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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Technologie der Übertragungen über Lichtwellenleiter
im Allgemeinen und bezieht sich im Besonderen auf ein optisches
Ringnetzwerk mit doppeltem optischem Bus.
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Die
zunehmende Nutzung von öffentlichen oder
privaten Datenübertragungsnetzen
ruft seit Jahren einen gewaltigen Bedarf an Bandbreite hervor, um
den Austausch einer immer größer werdenden
Informationsmenge und die Herstellung von Kommunikation in allen
ihren Formen sicherzustellen. Diese Kommunikationsformen reichen
vom Austausch einfacher Text- und Bilddateien über die Übertragung von Sprache, wobei
die klassische Telefonie einen sogenannten TDM-Modus und TDM-Protokolle (für "Time Division Multiplexing"; Zeitmultiplex)
oder sogar den Transport von Sprache im Paketmodus mit VoIP-Übertragungsprotokollen
("Voice over IP"; Sprache über Internetprotokoll)
nutzt, bis zur beachtlichen Entwicklung von E-Mail und allen Arten
von Mailbox-Systemen in Unternehmen und weiter bis zur Video-Ausstrahlung und
selbstverständlich
allen Anwendungen, die sich aus der beachtlichen Entwicklung des
Internet und insbesondere seiner universell genutzten Hauptanwendung
ergeben, dem "World
Wide Web" (WWW).
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Um
diesem Bedarf an Bandbreite gerecht werden zu können, mussten die Verantwortlichen
für den
Einsatz dieser Netze schnell auf die optische Übertragung der Trägersignale
der Information zurückgreifen,
um einerseits von den geringen Kosten der Lichtleitfasern selbst
zu profitieren und andererseits von den sehr hohen Übertragungsraten,
die man trotz der Übertragungsentfernungen
erreichen kann, die Kilometer oder sogar Dutzende von Kilometern
und selbst Hunderte von Kilometern messen können, ohne dass das Signal
regeneriert zu werden braucht. Denn die Dämpfung ist in der Tat, insbesondere
in sogenannten Monomode-Fasern, im Vergleich zur Dämpfung bei
einer elektrischen Übertragung
beispielsweise über
Kupferkabel sehr gering. Im Übrigen
vermeidet eine optische Übertragung
alle Probleme im Zusammenhang mit elektromagnetischen Störungen,
die kostspielige Schutzschaltungen erfordern und häufige Übertragungsfehler
nach sich ziehen können.
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Der
erste Schritt bei der Nutzung von Lichtleitfasern bestand im Wesentlichen
in Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Das heißt, dass zwischen zwei Knoten
eines Netzwerks die Übertragungssignale
in Lichtsignale umgewandelt und anschließend sofort beim Empfang in
elektrische Signale zurückverwandelt
werden, um vom Empfangsknoten verarbeitet zu werden, der nach einer
Analyse der empfangenen Informa tionen entweder die Informationen
zu einem anderen Knoten des Netzwerks weiterleiten oder die Daten
lokal nutzen muss. Im erstgenannten Fall ist selbstverständlich eine
erneute Umwandlung von elektrisch zu optisch notwendig, selbst dann,
wenn die übertragene
Nutzinformation nicht verändert
wurde und nur das letztendliche Ziel geprüft werden muss.
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Dieser
Betriebsmodus trifft insbesondere auf SONET- ("Synchronous Optical NETwork") oder SDH- ("Synchronous Digital
Hierarchy") Ringnetzwerke
zu, bei denen es sich um nordamerikanische bzw. europäische Normen
handelt, die im Wesentlichen kompatibel sind. Insbesondere normen
sie die Übertragungsgeschwindigkeiten,
von denen unter den schnellsten jene mit 2,48 GBit/s (SONET OC-48 oder
SDH STM-16), 10 GBit/s (SONET OC-192 oder SDH STM-64) und sogar
mit 40 GBit/s (SONET OC-768 oder SDH STM-256) am häufigsten
genutzt werden. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Ringnetzwerke,
wie in 1 dargestellt, tatsächlich aus einem doppelten
Lichtleiterring 100 bestehen, wovon einer ein ruhender
Schutzkanal ist. Dieser übernimmt den
Dienst nur im Fall eines Bruchs der aktiven Lichtleitfaser, nachdem
eine schnelle automatische Umschaltung, die mindestens 50 Millisekunden
erfordert und als APS (für "Automatic Protection
Switching") bezeichnet
wird, erfolgt ist, um die Kontinuität des Verkehrs sicherzustellen,
die ein wesentliches Qualitätskriterium
für diese
Netzwerke darstellt, die ungeheuer große Datenmengen transportieren.
Die Knoten dieser Netze bestehen im Allgemeinen aus ADM (für "Add/Drop (Multiplexer") 110, um
einen lokalen Zugang nur zu einem Teil des Datenstroms zu gewähren, ohne
den übrigen
Verkehr zu beeinträchtigen,
wofür allerdings
jedes Mal eine vollständige O-E-O-Umwandlung
(optisch – elektrisch – optisch) dieses
Verkehrs erforderlich ist. SONET/SDH-Netze waren sehr erfolgreich
und finden immer noch aufgrund des oben genannten APS-Schutzsystems
und der ihnen eigenen Anpassungsfähigkeit an immer höhere Übertragungsgeschwindigkeit,
wie sie die in den letzten Jahren beobachtete rasante Entwicklung des
Datenaustauschausmaßes
erfordert, einen weit verbreiteten Einsatz.
