專利名稱：：光時隙交換設備和操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光學系統(tǒng)，且更具體地說是涉及一種光時隙交換器(OTSI)和用于操作該OTSI以為數(shù)據(jù)幀的所有可能的時隙交換提供非阻塞路徑。以前已知的光時隙交換器可以被分成兩個很不同的種類。在一個極端的是光纖密集1×n分束器/n×1合成器OTSI，稱為無環(huán)結(jié)構(gòu)，它可以從R.A.Thompson于1988年8月在IEEEJournalONSELECTEDAREASOFCOMMUNICATIONS上發(fā)表的“ArchitecturewithImprovedSignal—to—NoiseRatioinPhotonicSystemswithFiber—LoopDelayLines”的論文中得知。它被稱為無環(huán)，是因為在獲得延遲的過程中沒有采用環(huán)或再循環(huán)。這種OTSI具有n個單獨的光纖長度，最短的是一個時隙延遲且最長的是n個時隙。n條光纖的每一條的長度都比前一個較短的延遲長一個時隙，例如1，2，3…n－1，n。無環(huán)結(jié)構(gòu)提供了用于N個時隙的幀的OTSI。對n＝16，對于幀整體保持OTSI，可能的最大幀將具有8個時隙，且總的光纖延遲將為136時隙。這種OTSI被顯示為圖1中的系統(tǒng)10。在另一個極端的，是單級Thompson再進入存儲環(huán)設計，它能夠通過實現(xiàn)各個時隙的n個單獨的延遲，而為N個時隙實現(xiàn)N個可能延遲內(nèi)的任意個。大于一個時隙的延遲，是借助使時隙的信號在其相應的延遲光纖內(nèi)循環(huán)的切換電路，來提供的。在使數(shù)據(jù)的第一個時隙延遲N－1個時隙并將其插入到幀的末端的最差的情況下，需要N個延遲。這種OTSI在圖2中被顯示為系統(tǒng)20，并在上述論文中得到了描述。然而，這種Thompson再進入型OTSI20具有顯著的衰減和SNR限制，因為某些時隙的信號通過同一條延遲光纖和這些光纖的有關(guān)交換器元件而環(huán)行了多達N次。在各個循環(huán)中，特定時隙的光信號被延遲光纖所衰減，并經(jīng)受了交換器元件的插入損耗。這些衰減和SNR限制，使這種OTSI結(jié)構(gòu)被很多人認為是不實用的，即使它在所有的OTSI結(jié)構(gòu)中采用了最少量的光纖。因此，在技術(shù)上，需要具有少的光纖延遲但沒有嚴重的衰減和交換器損耗的N時隙OTSI。N時隙OTSI支持0時隙與N－1時隙之間的所有延遲，并支持幀內(nèi)的時隙的所有置換，包括所有N個時隙都被延遲N－1個時隙位置的最差情況。這意味著總的光纖長度必須能夠同時存儲N－1個時隙的信息，并能夠提供N－1個時隙的最大延遲。另外，總的光纖延遲必須提供這樣的合成，即該合成在沒有任何兩個時隙的信號同時要求同一延遲光纖的情況下傳送在0和N－1個時隙之間的每一種可能的延遲。本發(fā)明的一個目的是提供一種N時隙OTSI，它具有上述的所需特性并由總長度最小的光纖構(gòu)成。本發(fā)明的另一個目的，是提供一種N時隙OTSI，它由最小長度的光纖構(gòu)成，且沒有任何時隙的信號通過同一延遲光纖和相關(guān)的交換器元件再循環(huán)兩次。本發(fā)明的再一個目的，是提供一種N時隙OTSI，它能夠支持幀內(nèi)所有的時隙置換，最差的情況是所有N個時隙都被延遲了N－1個時隙位置，這意味著總光纖長度必須能夠同時存儲N－1個時隙的信息并能夠提供N－1個時隙的最大延遲。本發(fā)明的又一個目的，是提供一種OTSI，其中光纖的總長度以一種方式得到分割，以實現(xiàn)這樣的合成，即這種合成能夠傳送在0與N－1個時隙之間的每一種可能的延遲且沒有任何時隙的信號通過同一條延遲光纖和相關(guān)的交換器元件再循環(huán)兩次。