OXC (оптичний крос-коннект) – це вдосконалена версія ROADM (реконфігурований оптичний мультиплексор додавання-видалення).
Як основний комутаційний елемент оптичних мереж, масштабованість та економічна ефективність оптичних крос-коннектів (OXC) не лише визначають гнучкість мережевих топологій, але й безпосередньо впливають на витрати на будівництво, експлуатацію та обслуговування великомасштабних оптичних мереж. Різні типи OXC демонструють суттєві відмінності в архітектурному проектуванні та функціональній реалізації.
На рисунку нижче ілюструється традиційна архітектура CDC-OXC (безбарвний безнаправлений оптичний крос-коннект), яка використовує перемикачі вибірки довжин хвиль (WSS). На стороні лінії WSS розміром 1 × N та N × 1 служать модулями входу/виходу, тоді як WSS розміром M × K на стороні додавання/видалення керують додаванням та падінням довжин хвиль. Ці модулі з'єднані між собою оптичними волокнами в об'єднувальній платі OXC.
Рисунок: Традиційна архітектура CDC-OXC
Цього також можна досягти, перетворивши об'єднувальну плату на мережу Spanke, що призведе до нашої архітектури Spanke-OXC.
Рисунок: Архітектура Spanke-OXC
На рисунку вище показано, що на стороні лінії OXC пов'язаний з двома типами портів: спрямованими портами та оптоволоконними портами. Кожен спрямований порт відповідає географічному напрямку OXC у топології мережі, тоді як кожен оптоволоконний порт представляє пару двонаправлених волокон у межах спрямованого порту. Спрямований порт містить кілька двонаправлених пар волокон (тобто кілька оптоволоконних портів).
Хоча OXC на базі Spanke забезпечує суворо неблокуючу комутацію завдяки повністю взаємопов'язаній конструкції об'єднувальної плати, його обмеження стають дедалі суттєвішими зі зростанням мережевого трафіку. Обмеження кількості портів комерційних селективних перемикачів довжин хвиль (WSS) (наприклад, поточний максимум підтримуваних портів становить 1×48, таких як FlexGrid Twin 1×48 від Finisar) означає, що розширення розміру OXC вимагає заміни всього обладнання, що є дорогим і запобігає повторному використанню існуючого обладнання.
Навіть з високовимірною архітектурою OXC, заснованою на мережах Clos, вона все ще залежить від дорогих мереж бездротового зв'язку (WSS) розміром M×N, що ускладнює виконання вимог щодо поступового оновлення.
Щоб вирішити цю проблему, дослідники запропонували нову гібридну архітектуру: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Завдяки інтеграції мікроелектромеханічних систем (MEMS) та WSS, ця архітектура підтримує майже неблокувальну продуктивність, одночасно підтримуючи можливості «плати за зростання», забезпечуючи економічно ефективний шлях оновлення для операторів оптичних мереж.
Основна конструкція HMWC-OXC полягає в її тришаровій структурі мережі Clos.
Рисунок: Архітектура Spanke-OXC на основі мереж HMWC
Високорозмірні оптичні перемикачі MEMS розгортаються на вхідному та вихідному рівнях, такі як масштаб 512×512, що підтримується сучасними технологіями, для формування пулу портів великої ємності. Середній рівень складається з кількох менших модулів Spanke-OXC, з'єднаних між собою через «T-порти» для зменшення внутрішнього перевантаження.
На початковому етапі оператори можуть будувати інфраструктуру на основі існуючого Spanke-OXC (наприклад, масштабу 4×4), просто розгортаючи MEMS-комутатори (наприклад, 32×32) на вхідному та вихідному рівнях, зберігаючи при цьому один модуль Spanke-OXC на середньому рівні (у цьому випадку кількість T-портів дорівнює нулю). Зі збільшенням вимог до пропускної здатності мережі нові модулі Spanke-OXC поступово додаються до середнього рівня, а T-порти налаштовуються для підключення модулів.
