DE60205920T2

DE60205920T2 - Optisches Ringnetzwerk mit doppeltem optischen Bus

Info

Publication number: DE60205920T2
Application number: DE60205920T
Authority: DE
Inventors: Emmanuel Dotaro; Nicolas Le Sauze; An Ge; Ljubisa Tancevski
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2022-09-07
Also published as: DE60205920D1; US20040240881A1; EP1428333B1; FR2829327A1; WO2003021823A3; CN1559113A; US7386233B2; CN1328863C; WO2003021823A2; ATE303685T1; EP1428333A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Technologie der Übertragungen über Lichtwellenleiter im Allgemeinen und bezieht sich im Besonderen auf ein optisches Ringnetzwerk mit doppeltem optischem Bus.
Die zunehmende Nutzung von öffentlichen oder privaten Datenübertragungsnetzen ruft seit Jahren einen gewaltigen Bedarf an Bandbreite hervor, um den Austausch einer immer größer werdenden Informationsmenge und die Herstellung von Kommunikation in allen ihren Formen sicherzustellen. Diese Kommunikationsformen reichen vom Austausch einfacher Text- und Bilddateien über die Übertragung von Sprache, wobei die klassische Telefonie einen sogenannten TDM-Modus und TDM-Protokolle (für "Time Division Multiplexing"; Zeitmultiplex) oder sogar den Transport von Sprache im Paketmodus mit VoIP-Übertragungsprotokollen ("Voice over IP"; Sprache über Internetprotokoll) nutzt, bis zur beachtlichen Entwicklung von E-Mail und allen Arten von Mailbox-Systemen in Unternehmen und weiter bis zur Video-Ausstrahlung und selbstverständlich allen Anwendungen, die sich aus der beachtlichen Entwicklung des Internet und insbesondere seiner universell genutzten Hauptanwendung ergeben, dem "World Wide Web" (WWW).
Um diesem Bedarf an Bandbreite gerecht werden zu können, mussten die Verantwortlichen für den Einsatz dieser Netze schnell auf die optische Übertragung der Trägersignale der Information zurückgreifen, um einerseits von den geringen Kosten der Lichtleitfasern selbst zu profitieren und andererseits von den sehr hohen Übertragungsraten, die man trotz der Übertragungsentfernungen erreichen kann, die Kilometer oder sogar Dutzende von Kilometern und selbst Hunderte von Kilometern messen können, ohne dass das Signal regeneriert zu werden braucht. Denn die Dämpfung ist in der Tat, insbesondere in sogenannten Monomode-Fasern, im Vergleich zur Dämpfung bei einer elektrischen Übertragung beispielsweise über Kupferkabel sehr gering. Im Übrigen vermeidet eine optische Übertragung alle Probleme im Zusammenhang mit elektromagnetischen Störungen, die kostspielige Schutzschaltungen erfordern und häufige Übertragungsfehler nach sich ziehen können.
Der erste Schritt bei der Nutzung von Lichtleitfasern bestand im Wesentlichen in Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Das heißt, dass zwischen zwei Knoten eines Netzwerks die Übertragungssignale in Lichtsignale umgewandelt und anschließend sofort beim Empfang in elektrische Signale zurückverwandelt werden, um vom Empfangsknoten verarbeitet zu werden, der nach einer Analyse der empfangenen Informa tionen entweder die Informationen zu einem anderen Knoten des Netzwerks weiterleiten oder die Daten lokal nutzen muss. Im erstgenannten Fall ist selbstverständlich eine erneute Umwandlung von elektrisch zu optisch notwendig, selbst dann, wenn die übertragene Nutzinformation nicht verändert wurde und nur das letztendliche Ziel geprüft werden muss.
Dieser Betriebsmodus trifft insbesondere auf SONET- ("Synchronous Optical NETwork") oder SDH- ("Synchronous Digital Hierarchy") Ringnetzwerke zu, bei denen es sich um nordamerikanische bzw. europäische Normen handelt, die im Wesentlichen kompatibel sind. Insbesondere normen sie die Übertragungsgeschwindigkeiten, von denen unter den schnellsten jene mit 2,48 GBit/s (SONET OC-48 oder SDH STM-16), 10 GBit/s (SONET OC-192 oder SDH STM-64) und sogar mit 40 GBit/s (SONET OC-768 oder SDH STM-256) am häufigsten genutzt werden. Es ist darauf hinzuweisen, dass diese Ringnetzwerke, wie in 1 dargestellt, tatsächlich aus einem doppelten Lichtleiterring 100 bestehen, wovon einer ein ruhender Schutzkanal ist. Dieser übernimmt den Dienst nur im Fall eines Bruchs der aktiven Lichtleitfaser, nachdem eine schnelle automatische Umschaltung, die mindestens 50 Millisekunden erfordert und als APS (für "Automatic Protection Switching") bezeichnet wird, erfolgt ist, um die Kontinuität des Verkehrs sicherzustellen, die ein wesentliches Qualitätskriterium für diese Netzwerke