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Feld der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Telekommunikation
und spezieller ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Umwandlung
optischer Paket-Bursts in ein aus einem kontinuierlichen Bitstrom
bestehendes optisches Signal.
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Hintergrund
der Erfindung
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Datennetze
mit Paketvermittlung sind heute weit verbreitet. Das zugrunde liegende
Prinzip ist es, die zu übertragenden
Daten in kleine Pakete aufzuteilen, von denen jedes Informationen
bezüglich
Quelle und Ziel enthält,
und all diese Pakete unabhängig
durch das Netzwerk zu vermitteln – ein Prozess, der als Routing
oder Paketvermittlung bezeichnet wird.
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Während die
Paketvermittlung heute elektrisch erfolgt, findet zurzeit die Definition
und Entwicklung der optischen Paketvermittlung statt. Optische Pakete
sind optische Bursts, die durch rein optische Mittel verarbeitet
werden, d.h. ohne optisch-elektrische Wandlung und elektrische Verarbeitungsschritte.
Die optischen Pakete oder Bursts sind durch Sicherheitsabstände voneinander
getrennt, die eine Erkennung des Start- und Endpunktes ermöglichen
und Zeit für
die optische Verarbeitung der entsprechenden Pakete bereitstellen.
Einen Überblick über die
vollständig
optische Paketvermittlung findet man in dem Artikel "Optical Packet Switching
in Core Networks: Between Vision and Reality" von Tarek, S., El-Bawab et al, IEEE
Communication Magazine Sept. 2002, Seite 60–62.
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Andererseits
wurde kürzlich
ein optisches Übertragungsnetz
(OTN) standardisiert (siehe ITU-T G.709/Y.1331 02/2001), das schließlich die
in der Zukunft vorherrschende Transportebene werden wird. Das Prinzip
der optischen Übertragungsnetze
ist, dass Datensignale als Nutzinformation in einem Rahmen eines aus
einem kontinuierlichen Bitstrom bestehenden optischen Signals übertragen
werden, wozu eine Wellenlänge
eines Übertragungs-Signals
mit Wellenlängen-Multiplex
verwendet wird.
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Die
Einführung
optischer Paketvermittlungssysteme wird wahrscheinlich mit Insel-Netzwerken,
zum Beispiel in Städten
beginnen. Die Nachfrage nach Anschlüssen wird jedoch nicht auf
diese Inseln beschränkt sein.
Somit kann es erforderlich sein, dass vorhandene Netzwerk-Ressourcen,
d.h. die OTN-Einrichtungen
zur Verbindung dieser Inseln verwendet werden. Somit besteht ein
Bedarf, optische Paket-Signale im Burst-Modus als optische Übertragungs-Signale mit kontinuierlicher
Bitrate über
optische Übertragungsleitungen
zu senden.
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In
EP 1 076 468 wird eine Einrichtung
zur Übertragung
von IP-Paketen mit
einem Teil zur Umwandlung einer IP-Nutzlast in eine Nutzlast eines
optischen Pfades beschrieben. Jedes IP-Paket wird auf den Bereich des optischen
Pfades abgebildet, indem seine Datenfolge mit unveränderter Übertragungsrate
kopiert wird. Leerstellen zwischen den diskontinuierlich eintreffenden
einzelnen IP-Paketen werden durch Fülldaten gefüllt und begrenzt. Eine solche
Umwandlung ist bei hohen Datenraten jedoch kompliziert.
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In
WO 02/071791 A2 wird ein Photonen-Kommunikationssystem mit einer
Bandbreiten-Granularität unterhalb
der Leitungs-Datenrate
beschrieben. Das Dokument definiert ein OTN-kompatibles Format mit Sub-Wellenlängen-Kanälen, die
eine sich wiederholende OTU-Rahmen-kompatible Größe haben, indem feste Zeitschlitze
innerhalb jeder Wellenlänge
definiert werden. Dieses Wellen-Zeitschlitz-Format wird auch als
Photonen-Burst-Vermittlungs-Übertragungsformat
bezeichnet. Externen, über
dieses Kommunikationssystem zu übertragenden
Signalen werden jedoch keine Beschränkungen auferlegt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Übertragung
eines optischen Paketsignals im Burst-Modus über ein optisches Übertragungssystem
bereitzustellen.
