DE3873531T2 - Aktives kommunikationsnetzwerk. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein aktives Kommunikationsnetzwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Rechnerarchitekturen enthalten nunmehr gewöhnlich eine große Zahl von Prozessoren, die Programme gleichzeitig durchführen. Derartige parallele Computerarchitekturen benötigen ein Kommunikationsnetzwerk zwischen den Prozessoren sowie zwischen den Prozessoren und den Speichern. In parallelen Verarbeitungssystemen ist es anzustreben, vielen Prozessoren zu ermöglichen, den Prozessoren und/oder Speichern gleichzeitig Informationen zu senden.
• Die Verwendung von Optiken für das Kommunikationsnetzwerk ist besonders wirksam, da optische Systeme eine geeignete inhärente Parallelität, passende Bandbreiten sowie eine geringe Wechselwirkung zwischen getrennten Strahlen in einem linearen Medium aufweisen.
• Eines der bedeutendsten optischen Kommunikationsnetzwerke verwendet das bekannte Kreuzschienennetzwerk. Insbesondere ermöglicht ein derartiges Kreuzschienennetzwerk allen Prozessoren und/oder Speichern eine dynamische Zwischenverbindung in einer willkürlichen Vertauschung, ohne daß eine bereits existierende Verbindung geändert wird.
• Nachfolgend wird auf Fig. 1 Bezug genommen, die beispielhaft ein "Stern"-Kreuzschienennetzwerk 10 gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zeigt, das opto-elektronische Erfassungskomponenten enthält. Ein Kreuzschienennetzwerk 10 dieser Art ist offenbart in MacDonald et al, Electron Lett. 16 (1978) 402. Auf den Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen. Das Kreuzschienennetzwerk 10 enthält vier Sender, 12, 14, 16 und 18, wobei angenoimnen werden kann, daß jeder dieser Sender von einem Prozessor betrieben wird. Die Sender liefern Eingangssignale, die auf optische Fasern bzw. Lichtleitfasern 20, 22, 24 und 26 verzweigt werden. Die vier separaten Eingänge 20, 22, 24 und 26 werden wiederum viermal aufgefächert und daßaufhin auf 16 separate Detektoren 28 gelenkt. Jeder der Detektoren 28 enthält einen Photodetektor, der in Reihe mit einem Vorverstärker geschaltet ist, wobei jeder Detektor 28 die gleiche elektronische Funktion liefert, nämlich als Schaltelement zu dienen. Kurz gesagt empfängt jeder der Detektoren 28 Licht und gibt auf eine von einer (nicht gezeigten) Vorspannungs-Steuerungsschaltung stammenden Instruktion hin ein elektrisches Signal aus. In Betrieb arbeitet das Kreuzschienennetzwerk 10 demzufolge in der Weise, daß es die Wahl eines bestimmten gesendeten Eingangssignals zur Übertragung zu einem gewünschten Ausgang (einem Speicher oder einer Prozessoreinheit), die in Fig. 1 als Empfänger 30, 32, 34 und 36 gezeigt sind, ermöglicht. Dieser Übertragungsvorgang erfordert weiterhin eine Umwandlung der elektrischen Signale in optische Signale mittels optischer Übertrager bzw. Wiederholer 38, 40, 42 und 44 sowie die Übertragung über eine Rück-Faserleitung.
• Mit anderen Worten wird das in Fig. 1 gezeigte Kommunikationsnetzwerk (MacDonald et al) dazu verwendet, eine Vielzahl von N Sendern mit einer Vielzahl von individuell wählbaren N Empfängern mittels einer Lichtleitfaser-Leitwegeinrichtung zu verbinden, die einen Verbindungsweg zwischen den Sendern und den Empfängern liefert. Da dieses bekannte Netzwerk daßüber hinaus Schalteinrichtungen zum Verbinden eines jeweiligen Senders mit einem jeweiligen wählbaren Empfänger über die Leitwegeinrichtung enthält, die auf die Instruktionssignale der obengenannten (nicht gezeigten) Vorspannungs-Steuerungsschaltung anspricht, kann diese Art von Netzwerk als ein "aktives" Netzwerk bezeichnet werden.
• Die US-4 707 062 offenbart einen sternförmigen Koppler, der eine Vielzahl von einadrigen optischen Fasern für Verteilungszwecke enthält; dieser sternförmige Koppler enthält jedoch keinerlei Schalteinrichtungen, so daß dieses Netzwerk folglich ein "passives" Netzwerk ist.
• Die EP-A2-0 216 167 offenbart eine Erweiterungseinrichtung für ein passives optisches Bussystem, das durch die Verwendung einer Vielzahl von Mischern G1 bis Gm gekennzeichnet ist. Dieses bekannte Netzwerk enthält demzufolge ebenfalls keine Schalteinrichtungen.
• Ein Hauptnachteil eines aktiven Netzwerkes (zu dem die vorliegende Erfindung zählt) liegt in der Tatsache, daß es bislang nicht möglich war, ein Netzwerk zu schaffen, das sich über mehr als ein paar Meter erstreckt.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein aktives Kommunikationsnetzwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß eine wirksame Kommunikation über große Entfernungen hinweg durchgeführt werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen vorteilhaften Mabnahmen gelöst.
• Mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen vorteilhaften Maßnahmen wird eine verteilte Schaltanordnung geschaffen, bei der die Schaltfunktionen auf Empfänger verteilt sind, die bezüglich der Lichtleitfaser-Leitwegeinrichtung entfernt angeordnet sind, wodurch es möglich ist, auf die optischen Wiederholer zu verzichten und dadurch die Gesamtausdehnung des Netzwerkes beträchtlich zu erhöhen.
• Gemäß Anspruch 1 wird die obengenannte verteilte Schaltanordnung der Erfindung im einzelnen realisiert, indem jeder der N Sender zusammen mit einem zugeordneten der N Empfänger montiert wird, wodurch ein jeweiliges Sender-Empfänger-Paar gebildet wird, wobei jeder der N Empfänger eine geschaltete Anordnung von N Detektoren zum selektiven Erfassen eines bestimmten gesendeten Signals aufweist; diese Maßnahmen ersetzen die bekannte zentrale Schalteinrichtung. Dieser verteilte Aufbau der Schalteinrichtung der vorliegenden Erfindung macht es jedoch notwendig, die Leitwegeinrichtung durch zusätzliches Vorsehen eines Ausgangsfächerungs-Umformatierers zu modifizieren, der (a) ein von jedem Sender ausgegebenes Signal annimmt, (b) das Signal über 1 bis N Zweige ausfächert und (c) alle K-ten Zweige - wobei K von 1 bis N läuft - aus jedem Sender umf ormatiert, um dem K-ten Empfänger N Eingänge zu liefern.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Der Ausgangsfächerungs-Umformatierer enthält vorzugsweise eine passive optische Struktur. Der Ausgangsfächerungs-Umformatierer weist vorzugsweise einen wirksamen Durchsatz sowie eine leichte Ausrichtung auf und ist für große Anordnungen geeignet, wobei N beispielsweise den Wert 64, 128 oder 256 annimmt. Bevorzugte Ausführungsformen eines derartigen Ausgangsfächerungs-Umformatierers weisen einen verschmolzenen Halbstern-Koppler, eine planare Wellenleiterstruktur oder ein gekreuztes Phasenbeugungsgitter auf. Bei allen drei genannten Verfahren zum Verzweigen von 1 auf N ist es wünschenswert, daß der Ausgangsfächerungs-Umformatierer:
• 1. einen geringen Durchgangsverlust bzw. eine geringe Dämpfung von beispielsweise weniger als 2dB und insbesondere weniger als 3dB aufweist, falls N gleich 128 ist;
• 2. eine Rekonfigurationszeit von weniger als 10 Mikrosekunden und insbesondere von weniger als 1 Mikrosekunde besitzt; und/oder
• 3. asynchrone Signale verarbeitet, die von den Sendern ausgegeben werden können.
• Ausgangsfächerungs-Umformatierer mit diesbezüglich zufriedenstellenden Eigenschaften sind im Handel erhältlich, wie z.B. der monolithische Aufteiler Modell 8010 der Firma Corning, New York.
• Das Umformatieren beinhaltet das Sammeln der K-ten Zweige aus jedem der 1 bis N Ausgangsfächer sowie das Bilden einer geeigneten Kabelstruktur. In der Kabelstruktur kann die Identität jedes Zweigs durch Markierung jedes Kabels oder durch die Position des Zweigs in einem Band von Fasern gewährleistet werden.
• Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt daßin, daß der Aufbau Empfänger enthält, die eine geeignete Anordnung von N Detektoren zum Erfassen und Wählen eines bestimmten gesendeten, von einem bestimmten Empfänger zu verarbeitenden Signals aufweisen. Derartige Erfassungselektroniken enthalten vorzugsweise Opto-Elektroniken und beinhalten eine herkömmliche elektrische Signalsummierung/-verstärkung, eine optische Signalwiedergewinnung sowie eine Schalter- Steuerungseinheit. Die Verwendung bekannter Verfahren, wie beispielsweise der bei MacDonald et al offenbarten, bei denen die Vorspannung an einer bestimmten Schalter- Steuerungseinheit eingeschaltet wird, ermöglicht folglich die Auswahl eines bestimmten gewünschten gesendeten Signals für die Rückübertragung zu einem gewünschten Empfänger. Es sei darauf hingewiesen, daß der vorliegende Schalter in diesem Sinne als eine verteilte Kreuzschiene bezeichnet wird, da sich die Schaltelemente an den Sender/Empfänger- Knoten befinden. Hierin liegt ein Unterschied zu dem herkömmlichen "Stern"-Netzwerk, bei dem eine zentral angeordnete Schalteinheit verwendet wird.
• Es sei darauf hingewiesen, daß ein weiterer Vorteil aller Gesichtspunkte der Erfindung darin liegt, daß die bei der herkömmlichen Architektur erforderlichen optischen Wiederholer 38 bis 44 bei der Erfindung nicht benötigt werden.
• Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:
• Fig. 1 die Schaltungsanordnung eines herkömmlichen aktiven Kommunikationsnetzwerkes;
