DE69012162T2

DE69012162T2 - Kommunikationsnetzwerk.

Info

Publication number: DE69012162T2
Application number: DE69012162T
Authority: DE
Inventors: Alan Michael Hill; David Brian Payne
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1989-02-08
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2010-02-03
Also published as: ES2058781T3; GB8902746D0; WO1990009725A1; CA2048679C; US5241409A; EP0382431B1; ATE111287T1; AU4969290A; HK137496A; DK0382431T3; AU626985B2; DE69012162D1; EP0382431A1; JPH04503443A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kommunikationsnetzwerke und insbesondere auf Netzwerke, bei denen die Sender zweier oder mehrer Teilnetzwerke von Sendern mit Empfängern zweier oder mehrer Teilnetzwerke von Empfängern über einen zentralen Schaltknoten verbunden werden können.
Bei einer bekannten Implementierung eines solchen Netzwerkes sind die Sender und Empfänger mit den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des zentralen Schaltknotens mittels entsprechender elektrischer Kommunikationsverbindungen verbunden, wobei der Knoten über ausreichende Schaltleistung verfügt, um eine gewünschte Zahl von Anschlüssen untereinander zu verbinden.
Passive optische Netzwerke werden als ein vielversprechendes Mittel angesehen, die Teilnehmer mit Breitbanddiensten zu versorgen, und werden als ökonomisch attraktiv für Telefon und Dienste mit niedrigen Datenraten für die Teilnehmer angesehen, die nur wenige Leitungen benötigen. Das Passive Optical Network für Telefonie (TPON) teilt die Teilnehmerkosten dank passiver Aufteilungsarchitektur, die bis zu 128 Teilnehmer mit gängiger Technologie auf eine einzelne Faser in der Zentrale multiplext. Mit einem solchen installierten Netzwerk können Breitbanddienste leicht durch Einsatz von zusätzlichen Betriebswellenlängen angeboten werden. Der erste Schritt in Richtung eines Passive Optical Network für Breitbanddienste (BPON) wäre wahrscheinlich der, nur ein paar weitere Wellenlängen heranzuziehen, von denen jede einzelne einem speziellen Zweck dient, wie z. B. Fernsehübertragung, Videobibliothek und ATM-Diensten, wobei jede Wellenlänge elektronisch gemultiplext wird, um eine ausreichende Anzahl von Kanälen zur Verfügung zu haben. Auf lange Sicht werden spektral gesteuerte Quellen wie DFB-Laser extensives Wellenlängen-Multiplexen ermöglichen und die Möglichkeit schaffen, Wellenlängen einzelnen Teilnehmern oder Verbindungen zuzuordnen, um somit Wellenlängenschaltungen über das Netzwerk zu ermöglichen.
Es wurde daher vorgeschlagen, Teilnetzwerke von Sendern und Empfängern mit einem Zentralknoten über solche passiven optischen Netzwerke zu verbinden, in welchen jeder Sender eines Teilnetzwerkes Information optisch auf einem optischen Träger fester, unterscheidbarer Wellenlänge sendet, wobei die verschiedenen übertragenen Signale auf einer einzelnen optischen Faser bei der Übertragung an den zentralen Schaltknoten passiv gemultiplext werden. Ein Demultiplexer an dem zentralen Schaltknoten separiert die Signale entsprechend der Wellenlänge und konvertiert jedes in ein elektrisches Signal. Auf diese Weise ist jeder Sender permanent mit einem bestimmten Eingangsport des zentralen Schaltknotens verbunden. Ähnlich bilden die Ausgangsverbindungen der Ausgangsanschlüsse des zentralen Schaltknotens zu den optischen Empfängern ein passives optisches Netzwerk. Das Ausgangssignal eines jeden Ausgangsanschlusses des zentralen Schaltknotens wird in ein optisches Signal mit einer Wellenlänge umgewandelt, die der entspricht, welche zu dem Empfänger gehört, der mit dem Ausgangsanschluß zum Empfang verbunden ist. Diese optischen Signale für die Empfänger des Teilnetzwerkes werden auf einer einzelnen optischen Ausgangsfaser gemultiplext, wobei das gemultiplexte Signal passiv für jeden Empfänger aufgetrennt wird. Jeder Empfänger selektiert die ihm entsprechende Wellenlänge beispielsweise mittels optischen Filters oder eines kohärenten optischen Empfängers. Solch ein Netzwerk mit passiven optischen Teilnetzwerken erfordert einen Zentralknoten mit derselben Schaltleistung wie bei einem, das bei gleicher Verbindungsleistung mit fest zugeordneten elektrischen Verbindungen arbeitet.
Eine andere Art der Verbindung verwendet Wellenlängenschaltung bzw. Routen, welches eine einfache aber leistungsfähige Technik ist, um sowohl eine Eins-zu-eins- als auch eine Sendeempfangsverbindung zwischen Teilnehmern herzustellen. Bei Eins-zu-eins-Verbindungen ist es lediglich erforderlich, daß jeder Teilnehmer eine durchstimmbare Lichtquelle hat, die mit einem Wellenlängenmultiplexer verbunden ist. Licht kann so von irgendeinem Sender an irgendeinen Empfänger durch Abstimmen auf eine geeignete Wellenlänge übertragen werden. Eine schnelle Übertragungszeit von 2 Nanosekunden wurde erreicht mit einem Cleaved-coupled-cavity(C³)- Laser. Sendeempfangs- oder Modularverbindungen werden natürlicherweise durch einen Sternkoppleraufbau verwirklicht, wie er beispielsweise in der Patentanmeldung GB-A-2 043 240 beschrieben ist. Ein Sternkoppler teilt die optische Leistung von jedem Eingangsanschluß auf jeden Ausgangsanschluß auf, so daß bei Verwendung von Quellen fester, unterscheidbarer Wellenlänge die richtigen Kanäle von den Empfängern mittels abstimmbarer optischer Filter ausgewählt werden können. Dies wurde mit einem 8 x 8 Array von wellenlängenunabhängigen Kernverschmelzungskopplern und positionierbaren holographischen Filtern in dichromatischer Gelatine demonstriert, wobei über das gesamte langwellige Fenster von 1250-1600 nm abgestimmt wurde. Ein abstimmbarer akustooptischer Filter mit ungefähr 1 nm Bandbreite, 260 nm Abstimmbereich und einer Kanalwahlgeschwindigkeit von 3 Mikrosekunden wurde vor kurzem vorgestellt.
