CN1190026C - 光交换机和交换光通信信号的方法 - Google Patents

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Abstract

在光交换机中使用位速率透明电空分交换矩阵并且通过简单的宽带光接收器和发送器构造输入/输出级段，由于交换矩阵以非时钟方式工作，即其交换功能不基于内部位定时和帧定时，可以通过独立于所使用的协议类型的方式在几乎任意的位速率上透明交换任意信号。由于其仅实现一个O/E转换或O/E转换，输入和输出同样以完全独立于位速率和协议的方式工作。利用这种结构建立一个构造简单但非常强大的光交换机，上述光交换机可以同样适用于规定波长范围内所有类型的光学信号。结果，可以在光网络的物理层上交换连接，其中光网络可以被各种具有不同传输协议的业务同等使用。

Description

光交换机和交换光通信信号的方法
技术领域
本发明涉及在光传送网络的物理层上交换光通信信号的光交换机。
背景技术
对于传送网络中的数据传输，现今主要使用根据ITU-T的SDH(同步数字系列)和SONET(同步光网络)建议进行操作的系统。在这些系统中，根据多路复用规则将要发送的有效负载数据信号分组成多路复用单元并且交织以构成时隙多路复用通信信号。接着将其当作光通信信号通过网络的光学波导发送出去，其中在传送网络的中间网络单元中将通信信号分解成包含其中的单个多路复用单元并且可以再次按照一个新的结构对其进行交织。通过这种方式交换SDH或SONET传送网络中的连接。在Nortel网络发表的文章“SONET 101”中对这些系统进行了综述，可以通过互联网从www.nortel.com/broadband/pdf/sonnet 101.pdf下载该文章。
另外，发送波长多路复用光通信信号的光网络也找到了越来越多的应用。这种波长多路复用信号包括若干个均由波长来表示的光信道。结果可以通过一个单独的光学波导并行发送若干个光学信号。对于这种光网络，需要网络单元能够从波长多路复用通信信号中分离出单个波长和插入波长(塞/取多路复用器(add/drop multiplexer))。另外，需要网络单元能够将这种波长多路复用通信信号分解成包含其中的单个波长并且再次按照新结构对其进行多路复用以便在光网络中交换连接(交叉连接)。上述网络单元的实现在技术上非常精细并且这些仪器的开发当前仍然处于初级阶段。当前仍在制定光信道的标准。例如，当前正在讨论被称作“光信道(OCh)”的新多路复用层次。这种新多路复用层次将具有位速率为2.66吉位/秒，和2.66吉位/秒的倍数(以4为系数)，即10.7x吉位/秒和43.x吉位/秒的多路复用等级，并且为使用波分多路复用(WDM)的信息光传输而提供。
并且，当前正在开发被用来交换具有任意格式，例如SONET，ATM，IP的光通信信号的所谓光交换机。它们包含一个对于要交换的通信信号透明的中央空分交换矩阵。在Charles A.Brackett标题为“Cost Effective Optical Networks：The Role of Optical Cross-Connect”“经济型光网络：光交换机的作用”的文章中提供了这种光交换机的一个例子，可以通过互联网从站点 www.tellium.com下载上述文章。这种光交换机使用基于SONET的时钟同步电空分交换矩阵进行操作，上述电空分交换矩阵按照OC-48帧定时操作。因些不保证对非SONET通信信号的完全透明。
另一个例子是Monterey生产的20000系列波长路由器。在互联网上发布的一个涉及该产品的小册子中规定上述路由器包括一个被称作“交换核心”的子系统和支持OC-48/STM-16信号并且通过短程光接口(Ultra-Short-Reach-OpticsTM)被连接到交换核心的I/O卡。交换核心具有与256 OC-48或64 OC-192等价的交换容量。因此同样是基于SONET的帧定时速率并且不是对于所有信号类型都完全透明。
