DE69913488T2

DE69913488T2 - Kommunikationssystem mit Stern/Ring Topologie

Info

Publication number: DE69913488T2
Application number: DE69913488T
Authority: DE
Inventors: Alan Michael Woodbridge HILL
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 1998-01-03
Filing date: 1999-01-15
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2019-01-16
Also published as: DE69913488D1; WO1999037050A1; EP1050130B1; EP1050130A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kommunikationssystem, das ein Netz mit Stern-Topologie verwendet und das sich sowohl für Wellenlängenmultiplex (WDM) als auch für andere optische Übertragungsverfahren eignet.
Die WDM-Technik wurde allgemein interessant, weil sie die in optischen Netzen verfügbare Bandbreite ganz und flexibel nutzen kann. Darum wurde sie beispielsweise für Fernverbindungsnetze vorgeschlagen, welche die Fernvermittlungen eines nationalen Telekommunikationsnetzes verbinden. Verschiedene unterschiedliche Netzstrukturen und Schalttechniken sind bei der Ausführung eines WDM-Netzes möglich. Dazu gehört ein sternförmiges Netz, das beispielsweise N Knoten über einen einzigen N × N-WDM-Router im zentralen Netzknoten verbindet. Eine alternative Struktur ist ein Add/Drop-WDM-Multiplex-(ADM-)Ring, bei dem jeder Knoten Wellenlängenkanäle von und zu anderen Knoten hinzufügt bzw. abnimmt. Andere Alternativen sind ein WDM-Ring zum Senden und Auswählen oder ein beliebiges Netz. Bei der Auswahl einer geeigneten Struktur müssen verschiedene Bedingungen erfüllt werden. Außer der grundsätzlichen Forderung, dass eine geeignete Anzahl von Kanälen mit einem leicht zu erzeugenden Kanalabstand bereitgestellt wird, sollten die Kosten der Bestandteile des Netzes möglichst gering sein. Bei einem Netz, das groß genug ist, ein Land abzudecken, werden die Kosten entscheidend von der gesamten Faserlänge bestimmt. Außerdem ist die Stabilität des Netzes wichtig, d. h. die Fähigkeit, auch nach dem Ausfall von einer oder mehreren Komponenten weiter zu funktionieren. Bislang war es schwierig, beide Forderungen miteinander zu verbinden: Netze, die genügend redundant ausgelegt sind, um Ausfälle von Komponenten auffangen zu können, benötigen längere Fasern und zusätzlich auch andere Komponenten.
In der Anmeldung EP 0599177-A wird ein optisches Stern- und Ringnetz offenbart, bei dem das sternförmige Netz zur Übermittlung von Daten zwischen Knoten und das Ringnetz zur Übermittlung von Wellenlängensteuerinformationen sowohl mit elektrischen oder auch mit optischen Mitteln verwendet wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Kommunikationssystem bereitgestellt mit: a) einem optischen Netz mit einer Stern-Topologie; b) mehreren Knoten, die am Rand des optischen Netzes mit Stern-Topologie angeordnet sind und die dazu dienen, optische Signale mit anderen Knoten auszutauschen; c) Router-Einrichtungen, die über das Netz mit den mehreren Knoten verbunden sind und bei der Hub-Einrichtung des Netzes angeordnet sind, und d) einem optischen Ringnetz, das wenigstens einige der mehreren Knoten miteinander verbindet, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, dass einer oder mehrere der mehreren Knoten dazu dienen, Verkehr für einen anderen der Knoten weiterzuleiten, der von dem Knoten um weniger als um einen vorgegebenen Abstand entlang dem optischen Ringnetz entfernt ist, und Verkehr für einen anderen Knoten über das optische Netz mit Stern-Topologie weiterzuleiten, der vom ersten Knoten um mehr als der vorgegebene Abstand entfernt ist.
Die vorliegende Erfindung ergibt ein Netz, das im Vergleich beispielsweise zu herkömmlichen Add/Drop-Ringnetzen mit weniger langen Fasern auskommt und das bei bevorzugten Ausführungsformen im Betrieb außerdem stabiler und flexibler ist. Dies wird erreicht, indem ein sternförmiges Netz mit einem Ringnetz kombiniert wird. Für Verbindungen zwischen relativ nahe bei einander liegenden Knoten wird der Verkehr über den Ring geleitet, während das sternförmige Netz bei Verbindungen eingesetzt wird, bei denen die Sternstruktur weniger Fasern benötigt als eine Ringverbindung. Auf diese Weise wird die vom Netz insgesamt benötigte Faserlänge und damit der Kapitalaufwand für das Netz deutlich verringert.
Das optische Ringnetz ist vorzugsweise ein Add/Drop-Wellenlängenmultiplex-Ringnetz.
Das System umfasst außerdem vorzugsweise Übertragungspfade am Rand, die wenigstens einige der mehreren Knoten miteinander verbinden und über die der Verkehr, der bei einer Störung einer Komponente des optischen Kommunikationssystems vom normalen Pfad abgeleitet wurde, übertragen wird.
Die bevorzugte Eigenschaft der Erfindung ist, dass die Stabilität des Netzes erhöht wird, indem am Rand der grundlegenden Stern- Topologie Übertragungspfade hinzugefügt werden, durch die Knoten direkt, also nicht über den zentralen Netzknoten, miteinander verbunden werden. Bei dieser Anordnung kann die Kapazität der Hauptverbindungen zwischen den Knoten und dem zentralen Netzknoten vollkommen ausgeschöpft werden, indem beispielsweise ein Teil des Verkehrs von einem Knoten abgeleitet wird und dann mit dem Verkehr eines anderen Knoten zusammengeführt wird, bevor er zum Netzknoten weitergeleitet wird. Außerdem ergeben sich mehr Möglichkeiten, den Bereitschaftsverkehr bei Netz- oder Router-Störungen umzuleiten. Eine Analyse des Erfinders hat gezeigt, dass mit dieser Anordnung ein gewünschter Grad von Schutz gegen Störungen mit weniger langen optischen Fasern und damit zu geringeren Kapitalkosten erreicht werden kann. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung in WDM-Netzen beschränkt, sondern sie erweist sich zum Beispiel auch bei einem optischen Netz als vorteilhaft, das einen Zeitmultiplex-SDH-(Synchron-Digital-Hierachie-)Verkehr überträgt.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem Verfahren zum Betrieb der Systeme, die gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung konstruiert wurden.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sollen nun lediglich anhand von Beispielen in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben werden.
1 ist die Darstellung eines Kommunikationssystems nach dem Stand der Technik mit einem sternförmigen Netz.
2 ist die Darstellung eines Netzes für die Verwendung in einem System gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Diagramm, das einen Multiplexer/Demultiplexer für das Netz aus 3 zeigt.
4 ist die Darstellung einer alternativen Multiplexer/Demultiplexer-Struktur.
5 ist die Darstellung einer weiteren alternativen Multiplexer/Demultiplexer-Struktur.
6 ist die Darstellung eines zweiten Beispiels eines Netzes gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt die Vermittlungspfade an einem der Vermittlungsknoten aus 6.
8 ist der Schaltplan einer experimentellen Ausführung des Systems aus 7, und
9 ist die Darstellung eines dritten Beispiels eines Netzes gemäß der Erfindung.
10 ist die Darstellung eines vierten Beispiels eines Netzes gemäß der Erfindung.
11 zeigt eine Verteilung von Kanälen an einem Knoten zwischen arbeitenden Routern.
12a und 12b zeigen Beispiele von Routern gemäß dem Verteilungsschema aus 11.
13 ist die Darstellung eines Kriteriums für die Verbindung von Knoten in einer hybriden Ring-/Stern-Topologie.
14 ist ein Beispiel für ein gemäß dem Kriterium aus 13 aufgebauten Netz.