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Diese
erste Nutzungsform von Lichtleitfasern hat sich allerdings rasch
als unzureichend erwiesen. Die Faser an sich ist zwar nicht sehr
teuer, ihr Einsatz kann jedoch eine hohe Arbeitsleistung erfordern
und sich als äußerst kostspielig
erweisen. Statt noch mehr Lichtleitfasern zu verlegen, wenn die
Kapazität eines
installierten Netzes nicht mehr ausreicht, wurde die Lösung in
einer bessern Ausnutzung der bereits verlegten Lichtleitfasern gefunden.
Die sogenannte WDM- oder "Wavelength Division
Multiplexing"-Technik
(Wellenlängenmultiplex)
bietet die Möglichkeit,
durch die Übertragung
unterschiedlicher Frequenzen über
dieselbe Lichtleitfaser die Anzahl der voneinander vollkommen unabhängigen Übertragungskanäle auf derselben
physischen Lichtleitfaser zu vervielfachen. Mit anderen Worten:
Indem Lichtstrahlen unterschiedlicher "Farben" übertragen
werden, wird die Bandbreite einer einfachen Faser um diesen Faktor
vervielfacht. Die als DWDM (Dense WDM) bezeichnete Technik, die
WDM rasch nachgefolgt ist, ermöglicht
so ein Multiplexen von 80 oder sogar mehr Kanälen.
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Diese
Techniken haben es zwar tatsächlich ermöglicht,
dem gewaltigen Bedarf an Bandbreite gerecht zu werden, doch faktisch
hat sich auf diese Weise eine optische Datenübertragungsschicht entwickelt,
deren Betrieb durchaus einige Probleme bereitet. Der wesentliche
Grund liegt darin, dass beim derzeitigen Stand der Technik die Verarbeitung
der übertragenen
Signale und Daten weiterhin im Wesentlichen elektrisch erfolgt.
Daher ist jedes Mal, wenn eine Prüfung der übertragenen Daten erforderlich
ist, eine Umwandlung optisch/elektrisch unerlässlich. Insbesondere in Systemen,
welche die Informationen durch Paketvermittlung übertragen, muss in den meisten
Fällen
der Header dieser Pakete abgefragt werden, um in jedem Knoten des
Netzwerks das nächste
Ziel (den "next
hop") zu bestimmen.
Dies ist insbesondere bei dem offensichtlich sehr stark genutzten
Internetprotokoll (IP) der Fall, das im verbindungslosen Betrieb
("connection-less") arbeitet, im Gegensatz
zu anderen Protokollen, für
welche ein Pfad durch eine geeignete Signalisierung hergestellt werden
muss, bevor der Datenaustausch stattfinden kann. Dies ist der Fall
beim Telefon und den weiter oben bereits erwähnten sogenannten TDM-Übertragungsverfahren.
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Daher
ist zwar die optische Signalübertragung
für den
Datenaustausch an sich nicht sehr kostspielig, die Umwandlung elektrisch/optisch
und umgekehrt bleibt jedoch teuer. Insbesondere erfolgt das Senden
von Licht in einer Lichtleitfaser fast immer von Lasern aus, die
technisch umso fortschrittlicher und leistungsfähiger sein müssen, je
mehr man sich dafür
entscheidet, zahlreiche Wellenlängen
auf derselben Faser zu mischen (DWDM). Dies ist selbstverständlich deshalb
so, weil die verschiedenen verwendeten "Farben" oder Wellenlängen auf diese Weise umso näher beieinander
liegen und die Gefahr bestünde,
dass ihr Emissionsspektrum sich überlagert und
beim Empfang nicht mehr zu unterscheiden wäre, sofern nicht Laser zum
Einsatz kommen, die in einem sehr engen Frequenzband senden können, die jedoch
schwieriger zu realisieren und somit teuerer sind.
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Das
Dokument
EP 1.128.585 beschreibt
ein optisches Netzwerk, das mehrere Ebenen aufweist. Die niedrigste
Ebene besteht aus einem Ring und an diesen Ring über Zugangsknoten gekoppelte
Stationen, die keine Umwandlungen optisch/elektrisch und elektrisch/optisch
erfordern. Dieser Ring weist zwei Lichtleitfasern auf, welche als
Träger
für die
aufwärts verlaufenden
Informationen (Uplink) bzw. die abwärts verlaufenden Informationen
(Downlink) dienen. Jeder Knoten ist mit einer Vielzahl von Stationen über ein sternförmiges Netzwerk
verbunden. Jeder Zugangsknoten umfasst:
- – zwei passive
optische Koppler, die jeweils an die zwei Fasern gekoppelt sind;
- – einen
mit einem ersten Koppler verbundenen Demultiplexer für die Downlink-Signale;
- – und
einen mit dem zweiten Koppler verbundenen Multiplexer für die Uplink-Signale.
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Jede
Station ist mit dem Zugangsknoten über eine einzige für sie spezifische
Faser verbunden. Auf dieser Faser findet ein Multiplexen einer Wellenlänge statt,
die als Träger
für ein
Uplink-Signal dient, sowie einer davon verschiedenen Wellenlänge, die
als Träger
für ein
Downlink-Singal dient. Jede Station kommuniziert mit dem übrigen Knoten
mit Hilfe von zwei für
diese Station spezifischen Wellenlängen.