Gemeinsam mit räumlichen Schaltern würde das Wellenlängenschalten in dem lokalen Netzwerk ausreichen, um das volle Potential der Optik durch breitbandige optische Schaltungs- und Verteilungskapazität, die im wesentlichen transparent für die gewählte Signalbandbreite und das Signalmodulationsformat ist, auszuschöpfen. Eine große Zahl diverser optischer Technologien wurde zum Erreichen sowohl des räumlichen als auch des wellenlängenmäßigen Schaltens in der Umgebung eines lokalen Netzwerkes identifiziert.
Jedoch haben beide Schalttechniken ihre Einschränkungen und Nachteile. Für räumliche Schalter ist es die bloße Zahl und daher die Kosten von Koppelpunkten oder äquivalenten Schaltern, die zur Verbindung von Teilnehmern nötig sind (aus der Informationstheorie folgt, daß die minimale Zuwachsrate, die abgeleitet werden kann, log&sub2;(N!) ist). Für die Wellenlängenschalter ist das Problem die begrenzte Zahl von verfügbaren unterscheidbaren Wellenlängenkanälen, wodurch die Zahl der Teilnehmer beschränkt wird, obgleich diese Einschränkung umgangen werden kann durch Verwendung von Wellenlängenschaltern in drei oder mehr Schaltstufen, wodurch dieselbe Wellenlänge in verschiedenen "Schaltern" wiederholt werden kann. Für mechanische Schalter gilt jedoch, daß die Verwendung von mehrstufigen Netzwerken immer der log&sub2;(N!)-Zuwachsrate folgt.
JP-A-58 161 484 offenbart ein Kommunikationsnetzwerk mit einem zentralen räumlichen Schalter, der für alle Schaltungen des Netzwerkes zuständig ist.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Kommunikationsnetzwerk mit einem zentralen Schaltknoten mit wenigstens zwei Sätzen von Eingangsanschlüssen und wenigstens zwei Sätzen von Ausgangsanschlüssen, wobei jeder Satz von Eingangsanschlüssen mit einem jeweiligen Satz von optischen Sendern über ein jeweiliges optisches Eingangsschaltnetz verbunden ist, und wobei jeder Satz von Ausgangsanschlüssen mit einem jeweiligen Satz von optischen Empfängern über ein jeweiliges optisches Ausgangsschaltnetz verbunden ist, das dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes optische Eingangsschaltnetz selektiv seinen jeweiligen Satz von Eingangsanschlüssen mit seinem Satz von optischen Sendern durch eine Schaltfunktion verbindet, welche dazu geeignet ist, jeden der Sender mit wenigstens einem ausgewählten der besagten Eingangsanschlüsse zu verbinden, und daß jedes der besagten optischen Ausgangsschaltnetze selektiv seinen jeweiligen Satz von Ausgangsanschlüssen mit seinem jeweiligen Satz von optischen Empfängern durch eine Schaltfunktion verbindet, welche geeignet ist, jeden der besagten Ausgangsanschlüsse mit wenigstens einem ausgewählten der besagten Empfänger zu verbinden.
Vorteilhafterweise umfaßt der zentrale Schaltknoten eine Vielzahl von Schaltern, wobei die Zahl der Schalter dieselbe wie die der Anschlüsse in jedem Satz von Eingangsanschlüssen und von Anschlüssen in jedem Satz von Ausgangsanschlüssen ist, wobei jeder Schalter eine Vielzahl von Eingängen und eine Vielzahl von Ausgängen aufweist und die Eingänge jedes Schalters mit den Eingangsanschlüssen der Sätze von Eingangsanschlüssen auf solche Art gekoppelt sind, daß ein gegebener Eingang eines gegebenen Schalters mit einem gegebenen Eingangsanschluß eines gegebenen Satzes von Eingangsanschlüssen auf eine solche Art verbunden ist, daß die Eingänge eines gegebenen Schalters mit Eingangsanschlüssen von anderen Sätzen von Eingangsanschlüssen verbunden sind, wobei die Ausgänge jedes Schalters mit den Ausgangsanschlüssen der Sätze von Ausgangsanschlüssen auf solche Art gekoppelt sind, daß ein gegebener Ausgang eines gegebenen Schalters mit einem gegebenen Ausgangsanschluß eines gegebenen Satzes von Ausgangsanschlüssen gekoppelt ist, und auf solche Art, daß die Ausgänge eines gegebenen Schalters mit Ausgangsanschlüssen von anderen Sätzen von Ausgangsanschlüssen verbunden sind, und wobei jeder Schalter so geschaltet werden kann, daß irgendeiner seiner Eingänge mit wenigstens einem seiner Ausgänge verbunden werden kann.
Vorzugsweise umfaßt wenigstens eines der optischen Eingangsschaltnetze ein optisches Eingangsfasernetz für das passive Multiplexen von Signalen von dem jeweiligen Satz von optischen Sendern in ein Eingangsbündel von Übertragerkanälen und einen Eingangsdemultiplexer für das Ankoppeln jeden Kanals des jeweiligen Bündels an einen jeweiligen Eingangsanschluß; und wenigstens eines der optischen Ausgangsschaltnetze umfaßt ein optisches Ausgangsfaserteilnetz und einen Ausgangsmultiplexer für das passive Multiplexen von Signalen von dem jeweiligen Satz von Ausgangsanschlüssen in ein Ausgangsbündel von Empfängerkanälen, wobei das assoziierte optische Ausgangsfaserteilnetz das Ausgangsbündel an die jeweiligen Empfänger koppelt und jeder Empfänger Signale von einem Kanal empfängt.
Die Architektur des erfindungsgemäßen Netzwerkes reduziert signifikant die Komponentenzahl durch Umlagerung einiger der Schaltaufgaben weg von dem zentralen Schaltknoten auf die Verbindungseinrichtung, anders als beim konventionellen Ansatz, wo alle Schaltaufgaben zentral im Knoten erledigt werden. Die Schaltaufgabe wird unterteilt in drei Stufen, von denen die erste und dritte Stufe z. B. als Multiplexschalter implementiert werden, die in Verbindung in den externen Teilnetzwerken arbeiten, die den zentralen Schaltknoten mit Sendern und Empfängern verbinden. Nur die mittlere Stufe des Schaltens liegt beim Zentralknoten oder der "Vermittlung". Die mittlere Stufe kann entweder in Form von räumlichen Schaltern oder Wellenlängenschaltern implementiert werden.
Die Verbindungen zwischen den Sendern und den Eingangsanschlüssen können dadurch realisiert werden, daß jeder Sender von jedem der wenigstens einmal vorhandenen optischen Eingangsschaltnetze steuerbar ist, um Signale auf einem Kanal zu übertragen, der dem Eingangsanschluß entspricht, an welchen er selektiv gekoppelt ist, oder daß der Eingangsdemultiplexer von den wenigstens einmal vorhandenen optischen Eingangsschaltnetzen so ansteuerbar ist, daß Signale auf jedem Kanal mit einem selektierten Eingangsanschluß gekoppelt werden.
