专利名称：实现光纤链路和波长组级别交叉能力的光交叉连接节点的制作方法
技术领域：
本发明属于光传送网络中的节点结构。
数据业务的飞速发展对传输网络带宽产生了巨大的需求，由于WDM技术可以成十倍、甚至成百倍地增加已敷设光纤线路的传输容量，而备受青睐。随着使用WDM技术的通信产品的逐渐成熟和商用化，使用WDM技术的复杂网络，如环形网络、网格网络等的研究和开发成为重点。在这种复杂网络中，关键设备是光分插复用设备(OADM)和光交叉连接设备(OXC)。OADM节点的主要功能是在本地上下指定的波长通道，而OXC的主要功能是为波长通道寻找路由，并疏导大量的业务。
OXC承担网络骨干节点角色，主要任务是汇集和疏导大量的波长通道。在大量的链路汇集到OXC的情况下，并非所有业务都需要在本地进行交叉连接，有些连接甚至一组连接只是经过本地节点，利用本地节点提供物理路由。在这种情况下，可以对这种连接以波长组或者光纤链路的方式直接进行交叉。
另外，大端口数的光交叉连接矩阵还是一个有待商用化的产品，性能也有待改善。在这种情况下，如果以波长组或者光纤链路直接进行交换，将可以缓解对光交叉矩阵端口数量的迫切要求。
光网络的保护是一个重要的课题，而且随着光网络传输容量的增加，网络生存性问题的重要性将更加突出。实际的网络运行表明，比较常见的网络故障是链路或者节点故障而不是单信道故障，为了提供预订的业务服务质量，要对这些故障进行有效的保护。
目前的OXC研究集中于波长变换、波长路由等方面，主要的实现方法是把光纤链路信号解复用为单个波长信道，再进行有关处理，如交叉、波长变换、功率均衡和复合等。这种方法随着单纤复用波长数量的增加，升级能力受到很大的影响。而且商用大容量光交叉矩阵的有效端口数量和性能进一步限制了OXC节点端口数量的增加。随着复用波长数量和端口数量的增加，这将给网络保护算法的设计和实施提出严重挑战。
同时，大芯数的光缆的敷设提供了大量的光纤资源，如何充分利用这些资源也值得深入研究。其中的一种方法就是使用富余的光纤作为保护路由的组成部分。如果按照通常的解复用+交叉+复用实现方案，这种保护路由上的光纤链路的处理将要求额外增加很多相关器件，从而使成本大大增加，而且光信道的传输质量也会因为处理环节的增加而产生劣化。
针对现有光纤通信的需求和现有技术的缺点，本发明的目的是提出一种实现光纤链路和波长组级别交叉能力的光交叉连接节点结构，以减少实现大容量交叉设备(如OADM、OXC等)所需要的器件数量，高效利用光交叉连接矩阵的有限交叉容量，在保证为指定的波长通道提供足够的路由能力的同时，强化OXC节点的光纤层次的选路能力。
本发明的目的可以按下述方法实现，其特征在于把光交叉连接分成两级第一级为完成光纤链路级的交叉连接的光交叉连接矩阵，第二级为波长信道级别的交叉连接的光波长／波长组交叉连接模块。
本发明进一步特征在于波长信道级别的交叉连接包括单个波长和波长组交叉连接；把输入的光纤链路先分成两组，其中一组进行光纤链路级的交叉连接，而把剩余的光纤链路作为另一组实施波长／波长组的交叉连接，经过波长／波长组的交叉的光纤链路信号与光纤链路层次交叉后的信号同时送入输出侧交叉连接矩阵；输入和输出侧的两个光交叉连接矩阵合成一个大的光交叉连接矩阵，经过波长／波长组的交叉的光纤链路信号送入合成后的光交叉连接矩阵；光纤链路级的交叉连接模块输入包括输入光纤链路和执行波长／波长组交叉连接后的输入光纤，输出包括输出光纤链路和用于实施波长／波长组交叉连接的输出光纤，光纤链路级的交叉连接模块的输入和输出可以实施无阻塞的交叉连接；光纤级的交叉连接的输入光纤与输出光纤的数量是一样的或是不一样的；光波长／波长组交叉连接模块首先完成输入光纤的波长和波长组分路(解复用)，然后对这些独立的波长和波长组使用同波或者异波方式进行交叉连接，在引出到输出光纤之前，使用复用器或者耦合器把交叉后信号合路；在解复用器与复用器之间的交换单元中完成波长变换、功率均衡、光信号放大功能；在输入端口设有输入适配模块，在输出端口设有输出适配模块；输入适配模块和输出适配模块设有2×2光开关。光波长／波长组交叉连接模块首先完成输入光纤的波长和波长组分路(解复用)，然后对这些独立的波长和波长组使用同波或者异波方式进行交叉连接，在引出到输出光纤之前，使用复用器或者耦合器把交叉后信号合路。在解复用与复用之间的交换单元中，可能需要完成波长变换、功率均衡和光信号放大等功能。
