DE4441154C1 - Bidirektionales optisches Vielkanal-Ringnetzwerk unter Verwendung von WDM-Techniken - Google Patents

Bidirektionales optisches Vielkanal-Ringnetzwerk unter Verwendung von WDM-Techniken

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Description

Die Erfindung betrifft ein rein optisches Vielkanal-Ringnetzwerk, insbeson­ dere ein bidirektionales optisches Vielkanal-Ringnetzwerk unter Verwendung von WDM-Techniken.
Bei modernen Kommunikationssystemen erfreuen sich rein optische Netzwerke einer großen Aufmerksamkeit. Es wird erwartet, daß die Übertragungs­ kapazität von zukünftigen Kommunikationsnetzwerken davon abhängt, welche Arten von Kommunikationen als Dienstleistungen angeboten bzw. zur Verfügung gestellt werden. Viele Dienste, die eine große Menge an Informationen liefern, wie beispielsweise dreidimensionale Bilder und medizinische Ferndienstleistungen, werden schrittweise immer bekannter, weswegen eine enorme Informationsfülle übertragen werden muß.
Um die Datenübertragungsrate und den Datendurchsatz eines Netzwerks zu maximieren, wurden verschiedene Multiplexverfahren vorgeschlagen, wie beispielsweise Wellenlängenmultiplexen (WDM), Licht­ frequenzmultiplexen (OFDM) und Lichtzeitmultiplexen (OTDM). Optische Schalt- und Verstärkungsvorrichtungen wurden für die optische Verarbeitung entwickelt, um Engpässe bei der elektronischen Geschwindigkeit im Netzwerk zu überwinden.
Bei einer ähnlichen Lösung schlugen Rance M. Fortenberry et al. in ihrem Aufsatz mit dem Titel "Optically transparent node for a multiple-bit-rate photonic Packet-switched local area network", OFG/IOOC ′93 Technical Digest (1993), S. 21-23, einen optisch transparenten Knoten zur Verwendung in einem photonischen lokalen Netzwerk (Local Area Network oder LAN) oder Ortsnetzwerk (Metropolitan Area Network oder MAN) vorgeschlagen, der mehrere Vorteile gegenüber einem äquivalenten elektronischen Netzwerk einschließlich der Flexibilität des Daten­ formats und der Fähigkeit, Engpässe bei der elektronischen Geschwindigkeit zu vermeiden, besitzt.
Seit der Einführung von optischen Vorrichtungen und Technologien, die eine große Bandbreite von Monomodefasern für Telekommunikationsanwendungen einsetzt, ist das Studium der Architektur und der Protokolle von rein optischen Netzwerken stark vorangetrieben worden. Hierbei sind optische Netzwerke mit ringförmiger Topologie von großem Interesse.
Im allgemeinen sind optische Ringnetzwerke bei B-ISDN, lokalen Netzwerken (LANs) und Netzwerken auf einem Firmengelände (customer premise network oder CPNs) weitverbreitet. Ein derartiges Netzwerk ist aus den Artikeln, N. Shimosaka et al. mit dem Titel "Wavelength-addressed Optical Network using an ATM cell­ based access scheme", OFC/IOOC ′93 Technical Digest (1993), S. 49-50, und von J.D.shin et al. mit dem Titel "Photonic packet-switching device for WDM-based optical ring networks", SPICE, Band 1974, S. 221-229, bekannt.
Bei J.D.shin et al. besteht das optische Ringnetzwerk aus einer Anzahl von Knoten, die durch optische Ringkabel verbunden sind. Ein Absendeknoten überträgt durch die Ringkabel eine Zelle oder ein Paket zu einem Bestimmungs­ knoten, wobei die Zelle ein Adreßfeld und einen Informationsinhalt einer Zelle, d. h. wiederum ein Nutzsignal, enthält, und das Adreßfeld die Adresse des Bestim­ mungsknotens angibt. Wenn die Zelle von einem Knoten empfangen wird, wird der Knoten - wenn das empfangene Adreßfeld, d. h. eine Bestimmungsadresse, nicht mit der eigenen Adresse des Knotens übereinstimmt - als Zwischenknoten zwischen dem Absendeknoten und dem Bestimmungsknoten angesehen, so daß der Knoten die empfangene Zelle durch die Ringkabel an den folgenden Knoten übermittelt. Wenn andererseits die Bestimmungsadresse mit der eigenen Adresse des Knotens übereinstimmt, wird der Knoten als Bestimmungsknoten angesehen und speichert die empfangene Zelle in einen Eingangspuffer bzw. -speicher.