Beschreibung der Beispiele
1 zeigt ein herkömmliches Kommunikationssystem mit einem faseroptischen Netz 1 mit Stern-Topologie. Mehrere Knoten 2 befinden sich an unterschiedlichen Orten am Rand des Netzes. Die Knoten 2 sind über das faseroptische Netz 1 mit einem Router 3 verbunden, der sich bei dem zentralen Netzknoten befindet. Der Router ist in diesem Beispiel ein passiver N × N-Wellenlängenmultiplex-Router. Er verbindet N Eingänge mit N Ausgängen, wobei N die Anzahl der Knoten im Netz ist. Die Zweige des faseroptischen Netzes 1 enthalten optische Verstärker 4a, 4b, so dass das Netz vollkommen mit Licht arbeitet, also ohne optoelektronische Wandlung und Wiederherstellung. Jeder Knoten 2 enthält mehrere Sendestationen und Empfangsstationen. Die Wellenlängen, mit denen Sender und Empfänger arbeiten, können variiert werden.
Wenn im Betrieb einer der Knoten Verkehr zu einem anderen Knoten leiten muss, wird eine Sendestation am Ausgangsknoten auf einen Wellenlängenkanal abgestimmt, der dem gewünschten Ziel entspricht. Das Signal wird dann im optischen Bereich von der gewählten Station ausgegeben, wird mit anderen Wellenlängenkanälen für andere Sendestationen kombiniert und läuft dann über die nach außen gehende Faser in den entsprechenden Zweig des faseroptischen Netzes 1. Am zentralen Netzknoten ist die Faser vom sendenden Knoten mit einem der N Eingangsanschlüsse des Routers 3 verbunden. Der Router leitet das Signal intern zu einem der N Ausgangsanschlüsse. Der Ausgangsanschluss wird durch die Wellenlänge des Signals bestimmt. Das Signal läuft dann über das faseroptische Netz zum Zielknoten. Der Zielknoten trennt jeden Wellenlängenkanal mittels eines Wellenlängen-Demultiplexers oder eines Strahlteilers und mehrerer abstimmbarer Filter. Ein Betrieb vollkommen ohne Blockierungen wird für jede Verkehrsmatrix zwischen Knoten erreicht, indem die Wellenlängen zwischen Scheinanschlüssen rings um den Router gewandelt werden.
Bei diesem herkömmlichen Kommunikationssystem und auch bei Systemen gemäß der Erfindung können die variablen Sender und Empfänger durch mehrere Sender und Empfänger mit fester Wellenlänge ersetzt werden, wobei unterschiedliche Sender und Empfänger mit unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten. Solch ein System arbeitet im wesentlichen so wie oben beschrieben, allerdings mit einer geringeren Flexibilität. Bei einem Betrieb mit festen Wellenlängen können mit den Wellenlängen-Multiplexern Gruppen von Sendestationen in einer nach außen gehenden optischen Faser zusammengefasst werden.
2 zeigt ein Kommunikationssystem mit einer Stern-Topologie sowie mit äußeren Übertragungspfaden. Wie im Netz aus 1 verbindet ein faseroptisches Netz 1 mit Stern-Topologie die Knoten 2 mit dem zentralen Netzknoten 3. Zusätzlich zu den Verbindungen 101–105, die direkt von den Knoten 2 zum zentralen Netzknoten laufen, enthält das Netz auch äußere Übertragungspfade P, die benachbarte Knoten 2 direkt verbinden und die insgesamt einen Ring bilden, der alle Knoten 2 verbindet. Bei diesem Netz umfasst der Netzknoten statt einem einzigen N × N-Router mehrere N × N-Router, von denen jeder mit allen N Knoten verbunden ist, aber jeder nur den Verkehr von einem Teil der Stationen in jedem Knoten empfängt. Die Struktur dieses Netzknotens wird in der am 27.01.1997 eingereichten, ebenfalls anhängigen englischen Patentanmeldung 9701591.1, BT Bezugsnummer A25353, dieses Anmelders beschrieben und beansprucht. Die gesamte Kapazität aller Router in Bezug auf die Anzahl unterschiedlicher Kanäle, die von den Routern verarbeitet werden können, ist größer als die gesamte Kapazität der N Knoten. Die Figur zeigt, wie an jedem Knoten die Sender- und Empfängerstationen in Gruppen unterteilt sind. Zur Veranschaulichung sind im Knoten mit Referenzzahlen die Ausgänge einer ersten Gruppe von Sendestationen 501 über Faserkoppler, die keine Wellenlänge selektieren, mit der nach außen gehenden optischen Faser 101 gekoppelt. Diese optische Faser ist mit einem Eingang im ersten Router 301 verbunden. Eine zweite Gruppe von Sendestationen 502 ist über eine zweite optische Faser 102 mit einem zweiten Router 302 und die dritten Sendestationen 503 sind über eine dritte optische Faser 103 mit einem dritten Router 303 gekoppelt. Entsprechend sind die Empfangsstationsgruppen 601, 602, 603 mit den jeweiligen Ausgängen der Router 301, 302, 303 gekoppelt. Optische Schalter sind zwischen die unterschiedlichen Zweige des Netzes geschaltet. Wie im folgenden genauer beschrieben wird, können mit den Schaltern ein oder mehrere Faserpfade und/oder ein oder mehrere Router überbrückt werden, wenn eine Komponente ausfällt.
Hinsichtlich der Topologie des Netzes befinden sich alle N × N-Router bei dem zentralen Netzknoten. Vorzugsweise werden jedoch unterschiedliche Standorte für die unterschiedlichen Router verwendet. Die Router können auf verschiedene Standorte verteilt sein, oder es kann jeder Router seinen eigenen Standort haben. Im englischen Fernverbindungsnetz befinden sich alle diese unterschiedlichen Standorte in einem Radius von 10 km um das geographische Zentrum des Netzes herum. Durch die unterschiedlichen Standorte wird das System stabiler, da sich ein zufälliger Schaden oder ein Feuer in einem einzelnen Standort weniger auswirken kann.
14 zeigt, dass ein Netz gemäß der Erfindung zusätzlich zum bereits beschriebenen sternförmigen Netz und zu Übertragungspfaden am Rand auch ein Add/Drop-Ringnetz enthält, so dass das System insgesamt eine hybride Ring-/Stern-Topologie hat. Obwohl im sternförmigen Netz aus 2 die Fasern, die um den Rand des sternförmigen Netzes laufen, wie ein Ring aussehen, der die Knoten verbindet, sollen diese jedoch nur das sternförmige Netz schützen. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Ring im Ringnetz aus 14 einige Verbindungen, die das sternförmige Netz insgesamt umgehen. Eine Analyse des Erfinders ergibt, dass für einige Verbindungen zwischen zwei Knoten, die am Rand verhältnismäßig nah zusammen liegen, die Faserlänge für Verbindungen entlang des Rings geringer als die Faserlänge für eine Verbindung über den Zentralknoten eines sternförmigen Netzes ist. Verbindungen zwischen solchen Knotenpaaren sollten über einen herkömmlichen WDM-ADM-Ring ausgeführt werden, während Verbindungen von Knoten zu Knoten, für die die Sternstruktur weniger Fasern benötigt, über den Stern ausgeführt werden sollten. Bei dieser Ausführungsform kann daher zusätzlich Faserlänge eingespart werden, weil das sternförmige Netz zusammen mit dem Ringnetz kombiniert wird, wobei die jeweilige Verbindung von Knoten zu Knoten so hergestellt wird, dass die wenigsten Fasern für die spezielle Verbindung von Knoten zu Knoten benötigt werden. Die Entscheidung, welche Verbindung am besten ist, hängt nicht nur von den realen Abständen zwischen zwei Knoten über das jeweilige Netz ab, sondern es müssen auch die Anforderungen zum Schutz der Fasern in jedem Netz berücksichtigt werden. Eine geeignete Auslegungsregel ist: Die Verbindungen von Knoten zu Knoten, für die die Anforderungen in Bezug auf die Fasern (einschließlich Schutzfaser) über einen WDM-ADM-Ring insgesamt niedriger sind, sollten über den Ring übertragen werden, während diejenigen, für die die Anforderungen in Bezug auf die Fasern über einen Stern niedriger sind, sollten über das sternförmige Netz übertragen werden. Eine optimale Lösung kann dann durch ein iteratives Auffüllverfahren erreicht werden, mit dem die Kapazität einzelner Knoten zwischen Stern- und Ringnetz aufgeteilt wird.