darstellt, die ungeheuer große Datenmengen transportieren. Die Knoten dieser Netze bestehen im Allgemeinen aus ADM (für "Add/Drop (Multiplexer") 110, um einen lokalen Zugang nur zu einem Teil des Datenstroms zu gewähren, ohne den übrigen Verkehr zu beeinträchtigen, wofür allerdings jedes Mal eine vollständige O-E-O-Umwandlung (optisch – elektrisch – optisch) dieses Verkehrs erforderlich ist. SONET/SDH-Netze waren sehr erfolgreich und finden immer noch aufgrund des oben genannten APS-Schutzsystems und der ihnen eigenen Anpassungsfähigkeit an immer höhere Übertragungsgeschwindigkeit, wie sie die in den letzten Jahren beobachtete rasante Entwicklung des Datenaustauschausmaßes erfordert, einen weit verbreiteten Einsatz.
Diese erste Nutzungsform von Lichtleitfasern hat sich allerdings rasch als unzureichend erwiesen. Die Faser an sich ist zwar nicht sehr teuer, ihr Einsatz kann jedoch eine hohe Arbeitsleistung erfordern und sich als äußerst kostspielig erweisen. Statt noch mehr Lichtleitfasern zu verlegen, wenn die Kapazität eines installierten Netzes nicht mehr ausreicht, wurde die Lösung in einer bessern Ausnutzung der bereits verlegten Lichtleitfasern gefunden. Die sogenannte WDM- oder "Wavelength Division Multiplexing"-Technik (Wellenlängenmultiplex) bietet die Möglichkeit, durch die Übertragung unterschiedlicher Frequenzen über dieselbe Lichtleitfaser die Anzahl der voneinander vollkommen unabhängigen Übertragungskanäle auf derselben physischen Lichtleitfaser zu vervielfachen. Mit anderen Worten: Indem Lichtstrahlen unterschiedlicher "Farben" übertragen werden, wird die Bandbreite einer einfachen Faser um diesen Faktor vervielfacht. Die als DWDM (Dense WDM) bezeichnete Technik, die WDM rasch nachgefolgt ist, ermöglicht so ein Multiplexen von 80 oder sogar mehr Kanälen.
Diese Techniken haben es zwar tatsächlich ermöglicht, dem gewaltigen Bedarf an Bandbreite gerecht zu werden, doch faktisch hat sich auf diese Weise eine optische Datenübertragungsschicht entwickelt, deren Betrieb durchaus einige Probleme bereitet. Der wesentliche Grund liegt darin, dass beim derzeitigen Stand der Technik die Verarbeitung der übertragenen Signale und Daten weiterhin im Wesentlichen elektrisch erfolgt. Daher ist jedes Mal, wenn eine Prüfung der übertragenen Daten erforderlich ist, eine Umwandlung optisch/elektrisch unerlässlich. Insbesondere in Systemen, welche die Informationen durch Paketvermittlung übertragen, muss in den meisten Fällen der Header dieser Pakete abgefragt werden, um in jedem Knoten des Netzwerks das nächste Ziel (den "next hop") zu bestimmen. Dies ist insbesondere bei dem offensichtlich sehr stark genutzten Internetprotokoll (IP) der Fall, das im verbindungslosen Betrieb ("connection-less") arbeitet, im Gegensatz zu anderen Protokollen, für welche ein Pfad durch eine geeignete Signalisierung hergestellt werden muss, bevor der Datenaustausch stattfinden kann. Dies ist der Fall beim Telefon und den weiter oben bereits erwähnten sogenannten TDM-Übertragungsverfahren.
Daher ist zwar die optische Signalübertragung für den Datenaustausch an sich nicht sehr kostspielig, die Umwandlung elektrisch/optisch und umgekehrt bleibt jedoch teuer. Insbesondere erfolgt das Senden von Licht in einer Lichtleitfaser fast immer von Lasern aus, die technisch umso fortschrittlicher und leistungsfähiger sein müssen, je mehr man sich dafür entscheidet, zahlreiche Wellenlängen auf derselben Faser zu mischen (DWDM). Dies ist selbstverständlich deshalb so, weil die verschiedenen verwendeten "Farben" oder Wellenlängen auf diese Weise umso näher beieinander liegen und die Gefahr bestünde, dass ihr Emissionsspektrum sich überlagert und beim Empfang nicht mehr zu unterscheiden wäre, sofern nicht Laser zum Einsatz kommen, die in einem sehr engen Frequenzband senden können, die jedoch schwieriger zu realisieren und somit teuerer sind.
Das Dokument EP 1.128.585 beschreibt ein optisches Netzwerk, das mehrere Ebenen aufweist. Die niedrigste Ebene besteht aus einem Ring und an diesen Ring über Zugangsknoten gekoppelte Stationen, die keine Umwandlungen optisch/elektrisch und elektrisch/optisch erfordern. Dieser Ring weist zwei Lichtleitfasern auf, welche als Träger für die aufwärts verlaufenden Informationen (Uplink) bzw. die abwärts verlaufenden Informationen (Downlink) dienen. Jeder Knoten ist mit einer Vielzahl von Stationen über ein sternförmiges Netzwerk verbunden. Jeder Zugangsknoten umfasst:

