OXC (оптичко вкрстено поврзување) е еволуирана верзија на ROADM (реконфигурабилен оптички мултиплексер за додавање и пуштање).
Како основен елемент за префрлување на оптичките мрежи, скалабилноста и економичноста на оптичките вкрстени поврзувања (OXC) не само што ја одредуваат флексибилноста на мрежните топологии, туку и директно влијаат врз трошоците за изградба, работење и одржување на големи оптички мрежи. Различните типови на OXC покажуваат значителни разлики во архитектонскиот дизајн и функционалната имплементација.
Сликата подолу илустрира традиционална CDC-OXC (безбојна, безнасочна, безконтензивна, оптичка вкрстена врска) архитектура, која користи прекинувачи за селективна бранова должина (WSS). На линиската страна, 1 × N и N × 1 WSS служат како модули за влез/излез, додека M × K WSS на страната за додавање/отпуштање управуваат со додавањето и отпуштањето на бранови должини. Овие модули се меѓусебно поврзани преку оптички влакна во рамките на задната рамнина OXC.
Слика: Традиционална CDC-OXC архитектура
Ова може да се постигне и со конвертирање на задната плоча во Spanke мрежа, што резултира со нашата Spanke-OXC архитектура.
Слика: Spanke-OXC архитектура
Горенаведената слика покажува дека на линиската страна, OXC е поврзан со два вида порти: насочени порти и оптички порти. Секој насочен порт одговара на географската насока на OXC во мрежната топологија, додека секој оптички порт претставува пар двонасочни влакна во рамките на насочениот порт. Насочниот порт содржи повеќе двонасочни парови влакна (т.е. повеќе оптички порти).
Иако OXC базираниот на Spanke постигнува строго неблокирачки комутатор преку целосно меѓусебно поврзан дизајн на задна плоча, неговите ограничувања стануваат сè позначајни со зголемувањето на мрежниот сообраќај. Ограничувањето на бројот на порти на комерцијалните прекинувачи за селективна бранова должина (WSS) (на пример, моментално поддржаниот максимум е 1×48 порти, како што се FlexGrid Twin 1×48 на Finisar) значи дека проширувањето на димензијата OXC бара замена на целиот хардвер, што е скапо и спречува повторна употреба на постоечката опрема.
Дури и со високодимензионална OXC архитектура базирана на Clos мрежи, таа сè уште се потпира на скапи M×N WSS-системи, што го отежнува исполнувањето на барањата за инкрементално надградување.
За да се справат со овој предизвик, истражувачите предложија нова хибридна архитектура: HMWC-OXC (Хибридна MEMS и WSS Clos Network). Со интегрирање на микроелектромеханички системи (MEMS) и WSS, оваа архитектура одржува перформанси речиси без блокирање, а воедно поддржува можности „плаќај како што растеш“, обезбедувајќи економичен пат за надградба за операторите на оптички мрежи.
Основниот дизајн на HMWC-OXC лежи во неговата трислојна Clos мрежна структура.
Слика: Spanke-OXC архитектура базирана на HMWC мрежи
Високодимензионалните MEMS оптички прекинувачи се распоредени на влезните и излезните слоеви, како што е скалата 512×512 што моментално ја поддржува моменталната технологија, за да формираат голем капацитет на портови. Средниот слој се состои од повеќе помали Spanke-OXC модули, меѓусебно поврзани преку „Т-порти“ за ублажување на внатрешното застојување.
Во почетната фаза, операторите можат да ја изградат инфраструктурата врз основа на постоечкиот Spanke-OXC (на пр., скала 4×4), едноставно распоредувајќи MEMS прекинувачи (на пр., 32×32) на влезните и излезните слоеви, додека задржуваат еден Spanke-OXC модул во средниот слој (во овој случај, бројот на T-порти е нула). Како што се зголемуваат барањата за мрежен капацитет, постепено се додаваат нови Spanke-OXC модули во средниот слој, а T-портите се конфигурираат за поврзување на модулите.
На пример, при проширување на бројот на модули од средниот слој од еден на два, бројот на Т-порти е поставен на еден, зголемувајќи ја вкупната димензија од четири на шест.