Als Beispiel wird in 13 angenommen, dass N Knoten gleichförmig auf einem Kreis mit Radius R verteilt sind, und die Matrix des Verkehrs von Knoten zu Knoten gleichverteilt ist. Betrachtet werde der Verkehr zwischen dem Knoten i und dem Knoten j. Ihre physikalische Entfernung entlang des WDM-ADM-Rings ist 2π(j – i)R/n. Die Kapazität von Knoten i zu Knoten j müsste zur Sicherheit verdoppelt werden, was im Ergebnis die Entfernung auf 4π(j – i)R/n entlang eines Rings erhöht. Aber über den Netzknoten eines sternförmigen Netzes würde derselbe Verkehr eine Entfernung von 2R zurücklegen müssen. In erster Nährung sollte der Verkehr von Knoten i zu Knoten j über das Ringnetz statt über das sternförmige Netz übertragen werden, wenn 4π(j – i)R/N < 2R,d. h. für alle Knoten i, j, für die (j – i) < N/2π, also < 3,5 bei N = 22.
Der genaue Grenzwert des Abstandes zwischen den Knoten zur Auswahl zwischen ring- und sternförmigem Netz, wird außerdem von den genauen Faserlängen beeinflusst, die für den gewählten Sicherheitsgrad im sternförmigen Netz benötigt werden.
14 zeigt ein Netz gemäß diesen Kriterien. In diesem Beispiel enthält das Netz sowohl periphere Verbindungen 141 zwischen Knoten, die Schutzverkehr übertragen, als auch ein Add/Drop-WDM-Ringnetz 142. Der Knoten 1 ist so programmiert, dass er Kapazität zum Knoten 3 über das Ringnetz 142 leitet, da für dieses Netz mit 22 Knoten j – i < 3,5 ist. Knoten 1 leitet Kapazität zum Knoten 10 über den zentralen Netzknoten des sternförmigen Netzes, da in diesem Fall j – i > 3,5 ist.
Bei den gerade beschriebenen Beispielen bildet das Kommunikationssystem das Fernverbindungsnetz eines nationalen Telekommunikationsnetzes. Jeder Knoten stellt eine Fernvermittlung dar, und sie ist mit mehreren lokalen digitalen Vermittlungsstellen (DLEs) 8a, 8b verbunden. Die Verbindungen zwischen den DLEs 8 und den Knoten 2 können sowohl Breitbandschaltungen etwa im ATM (asynchronen Übertragungsbetrieb) als auch herkömmliche schmalbandige Schaltungen für Sprachtelephonie sein. Obwohl zur Veranschaulichung nur drei Knoten gezeigt werden, können in der Praxis, wie etwa im englischen Fernverbindungsnetz, beispielsweise 23 Knoten verwendet werden. Üblicherweise benötigt ein System dieser Größe 12 23 × 23-Router bei dem zentralen Netzknoten.
Wenn im Betrieb ein mit der ersten DLE 8a verbundener erster Teilnehmer S1 einen mit der zweiten DLE 8b verbundenen zweiten Teilnehmer S2 anruft, wird der Anruf zunächst auf die gängige Art mit Netzsignalisierungsnachrichten eingerichtet, um eine Schaltung über das Fernverbindungsnetz von der ersten DLE 8a zur zweiten DLE 8b aufzubauen. Der Knoten 2a, der als Fernvermittlung arbeitet, erhält elektrische Signale vom Teilnehmer S1 über die DLE 8a. Das Teilnehmersignal wird elektrisch auf eine Sendestation 501 geschaltet, die es dann aufmoduliert. In diesem Fall wird beispielsweise eine der Stationen 501 gewählt, die mit der ersten optischen Faser 101 verbunden sind. Die Wellenlänge, mit der die gewählte Station arbeitet, wird von einem Verkehrs- bzw. Netzbetriebssystem (automatisch, manuell oder je nach Design) entsprechend dem vorgesehenen Zielknoten ausgewählt. Bei einem Netz mit 23 Knoten können 45 unterschiedliche Wellenlängen innerhalb des Erbium-Fensters mit einem Kanalabstand von 0,8 nm im Netz verwendet werden. Jede Gruppe von Stationen an einem einzigen Zweig des Netzes verwendet den jeweiligen Teil von 23 der 45 möglichen Wellenlängen, so dass ein Wellenlängenkanal für jeden der anderen Knoten bereitgestellt wird. In diesem Beispiel wird der zweite Wellenlängenkanal λ₂ für die Sendestation 501 ausgewählt. Ein mit dem Signal des Teilnehmers S 1 modulierter optischer Träger mit dieser Wellenlänge wird auf der Faser 101 zum Router 301 hin übertragen. Der Router 301 leitet die an den entsprechenden Eingangsanschlüssen empfangenen Signale mit einer Wellenlänge λ₂ an den Ausgangsanschluss, der über die optische Faser 104 mit dem Knoten 2b verbunden ist. Am Knoten 2b wandelt eine Empfängerstation, die auf den Kanal λ₂ eingestellt ist, das Signal zurück in ein elektrisches Signal. Das Signal wird dann über die DLE 8b an den Zielteilnehmer S2 geleitet. Entsprechend wird eine Verbindung in umgekehrter Richtung über die Faser 105, den Router 301 und die Faser 106 aufgebaut. Auf diese Weise wird zwischen den Teilnehmern ein Gegensprechbetrieb eingerichtet. Innerhalb des Fernverbindungsnetzes ist die Schaltung Teil eines Multiplex-Verkehrs von unterschiedlichen Teilnehmern, der zwischen den Knoten übertragen wird.
Manchmal ist die auf einer bestimmten Faser, wie etwa auf der Faser 105, benötigte Kapazität kleiner als die maximale Kapazität, welche die Faser übertragen kann. In diesem Fall kann ein zusätzlicher Arbeitsverkehr von einem benachbarten Knoten über einen äußeren optischen Übertragungspfad P zum Knoten hin übertragen werden. Dieser zusätzliche Arbeitsverkehr vom benachbarten Knoten wird dann mit dem vom Knoten ausgehenden Verkehr zusammengekoppelt, um die Verbindungskapazität der optischen Faser voll zu nutzen.
Geeignete Vorrichtungen für die Sendestationen 501 sind Distributed-Bragg-Reflektor-(DBR-)Laser und gitterbasierende Vertikalkopplerhalbleiterlaser. Solche Vorrichtungen sind über einen Bereich von 35 nm hinweg innerhalb des Erbium-Fensters abstimmbar. Beispiele für diese Vorrichtungen werden in der ebenfalls anhängigen internationalen Patentanmeldung PCT/GB 96/02424 dieses Anmelders (Anmeldungsreferenznummer A25036) offenbart. Alternativ kann die abstimmbare Quelle auch von einem Verstärker und einem Modulator gebildet werden, wie es etwa von D.-J. Pratt et al. in "Tunable Source Options for Race-2070 Project (MUNDI)", Cost 240 Workshop, Marcoussis, Frankreich, 25. Oktober 1993 beschrieben wird. Bei dieser Auslegung werden ein mechanisch abstimmbares optisches Filter und ein Halbleiter-Verstärker/Modulator verwendet, um einen benötigten Wellenlängenkanal aus einem Kamm von Referenzwellenlängen auszuwählen, die von einer zentralen Stelle aus an viele Stationen gesendet werden.
In den Empfängerstationen wird ein abstimmbares Filter in Kombination mit einer Photodiode verwendet. Das Filter kann ein mechanisch abstimmbarer Fabry-Perot-Resonator, ein gewinkeltes Interferenzfilter oder ein abstimmbares Gitterfilter sein.
Wie oben beschrieben, wird als Beispiel angenommen, dass alle Netzkomponenten normal funktionieren. Eine wichtige Eigenschaft des Netzes ist jedoch die Fähigkeit den Ausfall von Komponenten aufzufangen. Zum Beispiel könnte in der Faser 101 an der durch das gestichelte Kreuz markierten Stelle eine Unterbrechung auftreten. In diesem Fall wird der optische Schalter 901 eingesetzt, um die Unterbrechung zu überbrücken, wodurch die Verbindung zwischen den beiden Teilnehmern erhalten bleibt. Alternativ oder zusätzlich können die Signale innerhalb des Knotens umgeschaltet werden, so dass sie auf dem äußeren Übertragungspfad P ausgegeben werden. Die Signale laufen dann über einen benachbarten Router auf alternativen Pfaden zum Netzknoten.