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In
diesem bekannten Netzwerk ermöglichen passive
optische Koppler, einen lokalen Verkehr abzuzweigen und/oder einzuspeisen,
also eine ADM-Funktion (für "Add/Drop-Multiplexer)
auf rein optische Weise durchführen
zu können,
und zwar mit Bauteilen, die nur geringe Kosten bedeuten. Dagegen
braucht dieses Netzwerk für
jede Station ein Paar klar abgegrenzter Wellenlängen, also eine hohe Anzahl
von Wellenlängen.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein optisches Netzwerk vorzuschlagen, das
eine effizientere Nutzung der Wellenlängenressourcen ermöglicht.
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Gegenstand
der Erfindung ist daher ein optisches Ringnetzwerk, welches mindestens
eine Lichtleitfaser und mindestens zwei über diese Lichtleitfaser mit
Hilfe optischer Koppler gekoppelte Stationen aufweist, wobei die
beiden Enden dieser Lichtleitfaser mit einem Zugangsknoten zu diesem
optischen Netzwerk verbunden sind; hierbei weist der Zugangsknoten
auf:
- – mindestens
einen optischen Sender, der ein optisches Downlink-Signal sendet,
welches mindestens eine erste Wellenlänge in Richtung eines Endes
dieser Lichtleitfaser aufweist;
- – mindestens
einen optischen Empfänger
am anderen Ende dieser Lichtleitfaser, der ein optisches Uplink-Signal
empfängt,
welches mindestens eine zweite, von der ersten Wellenlänge verschiedene sogenannte
Uplink-Wellenlänge aufweist;
- – und
Vorrichtungen, mit denen die Kommunikation zwischen dem optischen
Empfänger
und dem optischen Sender sichergestellt werden kann;
wobei
das optische Netzwerk dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Vielzahl
von Stationen mindestens eine Uplink-Wellenlänge gemeinsam nutzen, damit jede
zu einem optischen Empfänger
dieses Zugangsknotens senden kann, dadurch, dass es Vorrichtungen
zur Medienzugangskontrolle (MAC für "Media Access Control") aufweist, die diese gemeinsame Nutzung
einer Uplink-Wellenlänge
ermöglichen,
sowie dadurch, dass mindestens die eine der Stationen Vorrichtungen
aufweist, um zumindest eine sogenannte gemeinsam genutzte Uplink-Wellenlänge zu erfassen
und zu erkennen.
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Das
auf diese Weise charakterisierte Netzwerk nutzt die Wellenlängenressourcen
besser, da die Vorrichtungen der Medienzugangskontrolle die Möglichkeit
bieten, dass mehrere Stationen dieselbe Wellenlänge für Uplink-Signale gemeinsam
nutzen. Dies zeigt sich in einem Rückgang der Kosten des Netzwerks
für eine
gegebene Übertragungskapazität.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
ist dieses Netzwerk dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtungen
der Medienzugangskontrolle die Möglichkeit
schaffen, dass eine Vielzahl von Stationen mindestens eine Downlink-Wellenlänge gemeinsam
nutzen kann.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform weist
das Netzwerk gemäß der Erfindung
außerdem Vorrichtungen
zur Anrufzugangskontrolle (CAC für "Call Admission Control") auf, die Vorrichtungen
aufweisen zum:
- – Empfangen einer Bandbreitenanforderungsmeldung,
die von einer Station gesendet wird und die einen auf einer Uplink-Wellenlänge einzufügenden Datentyp
angibt;
- – Bestimmen
eines Parameterwertes, der einen Rhythmus für das Einfügen von Daten auf einer Uplink-Wellenlänge definiert,
die von der Station genutzt werden kann, welche eine Bandbreitenanforderungsmeldung
gesendet hat; dieser Wert wird hierbei in Abhängigkeit von dem auf dem Ring
vorhandenen Verkehr und dem Typ der einzufügenden Daten bestimmt;
- – Senden
einer Steuerungsmeldung, die an diese Station adressiert ist und
den Parameterwert enthält.
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Dieser
Ring kann eine einzige Faser aufweisen, die gleichzeitig die Downlink-Signale und die Uplink-Signale
unterstützt,
die sich vorzugsweise in derselben Richtung ausbreiten.
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In
einer anderen Ausführungsform
sorgt eine zweite Faser für
den Schutz gegen Ausfälle
der ersten. In anderen Ausführungsformen
können
die verschiedenen genutzten Wellenlängen auf mehrere Fasern verteilt
sein. In allen Fällen
unterscheiden sich die auf derselben Faser genutzten Uplink-Wellenlängen voneinander
und die auf derselben Faser genutzten Downlink-Wellenlängen unterscheiden
sich voneinander.
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Das
oben genannte Ziel der Erfindung, die anderen Ziele sowie ihre Merkmale
und Vorteile werden aus der ausführlichen
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen klarer ersichtlich werden, auf denen:
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1 den
bisherigen Stand der Technik mit einem optischen SONET- oder SDH-Ringnetzwerk veranschaulicht,
welches Add/Drop-Multiplexer (ADM) aufweist.
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2 optische
Koppler darstellt, die für
die Implementierung der Erfindung verwendet werden können.
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3 das
allgemeine Prinzip der Implementierung eines Ringnetzwerks gemäß der Erfindung veranschaulicht.