– zwei passive optische Koppler, die jeweils an die zwei Fasern gekoppelt sind;
– einen mit einem ersten Koppler verbundenen Demultiplexer für die Downlink-Signale;
– und einen mit dem zweiten Koppler verbundenen Multiplexer für die Uplink-Signale.

Jede Station ist mit dem Zugangsknoten über eine einzige für sie spezifische Faser verbunden. Auf dieser Faser findet ein Multiplexen einer Wellenlänge statt, die als Träger für ein Uplink-Signal dient, sowie einer davon verschiedenen Wellenlänge, die als Träger für ein Downlink-Singal dient. Jede Station kommuniziert mit dem übrigen Knoten mit Hilfe von zwei für diese Station spezifischen Wellenlängen.
In diesem bekannten Netzwerk ermöglichen passive optische Koppler, einen lokalen Verkehr abzuzweigen und/oder einzuspeisen, also eine ADM-Funktion (für "Add/Drop-Multiplexer) auf rein optische Weise durchführen zu können, und zwar mit Bauteilen, die nur geringe Kosten bedeuten. Dagegen braucht dieses Netzwerk für jede Station ein Paar klar abgegrenzter Wellenlängen, also eine hohe Anzahl von Wellenlängen. Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein optisches Netzwerk vorzuschlagen, das eine effizientere Nutzung der Wellenlängenressourcen ermöglicht.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein optisches Ringnetzwerk, welches mindestens eine Lichtleitfaser und mindestens zwei über diese Lichtleitfaser mit Hilfe optischer Koppler gekoppelte Stationen aufweist, wobei die beiden Enden dieser Lichtleitfaser mit einem Zugangsknoten zu diesem optischen Netzwerk verbunden sind; hierbei weist der Zugangsknoten auf:

– mindestens einen optischen Sender, der ein optisches Downlink-Signal sendet, welches mindestens eine erste Wellenlänge in Richtung eines Endes dieser Lichtleitfaser aufweist;
– mindestens einen optischen Empfänger am anderen Ende dieser Lichtleitfaser, der ein optisches Uplink-Signal empfängt, welches mindestens eine zweite, von der ersten Wellenlänge verschiedene sogenannte Uplink-Wellenlänge aufweist;
– und Vorrichtungen, mit denen die Kommunikation zwischen dem optischen Empfänger und dem optischen Sender sichergestellt werden kann;

Das auf diese Weise charakterisierte Netzwerk nutzt die Wellenlängenressourcen besser, da die Vorrichtungen der Medienzugangskontrolle die Möglichkeit bieten, dass mehrere Stationen dieselbe Wellenlänge für Uplink-Signale gemeinsam nutzen. Dies zeigt sich in einem Rückgang der Kosten des Netzwerks für eine gegebene Übertragungskapazität.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist dieses Netzwerk dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtungen der Medienzugangskontrolle die Möglichkeit schaffen, dass eine Vielzahl von Stationen mindestens eine Downlink-Wellenlänge gemeinsam nutzen kann.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das Netzwerk gemäß der Erfindung außerdem Vorrichtungen zur Anrufzugangskontrolle (CAC für "Call Admission Control") auf, die Vorrichtungen aufweisen zum:

– Empfangen einer Bandbreitenanforderungsmeldung, die von einer Station gesendet wird und die einen auf einer Uplink-Wellenlänge einzufügenden Datentyp angibt;
– Bestimmen eines Parameterwertes, der einen Rhythmus für das Einfügen von Daten auf einer Uplink-Wellenlänge definiert, die von der Station genutzt werden kann, welche eine Bandbreitenanforderungsmeldung gesendet hat; dieser Wert wird hierbei in Abhängigkeit von dem auf dem Ring vorhandenen Verkehr und dem Typ der einzufügenden Daten bestimmt;
– Senden einer Steuerungsmeldung, die an diese Station adressiert ist und den Parameterwert enthält.