发明内容
因此本发明的一个目标是提供一个以独立于位速率和协议的方式工作并且还保证提供针对至少一个协议类型的传输功能的光交换机。本发明的另一个目标是提供一个进行独立于位速率和协议的光通信信号交换的方法。
根据本发明，一种在物理层上交换光传送网络的光通信信号的光交换机，具有：若干个均接收具有一个单独光信道的光通信信号的宽带光输入，其中为各个光输入分配一个将相应光输入上接收的光通信信号转换成电通信信号的O/E转换器；若干个均发送具有一个单独光信道的光通信信号的光输出，其中为各个光输出分配一个将电通信信号转换成要发送的光通信信号的E/O转换器；一个透明空分交换矩阵，上述空分交换矩阵通过输入端被电连接到光输入并且通过输出端被电连接到光输出，以便有选择地将电通信信号从光输入连接到光输出；一个控制交换矩阵的交换状态的控制设备；和，一个监视设备，上述监视设备被连接到至少两个矩阵端口以便从交换矩阵接收到电通信信号，监视这个通信信号的传输差错并且将通信信号回送到交换矩阵。
根据本发明，一种在物理层上交换光传送网络的光通信信号的方法，包括下面步骤：在一个输入上接收具有一个单独光信道的宽带光通信信号，通过一个O/E转换器将接收的光通信信号转换成电通信信号，将电通信信号从一个透明空分交换矩阵交换到一个监视设备，监视电通信信号的传输差错，将电通信信号回连到交换矩阵(S)以便接着可以选择连接到若干个输出中的一个输出上，通过交换矩阵(S)以可选的方式将电通信信号连接到一个输出上，通过一个E/O转换器将电通信信号转换成光通信信号以便通过一个单独的光信道发送，以及，发送光通信信号。
基于本发明的光叉连接的一个优点是允许通过中央网络管理系统对具有任意信号格式的光通信信号进行可远程控制的互连。
另一个优点是基于本发明的交叉连接可以节省生产和操作的费用。具体地，由于具有简单的结构，输入/输出接口非常便宜。另外，可以在所有现有和将来的网络中以非常灵活的方式使用光交换机，并光交换机对于所有现有协议类型均是开放的。当前的半导体技术允许使用高达20吉位/秒的位速率。
一个具体的优点是将适于某具体协议类型的监视设备连接到交换矩阵，使得该协议类型的信号能够从交换矩阵连通到监视设备并且接着从后者连通到交换矩阵。结果，可以在不减少交叉连接的透明性和功能的情况下监视这种协议类型的通信信号。利用监视设备可以实现保护功能并保证这种协议类型的通信信号的预定信号质量。这种监视设备的一个特别有利的结构监视SDH或SONET信号的B1字节和/或J0字节。结果，光交换机可以被集成到现有SDH系统或SONET系统中。
基于本发明的交叉连接可以和波分多路复用器一起被用于WDM网络中。在这种情况下最好将WDL层中诸如波长分配和波长转换的典型功能从光网络的交换功能中分离出来。
附图说明
下面参照基于图1-5的示例性实施例说明本发明。其中：
图1：基于本发明的光交换机的模块图，
图2：一个具有四个光交换机的网络，
图3：图2中安装了一个保护电路的网络，
图4：基于本发明并且连接有一个外部波分多路复用器的光交换机，和
图5：基于本发明并且连接有一个外部塞/取多路复用器的光交换机。
具体实施方式
图1中示出的光交换机OCX具有一个电交换矩阵S，一个输入/输出级段I/O，一个监视电路MON和一个控制器CS。交换矩阵S具有若干个端口，其中某些端口被连接到输入/输出级段I/O而其余端口被连接到监视电路MON。另外，交换矩阵S具有一个被连接到控制设备CS的控制输入。输入/输出级段包括宽带光输入和若干个光输出，其中宽带光输入均被提供一个单独的光信道以便接收光通信信号，而光输出均被提供一个单独的光信道以便发送光通信信号。
光输入均拥有一个将光通信信号转换成电通信信号的O/E转换器。类似地，光输出拥有一个将来自交换矩阵S的电通信信号转换成要发送的光通信信号的E/O转换器。