簡單地說，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，上述目的是通過提供一種OTSI而實現(xiàn)的，這種OTSI實現(xiàn)了N－1個時隙的延遲光纖長度并采用了少數(shù)的延遲光纖以提供在0與N－1個時隙之間任何所希望的延遲置換。另外，這種OTSI具有良好的衰減和SNR特性，因為它不使任何時隙的信號通過延遲光纖及其相應的延遲光纖輸入/輸出交換器元件而進行再循環(huán)。如果時隙通過任何延遲光纖的再循環(huán)受到禁止，則這種OTSI是非阻塞的。在一個具體實施例中，上述目的是通過提供一種平行反饋光時隙交換器(OTSI)而實現(xiàn)的，該光時隙交換器包括一個具有n個輸入端和n個輸出端的n×n光交換器，其中n是大于2的整數(shù)。一個輸入光纖與這n個輸入端之一相連。一個輸出光纖與這n個輸出端之一相連。其余的n－1個輸出端每一個都與多個n－1延遲光纖中的相應延遲光纖的一端相連。n－1個延遲光纖的每一條的第二端與其余n－1個輸入端中的相應輸入端相連。用于控制光交換器的一個控制器以這樣的方式切換幀的通過延遲光纖的各個時隙的信號，即在預定的時間提供了至輸出端的非阻塞路徑。從下面結(jié)合附圖所進行的描述，本發(fā)明將得到最好的理解。在附圖中圖1是一種已知OTSI的框圖，它要求相當長的光纖長度。圖2是要求最短的總光纖長度的已知OTSI的框圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的OTSI的框圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的OTSI的框圖。參見圖3，其中顯示了一種平行反饋(PFB)OTSI30。PFBOTSI30具有n×n光縱橫交換器32。一個輸入光纖34與n個輸入端之一相連，且一個光纖輸出端36與n個輸出端之一相連。其余的n－1個輸入端和n－1個輸出端與光纖400－40n－2相連。這n－1個光纖具有從1至N/2個時隙的依次增大的二進制延遲長度，其中N是一個幀中的時隙的數(shù)目。一個數(shù)據(jù)幀中可以被PFBOTSI30所處理的時隙的數(shù)目，是(n－1)＝整數(shù)(log2N)或N＝2(2＋1)。從這些表達式，如果n＝8，則最大的N可以是128，且如果n＝16，則最大的N為32768。最差情況的時隙置換是第一個時隙的數(shù)據(jù)信號與N個時隙的最后一個的信號的交換。這是n－1個時隙的延遲。為了獲得這種延遲，開始時處于第一個時隙的信號必須通過n－1條延遲光纖400—40n－2中的每一條。PFBOTSI30具有這樣的優(yōu)點，即其所有的光交換器元件都位于一個具有適中的尺寸的單個基底上。已經(jīng)實現(xiàn)了8×8維的光空間交換器，例如在PGranestrad等人在ElectronicsLetters，Vol.22，No.15，第816—818頁，July17，1986上發(fā)表的“StrictlyNon—Blocking8×8IntegratedOpticalSwitchMatrix”中描述的交換器。16×16的光空間交換器不久也將能夠在商業(yè)上獲得。一個16×16交換器可以在一邊上帶有16個光纖輸入端和16個光纖輸出端的一個器件上制成，這可以借助當前的技術(shù)而方便地實現(xiàn)。已經(jīng)證明，根據(jù)本發(fā)明的PFBOTSI30對于小于或等于16的n是非阻塞的。即能夠提供所有可能的時隙交換。具有大于16的n的PFBOTSI相信是非阻塞的，即這種結(jié)構(gòu)是可以從8×8或16×16類型放大的，但證明它們是非阻塞的模擬還沒有進行過。