Dieser Ring kann eine einzige Faser aufweisen, die gleichzeitig die Downlink-Signale und die Uplink-Signale unterstützt, die sich vorzugsweise in derselben Richtung ausbreiten.
In einer anderen Ausführungsform sorgt eine zweite Faser für den Schutz gegen Ausfälle der ersten. In anderen Ausführungsformen können die verschiedenen genutzten Wellenlängen auf mehrere Fasern verteilt sein. In allen Fällen unterscheiden sich die auf derselben Faser genutzten Uplink-Wellenlängen voneinander und die auf derselben Faser genutzten Downlink-Wellenlängen unterscheiden sich voneinander.
Das oben genannte Ziel der Erfindung, die anderen Ziele sowie ihre Merkmale und Vorteile werden aus der ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen klarer ersichtlich werden, auf denen:
1 den bisherigen Stand der Technik mit einem optischen SONET- oder SDH-Ringnetzwerk veranschaulicht, welches Add/Drop-Multiplexer (ADM) aufweist.
2 optische Koppler darstellt, die für die Implementierung der Erfindung verwendet werden können.
3 das allgemeine Prinzip der Implementierung eines Ringnetzwerks gemäß der Erfindung veranschaulicht.
4 die Ausführung eines Netzwerks gemäß der Erfindung genauer beschreibt.
5 ein Übersichtsschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Station für das Netzwerk gemäß der Erfindung darstellt.
6 ein Übersichtsschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels einer Station für das Netzwerk gemäß der Erfindung darstellt.
2 stellt optische Koppler 204 und 260 dar, die für die Implementierung der Erfindung verwendet werden können. Dies sind nicht sehr kostspielige, im Handel erhältliche Koppler, von denen es zahlreiche Modelle mit je nach Anwendung verschiedenen Merkmalen gibt.
Der Koppler 204 ermöglicht es, zu mindestens zwei Lichtleitfasern 210, 220 sämtliche auf einer einzigen Faser 200 empfangenen optischen Signale 205 mit unterschiedlichen Wellenlängen zu senden, die mit λ₁ bis λ_n bezeichnet werden. Je nach den Eigenschaften des Kopplers kann die Trennung gleichmäßig erfolgen oder aber einer der Kanäle kann zu Lasten des anderen Kanals oder der anderen Kanäle, sofern es mehr als zwei gibt, bevorzugt werden. Es gibt zahlreiche Anwendungen für Vorrichtungen dieser Art, beispielsweise das Abzweigen eines geringen Teils der Leistung sämtlicher Wellenlängen λ₁ bis λ_n, die sich auf einer Faser bewegen, um deren Eigenschaften zu messen. Im häufigen Fall der 1:2-Koppler, was dem Beispiel des Kopplers 204 entspricht und wo die Energie der einfallenden Wellen gleichmäßig zwischen den beiden Zweigen getrennt, also durch zwei geteilt wird, ist der Nennwert der Leistungsminderung (Dämpfung) somit 3 dB, was relativ gering ist, wenn man berücksichtigt, dass optische Empfänger in einem großen Dämpfungsbereich von mindestens 10 dB und oft noch mehr arbeiten können. In dieser Art von Anwendung wird ein Koppler aus einleuchtenden Gründen oft als "Trenner" bezeichnet. Im allgemeinen Fall ist ein Koppler dieses Typs somit ein 1:N-Trenner.
Der Koppler 260 hat die umgekehrte Aufgabe wie die weiter oben beschriebene, denn sie besteht darin, von zwei Lichtleitfasern 230, 240 kommende optische Signale auf einer einzigen Lichtleitfaser 250 zu kombinieren. Im Allgemeinen wird dies angewendet, um Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen zu kombinieren, zum Beispiel λ₁ und λ₂, sodass die einfallenden Wellen nicht interferieren, wobei so ihr Multiplexen (WDM) in demselben Übertragungsmedium erreicht wird.
In der Praxis werden Koppler oft durch das Verschmelzen mehrerer Lichtleit fasern hergestellt, im Beispiel von 2 sind es drei.
3 ist eine Gesamtansicht eines Beispiels für ein Ringnetzwerk gemäß der Erfindung. Der Ring 300 besteht aus mindestens einer Lichtleitfaser, er weist davon jedoch vorzugsweise zwei auf, um die Kontinuität des Dienstes für die Benutzer bei einer Funktionsstörung der an eine Faser angeschlossenen Geräte oder bei einer Unterbrechung der Übertragung auf der Faser selbst gewährleisten zu können. Der Ring ist selbst im Allgemeinen über mindestens einen Zugangsknoten 320–330, der auch als Einwahlknoten oder "POP" für "Point of Presence" bezeichnet wird, mit mindestens einem Backbone-Netz 310 verbunden, und weist auf:

– Einen Konzentrator 320 (auch als "Hub" bezeichnet), der noch im Wesentlichen elektrisch arbeitet, insbesondere weil er immer mit ausreichenden Speichervorrichtungen in Form elektronischer Speicher ausgestattet sein muss, um den Verkehr vorübergehend speichern zu können.
– O/E/O-Umsetzungsvorrichtungen (optisch-elektrisch-optisch) 330, welche die Möglichkeit bieten, die Gesamtheit des Verkehrs zu erfassen, der sich auf dem Ring 300 bewegt.

Benutzerstationen 340-1, 340-2, 340-3 sind ihrerseits mit Hilfe solcher Koppler, wie sie in 2 dargestellt sind, an den optischen Ring angeschlossen. Sie sind folglich in der Lage, auf optische Weise den für sie bestimmten Verkehr abzuzweigen und zu empfangen und ebenso ihren eigenen Verkehr einzuspeisen, der für den Zugangsknoten hin zu anderen Netzwerken oder zu anderen Stationen am Ring bestimmt ist:

– entweder über den Konzentrator 320, wenn die Empfangsstation nicht mit Empfängern ausgestattet ist, die in der Lage sind, mindestens eine diesen beiden Stationen gemeinsame Uplink-Wellenlänge zu erkennen;
– oder direkt, wenn die Station mit solchen Empfängern ausgestattet ist.

Der Zugangsknoten 320–330 umfasst:

– unter den O/E/O-Vorrichtungen 330 mindestens einen optischen Sender, der ein optisches Downlink-Signal sendet, das mindestens eine erste Wellenlänge in Richtung eines Endes dieser Faser aufweist;
– unter den O/E/O-Vorrichtungen 330 mindestens einen optischen Empfänger am anderen Ende dieser Faser, der ein optisches Uplink-Signal empfängt, das mindestens eine zweite Wellenlänge aufweist, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet;
– Vorrichtungen, mit deren Hilfe die Kommunikation zwischen dem optischen Empfänger und dem optischen Sender sichergestellt werden kann, die im Wesentlichen aus dem Konzentrator 320 bestehen;
– und Vorrichtungen zur Anrufzugangskontrolle, die es den Stationen 340 ermöglichen, untereinander oder mit Stationen außerhalb des Rings über den Zugangsknoten 320–330 und das Backbone-Netz 310 Verbindungen aufzubauen.

4 wiederholt den in 3 beschriebenen Ring mit größerer Detailgenauigkeit. 4 stellt alle unterschiedlichen Wellenlängen 400 dar, die sich auf der Faser 463 (oder den Fasern) bewegen, welche den Ring 300 bilden. In diesem Beispiel werden fünf verschiedene Wellenlängen verwendet:

– Zwei Wellenlängen 412 und 414 werden gemeinsam von vier Stationen 340 genutzt, um als Träger für Uplink-Signale zum Empfangsteil 330-2 des Zugangsknotens 320–330 zu dienen.
– Drei Wellenlängen 422, 424, 426 werden gemeinsam von den vier Stationen 340 genutzt, um Downlink-Signale zu empfangen, die vom Sendeteil 330-1 des Zugangsknotens 320–330 zu den Stationen gesendet werden. Diese Stationen können so den für sie bestimmten Verkehr auf einer (oder mehreren) eigenen Wellenlänge(n) empfangen, sie können ihn jedoch auch auf einer (oder mehreren) von den Stationen gemeinsam genutzten Wellenlänge(n) empfangen.

