包含其中单级矩阵具有一级克洛斯网络的多级克洛斯网络的光交叉连接

摘要

一种波分复用(WDM)光交叉连接(OXC)，具有多个(N×M)用于直通业务的输入和输出信道(i1到iM；o1到oM)。第一组光交换矩阵(S1－1到S1－N)用来将直通业务输入信道(i1到iM)连接到输出信道(o1到oM)，其中每个直通业务输入信道(i1到iM)被连接到第一组交换矩阵(S1－1到S1－N)中一个矩阵的输入端且每个直通业务(o1到oM)被连接到交换矩阵(S1－1到S1－N)的输出端。此外多个(P)输入信道(a1到aP)和/或输出信道(o1到oP)被提供用来插入/分出业务。每个插入/分出输入/输出信道(a1到aP，o1到oP)连接到第二组交换矩阵(S2’－1至S2’－AD)的一个输入/输出端。第二组交换矩阵的输出/输入端被连接到第三组交换矩阵(S3－1到S3－(2M－1))的输入端，或者第四组交换矩阵(S4－1到S4－2(M－1))的输出端，并且第三/第四组交换矩阵的输出/输入被连接到第一组交换矩阵的输入/输出端，从而使交换矩阵或第一、第四和第二组的第二、第三和第一组都构成克洛斯网络。

说明书

本发明涉及波分复用(WDM)的光通信，尤其涉及用于WDM光通信网络的光交叉连接(OXC)。

众所周知，WDM光通信网络包括多个经网络结构中的光纤波导互联的空间配置的节点。网络通常被配置成环形，其中节点被串行连接成封闭的回路或环。通信业务在节点间通过被由光纤传输的通信业务调制的光辐射来通信。

本专利申请文中的光辐射定义为自由空间波长为500nm到3000nm的电磁辐射，此范围内1530nm到1570nm的自由空间为优选部分。在波分复用中，光辐射被分割为多个离散的不重叠波段，也称作波长信道或光信道，每个波长信道都被各自的通信业务信道调制。

众所周知，网络节点通常包括一个光分插复用器(OADM)，用于向网络插入/分出选择的波长信道，从而在节点间基于波长信道的载波波长建立通信业务信道的路由。为了可以在通信网络各自的部分之间对通信业务有选择地路由(交叉连接)，诸如在网络中互联的环之间对通信业务选择路由，要求上述网络各部分的连接处的节点具有光交换能力。上述光交换装置被称作光交叉连接(OXC)，并且可大体分：(i)非波长选择性光交叉连接，只能把出现在给定输入光纤处的全部WDM波长信道交换到选定的输出光纤，因而被称作光纤交叉连接(FXC)，以及(ii)可进行波长交叉连接(互换)的光交叉连接，能够将选择的波长信道从一个给定的输入端交叉连接到选定的光输出端。在后者的情况下，经常需要OXC可以经选定的输出端向网络额外地插入一个或多个选定的波长信道，并且可以经选定的输入端从网络分出(终接)一个或多个选定的波长信道。

在本专利申请中，光交叉连接(OXC)被定义为一个在光域中进行全部交换的光开关装置。这是相对于开关装置而言的，所述开关装置有时也被称为是光学开关装置，因为它们具有光输入端和输出端，其中光输入辐射被转换成电信号用于在被转换回光辐射之前进行交换。

在其最简单的情况下，一个光开关装置可被看作为一个光交换矩阵，其中输入端构成矩阵的行而输出端构成矩阵的列。在每个输入端和输出端之间的交叉点具有一个光开关元件，该光开关元件可以选择性的闭合从而将一个输入端和选择的输出端相连。

始终能够不考虑矩阵中现存连接地将任意给定的输入端连接到希望的输出端的交换矩阵被称作无阻塞交换矩阵。无阻塞交换矩阵的大小取决于输入和输出的数量之积，也就是说，它按照需要被同时建立的连接的数目的平方增长。例如，一个具有每个可支持N个波长信道的M个光输入端和M个光输出端的无阻塞OXC需要的光交换矩阵的大小为(M×N)×(M×N)，对于8输入/输出，80个波长信道的OXC要求的光交换矩阵的大小至少为640×640。另外，若要求OXC可以插入/分出一个或更多的波长信道，也就要求交换矩阵相应地变大。利用现有技术的上述大小的一个光交换矩阵的OXC是昂贵而难于扩充的。此外，如果这样的交换矩阵的连接容量不再满足当前要求，它不得不被换掉，进一步增加了通信系统的成本。具有一个单交换矩阵的OXC的一个优点是它是无阻塞的并且具有低插入损耗，因为在每个光输入端和光输出端之间的直通路径中只有一个单交换级，同样在插入/分出路径上也只有一个单交换级。