Die Verbindungen zwischen den Ausgangsanschlüssen und den Empfängern können dadurch realisiert werden, daß jeder Empfänger jedes der wenigstens einmal vorhandenen optischen Ausgangsschaltnetze so steuerbar ist, daß er Signale auf einem Kanal empfängt, der dem Ausgangsanschluß entspricht, mit welchem er selektiv gekoppelt ist, oder daß der Ausgangsmultiplexer von jedem der wenigstens einmal vorhandenen optischen Ausgangsschaltteilnetzwerke so steuerbar ist, daß sich ein Ausgangsbündel von Signalen auf den assoziierten Kanälen bildet, so daß jeder Ausgangsanschluß an einen selektierten Empfänger gekoppelt wird.
Vorzugsweise sind die Multiplexpakete Wellenlängenmultiplexpakete, in welchen Selektivität erreicht wird durch frequenzselektive Glieder; beispielsweise auf der Eingangsseite abstimmbare Laser bei den Sendern, oder frequenzselektive Filter bei den Eingangsanschlüssen; und auf der Ausgangsseite passive Aufteilung an abstimmbare Filter der Empfänger oder feste Filter bei den Empfängern mit abstimmbaren Lasern bei den Multiplexern.
Als andere Multiplextechniken kann beispielsweise Zeitmultiplexen angewendet werden, wobei das Koppeln der Sender und der Empfänger an entsprechende Eingangs- und Ausgangsanschlüsse dadurch erreicht wird, daß Zeitabschnitte verschoben werden, die den Sendern und Empfängern zugeordnet sind, oder durch Steuerung von Demultiplexern oder Multiplexern an den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen, wobei die Sender und Empfänger vorgegebenen Zeitabschnitten zugeordnet sind.
Das erfindungsgemäße Netzwerk reduziert die erforderliche Schaltleistung am zentralen Schaltknoten bei einer gegebenen Verbindungskapazität durch Übertragung einiger der Schaltfunktionen an die Teilnetze. Wenn beispielsweise Wellenlängenmultiplexen verwendet wird, ist es durch Steuerung der Wellenlänge, auf welcher die optischen Sender ihre Signale an den Zentralknoten senden, möglich, selektiv die Signale zu irgendeinem der Eingangsanschlüsse des Satzes durch Steuerung der Wellenlänge der Übertragungen zu leiten. Ähnlich können durch Steuerung der Wellenlänge, welche die optischen Empfänger empfangen, die optische Signale von den Ausgangsanschlüssen eines Satzes von Ausgangsanschlüssen selektiv an einen entsprechenden Satz von optischen Empfängern geleitet werden. Wenn die optischen Sender und Empfänger auf einer festen Wellenlänge übertragen oder empfangen, so können die Demultiplexer an den Eingangsanschlüssen oder die Multiplexer an den Ausgangsanschlüssen abstimmbar gemacht werden, um das Schalten zwischen Sendern und Empfängern und Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des zentralen Schaltknotens jeweils zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung hat außerdem den Vorteil, eine Konzentration in der Hinsicht zu bewirken, daß weniger Multiplexkanäle, z. B. Wellenlängen, bei einem Teilnetzwerk verwendet werden, als es optische Sender oder optische Empfänger gibt, und zwar durch dynamische Zuordnung der verfügbaren Kanäle an solche, die in gegebener Zeit senden oder empfangen wollen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden als Beispiel beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, von denen:
Fig. 1 schematisch ein Kommunikationsnetzwerk nach Stand der Technik darstellt;
Fig. 2 schematisch ein weiteres Kommunikationsnetzwerk nach Stand der Technik darstellt, das passive optische Netzwerke mit einem Zentralknoten als Verbindung zwischen Sendern und Empfängern verwendet;
Fig. 3 schematisch ein erfindungsgemäßes Kommunikationsnetzwerk darstellt, das abstimmbare Sender und Empfänger sowie einen zentralen räumlichen Schalter verwendet.
Fig. 4 graphisch die optischen Koppelpunktanforderungen für zentralisiertes räumliches Schalten und Wellenlängen/Raum/Wellenlängenschalten entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 5 schematisch ein erfindungsgemäßes Kommunikationsnetzwerk darstellt, das abstimmbare Sender und Empfänger sowie Wellenlängenschalten beim Zentralknoten anwendet;
Fig. 6 graphisch die optischen Koppelpunktanforderungen für zentrales Schalten und Wellenlängen/Wellenlängenschalten entsprechend der vorliegenden Erfindung vergleicht;
Fig. 7 schematisch eine experimentelle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, die verschiedene optische Technologien anwendet; und
Fig. 8 graphisch die Auswahl zweier benachbarter Kanäle aus zwölf bei der Ausführungsform in Fig. 6 darstellt.
Das in Fig. 1 als Beispiel angegebene Kommunikationsnetzwerk nach Stand der Technik umfaßt einen zentralen Schaltknoten 2 mit zwei Sätzen von Eingangsanschlüssen 4 und 6 mit den Eingangsanschlüssen I1j und I2j sowie mit zwei Sätzen von Ausgangsanschlüssen 8 und 10 mit den Ausgangsanschlüssen und 01j und 02j.
Zwei Gruppen von optischen Sendern T1j und T2j sind direkt mit dem entsprechend bezeichneten Eingangsanschluß Iij, i = 1 oder 2 über eine jeweilige Eingangsverbindung verbunden, die durch ein Senderteilnetzwerk 12 bzw. 14 gebildet wird.
Auf gleiche Art ist jeder Ausgangsanschluß 0ij der beiden Sätze von Ausgangsanschlüssen 8 und 10 direkt mit einem entsprechend bezeichneten Empfänger Rij durch ein jeweiliges Empfängerteilnetzwerk 16 und 18 verbunden.
Der zentrale Schaltknoten 2 verfügt über eine ausreichende Schaltleistung, um die erforderliche Verbindungskapazität zwischen den Sendern Tij und Empfängern Rij herzustellen, wobei die Einzelheiten nicht gezeigt sind.
Wenn das Schalten in einem zukünftigen optischen lokalen Netzwerk auf die gleiche Weise geschehen sollte, d. h. Teilnehmersignale an einen Zentralknoten oder eine Vermittlung übertragen werden, wo alle Verbindungsvorrichtungen angeordnet sind, so könnte geteilter Zugriff über das passive Netzwerk durch Multiplexen entweder in bezug auf Zeit, Frequenz oder Wellenlänge erzielt werden. Um das Maximum der Breitbandkapazität für den Teilnehmer verfügbar zu machen, wird die Wellenlänge bevorzugt.