本发明的优点是在波长交叉连接中，进一步利用光交叉连接矩阵有限的交叉容量，支持较多的光纤链路，使用这种配置，可以大大降低需要的光开关数量和相关器件的数量，如复用器／解复用器对、光耦合器等，这有可能改善光信道的传输质量，降低各种处理功能对光信道传输质量的影响，提高整个系统的可靠性。
采用这种结构后，由于交叉粒度的加大，OXC节点的业务疏导能力将大大增强，而且由于波长组交换概念的使用，OXC在组网方面将更加灵活，有效。
把OXC的业务交叉功能分成光纤链路级交叉模块、波长／波长组交叉模块以及一些辅助部分。主要的设计思想是由光纤交叉模块实现光纤链路信号的直接交叉，即直接用光的交叉连接矩阵把引入的输入光纤信号作为一个总体进行交叉连接，再引出到各个输出端口上。而对于需要完成波长和／或波长组的光纤链路，则使用波长交叉模块来实现。
本发明包括两种结构，功能框图如
图1和图2所示，它们都采用模块化结构来实现。对于单波长光信号的交叉连接，光交叉连接单元可以使用电方式，也可以使用光方式实现。
输入光纤与输出光纤的数量可以是一样的，也可以是不一样的。输入、输出光纤中实际携带的波长数量可以是相同的，也可以是不同的，单条光纤链路可携带的最大波长数量可以相同，也可以不同。
对于光波长／波长组交叉连接模块，应该首先完成输入光纤的波长和波长组分路(解复用)，然后对这些独立的波长和波长组使用同波或者异波方式进行交叉连接，在引出到输出光纤之前，使用复用器或者耦合器把交叉后信号合路。在解复用与复用之间的交换单元中，可能需要完成波长变换、功率均衡等功能，本发明包括这种可能性。
对于光波长／波长组交叉连接模块，适配单元可以使用不同的方法来生成波长组，如使用可调谐声光滤波器、光纤光栅、阵列波导光栅等，其中波长组中最少波长数量是1个，最多为M-1个，其中M是每根光纤上最大复用波长数量。在波长组交换模块中，可以对单个波长信道进行波长变换操作，也可以对波长组进行波长变换功能，同样的，波长组的功率均衡也可以在该模块中实现。
附图的简要说明图1本发明实施例1的功能框2本发明实施例2的功能框3本发明光波长／波长组交叉连接模块功能框4本发明波长信道级交叉连接模块中输入侧适配模块功能框5本发明波长信道级交叉连接模块中输出侧适配模块功能框6本发明单波长交叉单元的O／E／O实施方案图7本发明OXC节点的网络应用示意图在图中，λ表示波长，Tx表示光发射机，Rx表示光接收机。
在下面的方案描述中，表示符号分大小写，另外为了描述方便起见，假设OXC节点的输入、输出链路数量都是N，单链路复用波长数量最大值是M。在不同链路可实现的波长信道不同时，如果分别是M1、M2、…、MN，而且不失一般性的假设M1≤M2≤…≤MN，则取M=MN。同时该发明也不排除OXC结构中输入输出链路不相等，或者各链路中最大复用波长不相等的情况。
本发明包括两种可以完成光纤交换和波长交叉连接功能的OXC结构及波长／波长组交叉连接的概念。