交换矩阵S是一个透明空分交换矩阵，上述交换矩阵S通过输入端被电连接到输入/输出级段I/O的光输入并且通过输出端被电连接到输入/输出级段I/O的光输出，并且在控制电路CS的监视下有选择地将电通信信号从光输入连接到光输出。交换矩阵最好以非时钟方式工作。至今为止在IP路由器中使用的类似非时钟交换矩阵具有明显较低的位速率。根据最近的Si/Ge-BiCMOS半导体技术，可以方便地为大约为12吉位/秒的最大传输速率设计交换矩阵S。实验室试验表明，这种包括Si/Ge-BiCMOS半导体的交换矩阵甚至可以被用于高达20吉位/秒的传输速率。
本发明的基本思路是在光交换机中使用位速率透明交换矩阵并且通过简单的宽带光接收器和发送器构造输入/输出级段。一个监视设备被连接到交换矩阵，使得通信信号可以从交换矩阵连通到监视设备并且回连到交换矩阵，从而实现针对至少一个预定协议类型的通信信号的传输系统监视功能。
交换矩阵最好以非时钟方式工作，即其交换功能不基于内部位定时和帧定时。结果，可以按照独立于所使用的协议类型的方式在几乎任意位速率上透明交换任意的信号。由于其仅实现一个O/E转换或O/E转换，输入和输出同样以完全独立于位速率和协议的方式工作。例如，在最简单的情况下，在接收器中使用非常简单的、包括一个单独光电二极管的O/E转换器。另外，可以对电信号执行位速率独立信号处理(信号恢复)，使得所得到的数字信号展现出具有陡峭边缘波形的规定电平状态。例如通过Schmitt触发器可以实现这个目标。
相应地，在发送器中使用诸如直接调制宽带半导体激光器的简单光发送单元。这里考虑到这样的情况，即为了分别接收和发送光通信信号，输入和输出均被提供了1300nm或1500nm波长范围内的唯一一个单独光信道，然而与WDM系统相比，波长实际上不起作用。这个交叉连接的功能仅受接近12或甚至20吉位/秒的最大位速率的限制，其中交换矩阵根据所有半导体均具有的带通响应仍然可以透明交换具有上述位速率的信号。
利用这种结构建立一个构造简单但非常强大的光交换机，上述光交换机可以同样适用于规定波长范围内所有类型的光学信号。结果，可以在光网络的物理层上交换连接，其中光网络可以被各种具有不同传输协议，例如IP，ATM或SDH的业务同等使用。
在图1中示出了一个被连接到交换矩阵S的若干个端口的监视设备MON。监视设备的任务是实现对具有预定位速率和协议类型的通信信号的差错监视。现在根据通过SDH信号提供的例子更详细地说明这种差错监视过程。
在6.707(1996)，9.2.2.4章中，开销中的一个字节被保留作校验和用。这个字节被指定成B1字节；校验和被指定成BIP-8(位交织奇偶检验8)。BIP-8码是一个偶检验和，其中在扰码之后针对前一帧的所有位计算上述校验和并且在对当前帧进行扰码之前将校验和写到当前帧的B1字节上。
为差错监视过程定义这种BIP-X码。发送设备针对预定部分的发送信号计算校验码，具体方式是代码的第一位针对所涉及的信号部分的所有x位序列的所有第一位产生一个偶检验，第二位针对所有x位序列的所有第二位产生一个偶检验，等等。偶检验意味着以在所监视的信号部分中产生偶数个(逻辑)一的方式对BIP-X位赋值。所监视的部分包括所涉及的信号部分中x位序列内相同位位置上的所有位，其中上述信号部分包含BIP-X码自身。
在示例性实施例中，监视设备MON被设计成针对通信信号中的各个STM-N帧计算BIP-8码，从下一个帧的B1字节中读出BIP-8码，并且彼此比较两个代码。如果发现差异，则表现发生了差错。
现在监视设备MON确定表征传输质量的各种参数。在这个方面，确定已经发生并且根据BIP-8计算已经发现的差错，并且在通常为15分钟和24小时的预定时间间隔上对差错进行计数。为些，典型的参数是：“背景块差错”，“出错秒”和“严重出错秒”。如果差错出现在一个1秒间隔内但缺陷帧少于30％，则提供“出错秒”。如果在一个1秒间隔内出现的缺陷接收帧超过30％，则提供“严重出错秒”。在15分钟和24小时内累加参数。这些数值19示出监视数据。
它们允许检查传输的实际质量，并且如果达不到预定传输质量则切换到充当冗余后备线路的保护电路。下面会结合图3更详细地描述这一操作。