Die Fig. 2 zeigt die physikalische Struktur eines großen lokalen optischen Netzwerkes, wobei passives Wellenlängenmultiplexen angewendet wird, um Breitbandkanäle zu einem und von einem Teilnehmer zu transportieren, welches dieselbe Zahl von Sendern und Empfängern wie das Kommunikationsnetzwerk in Fig. 1 verbindet, wobei identische Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet sind. Das Schalten wird wiederum insgesamt in dem zentralen Schaltknoten 2 vorgenommen.
In dem Netzwerk von Fig. 2 ist jeder Sender Iij ein optischer Sender, der optische Signale auf einer eigenen unter den verschiedenen unterscheidbaren Wellenlängen, die alle einem Kommunikationskanal entsprechen, überträgt. Die optischen Ausgänge der Sender Tij sind durch Teilnetzwerke 20 und 22 auf Einzelfasern 28 und 30 passiv gemultiplext, die mit einem entsprechenden Demultiplexer 32 und 34 gekoppelt sind, welcher optische Signale einer gegebenen Wellenlänge mit einem entsprechenden der Anschlüsse Iij verbindet. Jeder Sender Tij ist daher permanent mit einem bestimmten der Eingangsanschlüsse Iij gekoppelt.
Jeder Empfänger Rij ist ein wellenlängenselektiver optischer Empfänger. Jeder Ausgangsanschluß 0ij aus den Sätzen von Ausgangsanschlüssen 8 und 10 überträgt ein optisches Signal einer bestimmten Wellenlänge, wobei diese Signale durch die Multiplexer 40 und 42, welche beispielsweise passive optische Koppler sind auf eine Einwellenfaser 36 bzw. 38 passiv gemultiplext werden. Das Wellenlängenpaket wird passiv mit jedem wellenlängenselektiven Empfänger Rij gekoppelt, von denen jeder den zu empfangenden Wellenlängenkanal selektiert. Jeder Empfänger Rij ist also permanent an einen bestimmten der Ausgangsanschlüsse 0ij gekoppelt.
Das Netzwerk in Fig. 2 zeigt einen einfachen Simplexbetrieb mit Stromauf- und Stromab-Richtungen über unterschiedliche passive Glieder. Das Prinzip kann auf doppelten, einseitigen Betrieb erweitert werden. Regeneratoren und Laser (nicht gezeigt) können auf die bekannte Art und Weise verwendet werden, um den Signalpegel auf jeder Seite des zentralen Schaltknotens 2 wieder herzustellen und somit Verluste im Schalter auszugleichen.
Alternativ können optische Verstärker auf der Eingangsseite des Schalters herangezogen werden, im allgemeinen jedoch nicht auf der Ausgangsseite, wenn Wellenlängenübersetzung erforderlich ist. Obwohl ein geeigneter Wellenlängenkonverter nichtlineare Effekte in optischen Verstärkern ausnutzen würde. Der zentrale Knoten 2 kann entweder als mehrstufiger mechanischer Schalter oder als dreistufiger Wellenlängen/Wellenlängen/Wellenlängenschalter ausgelegt werden.
Es gibt viele potentielle Technologien und Architekturen, um optische räumliche Schalter in dem Zentralknoten zu implementieren. Aber die Lösung mit den vielleicht wenigsten Komponenten und niedrigsten Verlusten ist ein mehrstufiges veränderliches Netzwerk. Studien haben gezeigt, daß sehr große Schalter mit diesen Strukturen gebaut werden können, wenn Koppelpunkte mit nur mäßigem Übersprechen verwendet werden. Mittlere Verluste von 1 dB pro Koppelpunkt in zweiseitigen Schaltern ermöglichen Größen von 32768 x 32768 mit einem 29 dB Leistungsbudget. Die Zahl von Koppelpunkten, die erforderlich ist, um N Eingänge mit N Ausgängen mit solchen Netzwerken zu verbinden, ist
N log&sub2;(N) - N + 1, (1)
welches dem Grenzwert der Informationstheorie log&sub2;(N!) sehr nahe kommt.
Wenn der Zentralknoten 2 in Fig. 2 mit Wellenlängenschalttechniken implementiert wird, ist es unwahrscheinlich, daß genügend viele Wellenlängenkanäle für das Schalten in einer einzigen Stufe vorhanden sind. Wenn man das Netzwerk der Fig. 2 auf N Teilnehmer in Gruppen von n Sendern und Empfängern verallgemeinert, die durch N/n passive optische Netzwerke zu Gruppen von n Eingangs- und Ausgangsanschlüssen gekoppelt sind, so ist die erforderliche Gesamtzahl von Wellenlängenmultiplexern
2N/n + 2N/m + m (2)
Um diese Größe zu minimieren, muß man ein Optimum an abstimmbaren Lasern pro Schalter haben, nämlich:
m = (2N)1/2 (3)
was für N = 8192 auf 128 führt (welches größer als die wahrscheinliche Breitband-Auftrenngröße von etwa 32 ist). Die kleinste mögliche Zahl von Multiplexern ist daher
2N/n + 2 (2N)1/2 (4)
In Fig. 3 ist ein Kommunikationsnetzwerk gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, das N Teilnehmer in n Gruppen miteinander verbindet. Es umfaßt einen zentralen Schaltknoten 50 mit N/n Sätzen von Eingangsanschlüssen 52, einen entsprechenden Satz von Sendern Tij, wobei die Sender Tij mit den Eingangsanschlüssen des Zentralknotens 50 über ein passives optisches Teilnetzwerk 54 über einen Wellenlängendemultiplexer 55, der die Eingangsverbindung bildet, verbunden sind. Nur ein Eingangsteilnetzwerk ist hier der Klarheit wegen numeriert. Es gibt außerdem N/n Gruppen von Ausgangsanschlüssen 56, die jeweils mit einem jeweiligen Satz von optischen Empfängern Rjj durch ein passives optisches Netzwerk 58 über einen Wellenlängenmultiplexer 59 miteinander verbunden sind, der die Ausgangsverbindungsvorrichtung bildet, wobei wieder nur ein Ausgangsteilnetzwerk der Klarheit wegen numeriert ist.
Der Demultiplexer 55 verteilt die optischen Signale, die von dem Teilnetzwerk 54 ankommen, je nach ihrer Wellenlänge an die Eingangsanschlüsse des Satzes 52, wobei eine Wellenlänge jeweils einem der Anschlüsse zugeordnet ist. Die abstimmbaren Laser 60 der Sender Tij können auf die Wellenlänge abgestimmt werden, die dem Eingangsanschluß des Satzes 52 entspricht, der verbunden werden soll.
Die Sender können andere abstimmbare Quellen umfassen, beispielsweise eine optische Breitbandquelle, die an das Teilnetzwerk 54 über abstimmbare optische Filter gekoppelt ist.
