專利名稱：為有效利用波長而用光信號交錯的wdm通信系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種WDM光網(wǎng)絡(luò)類型，在該類型的WDM光網(wǎng)絡(luò)中，來自各個始發(fā)點(diǎn)的信號，用光學(xué)的方法整理(groom)，以便按性價(jià)比的準(zhǔn)則利用鏈路上的信道容量。
背景技術(shù)：
在一種熟知的全光WDM網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)中，始發(fā)節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的每一需求，都獲得一專用的波長信道，該波長信道在構(gòu)成該始發(fā)-目的節(jié)點(diǎn)對之間的端到端路徑的所有鏈路上，是唯一的。經(jīng)由這種網(wǎng)絡(luò)的光傳送相對地簡單，因?yàn)榻徊孢B接僅在光域中實(shí)施。但是，這種網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)單元成本則相對地高，因?yàn)椴ㄩL信道的使用一般說是低效率的，還因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)單元必須提供相對多的波長—大致為網(wǎng)絡(luò)中能夠始發(fā)和接收傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)數(shù)的平方。
在某些情況下，特別是在核心網(wǎng)中，該種網(wǎng)絡(luò)只有被利用的大部分波長信道，占全部帶寬容量的極大比例，才能在經(jīng)濟(jì)上生存。然而，經(jīng)常發(fā)生的是，常用的端到端需求只占波長信道可用全部帶寬的一小部分。在這種情況下，該種網(wǎng)絡(luò)恐怕要在經(jīng)濟(jì)上經(jīng)受生存能力的考驗(yàn)。
可以用各種復(fù)用技術(shù)來增加網(wǎng)絡(luò)指定鏈路上指定波長信道的利用率。例如，在被稱為業(yè)務(wù)量整理(traffic grooming)的技術(shù)中，通過一條或多條公共鏈路，路由根本不同的業(yè)務(wù)流，這些業(yè)務(wù)流在它們的第一共同節(jié)點(diǎn)上用電子學(xué)方法復(fù)用，然后作為集合信號在單個波長信道上傳送。在到達(dá)或接近業(yè)務(wù)流分散的下游共同節(jié)點(diǎn)時(shí)，再把集合信號分用。
業(yè)務(wù)量整理雖然有用，但必然要增加網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備成本，因?yàn)樗诮徊孢B接點(diǎn)上要求電到光的轉(zhuǎn)換，而且各交叉連接點(diǎn)普遍需要相對多的輸入和輸出；即它們必須有足夠的粒度來完成必要的復(fù)用和分用功能。因此，業(yè)務(wù)量整理網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)人員，一般將面對效率與成本之間的折衷考慮。
更有效地利用波長信道的另一種途徑，由光學(xué)成組交換(OBS，optical burst switching)提供。在OBS中，光信號從光交叉連接的輸入端到輸出端，是以每組為基礎(chǔ)交換的。換句話說，在端點(diǎn)之間建立的波長，只持續(xù)短的時(shí)間并在中間節(jié)點(diǎn)上切換。OBS的一個缺點(diǎn)，是對依賴商業(yè)生存的網(wǎng)絡(luò)，光信號的切換時(shí)間必須在若干微秒或更小的量級。較少依賴或不依賴商業(yè)的可用的切換技術(shù)，能夠達(dá)到這種速度。此外，OBS不能成比例地用于大的交叉連接。
已知的業(yè)務(wù)量整理方案，一般還有另一個缺點(diǎn)，就是涉及附加的增加交換類型數(shù)量和自適應(yīng)功能的網(wǎng)絡(luò)層。結(jié)果是，這些附加的功能性，必然要增加整個網(wǎng)絡(luò)的成本。
一種新的用于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)全光傳輸?shù)姆桨?，它克服了前述某些問題，已經(jīng)在前面列舉的專利申請中說明U.S.Patent Application Serial No.10/411,039，R.C.Giles等人于2003年4月10日申請，標(biāo)題是“OpticalNetwork With Subwavelength Grooming”。但是，就具有至少一個分支點(diǎn)的網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)方面，它仍然遺留一些上述需要克服的問題。
具體說，對有分支點(diǎn)的網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)中的整理方案，仍舊需要降低不用電子交叉連接的波長信道數(shù)量，還需要能以商業(yè)上可用的或出現(xiàn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
上面舉出的美國專利申請序列號10/411,039，“Optical NetworkWith Subwavelength Grooming”說明一種新的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)上全光傳輸?shù)姆桨?。我們把該方案稱為TDM-WDM環(huán)。在TDM-WDM環(huán)中，把一特定波長信道或一組信道，指配給每一目的節(jié)點(diǎn)。起始節(jié)點(diǎn)例如通過可調(diào)諧激光器，間歇地向各個目的節(jié)點(diǎn)的每一個發(fā)送。向一個給定目的節(jié)點(diǎn)的每一傳輸，是在一個指配的波長信道上進(jìn)行的，不考慮該傳輸?shù)氖及l(fā)節(jié)點(diǎn)。