Zum besseren Verständnis des Ausgangspunkts der Erfindung wird bereits an dieser Stelle auf die Zeichnungen Bezug genommen. Fig. 2 zeigt ein herkömmliches rein optisches Vielkanal-Ringnetzwerk, das eine rein optische Paketvermittlungseinrichtung aufweist. Wenn ein Knoten über die optischen Kabel ein wellenlängengemultiplextes optisches Signal von einem vorherigen Knoten oder einem Absendeknoten empfängt, wird das empfangene optische Signal durch einen WDDM (Wellenlängendemultiplexer) 10a gedemultiplext. Dann wird eines der gedemultiplexten Signale (ca. 10% des empfangenen optischen Signals) an einen optischen Faserkoppler 4 übertragen.
Der optische Faserkoppler 4 empfängt das von dem WDDM übertragene Signal und spaltet es auf, um es an einen optischen Laserdiodenverstärker 9 zu liefern. Ein optischer Adressenprozessor 7 besteht aus einem durch eine Glasfaserverzögerungsleitung angepaßten Filter (nicht gezeigt) und einem Schwellenwertdetektor (nicht gezeigt). Wenn das Ausgangssignal des Verstärkers 9 zu dem durch eine Glasfaserverzögerungsleitung angepaßten Filter geliefert wird, erzeugt das Filter in Abhängigkeit vom ankommenden Adreßkennzeichen und der in dem Filter gespeicherten Knotenadreßinformation entsprechende Korrela­ tions- bzw. Zuordnungsimpulse.
Da der Spitzenwert des Autokorrelationsimpulses immer höher als derjenige des Kreuzkorrelationsimpulses ist, bestimmt der Schwellenwertdetektor leicht, ob die Adresse der einlaufenden Zelle mit der eigenen Adresse des Knotens übereinstimmt. Wenn eine Adressenübereinstimmung festgestellt wird, überträgt das durch eine Glasfaserverzögerungsleitung angepaßte Filter Autokorrelations­ impulse an den Schwellenwertdetektor. Wenn jedoch keine Adressenübereinstim­ mung festgestellt wird, überträgt das Filter Kreuzkorrelationsimpulse an den Schwellenwertdetektor. Somit erzeugt der Schwellenwertdetektor je nachdem, ob der Maximalwert der Korrelationsimpulse größer als der Schwellenwert ist oder nicht, ein digitales Steuersignal mit einem ersten Pegel (beispielsweise ein logischer Zustand "1") oder einem zweiten Pegel (beispielsweise ein logischer Zustand "0"), um den Steuerimpulsgenerator 1 zu steuern, der wiederum einen optischen Schalter 6 steuert.
Wenn in anderen Worten das digitale Steuersignal mit dem logischen Zustand "1" von dem Detektor erzeugt wird (d. h., wenn die Bestimmungsadresse der ankommenden Zelle mit der eigenen Adresse des betreffenden Knotens übereinstimmt), überträgt der optische Schalter 6 das ankommende optische Signal an den Empfänger des betreffenden Knotens. Wenn jedoch das digitale Signal mit dem logischen Zustand "0" erzeugt wird, wird das optische Signal an den optischen Laserdiodenverstärker 9 umgeleitet, wo das ankommende optische Signal verstärkt wird. Dann wird das Ausgangssignal des Verstärkers 9 durch den optischen Faserkoppler 4 an den WDM (Wellenlängenmultiplexer) 10 übertragen, um mit von anderen Kanälen ausgegebenen optischen Signalen gemultiplext zu werden. Danach wird das resultierende Signal an den nächsten Knoten übertra­ gen.