Ein sternförmiges Netz, das in dieser Weise aufgebaut ist, ist weitaus stabiler als ein entsprechender WDM-Ring. Bei einem Ring führen mehrere Faserbrüche entlang des Rings dazu, dass die Verbindungen zwischen den Knoten mehr und mehr lokalisiert werden innerhalb der Abschnitte des Rings zwischen Paaren von Unterbrechungen. Bei einer Struktur mit mehreren Sternen einschließlich äußerer Verbindungen entlang des Randes des Netzes können im Gegensatz dazu die Auswirkungen von mehrfachen Brüchen oder Störungen komplett abgefangen werden. Gleichzeitig werden durch die Topologie des Netzes weniger Fasern benötigt.
3 zeigt ein erstes Beispiel eines Routers, der sich zur Verwendung in den obigen Netzen eignet. Er besteht aus einem gekrümmten Spiegel, der parabolisch oder kugelförmig sein kann, einem Beugungsgitter und einer linearen Anordnung von Fasern und teilweise ausrichtenden Mikrolinsen. Um N × N-Verbindungen bereitstellen zu können, verwendet die Vorrichtung zwei Reihen von n Einmodenfasern. Wie in unserer ebenfalls anhängigen internationalen Patentanmeldung WO95/26592 genauer beschrieben wird, wird jede Reihe gebildet, indem Fasern in Rillen eingepasst werden, die in einem Siliziumträger eingeritzt wurden.
Wenn der Verkehr gleichförmig über ein Netz verteilt ist, dann eignet sich der vollkommen passive Router aus 3. Wenn jedoch eine ungleichförmige Verteilung erwartet wird, wenn etwa von einem Knoten aus erfahrungsgemäß ein relativ stärkerer Verkehr an einen Teil der anderen Knoten geschickt wird, dann wird der Router vorzugsweise mit Blindanschlüssen ausgestattet, wie in 4 gezeigt wird. Wie in unserer obigen Anmeldung beschrieben wird, können mit den Blindanschlüsse die Wellenlängen bestimmter hereinkommender Signals gewandelt werden, so dass dann zwei oder mehr Wellenlängenkanäle einem einzigen Weg im Netz zugeordnet sind.
5 zeigt eine alternative Struktur für einen Router, die keine Blindanschlüsse benötigt. Der Router umfasst zwei N × N-Wellenlängen-Multiplexer, deren Wellenlängenwandler zwischen den Ausgängen eines Multiplexers und den Eingängen eines anderen Multiplexers geschaltet sind. Diese Anordnung verringert die Zahl der benötigten Wellenlängenkanäle und vereinfacht die Herstellung. Die Wellenlängenwandler können rein optische Vorrichtungen sein, oder sie können alternativ jeweils einen abstimmbaren optoelektronischen Empfänger und Sender umfassen.
6 zeigt ein zweites Beispiel eines Netzes für ein System gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein faseroptisches Netz mit Stern-Topologie verbindet N Vermittlungsknoten mit dem zentralen Netzknoten. Mehrere N × N-Router R befinden sich im Netzknoten. Gruppen optischer Fasern, die "Speichen" genannt werden, übertragen den Verkehr zwischen den Vermittlungsknoten und den Routern R. Zusätzlich zu den Speichen verbinden faseroptische Verbindungen das Netz am Rand, und sie verbinden benachbarte Vermittlungsknoten direkt. Wie im obigen ersten Beispiel schützen die faseroptischen Verbindungen am Rand vor Pfadstörungen, wobei gleichzeitig die vom Netz benötigte gesamte Faserlänge minimiert wird. Der vergrößerte Ausschnitt in 6 zeigt optische Verstärkerketten in den Speichen für einen rein optischen Betrieb. Eine Speiche wird am Vermittlungsknoten von abstimmbaren WDM-Sendern und Empfängern abgeschlossen.
Im vorliegenden Beispiel wird der Pfad durch das Bereitstellen zusätzlicher "Bereitschafts-"Fasern geschützt, die zu denjenigen Fasern hinzukommen, die als "Arbeits-"Fasern bezeichnet werden, über die alle Kanäle des Netzes übertragen werden, wenn das Netz normal funktioniert. Die Bereitschaftsfasern können sich entlang einer oder mehrerer der Arbeitsspeichen erstrecken, wie in 6 gezeigt wird. Bei einer alternativen Anordnung sind die Bereitschaftsfasern in einer oder mehreren Bereitschaftsspeichen zusammengefasst. Die Bereitschaftsspeiche wird dann mit einer Bereitschaftsvermittlung verbunden, die nur dazu dient, bei einer Störung im Pfad den Verkehr zu oder von anderen Vermittlungsknoten umzuleiten. Bei allen Anordnungen ist das Netz so angeordnet, dass sich die Arbeits- und Bereitschaftspfade von jedem Vermittlungsknoten aus zum Router nicht überschneiden. Im Beispiel aus 6 wird dies durch eine Maschenverbindung zwischen den Vermittlungsknoten und den Routern erreicht. Zur Veranschaulichung werden nur zwei Verbindungen zu und von den Speichen gezeigt.
Die Pfade der Arbeits- und Bereitschaftsfasern können im Netz abhängig vom benötigten Grad an Schutz vor Pfadstörungen (Pfadschutz) oder Schutz vor Routerausfällen (Routerschutz) auf verschiedene Weise angeordnet werden. Wenn es nur zwei Kabelwege gibt, die einen Knoten verlassen, dann müsste zum Schutz vor einem Ausfall in einem Weg die Anzahl der optischen Fasern verdoppelt werden, so dass entlang jedes Weges Bereitschaftsfasern laufen, die den Verkehr vom anderen Weg übernehmen könnten. Solch ein Schutz heißt 1 : 1-Faserschutz. Ein Schutz kann jedoch mit geringerem Aufwand erreicht werden, wenn m Speichen Bereitschaftsfasern haben und die Bereitschaftsfasern von N Arbeitsspeichen geteilt werden, woraus sich ein m : N-Schutz ergibt. Zu den möglichen Anordnungen eines Netzes gehören: Der gesamte Arbeitsverkehr von einem Vermittlungsknoten läuft entlang einer Speiche, zur Hälfte entlang einer Speiche und zur Hälfte entlang einer benachbarten Speiche, ein Drittel entlang einer Speiche und zu jeweils einem weiteren Drittel entlang zweier benachbarter Speichen. Die optischen Faserverbindungen am Rand können sowohl Arbeitsverkehr als auch Schutzverkehr übertragen. Schutzverkehr ist ein Verkehr, der bei einer Störung des Pfades von seinem normalen Pfad umgeleitet wurde. Zusätzlicher Schutz kann erreicht werden, wenn das Netz flexibel vermitteln kann, d. h. bei einer Störung aus unterschiedlichen Bereitschaftspfaden auswählen kann, anstatt dass ein einziger vorgegebener Bereitschaftspfad einem vorgegebenen Arbeitspfad zugeordnet ist.
Indem Arbeitsverkehr zwischen Knoten auf den faseroptischen Verbindungen am Rand übertragen wird, stellt das Netz eine maximale Ausnutzung der Netzkapazität sicher, während es die Menge der benötigten optischen Fasern tendenziell minimiert. Wenn die Anzahl der Wellenlängenkanäle eines Knotens eine Faser nicht voll ausnutzt, dann werden nur die ganz ausgelasteten optischen Fasern vom Knoten direkt zum Netzknoten geleitet. Die anderen Wellenlängenkanäle werden über die faseroptischen Verbindungen am Rand zu einem oder mehreren der anderen Knoten übertragen, und sie werden dann mit anderen Kanälen kombiniert, um eine Faser zum Netzknoten ganz auszunutzen. Mit einem zweiten Faserpaar der faseroptischen Verbindungen am Rand wird ein herkömmlicher Ringschutz in zwei Richtungen gegen Ausfälle bereitgestellt. Der Ring wird gleichzeitig in beiden Richtungen benutzt, so dass eine Verbindung von Knoten zu Knoten längstens um den halben Ring statt um den ganzen Umfang laufen muss. Wenn ein Ausfall im Ring auftritt, wird der Verkehr, der sich der Unterbrechung nähert, entlang des Rings in der entgegengesetzten Richtung um den Ring zurückgeleitet, aber die Signale breiten sich an jedem Punkt auf dem Ring immer noch in beide Richtungen aus. Die Ausbreitungsrichtung wird an den der Unterbrechung benachbarten Knoten umgekehrt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Ring eine Richtung nur für Arbeitsverkehr nutzen.