Signale von den Ausgangsanschlüssen des Satzes 56 haben jeweils eine mit ihnen assoziierte eigene Wellenlänge, die durch die Laser 62 mit fester Wellenlänge vorgegeben ist. Diese optischen Signale werden auf die einwellenoptische Faser 58 gemultiplext und passiv in die Empfänger Rij aufgespalten. Jeder Empfänger Rij umfaßt einen optischen Empfänger 64 und einen abstimmbaren optischen Filter 66. Die Empfänger Rij wählen den Ausgang, an welchen sie gekoppelt werden sollen, durch Abstimmen des optischen Filters auf die entsprechende Wellenlänge.
Der zentrale Schaltknoten oder die Vermittlung 50 ist ein bekannter zweistufiger optisch-räumlicher Schaltknoten mit Lasern 68 fester Wellenlänge und räumlichen Schaltern 70.
Es versteht sich von selbst, daß andere Elemente als abstimmbare Laser und abstimmbare Filter eingesetzt werden können, um die Auswahl der Wellenlängen durchzuführen, die durch die Sender Tij und Empfänger Rij übertragen bzw. empfangen werden sollen.
Die Abgabe eines Teils der Schaltleistung an die wellenlängensteuerbaren optischen Sender Tij und Empfänger Rij ermöglicht aus den folgenden Gründen die Vereinfachung des zentralen Schaltknotens bei gleichzeitiger Beibehaltung der Verbindungskapazität.
Die Zahl der Koppelpunkte, die in der Vermittlung 50 nötig sind, wird reduziert durch Verlagerung der Schalter der ersten und dritten Stufe als Wellenlängenschalter hinaus in die passiven Netzwerke. Dadurch wird die Verwendung von abstimmbaren Lasern 60, Eingangsdemultiplexern 55 und Ausgangsmultiplexern 59 sowie abstimmbaren optischen Filter 66 simultan sowohl für Senden, Empfangen als auch Schaltaufgaben in der lokalen Schleife. Nur die mittlere Stufe von räumlichen Schaltern sind in der Vermittlung 50 erforderlich. Mit den passiven Netzwerken, durch die n x n Schalter geschaffen werden (n ist die Verzweigungsgröße der passiven Netzwerke) und unter der Annahme, daß die n Mittelstufenschalter als veränderliche Schaltnetzwerke konstruiert sind, wird die minimale Zahl von erforderlichen Koppelpunkten
n[(N/n)log&sub2;(N/n) - N/n + 1] = N log&sub2;(N/n) - N + n (5)
Die Gleichungen (1) und (5) sind in Fig. 4 für eine n = 32 Wegverzweigung aufgetragen. Es ergibt sich, daß eine Schaltungsaufteilung gemäß der vorliegenden Erfindung eine große Reduktion der Zahl der erforderlichen optischen Koppelpunkte ermöglicht. Für ein Netzwerk von 8192 Teilnehmern und einer Verzweigungsgröße von 32 würden nur 58 % der Koppelpunkte in einem zentralen räumlichen Schalter benötigt. Größere Einsparungen könnten mit größeren passiven Verzweigungsgrößen erreicht werden, was durch die Verwendung von optischen Verstärkern möglich würde.
In Fig. 5 ist eine aufgeteilte Wellenlängen/Wellenlängen/Wellenlängen-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Die Teilnetzwerke entsprechen der Ausführungsform in Fig. 3, wobei gleiche Teile dieselben Bezugszeichen haben. Der räumliche Schaltknoten 50' in Fig. 3 ist ersetzt durch einen Wellenlängenschaltknoten 50 mit abstimmbaren Lasern 72, die an die Sätze von Eingangsanschlüssen 52 gekoppelt sind, und Wellenlängenmultiplexern 74 für die Durchführung des Wellenlängenschaltens auf die bekannte Art und Weise.
Entfernung der ersten Stufe und dritten Stufe der Wellenlängenschalter in die passiven Netzwerke reduziert die Laser- und Regeneratorzahl auf drei anstelle von fünf pro Verbindung und reduziert die Zahl der Wellenlängenmultiplexer auf gerade drei Stufen mit 2N/n in den passiven Gliedern und weiteren n in der Mittelstufe, d. h. insgesamt
2N/n + n
Wellenlängenmultiplexern. Obwohl es eine optimale Verzweigungsgröße n gibt, wo diese Größe minimal wird (nopt = 128 für N = 8192) so wird doch die realistische Verzweigungsgröße von 32 in Fig. 6 herangezogen, um die Gleichungen (4) und (6) zu vergleichen. Während die Reduktion der Wellenlängenmultiplexergrößen durch Schaltverteilung natürlich von Vorteil wäre, werden ihre Kosten zwischen vielen Teilnehmern geteilt (15 für N = 8192, n = 32), so daß diese Ersparnis wahrscheinlich nicht so bedeutend wie die 40%ige Reduktion von fünf Lasern und Regeneratoren auf das Minimum von drei pro Teilnehmer ist, das erforderlich ist, um breitbandiges Schalten im räumlichen oder Wellenlängenbereich zu ermöglichen.
In Fig. 7 ist ein kleines Netzwerk dargestellt, das aufgebaut wurde, um das Prinzip des verteilten Wellenlängenschaltens gemäß der vorliegenden Erfindung in einem passiven lokalen Netzwerk zu demonstrieren. Die Wellenlängen/Raum/Wellenlängen-Architektur des Typs, wie er in Fig. 6 gezeigt ist, wurde gewählt, um die kombinierte Nutzung von sowohl Raum- als auch Wellenlängen-Schaltern zu demonstrieren. Das Netzwerk hat sechs passive optische "Glieder", drei stromaufwärts (80, 82 und 84) und drei stromabwärts (86, 88 und 90).
Das optische Glied 80 multiplext passiv optische Signale der beiden Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; der Laser 92 und 94 auf eine 2,2 km lange optische Einwellenfaser 96. Ein 20-Kanal- Wellenlängenmultiplexer 97 wird verwendet, um die Kopplung von vielen unterschiedlichen Wellenlängen auf eine Einwellenfaser zu simulieren. Zwölf DFB-Laser werden in 3,6 nm-Intervallen in dem 1500 nm-Fenster durch die Laser (nicht gezeigt) gemultiplext. Das Multiplexpaket wird dann an jeden der zwei Eingangsanschlüsse eines Paars 101 über jeweilige optische Filter 98 und 100 gekoppelt, welche die empfangenen Multiplexpakete demultiplexen, so daß ein Wellenlängenkanal an jedem der Eingangsanschlüsse empfangen wird. Jeder Laser 92 und 94 kann an einen Eingangsanschluß gekoppelt werden durch Abstimmung der optischen Filter auf die entsprechende Wellenlänge.
Die Teilnetzwerke 82 und 84 ergeben zwei Eingänge für die Eingangspaare 102 und 104 mittels eines 4-torigen optischen Kopplers 106 und eines 2 x 8 Kopplers 108, wodurch Signale passiv wie in dem Teilnetzwerk 90 an optische Filter- Demultiplexer gemultiplext werden.