Da das herkömmliche optische Ringnetzwerk, wie vorstehend beschrieben eine unidirektionale Struktur verwendet, selbst wenn ein Knoten ein Signal an einen Nachbarknoten überträgt, der am anderen Ende der vom ersten Knoten ausgehenden Übertragung liegt, muß das Signal weiterhin in der gleichen Richtung in dem Ring weiterlaufen, um den benachbarten Knoten auf der anderen Seite zu erreichen. Demzufolge ist die Signalausbreitungszeit zwischen dem Absendeknoten und dem Bestimmungsknoten nahezu gleich der Zeit, die für einen vollständigen Durchlauf des Ringkabels benötigt wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein rein optisches bidirektionales Vielkanal-Ringnetzwerk zu schaffen, das Signale einer ersten Wellenlängenkanal­ gruppe (z. B. λ1, λ3, λ5, . . . ) des optischen Signals im Gegenuhrzeigersinn und Signale einer zweiten Wellenlängenkanalgruppe (beispielsweise λ2, λ4, λ6, . . . ) des optischen Signals im Uhrzeigersinn ausbreitet, wodurch ein Datensignal über einen Kanal mit kürzerer Entfernung übertragen werden kann. Das heißt, das bidirektionale Vielkanal-Ringnetzwerk der Erfindung überträgt ein Signal zwischen dem Absendeknoten und dem Bestimmungsknoten über einen Kanal mit kürzester Entfernung. Demzufolge kann die Signalausbreitungszeit um die Hälfte vermindert werden, die für das Netzwerk charakteristische durchschnittliche Übertragungs­ verzögerung ist gegenüber dem herkömmlichen Netzwerk verbessert, und die Übertragungskapazität des Netzwerks, d. h. die Leistungsfähigkeit des Netzwerks ist größer als diejenige des herkömmlichen Netzwerks.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein bidirektionales rein optisches Ringnetzwerk mit optischen Lichtleiterkabeln bzw. Glasfasern, bei dem optische Signale in Form eines Pakets bzw. einer Zelle übertragen werden, das bzw. die aus einem Adreßfeld und einem Nutzsignal besteht, und mit einer Anzahl von über die optischen Kabel verbundenen Knoten, die jeweils aufweisen:
  • - eine erste und eine zweite Wellenlängenmultiplex/Demultiplexeinrichtung (WDM/WDDM), die an die Kabel angeschlossen ist, um die optischen Signale in Vielkanalsignale zu unterteilen und um Vielkanalsignale zu optischen Signalen zu kombinieren,
  • - eine Vielzahl an Paaren von Paketvermittlungseinrichtungen, wobei, jedes Paar von Paketvermittlungseinrichtungen eine erste und eine zweite (200) Paketvermitt­ lungseinrichtung aufweist, die mit der ersten und der zweiten WDM/WDDM- Einrichtung (8) gekoppelt ist, um die optischen Signale zu verarbeiten,
  • - eine Knotensteuereinrichtung zum Steuern der Übertragungsrichtung der verarbeiteten optischen Signale,
wobei jede Paketvermittlungseinrichtung einen Adressenprozessor zum Erzeugen eines Triggerimpulses in Abhängigkeit von einer Adressenübereinstimmung des Adreßfelds mit einer dem betreffenden Knoten zugeordneten Adresse, eine optische Schalteinrichtung zum selektiven Übertragen des optischen Signals in Abhängig­ keit von dem Triggerimpuls und eine Verzögerungsleitung umfaßt, die parallel zu dem Adressenprozessor geschaltet ist, um eine geeignete Verzögerung in der optischen Übertragung derart hervorzurufen, daß die optische Schalteinrichtung korrekt konfiguriert werden kann, bevor das Paket optischer Signale an dem Eingang der optischen Schalteinrichtung ankommt, wobei die Übertragungsrichtung, die von der Knotensteuereinrichtung gesteuert wird, bidirektional ist.
Um die Erfindung besser zu verstehen und zu zeigen, wie diese ausgeführt werden kann, ist diese nachstehend unter Bezug auf die Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels erklärt. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines bidirektionalen optischen Vielkanal- Ringnetzwerks unter Verwendung von WDM-Techniken gemäß der vorliegenden Erfindung und
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines herkömmlichen rein optischen unidirektiona­ len Vielkanal-Ringnetzwerks unter Verwendung einer rein optischen Paketvermitt­ lungseinrichtung.