PFBOTSI30具有控制器42；該控制器42進行使各個輸入時隙的信號通過其相應的延遲光纖的路由處理，以實現(xiàn)各個預定時隙交換置換?？刂破?2在時隙之間的防護間隔時間里切換n×n交換器32的連接，以實現(xiàn)這種路由處理?？刂破?2在下一個數(shù)據(jù)幀到達之前足夠長的時間，被提供有下一個幀的所希望的時隙置換，以使控制器42能夠確定以什么順序來通過具體的延遲光纖400—40n-2從而產(chǎn)生所需的延遲。一般地，所需的置換對于各個隨后的幀是相同的，因而控制器只需要就置換要在哪里改變進行更新。一種具體的延遲可能在某一延遲光纖被另一個信號所占據(jù)的一個具體的時刻要求該延遲光纖。在此情況下，一個信號的延遲順序被重新排列，以使兩個信號都能夠得到路由處理并使各個信號最終受到正確的總延遲。由于進行了這種重新排列以解決PFBOTSI30的路由處理阻塞，所以PFBOTSI30被歸為可重新排列的非阻塞OTSI。控制器42實現(xiàn)所要求的時隙置換的控制方法，對于PFBOTSI30來說不是無足輕重的。用于確定哪一個信號在什么時刻被分配給什么延遲以實現(xiàn)所希望的無阻塞置換的控制方法，經(jīng)常是復雜的?？紤]用帶有1、2和4個時隙的延遲光纖的4×4交換器(n＝4)來實現(xiàn)8個時隙(N＝8)的OTSI30的簡單例子。OTSI30是要進行任意的置換，例如∏，它被定義為∏1＝7；∏2＝4；∏3＝2；∏4＝5；∏5＝8；∏6＝6；∏7＝1；和∏8＝3。該控制方法的第一步，是確定各個輸入時隙的所需延遲Di。各個延遲是通過利用modN算法從時隙的最后位置減去該時隙的開始位置而確定的，它給出延遲(Di)＝∏i—i(modN)。將該延遲表達式應用于上述例子的置換∏，則該延遲表達式是D1＝7－1＝6；D2＝4－2＝2；D3＝2－3＝7；D4＝5－4＝1；D5＝8－5＝3；D6＝6－6＝0；D7＝1－7＝2；和D9＝3－8＝3。該控制方法的下一步，是將各個所需的延遲分割成所需的延遲光纖組成的基本組，即延遲6需要光纖{2，4}。這些延遲光纖可以以任何順序排列，只要它們都被通過以給出總延遲6。輸入i的基本光纖組被表示為Ei。置換∏所需的基本光纖Ei，被給出如下E1＝{4，2}；E2＝{2}；E3＝{4，2，1}；E4＝{1}；E5＝{2，1}；E6＝{NULL}；E7＝{2}；以及E8＝{2，1}。該控制方法的下一步，是構(gòu)成一個延遲表，該延遲表列出了所有l(wèi)og2N條延遲光纖和用于N個時隙的每一個的輸出光纖。該表可以用手工填制，或者象通常那樣形成控制器42內(nèi)的存儲器中的存儲位置陣列。在完成之后，該表顯示出哪一個信號在哪一個時隙(TS)正在進入哪一個延遲光纖。為了避免阻塞，在同一時隙中不允許兩個信號進入同一延遲光纖?，F(xiàn)在參見表I，對于要求兩或多個延遲元件的時隙，可以按照任何順序通過這些延遲元件。然而，對于只要求單個延遲元件的時隙，在特定時隙必須進入的光纖是固定的。繼續(xù)看置換∏的例子，時隙7要求單個的延遲元件2，因此信號7必須在時隙7進入光纖延遲線路2。這通過在時隙7將一個7(信號7)置于延遲光纖2而顯示。這將在時隙1(實際時隙7＋2mod8)從延遲光纖2出來，在該時刻它必須被置于輸出光纖36。這在表中通過在時隙1將信號7置于輸出光纖上而顯示。該控制方法的這一步驟給該延遲表填入所有的單個元件延遲。這是由于實現(xiàn)等價的延遲的其他方式將破壞不允許信號兩個或多次循環(huán)通過一個延遲光纖的規(guī)則。該步驟還包括填充直到表的輸出光纖部分的單個元件，由于根據(jù)無再循環(huán)規(guī)則，除了以這種方式分配延遲之外沒有其他的選擇。