我們開發(fā)了一種網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，可使具有至少一個分支點(diǎn)的網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)，享有TDM-WDM環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。就這一點(diǎn)而言，只要一個節(jié)點(diǎn)有兩個或更多輸出端口，各指向不同的下游節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)就占用網(wǎng)絡(luò)的一個“分支點(diǎn)”。作為這種網(wǎng)絡(luò)特例的網(wǎng)絡(luò)，例如包括星形網(wǎng)絡(luò)和樞紐網(wǎng)絡(luò)。我們把我們的新型體系結(jié)構(gòu)稱為時(shí)域交錯連網(wǎng)(TWIN，Time-Domain Interleaved Networking)。
在我們的新型體系結(jié)構(gòu)中，從每一給定始發(fā)點(diǎn)到每一給定目的點(diǎn)的路由，是由波長分配和由每一指配波長的預(yù)指配圖確定的，該預(yù)指配圖稱為“樹”，圖上對遍歷每一始發(fā)節(jié)點(diǎn)到指配該波長的目的節(jié)點(diǎn)的各鏈路，規(guī)定了這些鏈路的順序。接著，借助波長選擇交叉連接(WSCC)，具體說，是把那些共同的輸入波長合并在一共同輸出光纖上，有利地實(shí)施該樹。在這方面特別有利的是，WSCC能用1×K的交換機(jī)實(shí)施。
如上面指出，波長分配和樹須遭受經(jīng)常的改變，例如改變需求的模式。但是，這種改變需要的時(shí)間周期，通常比光的切換時(shí)間長得多—一般是分、小時(shí)、天、甚至更長的周期。就這一方面來說，典型的光切換時(shí)間將是可調(diào)諧激光器的切換時(shí)間。
為防止從根本不同的始發(fā)點(diǎn)到共同目的點(diǎn)傳輸?shù)臎_突，從每一始發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的傳輸，最好封裝成有限長的序列，本文此后稱為光字符組(bursts)。在網(wǎng)絡(luò)上按避免沖突的方式，調(diào)度這些字符組。
重要的是，在我們體系結(jié)構(gòu)中的光字符組，是從它們的始發(fā)點(diǎn)無源地傳送至它們的目的節(jié)點(diǎn)的?！盁o源地傳送”是指，路由是通過字符組本身固有的物理性質(zhì)完成的，不必令負(fù)責(zé)該路由的硬件單元改變狀態(tài)。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)WDM環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的概念圖。
圖2是表明TWIN某些基本概念的WDM環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的概念圖。
圖3是與圖2的節(jié)點(diǎn)10.1對應(yīng)的樹圖。
圖4是概念圖，說明按照TWIN示范性實(shí)施方案構(gòu)建的WDM網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)。
圖5A-5D是與圖4各個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的樹圖。
圖6是示意圖，說明具有完全的波長合并的波長選擇交叉連接(WSCC)。
圖7是示意圖，說明具有部分波長合并的波長選擇交叉連接(WSCC)。
圖8是示意的功能圖，說明按照TWIN示范性實(shí)施方案構(gòu)建的WDM網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)中一個節(jié)點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
圖1示意畫出所謂“一對一”光WDM環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，其中全部波長信道專用于每一始發(fā)-目的節(jié)點(diǎn)對，并需要用10個激光器。為教學(xué)法的目的，畫出的環(huán)只限于5個節(jié)點(diǎn)10.1-10.5，通過5條雙向鏈路互連。圖上畫出每一鏈路細(xì)分為3條子鏈路，各與鏈路上一條全波長信道對應(yīng)。在圖中，每一條子鏈路的陰影，表示對應(yīng)的波長信道。
因此，子鏈路20.1把節(jié)點(diǎn)10.1連接至節(jié)點(diǎn)10.2，且每一子鏈路20.2-20.5類似地連接一對相鄰的節(jié)點(diǎn)對。子鏈路30.1A與30.1B與同一波長信道對應(yīng)并把節(jié)點(diǎn)10.1連接至節(jié)點(diǎn)10.3。類似地，每一對子鏈路對30.2A/30.2B到30.5A/30.5B，與單一波長信道對應(yīng)并連接一對非相鄰的節(jié)點(diǎn)。