Fig. 1 zeigt ein optisches Ringnetzwerk der vorliegenden Erfindung, das eine Vielzahl von Knoten aufweist, die durch ein optisches Ringkabel 3 verbunden sind. Eine erste Signalgruppe, die aus Wellenlängenkanalsignalen (1, 3, 5 6) eines optischen Signals besteht, wird im Gegenuhrzeigersinn übertragen, während eine zweite Signalgruppe, die aus Wellenlängenkanalsignalen (2, 4, 6 6) des optischen Signals besteht, im Gegenuhrzeigersinn in dem optischen Ringkabel 3 übertragen wird.
Wenn das durch das optische Ringkabel 3 übertragene optische Signal in einem Knoten empfangen wird, wird es in einem Wellenlängenmultiple­ xerldemultiplexer 8 zu einer Vielzahl von optischen Wellenlängensignalen gedemultiplext, die jeweils verschiedene Wellenlängenwerte des optischen Signals besitzen. Danach wird jedes der optischen Wellenlängensignale von jeweils einem entsprechenden Kanal in der optischen Paketvermittlungseinrichtung 100 empfangen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird der Fall betrachtet, daß ein optisches Signal der Wellenlänge 1 in der optischen Paketvermittlungseinrichtung empfangen wird.
Ein optischer Faserkoppler 4 der optischen Paketvermittlungseinrichtung 100 empfängt das optische Wellenlängensignal, d. h. das optische Paketsignal, und spaltet es in ein erstes und ein zweites Kopplerausgangssignal auf. Zu diesem Zeitpunkt umfaßt das erste Kopplerausgangssignal einen Teil der Leistung des von dem Koppler 4 empfangenen optischen Paketsignals, während das zweite Kopplerausgangssignal die Restleistung des Signals umfaßt. Das zum Verarbeiten einer optischen Paketadresse verwendete erste Kopplerausgangssignal wird zu einem optischen Laserdiodenverstärker 9 übertragen, wo es verstärkt wird, um einen optischen Adressenprozessor 7 zu veranlassen, die Signale zu verarbeiten.
Der optische Adressenprozessor 7 besteht aus einem durch eine Glasfaser­ verzögerungsleitung angepaßten Filter (nicht gezeigt) und einem Schwellenwert­ detektor (nicht gezeigt). Wenn das Ausgangssignal des in den Photonenpaket­ vermittlungseinrichtungen verwendeten Verstärkers 9 in den durch eine Glasfaser­ verzögerungsleitung angepaßten Filter eingespeist wird, gibt das Filter in Abhängigkeit von der ankommenden Signaladresse und der in dem Filter gespeicherten Knotenadresseninformation entsprechende Korrelationsimpulse aus. Da der Spitzenwert des Autokorrelationsimpulses immer höher als derjenige des Kreuzkorrelationsimpulses ist, bestimmt der Schwellenwertdetektor in einfacher Weise, ob die Adresse der ankommenden optischen Datenzelle mit der in dem Filter gespeicherten speziellen Knotenadresse übereinstimmt.
Wenn eine Adressenübereinstimmung festgestellt wird, überträgt der durch eine Glasfaserverzögerungsleitung angepaßte Filter Autokorrelationsimpulse an den Schwellenwertdetektor. Wenn jedoch keine Adressenübereinstimmung festgestellt wird, überträgt das Filter Kreuzkorrelationsimpulse an den Schwellen­ wertdetektor. Somit erzeugt der Schwellenwertdetektor je nachdem, ob der Maximalwert der Korrelationsimpulse größer als der Schwellenwert ist oder nicht ein digitales Steuersignal mit einem ersten Signalpegel (beispielsweise ein logischer Zustand "1") oder mit einem zweiten Signalpegel (beispielsweise ein logischer Zustand "0"), um den Steuerimpulsgenerator 1 zu steuern, der wiederum einen optischen Schalter 6 steuert.