Eine weitere Eigenschaft des Netzes ist, dass jeder Arbeitsknoten mit allen Arbeits-Routern verbunden ist. Dazu haben die Router dieselbe Anzahl von Anschlüssen, wie die Anzahl der Knoten N. Bei Ausführungen, bei denen die Anzahl der Wellenlängenkanäle, die die optischen Fasern übertragen können, kleiner als die Anzahl der von den Routern verwendeten Wellenlängen ist, werden die Wellenlängen am Router umgewandelt, um einige hereinkommende Wellenlängen auf andere Wellenlängenkanäle abzubilden.
Wie in Bezug zur ersten obigen Ausführungsform beschrieben wurde, führt ein bestimmter Wellenlängenkanal von einem Knoten zu dem eines bestimmten anderen Knotens. Wenn die für eine Verbindung zwischen zwei Knoten benötigte Kapazität kein ganzzahliges Vielfaches der Kapazität eines einzelnen Wellenlängenkanals ist, dann kann das dazu führen, dass die Kapazität des Netzes nicht ausgeschöpft wird. Um dies zu vermeiden, wird, wenn eine bestimmte Verbindung von Knoten zu Knoten beispielsweise eine Kapazität von 4,5 Wellenlängenkanälen benötigt, der Bruchteil der Kapazität durch eine zeitliche Aufteilung eines Wellenlängenkanals bereitgestellt. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass ein Wellenlängenwandler am Router periodisch abgestimmt wird. In diesem Beispiel wird der Anschluss am Wellenlängen-Router, der einen fünften Wellenlängenkanal überträgt, mit einem Wellenlängenwandler verbunden, der für die Hälfte der Zeit auf eine Wellenlänge abgestimmt wird, die es dem optischen Signal erlaubt, zu demselben Zielknoten wie die anderen 4 der 4,5 Wellenlängenkanäle zu laufen. In der anderen halben Zeit wird der Wellenlängenwandler so abgestimmt, dass der Kanal dadurch vom Router so geschaltet wird, dass er das Signal einer anderen Verbindung von Knoten zu Knoten überträgt, für die eine Kapazität von 0,5 Kanälen benötigt wird. Das Schalten wird von einer Systemzeit gesteuert, die zwischen den Knoten verteilt wird. Eine Steuerlogikschaltung, die den Verkehr an den Knoten verwaltet, wählt ein geeignetes Zeitfenster zur Übertragung der Signale, die zu der 4,5 Wellenlängenschaltung von Knoten zu Knoten gehören.
Die Tabelle 1 zeigt die Leistungsdaten für unterschiedliche Strategien zum Schutz des Pfades, die im Netz nach 6 verwendet werden können. Die Parameter sind der Faserzuwachsfaktor, der den relativen Zuwachs der Menge an Fasern bezeichnet, die nötig ist, um die Schutzstrategie auszuführen, der Anteil von Faserpfaden (Speichen) im Netz, der gleichzeitig ausfallen kann, und das Verhältnis dieser beiden Größen. Die letzte Größe ist ein Maß für den Zuwachs der Fasermenge (und damit der Kosten) pro Schutzgrad. Die Tabelle enthält Beispiele mit einem Arbeitspfad von jedem Vermittlungsknoten (wobei in diesem Fall die Faserverbindungen am Rand nur Bereitschaftsverkehr übernehmen) und mit zwei Arbeitspfaden von jedem Vermittlungsknoten (wobei in diesem Fall die Faserverbindungen am Rand sowohl Arbeitsverkehr als auch Bereitschaftsverkehr übertragen). In diesem Beispiel ist die Anzahl der Vermittlungsknoten N = 23.
Die Tabelle 1 zeigt, dass ein großer Zuwachs von Fasern notwendig ist, um Schutz zu gewährleisten, wenn viele Faserpfade gleichzeitig ausfallen, wie man es erwartet. Nichtsdestotrotz ist jedoch der zugehörige Wert an Faserzuwachs pro Schutzeinheit bei diesem Extrem am niedrigsten, was anzeigt, dass der Schutz, je besser er ist, immer effizienter bereitgestellt werden kann. Obwohl feste Bereitschaftspfade einen sehr effizienten Schutz ergeben, führen sie zu Verkehrsverlusten, wenn viele Pfade ausfallen, was bei flexiblen Bereitschaftspfaden nicht passiert. Da jedoch in der Praxis die Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, dass etwa die Hälfte der Fasern eines Netzes gleichzeitig ausfallen, wird ein Schutz im allgemeinen nur gegen den Ausfall eines kleinen Teils von Pfaden benötigt. Um beispielsweise einen Schutz zu haben, der einem WDM-Ring entspricht, bei dem die Fasern zum Schutz gegen eine einzelne Unterbrechung verdoppelt wurden, würde das mehrfach sternförmige Netz nur einen einzigen Bereitschaftspfad, also m = 1 benötigen. Dieser einzige Bereitschaftspfad muss in diesem Fall jedoch eine unabhängige Bereitschaftsspeiche verwenden. Die Analyse von Tabelle 1 lässt als schlimmsten Fall zu, dass alle Speichenstörungen in benachbarten Speichen auftreten.
Tabelle 1
Bei der hier verwendeten bevorzugten Ausführungsform wird das Netz für einen m : N-Pfadschutz aufgebaut, wobei alle Arbeitsfasern entlang N Speichen direkt zum Netzknoten geführt werden und weitere Bereitschaftsfasern entlang m der Speichen geführt werden. Zusätzliche Fasern werden für die Faserverbindungen am Rand benötigt, die den Schutzverkehr übertragen. Der Gesamtzuwachs an Fasern für einen Schutz von m : N ergibt sich somit zu: Zuwachsfaktor für Fasern bei m : N-Pfadschutz (nicht divers) A = 1 + m/N + mπ/N
Zuwachsfaktor für Fasern bei m : N-Pfadschutz (divers) A = 1 + m/N + m2π/Nund für m = 1 (wobei ein Ausfall einer Speiche zugelassen wird, ohne dass Verkehr verloren wird):
Zuwachsfaktor für Fasern bei 1 : N-Pfadschutz (divers): A = 1 + 1/N + 2π/N.
7 zeigt die Vermittlungsanordnungen an einem der Vermittlungsknoten genauer, wenn das Netz aus 6 für einen m : N-Pfadschutz angeordnet ist. Der Arbeitsverkehr wird direkt vom Vermittlungsknoten entlang einer der Speichen zum Router im zentralen Netzknoten geleitet. Wenn der Arbeitspfad ausfällt, wird der Verkehr den ganzen Weg entlang der Faserverbindungen am Rand zu einem Knoten mit einer freien Bereitschaftsfaser geschaltet und dann über einen Pfad entlang einer entsprechenden Speiche zum Router geleitet. Optische 2 × 2-Schalter sw im Vermittlungsknoten sind so angeordnet, dass, wenn der Knoten keine Bereitschaftsfasern zu seinem eigenen Schutz verwendet, dann der über die Faserverbindungen vom Rand empfangene, geschützte Verkehr von anderen Vermittlungsknoten direkt durch den Vermittlungsknoten geleitet wird. Die in 7 gezeigte Vermittlungsanordnung kann weiterentwickelt werden, so dass in den Randverbindungen mehrere Mengen von Bereitschaftsfasern betrieben werden können und in einer entsprechenden Speiche zusätzlich zu den Arbeitsfasern auch Bereitschaftsfasern betrieben werden können.