Das Teilnetzwerk 86 hat einen passiven optischen Faserkoppler 107, welcher die optischen Signale zweier unterschiedlicher Wellenlängen λ&sub5; und λ&sub6; von den Ausgangsanschlüssen 109 und 110 auf eine einzelne 2,2 km lange optische Faser 112 multiplext. Das Ausgangsmultiplexpaket wird über abstimmbare optische Filter 118 und 120 an die Empfänger 114 und 116 gekoppelt, welche jedem Anschluß 109, 110 erlauben, mit einem ausgewählten Empfänger oder den Empfängern 114, 116 verbunden zu werden.
Das Teilnetzwerk 90 hat einen 1 x 7 monolithischen Koppler 122, um ein 7-adriges sich verzweigendes passives Netzwerk zu simulieren. Das Teilnetzwerk 88 schafft ein Teilnetzwerk ohne einen einzigen Abschnitt einer optischen Faser mittels eines 4-torigen passiven optischen Kopplers 124. Die Kanalauswahl in den Teilnetzwerken 88 und 90 entspricht der obigen, wie für die Verbindungen 86 beschrieben. Da DFB- Quellen fester Wellenlänge verwendet werden anstelle von abstimmbaren Lasern, werden die Leitaufgaben der Wellenlängendemultiplexer in der ersten Stufe des Schaltens in Fig. 3 durch Kernverschmelzungskoppler übernommen, gefolgt von zusätzlichen abstimmbaren optischen Filtern, um die korrekten Wellenlängenkanäle auszuwählen. Die abstimmbaren optischen Filter verwenden jeweils eine CD-Fokussierspule, um eine optische Faser in einem dispersiven Abbildungssystem zu bewegen, wodurch eine beliebige Wellenlänge in dem Bereich von 1250-1600 nm mit einer Halbwertsbreite von 2,6 nm ausgewählt werden kann.
Es gibt gerade zwei Mittelstufenraumschalter 125 und 126, jeweils von der Größe 3 x 3, so daß 6 x 6 Netzwerke insgesamt demonstriert werden können. Jeder 3 x 3-Schalter 125 und 126 ist so aufgebaut, daß er ein veränderliches Schaltnetzwerk (RSN) mit drei kommerziell erhältlichen Einzelmoden-2 x 2-Umschaltern (nicht dargestellt) demonstriert.
Fig. 8 zeigt zwei benachbarte DFB-Laserwellenlängen, die durch ein Filter aus den zwölf gemultiplexten Kanälen ausgewählt wurden. Die Kopplungsaufgaben der Wellenlängenmultiplexer in der dritten Stufe des Schaltens in Fig. 3 werden ebenso von Kernschmelzkopplern übernommen. In diesem kleinen Demonstrationsnetzwerk wird kein dritter Satz von Regeneratoren und Lasern oberhalb der Raumschalter benötigt.
Mehrere Schlüsselmerkmale der verteilten Architektur sind von besonderer Wichtigkeit. Erstens das Konzept der Wiederverwendung desselben Satzes von Wellenlängen in unterschiedlichen passiven Gliedern. Um dieses zu demonstrieren, haben die Laser in dem Teilnetzwerk 80 im wesentlichen die gleichen Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; wie die in dem Teilnetzwerk 84. Gleiche Sätze von Wellenlängen in jedem Schalter der ersten Stufe wie hier machen ein zweites Merkmal erforderlich, nämlich daß Wellenlängenkonversion stattfinden muß bevor Signale den Schalter der dritten Stufe (passives Netzwerk) erreichen, es sei denn zwei identische Wellenlängen koppeln dort zufälligerweise zusammen. Obgleich direkte Wellenlängenübersetzungs-Geräte eines Tages diese Aufgabe übernehmen könnten, wurde dies hier durch einfache Umwandlung in ein elektrisches Signal, gefolgt von erneuter Emission eines neuen Lasers, bewirkt. Zwei Signale mit identischer Wellenlänge, eines von dem Glied 80 und eines von dem Glied 84, können durch separate Mittelstufenraumschalter an die Ausgänge desselben Gliedes der dritten Stufe geschaltet werden.
Ein wesentliches Merkmal der Architektur der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit des Sendeempfangsbetriebes. Die leistungsverzweigende Natur der dritten Stufe macht das optische passive Netzwerk ideal geeignet für Sendebetriebsbedingungen (eins auf viele). Dadurch, daß einfach mehr als ein optisches Filter auf die gleiche Wellenlänge abgestimmt werden kann, empfangen gleichzeitig alle Teilnehmer an einem Glied dasselbe Signal. Darüber hinaus könnte im Prinzip irgendein Sender (Teilnehmer) ein Serviceanbieter für irgendeine Zahl von Teilnehmern durch Verwendung desselben leistungsverzweigenden Mechanismus in den Erststufenschaltern werden, um viele Kopien auf den Mittelstufenschaltern in der Art und Weise der veränderlichen Sendeempfangsnetzwerke zu erzeugen. In solchen Netzwerken müßten die Mittelstufenschalter außerdem eine Sendeempfangsfunktion haben, welche leicht durch die Wellenlängen/Wellenlängen/Wellenlängen-verteilte Architektur erfüllt werden kann und wobei nur leichte Modifikation der Raumschalter in der Wellenlängen/Raum/Wellenlängen-Architektur erforderlich sind.
Zusammenfassend schafft die vorliegende Erfindung eine verteilte Wellenlängenschaltarchitektur für passive optische Netzwerke. Anstatt daß das gesamte breitbandige Schalten konventionell in einem zentralen Knoten ausgeführt wird, verteilt die Architektur die ersten und letzten Stufen des Schaltens über das passive optische Netzwerk unter Verwendung derselben Komponenten, die bereits für Übertragungszwecke benötigt werden. Nur die Mittelstufe des Schaltens erfordert zusätzliche Komponenten im Knoten. Auf diese Art können große Einsparungen in bezug auf die Anzahl der Komponenten und gegenüber konventionellen lokalen Netzwerkarchitekturen bei zentralisierten Schaltungen erzielt werden. Das Prinzip des verteilten Schaltens kann ausgedehnt werden, um eine volle Sendeempfangsmöglichkeit eines Teilnehmers gegenüber allen anderen zu gewährleisten.
Obgleich die Vorteile der vorgeschlagenen Architektur gemäß der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit veränderlichen nichtblockierenden Schaltstrukturen diskutiert wurde, ist die Erfindung auch anwendbar bei strikten nichtblockierenden Schaltern.
Die vorliegende Erfindung ist ebenso anwendbar auf bidirektionale Netzwerke, wobei die optischen Ausgänge von einem Satz von Ausgangsanschlüssen gemultiplext werden können, um sich entlang eines Senderteilnetzwerkes fortzupflanzen, wobei das eine passive Teilnetzwerk im Zusammenhang mit der Patentanmeldung als gleichzeitig ein Senderteilnetzwerk und ein Empfängerteilnetzwerk bildend angesehen wird.