另外，或可选地，在监视设备中实现一个第二SDH信号监视功能也是有利的。根据ITU-T6.707，9.2.2.2章，在所谓的J0字节中包含一个七位校验和CRC-7(循环冗余检查)。16个连续STM-N帧的J0字节构成一个包含所谓的区段接入点标识符(API)的16字节帧。API固定重复出现，使得接收端可以检查针对指定发送器的连接是否仍然存在。API的第一字节在2到8的位位置上包含根据前一个STM-N帧计算出的校验和。监视设备MON从通信信号的STM-N帧读取J0字节。根据J0字节并且通过关于前一帧是否没有差错的校验和CRC-7检查和测试有关连接的连续性。
监视设备通过至少两个端口被连接到交换矩阵S。如果现在要监视一个通信信号，则通过交换矩阵将上述通信信号从输入/输出级段I/O交换到监视设备MON。上述监视设备执行监视功能并且将没有改变的通信信号再次回送到交换矩阵S。接着将通信信号从交换矩阵S交换到输入/输出级段I/O的规定输出上。
因此，交换矩阵S将要监视的通信信号交换了两次：第一次是交换到监视设备，第二次是交换到交叉连接的指定输出。结果，可以在不减少交叉连接的透明性和功能的情况下监视光网络中通信信号的质量和路径。
由于监视设备执行特定于协议的功能，它必须适应一个具体的协议类型或一组能够彼此区分并适当处理的不同协议类型。当然，不仅可以象在示例性实验例中那样结合位速率透明电交换矩阵较好地使用上述信号监视，也可以结合任意类型的交换矩阵使用上述信号监视。
控制设备CS控制交换矩阵S的功能，即规定交换矩阵S将哪一个矩阵输入交换到哪一个矩阵输出上。控制设备CS拥有一个被连接到未示出的中央管理系统的终端TMN。这个控制终端(TMN)可以根据IP路由器的SNMP(简单网络管理协议)、OMG(对象管理组织)规定的CORBA(公共开放式请求代理体系结构)或适用于网络管理的其它协议进行操作。中央网络管理系统具有整个网络的全局概念并且可以根据这种信息确定单个交叉连接要交换的连接。接着通过控制终端将这种信息传送到有关交叉连接的控制设备CS。控制设备还收集和存储监视电路的监视数据，使得中央管理系统根据需要可以通过控制终端调取上述监视数据。也可以通过这种方法向中央管理系统报警。控制终端当然也可以是一个通信信号中的一个信道。
图2中示出了网络中具有四个光交换机OCX1-OCX4的部分。利用交叉连接在网络中建立从数据源S1到数据接收器S2的透明连接。第一个交叉连接OCX1在其输入输出级段的一个输入上接收来自数据源S1的通信信号。通过其交换矩阵，OCX1将通信信号交换到其监视设备上，而监视设备对通信信号执行监视功能并且将通信信号回送到交换矩阵。交换矩阵接着将通信信号交换到输入/输出级段的一个输出上，而上述输出通过光纤被连接到第二个交叉连接OCX2的一个输入上。
通过相同方式，通信信号接着被从第二交叉连接OCX2交换到第三交叉连接OCX3并且从OCX3交换到第四交叉连接OCX4。第四交叉连接OCX4接着将通信信号交换到其输入/输出级段I/O中一个被连接到数据接收器S2输出上。在所有四个交叉连接OCX1-OCX4中实现了上述类型的监视。数据源和数据接收器均可以是根据若干附属信号产生包括STM-4帧的SDH信号的线路多路复用器。前面仅针对从S1到S2的方向描述了穿过网络的光连接，当然上述光连接也可以是双向的。
通过四个光交换机OCS1-OCS4中的监视，保证了预定的传输质量。在一个交叉连接确定经常发生差错并且传输质量不满足预定要求的情况下，可以向中央网络管理系统产生一个报警消息。