如圖1所示的安排，雖然有用，但效率有些低，因?yàn)槿ㄩL信道必須指配給每一對始發(fā)-目的點(diǎn)對，包括它們的需求永遠(yuǎn)不會添加到比指配的信道容量一小部分還多的那些始發(fā)-目的點(diǎn)對。結(jié)果是，網(wǎng)絡(luò)的成本被利用不足的部件，諸如光源，如激光器、和光學(xué)分插單元等拉高，這些部件支持利用不足的波長信道。雖然通過重復(fù)使用波長，舉例說，通過應(yīng)用電的整理技術(shù)，可以獲得更高的效率，但這些技術(shù)一般至少對某些節(jié)點(diǎn)，要求從光域到電域的往復(fù)轉(zhuǎn)換，增加設(shè)備的成本。
與此相反，圖2畫出類似的環(huán)，圖中畫出已經(jīng)實(shí)施的一個簡單的TWIN例子。圖2中各節(jié)點(diǎn)與前面的圖有相同的參考數(shù)字。與圖1的雙向鏈路相反，圖2的鏈路為簡單計(jì)，畫成單向鏈路。如圖所示，每一鏈路細(xì)分為4條子鏈路，每一陰影表示對應(yīng)的波長信道。同時(shí)也如圖的陰影所示，每一目的節(jié)點(diǎn)與一個波長信道相聯(lián)系。
如圖中所示，所有向節(jié)點(diǎn)10.1的傳輸，使用包括子鏈路40.1A-40.1D全部路徑的一部分或全部。同樣，所有向節(jié)點(diǎn)10.2的傳輸，使用子鏈路40.2A-D；向節(jié)點(diǎn)10.3的，是子鏈路40.3A-D；向節(jié)點(diǎn)10.4的，是子鏈路40.4A-D；和向節(jié)點(diǎn)10.5的，是子鏈路40.5A-D。
觀察圖1，可以明顯看到，在圖示的環(huán)中，使用的波長信道總數(shù)是10條5條用于連接相鄰節(jié)點(diǎn)，還有5條用于連接非相鄰節(jié)點(diǎn)。如果各節(jié)點(diǎn)上用固定波長的激光器作為光源，需要20個這樣的激光器；就是說，每一方向10個。與之相反，圖2的環(huán)僅使用5條波長信道每一目的節(jié)點(diǎn)一條。對圖2的環(huán)，5個作為光源的可調(diào)諧激光器已經(jīng)足夠。
圖3表示圖2節(jié)點(diǎn)10.1的樹。目的點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)10.1位于樹的根，以圖中的頂點(diǎn)表示。從每一其他節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)10.1的傳輸，如圖所示，通過節(jié)點(diǎn)序列(當(dāng)然是通過互連的鏈路)向上前進(jìn)(如圖中所見)。對每一其他節(jié)點(diǎn)，也存在類似的樹。
如上面所指出，TWIN不限于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，一般也可以應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)。只作為又一個例子，圖4畫出一種簡化的光網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)，它不是環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。如圖所見，畫出的網(wǎng)絡(luò)有3個節(jié)點(diǎn)50.1-50.3，為便于說明起見，3個節(jié)點(diǎn)位于三角形的頂點(diǎn)，而第4個節(jié)點(diǎn)50.4位于三角形的中心。按照TWIN的基本概念，4個節(jié)點(diǎn)各有指配的波長信道，在圖中以帶陰影的小旗系在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)來表示。
圖4網(wǎng)絡(luò)路由方案的設(shè)計(jì)，是單獨(dú)確定表示各種可能的以目的點(diǎn)為基礎(chǔ)的樹圖。樹圖的設(shè)計(jì)不考慮任何最優(yōu)性，或者甚至不考慮任何實(shí)用性。在圖中，該路由方案通過把每一鏈路細(xì)分為一條、兩條、或三條子鏈路表示，各畫上與波長信道對應(yīng)的陰影。
觀察該圖可以看到，各節(jié)點(diǎn)50.2-50.4直接向節(jié)點(diǎn)50.1發(fā)送。這種安排用圖形表示，就是圖5A的樹。進(jìn)一步觀察圖4，可以看到，節(jié)點(diǎn)50.4直接向節(jié)點(diǎn)50.2發(fā)送，但節(jié)點(diǎn)50.1和50.3的每一個，只能通過節(jié)點(diǎn)50.4向節(jié)點(diǎn)50.2發(fā)送。這種安排用圖形表示，就是圖5B的樹。再進(jìn)一步觀察圖4，可以看到，節(jié)點(diǎn)50.1和50.4的每一個，直接向節(jié)點(diǎn)50.3發(fā)送，但節(jié)點(diǎn)50.2只能通過節(jié)點(diǎn)50.1向節(jié)點(diǎn)50.3發(fā)送。這種安排用圖形表示，就是圖5C的樹。最后一次轉(zhuǎn)回圖4，可以看到，節(jié)點(diǎn)10.1-10.3按照從10.3到10.2到10.1到10.4的順序，向10.4發(fā)送。這種安排用圖形表示，就是圖5D。
一般而言，對給定網(wǎng)絡(luò)的每一目的節(jié)點(diǎn)，可能存在許多不同的樹。有各種算法可以幫助網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員選擇適當(dāng)?shù)臉洹Ｌ貏e是，對任何給定網(wǎng)絡(luò)的任何給定目的節(jié)點(diǎn)，有現(xiàn)成的可識別最小生成樹或最短路徑樹的算法。樹的設(shè)計(jì)也可以具有冗余度，以便考慮可能的網(wǎng)絡(luò)失效。