5 stellt in sehr schematischer Form ein Ausführungsbeispiel für eine der auf 4 veranschaulichten Stationen 340 dar. Sie ist im optischen Betriebsmodus mittels eines Kopplers 464 mit vier Zugängen an eine Faser 463 gekoppelt. Die Sendevorrichtungen Tx und Empfangsvorrichtungen Rx dieser Station sind jeweils mit zwei dieser Zugänge 461 und 462 verbunden. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Stationen außerdem optische Umschaltvorrichtungen aufweisen müssen, um auf eine andere optische Faser oder andere optische Fasern umschalten zu können, wenn im Fall einer Störung ein Schutz gewünscht wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Stationen 340 selbst in der Lage sind, nötigenfalls die von den anderen Stationen gesendeten optischen Signale zu erfassen, und zwar selbst dann, wenn der Verkehr zwischen Stationen vorzugsweise unter der Kontrolle der Steuerungsvorrichtungen des Konzentrators 320 erfolgt, der als Netzwerk-Master handeln kann und in der Lage ist, den gesamten sich auf ihm bewegenden Verkehr zu regulieren.
Das gemeinsame Nutzen von Wellenlängen erfolgt über ein Zeitmultiplex-Verfahren. Jede Station entnimmt unter den einem Zeitmultiplex-Verfahren unterzogenen Paketen auf dieser Wellenlänge diejenigen, die für sie bestimmt sind. Insbesondere der sogenannte Punkt-zu-Multipunkt-Verkehr (auch "Multicast" genannt) oder der sogenannte Rundfunkverkehr (auch "Broadcast" genannt), das heißt, der jeweils für eine bestimmte Gruppe von Stationen oder für sämtliche Stationen bestimmte Verkehr, kann auf diese Weise von mehr als einer Station und nötigenfalls sogar von allen Stationen empfangen werden.
In einer besonderen Ausführungsform kann der Zugangsknoten 320–330, der in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Netzwerk-Master ist, eine allen Stationen gemeinsame Wellenlänge nutzen, um zum Beispiel Befehle für die Konfiguration des Netzwerks oder für die Implementierung einer Schicht zur Verwaltung des Medienzugangs zu senden (die verschiedenen Uplink-Wellenlängen [?]), die dem klassischerweise als MAC (Media Access Control) bezeichneten Typ entspricht. Seine Aufgabe besteht darin, auf Uplink-Wellenlängen Zeitintervalle denje nigen Stationen zuzuweisen, die zu sendenden Verkehr haben, und zwar in der Weise, dass es keine zwei Stationen gibt, die zum selben Zeitpunkt auf derselben Uplink-Wellenlänge senden; und auf Downlink-Wellenlängen Zeitintervalle den Stationen zuzuweisen, die über den Zugangsknoten zu empfangenden Verkehr haben, und zwar in der Weise, dass jede Station einen gerecht verteilten Zugang zu diesen Ressourcen an Downlink-Wellenlängen hat.
Die Stationen können entsprechend den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung:

– einen oder mehrere optische Sender und/oder Empfänger verwenden, die feste Wellenlängen haben, welche jedoch für die Sender voneinander verschieden sind;
– einen oder mehrere optische Sender und/oder Empfänger verwenden, die langsam anpassbare Wellenlängen haben, welche die Möglichkeit bieten, die Gesetze der gemeinsamen Nutzung von Wellenlängen über eine große Zeitspanne zu verändern.
– einen oder mehrere optische Sender und/oder Empfänger verwenden, die Wellenlängen besitzen, welche schnell zwischen zwei Sende-/Empfangsvorgängen oder Serien von Sende-/Empfangsvorgängen angepasst werden können.