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Diese
und andere Aufgaben, die im Folgenden erscheinen, werden durch ein
Verfahren erreicht, mit dem ein optisches Signals im Burst-Modus
als Nutzinformation eines optischen Signals in Form eines mit einem
Rahmen versehenen kontinuierlichen Bitstroms über ein optisches Übertragungsnetz übertragen
wird. Das Verfahren erzeugt optische Bursts mit einer gemeinsamen
Nenn-Bitrate, die im Wesentlichen gleich der Nutzinformations-Bitrate des aus dem
kontinuierlichen Bitstrom bestehenden optischen Signals ist. Die
Bursts werden in einen kontinuierlichen Bitstrom umgewandelt, indem
die Lücken
zwischen den Bursts mit einem vordefinierten Muster gefüllt werden.
Der so erzeugte kontinuierliche Bitstrom wird dann auf Rahmen abgebildet, um
das optische Signal in Form eines mit einem Rahmen versehenen kontinuierlichen
Bitstroms für
die Übertragung
zu erzeugen.
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Anders
ausgedrückt
führt die
vorliegende Erfindung Bitraten-Beschränkungen
für das
vollständig
optische Paketvermittlungssystem ein, um eine einfache Zusammenarbeits-Funktion zu erzielen.
Dies erlaubt es, das im Burst-Modus vorliegende Paketsignal in einen
kontinuierlichen Bitstrom umzuwandeln, indem die Sicherheitsabstände einfach
mit einem vordefinierten Füllmuster
gefüllt
werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Im
Folgenden wird eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung
mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen
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1 ein
Beispiel für
eine Netzwerk-Topologie zeigt;
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2 die
Umwandlung eines optischen Paketsignals in einen kontinuierlichen
Bitstrom zeigt; und
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3 die
Entnahme und Wiedergewinnung des ursprünglichen optischen Paketsignals
aus dem kontinuierlichen Bitstrom zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
ein Beispiel-Netzwerk. Es besteht aus einem ersten vollständig optischen
Paketvermittlungs-Netzwerk-Bereich
D1 und einem zweiten vollständig
optischen Paketvermittlungs-Netzwerk-Bereich D2. Diese Netzwerk-Bereiche
bestehen aus miteinander verbundenen optischen Schaltern. Einige
Endgeräte
TE, die als Beispiel gezeigt sind, sind mit einem der beiden Netzwerk-Bereiche
verbunden. Die Signale, die in diesen beiden Bereichen ausgetauscht
werden, sind optische Paketsignale im Burst-Modus. Jedes Paket hat
eine Kopfinformation und einen Datenteil, und die Pakete sind durch
einen Sicherheitsabstand mit einer variablen, aber mindestens einer
bestimmten Mindestlänge
begrenzt. Die Pakete werden in den Endgeräten TE erzeugt und abgeschlossen,
wobei die Verarbeitung durch die optischen Schalter vollständig optisch
erfolgt.
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Damit
Teilnehmer, die an den Bereich D1 angeschlossen sind, mit an den
Bereich D2 angeschlossenen Teilnehmern kommunizieren können, ist
eine Verbindung über
ein optisches Übertragungsnetz
OTN zwischen Gateway-Knoten GW der beiden Bereiche vorhanden. Signale,
die über
eine Verbindung im OTN übertragen
werden, sind mit Rahmen versehene Übertragungssignale mit einer
definierten konstanten Bitrate, die somit einen kontinuierlichen
optischen Bitstrom bilden. Die Erfindung betrifft die Umwandlungs-Funktion
zwischen den optischen Paketvermittlungs-Netzwerk-Bereichen (oder
Inseln) D1, D2 und dem optischen Übertragungsnetz OTN in den
Gateway-Knoten GW.
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Eine
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, der Bitrate der einzelnen
optischen Pakete, die in den paketvermittelten Netzwerk-Bereichen
ausgetauscht werden, eine Beschränkung
auferlegen, um die Umwandlung in ein Signal mit konstanter Bitrate
zu vereinfachen. Insbesondere wird die gemeinsame Nenn-Bitrate der
optischen Pakete so gewählt,
dass sie gleich einer der Nutzinformations-Bitraten ist, die nach
ITU-T G.709 für
das OTN erlaubt sind. Die Zusammenarbeits-Funktion gemäß der Erfindung
erfordert, dass alle optischen Pakete die gleiche Bitrate haben,
die eine der drei definierten OTN-Nutzinformations-Bitraten-Werte hat
(OPU1, OPU2 oder OPU3; OPU: optische Nutzinformations-Einheit).