將該控制方法的第一步用于置換∏，時隙2、4、和7只要求單個的延遲元件，且時隙6要求立即輸出，因此，在所要求的項被填入延遲表之后，該延遲表看上去如所附的表I。<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="414">延遲光纖時隙12345678422714輸出7246</table></tables>表I在置換的單個可能元件的分配被固定之后，該控制方法開始填充其余的元件—它們都具有多重可能。然而，為一個元件組選擇這些可能中的一個，會阻塞其他的元件組。因此，該控制方法按照找到非阻塞路徑的策略進行。該控制方法的下一個步驟，是為具有多個元件的各個延遲確定可能的分配的數(shù)目。對于組中有n個元件的延遲，有{n×(n＋1)}/2種使信號通過延遲光纖的路由處理可能。要求多個元件的各個時隙的這些可能隨后被依次編號。在置換∏的例子中，時隙3具有采用元件{4，2，1}的延遲7。有6種使時隙3的信號通過元件{4，2，1}的方式，如下所示1.在TS3中的延遲4，隨后是在TS7中的延遲2，隨后是在TS1中的延遲12.在TS3中的延遲4，隨后是在TS7中的延遲1，隨后是在TS8中的延遲23.在TS3中的延遲2，隨后是在TS5中的延遲4，隨后是在TS1中的延遲14.在TS3中的延遲2，隨后是在TS5中的延遲1，隨后是在TS6中的延遲45.在TS3中的延遲1，隨后是在TS4中的延遲4，隨后是在TS8中的延遲26.在TS3中的延遲1，隨后是在TS4中的延遲2，隨后是在TS6中的延遲4在該例中，E3有6種可能，且E1、E5、和E8都有2種可能?？赡苄枰獓L試的可能組合的總數(shù)，是各個多元件延遲的可能數(shù)目的乘積。對于上述例子，可能的組合為6×2×2×2＝48種組合。該控制方法的分配從選擇第一時隙的第一個可能即{4，2}開始。暫時將該值填入延遲表，即對于時隙1將1置于延遲光纖4，隨后在時隙5將一個1置于延遲光纖2，隨后在時隙7將一個1置于輸出端。該控制方法隨后為第二時隙選擇第一種可能，并嘗試以相同的方式推廣該延遲分配表。如果成功，隨后用于第三時隙的該第一種可能得到選擇，且各個延遲被暫時置于表中。該控制方法嘗試經(jīng)過所有的時隙，且如果達到最后的時隙且該方法成功地將最后的時隙置于延遲表中，則置換得到路由處理。非?？赡艿氖?，在達到最后的時隙之前，對于一個時隙的第一種可能，由于該延遲光纖已經(jīng)在該時隙中被占用，而不能進行路由處理。在此情況下，控制方法進行到為該時隙的下一種可能。如果能夠為該時隙的任何可能得到路由處理，則該方法象以前那樣繼續(xù)下一個時隙。然而，如果在找到成功的路由處理之前所有的可能都已經(jīng)被窮盡，該控制方法回到前一時隙并使可能編號加一。借助在前一時隙中的新的可能，該控制方法開始在當前時隙中的第一種可能。該控制方法繼續(xù)進行，且由于該結(jié)構(gòu)對于4×4OTSI是非阻塞的，所以存在有至少一組能夠給出有效路由處理的可能。繼續(xù)看置換∏的這個例子，選擇TS1的第一種可能{4，2}。嘗試TS3的第一種可能{4，2，1}，但延遲2在時隙7中已經(jīng)被占用，如表I所示，所以該可能不行。嘗試第二種可能{4，1，2}并發(fā)現(xiàn)它是能夠進行路由處理的。隨后，嘗試TS5的第一種可能{2，1}，但延遲1在時隙7中已經(jīng)被占用。嘗試第二種可能{1，2}并發(fā)現(xiàn)它是能夠進行路由處理的。最后，嘗試TS8的第一種可能{2，1}。然而在時隙8中延遲2已經(jīng)被占用。因此，嘗試TS8的第二種可能{1，2}并發(fā)現(xiàn)它是能夠進行路由處理的。將表II中的這些非阻塞路由處理結(jié)果填入表I；表II是用于置換∏的有效非阻塞延遲分配。表II在此例子中，各個時隙的可能中的一個總是能夠進行路由處理的，因而控制器42不用回到前一時隙。