Wenn in anderen Worten das digitale Steuersignal mit dem logischen Zustand "1" von dem Detektor erzeugt wird (d. h., wenn die Bestimmungsadresse der ankommenden Zelle mit der eigenen Adresse des betreffenden Knoten übereinstimmt), überträgt der optische Schalter 6 das ankommende optische Signal an den Empfänger des betreffenden Knotens. Wenn jedoch das digitale Steuersignal mit dem logischen Zustand "0" erzeugt wird, was bedeutet, daß jener Knoten nicht der Bestimmungsknoten ist, wird das optische Signal zu dem optischen Laserdiodenverstärker 9 umgeleitet, wo das ankommende Signal verstärkt wird. Dann wird das Ausgangssignal des Verstärkers 9 durch den Faserkoppler 4 zu dem Wellenlängenmultiplexer/demultiplexer 8 übertragen, so daß es mit von anderen Kanälen ausgegebenen optischen Signalen gemultiplext werden kann. Danach wird das resultierende Signal an den nächsten Knoten übertragen.
Andererseits gleicht eine Glasfaserverzögerungsleitung 2 bezüglich des Nutzsignals die Zeitverzögerung aus, die für das Bearbeiten der Paketadresse längs des digitalen Steuersignalübertragungsweges erforderlich ist, welcher aus dem optischen Laserdiodenverstärker 9, dem optischen Adressenprozessor 7 und dem Steuerimpulsgenerator 1 besteht. Wenn sich danach der optische Schalter 6 in einem Zustand "EIN" befindet, kann das Nutzsignal des Pakets gleichzeitig von dem optischen Schalter 6 geschaltet bzw. vermittelt werden.
Ein zwischen die optische Glasfaserverzögerungsleitung 2 und den optischen Schalter 6 geschalteter Polarisationsregler 5 dient dazu, durch Einstellen des polarisierenden Lichts des Eingangssignals auf die Lichtpolarisationsachsen des optischen Schalters 6 und des optischen Verstärkers 9 die optischen Verluste zu minimieren.
Wie eingangs beschrieben wurde, kann die im Uhrzeigersinn übertragene zweite Signalgruppe auch über das optische Ringkabel 3 in einem Knoten empfangen werden. Wenn das über das optische Ringkabel 3 übertragene optische Signal in einem Knoten empfangen wird, wird es in dem Wellenlängen­ multiplexerldemultiplexer 8 zu einer Vielzahl von optischen Wellenlängensignalen gedemultiplext, die jeweils verschiedene Wellenlängenwerte des optischen Signals aufweisen. Danach wird jedes der optischen Wellenlängensignale jeweils von einem entsprechenden Kanal in der optischen Paketvermittlungseinrichtung 200 empfangen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Fall betrachtet, daß das optische Wellenlängensignal der Wellenlänge 2 in der optischen Paketvermittlungseinrichtung 200 empfangen wird.
Ein optischer Faserkoppler 4 der optischen Paketumschaltvorrichtung 200 empfängt das optische Wellenlängensignal, d. h. das optische Paketsignal, das sich in ein erstes und ein zweites Kopplerausgangssignal aufspaltet. Da die weiteren Verarbeitungsschritte der ersten und zweiten Kopplerausgangssignale in der optischen Vermittlungseinrichtung 200 identisch mit den Verarbeitungsschritten desselben Signals in der optischen Paketvermittlungseinrichtung 100 sind, wird eine ausführlichere Beschreibung hiervon vermieden.
Wenn ein Knoten Daten übertragen will, tut der Knoten dies mittels eines freien Platzes in dem Datenstrom, der durch den Empfang der Paketdaten des freien Platzes durch den Knoten erzeugt wird, oder mittels eines freien Platzes in dem Datenstrom, der durch den Empfang von Paketdaten des freien Platzes durch einen anderen Knoten erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt werden Paketdaten, die in einen freien Platz eingespeist werden sollen, mit Hilfe eines Knoten-Controllers 20 in der Richtung der geringsten Entfernung im Gegenuhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn übertragen. In Fig. 1 sind erste und zweite optische Sender bzw. Übertrager Tx1 und Tx2 und erste und zweite optische Empfänger Rx1 und Rx2 jeweils mit dem Knoten-Controller 20 verbunden. Der Knoten-Controller 20 besitzt die Informationen bezüglich der Übertragungsentfernung von betreffenden Knoten. Durch Verwendung dieser Informationen kann der Knoten-Controller 20 die Übertragungsrichtung der verarbeiteten Signale steuern. Das heißt, wenn Daten im Uhrzeigersinn übertragen werden, werden die Daten in einen freien Platz der Kanalwellenlänge 2 eingespeist. Im anderen Fall werden die Daten in einen freien Platz der Kanalwellenlänge 1 eingespeist.