为了减小交换矩阵的尺寸，已经建议采用图1中的光交叉连接，其包括针对每个波长信道的更小的交换矩阵。正如可以理解的，这种OXC结构仍然是单级的，波长信道的所有直通连接和插入/分出中都要经历这一单独的交换矩阵。参考图1，OXC包括复数M个光输入端和复数M个光输出端，分别用I1到IM和O1到OM表示(通常输入端和输出端包括一个光纤)。其中每个输入端都可接收包含载波波长λ1到λN的复数N个波长信道的WDM辐射。因此OXC具有交叉连接M×N通信信道的能力。

从I1到IM的每个光输入端分别与波长分路器D1到DM的输入端相连。每个分路器，包括N个输出端，在空间上将在其输入端出现的WDM辐射分离，以便各个波长信道出现在分路器的各个输出。

OXC还进一步包括复数N个(每个波长载波一个)交换矩阵S1到SN。每个交换矩阵有至少M个输入端和M个输出端。(在附图1所示的实施例中每个交换矩阵具有M+2个输入端和输出端，使得OXC可以在每个波长载波中额外插入/分出2个波长信道。)一个交换矩阵被分配到各个载波波长λ1到λN。在此实施例中，交换矩阵S1只分配用来交换载波波长λ1的通信信道，S2只用来交换载波波长λ2的通信信道，……，SN只用来交换载波波长λN的通信信道。交换矩阵的这种分配是以连接对应于一个给定波长载波的M个分路器的每个输出端与配置给相应波长载波的交换矩阵的各个输入端的方式实现的。

每个交换矩阵的各个输出端被相应地连接到M个复用器M1到MM中的一个输入，复用器从其N个输入端接收来自多个交换矩阵S1到SN的波长λ1到λN，并将其分别多路复用至输出端O1到OM。为了通过OXC对一个通信信道进行正确的路由，只需要将其提供给与要求的输出相连的复用器。复用器用来接收通信信道的输入端由信道的载波波长定义。

图1中的OXC，和具有单交换矩阵的OXC一样，有插入损耗低的优点，并且进一步具有当后来有额外的波长信道插入至通信系统时可被升级的优点。升级可以通过为每个增加的波长信道插入另外的交换矩阵以及增加分路器的输出端个数和复用器的输入端个数来实现。现有的交换矩阵可以不经修改继续使用。因此可以根据要求的容量用较少的初期投入建立一个电信网络，并根据需要将其升级。

尽管如此，用图1的OXC插入或分出波长信道依然存在一个问题。为了无阻塞地终接A个波长信道，每个交换矩阵S1到SN必须额外包括A个输入和输出端。如果分出波长信道的需求增加，只有两种方式可以解决，即以直通业务为代价重新配置交换矩阵的输入和输出(由此输出和输出中的可用波长信道的数量减少了)，或是用具有更多输入和输出端的交换矩阵来置换每个交换矩阵。在后者的情况下，升级OXC时现有的交换矩阵不能够继续使用，升级的费用也大大增加了。

本发明致力于提供一种能够插入/分出选择的波长信道并且其结构适于在使用现有元件的同时增加可被插入/分出的波长信道数的OXC。

依据本发明提供的用于波分复用(WDM)的光交叉连接(OXC)包括：多个用于接收承载各个WDM通信的辐射的光输入端；多个用于输出各个经OXC交换的承载WDM通信的辐射的光输出端；一个用于在光输入端和输出端之间交换WDM辐射的单级光交换矩阵，其中光交换矩阵包括对应于每个WDM辐射波长信道的各个交换矩阵；以及另外的用于分别插入和分出选定的波长信道的多个光输入和输出端，此OXC的特点是具有用于可选择地连接另外的多个光输入和输出端到单级交换矩阵的输入和输出端的各个多级光交换矩阵。优选的多级交换矩阵包括一个多级克洛斯网络，其中单级交换矩阵包括克洛斯网络的一级。

