OXC (cross-connect optyczny) jest rozwiniętą wersją ROADM (rekonfigurowalnego optycznego multipleksera add-drop).
Jako główny element przełączający sieci optycznych, skalowalność i opłacalność połączeń krzyżowych optycznych (OXC) nie tylko determinują elastyczność topologii sieci, ale także bezpośrednio wpływają na koszty budowy, eksploatacji i utrzymania rozległych sieci optycznych. Różne typy połączeń krzyżowych OXC różnią się znacząco pod względem architektury i implementacji funkcjonalnej.
Poniższy rysunek ilustruje tradycyjną architekturę CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect), która wykorzystuje przełączniki WSS z selektywną długością fali. Po stronie linii, przełączniki WSS 1 × N i N × 1 pełnią funkcję modułów wejściowych/wyjściowych, natomiast przełączniki WSS M × K po stronie add/drop zarządzają dodawaniem i odrzucaniem długości fal. Moduły te są połączone światłowodami w płycie głównej OXC.
Rysunek: Tradycyjna architektura CDC-OXC
Można to również osiągnąć poprzez konwersję płyty głównej na sieć Spanke, czego efektem będzie nasza architektura Spanke-OXC.
Rysunek: Architektura Spanke-OXC
Powyższy rysunek pokazuje, że po stronie linii, OXC jest powiązany z dwoma typami portów: portami kierunkowymi i portami światłowodowymi. Każdy port kierunkowy odpowiada kierunkowi geograficznemu OXC w topologii sieci, podczas gdy każdy port światłowodowy reprezentuje parę dwukierunkowych włókien w porcie kierunkowym. Port kierunkowy zawiera wiele dwukierunkowych par włókien (tj. wiele portów światłowodowych).
Chociaż przełącznik OXC oparty na architekturze Spanke zapewnia przełączanie bez blokowania dzięki w pełni połączonej konstrukcji płyty głównej, jego ograniczenia stają się coraz bardziej istotne wraz ze wzrostem ruchu sieciowego. Limit liczby portów komercyjnych przełączników WSS (Waltwell Selective Switch) (na przykład, obecnie maksymalna obsługiwana liczba to 1×48 portów, takich jak FlexGrid Twin 1×48 firmy Finisar) oznacza, że rozszerzenie zakresu OXC wymaga wymiany całego sprzętu, co jest kosztowne i uniemożliwia ponowne wykorzystanie istniejącego sprzętu.
Nawet w przypadku wielowymiarowej architektury OXC bazującej na sieciach Clos, nadal wymaga ona drogich systemów WSS M×N, co utrudnia spełnienie wymagań dotyczących stopniowych modernizacji.
Aby sprostać temu wyzwaniu, naukowcy zaproponowali nowatorską architekturę hybrydową: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Dzięki integracji mikrosystemów elektromechanicznych (MEMS) i WSS, architektura ta utrzymuje niemal bezblokową wydajność, jednocześnie obsługując model „płać w miarę rozwoju”, zapewniając operatorom sieci optycznych opłacalną ścieżkę modernizacji.
Podstawą konstrukcji HMWC-OXC jest trójwarstwowa struktura sieci Clos.
Rysunek: Architektura Spanke-OXC oparta na sieciach HMWC
Wielowymiarowe przełączniki optyczne MEMS są wdrażane na warstwach wejściowych i wyjściowych, takich jak skala 512×512, obecnie obsługiwana przez obecną technologię, tworząc pulę portów o dużej przepustowości. Warstwa środkowa składa się z wielu mniejszych modułów Spanke-OXC, połączonych ze sobą za pomocą „portów T”, aby zmniejszyć wewnętrzne przeciążenia.
W fazie początkowej operatorzy mogą budować infrastrukturę w oparciu o istniejący moduł Spanke-OXC (np. w skali 4×4), po prostu wdrażając przełączniki MEMS (np. 32×32) na warstwach wejściowej i wyjściowej, zachowując jednocześnie pojedynczy moduł Spanke-OXC w warstwie środkowej (w tym przypadku liczba portów T wynosi zero). Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na przepustowość sieci, nowe moduły Spanke-OXC są stopniowo dodawane do warstwy środkowej, a porty T są konfigurowane w celu ich połączenia.
Na przykład przy rozszerzeniu liczby modułów warstwy środkowej z jednego do dwóch liczbę portów T ustawia się na jeden, zwiększając całkowitą liczbę modułów z czterech do sześciu.