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Diese
Anforderungen führen
zu einem leichten Anstieg der Komplexität des vollständig optischen
Paketvermittlungssystems. Insbesondere muss der Sender in der Endeinrichtung
die in G.709 definierten Bitraten benutzen, und seine Taktgenauigkeit
muss die des OTN (nur) leicht übersteigen,
d.h. 20 ppm. Andererseits ist der Vorteil einer solchen Lösung, dass
der Sicherheitsabstand zwischen den optischen Paketen einfach mit einem
festen Muster gefüllt
werden kann, um ein optisches Signal im Burst-Mode über das OTN
zu übertragen. Die
Erfindung tauscht somit Komplexität im Paketnetz gegen eine vereinfachte
Umwandlungs-Funktion ein.
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Die
Gateway-Funktionen sind in den 2 und 3 gezeigt. 2 zeigt
einen Schaltkreis in den Gateway-Knoten GW zur Umsetzung von im
Burst-Mode vorliegenden optischen Paketsignalen in ein mit einem
Rahmen versehenes Übertragungssignal
des OTN. Das empfangene optische Paketsignal OPAK wird durch einen
O/E-Wandler in ein elektrisches Signal gewandelt und dann an eine
Takt-Daten-Wiedergewinnung CDR
angelegt, die den Takt WC und das Datensignal DAT ausgibt. Das Taktsignal
WC wird als Schreib-Takt zum
Schreiben des Datensignals DAT in einen FIFO-Pufferspeicher (First In First Out)
verwendet.
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Das
Taktsignal WC wird auch an eine Phasenregelschleife PLL angelegt,
deren Ausgangssignal als Lesetakt RC zum Auslesen des Pufferspeichers
FIFO verwendet wird. Pausen zwischen Paketen werden als Sequenzen
mit Bits dargestellt, deren Wert Null ist. Ein Bitsequenz-Detektor
DET überwacht
ständig
den Inhalt des Pufferspeichers FIFO, um Sicherheitsabstände zwischen
Paketen zu erkennen, d.h. Bitsequenzen mit dem Wert Null im Puffer.
Wenn solche Zeitspannen erkannt werden, erzeugt der Detektor DET
ein Steuersignal CTR, und als Reaktion darauf erzeugt ein Bitmuster-Generator
GEN ein vordefiniertes Bitmuster als Füllmuster für die Zeitspanne. Das Steuersignal
CTR wird auch an einen Schalter SW weitergeleitet, der entweder
den Ausgang des Pufferspeichers FIFO oder gesteuert durch das Steuersignal
den Ausgang des Mustergenerators GEN auswählt. Das ausgewählte Signal
wird dann an einen E/O-Wandler angelegt, der das ausgewählte Signal
in ein optisches Signal zur Ausgabe zum OTN-Netzwerk umwandelt.
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Der
Schaltkreis füllt
den Sicherheitsabstand zwischen den Paketen mit einem vordefinierten
Bitmuster und erzeugt somit einen kontinuierlichen Bitstrom, der
die Bitrate der OTU-Nutzinformation
hat (OPUk). Ein Abbilder (nicht gezeigt) bildet den kontinuierlichen
Bitstrom in Rahmen ab, um das mit einem Rahmen versehene Übertragungs-Signal
OCON gemäß ITU-T
G.709 zu erzeugen.
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Die
umgekehrte Funktion, d.h. ein Schaltkreis zur Entnahme optischer
Pakete aus einem kontinuierlichen Bitstrom, ist in 3 gezeigt.
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Ein
als kontinuierlicher Bitstrom empfangenes Signal OCON wird unter
Verwendung des O/E-Wandlers O/E in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Das umgewandelte elektrische Signal wird an eine Takt-Daten-Wiedergewinnung
CDR angelegt, die den Takt WC und das Datensignal DAT erzeugt. Das
Datensignal wird in einen Pufferspeicher FIFO geschrieben, wobei
das Taktsignal WC als Schreib-Takt verwendet wird. Dasselbe Taktsignal
wird auch als Lesetakt RC verwendet, um das Datensignal aus dem
Puffer FIFO auszulesen. Ein Bitmuster-Detektor überwacht ständig den Inhalt des Pufferspeichers
auf das vordefinierte Füllmuster,
d.h. auf eine Bitsequenz, die einem gefüllten Sicherheitsabstand entspricht.