• Fig. 2 den Schaltplan einer bei der Erfindung verwendeten Schaltung; und
• Fig. 3a, b, c schematisch den Aufbau eines bei der Erfindung verwendeten Ausgangsfächerungs-Umformatierers.
• Nachfolgend wird auf Fig. 2 Bezug genommen, die eine Baugruppe 46 der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Baugruppe 46 enthält 8 Paare von Sender-Empfänger-Einheiten, die zusammengebaut sind und mit den Bezugszeichen 48-62 bezeichnet sind, sowie einen Ausgangsfächerungs-Umformatierer 64. Der Ausgangsfächerungs-Umformatierer 64 kann ein von jedem der Sender ausgegebenes Signal aufnehmen, das entlang von Lichtleitfasern 66-80 geleitet wird. Der Ausgangsfächerungs- Umformatierer 64 formatiert bzw. ordnet die einlaufenden Lichtleitfasern 66-80 auf folgende Weise um.
• Zunächst wird die Lichtleitfaser 66 aus dem ersten Sender auf 8 Zweige aufgeteilt bzw. aufgefächert. Die Aufteilung kann in Übereinstimmung mit dem in Fig. 3 gezeigten Aufteilungsschema vorgenommen werden. So zeigt beispielsweise Fig. 3a, daß die Lichtleitfaser unter Verwendung einer Halbstern-Kopplerstruktur 82 auf 1 bis 8 Zweige aufgeteilt werden kann. Fig. 3b zeigt, daß die Lichtleitfaser unter Verwendung einer planaren Wellenleiterstruktur 84 auf 1 bis 8 Zweige aufgeteilt werden kann. Fig. 3c zeigt schließlich, daß die Lichtleitfaser unter Verwendung einer gekreuzten Phasenbeugungsgitterstruktur 86 auf 1 bis 8 Zweige aufgeteilt werden kann. Demzufolge wird in allen Fällen eine beispielhafte Struktur gezeigt, die zum Aufteilen einer Eingangs-Lichtleitfaser in 8 Zweige dient. Die Eingangs-Lichtleitfaser 68 aus dem zweiten Sender wird gleichfalls in 8 Zweige aufgeteilt, und zwar indem in äquivalenter Weise eine der in Fig. 3 genannten Strukturen verwendet wird. Weiterhin wird in gleicher Weise jede der Eingangs-Lichtleitfasern 70, 72, 74, 76, 78 und 80 aus den verbleibenden 6 Sendern in 8 Zweige aufgeteilt, und zwar wiederum unter Zuhilfenahme der in Fig. 3 gezeigten Strukturen. An dieser Stufe liegen demzufolge 8 Eingangsgruppen von jeweils 8 Zweigen vor, oder insgesamt 64 Zweige.
• Gemäß vorstehender Erläuterung beinhaltet die Umformatierung das Sammeln bzw. Zusammenfassen der 64 Zweige in einer geeigneten Weise, um ein Kabel zu bilden, das den Empfängern zugeführt wird. Dies wird wie folgt bewerkstelligt. Zunächst wird der erste Zweig aus jeder der 8 Eingangsgruppen gebündelt bzw. zusammengefaßt, und zwar unter Verwendung einer umgekehrten Struktur einer der in Fig. 3 gezeigten Verzweigungsstrukturen. Auf diese Weise wird ein erstes Kabel erhalten, das den ersten Zweig aus jeder der 8 Eingangsgruppen enthält. Das in Fig. 2 als Lichtleitfaser 88 gezeigte erste Kabel wird dem ersten Empfänger zugeführt. In Fortführung dieses Verfahrens wird der zweite Zweig aus jeder der 8 Eingangsgruppen gebündelt, und zwar wiederum unter Verwendung einer Umkehrstruktur einer der in Fig. 3 gezeigten Verzweigungsstrukturen. Hierdurch wird ein zweites Kabel erhalten, das den zweiten Zweig aus jeder der 8 Eingangsgruppen enthält. Das in Fig. 2 als Lichtleitfaser 90 gezeigte zweite Kabel wird dem zweiten Empfänger zugeführt. In gleicher Weise werden weiterhin der dritte, vierte, fünfte, sechste, siebente und achte Zweig aus jeder der 8 Eingangsgruppen mittels einer der in Fig. 3 gezeigten Strukturen individuell gebündelt. Auf diese Weise werden folglich 6 weitere Kabel gebildet, die in Fig. 2 als Lichtleitfasern 92-102 gezeigt sind. Die Lichtleitfasern 92-102 werden dem jeweils Zugeordneten unter dem dritten bis achten Empfänger zugeführt.
• Jeder der 8 Empfänger weist demzufolge ein Eingangs-Lichtleitfaserkabel auf, das 8 getrennte Zweige enthält, die gebündelt sind. Das Lichtleitfaserkabel in jedem Empfänger wird den opto-elektronischen Detektoren zugeführt, die einen Teil der Empfänger bilden. Die in Fig. 2 gezeigten 8 optoelektronischen Detektoreinheiten sind mit den Bezugszeichen 104-118 bezeichnet. Jede der 8 opto-elektronischen Detektoreinheiten 104-118 adressiert wiederum die 8 getrennten Zweige, die gebündelt sind und jedem Empfänger zugeführt werden. Jede der 8 Detektoreinheiten 104-118 enthält einen herkömmlichen elektrischen Signalsummierer/-verstärker, eine optische Signalwiedergewinnung und eine (nicht gezeigte) Schalter-Steuereinheit. Gemäß vorstehender Erläuterung liefert jede der 8 opto-elektronischen Detektoreinheiten 104- 118 die Wahl eines bestimmten gewünschten Sendersignals, eins bis acht, das von einem bestimmten gewünschten Empfänger, eins bis acht, zu empfangen ist.