Rysunek: Przykład HMWC-OXC
Proces ten przebiega zgodnie z ograniczeniem parametrów M > N × (S − T), gdzie:
M to liczba portów MEMS,
N to liczba modułów warstwy pośredniej,
S to liczba portów w pojedynczym urządzeniu Spanke-OXC, a
T jest liczbą połączonych portów.
Dzięki dynamicznemu dostosowywaniu tych parametrów HMWC-OXC może obsługiwać stopniową rozbudowę od skali początkowej do wymiaru docelowego (np. 64×64) bez konieczności jednoczesnej wymiany wszystkich zasobów sprzętowych.
Aby zweryfikować rzeczywistą wydajność tej architektury, zespół badawczy przeprowadził eksperymenty symulacyjne oparte na żądaniach dynamicznej ścieżki optycznej.
Rysunek: Wydajność blokowania sieci HMWC
Symulacja wykorzystuje model ruchu Erlanga, zakładając, że żądania usług podlegają rozkładowi Poissona, a czasy oczekiwania na usługę odpowiadają rozkładowi wykładniczemu ujemnemu. Całkowite obciążenie ruchem wynosi 3100 Erlangów. Docelowy wymiar OXC wynosi 64×64, a skala MEMS warstwy wejściowej i wyjściowej również wynosi 64×64. Konfiguracje modułu Spanke-OXC warstwy środkowej obejmują specyfikacje 32×32 lub 48×48. Liczba portów T waha się od 0 do 16, w zależności od wymagań scenariusza.
Wyniki pokazują, że w scenariuszu z wymiarem kierunkowym D = 4 prawdopodobieństwo blokowania HMWC-OXC jest zbliżone do prawdopodobieństwa w tradycyjnej konfiguracji bazowej Spanke-OXC (S(64,4)). Na przykład, przy użyciu konfiguracji v(64,2,32,0,4), prawdopodobieństwo blokowania wzrasta jedynie o około 5% przy umiarkowanym obciążeniu. Wraz ze wzrostem wymiaru kierunkowego do D = 8, prawdopodobieństwo blokowania wzrasta ze względu na „efekt magistrali” i zmniejszenie długości włókna w każdym kierunku. Problem ten można jednak skutecznie rozwiązać, zwiększając liczbę portów T (na przykład w konfiguracji v(64,2,48,16,8)).
Warto zauważyć, że chociaż dodanie modułów warstwy pośredniej może spowodować wewnętrzne blokowanie z powodu rywalizacji o port T, cała architektura może nadal osiągnąć zoptymalizowaną wydajność dzięki odpowiedniej konfiguracji.
Analiza kosztów dodatkowo podkreśla zalety HMWC-OXC, jak pokazano na poniższym rysunku.
Rysunek: Prawdopodobieństwo blokowania i koszt różnych architektur OXC
W scenariuszach o dużej gęstości i 80 długościach fali na światłowód, HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) może obniżyć koszty o 40% w porównaniu z tradycyjnym Spanke-OXC. W scenariuszach o małej długości fali (np. 50 długości fali na światłowód) przewaga kosztowa jest jeszcze większa ze względu na mniejszą liczbę wymaganych portów T (np. v(64,2,36,4,64)).
Ta korzyść ekonomiczna wynika z połączenia wysokiej gęstości portów przełączników MEMS i modułowej strategii rozbudowy, która nie tylko pozwala uniknąć kosztów wymiany systemów WSS na dużą skalę, ale także redukuje koszty przyrostowe poprzez ponowne wykorzystanie istniejących modułów Spanke-OXC. Wyniki symulacji pokazują również, że poprzez dostosowanie liczby modułów warstwy pośredniej i stosunku portów T, HMWC-OXC może elastycznie równoważyć wydajność i koszty przy różnych pojemnościach fal i konfiguracjach kierunkowych, zapewniając operatorom możliwości wielowymiarowej optymalizacji.
Przyszłe badania mogą pogłębić analizę algorytmów dynamicznej alokacji portów T w celu optymalizacji wykorzystania zasobów wewnętrznych. Ponadto, wraz z postępem w procesach produkcji układów MEMS, integracja przełączników wielowymiarowych dodatkowo zwiększy skalowalność tej architektury. Dla operatorów sieci optycznych architektura ta jest szczególnie odpowiednia w scenariuszach z niepewnym wzrostem ruchu, zapewniając praktyczne rozwiązanie techniczne do budowy odpornej i skalowalnej, całkowicie optycznej sieci szkieletowej.
Czas publikacji: 21-08-2025