如上面所指出，在一些節(jié)點(diǎn)或所有節(jié)點(diǎn)上實(shí)施樹時(shí)，最好通過安裝波長選擇交叉連接(WSCC)，以便能重新配置。還最好使這些WSCC實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的合并功能，把共同輸入波長合并到某一共同輸出光纖上。如果WSCC用1×K的波長選擇交換機(jī)實(shí)施，可以獲得顯著成本優(yōu)點(diǎn)。
圖6是具有合并功能的WSCC的簡化示意圖。如在圖中可見，該WSCC有K個輸入端口60.1-60.K，其中K是正整數(shù)。信號可從各個始發(fā)節(jié)點(diǎn)并以各種波長信道，到達(dá)每一輸入端口。如圖所示，所有從全部K個輸入節(jié)點(diǎn)到達(dá)的信號，首先在無源組合器70中組合。
組合的信號在波導(dǎo)媒體80上，從無源組合器70輸出，波導(dǎo)媒體80把組合信號送至波長選擇交換機(jī)90，圖上該波長選擇交換機(jī)90是1×K的，然而應(yīng)當(dāng)指出，輸出數(shù)不必等于輸入端口數(shù)。
波長選擇交換機(jī)90有K個輸出端口100.1-100.K，其中K是正整數(shù)，且能獨(dú)立地把每一輸入波長信道路由至適當(dāng)?shù)妮敵龆丝凇ｋx開每一個這些輸出端口的信號流，一般包括來自各個始發(fā)節(jié)點(diǎn)的信號，但離開一給定輸出端口的所有信號，將處在單一波長信道中，或更一般地說，是處在一組波長信道中，該組波長信道與其他輸出端口有關(guān)的類似的組，是不相交的。因此，在各波長信道中到達(dá)的信號被合并，成為離開與該波長信道對應(yīng)的單個輸出端口的信號流。
在一些情形中，例如當(dāng)經(jīng)濟(jì)因素確定，一個或更多波長應(yīng)當(dāng)在多個目的點(diǎn)上再使用時(shí)，最好是只部分地合并，即把給定波長的一些而不是全部信號，合并進(jìn)單個輸出端口。
圖7是具有部分合并功能的WSCC的簡化示意圖。圖上畫出有K個輸入端口60.1-60.K和K個輸出端口100.1-100.K。下面還要說明，可以有附加的輸入和輸出端口，未在圖上畫出。相對于圖6的安排，無源組合器70的位置與波長選擇交換機(jī)90位置被顛倒。結(jié)果是，代替單個波長選擇交換機(jī)，現(xiàn)在對每一輸入端口有一個波長選擇交換機(jī)。因此，在圖中畫出K個波長選擇交換機(jī)90.1-90.K。同樣，代替單個無源組合器，現(xiàn)在對每一輸出端口有一個無源組合器。如圖中所示，有K個無源組合器70.1-70.K。
如圖7所示，來自給定輸入端口60.k(k＝1，...，K)的輸入流，按波長被波長選擇交換機(jī)90.k分為K-1個分開的流。在圖示的示例性安排中，與給定波長對應(yīng)的流，例如離開交換機(jī)90.1-90.K-1的第j個波長(j＝1，...，K-1)，被引導(dǎo)至無源組合器70.j，組合器70.j把這些流合并，又把這些流引導(dǎo)至輸出端口100.j。
從圖可見，對離開交換機(jī)90.K的一些單波長流，也同樣正確。但是，離開輸出端口110.K-1、與第K-1波長信道對應(yīng)的流，并沒有合并進(jìn)無源組合器70.K-1，而不是合并進(jìn)無源組合器70.K。同樣合并進(jìn)無源組合器70.K的，可以有其他輸入端口在第K-1信道的輸出流，以及沒有在圖上明顯畫出的波長選擇交換機(jī)的輸出流。顯然，在帶有部分合并功能的實(shí)際WSCC中，可以有多于一個的波長信道，該波長信道按圖7對第K-1信道所示相同方式，受再使用支配。對每一個這樣再使用的信道，可以有一個或多個波長選擇交換機(jī)與無源組合器的組合，這些波長選擇交換機(jī)與無源組合器的功能，類似于圖上的交換機(jī)90.K和組合器70.K。
實(shí)施無源光組合器的技術(shù)，是眾所周知的，無需在此詳細(xì)討論。根據(jù)NEMS微反射鏡的波長選擇交換機(jī)，例如已經(jīng)在下述文章中演示和說明D.M.Marom等人的“Wavelength-Selective 1×4 Switch for 128WDM Channels at 50GHz Spacing”截止日前后論文FB7，OpticalFiber Conference OFC2002，Los Angels，2002。
圖8是包括WSCC 120與數(shù)據(jù)匯編器130的節(jié)點(diǎn)的示意功能圖。數(shù)據(jù)匯編器的功能，是把信源160的輸入信號流，轉(zhuǎn)換為適當(dāng)定時(shí)的光字符組序列，信源160通常按電域(electrical domain)提供信號輸入，而光字符組則按照相應(yīng)的目的點(diǎn)，分布在多個波長信道上，且至少有些情況是分布在通向WSCC 120的本機(jī)輸入光纖145上。應(yīng)當(dāng)指出，僅作例子而非限制，來自信源160的信號輸入，可以有同步的或異步的格式。示例性的同步格式有DS-1、STS-1、和STS-3。示例性的異步格式有IP、ATM、FR、Ethernet、和SAN。
在該圖中，畫出的數(shù)據(jù)匯編器130包括用于每一波長信道的相應(yīng)緩沖器190。在該圖中，三種示例性波長分別以實(shí)心圓、半實(shí)心圓、和空心圓標(biāo)記。圖上畫出的每一緩沖器190，向相應(yīng)激光發(fā)射器200提供信號輸入。接著，每一激光發(fā)射器200的輸出，在圖上作為光學(xué)上耦合至WSCC的本機(jī)輸入光纖145畫出。