Man wird daher festgestellt haben, dass die Erfindung die Datenübertragung ausgehend von zwei Gruppen von Wellenlängen oder optischen Bus-Systemen organisiert: die eine abwärts (Downlink) in Richtung des Sendens vom Zugangsknoten 320–330 zu den Stationen 340 und in diesem Beispiel bestehend aus der Gruppe 420 von drei Wellenlängen λ_T 422, 424, 426, und die andere aufwärts (Uplink) in Richtung des Sendens von den Stationen zum Zugangsknoten 320–330 und hier bestehend aus der Gruppe 410 der beiden Wellenlängen 412, 414. Man kann auch feststellen, dass diese optischen Bus-Systeme in keiner Weise auf ihre physische Aufteilung vorgreifen und dass insbesondere die verschiedenen Wellenlängen, die einen Bus bilden, sich nötigenfalls auf verschiedenen Lichtleitfasern bewegen können, allerdings mit einem geeigneten Abschluss, beispielsweise dem auf 4 dargestellten Abschluss 455 am Ende des Bus, um eine Störung der Übertragungsvorgänge zu vermeiden.
Im Übrigen bedeutet die Erfindung nicht, dass der Uplink-Verkehr und der Downlink-Verkehr notwendigerweise dieselbe Bedeutung haben müssen. Je nach Anwendung kann zum Beispiel der Downlink-Verkehr wichtiger oder sogar viel wichtiger sein als der Uplink-Verkehr. Dies wäre bei einem Videoübertragungssystem der Fall.
Wahlweise kann mindestens eine Ersatzfaser für Notfälle verwendet werden, um die Kontinuität des Verkehrs im Fall einer Störung bestimmter Bauteile oder Funktionen sicherstellen zu können. Die Umschaltung erfolgt durch optische Umschaltvorrichtungen 450 zwischen der aktiven Faser und der Ersatzfaser mit dem Ziel, den Schutz des Verkehrs sicherzustellen. Auf dieses Weise ist es gemäß der Erfindung möglich, den Verkehr von einer Lichtleitfaser oder einer Gruppe von Lichtleitfaser auf eine andere Lichtleitfaser oder Gruppe von Lichtleitfasern im optischen Betrieb umzuschalten, das heißt ohne kostspielige Schutzeinrichtungen einsetzen zu müssen, die zum Beispiel im Rahmen der SONET-Netze (APS) auf der elektrischen Ebene entwickelt wurden. Hier sind passive Einrichtungen wie beispielsweise die in 2 dargestellten oder andere, wie einfache elektrisch betätigte optische Umschalter, insbesondere beim Senden auf der Seite des Zugangsknotens angeordnet, damit der optische Verkehr nötigenfalls auf andere Weise gelenkt werden kann.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das von der Erfindung offenbarte System die Möglichkeit bietet, ein Netzwerk um einen doppelten optischen Bus zu organisieren (für den eine einzige Lichtleitfaser als Träger dienen kann), wobei jeder der beiden Teile des Bus eine oder mehrere bestimmte Wellenlängen transportieren kann, um den Datenaustausch zwischen einem Zugangsknoten und über diesen Bus angeschlossene Stationen zu ermöglichen. Die Ausführung erfolgt zu geringen Kosten, denn sie erfordert nicht, dass der gesamte Verkehr, der sich auf dem Ring bewegt, in jeder Station in den elektrischen Modus umgewandelt werden muss. Die Verbindung der Stationen erfolgt nämlich über einfache passive optische Einrichtungen, die als Koppler bezeichnet werden und die in der Lage sind, einen Teil der Energie der sich auf dem Ring bewegenden Wellenlängen abzuzweigen oder aber das Einfügen anderer Wellenlängen zu ermöglichen.
Die Beobachtung einer Wellenlänge oder mehrerer bestimmter Wellenlängen auf dem Downlink-Teil des doppelten optischen Busses durch eine Station ermöglicht dieser, den für sie bestimmten Verkehr herauszulesen. Der von jeder einzelnen Station aus erzeugte Verkehr wird seinerseits am Uplink-Teil des Busses mit einer anderen oder anderen bestimmten Wellenlängen eingespeist, womit die Ausführung der Einfüge-/Auslesefunktion vervollständigt wird, die für jede an das Netzwerk angeschlossene Station für ihren Datenaustausch mit anderen Stationen oder mit dem Zugangsknoten zum Netzwerk unerlässlich ist.
6 stellt den Übersichtsschaltplan eines anderen Ausführungsbeispiels 340' einer Station für das Netzwerk gemäß der Erfindung dar. Die Station umfasst:

– eine optische Verzögerungsleitung 501, die in eine Lichtleitfaser 300 eingeschaltet ist;
– ein Steuergerät 506, das in Zusammenarbeit mit den Steuerungsvorrichtungen des Konzentrators 320 des Zugangsknotens ein Verfahren der Anrufzugangskontrolle anwendet und das ein Verfahren der Medienzugangskontrolle anwendet, um einen kollisionsfreien Sendevorgang sicherzustellen;
– einen Koppler 503, um einen Teil der Downlink-Signale auf der Faser 300 abzugreifen, wobei dieser Koppler vor der Verzögerungsleitung 501 angeordnet ist;
– einen Spektraldemultiplexer 500, der die verschiedenen Wellenlängen der Downlink-Signale trennt, die von dem Koppler 503 abgegriffen wurden;
– mindestens einen optischen Empfänger Rx, der mit einem Ausgang des Demultiplexers 500 verbunden ist;
– mindestens einen optischen Empfänger Tx, der mit einem Eingang des Kopplers 502 verbunden ist, um auf einer Uplink-Wellenlänge zu senden;
– mindestens eine Fotodiode 504, die mit einem Ausgang bzw. Ausgängen des Demultiplexers 500 verbunden ist; hierbei empfängt jede Fotodiode 504 jeweils auf der Wellenlänge eines optischen Senders Tx und ist mit dem Steuergerät 506 verbunden; diese Fotodiode ermöglicht dabei, die optische Leistung auf einer Uplink-Wellenlänge für das Verfahren der Medienzugangskontrolle zu messen;
– einen Koppler 502, um Uplink-Signale auf der Faser 300 hinter der Verzögerungsleitung 501 einzuspeisen;
– eine elektronische Schaltung 505, die an diese Station adressierte Datenpakete erkennt und verarbeitet;
– eine Vielzahl von Warteschlangen, Q1, ..., Qn des FIFO-Typs, wobei jede Schlange jeweils einen in den Ring einzuspeisenden Datenpakettyp aufbewahrt, das heißt einen Typ, der einer Priorität oder einer von einem Vertrag garantierten Dienstgüte (QoS) entspricht;
– eine elektronische Schaltung 507 mit einem Eingang 511, der in den Ring einzuspeisenden Verkehr empfängt;
– eine Weichenschaltung 512, die Datenpakete aus dem einzuspeisenden Verkehr entsprechend den jeweiligen Prioritäten dieser Pakete in die Warteschlangen Q1, ..., Qn schreibt;
– eine elektronische Schaltung 510, die den Lesevorgang in den Warteschlangen Q1, ..., Qn in Rhythmen ausführt, die jeweils von den Befehlen des Steuergeräts 506 definiert werden;
– und eine elektronische Schaltung 509, die das Format der in den Warteschlangen Q1, ..., Qn gelesenen Pakete anpasst, bevor sie an die Sender Tx geliefert werden.