8 zeigt eine experimentelle Ausführung der in 7 gezeigten schematischen Anordnung. Bei dieser Ausführung enthält der Netzknoten 2 × 22-Wellenlängen-Router, die im folgenden genauer beschrieben werden, sowie einen Rechner, mit dem die elektromechanischen optischen Schalter, die um den Wellenlängen-Router herum eingesetzt werden, gesteuert werden, um das Schalten zum Pfadschutz auszuführen. Der zentrale Netzknoten ist über einen Hin- und Rückpfad von 75 km Länge und über 2 getrennte Bereitschaftspfade von 200 km Länge mit einem Hauptvermittlungsknoten verbunden. Die Bereitschaftspfade gehen über nominelle Hauptvermittlungsknoten, die optische Verstärker enthalten. Die Faserverbindungen enthalten Abschwächer, um einen Pfadverlust von 25 und 27 dB zu gewährleisten, was dem zusätzlichen Verlust entspricht, der normalerweise bei einer installierten Faserverbindung auftreten würde. Die Verluste der Schalter in der optischen 2 × 2-Vermittlung betragen abhängig von der Position zwischen 0,5 dB und 3 dB. Die Ausgangsleistung der Verstärker liegt typischerweise zwischen + 14 dBm und + 17 dBm. Der optische SNR (Rauschabstand) am Empfänger ist normalerweise besser als 20 dB in einer Bandbreite von 0,1 nm. Der Hauptvermittlungsknoten enthält einen WDM-Sender mit 16 Wellenlängen, der einen Bereich von 1547,74 bis 1560,55 nm mit einem Kanalabstand von 100 GHz abdeckt. Einzelne Kanalwellenlängen werden zur Übertragung durch den Router optimiert. Der WDM-Sender wird für die Messung mit einer Bit-Rate von 2,5 Gb/s extern moduliert. Die Anordnung von Empfängern wird mit einer Kombination von variablen Abschwächern, mechanisch abstimmbaren Filter mit einer FWHM-Bandbreite von 0,5 nm und einem APD-Empfänger dargestellt. Typische Abschwächungen von gut über 20 dB werden benötigt, um die Leistung vom vorangehenden EDFA auf den Pegel zu verringern, bei dem sowohl im Arbeits- als auch im den Bereitschaftspfad am Empfänger eine Fehlerrate von 1 zu 109 auftritt. Somit ergibt sich eine ausreichende Leistungsbilanz für einen 16-fachen Strahlteiler (etwa 13 dB) und 16 abstimmbare Empfänger in einem vollkommen funktionierenden Netz.
In diesem Beispiel wurde eine m : N-Schutzstrategie wie folgt implementiert. Um den Bruch einer Faser zu simulieren, wurde der Schalter S1 in dem Arbeitspfad zwischen dem Netzknoten und dem arbeitenden Hauptschaltknoten betätigt, um den Pfad zu öffnen. Der Schalter wurde nahe dem Netzknoten angeordnet, um die zerstörerische Wirkung der Ausbreitungsverzögerung zu maximieren. Am Empfänger wurde ein opto-elektronischer Detektor D1 eingekoppelt, um eine Wellenlänge zu überwachen, die bekanntermaßen von diesem Knoten ausging. Dieser Detektor erfasste dann die Verringerung der Leistung durch den simulierten Bruch. Die Erfassung dieser Leistungsreduktion ließ einen optischen 2 × 2-Schalter S2 auf der Sendeseite des Knotens umschlagen.
Eine Zeitkonstante von mindestens 125 μs wird durch den Detektor D1 sichergestellt. Diese Zeitkonstante, die der Länge eines SDH-(Synchron-Digital-Hierachie-)Rahmens entspricht, dient der Überprüfung der Fortdauer, wodurch sichergestellt wird, dass tatsächlich eine Unterbrechung erfasst worden ist. Bei der vorliegenden Ausführung wurde eine effektive Zeitkonstante von wenigen ms verwendet. Nachdem S2 geschaltet wurde, wird der Verlust des Sendesignals nach der Ausbreitung zurück zum Netzknoten von einem weiteren photoelektrischen Detektor D2 erfasst, der schwach gefiltert ist, um von der ASE (verstärkte spontane Emission) der EDFAs (Erbium-dotierte Faserverstärker) zu trennen. Wenn dieser Verlust erfasst wird, wird die Information als TTL-Signal an einen kleinen Rechner (PC) gesendet, der einen Steueralgorithmus ausführt, um den TTL-Übergang zu erfassen und um auf der Grundlage dieser Kenntnis über den Zustand des Netzes einen geeigneten freien Pfad zu wählen. Die vorliegende Ausführung dieses Steueralgorithmus kann bis zu 8 Knoten bedienen, und sie hat eine Reaktionszeit von 800 μs auf einem 386er PC. Abhängig davon, welchen Bereitschaftspfad der Steueralgorithmus wählt, werden dann die geeigneten Schalter betätigt. Beispielsweise werden für den Bereitschaftspfad 1 die Schalter S4 und S5 betätigt. Ein zusätzlicher DFB-(Distributed-Rückkopplungs-)Laser, der außerhalb des von den WDM-Kanälen belegten Hauptbandes arbeitet, wird am Netzknoten eingesetzt. Dieser zusätzliche DFB-Laser erzeugt ein Testsignal, das beim Wiederherstellen des Pfades verwendet wird. Dieses Signal läuft den Bereitschaftspfad zum Vermittlungsknoten hinab. Am Vermittlungsknoten wird das Signal von dem photoelektrischen Detektor D4 erfasst. Dieser Detektor, der am besten eine schnelle Reaktionszeit um 10 μs hat, schaltet die Schalter S9 und S10 am Knoten und nimmt so den Bereitschaftspfad in Betrieb. Schließlich wird das Anliegen des wiederhergestellten Signals, nachdem es entlang des Bereitschaftspfads zurückgelaufen ist, erneut von D2 erfasst, der die Steuerung informiert, dass der bereitgestellte Pfad funktioniert. Eine volle Wiederherstellung geschieht nur dann, wenn diese Signale den Bereitschaftspfad hinab zurück zum Knoten wandern (was die Ausbreitung über den Wellenlängen-Router zu allen anderen Knoten des Netzes darstellt).
Im vorliegenden Beispiel ist der als Router verwendete Wellenlängen-Multiplexer ein Router mit 22 × 22 Anschlüssen mit einem Kanalabstand von 0,8 nm. Er verwendet eine Stimax-(Warenzeichen)Multiplexer-Anordnung mit einer doppelten Reihe von N Fasern als N × N-WDM-Multiplexer. Der Stimax-Multiplexer ist kommerziell erhältlich bei Jobin-Yvon-Spex. Die Vorrichtung liefert ein maximales Verhältnis von Kanalbreite zu Kanalabstand mit Einzelmoden-Fasern (üblicherweise FWHM von 0,21 nm), und die Verluste liegen unter 4 dB. Der Router hat eine Polarisationsempfindlichkeit zwischen 0,3 dB und 0,8 dB, abhängig von der Wellenlänge und dem Pfad durch den Router. Der Bereich der Wellenlängen, die von einem Eingang 1 bis 22 zu einem Ausgang 1 bis 22 geleitet werden, wird in der folgenden Matrix (Tabelle 2) dargestellt. Die Auslegung minimiert Wellenlängenfehler zwischen den Wellenlängen des ITU-Frequenzstandards und der zentralen Kanalwellenlänge. Der maximale Restfehler in einem Wellenlängenbereich von 1538–1560 nm ist 0,04 nm, wenn der Multiplexer auf 28,1 Grad C erwärmt wird. Der Router hat Halbverbinder, die mit allen 44 Faserenden verbunden sind, und er befindet sich in einem Gehäuse in einer thermisch gesteuerten Umgebung, um seine Temperatur zu erhöhen und damit die Wellenlängenfehler zu minimieren.