Wenn der Detektor DET einen Sicherheitsabstand erkennt, erzeugt
er ein Steuersignal für
einen Schalter SW und einen Null-Bit-Generator ZBG. Der Null-Bit-Generator erzeugt "Null-Bits", d.h. Bits mit dem
Wert Null, um die ursprünglichen
Zeitspannen zwischen den Datenpaketen nachzubilden. Der Schalter
wählt den
Ausgang des Puffers FIFO oder gesteuert durch das Steuersignal CTR
den Ausgang des Null-Bit-Generators ZBG. Das ausgewählte Signal
wird an einen E/O-Wandler angelegt, der das Signal aus dem elektrischen
in den optischen Bereich umwandelt.
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Der
Schaltkreis in 3 ersetzt somit das vordefinierte
Füllmuster
durch Null-Bits, die den ursprünglichen
Sicherheitsabständen
zwischen den optischen Paketen entsprechen. Sein Ausgangssignal
ist ein optisches Paketsignal OPAK.
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Funktionen
zum Abschluss der Kopfinformation und der Demapper zur Entnahme
der Nutzinformation aus den empfangenen Rahmen sind in 3 nicht
gezeigt, sind aber typischerweise in einem Netzwerkelement auf der
Empfangsseite vorhanden. Solche Funktionen sind einem Fachmann jedoch
gut bekannt und können
somit ohne übermäßiges Experimentieren
hinzugefügt
werden.
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Es
muss darauf hingewiesen werden, dass die Bitrate der Pakete so gewählt wird,
dass sie gleich einem der drei für
OTN definierten Bitraten-Werte ist, d.h. 2,488320, 9,995276962 oder
40,150519322 GBit/s, und dass die Umwandlung nur in ein OPUk-Signal
mit der geeigneten Bitrate stattfindet. Es ist jedoch natürlich möglich, Pakete
mit unterschiedlichen Raten im paketvermittelten Netz zu mischen
und sie in den Gateway-Netzwerkelementen
zu trennen.
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Um
die Spezifikationen des OTN zu erfüllen, sind die folgenden Einschränkungen
für das
Paketvermittlungs-System vorgesehen. Das Nutzinformations-Feld jedes
Paketes muss ein binär
codiertes Signal mit einer Signal-Statistik gemäß ITU-T G.709 enthalten, und
die Taktgenauigkeit; mit der die Pakete erzeugt werden, muss die
des OTN leicht übersteigen,
d.h. 20 ppm, um Frequenz-Transienten zu erlauben, während die Sicherheitsabstände mit
dem festen Füllmuster
gefüllt
werden. Es kann sein, dass der Sicherheitsabstand es nicht erlaubt,
exakt eine gerade Anzahl von Bits des festen Füllmusters einzufügen. Daher
kann es sein, dass es erforderlich ist, die Daten-Bursts kurzzeitig
zu speichern und mit einer leicht modifizierten Frequenz auszulesen.
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Um
das Muster am Ziel leicht entfernen zu können, kann das Muster eine
Start- und eine Stopp-Anzeige enthalten (binär codiert), die durch ein CRC-Verfahren
gegen Nachbildung geschützt
wird. Diese Eigenschaft erfordert weiterhin eine Pufferung der Burst-Signale
zur Durchführung
der Verarbeitung.
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In
einer weiteren Verbesserung der vorliegenden Erfindung werden die
Paket-Kopfinformationen mit einer geringeren Bitrate erzeugt als
die Nutzinformations-Felder. Dies vereinfacht die Verarbeitung der
Kopfinformation im paketvermittelten Netz, da bei kleineren Bitraten
keine Verzerrungs-Kompensation erforderlich ist. Darüber hinaus
wird die Kopfinformations-Rate so gewählt, dass sie für alle drei
Bitraten-Werte des OTN gleich ist.
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Insbesondere
ist es vorgesehen, dass die Kopfinformations-Bitrate 1/Nx der
Nutzinformations-Bitrate für
OPUk beträgt,
d.h.
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Die
Takt- und Daten-Wiedergewinnungs-Funktion für die Kopfinformationen im
paketvermittelten Netz muss somit Takte im Bereich von +/- 500 ppm
verarbeiten, um den Nennwert der einzelnen Kopfinformations-Bitrate
von 624,705 MBit/s zu erlauben. Vom Standpunkt des optischen Übertragungsnetzes
OTN wird jedes Kopfinformations-Bit einfach als 4, 16 oder 64 identische
Bits angesehen. Einschränkungen
für die
Kopfinformations-Code-Punkte können
zusätzlich
vorgesehen werden, um die Anforderungen der Signal-Statistik des
OTN zu erfüllen.