实施例1如图1所示，实施例1的设计思想是把输入的N条光纤链路先分成两组，其中一组进行光纤链路层次的交叉连接，而对剩余的光纤链路作为另一组实施波长／波长组的交叉连接。10部分是一个N×(N1+N2)的光交叉连接矩阵，将N条输入光纤链路分成1～N1和1～N2两个光纤链路组，一般N1+N2≤N，其中N1是在光纤链路层次实现交叉连接的输入光纤链路数量；而N2是需要进行光波长／波长组交叉连接的光纤链路的数量；40部分是光波长／波长组交叉连接模块，完成多条光纤链路上传输的多个光波长信号的交叉连接；20部分是输出侧光交叉连接矩阵，经过信道层次交叉的光纤链路信号与光纤层次交叉后的信号同时送入输出侧交叉连接矩阵，完成无阻塞的交叉连接，提高节点配置的灵活性；30部分是输出方向的放大器模块，可以用来补偿两个层次交叉所产生的光信号的损失。
输入方向上的N×(N1+N2)交叉连接矩阵可以是严格无阻塞的，也可以是非严格无阻塞的。如果是非严格无阻塞的，需要与输出侧的交叉连接模块配合完成N个输入光纤链路与N个输出光纤链路的严格无阻塞交叉连接。在输入交叉连接矩阵是严格无阻塞的情况下，输出侧交叉连接模块可以用简化方式实现；而在输入侧交叉连接矩阵交叉连接能力要求下降的情况下，输出侧交叉连接模块可以仔细设计以满足严格无阻塞的要求。输入、输出方向的交叉连接矩阵可以使用各种方法实现，如MEMS技术，多级串联技术等。
实施例2
如图2所示，实施例2的基本设计思想与实施例1相同，但在具体实现上有些差异，它将实施例1输入和输出侧的两个光交叉连接矩阵合成一个稍大一些的光交叉连接矩阵。50部分是一个(N+T)×(N+S)的光交叉连接矩阵，它允许N条输入和输出光纤链路(端口)，这其中的T个输入端口和S个输出端口提供给光波长／波长组交叉连接模块来完成光波长／波长组的交叉连接；40部分同样是光波长／波长组交叉连接模块，完成多条光纤链路上传输的多个光波长信号的交叉连接；当然也可以加上输出方向的光放大器模块，可以用来补偿两个层次交叉所产生的光信号的损失。
图3为光波长／波长组交叉连接模块的功能框图，包括单个波长的交换情况，也包括波长组交换情况。
如果输入、输出端口数量是N，单纤承载波长数量为M，则最多可以承载N×M个波长，如果光波长／波长组交叉连接模块交换能力是R个信道，则至少应该在光纤交叉连接矩阵预留S=(R／M)+1(取整)个输出端口。预留的输入端口数量可以与这个数量相同，也可以不同。光波长／波长组交叉连接模块可以对不同输入链路的波长以波长或者波长组的形式进行重组或者分拆，从而实现业务聚合或者分配的功能。在业务聚合的情况下，预留输入端口数量可以小于预留的输出端口数量，而在使用业务分配功能时，可能需要预留更多的输入链路。但输入或者输出端口的预留数量都要小于信道交叉单元的输入端口数量N；否则无法完成业务的疏导任务。
如果实际承载业务的链路数量少于信道交叉单元的输入端口数，则可以分拆某些输入端口的业务，分配到指定的输出端口；而在所有输入端口都承载业务的情况下，需要预留的输入端口数量只会小于或者等于预留的输出端口数量。预留的输入端口数量越多，光纤交换模块中的交换矩阵端口数量越高。
图3中的60部分，业务聚合或分配功能的实现依赖于如图4所示的输入侧的适配模块，其中WXC为波长组交换模块，FXC为光纤交换模块。在这里，从光纤交换模块上引出的光纤链路信号进行解复用处理。本发明使用波长和／或波长组解复用技术。光纤链路上承载的M个波长可以按需分配成若干组参与波长组交换。每组的波长数量最多M-1个，最少1个。
这种分配是按照业务的聚合或者分配需求来进行的。因此，输入适配模块直接置于网络管理系统的控制之下，由网管系统对波长组的分配进行控制。
为了减少输入适配模块对波长组的串扰以及提供上下路能力，在解复用器的输出端口与波长组交换模块的输入端口之间可以插入一个2×2光开关。当需要上下路某个波长组或者封锁某个波长组输入端口时，该开关为交叉状态；否则直通解复用得到的波长组信号。
图3中的60部分输出适配模块是波长组信号的复合模块。它的主要功能是复用波长组交换模块的输出波长组，并引出到光纤交叉连接矩阵。