Claims (10)

1. Aktives Kommunikationsnetzwerk zum Verbinden einer Vielzahl von N Sendern (T&sub1;-T&sub8;) mit einer Vielzahl von individuell wählbaren N Empfängern (R&sub1;-R&sub8;) mit:

[a] einer Lichtleitfaser-Leitwegeinrichtung (26), die einen Verbindungsweg zwischen den Sendern (T&sub1;-T&sub8;) und den Empfängern (R&sub1;-R&sub8;) liefert; und

[b] einer Schalteinrichtung (10) zum Verbinden eines jeweiligen Senders mit einem jeweils wählbaren Empfänger über die Leitwegeinrichtung (26);

dadurch gekennzeichnet, daß

[c] jeder der N Sender (T&sub1;-T&sub8;) zusammen mit einem zugeordneten der N Empf änger (R&sub1;-R&sub8;) montiert ist, wodurch ein jeweiliges Sender-Empfänger-Paar (48, 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62) gebildet wird;

[d] jeder der N Empfänger (R&sub1;-R&sub8;) eine geschaltete Anordnung von N Detektoren zum selektiven Erfassen eines bestimmten gesendeten Signals aufweist, wodurch die Schalteinrichtung (10) gebildet wird; und daß

[e] die Leitwegeinrichtung (26) einen Ausgangsfächerungs-Umformatierer (64) aufweist, der

[el] ein von jedem Sender (T&sub1;-T&sub8;) ausgegebenes Signal annimmt;

[e2] das Signal über 1 bis N Zweige ausfächert; und

[e3] alle K-ten Zweige - wobei K von 1 bis N läuft - aus jedem Sender (T&sub1;-T&sub8;) umformatiert, um dem K-.ten Empfänger (R&sub1;- R&sub8;) N Eingänge zu liefern.

2. Aktives Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsfächerungs-Umformatierer (64) passiv ist.

3. Aktives Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsfächerungs-Umformatierer (64) einen verschmolzenen Halbstern-Koppler (Fig. 3a) aufweist.

4. Aktives Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsfächerungs-Umformatierer (64) eine planare Wellenleiterstruktur (Fig. 3c) aufweist.

5. Aktives Kommunikationsnetzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsfächerungs-Umformatierer (64) ein gekreuztes Phasenbeugungsgitter (Fig. 3b) aufweist.

6. Aktives Kommunikationsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsfächerungs- Umformatierer (64) ein Signal in weniger als 10 Mikrosekunden umgruppiert.

7. Aktives Kommunikationsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der N Sender (T&sub1;-T&sub8;) ein asynchrones Signal ausgibt.

8. Aktives Kommunikationsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Sender-Empfänger- Paare mindestens 100 m voneinander getrennt sind.

9. Aktives Kommunikationsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das K-te Sender-Empfänger-Paar vom N-ten Sender-Empfänger-Paar um mindestens 100 m getrennt ist.

10. Aktives Kommunikationsnetzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß N den Wert 2 bis 256 hat.