更具体地，依据本发明的第一方面，一种光交叉连接(OXC)包括：

多个用于直通业务的输入信道；

多个用于直通业务的输出信道；

用于连接每个直通业务输入信道至任意一个直通业务输出信道的第一组光交换矩阵，其中每个直通业务输入信道被连接到第一组交换矩阵中的一个矩阵的输入端，每个直通业务输出信道被连接到第一组交换矩阵中的一个矩阵的输出端；

用于插入业务的第三多个输入信道，OXC的特点是每个插入业务输入信道被连接到第二组交换矩阵的一个输入端，其中第二组交换矩阵的输出端与第三组交换矩阵的输入端相连，并且第三组交换矩阵的输出端与第一组交换矩阵的输入端相连，从而使第二、第三和第一组交换矩阵组成一个克洛斯网络。

优选地，OXC还包括多个分路器，每个分路器具有一个输入端用于连接到一个接收包括多个波长信道的WDM辐射的光输入端，以及多个输出端用于输出这些波长信道中的一个到其中一个直通业务输入信道。每个分路器被一个输入信道方便地连接到第一组中的每个交换矩阵。优选的，分路器为波长分路器，输出一个波长信道至一个依据波长信道的载波波长定义的输出端，并且，用于输出相同载波波长的波长信道的多个分路器输出端被连接到第一组中的一个相同的交换矩阵。

在一个优选的实施例中，第二组交换矩阵中的每一个都有用来插入业务的M个输入端以及至少2M-1，优选为正好2M-1个，与第三组交换矩阵的输入端相连的输出端，M对应于分路器/光输入端的个数。进一步讲，优选地，第一组中的每个光交换矩阵有M个用于直通业务的输出端以及至少2M-1，优选为正好2M-1个，与第三组交换矩阵的输出端相连的输入端。

更优的OXC进一步包括多个用来分出业务的输出信道。根据本发明的第二方面，一种光交叉连接(OXC)包括：

多个用于直通业务的输入信道；

多个用于直通业务的输出信道；

用于连接每个直通业务输入信道至任意一个直通业务输出信道的第一组光交换矩阵，其中每个直通业务输入信道被连接到第一组交换矩阵中的一个矩阵的输入端，每个直通业务输出信道被连接到第一组交换矩阵中的一个矩阵的输出端；

多个用于分出业务的输出信道，

其特征为：每个分出业务输出信道连接到第五组交换矩阵中的一个输出端，其中第五组交换矩阵的输入端连接到第四组交换矩阵的输出端，第四组交换矩阵的输入端连接到第一组交换矩阵的输出端，从而使第一、第四、第五组交换矩阵组成一个克洛斯网络。

更优的OXC还包括多个复用器，每个复用器具有一个输出端，用于连接到一个输出包括多个波长信道的WDM辐射的光输出端，以及多个输入端，用于从其中一个直通业务输出信道输入这些波长信道中的一个。优选地，每个复用器被一个输出信道连接到第一组中的每个交换矩阵。优选地，第五组光交换矩阵中的每一个都有用来分出业务的M个输出端以及至少2M-1，优选为正好2M-1个，与第四组交换矩阵的输出端相连的输入端，M对应于复用器/光输出端的个数。进一步讲，第一组中的每个光交换矩阵有M个用于直通业务的输入端以及至少2M-1，优选为正好2M-1个，与第四组交换矩阵的输入端相连的输出端。

更优地，依据本发明第一和第二方面的OXC中的第二组光交换矩阵以及第五组光交换矩阵是相同的。

本发明将参考以下的附图仅以举例的方式来说明，其中：

附图1，如前述，表示了现有光交叉连接的基本结构；

附图2，表示依据本发明的第一实施例的光交叉连接(光开关装置)；

附图3，为一个光交换矩阵的示意图，以及

附图4，为依据本发明的第二实施例的光交叉连接。

参考附图2，给出了依据本发明的一种光交叉连接(OXC)。此OXC为无阻塞的并且可以交叉连接选定的在输入端出现的波长信道至一个选定的输出端。上述交换称之为直通业务交换。此外，OXC可以选择性地从一个选定的输入线路分出选定的波长信道并可以选择性地插入选定的波长信道至一个选定的输出线路。这种本发明中的开关装置提供了一种结合的OXC/OADM功能。