Tabelle 2: Ausschnitt aus der 22 × 22 Routing-Matrix des Wellenlängen-Multiplexers
Im folgenden soll der Schutz des Routers im Netz aus 6 beschrieben werden. Wie in der ersten Ausführungsform wird die Kapazität jedes Vermittlungsknotens auf r Router aufgeteilt, und jeder Router überträgt einen Anteil von 1/r des jeweiligen Verkehrs des Vermittlungsknotens. Im vorliegenden Beispiel jedoch werden statt Bereitschaftsfasern zum Schutz des Routers, die direkt von den Vermittlungsknoten kommen oder die ein Umschalten der Wellenlängenkanäle verwenden, die Verbindungen für Bereitschaftspfade zum Schutz des Routers zu und von Arbeitsfasern in einem Bereich geschaltet, der näher am zentralen Netzknoten als an den Vermittlungsknoten ist, jedoch noch weit genug vom jeweiligen Arbeits-Router entfernt ist, so dass er von lokalen Störungsquellen (wie etwa Feuer oder anderen Beschädigungen der Geräte) nicht betroffen wird. Die Verbindungen zu den Arbeitsfasern können über Schalter oder über Strahlteiler/Koppler erfolgen. Die Pfade der optischen Fasern erstrecken sich von den Arbeitsfasern zu Bereitschafts-Routern in einer Entfernung xR << R, wobei R die Länge des Arbeitsfaserpfads von einem Vermittlungsknoten zu einem Arbeits-Router ist. Bei Ausführungen mit Strahlteilern und Kopplern schalten die Bereitschafts-Router selbst Fasern von ausgefallenen Routern dazu. Bei solchen Ausführungen wächst, wenn die Bereitschaftsfasern von den Strahlteilern/Kopplern zu den Bereitschafts-Routern in einer Stern-Topologie angeordnet sind, die Faserlänge zum Bereitstellen der Router-Schutzstrategie um einen Faktor 1 + xn (wobei n die Anzahl der Bereitschafts-Router ist).
Bei einer alternativen und bevorzugten Ausführung wird für die Verbindung zwischen den Strahlteilern/Kopplern und den Bereitschafts-Routern statt einer Stern-Topologie eine Bus-Topologie verwendet. Wie in 9 gezeigt wird, führt der faseroptische Bus entlang der Arbeitsfaserpfade in einem Abstand zu den Routern, so dass die maximale Pfadlänge über den Bus zu einem Bereitschafts-Router xR ist. Die Pfade der Arbeitsfasern werden zum faseroptischen Bus durch eine Folge von Strahlteilern/Kopplern entlang des Busses zusammenfasst. Um die Stabilität zu erhöhen, werden doppelte faseroptische Busse verwenden, wobei jeder Bus einen anderen geographischen Weg nimmt. Mit doppelten Bussen ergibt sich der zusätzliche Faserbedarf zum Schutz des Routers als 1 + 2x. Wenn nur ein einziger Bus verwendet wird, ist der relevante Faktor 1 + x. Bei dieser Ausführung benötigt jeder Bereitschafts-Router 2 N optische rx1-Schalter. Jeder der rx1-Schalter macht es möglich, dass eine mit einer der r Router-Positionen verbundene Faser zu einer der n Bereitschafts-Router-Positionen umschalten kann. Wenn im Betrieb ein Arbeits-Router ausfällt, dann können alle Fasern von allen Vermittlungsknoten, die mit diesem Arbeits-Router verbunden sind, zu einer der n Bereitschafts-Router-Positionen umgeschaltet werden.
Als weitere Alternative zu Verbindungen der Arbeitsfaser über feste Strahlteiler/Koppler können optische rx(r + n)-Schalter an der Verbindung von jeder Arbeitsfaser verwendet werden (wobei r die Anzahl der Arbeits-Router ist und n die Anzahl der Bereitschafts-Router ist). Eine Störung an der Stelle des rx(r + n)-Schalters kann als Pfadstörung behandelt werden und wird dann entsprechend dem oben beschriebenen Pfadschutzschema über eine Bereitschaftsspeiche behandelt. In diesem Fall ist der Zuwachs der Faserlänge für das Router-Schutzverfahren 1 + xn/r.
Im Betrieb führt der Router unter Verwendung einer der oben beschriebenen Router-Schutzstrategien Tests zur Selbstdiagnose aus. Dazu gehört es, die Leistungspegel und die Anwesenheit einzelner Wellenlängenkanäle auf jeder der hereinkommenden und der nach außen gehenden optischen Fasern zu überwachen. Wenn als Ergebnis dieser Überprüfungen eine Störung eines Routers erfasst wird, dann wird eine Nachricht sowohl an alle anderen Arbeits-Router als auch an die Bereitschafts-Router gesendet. Die Überwachungssignale werden zwischen Routern und/oder zwischen Routern und einer oder mehreren zentralen Positionen ausgetauscht, so dass alle Router und/oder eine Steuerlogikschaltung an dem oder den zentralen Orten den Zustand aller Router kennen. Bei einer Ausführung werden Überwachungssignale über ein getrenntes Datenübertragungsnetz (DCN) gesendet. Alternativ können die Überwachungssignale auch über die oben beschriebene Faserstruktur geschickt werden. Ein Router schickt die Signale ausreichend oft oder alternativ kontinuierlich, so dass das Verschwinden des Überwachungssignals den Ausfall eines Routers schnell, etwa innerhalb von 0, 5 ms, anzeigt. Wenn ein Router ausfällt, wird ein Überwachungssignal ausgeschaltet. Dies kann vom Router gesteuert werden, wenn eine Störung erfasst wurde, oder es kann das direkte Ergebnis der Störung sein. Die Steuerlogikschaltung, die auf einem Steuerprozessor an einer zentralen Position ausgeführt wird, oder die auf die Router-Standorte verteilt ist, wählt einen freien Bereitschafts-Router aus, um den ausgefallenen Router zu ersetzen. Die Zeit, die für die Auswahl eines Bereitschafts-Router abhängig vom Router-Ausfall benötigt wird, ist kurz, d. h. etwa wenige Millisekunden. Die Ausbreitungsverzögerungen sind klein, da die Bereitschafts-Router sich höchsten xR von den Arbeits-Routern entfernt befinden, wobei xR einen Wert von ca. 10 km haben kann.
Die Steuerungen des Router-Schutzes und des Pfadschutzes hängen voneinander ab. Ein Knoten kann eine Störung eines Routers als Störung des Pfades interpretieren (wenn nicht ein Pfadschutz nur dann implementiert ist, wenn alle Fasern zu einem Knoten von allen Routern entlang eines Pfades gleichzeitig ausfallen). Bevor eine Steuerung zum Schutz der Pfade damit beginnen kann, einen Schutzpfad bereitzustellen, überprüft sie mit der Router-Schutzsteuerung, dass keine Störung des Routers vorliegt.
Die Erfindung ist nicht auf die Implementierung mit einem N × N-WDM-Router beschränkt. Zum Beispiel kann jeder N × N-Router in den vorangegangenen Beispielen von einer vollkommen optischen Verzweigung ersetzt werden. Außerdem ist die Erfindung nicht auf eine Verwendung zusammen mit der WDM-Technik beschränkt. In 10 wird eine Ausführung mit SDH-(Synchron-Digital-Hierarchie-)Technik gezeigt. Wenn die vorangegangenen Beispiele Arbeits- und Bereitschafts-Wellenlängen-Router verwenden, deren Aufgabe es ist, einzelne Wellenlängenkanäle von einem bestimmten Knoten zu einem beliebigen anderen Knoten im Netz zu leiten, wird ihre Stelle in diesem Beispiel nun von Arbeits- und Bereitschafts-SDH-Verzweigungen eingenommen, die jetzt die Aufgabe haben, das SDH-System von einem vorgegebenen Knoten zu einem beliebigen anderen zu leiten. Die Schaltebene der geleiteten SDH-Systeme hängt von der Verkehrsmatrix zwischen den Knoten ab. Das Netz kann beispielsweise einzelne Kanäle mit 2 Mbit/s oder STM-1-Kanäle, STM-4-Kanäle, STM-16-Kanäle etc. übertragen. Wenn die Verkehrsmatrix gleichförmig ist, dann stimmen die Schaltebenen der Kanäle innerhalb einer Faser mit der Anzahl der Knoten überein, zu denen hin verbunden werden soll (d. h. N – 1). Wenn beispielsweise jede Faser nur ein STM-16-System (wie in der Figur dargestellt) und die SDH-Verzweigung nur eine STM-1 Schaltebene hat, dann sind N = 17 Knoten ideal.