Слика: Пример за HMWC-OXC
Овој процес го следи ограничувањето на параметарот M > N × (S − T), каде што:
M е бројот на MEMS порти,
N е бројот на модули на средниот слој,
S е бројот на порти во еден Spanke-OXC, и
T е бројот на меѓусебно поврзани порти.
Со динамичко прилагодување на овие параметри, HMWC-OXC може да поддржи постепено проширување од почетна скала до целна димензија (на пр., 64×64) без да ги замени сите хардверски ресурси одеднаш.
За да се потврдат вистинските перформанси на оваа архитектура, истражувачкиот тим спроведе симулациски експерименти врз основа на барања за динамички оптички патеки.
Слика: Блокирачки перформанси на мрежата HMWC
Симулацијата користи Erlang сообраќаен модел, претпоставувајќи дека барањата за услуги следат Пуасонова распределба, а времето на задржување на услугите следи негативна експоненцијална распределба. Вкупното оптоварување на сообраќајот е поставено на 3100 Erlangs. Целната OXC димензија е 64×64, а скалата на MEMS на влезниот и излезниот слој е исто така 64×64. Конфигурациите на модулот Spanke-OXC на средниот слој вклучуваат спецификации од 32×32 или 48×48. Бројот на T-порти се движи од 0 до 16 во зависност од барањата на сценариото.
Резултатите покажуваат дека, во сценариото со димензија на насока од D = 4, веројатноста за блокирање на HMWC-OXC е блиску до онаа на традиционалната Spanke-OXC основна линија (S(64,4)). На пример, користејќи ја конфигурацијата v(64,2,32,0,4), веројатноста за блокирање се зголемува само за приближно 5% под умерено оптоварување. Кога димензијата на насоката се зголемува на D = 8, веројатноста за блокирање се зголемува поради „ефектот на трупот“ и намалувањето на должината на влакното во секоја насока. Сепак, овој проблем може ефикасно да се ублажи со зголемување на бројот на Т-порти (на пример, конфигурацијата v(64,2,48,16,8)).
Имено, иако додавањето на модули од средниот слој може да предизвика внатрешно блокирање поради несогласување на T-портот, целокупната архитектура сè уште може да постигне оптимизирани перформанси преку соодветна конфигурација.
Анализата на трошоците дополнително ги истакнува предностите на HMWC-OXC, како што е прикажано на сликата подолу.
Слика: Веројатност за блокирање и цена на различни OXC архитектури
Во сценарија со висока густина со 80 бранови должини/оптички кабел, HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) може да ги намали трошоците за 40% во споредба со традиционалниот Spanke-OXC. Во сценарија со ниска бранова должина (на пр., 50 бранови должини/оптички кабел), предноста во трошоците е уште позначајна поради намалениот број на потребни Т-порти (на пр., v(64,2,36,4,64)).
Оваа економска придобивка произлегува од комбинацијата на високата густина на порти на MEMS прекинувачите и стратегијата за модуларна експанзија, која не само што ги избегнува трошоците за голема замена на WSS, туку и ги намалува дополнителните трошоци со повторна употреба на постојните Spanke-OXC модули. Резултатите од симулацијата, исто така, покажуваат дека со прилагодување на бројот на модули од среден слој и односот на T-порти, HMWC-OXC може флексибилно да ги балансира перформансите и трошоците под различни конфигурации на капацитет на бранова должина и насока, обезбедувајќи им на операторите можности за повеќедимензионална оптимизација.
Идните истражувања можат дополнително да ги истражат алгоритмите за динамичка распределба на T-порти за да се оптимизира искористувањето на внатрешните ресурси. Понатаму, со напредокот во процесите на производство на MEMS, интеграцијата на прекинувачи со повисоки димензии дополнително ќе ја подобри скалабилноста на оваа архитектура. За операторите на оптички мрежи, оваа архитектура е особено погодна за сценарија со неизвесен раст на сообраќајот, обезбедувајќи практично техничко решение за градење на отпорна и скалабилна целосно оптичка мрежа.
Време на објавување: 21 август 2025 година