關(guān)于激光發(fā)射器200，應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)可行時(shí)，一般最好使用單個可調(diào)諧激光器，而不用一系列固定波長激光器。因此，應(yīng)當(dāng)指出，圖上作為一系列激光器而畫出的光源，純粹是為說明的目的，不代表任何優(yōu)選實(shí)施例。還應(yīng)指出，當(dāng)事實(shí)上使用固定波長激光器時(shí)，它們不是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，而是間歇地運(yùn)轉(zhuǎn)的。就是說，當(dāng)發(fā)送相應(yīng)波長的字符組時(shí)，激光器接通，而在其他時(shí)候則斷開。
為說明的目的，圖上畫出的WSCC 120有3根本機(jī)輸入光纖145，和6根來自相鄰節(jié)點(diǎn)的輸入光纖140。同樣為說明的目的，畫出的WSCC 120有6根向相鄰節(jié)點(diǎn)輸出的光纖150，和3根本機(jī)分出光纖155、157。
信號光源最好是快速可調(diào)諧激光器，以便能顯著減少激光發(fā)射器的總數(shù)(就此而言，如果激光器的切換時(shí)間小于100ns，該激光器可以認(rèn)為是“快速可調(diào)諧”的)。例如，3個固定激光器200可以只用一個快速可調(diào)諧激光器代替。本發(fā)明這方面可用的，并能以亞納秒從一個波長切換到另一個波長的快速可調(diào)諧激光器，市場上可以購得。
至少在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，最好把定時(shí)信息和其他控制信息分布至分開的網(wǎng)絡(luò)170上各節(jié)點(diǎn)，該分開的網(wǎng)絡(luò)170本文稱為數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)(Data Communications Network，DCN)。利用DCN 170的一個組件，是網(wǎng)絡(luò)調(diào)度程序180。網(wǎng)絡(luò)調(diào)度程序的功能，是為每一源節(jié)點(diǎn)每一波長信道中的光字符組指配時(shí)隙。定時(shí)的安排是必須的，以避免沖突，即防止來自不同源但在一共同波長信道中的字符組，在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)重疊。
如從下面可以看到，通過使用前述的樹圖，可以顯著降低避免沖突的復(fù)雜性。具體說，樹的使用可以確保，只要在目的點(diǎn)不出現(xiàn)沖突，則在任何之前的點(diǎn)也不會發(fā)生沖突。這是根據(jù)如下事實(shí)如果兩個字符組在中間節(jié)點(diǎn)確實(shí)沖突，則它們此后將重合，一直到目的點(diǎn)。
一般地說，網(wǎng)絡(luò)調(diào)度程序應(yīng)計(jì)及每一對源及目的節(jié)點(diǎn)對之間的延遲時(shí)間。解決定時(shí)問題的一種有用途徑，說明于下。
再回到WSCC 120，應(yīng)當(dāng)指出，如圖上所畫，WSCC的每一輸入光纖和輸出光纖，在WSCC內(nèi)扇形展開，呈波長符號的陣列，如上所述，明顯地以三種波長符號表示實(shí)心圓、半實(shí)心圓、和空心圓。這些符號的每一種代表一種波長，該波長能橫越WSCC，從輸入光纖連接至輸出光纖。在圖上以箭頭畫出少量交叉連接，其中每一個從輸入側(cè)波長符號伸延到匹配的輸出側(cè)波長符號。這些交叉連接，通常可以響應(yīng)DCN 170上發(fā)送的信號，按網(wǎng)絡(luò)維護(hù)操作的相對長的時(shí)間尺度特征上重新編程。
合并功能是通過把給定共同波長進(jìn)入的信號，引導(dǎo)至共同輸出端口實(shí)現(xiàn)的。通常，該信號將在共同輸出光纖上離開。
圖中，以用實(shí)心圓符號表示其指配波長信道的節(jié)點(diǎn)，作為代表的節(jié)點(diǎn)。為此，圖上在該信道上畫出4個進(jìn)入的信號，被連接至“本機(jī)分出”的輸出光纖。應(yīng)當(dāng)指出，被引導(dǎo)到輸出光纖157的信號，是本機(jī)產(chǎn)生的信號。該種信號可以用于控制的目的，而不用于通信的目的。
在每一源節(jié)點(diǎn)上，可以在數(shù)據(jù)匯編器130內(nèi)完成集合功能。就是說，進(jìn)來的業(yè)務(wù)流是以IP分組、ATM信元、MLPS幀、等等形式進(jìn)入的。這些來自給定客戶的信息單元，本文此后從生成上稱為“客戶協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)”。來自多個客戶而送至給定目的點(diǎn)的一組PDU，可以集合為單個光字符組。在目的節(jié)點(diǎn)，把接收的光信號解調(diào)之后，每一個這樣的字符組必須去封裝，分為個別客戶的PDU，以便轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的客戶端口。就該方面應(yīng)當(dāng)指出，把集合分開的功能，分別對同步的和異步的信號，可能是必要的。
在圖8中沒有畫出的，是用于檢測本機(jī)分出的光信號的接收機(jī)。在每一節(jié)點(diǎn)，這樣的接收機(jī)是需要的，以便檢測從各種發(fā)射器來的、異步定時(shí)的字符組，并在逐個字符組基礎(chǔ)上完成頻率及相位的同步，使在不同波長上接收的信號能被區(qū)分并在時(shí)間上分離。適合用于此目的的接收機(jī)是已知的，并在本領(lǐng)域內(nèi)稱為“字符組模式接收機(jī)”。這種接收機(jī)的說明，例如見S.Rubin等人的“Implementation of ultrafast widely-tunableburst-mode 10Gbit/s transceiver”，Electronics Letters 38(Nov.2002)1462-1463。