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4 die
Ausführung
eines Netzwerks gemäß der Erfindung
genauer beschreibt.
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5 ein Übersichtsschaltbild
eines Ausführungsbeispiels
einer Station für
das Netzwerk gemäß der Erfindung
darstellt.
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6 ein Übersichtsschaltbild
eines anderen Ausführungsbeispiels
einer Station für
das Netzwerk gemäß der Erfindung
darstellt.
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2 stellt
optische Koppler 204 und 260 dar, die für die Implementierung
der Erfindung verwendet werden können.
Dies sind nicht sehr kostspielige, im Handel erhältliche Koppler, von denen
es zahlreiche Modelle mit je nach Anwendung verschiedenen Merkmalen
gibt.
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Der
Koppler 204 ermöglicht
es, zu mindestens zwei Lichtleitfasern 210, 220 sämtliche
auf einer einzigen Faser 200 empfangenen optischen Signale 205 mit
unterschiedlichen Wellenlängen
zu senden, die mit λ1 bis λn bezeichnet werden. Je nach den Eigenschaften
des Kopplers kann die Trennung gleichmäßig erfolgen oder aber einer
der Kanäle
kann zu Lasten des anderen Kanals oder der anderen Kanäle, sofern
es mehr als zwei gibt, bevorzugt werden. Es gibt zahlreiche Anwendungen
für Vorrichtungen dieser
Art, beispielsweise das Abzweigen eines geringen Teils der Leistung
sämtlicher
Wellenlängen λ1 bis λn,
die sich auf einer Faser bewegen, um deren Eigenschaften zu messen.
Im häufigen
Fall der 1:2-Koppler, was dem Beispiel des Kopplers 204 entspricht
und wo die Energie der einfallenden Wellen gleichmäßig zwischen
den beiden Zweigen getrennt, also durch zwei geteilt wird, ist der
Nennwert der Leistungsminderung (Dämpfung) somit 3 dB, was relativ
gering ist, wenn man berücksichtigt,
dass optische Empfänger
in einem großen
Dämpfungsbereich von
mindestens 10 dB und oft noch mehr arbeiten können. In dieser Art von Anwendung
wird ein Koppler aus einleuchtenden Gründen oft als "Trenner" bezeichnet. Im allgemeinen
Fall ist ein Koppler dieses Typs somit ein 1:N-Trenner.
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Der
Koppler 260 hat die umgekehrte Aufgabe wie die weiter oben
beschriebene, denn sie besteht darin, von zwei Lichtleitfasern 230, 240 kommende
optische Signale auf einer einzigen Lichtleitfaser 250 zu
kombinieren. Im Allgemeinen wird dies angewendet, um Signale mit
unterschiedlichen Wellenlängen
zu kombinieren, zum Beispiel λ1 und λ2, sodass die einfallenden Wellen nicht interferieren,
wobei so ihr Multiplexen (WDM) in demselben Übertragungsmedium erreicht
wird.
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In
der Praxis werden Koppler oft durch das Verschmelzen mehrerer Lichtleit
fasern hergestellt, im Beispiel von 2 sind es
drei.
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3 ist
eine Gesamtansicht eines Beispiels für ein Ringnetzwerk gemäß der Erfindung.
Der Ring 300 besteht aus mindestens einer Lichtleitfaser,
er weist davon jedoch vorzugsweise zwei auf, um die Kontinuität des Dienstes
für die
Benutzer bei einer Funktionsstörung
der an eine Faser angeschlossenen Geräte oder bei einer Unterbrechung
der Übertragung
auf der Faser selbst gewährleisten
zu können.
Der Ring ist selbst im Allgemeinen über mindestens einen Zugangsknoten 320–330,
der auch als Einwahlknoten oder "POP" für "Point of Presence" bezeichnet wird,
mit mindestens einem Backbone-Netz 310 verbunden, und weist
auf:
- – Einen
Konzentrator 320 (auch als "Hub" bezeichnet),
der noch im Wesentlichen elektrisch arbeitet, insbesondere weil
er immer mit ausreichenden Speichervorrichtungen in Form elektronischer
Speicher ausgestattet sein muss, um den Verkehr vorübergehend
speichern zu können.
- – O/E/O-Umsetzungsvorrichtungen
(optisch-elektrisch-optisch) 330, welche die Möglichkeit
bieten, die Gesamtheit des Verkehrs zu erfassen, der sich auf dem
Ring 300 bewegt.
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Benutzerstationen 340-1, 340-2, 340-3 sind ihrerseits
mit Hilfe solcher Koppler, wie sie in 2 dargestellt
sind, an den optischen Ring angeschlossen. Sie sind folglich in
der Lage, auf optische Weise den für sie bestimmten Verkehr abzuzweigen
und zu empfangen und ebenso ihren eigenen Verkehr einzuspeisen,
der für
den Zugangsknoten hin zu anderen Netzwerken oder zu anderen Stationen
am Ring bestimmt ist:
- – entweder über den Konzentrator 320,
wenn die Empfangsstation nicht mit Empfängern ausgestattet ist, die
in der Lage sind, mindestens eine diesen beiden Stationen gemeinsame Uplink-Wellenlänge zu erkennen;
- – oder
direkt, wenn die Station mit solchen Empfängern ausgestattet ist.