此OXC包括复数M个光纤输入端I1到IM以及复数M个光纤输出端O1到OM。每个光输入/输出线路都可以支持波分复用辐射，包括复数N个具有从λ1到λN的载波波长的波长信道。

此OXC还进一步包括对应于光输入端I1到IM的各个分路器D1到DM；对应于光输出端O1到OM的各个复用器O1到OM；以及五组光交换矩阵表示为S1-1到S1-N，S2-1到S2-AD，S3-1到S3-(2M-1)，S4-1到S4(2M-1)以及S5-1到S5-AD。

第一组N个光交换矩阵S1-1到S1-N具有与前述图1中OXC中的交换矩阵S1至SN相似的功能，其中OXC具有为N个波长载波中的每一个配置的各个交换矩阵。因此，可以知道OXC提供了一个直通业务的单级交换。S1-1到S1-N中每个光交换矩阵都是一个具有3M-1个输入端(i1到i3M-1)以及3M-1个输出端(o1到o3M-1)的方矩阵，即，它们是(3M-1)×(3M-1)交换矩阵。交换矩阵的前M个输入端i1到iM在下文中指的是直通业务输入端，被连接到相应的分路器D1到DM的输出端(根据载波波长)。由于根据图1中的OXC，分路器D1到DM中每一个的输出端被连接到交换矩阵S1-1到S1-SN的输入，所以每个S1-n中的交换矩阵，在此n＝1至N，包含一个具有对应于此交换矩阵的载波波长λn的波长信道，在每个分路器中被提供。

每个交换矩阵的前M个输出端o1到oM，称作直通业务输出端，从源自光输出端O1到OM的输出端连接到M1到MM中其中一个的输入端。由于M1到MM中每个复用器只有到第一组交换矩阵中的每个交换矩阵的一个连接，所以保证了不会使两个交换矩阵供给复用器一个具有相同载波波长的辐射。

开关装置有从a1到aP共P个输入端，用于插入/分出业务。这P个输入端包括具有M个使用过的输入端和2M-1个使用过的输出端的第二组AD个交换矩阵S2-1到S2-AD的输入端(假设P＝M×AD。如果P＜AD，则第二组中单个交换矩阵的使用过的输入端数目就会小于M)。

这第二组交换矩阵包括一个三级克洛斯网络的第一级，其第二级由第三组从S3-1到S3-(2M-1)共2M-1个，每个有AD个使用过的输入端和N个输出端的交换矩阵组成。第三级克洛斯网络由与第三组矩阵的输出端相连的第一组交换矩阵中S1-1到S1-SN的输入端iM+1到i3M-1组成。如图3所示，第一组的每个矩阵都可被看作几个子交换矩阵的联合，也就是：一个包含直通业务输入i1至iM以及直通业务输出o1到oM的第一子方矩阵TM1，用于对直通业务进行路由；一个包含输入端iM+1到i3M-1以及输出端o1到oM的第二子矩阵TM2，用于对由交换矩阵S2-1到S2-AD，S3-1到S3-(2M-1)插入至直通业务的插入业务进行路由，和在后面会讨论的两个另外的子矩阵TM3和TM4。

如果升级OXC要求为插入业务增加输入端的数目P，可以通过向第二组增添更多的交换矩阵来实现。如果物理上现存的(但在升级前还未被利用的)第三组交换矩阵的输入端不少于第二组的交换矩阵的数目，第三组的交换矩阵可以不经修改继续使用。否则，它们必须用具有更多输入端的交换矩阵代替。对于第一组的交换矩阵无需改动。

