OXC (optisk krysskobling) er en videreutviklet versjon av ROADM (rekonfigurerbar optisk tilleggs- og slippmultiplekser).
Som det sentrale svitsjeelementet i optiske nettverk, bestemmer skalerbarheten og kostnadseffektiviteten til optiske krysskoblinger (OXC-er) ikke bare fleksibiliteten til nettverkstopologier, men påvirker også direkte konstruksjons-, drifts- og vedlikeholdskostnadene for store optiske nettverk. Ulike typer OXC-er viser betydelige forskjeller i arkitektonisk design og funksjonell implementering.
Figuren nedenfor illustrerer en tradisjonell CDC-OXC-arkitektur (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect), som bruker bølgelengdeselektive svitsjer (WSS-er). På linjesiden fungerer 1 × N og N × 1 WSS-er som inn-/utgangsmoduler, mens M × K WSS-er på tilleggs-/slippsiden administrerer tillegg og slipp av bølgelengder. Disse modulene er sammenkoblet via optiske fibre i OXC-bakplanet.
Figur: Tradisjonell CDC-OXC-arkitektur
Dette kan også oppnås ved å konvertere bakplanet til et Spanke-nettverk, noe som resulterer i vår Spanke-OXC-arkitektur.
Figur: Spanke-OXC-arkitektur
Figuren ovenfor viser at OXC på linjesiden er assosiert med to typer porter: retningsbestemte porter og fiberporter. Hver retningsbestemte port tilsvarer den geografiske retningen til OXC i nettverkstopologien, mens hver fiberport representerer et par toveis fibre innenfor den retningsbestemte porten. En retningsbestemt port inneholder flere toveis fiberpar (dvs. flere fiberporter).
Selv om den Spanke-baserte OXC-en oppnår strengt ikke-blokkerende svitsjing gjennom et fullstendig sammenkoblet bakplandesign, blir begrensningene stadig mer betydelige etter hvert som nettverkstrafikken øker. Portantallgrensen for kommersielle bølgelengdeselektive svitsjer (WSS-er) (for eksempel er det nåværende maksimale støttede 1×48 porter, som Finisars FlexGrid Twin 1×48) betyr at utvidelse av OXC-dimensjonen krever utskifting av all maskinvare, noe som er kostbart og forhindrer gjenbruk av eksisterende utstyr.
Selv med en høydimensjonal OXC-arkitektur basert på Clos-nettverk, er den fortsatt avhengig av dyre M×N WSS-er, noe som gjør det vanskelig å oppfylle krav til trinnvise oppgraderinger.
For å møte denne utfordringen har forskere foreslått en ny hybridarkitektur: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Ved å integrere mikroelektromekaniske systemer (MEMS) og WSS, opprettholder denne arkitekturen nesten ikke-blokkerende ytelse samtidig som den støtter «betal-etter-voksing»-funksjoner, noe som gir en kostnadseffektiv oppgraderingsvei for optiske nettverksoperatører.
Kjernedesignet til HMWC-OXC ligger i dens trelags Clos-nettverksstruktur.
Figur: Spanke-OXC-arkitektur basert på HMWC-nettverk
Høydimensjonale optiske MEMS-svitsjer er distribuert på inngangs- og utgangslagene, slik som 512×512-skalaen som støttes av dagens teknologi, for å danne et portbasseng med stor kapasitet. Mellomlaget består av flere mindre Spanke-OXC-moduler, sammenkoblet via "T-porter" for å redusere intern overbelastning.
I den innledende fasen kan operatører bygge infrastrukturen basert på eksisterende Spanke-OXC (f.eks. 4×4-skala), ganske enkelt ved å distribuere MEMS-svitsjer (f.eks. 32×32) på inngangs- og utgangslagene, samtidig som de beholder én Spanke-OXC-modul i mellomlaget (i dette tilfellet er antallet T-porter null). Etter hvert som nettverkskapasitetskravene øker, legges nye Spanke-OXC-moduler gradvis til i mellomlaget, og T-porter konfigureres for å koble til modulene.
Når man for eksempel utvider antallet mellomlagsmoduler fra én til to, settes antallet T-porter til én, noe som øker den totale dimensjonen fra fire til seks.