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Der
Zugangsknoten 320–330 umfasst:
- – unter
den O/E/O-Vorrichtungen 330 mindestens einen optischen
Sender, der ein optisches Downlink-Signal sendet, das mindestens
eine erste Wellenlänge
in Richtung eines Endes dieser Faser aufweist;
- – unter
den O/E/O-Vorrichtungen 330 mindestens einen optischen
Empfänger
am anderen Ende dieser Faser, der ein optisches Uplink-Signal empfängt, das
mindestens eine zweite Wellenlänge
aufweist, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet;
- – Vorrichtungen,
mit deren Hilfe die Kommunikation zwischen dem optischen Empfänger und
dem optischen Sender sichergestellt werden kann, die im Wesentlichen
aus dem Konzentrator 320 bestehen;
- – und
Vorrichtungen zur Anrufzugangskontrolle, die es den Stationen 340 ermöglichen,
untereinander oder mit Stationen außerhalb des Rings über den
Zugangsknoten 320–330 und
das Backbone-Netz 310 Verbindungen aufzubauen.
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4 wiederholt
den in 3 beschriebenen Ring mit größerer Detailgenauigkeit. 4 stellt alle
unterschiedlichen Wellenlängen 400 dar,
die sich auf der Faser 463 (oder den Fasern) bewegen, welche
den Ring 300 bilden. In diesem Beispiel werden fünf verschiedene
Wellenlängen
verwendet:
- – Zwei Wellenlängen 412 und 414 werden
gemeinsam von vier Stationen 340 genutzt, um als Träger für Uplink-Signale
zum Empfangsteil 330-2 des Zugangsknotens 320–330 zu
dienen.
- – Drei
Wellenlängen 422, 424, 426 werden
gemeinsam von den vier Stationen 340 genutzt, um Downlink-Signale
zu empfangen, die vom Sendeteil 330-1 des Zugangsknotens 320–330 zu
den Stationen gesendet werden. Diese Stationen können so den für sie bestimmten
Verkehr auf einer (oder mehreren) eigenen Wellenlänge(n) empfangen,
sie können
ihn jedoch auch auf einer (oder mehreren) von den Stationen gemeinsam
genutzten Wellenlänge(n)
empfangen.
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5 stellt
in sehr schematischer Form ein Ausführungsbeispiel für eine der
auf 4 veranschaulichten Stationen 340 dar.
Sie ist im optischen Betriebsmodus mittels eines Kopplers 464 mit
vier Zugängen
an eine Faser 463 gekoppelt. Die Sendevorrichtungen Tx
und Empfangsvorrichtungen Rx dieser Station sind jeweils mit zwei
dieser Zugänge 461 und 462 verbunden.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Stationen außerdem optische Umschaltvorrichtungen
aufweisen müssen,
um auf eine andere optische Faser oder andere optische Fasern umschalten
zu können,
wenn im Fall einer Störung
ein Schutz gewünscht
wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Stationen 340 selbst
in der Lage sind, nötigenfalls
die von den anderen Stationen gesendeten optischen Signale zu erfassen,
und zwar selbst dann, wenn der Verkehr zwischen Stationen vorzugsweise unter
der Kontrolle der Steuerungsvorrichtungen des Konzentrators 320 erfolgt,
der als Netzwerk-Master handeln kann und in der Lage ist, den gesamten
sich auf ihm bewegenden Verkehr zu regulieren.
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Das
gemeinsame Nutzen von Wellenlängen erfolgt über ein
Zeitmultiplex-Verfahren.
Jede Station entnimmt unter den einem Zeitmultiplex-Verfahren unterzogenen
Paketen auf dieser Wellenlänge
diejenigen, die für
sie bestimmt sind. Insbesondere der sogenannte Punkt-zu-Multipunkt-Verkehr
(auch "Multicast" genannt) oder der
sogenannte Rundfunkverkehr (auch "Broadcast" genannt), das heißt, der jeweils für eine bestimmte
Gruppe von Stationen oder für
sämtliche
Stationen bestimmte Verkehr, kann auf diese Weise von mehr als einer
Station und nötigenfalls
sogar von allen Stationen empfangen werden.
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In
einer besonderen Ausführungsform
kann der Zugangsknoten 320–330, der in einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung der Netzwerk-Master ist, eine allen Stationen gemeinsame Wellenlänge nutzen,
um zum Beispiel Befehle für
die Konfiguration des Netzwerks oder für die Implementierung einer
Schicht zur Verwaltung des Medienzugangs zu senden (die verschiedenen
Uplink-Wellenlängen
[?]), die dem klassischerweise als MAC (Media Access Control) bezeichneten
Typ entspricht. Seine Aufgabe besteht darin, auf Uplink-Wellenlängen Zeitintervalle
denje nigen Stationen zuzuweisen, die zu sendenden Verkehr haben,
und zwar in der Weise, dass es keine zwei Stationen gibt, die zum selben
Zeitpunkt auf derselben Uplink-Wellenlänge senden; und auf Downlink-Wellenlängen Zeitintervalle
den Stationen zuzuweisen, die über
den Zugangsknoten zu empfangenden Verkehr haben, und zwar in der
Weise, dass jede Station einen gerecht verteilten Zugang zu diesen
Ressourcen an Downlink-Wellenlängen
hat.
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Die
Stationen können
entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung:
- – einen
oder mehrere optische Sender und/oder Empfänger verwenden, die feste Wellenlängen haben,
welche jedoch für
die Sender voneinander verschieden sind;
- – einen
oder mehrere optische Sender und/oder Empfänger verwenden, die langsam
anpassbare Wellenlängen
haben, welche die Möglichkeit
bieten, die Gesetze der gemeinsamen Nutzung von Wellenlängen über eine
große
Zeitspanne zu verändern.
