise zur Erhöhung des Benutzerdurchsatzes
besteht darin, jede NIU mit mehreren Sendern und
Empfängern auszustatten. Wenn beispielsweise, wie in Fig. 8
dargestellt, jede NIU drei Sender (T = 3) und drei
Empfänger (R = 3) aufweisen kann, dann ist jeder
Verknüpfungslinie ein getrennter fest zugeordneter WDM-
Kanal zugeordnet. Als Alternative werden, wenn T = 1 und
R = 1 in Fig. 8, die Kanäle gemeinsam von p=3 NIU
benutzt und neun Verknüpfungslinien stellen zusammen
einen einzigen Kanal dar. Beispielsweise benutzen in
Fig. 8 die NIU 0, 3 und 6 gemeinsame Sendewellenlängen
während die NIU 9, 10 und 11 dieselbe Wellenlänge für T
= 1 und R = 1 empfangen. In Fig. 9 und 10 werden zwei
alternative Anordnungen für denselben ShuffleNet-
Konnektivitätsgraphen der Fig. 8 für 18 Benutzer (p = 3,
k = 2) gezeigt, wobei T = 1, R = 3 in Fig. 9 und T = 3,
R = 1 in Fig. 10. Bei einem beliebigen ShuffleNet-
Konnektivitätsgraphen für N Benutzer (p, k) sind viele
Werte von T und R möglich.
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ShuffleNet besitzt zwei bedeutende Eigenschaften,
die dazu ausgenutzt werden können, das Problem des
Mehrfachzugriffes bei gemeinsam benutzten Kanälen zu
vereinfachen. Erstens bewirbt sich nur ein geringer
Bruchteil der Benutzergesamtheit um die Benutzung eines
gegebenen WDM-Kanals. Zweitens bietet die relative
Unabhängigkeit eines Konnektivitätsgraphen und der
physikalischen Netztopologie die Freiheit, die von
ShuffleNet angegebenen Sende- und Empfangswellenlängen
beliebig spezifischen NIU zuzuweisen. Gemeinsame
Kanalbenutzung kann erleichtert werden, indem einer Gruppe von
NIU, die "geographisch benachbart" sind, dieselbe
Sendewellenlänge zugewiesen wird, womit die Laufzeit zwischen
einen gemeinsamen Kanal teilenden NIU reduziert wird.
Weiterhin kann die zweite Eigenschaft eine Netzauslegung
ermöglichen, die anstatt eines Senders pro NIU nur einen
Sender pro Kanal erfordert.
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In Fig. 11 ist eine Doppelsternkonfiguration als
eine mögliche physikalische Topologie für die
wirkungsvolle gemeinsame Kanalbenutzung eines ShuffleNet mit
einem Sender und einem Empfänger pro Benutzer für den
Konnektivitätsgraphen der Fig. 7 dargestellt. Für das
ShuffleNet mit 8 Benutzern der Fig. 11 sind die NIU 0 und
2 physikalisch benachbart und ihnen wird eine
Sendewellenlänge λ&sub1; willkürlich zugewiesen. Entsprechend dem
Konnektivitätsgraphen empfangen die NIU 0 und 2 jedoch
dann Pakete auf Wellenlänge λ&sub3; bzw. λ&sub4;. In dieser
Konfiguration durchläuft das erste Paket, das einen freien
kollisionvermeidenden Stern 50 erreicht, diesen. Wenn der
kollisionvermeidenden Stern 50 belegt ist, wird ein von
jeder anderen NIU ankommendes Paket "blockiert" und muß
von der NIU wiederholt werden. Pakete, die auf
unterschiedlichen Wellenlängen durchkommen, werden in einem
Sternkoppler 51 kombiniert und über
Leistungsverzweigungen 52 zurück zu allen NIU rundgesendet. Die
Leistungsverzweigungen 52 werden zum Aufteilen des
Empfangssignals und zur Übertragung der Signale zu den zugehörigen
NIU benutzt.
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Es ist zu verstehen, daß die oben beschriebenen
Ausführungsformen nur beispielhaft für die Grundsätze der
Erfindung sind. Vom Fachmann können im Rahmen der
Erfindung verschiedene andere Modifikationen und
Veränderungen durchgeführt werden. Beispielsweise kann,
obwohl eine NIU allgemein als einem einzigen
Benutzerknoten zugehörig und mit einer gleichen Anzahl
von Sendern und Empfängern beschrieben worden ist, eine
NIU eine Mehrzahl von m Benutzern und i Empfängern und i
Sender aufweist, so daß der elektronische Koppler in der
NIU eine Konfiguration (i+m) mal (j+m) umfassen würde.
Weiterhin sind neben der oben beschriebenen Wiederholungs-
Idealmischung andere Konnektivitätsgraphen möglich, wobei
die Anzahl ankommender und abgehender Verbindungsstrecken
von einer NIU zur anderen unterschiedlich sein kann. Auch
sind, obwohl die physikalische Topologie eines
Mehrsprungnetzes wie in Fig. 2 dargestellt die eines
Buses sein kann, andere physikalische Topologien möglich,
darunter Sterne, Bäume, Ringe und Maschennetz.