如同本地插入业务，依据本发明的OXC也支持分出到达I1到IM其中一个光输入端但没有被进一步路由至输出光纤O1到OM之一的业务。此目的依靠第一组每个交换矩阵中的子矩阵TM3来实现，它可以选择性地将每个从i1到iM的直通业务输入信道连接到从oM+1到o3M-1的2M-1输出端之一。第一组交换矩阵中的子矩阵TM3因此构成第二克洛斯网络的第一级，第二和第三级分别由第四组2M-1个从S4-1到S4-(2M-1)、具有N个使用过的输入端和AD个使用过的输出端的交换矩阵，以及第五组AD个从S5-1到S5-AD、具有2M-1个使用过的输入端和M个使用过的输出端的交换矩阵组成。第五组交换矩阵的输出端包括OXC从d1到的dP分出的输出端。

第一组交换矩阵的子矩阵TM4可保持不使用，若将来需要，它们也可用于将到达插入输入端a1到aP的业务分出至d1到dP中的一个选定的分出输出端。

事实上第三组交换矩阵S3-1到S3-(2M-1)包括2M-1个交换矩阵，这确保了用于从a1到aP任意插入输入端的通信业务可被路由至M1到MM的任一复用器，从而被路由至O1到OM任一个输出端，当然是假设需要的输出端还没有输出具有相同载波波长的通信业务(波长信道)。

例如，假设在最差的情况下，只有一个单载波波长λi空闲。对于这个载波波长λi，第一组中S1-i交换矩阵被配置。为了能够对具有载波波长λi的辐射进行路由，必须保证插入输入信道aj可以连接到交换矩阵S1-i。在最差的情况下，最多可以使用它的M-1个输入端iM+1到i3(M-1)。如果占用的输出端再增多，交换矩阵的输出端o1到oM就没有空闲，并且插入业务不会被路由，因为需要的输出端的波长λi已经被占用了。这与起初的假设相矛盾，所以不可能是正确的。

在那样的情况下，在第三组交换矩阵S3-1到S3-(2M-1)中，最多可有M-1个矩阵都不能连接到交换矩阵S1-i。尽管如此，第三组剩余的M个交换矩阵中指向S1-i的输出是空闲的，这意味着插入业务可以通过第三组交换矩阵总共M×AD个输入端路由。因为只有从a1到aP共M×AD个插入业务输入信道现存，其中一个输入端必须空闲，也就是说，第三组必须要包括至少2M-1个交换矩阵，从而保证在任意插入输入端aj输入的插入业务可到达要去的输出端，假如其上有剩余传输容量。

类似地，在第四组中也需要相同数目的2M-1个矩阵来保证要在本地处理(分出)的任一到达从I1至IM任一输入端的波长信道可被提供到d1到dp的任一分出输出端。

图2表示的OXC的另一更重要的优点是直通业务在经OXC路由时不需要经过多于一个的交换矩阵。因此OXC的插入损耗非常低，并且直通业务可以不经再放大和脉冲整形而被几个OXC交叉连接。

根据本发明的进一步改进的优选OXC如同图4所示。其输入、输出端，分路器和复用器以及第一、三、四组交换矩阵均与图2所示OXC中的相同，因此不再重述。

在此实施例中，第二、第五组交换矩阵以成对的方式与交换矩阵S2’-1至S2’-AD结合。为了简洁起见，交换矩阵S2’-1至S2’-AD也被称作第二组交换矩阵。如同第一组交换矩阵，第二组为每个具有3M-1个输入端和3M-1个输出端的方矩阵。优选地，它们与第一组的矩阵相同。像这样与图3类似，它们可被看作再次划分成的子矩阵TM1到TM4，其中子矩阵TM3与图2中第二组交换矩阵相对应地具有M个输入端和2M-1个输出端，子矩阵TM2与图2中第五组交换矩阵相对应地具有2M-1个输入端和M个输出端。子矩阵TM1，可直接连接至插入/分出输入和输出信道，可用于在这些信道之间路由；子矩阵TM4保持未使用。

尽管子矩阵TM4为一个在每个交换矩阵S2’-1至S2’-AD中的一个大的未使用区域，但这种解决方法还是非常有效和经济的，因为传统交换矩阵大量生产，具有相应地竞争性的定价，并且一般为二次，所以依据图4的OXC元件总成本并不比图2中的高。由于图4中实施例的元件较少，因而OXC可以更加紧凑。

在上述的实施例中，用于直通业务的输入输出信道数目假设与用于插入/分出业务的输入输出信道相等。同时这也容易实现OXC结构的可行性，也可适应用户的需求，而不是技术要求。