- – einen
oder mehrere optische Sender und/oder Empfänger verwenden, die Wellenlängen besitzen,
welche schnell zwischen zwei Sende-/Empfangsvorgängen oder Serien von Sende-/Empfangsvorgängen angepasst
werden können.
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Man
wird daher festgestellt haben, dass die Erfindung die Datenübertragung
ausgehend von zwei Gruppen von Wellenlängen oder optischen Bus-Systemen
organisiert: die eine abwärts
(Downlink) in Richtung des Sendens vom Zugangsknoten 320–330 zu
den Stationen 340 und in diesem Beispiel bestehend aus
der Gruppe 420 von drei Wellenlängen λT 422, 424, 426,
und die andere aufwärts (Uplink)
in Richtung des Sendens von den Stationen zum Zugangsknoten 320–330 und
hier bestehend aus der Gruppe 410 der beiden Wellenlängen 412, 414.
Man kann auch feststellen, dass diese optischen Bus-Systeme in keiner
Weise auf ihre physische Aufteilung vorgreifen und dass insbesondere
die verschiedenen Wellenlängen,
die einen Bus bilden, sich nötigenfalls
auf verschiedenen Lichtleitfasern bewegen können, allerdings mit einem
geeigneten Abschluss, beispielsweise dem auf 4 dargestellten Abschluss 455 am
Ende des Bus, um eine Störung der Übertragungsvorgänge zu vermeiden.
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Im Übrigen bedeutet
die Erfindung nicht, dass der Uplink-Verkehr und der Downlink-Verkehr notwendigerweise
dieselbe Bedeutung haben müssen.
Je nach Anwendung kann zum Beispiel der Downlink-Verkehr wichtiger
oder sogar viel wichtiger sein als der Uplink-Verkehr. Dies wäre bei einem
Videoübertragungssystem
der Fall.
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Wahlweise
kann mindestens eine Ersatzfaser für Notfälle verwendet werden, um die
Kontinuität des
Verkehrs im Fall einer Störung
bestimmter Bauteile oder Funktionen sicherstellen zu können. Die Umschaltung
erfolgt durch optische Umschaltvorrichtungen 450 zwischen
der aktiven Faser und der Ersatzfaser mit dem Ziel, den Schutz des
Verkehrs sicherzustellen. Auf dieses Weise ist es gemäß der Erfindung
möglich,
den Verkehr von einer Lichtleitfaser oder einer Gruppe von Lichtleitfaser
auf eine andere Lichtleitfaser oder Gruppe von Lichtleitfasern im
optischen Betrieb umzuschalten, das heißt ohne kostspielige Schutzeinrichtungen
einsetzen zu müssen, die
zum Beispiel im Rahmen der SONET-Netze (APS) auf der elektrischen
Ebene entwickelt wurden. Hier sind passive Einrichtungen wie beispielsweise die
in 2 dargestellten oder andere, wie einfache elektrisch
betätigte
optische Umschalter, insbesondere beim Senden auf der Seite des
Zugangsknotens angeordnet, damit der optische Verkehr nötigenfalls auf
andere Weise gelenkt werden kann.
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Zusammenfassend
lässt sich
feststellen, dass das von der Erfindung offenbarte System die Möglichkeit
bietet, ein Netzwerk um einen doppelten optischen Bus zu organisieren
(für den
eine einzige Lichtleitfaser als Träger dienen kann), wobei jeder der
beiden Teile des Bus eine oder mehrere bestimmte Wellenlängen transportieren
kann, um den Datenaustausch zwischen einem Zugangsknoten und über diesen
Bus angeschlossene Stationen zu ermöglichen. Die Ausführung erfolgt
zu geringen Kosten, denn sie erfordert nicht, dass der gesamte Verkehr, der
sich auf dem Ring bewegt, in jeder Station in den elektrischen Modus
umgewandelt werden muss. Die Verbindung der Stationen erfolgt nämlich über einfache
passive optische Einrichtungen, die als Koppler bezeichnet werden
und die in der Lage sind, einen Teil der Energie der sich auf dem
Ring bewegenden Wellenlängen
abzuzweigen oder aber das Einfügen anderer
Wellenlängen
zu ermöglichen.
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Die
Beobachtung einer Wellenlänge
oder mehrerer bestimmter Wellenlängen
auf dem Downlink-Teil des doppelten optischen Busses durch eine Station
ermöglicht
dieser, den für
sie bestimmten Verkehr herauszulesen. Der von jeder einzelnen Station aus
erzeugte Verkehr wird seinerseits am Uplink-Teil des Busses mit
einer anderen oder anderen bestimmten Wellenlängen eingespeist, womit die
Ausführung
der Einfüge-/Auslesefunktion
vervollständigt wird,
die für
jede an das Netzwerk angeschlossene Station für ihren Datenaustausch mit
anderen Stationen oder mit dem Zugangsknoten zum Netzwerk unerlässlich ist.