Figur: HMWC-OXC-eksempel
Denne prosessen følger parameterbegrensningen M > N × (S − T), hvor:
M er antallet MEMS-porter,
N er antallet mellomlagsmoduler,
S er antall porter i en enkelt Spanke-OXC, og
T er antallet sammenkoblede porter.
Ved å justere disse parameterne dynamisk, kan HMWC-OXC støtte gradvis utvidelse fra en initial skala til en måldimensjon (f.eks. 64×64) uten å erstatte alle maskinvareressursene samtidig.
For å verifisere den faktiske ytelsen til denne arkitekturen, utførte forskerteamet simuleringseksperimenter basert på dynamiske optiske baneforespørsler.
Figur: Blokkerende ytelse for HMWC-nettverket
Simuleringen bruker en Erlang-trafikkmodell, forutsatt at tjenesteforespørsler følger en Poisson-fordeling og at tjenesteholdtider følger en negativ eksponensiell fordeling. Den totale trafikkbelastningen er satt til 3100 Erlangs. Målet for OXC er 64×64, og MEMS-skalaen for inngangs- og utgangslaget er også 64×64. Konfigurasjonene av Spanke-OXC-modulen i mellomlaget inkluderer spesifikasjoner på 32×32 eller 48×48. Antall T-porter varierer fra 0 til 16, avhengig av scenariokravene.
Resultatene viser at i scenariet med en retningsbestemt dimensjon på D = 4, er blokkeringssannsynligheten for HMWC-OXC nær den for den tradisjonelle Spanke-OXC-grunnlinjen (S(64,4)). For eksempel, ved bruk av v(64,2,32,0,4)-konfigurasjonen, øker blokkeringssannsynligheten med bare omtrent 5 % under moderat belastning. Når den retningsbestemte dimensjonen øker til D = 8, øker blokkeringssannsynligheten på grunn av "trunk-effekten" og reduksjonen i fiberlengde i hver retning. Dette problemet kan imidlertid effektivt lindres ved å øke antallet T-porter (for eksempel v(64,2,48,16,8)-konfigurasjonen).
Det er verdt å merke seg at selv om tillegg av mellomlagsmoduler kan forårsake intern blokkering på grunn av T-portkonflikt, kan den overordnede arkitekturen fortsatt oppnå optimalisert ytelse gjennom passende konfigurasjon.
En kostnadsanalyse fremhever ytterligere fordelene med HMWC-OXC, som vist i figuren nedenfor.
Figur: Blokkeringssannsynlighet og kostnad for forskjellige OXC-arkitekturer
I scenarier med høy tetthet og 80 bølgelengder/fiber kan HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) redusere kostnadene med 40 % sammenlignet med tradisjonell Spanke-OXC. I scenarier med lav bølgelengde (f.eks. 50 bølgelengder/fiber) er kostnadsfordelen enda større på grunn av det reduserte antallet nødvendige T-porter (f.eks. v(64,2,36,4,64)).
Denne økonomiske fordelen stammer fra kombinasjonen av den høye porttettheten til MEMS-svitsjer og en modulær utvidelsesstrategi, som ikke bare unngår utgiftene til storskala WSS-utskifting, men også reduserer inkrementelle kostnader ved å gjenbruke eksisterende Spanke-OXC-moduler. Simuleringsresultater viser også at ved å justere antallet mellomlagsmoduler og forholdet mellom T-porter, kan HMWC-OXC fleksibelt balansere ytelse og kostnader under forskjellige bølgelengdekapasitets- og retningskonfigurasjoner, noe som gir operatører flerdimensjonale optimaliseringsmuligheter.
Fremtidig forskning kan utforske dynamiske T-portallokeringsalgoritmer for å optimalisere intern ressursutnyttelse. Videre, med fremskritt innen MEMS-produksjonsprosesser, vil integreringen av høyere dimensjonale svitsjer ytterligere forbedre skalerbarheten til denne arkitekturen. For optiske nettverksoperatører er denne arkitekturen spesielt egnet for scenarier med usikker trafikkvekst, og gir en praktisk teknisk løsning for å bygge et robust og skalerbart heloptisk ryggradsnettverk.
Publisert: 21. august 2025