Наприклад, при збільшенні кількості модулів середнього шару з одного до двох, кількість Т-портів встановлюється на один, збільшуючи загальний розмір з чотирьох до шести.
Рисунок: Приклад HMWC-OXC
Цей процес відповідає обмеженню параметрів M > N × (S − T), де:
M – кількість портів MEMS,
N – кількість модулів проміжного шару,
S – кількість портів в одному Spanke-OXC, та
T – кількість взаємопов’язаних портів.
Динамічно налаштовуючи ці параметри, HMWC-OXC може підтримувати поступове розширення від початкового масштабу до цільового розміру (наприклад, 64×64) без заміни всіх апаратних ресурсів одночасно.
Щоб перевірити фактичну продуктивність цієї архітектури, дослідницька група провела симуляційні експерименти на основі запитів динамічного оптичного шляху.
Рисунок: Продуктивність блокування мережі HMWC
У моделюванні використовується модель трафіку Ерланга, припускаючи, що запити на обслуговування відповідають розподілу Пуассона, а час утримання обслуговування відповідає негативному експоненціальному розподілу. Загальне навантаження трафіку встановлено на 3100 Ерланґів. Цільовий розмір OXC становить 64×64, а масштаб MEMS вхідного та вихідного шарів також становить 64×64. Конфігурації модуля Spanke-OXC середнього шару включають специфікації 32×32 або 48×48. Кількість T-портів коливається від 0 до 16 залежно від вимог сценарію.
Результати показують, що у сценарії з напрямковим виміром D = 4 ймовірність блокування HMWC-OXC близька до ймовірності традиційного базового рівня Spanke-OXC (S(64,4)). Наприклад, при використанні конфігурації v(64,2,32,0,4) ймовірність блокування збільшується лише приблизно на 5% при помірному навантаженні. Коли напрямковий вимір збільшується до D = 8, ймовірність блокування зростає через «ефект магістралі» та зменшення довжини волокна в кожному напрямку. Однак цю проблему можна ефективно вирішити, збільшивши кількість T-портів (наприклад, конфігурація v(64,2,48,16,8)).
Примітно, що хоча додавання модулів середнього рівня може спричинити внутрішнє блокування через конкуренцію за T-порти, загальна архітектура все ще може досягти оптимізованої продуктивності завдяки відповідній конфігурації.
Аналіз витрат додатково підкреслює переваги HMWC-OXC, як показано на рисунку нижче.
Рисунок: Ймовірність блокування та вартість різних архітектур OXC
У сценаріях з високою щільністю з 80 довжинами хвиль/волокно, HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) може знизити витрати на 40% порівняно з традиційним Spanke-OXC. У сценаріях з низькою довжиною хвилі (наприклад, 50 довжин хвиль/волокно) перевага у вартості є ще більш значною через зменшену кількість необхідних T-портів (наприклад, v(64,2,36,4,64)).
Ця економічна вигода випливає з поєднання високої щільності портів MEMS-комутаторів та модульної стратегії розширення, яка не тільки дозволяє уникнути витрат на великомасштабну заміну WSS, але й зменшує додаткові витрати завдяки повторному використанню існуючих модулів Spanke-OXC. Результати моделювання також показують, що, регулюючи кількість модулів середнього шару та співвідношення T-портів, HMWC-OXC може гнучко балансувати продуктивність та вартість за різних конфігурацій довжин хвиль, пропускної здатності та напрямку, надаючи операторам можливості багатовимірної оптимізації.
Майбутні дослідження можуть глибше дослідити алгоритми динамічного розподілу T-портів для оптимізації використання внутрішніх ресурсів. Крім того, з розвитком виробничих процесів MEMS, інтеграція багатовимірних комутаторів ще більше підвищить масштабованість цієї архітектури. Для операторів оптичних мереж ця архітектура особливо підходить для сценаріїв з невизначеним зростанням трафіку, забезпечуючи практичне технічне рішення для побудови стійкої та масштабованої повністю оптичної магістральної мережі.
Час публікації: 21 серпня 2025 р.