图3中示出了与图2中相同的网络。除通过四个交叉连接OCX1-OCX4的连接P1之外，一个从OCX1到OCX4的直接连接P2充当保护电路。其实现方式是将第一交叉连接OCX1的交换矩阵中的通信信号交换到OCX4，对其进行反复MC(广播或多点传送)并且通过一个被连接到OCX4的某个输入上的第二输出对其进行并连。连接P1被设置成主动连接，而连接P2可以充当发生差错时的后备连接。在交叉连接OCX4中从交换矩阵向监视电路交换已经并行接收的两个信号，其中只有主动信号被传递到针对S2的输出上。如果OCX4中的监视电路确定连接P1的主动通信信号有干扰，则自动切换到后备连接P2上并且不需要中央网络管理系统的进一步干预。结果，在光信号级别上保证了对所有类型的通信信号连接的快速有效的保护。因此可以免除对网络中所有网络单元之间的所有光连接的精细复制。因此，在提供与至今可能的方式相同的保护的情况下可以更加有效地利用可用资源。
也可以在基于波分多路复用的光网络中使用基于本发明的交叉连接。因此交叉连接的若干个输入/输出端口被连接到一个光学波分多路复用器。图4a示出了这种情况。图1中的光交换机OCX的八个输入/输出端口被连接到一个波分多路复用器MUX的从属端口上。波分多路复用器使用波分多路复用集成从交叉连接并行接收的八个光学信号SW以便构成一个输出信号WDM。在相反方向上它把一个接收的波长多路复用光学信号WDM多路分解成八个单个光学信号，其中将上述单个光学信号通过从属端口传送到光交换机。这里的数量8是任意选定的。
在这个示例性实施例中，波分多路复用器是一个线路多路复用器。但是，也可以通过完全相同的方式将一个塞/取多路复用器的一或多个端口连接到光交换机。图4b示出了这种情况。在波长多路复用信号的各种情况下，塞/取多路复用器ADM拥有一个东端口WDM_EAST和一个西端口WDM_WEST。假定用于环形网络，在东端口上接收波长多路复用信号并且在西端口上发送。对复制出的环，端口也可以是双向端口以便允许在顺时针方向和逆时针方向上同时传输。塞/取多路复用器能够从波长多路复用信号中取出单个光信道(波长)并且在一个附属端口上输出(取出)光信道或插入已经被当作新信道从附属端口接收到(加入)波长多路复用信号中的光学信号。在这个示例性实施例中，四个附属端口被连接到光交换机OCX的输入/输出端口。

Claims (6)

1.一种在物理层上交换光传送网络的光通信信号的光交换机(OCX)，具有：
若干个均接收具有一个单独光信道的光通信信号的宽带光输入，其中为各个光输入分配一个将相应光输入上接收的光通信信号转换成电通信信号的O/E转换器；
若干个均发送具有一个单独光信道的光通信信号的光输出，其中为各个光输出分配一个将电通信信号转换成要发送的光通信信号的E/O转换器；
一个透明空分交换矩阵(S)，上述空分交换矩阵通过输入端被电连接到光输入并且通过输出端被电连接到光输出，以便有选择地将电通信信号从光输入连接到光输出；
一个控制交换矩阵的交换状态的控制设备(CS)；和
一个监视设备(MON)，上述监视设备被连接到至少两个矩阵端口以便从交换矩阵(S)接收到电通信信号，监视这个通信信号的传输差错并且将通信信号回送到交换矩阵。
2.如权利要求1所述的光交换机，其中交换矩阵以非时钟方式工作。
3.如权利要求1所述的光交换机，其中监视设备(MON)适于一或多个预定协议类型。
4.如权利要求3所述的光交换机，其中监视设备(MON)适用于SDH信号或SONET，并且为了进行差错检查利用从通信信号帧头包含的B1字节和/或J0字节得到的校验和。
5.如权利要求1所述的光交换机，其中合并输入和输出以构成一个输入/输出级段(I/O)
6.一种在物理层上交换光传送网络的光通信信号的方法，包括下面步骤：
在一个输入上接收具有一个单独光信道的宽带光通信信号，
通过一个O/E转换器将接收的光通信信号转换成电通信信号，
将电通信信号从一个透明空分交换矩阵(S)交换到一个监视设备(MON)，
监视电通信信号的传输差错，
将电通信信号回连到交换矩阵(S)以便接着可以选择连接到若干个输出中的一个输出上，
通过交换矩阵(S)以可选的方式将电通信信号连接到一个输出上，
通过一个E/O转换器将电通信信号转换成光通信信号以便通过一个单独的光信道发送，
发送光通信信号。
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