促成同步的一種有用的方式，是通過前置于每一光字符組的前同步碼字段。這樣可使接收機(jī)中的同步裝置，與發(fā)射器每一字符組的比特流同步。一旦已經(jīng)取得比特同步，字符組開始的定界符字段，它同樣是前置于光字符組的，將對描繪該字符組發(fā)生作用。
對字符組長度實(shí)際上的較低限制，是因不同節(jié)點(diǎn)間缺少共同定時(shí)而產(chǎn)生的。在各優(yōu)選實(shí)施例中，每一節(jié)點(diǎn)從GPS得到它的按日定時(shí)，它通常的不確定性為100ns或更小。為了對該不確定性留出余量，兩個相鄰的字符組，一般分開一段與該不確定性相同量級的保護(hù)時(shí)間間隔。于是，為獲得高的效率，字符組的長度應(yīng)比該保護(hù)時(shí)間間隔長得多。另一方面，字符組的長度不宜過長，以免顯著增加分組化的延遲。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，字符組的長度在數(shù)微秒到數(shù)十微秒范圍，可以提供使用當(dāng)前可用技術(shù)的良好的折衷。
舉例來說，光字符組的格式，除可以有一些修改外，最好遵從2001年12月標(biāo)準(zhǔn)文件ITU-T Rec.G.7041.“Generic Framing Procedure(GFP)”中說明的GFP說明書。一種有用的修改，是擴(kuò)充GFP有效負(fù)荷長度字段，以便能容納較長的有效負(fù)荷。另一種有用的修改，是添加一PDU長度字段，以便每一客戶的PDU能夠在有效負(fù)荷內(nèi)描繪。還有另一種有用的修改，是添加前同步碼和字符組開始定界符。
在一個組織光字符組傳輸?shù)氖痉缎苑桨钢?，每一字符組由一個時(shí)隙載運(yùn)。因此，一個時(shí)隙總的持續(xù)時(shí)間，是有效負(fù)荷持續(xù)時(shí)間、保護(hù)時(shí)間、及額外開銷持續(xù)時(shí)間之和。典型的時(shí)隙持續(xù)時(shí)間，是2-20微秒，這對光信道速率為10Gbps和最小粒度流約為50Mbps，是合適的。許多時(shí)隙，通常是150-200個，被封裝在重復(fù)的周期內(nèi)。
調(diào)度功能的作用，是向始發(fā)-目的對指配時(shí)隙，使沖突能夠避免、時(shí)隙利用率最大、和對每一始發(fā)-目的對最好保證至少一些極小的傳輸速率。在本發(fā)明的一些示范性實(shí)施例中，一種分布的調(diào)度程序(DS)支持異步業(yè)務(wù)，而一種集中的調(diào)度程序(CS)則支持同步的業(yè)務(wù)。為避免DS與CS競爭同一時(shí)隙，每一周期最好細(xì)分為兩個周期—各用于一種業(yè)務(wù)類型的傳輸。
有利的做法是，每一DS與給定的目的點(diǎn)相聯(lián)系，并在那些有信息要向該目的點(diǎn)發(fā)送的始發(fā)節(jié)點(diǎn)間，執(zhí)行調(diào)度。DS考察從源發(fā)送的帶寬請求，并作為響應(yīng)，準(zhǔn)許在隨后的周期中選擇時(shí)隙。請求和準(zhǔn)許的消息在帶內(nèi)發(fā)送，即在作為數(shù)據(jù)信道的同一光信道中發(fā)送，而不是在DCN上發(fā)送，以便該信息能足夠迅速地交換，適應(yīng)請求的變化。
CS調(diào)度同步業(yè)務(wù)的字符組傳輸，因?yàn)槠渲锌蛻舻腜DU是周期地到達(dá)的，且對這種傳輸，連接的帶寬是相對地恒定的。因此，CS能夠在相對長的時(shí)間尺度上，如秒的量級，收集并處理相關(guān)信息，如業(yè)務(wù)需求矩陣。所以，CS能運(yùn)行非常有效的算法，為始發(fā)-目的節(jié)點(diǎn)對計(jì)算需要的時(shí)隙分配。一個這樣的算法說明于后。顯然，調(diào)度程序必須考慮各種節(jié)點(diǎn)對之間的傳播延遲。
當(dāng)前感興趣的調(diào)度算法，是根據(jù)各字符組間避免沖突的問題，與無關(guān)組的圖理論概念之間的關(guān)系。在圖理論中，一組頂點(diǎn)無關(guān)組包括無相鄰頂點(diǎn)的對，就是說，沒有一對頂點(diǎn)是由一條邊連接的。把圖理論應(yīng)用于調(diào)度問題，是通過在給定時(shí)隙內(nèi)，向從某些節(jié)點(diǎn)i到某些節(jié)點(diǎn)j的每一可能的傳輸，指配一個頂點(diǎn)(i，j)。
如果兩個頂點(diǎn)(i，j)、(i′，j′)滿足鄰域條件，則得到的圖的兩個頂點(diǎn)(i，j)、(i′，j′)是相鄰的。如果傳輸是瞬時(shí)的，或如果節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的傳輸延遲dij，對所有i和j皆相等，那么，如果i＝i′或如果j＝j(luò)′，則鄰域條件被滿足(除非另一種敘述，包括“或”字)。
把i和i′的等同性作為禁止沖突的處理，是因?yàn)槊恳皇及l(fā)節(jié)點(diǎn)，在每時(shí)隙中，可以向不多于一個目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送。j和j′的等同性(對i≠i′)，表明如下意義的沖突不同始發(fā)點(diǎn)的發(fā)送，在同一時(shí)隙到達(dá)一共同目的點(diǎn)。
如果對不同的(i，j)，dij不同，則鄰域條件更為復(fù)雜。我們引進(jìn)時(shí)隙指數(shù)k，k＝1，...，T，這里T足夠大，足以調(diào)度當(dāng)前指定業(yè)務(wù)需求Wij的絕大部分或全部。如果從i到j(luò)的傳輸在時(shí)隙k開始，對應(yīng)的頂點(diǎn)現(xiàn)在記以指數(shù)(i，j，k)。