Obwohl in diesem Beispiel mit SDH kein Wellenlängen-Routing verwendet wurde, ist es doch möglich WDM nur für die Übertragungskapazität in den Fasern zwischen den ATM-Schaltknoten und den SDH-Verzweigungen zu verwenden. Jede Faser könnte beispielsweise 16 STM-16-Systeme oder 16 STM-64-Systeme mit einem WDM mit 16 Kanälen in der Faser unterstützen. An den SDH-Verzweigungen werden die Wellenlängenkanäle dann in elektrische Signale und zurück gewandelt.
Wie bei dem von Wellenlängen gelenkten mehrfach sternförmigen Netz werden sämtliche übrigen Kanäle eines Knotens, die nicht reichen, eine ganze Faser vom Knoten zu den SDH-Verzweigungen am Netzknoten zu füllen, über den Rand des Netzes zu einem benachbarten oder zu weiteren Knoten übertragen, bis sie mit anderen Kanälen dieses Knotens gemultiplext werden, um eine Faser zum Netzknoten zu füllen. Der Rand wird auch verwendet, um den Pfad zu schützen. Obwohl eine Wellenlängenführung in diesem Fall nicht verfügbar ist, können die Schutzkanäle immer noch über optische Schalter um den Rand herum geschaltet werden. Alternativ können die ATM-Schalter selbst diesen Zweck erfüllen. Als eine weitere Alternative werden zu diesem Zweck zusätzliche SDH-Verzweigungen oder Add-/Drop-Multiplexer (ADM) mit den ATM-Schaltern verbunden. Die verbleibenden Kanäle werden entweder von den ATM-Schaltern oder von zugeordneten SDH-Verzweigungen oder ADMs geschaltet.
Alle diese im vorangegangenen beschriebenen topologischen Strukturen und Arbeitsprinzipien, gelten allerdings mit einigen Unterschieden in den Details der Ausführung auch für dieses Beispiel mit SDH. Die Netzstruktur mit mehreren Sternen mit SDH-Verzweigungen benötigt weniger Fasern als ein SDH-Ring.
Verbindungen von Anschluss zu Anschluss in einem oder mehreren SDH-Verzweigungen im Netzknoten werden zeitlich geteilt, um die genaue Kapazität oder annähernd diese Kapazität von Knoten zu Knoten bereitzustellen. Es werde angenommen, jede Faser eines Knotens übertrage beispielsweise ein STM-16-System (2,48 Gbit/s) und ein Kanal STM-1 (155 Mbit/s) werde von jeder SDH-Verzweigung an jeden anderen Knoten (d. h. N = 17, gleichförmige Verkehrsmatrix zwischen den Knoten) geleitet. Wenn nun etwa die Kapazität zwischen zwei Knoten nicht ausreicht, um alle STM-1 Kanäle zu füllen, dann wird einer der STM-1-Kanäle, statt dass er zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss einer Verzweigung geschaltet wird, weniger Kapazitätseinheiten haben, d. h. 8 Mbit/s (4 weniger 2 Mbit/s), die von der Verzweigung zu den mehreren Ausgangsanschlüssen geschaltet werden. Entsprechend würden mehrere Eingangsanschlüsse in einen Ausgangsanschluss für den Rückpfad gemultiplext werden.
Als weitere Alternative kann eine andere Ausführung eine herkömmliche optische Verzweigung als Router zusammen mit einem WDM mit fester Wellenlänge an den Knoten benutzen.
11 zeigt ein Beispiel für die Verteilung der Wellenlängenkanäle zwischen unterschiedlichen Routern in Netzen wie den oben beschriebenen. Es werden zur Veranschaulichung nur die Verbindungen von einem Knoten gezeigt. In diesem Beispiel gilt:
N = 23 Knoten, L = 16 Wellenlängen/Faser,
C = 10 Tbit/s Kapazität,
B = 2,5 Gbit/ s Übertragungsrate.
Jeder Knoten muss N – 1 = 22 Wellenlängen zu jedem Router senden.
C/(N(N – 1)B) = 7,905 Wellenlängen zwischen Knotenpaaren; somit ergeben sich r = 8 Arbeits-Router.
C/NB = 173,91 = 174 Wellenlängenkanäle von jedem Knoten.
C/NBL = 10,87 = 11 Fasern von jedem Knoten.
In diesem Beispiel müssen daher in 7 von 11 Fasern Wellenlängenkanäle zu oder vom nächsten Router (aufwärts oder abwärts) eingekoppelt werden.
Wie in 11 gezeigt, reichen zwei Fasern, von denen jede 16 Kanäle übertragen kann, von einem Knoten zum Betriebs-Router Nummer 1. Da der Knoten 22 Kanäle aufnehmen kann, bleiben 10 Kanäle übrig. Ein Abgriff von einer der beiden Fasern in einem Bereich der näher am Router als am Knoten liegt, wird mit den Eingängen eines anderen Arbeits-Routers verbunden, in diesem Fall dem benachbarten Router Nr. 2. Die 10 Wellenlängen vom Abgriff zusammen mit den 12 Wellenlängen von der nächsten Faser füllen den Arbeits-Router 2 und lassen 4 Kanäle von dieser nächsten Faser übrig, die über einen anderen Abgriff zum Arbeits-Router 3 weiter getragen werden, und so weiter.
12A zeigt, wie mit einem Wellenlängen-Multiplexer am Router 1 10 Wellenlängenkanäle, d. h. die Kanäle 7 bis 16, abgegriffen werden, um sie in den Arbeits-Router 2 einzukoppeln. 12B zeigt die entsprechende Anordnung zum Abgreifen am Arbeits-Router 2.

Claims

Optisches Kommunikationssystem mit: a) einem optischen Netz mit einer Stern-Topologie; b) mehreren Knoten (101), die am Rand des optischen Netzes mit Stern-Topologie angeordnet sind und die dazu dienen, optische Signale mit anderen Knoten über das optische Netz auszutauschen; c) Router-Einrichtungen (102), die über das Netz mit den mehreren Knoten verbunden sind und bei der Hub-Einrichtung des Netzes angeordnet sind; und d) einem optischen Ringnetz (142), das wenigstens einige der mehreren Knoten miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der mehreren Knoten dazu dienen, Verkehr für einen anderen der Knoten weiterzuleiten, der von dem Knoten um weniger als ein vorgegebener Abstand über das optische Ringnetz entfernt ist, und Verkehr für einen anderen der besagten Knoten weiterzuleiten, der von dem besagten Knoten um mehr als der vorgegebene Abstand über das optische Netz mit Stern-Topologie entfernt ist.
System nach Anspruch 1, bei dem das optische Ringnetz ein add/drop-Wellenlängenmultiplex-Ringnetz ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, das außerdem Übertragungspfade am Rand umfasst, durch die wenigstens einige der mehreren Knoten miteinander verbunden werden und die dazu dienen, Verkehr, der bei Fehlfunktion einer Komponente in dem optischen Kommunikationssystem von dem gewöhnlichen Pfad abgeleitet wurde, zu übertragen.
Verfahren zum Betreiben eines optischen Kommunikationssystems mit mehreren Knoten, die durch ein optisches Netz miteinander verbunden sind, das aufweist: a) Weiterleiten von optischen Signalen von dem Quellknoten zu dem Zielknoten über Router-Einrichtungen in der Hub-Einrichtung des optischen Netzes mit Stern-Topologie, wenn ein Quellknoten und ein Zielknoten um mehr als ein vorgegebener Abstand über das optische Ringnetz voneinander entfernt sind, und b) Weiterleiten von optischen Signalen von dem Quellknoten zu dem Zielknoten über ein Ringnetz, das zwei oder mehrere der besagten Knoten miteinander verbindet, wenn ein Quellknoten und ein Zielknoten um weniger als ein vorgegebener Abstand voneinander entfernt sind.