OXC (optical cross-connect) este o versiune evoluată a ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer).
Fiind elementul central de comutare al rețelelor optice, scalabilitatea și rentabilitatea conexiunilor optice încrucișate (OXC) nu numai că determină flexibilitatea topologiilor de rețea, dar au și un impact direct asupra costurilor de construcție, operare și întreținere a rețelelor optice de mari dimensiuni. Diferite tipuri de OXC prezintă diferențe semnificative în ceea ce privește designul arhitectural și implementarea funcțională.
Figura de mai jos ilustrează o arhitectură tradițională CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect), care utilizează comutatoare selective de lungime de undă (WSS). Pe partea de linie, 1 × N și N × 1 WSS servesc ca module de intrare/ieșire, în timp ce M × K WSS pe partea de adăugare/eliminare gestionează adăugarea și eliminarea lungimilor de undă. Aceste module sunt interconectate prin fibre optice în cadrul backplane-ului OXC.
Figură: Arhitectura tradițională CDC-OXC
Acest lucru poate fi realizat și prin conversia backplane-ului într-o rețea Spanke, rezultând arhitectura noastră Spanke-OXC.
Figură: Arhitectura Spanke-OXC
Figura de mai sus arată că, pe partea de linie, OXC-ul este asociat cu două tipuri de porturi: porturi direcționale și porturi de fibră optică. Fiecare port direcțional corespunde direcției geografice a OXC-ului în topologia rețelei, în timp ce fiecare port de fibră optică reprezintă o pereche de fibre bidirecționale în cadrul portului direcțional. Un port direcțional conține mai multe perechi de fibre bidirecționale (adică mai multe porturi de fibră optică).
Deși OXC-ul bazat pe Spanke realizează o comutare strict neblocantă printr-un design backplane complet interconectat, limitările sale devin din ce în ce mai semnificative pe măsură ce traficul de rețea crește brusc. Limita numărului de porturi ale comutatoarelor selective de lungime de undă (WSS) comerciale (de exemplu, numărul maxim suportat în prezent este de 1×48 de porturi, cum ar fi FlexGrid Twin 1×48 de la Finisar) înseamnă că extinderea dimensiunii OXC necesită înlocuirea întregului hardware, ceea ce este costisitor și împiedică reutilizarea echipamentelor existente.
Chiar și cu o arhitectură OXC de înaltă dimensionalitate bazată pe rețele Clos, aceasta se bazează în continuare pe WSS-uri M×N costisitoare, ceea ce face dificilă îndeplinirea cerințelor de actualizare incrementală.
Pentru a aborda această provocare, cercetătorii au propus o arhitectură hibridă inovatoare: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Prin integrarea sistemelor microelectromecanice (MEMS) și a WSS, această arhitectură menține performanțe aproape neblocante, oferind în același timp capabilități de „plată pe măsură ce creșteți”, oferind o cale de upgrade rentabilă pentru operatorii de rețele optice.
Designul de bază al HMWC-OXC constă în structura sa de rețea Clos cu trei straturi.
Figură: Arhitectura Spanke-OXC bazată pe rețele HMWC
Comutatoarele optice MEMS de înaltă dimensionalitate sunt implementate la nivelurile de intrare și ieșire, cum ar fi scara 512×512 suportată în prezent de tehnologia actuală, pentru a forma un pool de porturi de mare capacitate. Nivelul intermediar este format din mai multe module Spanke-OXC mai mici, interconectate prin „porturi T” pentru a atenua congestia internă.
În faza inițială, operatorii pot construi infrastructura pe baza Spanke-OXC-urilor existente (de exemplu, la scară 4×4), implementând pur și simplu switch-uri MEMS (de exemplu, 32×32) la nivelurile de intrare și ieșire, păstrând în același timp un singur modul Spanke-OXC în nivelul intermediar (în acest caz, numărul de porturi T este zero). Pe măsură ce cerințele de capacitate a rețelei cresc, noi module Spanke-OXC sunt adăugate treptat la nivelul intermediar, iar porturile T sunt configurate pentru a conecta modulele.