對i≠i′，如果頂點(diǎn)(i，j，k)和(i′，j′，k′)有共同的目的點(diǎn)(j＝j(luò)′)，并在時(shí)隙k，從i發(fā)送的字符組，與在時(shí)隙k′(k+dij＝k′+di′j)，從i′發(fā)送的字符組，同時(shí)到達(dá)j，則頂點(diǎn)(i，j，k)和(i′，j′，k′)現(xiàn)在滿足鄰域條件。按照上面的解釋，如果一對頂點(diǎn)有共同的始發(fā)點(diǎn)(i＝i′)和共同的開始時(shí)隙(k＝k′)，則它們也滿足鄰域條件。
為下面說明的算法的目的，我們還引進(jìn)一種頂點(diǎn)性質(zhì)，我們稱之為可行性(feasibility)。如果一個頂點(diǎn)(i，j，k)尚沒有字符組在時(shí)隙k從節(jié)點(diǎn)i被調(diào)度，或尚沒有指向節(jié)點(diǎn)j的字符組被調(diào)度，以便在時(shí)隙k+dij到達(dá)，則該頂點(diǎn)(i，j，k)是可行的。第二個另外的條件，是指對k′＝k+dij-di′j的傳輸(i′，j，k′)尚沒有被調(diào)度。
因此，如果字符組能夠在時(shí)隙k中被調(diào)度，而不必害怕被禁止沖突，那么在時(shí)間k，節(jié)點(diǎn)對(i，j)的可行性指示符取單位值。否則，可行性指示符取零值?？尚行灾甘痉糜诨旧戏乐贡唤沟臎_突。在此意義上，“基本上防止”是指防止一切沖突，但由于定時(shí)不準(zhǔn)確或延遲測量不準(zhǔn)確發(fā)生的沖突除外。
應(yīng)當(dāng)指出，在把延遲添加到時(shí)隙指數(shù)時(shí)，每一延遲dij舍入到下一個更高的完整的時(shí)隙單元。
傳輸?shù)臒o關(guān)組能夠在單個時(shí)隙內(nèi)一齊發(fā)送，因?yàn)榘炊x，無關(guān)傳輸不會在始發(fā)點(diǎn)或在目的點(diǎn)上沖突。將要說明的算法，是在兩個要求的目標(biāo)之間尋找折衷對每一相繼的時(shí)隙，發(fā)現(xiàn)最大可能的、尚未調(diào)度需求的無關(guān)組；和在節(jié)點(diǎn)對之間，優(yōu)先取那些仍有最大未調(diào)度需求的節(jié)點(diǎn)對。
要獲得需要的折衷，算法關(guān)系到我們這里稱為歸一化權(quán)重(NW)的量。節(jié)點(diǎn)對(i，j)在時(shí)間k的NW，是該節(jié)點(diǎn)對之間未調(diào)度的需求Dij，除以時(shí)間k時(shí)節(jié)點(diǎn)對(i，j)鄰域中各節(jié)點(diǎn)對的未調(diào)度需求之和。
重要的是，這一求和是在時(shí)間上和在節(jié)點(diǎn)對上進(jìn)行的。因此，在每一時(shí)隙k′，被計(jì)數(shù)的節(jié)點(diǎn)對(i′，j′)，是那些且只有那些與(i，j)相鄰、頂點(diǎn)(i′，j′，k′)對之滿足可行性條件(作為進(jìn)一步的要求，不是另外的要求)的節(jié)點(diǎn)對(i′，j′)。(就這一方面而言，(i，j)應(yīng)考慮成它自身鄰域的一員)。
NW由下面方程式表示NWij(k)=fij(k)·DijΣi′j′k′Di′j′·fi′j′(k′),]]>這里求和僅對(i，j，k)鄰域的頂點(diǎn)進(jìn)行，并且，如果(i′，j′，k′)是可行的，則fi′j′(k′)等于1，否則等于零。
按照我們的調(diào)度算法，我們首先對k∈{1，...，T}，尋找有最大NW的可行的頂點(diǎn)(i*，j*，k*)。我們調(diào)度(i*，j*，k*)并把Di*j*減去一單位。我們重復(fù)同樣過程，直至所有需求已經(jīng)被調(diào)度，或直至剩余的頂點(diǎn)沒有一個是可行的。
在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中，最好包括用于維持節(jié)點(diǎn)對之間連接的保護(hù)方案，以應(yīng)對鏈路失效或其他故障。我們設(shè)計(jì)了一種容易實(shí)現(xiàn)的保護(hù)方案，下面將說明。可以預(yù)料，實(shí)施保護(hù)方案將使網(wǎng)絡(luò)性能有所降低。但是，根據(jù)現(xiàn)實(shí)的業(yè)務(wù)模型的許多模擬，已經(jīng)表明，用我們的方案受到的性能懲罰，普遍相對地小。
按照我們的保護(hù)方案，任何一對節(jié)點(diǎn)對，都被指配兩條路徑主路徑用于正常運(yùn)行；在檢測到故障時(shí)切換至備用路徑。通向每一目的節(jié)點(diǎn)的該組備用路徑，構(gòu)成與該節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系的備用樹。雖然目前的討論假定，向所有節(jié)點(diǎn)對提供保護(hù)，但當(dāng)只向這些節(jié)點(diǎn)對的一個子集提供保護(hù)時(shí)，顯然可作同樣的討論。
利用主樹，任何一種已知的算法可以立刻用于產(chǎn)生備用樹。一般說來，最有利的做法，是使每一備用路徑與對應(yīng)的主路徑不相交，于是，至少對簡單的故障，兩條路徑中某一時(shí)刻只能有一條失效。
實(shí)施調(diào)度算法，例如以上所述的一個算法，是為了調(diào)度主路徑和備用路徑兩條路徑。通過用兩對節(jié)點(diǎn)對(ip，jp)和(ib，jb)代替每一節(jié)點(diǎn)對(i，j)，該兩對節(jié)點(diǎn)對各有相應(yīng)的延遲δijp和δijb(通常主延遲應(yīng)為較小的延遲)，可以達(dá)到這一目標(biāo)。