501

Das Verfahren der Medienzugangskontrolle ist darauf gegründet, dass eine Fotodiode (oder die Fotodioden) 504 und das Steuergerät 506 zu einem gegebenen Zeitpunkt mindestens eine verfügbare Wellenlänge erkennen, um Uplink-Verkehr zu senden. Andererseits ist das Verfahren der Anrufzugangskontrolle darauf gegründet, dass das Steuergerät 506 Steuerungspakete erkennt, die eine Regelung des von jeder Station eingespeisten Verkehrs sicherstellen. Diese Regelung wird von den Steuerungsvorrichtungen des Zugangspunktes 320–330 ausgeübt, um eine gewisse Gleichberechtigung des Zugangs für alle Stationen sicherzustellen sowie eine Beachtung der jeweiligen Prioritäten der verschiedenen Datentypen. Wenn diese Regelung fehlt, wären die Stationen, welche die Downlink-Signale als Erste empfangen, immer gegenüber den anderen Stationen bevorzugt, und Pakete mit niedriger Priorität würden von diesen bevorzugten Stationen vor den Paketen mit hoher Priorität der anderen Stationen eingefügt.
Die Schaltung 505 empfängt und trennt danach Pakete, die Managementmeldungen enthalten, und Pakete mit Nutzdaten, die vom Zugangsknoten 320–330 kommen. Die Managementmeldungen ermöglichen die Anwendung der Datenstromsteuerung im Netzwerk; sie werden an das Steuergerät 506 übertragen. Die Pakete mit Nutzdaten werden an einen Ausgang 508 übertragen. Die Informationen über das Vorhandensein eines ausreichenden freien Platzes auf einer Uplink- Wellenlänge wird an den entsprechenden Sender Tx gesendet, um den Sendevorgang eines neuen Pakets auszulösen, das bereits den Schritt der Anrufzugangskontrolle durchlaufen hat. Die Vorrichtung 509 umfasst einen Speicher, in den das nächste zu sendende Paket geladen wird. Die Vorrichtung 509 informiert ständig das Steuergerät 506 darüber, ob ein sendebereites Paket vorhanden ist oder nicht.
Das Steuergerät 506 bereitet die in Richtung des Zugangsknotens 330–320 zu sendenden Managementmeldungen vor und überträgt sie an die Schaltung 507, damit sie in Form von Paketen gebracht und anschließend in der Warteschlange mit der höchsten Priorität unter den Warteschlangen Q1, ..., Qn gespeichert werden.
Jede Warteschlange wird in einem Rhythmus geleert, der von einem Schwellenwert abhängt, welcher von den im Zugangsknoten 320–330 befindlichen Steuerungsvorrichtungen an diese Station gesendet wird. Dieser Rhythmus wird von der Lesesteuerungsschaltung 510 definiert, indem sie einen Algorithmus anwendet, der insbesondere darin besteht, die Füllung der Warteschlange mit diesem Schellenwert zu vergleichen, um zu entscheiden, ob es Zeit ist, ein Paket aus dieser Warteschlange herauszunehmen. Dieser Algorithmus ist ähnlich dem klassischen Leaky-Bucket-Algorithmus. Wenn die im Zugangsknoten 320–330 befindlichen Steuerungsvorrichtungen eine größere Verfügbarkeit einer Wellenlänge feststellen, können sie den Schwellenwert für eine Station, die diese Wellenlänge nutzt, absenken, um den Ausleserhythmus der Pakete in einer Warteschlange zu beschleunigen.
Wenn eine Station 340' Datenpakete mit einer bestimmten Priorität einfügen muss, ist sie dazu nur ermächtigt, wenn die Netzwerkauslastung, wie sie sich vom Standpunkt dieser Situation aus darstellt, dies zulässt. Das Steuergerät 506 sendet an die Steuerungsvorrichtungen im Zugangsknoten 320–330 ein Paket, das eine Bandbreitenanforderung enthält, worin der Typ und die Menge der in die Uplink-Signale einzufügenden Daten angegeben wird. Die Steuerungsvorrichtungen des Zugangspunkts 320–330 antworten mit einem Paket, das eine Antwortmeldung mit einem Schellenwert für eine bestimmte Wellenlänge (oder sogar mehrere Wellenlängen) und für eine gegebene Priorität enthält (die in der Anforderungsmeldung angegeben war).
Um einen Schwellenwert zu bestimmen, der einer Station zuzuweisen ist, bestimmen die Steuerungsvorrichtungen des Zugangspunkts 320–330 die Menge des vorhandenen Verkehrs auf den Uplink-Wellenlängen, welche diese Station nutzen kann; und sie fragen eine Tabelle ab, die einen zuvor festgelegten Schwellenwert angibt. Jeder Schwellenwert wurde zuvor durch Modellierung in Abhängigkeit von der Verkehrsmenge, dem Datentyp und der Position der Station entlang des Rings für jede der Uplink-Wellenlängen festgelegt.
Die Steuerungsvorrichtungen des Zugangspunkts 320–330 bestimmen ebenso neue Schwellenwerte jeweils für die anderen Stationen, die bereits dabei waren, Pakete einzufügen. Diese neuen Schwellenwerte berücksichtigen den Typ der Datenpakete, die gerade eingefügt werden, und die einzufügenden Mengen, wie sie in den zuvor von diesen Stationen gesendeten Bandbreitenanforderungen angegeben worden waren. Diese Schwellenwerte werden jeweils in den Managementmeldungen an die betroffenen Stationen gesendet. Wenn dieselbe Station das Einfügen unterschiedlicher Pakettypen anfordert, enthält sie für jeden Pakettyp jeweils einen Schwellenwert.
Wenn eine Station keinen weiteren Verkehr einzufügen hat, sendet sie eine Signalisierungsmeldung, um die Steuerungsvorrichtungen des Zugangspunkts 320–330 darüber zu informieren.
Wenn eine Station zu viel Verkehr einzufügen hat, das heißt, wenn eine Warteschlange ihre Sättigung erreicht, sendet sie eine Signalisierungsmeldung, um die Steuerungsvorrichtungen des Zugangspunkts 320–330 darüber zu informieren. Letztere wenden dann ein Verfahren an, welches darin besteht, den Einfügerhythmus von Datenpaketen durch die anderen Stationen zu verringern, welche dieselbe Wellenlänge verwenden wie die überlastete Station.
In einer anderen Ausführung kann man einen optischen 2:2-Koppler verwenden, wie auf 5. Die Verzögerungsleitung 501 muss dann vor diesem Koppler angeordnet werden. Die Fotodiode 504 muss jedoch vor der Verzögerungsleitung 501 bleiben, um ihre Funktion in einem Verfahren zur Medienzugangskontrolle ausüben zu können. Man sieht dann einen anderen Koppler des Typs 1:2 vor, der vor der Verzögerungsleitung angeordnet und mit der Fotodiode 504 verbunden ist.