根據(jù)所選擇的總體置換，控制器42可能需要頻繁地返回。上述的控制方法容易借助計算機程序而實施。能夠以C或其他語言寫出實施上述控制方法的計算機程序。這種程序已經(jīng)被用來證實，對于4×4OTSI、8×8OTSI和16×16OTSI的所有可能的置換，都能夠通過采用本發(fā)明的控制方法而得到路由處理。16×16OTSI的可能輸出置換的數(shù)目是16的階乘(16！)，即20,922,789,888,000種置換。對16×16PFBOTSI的全部路由處理的證實，是由在一個先進的工作站上進行的4個星期的連續(xù)運行獲得的。參見圖4，它描述了本發(fā)明的第二實施例。該第二實施例具有與圖3所示的PFBOTSI32相同的控制方法。由于PFBOTSI100只要求理論上最小數(shù)目的光纖1100—110n-2，該PFB結(jié)構(gòu)使其自身能夠方便加上光放大器1120—112n-2，諸如鉺摻雜光纖放大器。在該系統(tǒng)中所需的光放大器的數(shù)目較少(log2N)，使得該系統(tǒng)就時隙而言能夠非常大。光放大器1120—112n-2的加上，使得最差情況插入損耗要求降低到只需要通過交換器基底一次再加上N/2時隙的最差情況光纖延遲。但更重要的是，光放大器的加入完全消除了PFB結(jié)構(gòu)中的不同衰減問題，因而產(chǎn)生其中重新排列的時隙信號都具有相同的強度的輸出數(shù)據(jù)幀。而且，光放大器可以被加到任何OTSI結(jié)構(gòu)中，該PFBOTSI特別適用于它們的用途，因為只需要數(shù)目很少的放大器來實現(xiàn)多路的交換器。因此，現(xiàn)在可以理解的是，公布了一種平行反饋光時隙交換器，它采用了非常少量的光纖并具有良好的衰減和信/噪比特性。雖然結(jié)合本發(fā)明的最佳實施例而對其進行了具體的描述和顯示，但不難理解的是對于本領(lǐng)域的人員來說從這種描述和顯示可以作出在形式、細節(jié)和應用上的各種改變。例如，這種結(jié)構(gòu)可以放大到大于16×16的開關(guān)。雖然對大于16×16的修正的證明還沒有作出，但本發(fā)明已經(jīng)明確給出了證明采用大于16×16的交換器的PFBOTSI的方法。因此，所附的權(quán)利要求書包括了不脫離本發(fā)明的真正精神和范圍的所有這些形式、細節(jié)和應用上的改變。權(quán)利要求1.一種用于交換多個時隙中的至少一個數(shù)據(jù)時隙的OTSI，包括一個n×n光交換器，其中n是一個大于2的整數(shù)；與該n×n光交換器的n個輸入端中的第一個相連的輸入光纖；與該n×n光交換器的n個輸出端中的第一個相連的輸出光纖；多至n－1條的多條延遲光纖，這些光纖中的每一條都具有與n×n光交換器的其余n－1個輸出端中的一個輸出端相連的一端和與該光交換器的其余的n－1個輸入端中的相應輸入端相連的第二端；以及用于控制所述光交換器以使給定的時隙受到從所述第一輸入端通過該延遲光纖中的至少一條而到達所述第一輸出端的路由處理的裝置。2.根據(jù)權(quán)利要求1的OTSI，其中所述控制裝置提供了對數(shù)據(jù)幀的所有數(shù)據(jù)時隙的路由處理。3.根據(jù)權(quán)利要求1的OTSI，其中所述控制裝置提供了對數(shù)據(jù)幀的所有數(shù)據(jù)時隙的非阻塞路由處理。4.根據(jù)權(quán)利要求1的OTSI，其中所述n×n光交換器是縱橫交換器。5.根據(jù)權(quán)利要求1的OTSI，進一步包括多個光放大器，各個所述光放大器與所述延遲光纖中的相應光纖相連。6.根據(jù)權(quán)利要求5的OTSI，其中n為8。7.根據(jù)權(quán)利要求5的OTSI，其中n為16。8.