Im Ergebnis kann bei dem bidirektionalen optischen Vielkanal-Ringnetzwerk der vorliegenden Erfindung die Signalausbreitungszeit um die Hälfte reduziert werden, die für das Netzwerk charakteristische durchschnittliche Übertragungszeit wird gegenüber dem herkömmlichen Netzwerk verbessert, und der Übertragungs­ durchsatz, d. h. die Leistungsfähigkeit des Netzwerks ist besser als bei dem herkömmlichen Netzwerk.
Änderungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsform sind für den Fachmann ohne weiteres möglich und fallen in den Rahmen der Erfindung.

Claims (4)

1. Bidirektionales rein optisches Ringnetzwerk mit optischen Kabeln, bei dem optische Signale in Form eines Pakets bzw. einer Zelle übertragen werden, das bzw. die aus einem Adreßfeld und einem Nutzsignal besteht, und mit einer Anzahl von durch die optischen Kabel verbundenen Knoten, die jeweils aufweisen:
  • - eine erste und eine zweite Wellenlängenmultiplex/Demultiplexeinrichtung (WDM/WDDM) (8), die mit den optischen Kabeln (3) verbunden sind, um die optischen Signale in Vielkanalsignale zu unterteilen und um Vielkanalsignale zu optischen Signalen zu kombinieren,
  • - eine Vielzahl an Paaren von Paketvermittlungseinrichtungen (100, 200), wobei jedes Paar von Paketvermittlungseinrichtungen (100, 200) eine erste (100) und eine zweite (200) Paketvermittlungseinrichtung umfaßt, die an die erste und die zweite WDM/WDDM-Einrichtung (8) angeschlossen ist, um die optischen Signale zu verarbeiten,
  • - eine Knotensteuereinrichtung (20) zum Steuern der Übertragungsrichtung der verarbeiteten optischen Signale,
wobei jede Paketvermittlungseinrichtung einen Adressenprozessor (7) zum Erzeugen eines Triggerimpulses in Abhängigkeit von einer Adressenübereinstim­ mung des Adreßfelds mit einer dem betreffenden Knoten zugeordneten Adresse, eine optische Schalteinrichtung (6) zum selektiven Übertragen des optischen Signals in Abhängigkeit von dem Triggerimpuls und eine Verzögerungsleitung (2) umfaßt, die parallel zu dem Adressenprozessor (7) geschaltet ist, um eine geeignete Verzögerung in der optischen Übertragung derart hervorzurufen, daß die optische Schalteinrichtung (6) korrekt konfiguriert werden kann, bevor das Paket optischer Signale an dem Eingang der optischen Schaltvorrichtung (6) ankommt,
wobei die Übertragungsrichtung, die von der Knotensteuereinrichtung (20) gesteuert wird, bidirektional ist.
2. Bidirektionales rein optisches Ringnetzwerk nach Anspruch 1, wobei die Vielkanalsignale jeweils in eine erste Signalgruppe und eine zweite Signalgruppe unterteilt sind und die Wellenlänge der ersten Signalgruppe und der zweiten Signalgruppe unterschiedlich ist.
3. Bidirektionales rein optisches Ringnetzwerk nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Adressenprozessor (7) umfaßt:
  • - eine an eine Verstärkereinrichtung angeschlossene Filtereinrichtung zum Erzeugen entsprechender Korrelationsimpulse in Abhängigkeit von dem Bestim­ mungsadreßsignal und einer Knotenadresseninformation, die im Knoten gespei­ chert ist, und
  • - eine Einrichtung zum Erzeugen eines digitalen Signals mit einem ersten Pegel, wenn das Maximum der Ausgangsimpulse der Filtereinrichtung größer als ein in dieser Einrichtung gespeicherter Schwellenwert ist, oder zum Erzeugen eines digitalen Signals mit einem zweiten Pegel, wenn das Maximum der Ausgangsim­ pulse der Filtereinrichtung kleiner als der Schwellenwert ist.
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