Claims

Optisches Ringnetzwerk, welches mindestens eine Lichtleitfaser (300) und mindestens zwei über diese Lichtleitfaser mit Hilfe optischer Koppler (461, 462) gekoppelte Stationen (340) aufweist, wobei die beiden Enden dieser Lichtleitfaser mit einem Zugangsknoten (320, 330) zu diesem optischen Netzwerk verbunden sind; hierbei weist der Zugangsknoten (320, 330) auf: – mindestens einen optischen Sender (330-1), der ein optisches Downlink-Signal sendet, welches mindestens eine erste Wellenlänge (420) in Richtung eines Endes dieser Lichtleitfaser (300) aufweist; – mindestens einen optischen Empfänger (330-2) am anderen Ende dieser Lichtleitfaser (300), der ein optisches Uplink-Signal empfängt, welches mindestens eine zweite, von der ersten Wellenlänge verschiedene sogenannte Uplink-Wellenlänge aufweist; – und Vorrichtungen (320), mit denen die Kommunikation zwischen dem optischen Empfänger (330-2) und dem optischen Sender (330-1) sichergestellt werden kann; wobei das optische Netzwerk dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Vielzahl von Stationen mindestens eine Uplink-Wellenlänge gemeinsam nutzen, damit jede zu einem optischen Empfänger dieses Zugangsknotens senden kann, dadurch, dass es Vorrichtungen (320) zur Medienzugangskontrolle aufweist, die diese gemeinsame Nutzung einer Uplink-Wellenlänge ermöglichen, sowie dadurch, dass mindestens die eine der Stationen Vorrichtungen aufweist, um zumindest eine sogenannte gemeinsam genutzte Uplink-Wellenlänge zu erfassen (461, 503) und zu erkennen (RX, 504).
Optisches Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen (320) zur Medienzugangskontrolle einer Vielzahl von Stationen ermöglichen, mindestens eine Downlink-Wellenlänge gemeinsam zu nutzen.
Optisches Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem Vorrichtungen zur Anrufzugangskontrolle (320) aufweist, die Vorrichtungen aufweisen zum: – Empfangen einer Bandbreitenanforderungsmeldung, die von einer Station gesendet wird und die einen auf einer Uplink-Wellenlänge einzufügenden Datentyp angibt; – Bestimmen eines Parameterwertes, der einen Rhythmus für das Einfügen von Daten auf einer Uplink-Wellenlänge definiert, die von der Station genutzt werden kann, welche eine Bandbreitenanforderungsmeldung gesendet hat; dieser Wert wird hierbei in Abhängigkeit von dem auf dem Ring vorhandenen Verkehr und dem Typ der einzufügenden Daten bestimmt; – Senden einer Steuerungsmeldung, die an diese Station adressiert ist und den Parameterwert enthält.
Optisches Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sender und/oder Empfänger der Stationen (340) Vorrichtungen aufweisen, welche die Anpassung der genutzten Wellenlängen ermöglichen.
Optisches Netzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine aktive Lichtleitfaser (300) und eine Ersatzlichtleitfaser für Notfälle aufweist.
Optisches Netzwerk nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es optische Vorrichtungen (450) zur Umschaltung zwischen der aktiven Faser und der Ersatzfaser enthält, um den Schutz des Verkehrs sicherzustellen.
Optisches Netzwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stationen auf der aktiven Faser und auf der Ersatzfaser gekoppelt sind.
Optisches Netzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsam genutzte Downlink-Wellenlänge für das Netzwerkmanagement genutzt wird.