Claims

1. Kommunikationsnetzwerk, das einen zentralen Schaltknoten (50) mit wenigstens zwei Sätzen von Eingangsanschlüssen (52) und wenigstens zwei Sätzen von Ausgangsanschlüssen (56) umfaßt, wobei jeder Satz von Eingangsanschlüssen mit einem jeweiligen Satz von optischen Sendern (Tij) über ein jeweiliges optisches Eingangsschaltnetz (54) verbunden ist, und wobei jeder Satz von Ausgangsanschlüssen mit einem jeweiligen Satz von optischen Empfängern (Rij) über ein jeweiliges optisches Ausgangsschaltnetz (58) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß jedes optische Eingangsschaltnetz (54) so ausgelegt ist, daß es selektiv seinen jeweiligen Satz von Eingangsanschlüssen mit seinem jeweiligen Satz von optischen Sendern (Tij) durch eine Schaltfunktion verbindet, welche für die Verbindung jedes Senders (Tij) mit wenigstens jedem einzelnen ausgewählten der Eingangsanschlüsse (52) geeignet ist, und daß jedes besagte optische Ausgangsschaltnetz (58) so ausgelegt ist, daß es selektiv seinen jeweiligen Satz von Ausgangsanschlüssen (56) mit seinem jeweiligen Satz von optischen Empfängern (Rij) durch eine Schaltfunktion verbindet, welche für die Verbindung jedes der besagten Ausgangsanschlüsse (56) mit wenigstens jedem einzelnen ausgewählten der besagten Empfänger (Rij) geeignet ist.