输出适配模块是波长聚合模块，其输出端口的数量是光纤交换模块中输入端口的预留数量。由于要完成聚合功能，该模块由一组耦合器或者复用器构成。其中每个耦合或者复用器都如图5所示。每个复用器／耦合器的输入端口数量至多M个，以提供所有波长组中波长数量都是1时的复合操作，这些端口都与波长组交换模块的输出端口相连接。
为了减少未承载信号通道的串扰作用以及提供上下路能力，在波长组交换模块的输出端口与复用器／耦合器的输入端口之间可以插入一个2×2光开关，其功能与输入适配模块中2×2开关相同，而且在输入和输出方向的适配模块中至多只使用一组这种上下路开关。
输入输出适配模块中的波长上下单元不排除用其它方法实现，特别的，输入方向可以完成波长信道的上路功能，即使用2×1光开关或者耦合器；输出方向可以完成波长信道的下路功能，即使用1×2光开关来实现。此时输入输出方向的适配模块与波长组交叉连接模块结合实现信道的灵活上下功能。
该单元(图3中的80部分)的实现方法与输入适配模块的实现方法紧密相关单波长的交换矩阵可以采用全光方法完成，也可以用O／E／O方案完成交换。波长组的交叉方法通常使用全光方法。
如果采用全光方案，则通常使用光开关或者大规模交叉矩阵实现信号的交叉连接，这是一种透明的交叉连接方案。如果使用不透明的O／E／O方案，如图6所示，则该模块的输出波长应该与ITU-T标准波长相匹配，而且应该与系统或者网络中使用的波长相匹配。另外，输出信道的光功率均衡将直接在电交换模块中实现和完成。本发明不排除不透明方案中输出波长非标准情况。
如果采用全光方案，则交换后的信号进行复用模块之前，可以进行信道级的功率均衡或者波长变换处理。这种功率的均衡与波长的变换处理可以是针对所有被交换的波长信道的，也可以根据要求只对指定的波长信道进行处理。
如果使用O／E／O方案实施波长信道交叉矩阵，则需要使用接收机阵列。由于输出端有对应的电光变换模块，该交换单元对接收机阵列中单个接收机的要求并不特殊和严格。但是在需要保证信道传输特性的情况下，将对所有的接收机提出关于时钟提取，信号再生等功能。如图6所示输入侧为接收机阵列。
如果使用O／E／O方案实施波长信道交叉矩阵，则需要激光器阵列实现交换矩阵输出端的电光变换。如果不另行增加波长变换模块，则应该采用ITU-T标准波长的激光器阵列不排除使用非标准波长情况，并且应该拥有完整的激光器控制电路，包括波长稳定和控制，输出功率稳定和控制电路等。如果在结构中另外增加波长变换模块，则可以使用性能要求相对简单的激光器阵列。如图6所示输出侧为激光器阵列。
使用该发明制造的OXC节点可以用于组建各种拓扑结构的网络，两个实施例的OXC节点都可以用来构造链路、环行以及网格网。在简单拓扑中，可以充分利用已经敷设的众多光纤，为光纤链路信号提供强大的疏导和交叉连接能力。在格形网络等复杂拓扑结构中，除了充分使用富余的光纤之外，还可以充分利用这种节点为区域间通信提供强大的业务聚合、传输和分配能力。
由于该发明的重要目的之一是增强OXC节点对光纤链路携带业务的疏导能力，同时降低节点的总体造价，因此希望网络节点能够充分利用光纤交换模块。为了有效的实现业务的疏导能力，可以首先对网络业务进行适当的聚合处理，使尽可能多的业务波长聚合到一根光纤上传输，并且不在中间节点执行上下处理。针对某个节点而言，如果该节点与中间节点有通信需求，可利用它们之间的冗余光纤，也可以经由其它路由实现通信。
图6是采用本发明所示网络节点形成的一个示例网络。节点之间存在多条光纤，此处简化处理，只给出节点A与节点B之间和节点B与E之间的多条光纤。现假设节点A与节点B，C，D，E，F，G之间都有业务，而且都用一个波长携带，则到E，F，G三个节点的业务可以通过AB，BE间链路传输，直通过节点B而在节点E进行分配。同时节点A到B的业务可以由其它AB间光纤(方法①)传输，也可以通过节点(方法②)转接，如节点C等。