在實(shí)施調(diào)度算法時(shí)，按施于主節(jié)點(diǎn)對相同的方式，把禁止沖突的要求施于備用節(jié)點(diǎn)對。但是，這些禁止沖突的要求，不應(yīng)施于主路徑及其對應(yīng)的備用路徑之間。
在正常的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，所有需求都在主路徑上實(shí)現(xiàn)，因此，在主路徑與備用路徑間，要調(diào)度的需求為零。當(dāng)受影響的節(jié)點(diǎn)對檢測到失效時(shí)，在這些節(jié)點(diǎn)對之間的所有需求，將切換至備用路徑，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)度。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，包括由光通信網(wǎng)絡(luò)互連的多個節(jié)點(diǎn)，使至少一些所述的節(jié)點(diǎn)對，相對于網(wǎng)絡(luò)上傳送的光字符組，能作為始發(fā)-目的節(jié)點(diǎn)對而起作用；一個或更多無源光學(xué)裝置，各占用網(wǎng)絡(luò)的一個分支點(diǎn)，各用于把光字符組按波長分類，送進(jìn)相應(yīng)的輸出分支，所述裝置還能用于為每一目的節(jié)點(diǎn)定義至少一個樹圖；和字符組調(diào)度程序，能用于調(diào)度始發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的字符組；其中每一樹圖的根，在一特定的目的節(jié)點(diǎn)，并有一個或更多指配的波長，專用于該根目的節(jié)點(diǎn)；每一樹圖代表光字符組從始發(fā)節(jié)點(diǎn)到達(dá)相關(guān)目的節(jié)點(diǎn)的所有允許的路徑；和調(diào)度程序適于按一定方式，為同一目的點(diǎn)但來自不同的始發(fā)節(jié)點(diǎn)，調(diào)度字符組，該方式可以基本上防止這些字符組同時(shí)到達(dá)共同的目的節(jié)點(diǎn)。
2.一種光通信方法，包括a)產(chǎn)生多個光信號，每一光信號有指定的持續(xù)時(shí)間和指定的波長；和b)從網(wǎng)絡(luò)的始發(fā)節(jié)點(diǎn)，無源地把每一光信號傳送至由信號波長確定的目的節(jié)點(diǎn)；其中c)該網(wǎng)絡(luò)包括至少一個有兩個或更多輸出分支的分支點(diǎn)；d)對所述多個光信號的至少一個信號，該信號到它的目的節(jié)點(diǎn)的無源傳送，包括信號從網(wǎng)絡(luò)的至少一個分支點(diǎn)，經(jīng)過由信號波長確定的一個輸出分支的傳送；和e)光信號的產(chǎn)生和傳送的實(shí)施，要能使至少兩個有不同信號波長的不同光信號，從共同的始發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送至不同的目的節(jié)點(diǎn)。
3.按照權(quán)利要求2的方法，其中的多個光信號，是按照調(diào)度表產(chǎn)生的，且該調(diào)度表的設(shè)計(jì)，要基本上防止有同一波長但來自不同始發(fā)節(jié)點(diǎn)的信號，同時(shí)到達(dá)同一目的節(jié)點(diǎn)。
4.按照權(quán)利要求2的方法，其中，至少在一個分支點(diǎn)上，所述多個有同一波長的所有離開的信號，被合并在一共同離開的光纖上。
5.按照權(quán)利要求2的方法，其中至少在一個有兩個或更多輸入端口的分支點(diǎn)上，所述多個有同一波長的所有離開的信號，被合并在一共同離開的光纖上；至少還有一個具有指定波長的光信號，通過輸入端口進(jìn)入該分支點(diǎn)，并被無源地引導(dǎo)到離開的光纖上；和所述波長和所述輸入端口聯(lián)合起來，為所述還有一個的光信號，確定離開的光纖的選擇。
6.按照權(quán)利要求2的方法，其中無源傳送的實(shí)施，要能使每一光信號遍歷通過與相關(guān)信號波長相聯(lián)系的拓?fù)錁涞穆窂剑嚓P(guān)的始發(fā)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成樹的葉，而相關(guān)的目的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成樹的根。
全文摘要
在一種光通信的系統(tǒng)和方法中，光信號在多個波長信道中產(chǎn)生。每一光信號被無源地從網(wǎng)絡(luò)的始發(fā)節(jié)點(diǎn)，傳送至目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)是由信號波長確定的。至少對一些信號，無源傳送包括通過網(wǎng)絡(luò)分支點(diǎn)的傳送，使被路由的信號通過的輸出分支，由信號確定。在一些實(shí)施例中，信號是按照調(diào)度表產(chǎn)生的，調(diào)度表的設(shè)計(jì)，要基本上防止有同一波長但來自不同始發(fā)節(jié)點(diǎn)的信號，同時(shí)到達(dá)同一目的節(jié)點(diǎn)。
文檔編號H04B10/20GK1543260SQ20041003666
公開日2004年11月3日 申請日期2004年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月30日
發(fā)明者蘭迪·C·吉爾斯, 戴巴西斯·米特拉, 伊拉吉·桑尼, 因德拉·維德佳佳, 馬丁·澤恩吉伯, 桑尼, 維德佳佳, 蘭迪 C 吉爾斯, 斯 米特拉, 澤恩吉伯 申請人:朗迅科技公司