2. Netzwerk nach Anspruch 1, wobei der zentrale Schaltknoten (50) eine Vielzahl von Schaltern (70) umfaßt, wobei die Zahl der Schalter die gleiche wie die der Anschlüsse bei jedem Satz von Eingangsanschlüssen (52) und bei jedem Satz von Ausgangsanschlüssen (56) ist, wobei jeder Schalter eine Vielzahl von Eingängen und eine Vielzahl von Ausgängen hat, die Eingänge von jedem Schalter (70) mit den Eingangsanschlüssen der Sätze von Eingangsanschlüssen (52) auf solche Art verbunden sind, daß ein gegebener Eingang eines gegebenen Schalters (70) mit einem gegebenen Eingangsanschluß eines gegebenen Satzes von Eingangsanschlüssen (52) verbunden ist, und auf solche Art, daß die Eingänge eines gegebenen Schalters mit Eingangsanschlüssen anderer Sätze von Eingangsanschlüssen (52) verbunden sind, die Ausgänge jedes Schalters (70) mit den Ausgangsanschlüssen der Sätze von Ausgangsanschlüssen (56) auf eine solche Art verbunden sind, daß ein gegebener Ausgang eines gegebenen Schalters (70) mit einem gegebenen Ausgangsanschluß eines gegebenen Satzes von Ausgangsanschlüssen (56) verbunden ist, und auf solche Art, daß die Ausgänge eines gegebenen Schalters (70) mit Ausgangsanschlüssen anderer Sätze von Ausgangsanschlüssen (56) verbunden sind, und jeder Schalter (70) so gestellt werden kann, daß jeder einzelne seiner Eingänge mit wenigstens einem seiner Ausgänge verbunden ist.

3. Netzwerk nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem wenigstens eines der optischen Eingangsschaltnetze (54) ein optisches Eingangsfasernetz für das passive Multiplexen von Signalen von dem jeweiligen Satz von optischen Sendern (Tij) in ein Eingangsbündel von Sendekanälen und eine Eingangsdemultiplexervorrichtung (55) für die Verbindung jedes Kanals des jeweiligen Bündels mit einem jeweiligen Eingangsanschluß (52) umfaßt.

4. Netzwerk nach Anspruch 3, bei welchem jeder Sender (Tij) jedes des mindestens einen besagten optischen Eingangsschaltnetzes (54) so ansteuerbar ist, daß Signale auf einem zu dem Eingangsanschluß (52) korrespondierenden Kanal gesendet werden können, zu welchem er selektiv verbunden werden soll.

5. Netzwerk nach Anspruch 3, in welchem die Eingangsdemultiplexervorrichtung (55) von jedem des mindestens einen besagten optischen Eingangsschaltnetzes (54) so ansteuerbar ist, daß die Signale auf jedem Kanal zu einem ausgewählten Eingangsanschluß (52) geleitet werden.

6. Netzwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei welchem wenigstens eines der optischen Ausgangsschaltnetze (58) ein optisches Ausgangsfaserteilnetz und eine Ausgangsmultiplexervorrichtung (59) für das passive Multiplexen von Signalen von dem jeweiligen Satz von Ausgangsanschlüssen (56) in ein Ausgangsbündel von Empfängerkanälen umfaßt, wobei das assoziierte optische Ausgangsfaserteilnetz den Ausgangsmultiplexer mit den jeweiligen Empfängern (Rij) verbindet und jeder Empfänger so angeordnet ist, daß er Signale von einem Kanal empfängt.

7. Netzwerk nach Anspruch 6, bei welchem jeder Empfänger (Rij) von wenigstens einem der besagten optischen Ausgangsschaltnetze (58) so steuerbar ist, daß Signale auf einem dem Ausgangsanschluß (56) entsprechenden Kanal, mit dem es selektiv verbunden ist, empfangen werden.

8. Netzwerk nach Anspruch 6, bei welchem die Ausgangsmultiplexervorrichtung (59) von jedem einzelnen der besagten optischen Ausgangsschaltnetze (58) so steuerbar ist, daß ein Ausgangsbündel von Signalen auf den assoziierten Kanälen erzeugt wird, so daß jeder Ausgangsanschluß (56) mit einem ausgewählten Empfänger (Rij) verbunden ist.

9 Netzwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei welchem das Eingangsbündel von jedem des wenigstens einen besagten optischen Eingangsschaltnetzes (54) und das Ausgangsbündel von jedem des wenigstens einen besagten optischen Ausgangsschaltnetzes (58) auf jeweils entsprechenden einzelnen optischen Fasern erzeugt werden.

10. Netzwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 9, bei welchem jeder Sender (Tij) jedes des mindestens einen optischen Eingangsschaltnetzes (54) so angelegt ist, daß Signale mit einer eigenen Wellenlänge gesendet werden, wobei jede Wellenlänge einem Kanal entspricht, und die assoziierte Eingangsdemultiplexervorrichtung (55) ein oder mehrere passive optische Strahlteiler für die Verbindung des empfangenen Eingangsbündels mit jedem Eingangsanschluß (52) über einen abstimmbaren optischen Filter umfaßt.

11. Netzwerk nach einem der Ansprüche 3 bis 10, bei welchem jeder Empfänger (Rij) jedes des wenigstens einen optischen Ausgangsschaltnetzes (58) ein abstimmbares optisches Filter (66) umfaßt.

12. Netzwerk nach Anspruch 6 oder einem der sich auf Anspruch 6 stützenden Ansprüche 7 bis 11, bei welchem jeder Empfänger (Rij) jedes des wenigstens einen optischen Ausgangsschaltnetzes (58) eine Vorrichtung für den Empfang von Signalen einer jeweiligen eigenen Wellenlänge umfaßt und die assoziierte Ausgangsmultiplexervorrichtung (59) abstimmbare Quellen optischer Wellenlängen umfaßt.

13. Netzwerk nach Anspruch 6 oder einem der sich auf Anspruch 6 stützenden Ansprüche 7 bis 12, bei welchem die Signale von jedem der Sätze von Sendern (Tij) jedes des wenigstens einen optischen Eingangsschaltnetzes (54) und die Signale der Ausgangsanschlüsse (56) jedes des wenigstens einen optischen Ausgangsschaltnetzes (58) in jeweiligen Wellenlängenbündeln gebildet werden.

14. Netzwerk nach Anspruch 13, bei welchem die Sender (Tij) abstimmbare Quellen optischer Wellenlängen (60) umfassen.

15. Netzwerk nach Anspruch 14, bei welchem die abstimmbaren Quellen optischer Wellenlängen abstimmbare Laser (60) umfassen.