权利要求
1.一种实现光纤链路和波长组级别交叉能力的光交叉连接节点结构，其特征在于把光交叉连接分成两级第一级为完成光纤链路级的交叉连接的光交叉连接矩阵，第二级为波长信道级别的交叉连接的光波长／波长组交叉连接模块。
2.根据权利要求1所述的实现光纤链路和波长组级别交叉能力的光交叉连接节点结构，其特征在于波长信道级别的交叉连接包括单个波长和波长组交叉连接。
3.根据权利要求1或2所述的实现光纤链路和波长组级别交叉能力的光交叉连接节点结构，其特征在于把输入的光纤链路先分成两组，其中一组进行光纤链路级的交叉连接，而把剩余的光纤链路作为另一组实施波长／波长组的交叉连接，经过波长／波长组的交叉的光纤链路信号与光纤链路层次交叉后的信号同时送入输出侧交叉连接矩阵。
4.根据权利要求3所述的实现光纤链路和波长组级别交叉能力的光交叉连接节点结构，其特征在于输入和输出侧的两个光交叉连接矩阵合成一个大的光交叉连接矩阵，经过波长／波长组的交叉的光纤链路信号送入合成后的光交叉连接矩阵。
5.根据权利要求1或2所述的实现光纤链路和波长组交叉能力的光交叉连接节点结构，其特征在于光纤链路级的交叉连接模块输入包括输入光纤链路和执行波长／波长组交叉连接后的输入光纤，输出包括输出光纤链路和用于实施波长／波长组交叉连接的输出光纤，光纤链路级的交叉连接模块的输入和输出可以实施无阻塞的交叉连接。
6.根据权利要求1所述的实现光纤链路和波长组级别交叉能力的光交叉连接节点结构，其特征在于光纤级的交叉连接的输入光纤与输出光纤的数量是一样的或是不一样的。
7.根据权利要求1或2所述的实现光纤链路和波长组级别交叉能力的光交叉连接节点结构，其特征在于光波长／波长组交叉连接模块首先完成输入光纤的波长或波长组分路(解复用)，然后对这些独立的波长或波长组使用同波或者异波方式进行交叉连接，在引出到输出光纤之前，使用复用器或者耦合器把交叉后信号合路。
8.根据权利要求7所述的实现光纤链路和波长组级别交叉能力的光交叉连接节点结构，其特征在于在解复用器与复用器之间的交换单元中完成波长变换、功率均衡、光信号放大功能。
9.根据权利要求1或2所述的实现光纤链路和波长组级别交叉能力的光交叉连接节点结构，其特征在于在输入端口设有输入适配模块，在输出端口设有输出适配模块。
10.根据权利要求1或2所述的实现光纤链路和波长组级别交叉能力的光交叉连接节点结构，其特征在于在输入端口和输出端口设有完成波长和波长组的解复用输入适配模块和输出适配模块。
11.根据权利要求1或2所述的实现光纤链路和波长组级别交叉能力的光交叉连接节点结构，其特征在于输入适配模块或者输出适配模块设有用于完成上下路功能的2×2光开关。
12.根据权利要求1或2所述的实现光纤链路和波长组级别交叉能力的光交叉连接节点结构，其特征在于输入适配模块和输出适配模块分别设有配合完成波长／波长组的上下路功能的1×2光开关或2×1光开关。
全文摘要
本发明属于光通信网络中的节点技术。本发明提出两种实现分级光交叉连接的节点结构,该结构将光交叉连接分成两级:第一级负责完成光纤链路级的交叉连接,第二级完成波长信道级别的交叉连接;波长信道级别的交叉连接包括单个波长和波长组的交叉连接。本发明的优点是可以根据实际需要配置两级交叉连接的规模,利用光开关矩阵有限的交叉容量,支持更多业务的交叉。使用这种配置,可以大大降低需要的光开关数量和相关器件的数量,如复用器/解复用器对、光耦合器等,这有可能改善光信道的传输质量,降低各种处理功能对光信道传输质量的影响,提高整个系统的可靠性。
文档编号H04J14/02GK1295394SQ0013450
公开日2001年5月16日 申请日期2000年12月5日 优先权日2000年12月5日
发明者顾畹仪, 赵勇, 张 杰, 林绵峰, 施社平 申请人:北京邮电大学, 深圳市中兴通讯股份有限公司