根據(jù)權(quán)利要求1的OTSI，其中n為8。9.根據(jù)權(quán)利要求1的OTSI，其中n為16。10.根據(jù)權(quán)利要求1的OTSI，其中至一個數(shù)據(jù)幀有N個時隙，其中N是2的n－1次冪。11.根據(jù)權(quán)利要求10的OTSI，其中各個延遲光纖是N個時隙的一個的時間周期的整數(shù)倍。12.根據(jù)權(quán)利要求10的OTSI，其中各個延遲光纖是2的冪乘以N個時隙中的一個的時間周期，該2的冪分別從2的零次冪至2的n－2次冪。13.用于對幀的每一個時隙進行通過一個n×n并聯(lián)反饋OTSI的路由處理的方法，該OTSI的n個輸出端中的n－1個通過相應的延遲光纖而連回到n個輸入端中的n－1個且這些時隙中的至少兩個受到了置換，該方法包括以下步驟對于各個輸入時隙，分別通過從各個時隙的最后位置減去各個時隙的開始位置ModN，來確定對各個輸入時隙的延遲；將各個相應的延遲分成提供相應的延遲所需的光纖延遲元件組；在給定的時隙上將各個元件對各個信號的延遲分配給各個信號，以使兩個信號不能在相同的時隙進入相同的延遲光纖。14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述分配包括制成列出所有l(wèi)og2N條延遲光纖和對于N個時隙中的每一個的輸出光纖的延遲分配表，該表列出了在沒有兩個信號能夠在相同的時隙進入相同的延遲光纖以防止阻塞的限制條件下哪一個信號在哪一個時隙進入了哪一條延遲光纖；將在所要求的時間單個的光纖延遲所能夠遇到的各個信號列入所述表中；確定借助多個元件的各個延遲通過光纖延遲的可能分配的數(shù)目；為第一時隙選擇一個第一種可能并暫時將該值填入延遲表；為第二時隙選擇一個第一種可能，并通過暫時將該第二值填入延遲表而嘗試滿足其延遲要求；為第三時隙選擇一個第一種可能并暫時將各個延遲置于延遲表中；以及進行對隨后各個時隙的處理，且如果最后的時隙被成功地填入延遲表中，就將該暫時選擇確定為用于該置換的路由處理的最終選擇。15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，進一步包括以下步驟如果在最后的時隙得到成功路由處理之前，用于一個時隙的第一種可能由于在該時隙中延遲光纖已經(jīng)被占用而不能得到路由處理，則選擇用于該時隙的下一種可能；如果對于該時隙的任何可能能夠得到路由處理，就暫時選擇該路由處理并將其填入到延遲表中；進行對隨后的每一個時隙的處理，且如果最后的時隙被成功地填入延遲表，則將該暫時選擇作為用于該置換的路由處理的最終選擇。16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，進一步包括以下步驟如果在能夠找到成功的路由處理之前所有的可能都已經(jīng)被窮盡，則回到前一個時隙并暫時選擇其下一種可能；在前一個時隙中暫時選擇的該下一種可能的情況下，選擇當前時隙的第一種可能；如果用于該時隙的任何可能能夠得到路由處理，就暫時選擇該路由處理并將其填入延遲表；進行對各個隨后的時隙的處理，且如果最后的時隙被成功填入延遲表，就將該暫時選擇作為用于該置換的路由處理的最終選擇。全文摘要一種光時隙交換(OTSI)設備，它具有較低的光纖要求和良好的衰減和信/噪比特性。該OTSI采用了并聯(lián)反饋(PFB)來提供延遲。該PFBOTSI能夠用n×n光縱橫交換器實施。如果還包括了采用本發(fā)明的控制方法的控制器，則該PFBOTSI對于16×16縱橫交換器實施來說是有條件即可重新排列非阻塞的。文檔編號H04J14/08GK1114805SQ9510358公開日1996年1月10日申請日期1995年3月24日優(yōu)先權(quán)日1994年3月31日發(fā)明者羅納德·安東尼·斯潘克申請人:美國電報電話公司