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6 stellt
den Übersichtsschaltplan
eines anderen Ausführungsbeispiels 340' einer Station
für das
Netzwerk gemäß der Erfindung
dar. Die Station umfasst:
- – eine optische Verzögerungsleitung 501,
die in eine Lichtleitfaser 300 eingeschaltet ist;
- – ein
Steuergerät 506,
das in Zusammenarbeit mit den Steuerungsvorrichtungen des Konzentrators 320 des
Zugangsknotens ein Verfahren der Anrufzugangskontrolle anwendet
und das ein Verfahren der Medienzugangskontrolle anwendet, um einen
kollisionsfreien Sendevorgang sicherzustellen;
- – einen
Koppler 503, um einen Teil der Downlink-Signale auf der
Faser 300 abzugreifen, wobei dieser Koppler vor der Verzögerungsleitung 501 angeordnet
ist;
- – einen
Spektraldemultiplexer 500, der die verschiedenen Wellenlängen der
Downlink-Signale trennt, die von dem Koppler 503 abgegriffen
wurden;
- – mindestens
einen optischen Empfänger
Rx, der mit einem Ausgang des Demultiplexers 500 verbunden
ist;
- – mindestens
einen optischen Empfänger
Tx, der mit einem Eingang des Kopplers 502 verbunden ist,
um auf einer Uplink-Wellenlänge
zu senden;
- – mindestens
eine Fotodiode 504, die mit einem Ausgang bzw. Ausgängen des
Demultiplexers 500 verbunden ist; hierbei empfängt jede
Fotodiode 504 jeweils auf der Wellenlänge eines optischen Senders
Tx und ist mit dem Steuergerät 506 verbunden;
diese Fotodiode ermöglicht
dabei, die optische Leistung auf einer Uplink-Wellenlänge für das Verfahren der Medienzugangskontrolle
zu messen;
- – einen
Koppler 502, um Uplink-Signale auf der Faser 300 hinter
der Verzögerungsleitung 501 einzuspeisen;
- – eine
elektronische Schaltung 505, die an diese Station adressierte
Datenpakete erkennt und verarbeitet;
- – eine
Vielzahl von Warteschlangen, Q1, ..., Qn des FIFO-Typs, wobei jede
Schlange jeweils einen in den Ring einzuspeisenden Datenpakettyp aufbewahrt,
das heißt
einen Typ, der einer Priorität
oder einer von einem Vertrag garantierten Dienstgüte (QoS)
entspricht;
- – eine
elektronische Schaltung 507 mit einem Eingang 511,
der in den Ring einzuspeisenden Verkehr empfängt;
- – eine
Weichenschaltung 512, die Datenpakete aus dem einzuspeisenden
Verkehr entsprechend den jeweiligen Prioritäten dieser Pakete in die Warteschlangen
Q1, ..., Qn schreibt;
- – eine
elektronische Schaltung 510, die den Lesevorgang in den
Warteschlangen Q1, ..., Qn in Rhythmen ausführt, die jeweils von den Befehlen des
Steuergeräts 506 definiert
werden;
- – und
eine elektronische Schaltung 509, die das Format der in
den Warteschlangen Q1, ..., Qn gelesenen Pakete anpasst, bevor sie
an die Sender Tx geliefert werden.
Die Datenpakete, die über das
Ringnetzwerk ankommen und die die Station durchlaufen, werden nicht
in den elektronischen Speichern aufbewahrt, sondern nur von der
Verzögerungsleitung 501 verzögert, um eine
Verarbeitungszeit zur Verfügung
zustellen. Die Datenpakete des in den Ring einzuspeisenden Verkehrs
werden dagegen in den Warteschlangen Q1, ..., Qn aufbewahrt, bis
sie auf dem Ring gesendet werden können.
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Das
Verfahren der Medienzugangskontrolle ist darauf gegründet, dass
eine Fotodiode (oder die Fotodioden) 504 und das Steuergerät 506 zu
einem gegebenen Zeitpunkt mindestens eine verfügbare Wellenlänge erkennen,
um Uplink-Verkehr zu senden. Andererseits ist das Verfahren der
Anrufzugangskontrolle darauf gegründet, dass das Steuergerät 506 Steuerungspakete
erkennt, die eine Regelung des von jeder Station eingespeisten Verkehrs
sicherstellen. Diese Regelung wird von den Steuerungsvorrichtungen
des Zugangspunktes 320–330 ausgeübt, um eine
gewisse Gleichberechtigung des Zugangs für alle Stationen sicherzustellen
sowie eine Beachtung der jeweiligen Prioritäten der verschiedenen Datentypen.
Wenn diese Regelung fehlt, wären die
Stationen, welche die Downlink-Signale als Erste empfangen, immer
gegenüber
den anderen Stationen bevorzugt, und Pakete mit niedriger Priorität würden von
diesen bevorzugten Stationen vor den Paketen mit hoher Priorität der anderen
Stationen eingefügt.
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Die
Schaltung 505 empfängt
und trennt danach Pakete, die Managementmeldungen enthalten, und
Pakete mit Nutzdaten, die vom Zugangsknoten 320–330 kommen.
Die Managementmeldungen ermöglichen
die Anwendung der Datenstromsteuerung im Netzwerk; sie werden an
das Steuergerät 506 übertragen.
Die Pakete mit Nutzdaten werden an einen Ausgang 508 übertragen.
Die Informationen über
das Vorhandensein eines ausreichenden freien Platzes auf einer Uplink- Wellenlänge wird
an den entsprechenden Sender Tx gesendet, um den Sendevorgang eines
neuen Pakets auszulösen,
das bereits den Schritt der Anrufzugangskontrolle durchlaufen hat.