De exemplu, atunci când se extinde numărul de module de strat intermediar de la unu la două, numărul de porturi T este setat la unu, mărind dimensiunea totală de la patru la șase.
Figura: Exemplu HMWC-OXC
Acest proces respectă constrângerea de parametri M > N × (S − T), unde:
M este numărul de porturi MEMS,
N este numărul de module ale stratului intermediar,
S este numărul de porturi dintr-un singur Spanke-OXC și
T este numărul de porturi interconectate.
Prin ajustarea dinamică a acestor parametri, HMWC-OXC poate susține extinderea treptată de la o scară inițială la o dimensiune țintă (de exemplu, 64×64) fără a înlocui toate resursele hardware simultan.
Pentru a verifica performanța reală a acestei arhitecturi, echipa de cercetare a efectuat experimente de simulare bazate pe solicitări dinamice ale căii optice.
Figura: Performanța de blocare a rețelei HMWC
Simularea utilizează un model de trafic Erlang, presupunând că cererile de servicii urmează o distribuție Poisson, iar timpii de așteptare a serviciilor urmează o distribuție exponențială negativă. Încărcarea totală a traficului este setată la 3100 Erlangs. Dimensiunea OXC țintă este de 64×64, iar scara MEMS a straturilor de intrare și ieșire este, de asemenea, de 64×64. Configurațiile modulului Spanke-OXC de strat intermediar includ specificații de 32×32 sau 48×48. Numărul de porturi T variază de la 0 la 16, în funcție de cerințele scenariului.
Rezultatele arată că, în scenariul cu o dimensiune direcțională de D = 4, probabilitatea de blocare a HMWC-OXC este apropiată de cea a liniei de bază tradiționale Spanke-OXC (S(64,4)). De exemplu, utilizând configurația v(64,2,32,0,4), probabilitatea de blocare crește doar cu aproximativ 5% sub sarcină moderată. Când dimensiunea direcțională crește la D = 8, probabilitatea de blocare crește datorită „efectului de trunchi” și a scăderii lungimii fibrei în fiecare direcție. Cu toate acestea, această problemă poate fi atenuată eficient prin creșterea numărului de porturi T (de exemplu, configurația v(64,2,48,16,8)).
În mod special, deși adăugarea de module de nivel intermediar poate cauza blocaje interne din cauza contenției portului T, arhitectura generală poate totuși obține performanțe optimizate printr-o configurație adecvată.
O analiză a costurilor evidențiază în continuare avantajele HMWC-OXC, așa cum se arată în figura de mai jos.
Figura: Probabilitatea de blocare și costul diferitelor arhitecturi OXC
În scenarii cu densitate mare și 80 de lungimi de undă/fibră, HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) poate reduce costurile cu 40% în comparație cu Spanke-OXC tradițional. În scenarii cu lungimi de undă mici (de exemplu, 50 de lungimi de undă/fibră), avantajul de cost este și mai semnificativ datorită numărului redus de porturi T necesare (de exemplu, v(64,2,36,4,64)).
Acest beneficiu economic provine din combinarea densității mari de porturi a switch-urilor MEMS și a unei strategii de extindere modulară, care nu numai că evită cheltuielile pentru înlocuirea WSS la scară largă, dar reduce și costurile incrementale prin reutilizarea modulelor Spanke-OXC existente. Rezultatele simulării arată, de asemenea, că prin ajustarea numărului de module de strat intermediar și a raportului de porturi T, HMWC-OXC poate echilibra flexibil performanța și costul în diferite configurații de capacitate și direcție a lungimii de undă, oferind operatorilor oportunități de optimizare multidimensională.
Cercetările viitoare pot explora în continuare algoritmii dinamici de alocare a porturilor T pentru a optimiza utilizarea resurselor interne. În plus, odată cu progresele în procesele de fabricație MEMS, integrarea switch-urilor de dimensiuni superioare va spori și mai mult scalabilitatea acestei arhitecturi. Pentru operatorii de rețele optice, această arhitectură este potrivită în special pentru scenarii cu creștere incertă a traficului, oferind o soluție tehnică practică pentru construirea unei rețele backbone complet optice, rezistente și scalabile.
Data publicării: 21 august 2025