Die Vorrichtung 509 umfasst einen Speicher, in den das
nächste
zu sendende Paket geladen wird. Die Vorrichtung 509 informiert
ständig
das Steuergerät 506 darüber, ob
ein sendebereites Paket vorhanden ist oder nicht.
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Das
Steuergerät 506 bereitet
die in Richtung des Zugangsknotens 330–320 zu sendenden
Managementmeldungen vor und überträgt sie an
die Schaltung 507, damit sie in Form von Paketen gebracht
und anschließend
in der Warteschlange mit der höchsten
Priorität
unter den Warteschlangen Q1, ..., Qn gespeichert werden.
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Jede
Warteschlange wird in einem Rhythmus geleert, der von einem Schwellenwert
abhängt, welcher
von den im Zugangsknoten 320–330 befindlichen
Steuerungsvorrichtungen an diese Station gesendet wird. Dieser Rhythmus
wird von der Lesesteuerungsschaltung 510 definiert, indem
sie einen Algorithmus anwendet, der insbesondere darin besteht, die
Füllung
der Warteschlange mit diesem Schellenwert zu vergleichen, um zu
entscheiden, ob es Zeit ist, ein Paket aus dieser Warteschlange
herauszunehmen. Dieser Algorithmus ist ähnlich dem klassischen Leaky-Bucket-Algorithmus.
Wenn die im Zugangsknoten 320–330 befindlichen
Steuerungsvorrichtungen eine größere Verfügbarkeit
einer Wellenlänge
feststellen, können
sie den Schwellenwert für eine
Station, die diese Wellenlänge
nutzt, absenken, um den Ausleserhythmus der Pakete in einer Warteschlange
zu beschleunigen.
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Wenn
eine Station 340' Datenpakete
mit einer bestimmten Priorität
einfügen
muss, ist sie dazu nur ermächtigt,
wenn die Netzwerkauslastung, wie sie sich vom Standpunkt dieser
Situation aus darstellt, dies zulässt. Das Steuergerät 506 sendet
an die Steuerungsvorrichtungen im Zugangsknoten 320–330 ein
Paket, das eine Bandbreitenanforderung enthält, worin der Typ und die Menge
der in die Uplink-Signale
einzufügenden
Daten angegeben wird. Die Steuerungsvorrichtungen des Zugangspunkts 320–330 antworten
mit einem Paket, das eine Antwortmeldung mit einem Schellenwert
für eine
bestimmte Wellenlänge
(oder sogar mehrere Wellenlängen)
und für
eine gegebene Priorität
enthält
(die in der Anforderungsmeldung angegeben war).
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Um
einen Schwellenwert zu bestimmen, der einer Station zuzuweisen ist,
bestimmen die Steuerungsvorrichtungen des Zugangspunkts 320–330 die Menge
des vorhandenen Verkehrs auf den Uplink-Wellenlängen, welche diese Station
nutzen kann; und sie fragen eine Tabelle ab, die einen zuvor festgelegten
Schwellenwert angibt. Jeder Schwellenwert wurde zuvor durch Modellierung
in Abhängigkeit von
der Verkehrsmenge, dem Datentyp und der Position der Station entlang
des Rings für
jede der Uplink-Wellenlängen
festgelegt.
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Die
Steuerungsvorrichtungen des Zugangspunkts 320–330 bestimmen
ebenso neue Schwellenwerte jeweils für die anderen Stationen, die
bereits dabei waren, Pakete einzufügen. Diese neuen Schwellenwerte
berücksichtigen
den Typ der Datenpakete, die gerade eingefügt werden, und die einzufügenden Mengen,
wie sie in den zuvor von diesen Stationen gesendeten Bandbreitenanforderungen angegeben
worden waren. Diese Schwellenwerte werden jeweils in den Managementmeldungen
an die betroffenen Stationen gesendet. Wenn dieselbe Station das
Einfügen
unterschiedlicher Pakettypen anfordert, enthält sie für jeden Pakettyp jeweils einen Schwellenwert.
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Wenn
eine Station keinen weiteren Verkehr einzufügen hat, sendet sie eine Signalisierungsmeldung,
um die Steuerungsvorrichtungen des Zugangspunkts 320–330 darüber zu informieren.
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Wenn
eine Station zu viel Verkehr einzufügen hat, das heißt, wenn
eine Warteschlange ihre Sättigung
erreicht, sendet sie eine Signalisierungsmeldung, um die Steuerungsvorrichtungen
des Zugangspunkts 320–330 darüber zu informieren.
Letztere wenden dann ein Verfahren an, welches darin besteht, den
Einfügerhythmus
von Datenpaketen durch die anderen Stationen zu verringern, welche dieselbe
Wellenlänge
verwenden wie die überlastete Station.
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In
einer anderen Ausführung
kann man einen optischen 2:2-Koppler verwenden, wie auf 5. Die
Verzögerungsleitung 501 muss
dann vor diesem Koppler angeordnet werden. Die Fotodiode 504 muss
jedoch vor der Verzögerungsleitung 501 bleiben,
um ihre Funktion in einem Verfahren zur Medienzugangskontrolle ausüben zu können. Man
sieht dann einen anderen Koppler des Typs 1:2 vor, der vor der Verzögerungsleitung
angeordnet und mit der Fotodiode 504 verbunden ist.