OXC (optičko prospojno povezivanje) je razvijena verzija ROADM-a (rekonfigurabilnog optičkog multipleksera za dodavanje i ispuštanje).
Kao ključni komutacijski element optičkih mreža, skalabilnost i isplativost optičkih križnih spojeva (OXC) ne samo da određuju fleksibilnost mrežnih topologija, već i izravno utječu na troškove izgradnje, rada i održavanja velikih optičkih mreža. Različite vrste OXC-ova pokazuju značajne razlike u arhitektonskom dizajnu i funkcionalnoj implementaciji.
Donja slika prikazuje tradicionalnu CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) arhitekturu koja koristi sklopke za odabir valnih duljina (WSS). Na strani linije, 1 × N i N × 1 WSS-ovi služe kao ulazni/izlazni moduli, dok M × K WSS-ovi na strani dodavanja/ispuštanja upravljaju dodavanjem i ispuštanjem valnih duljina. Ovi moduli su međusobno povezani optičkim vlaknima unutar OXC stražnje ploče.
Slika: Tradicionalna CDC-OXC arhitektura
To se također može postići pretvaranjem stražnje ploče u Spanke mrežu, što rezultira našom Spanke-OXC arhitekturom.
Slika: Spanke-OXC arhitektura
Gornja slika pokazuje da je na strani linije OXC povezan s dvije vrste portova: usmjerenim portovima i optičkim portovima. Svaki usmjereni port odgovara geografskom smjeru OXC-a u topologiji mreže, dok svaki optički port predstavlja par dvosmjernih vlakana unutar usmjerenog porta. Smjerni port sadrži više dvosmjernih parova vlakana (tj. više optičkih portova).
Iako OXC temeljen na Spankeu postiže strogo neblokirajuće preključivanje putem potpuno međusobno povezanog dizajna stražnje ploče, njegova ograničenja postaju sve značajnija kako mrežni promet raste. Ograničenje broja portova komercijalnih preklopnika za odabir valnih duljina (WSS) (na primjer, trenutni maksimum podržanih portova je 1×48, kao što je Finisarov FlexGrid Twin 1×48) znači da proširenje OXC dimenzije zahtijeva zamjenu cjelokupnog hardvera, što je skupo i sprječava ponovnu upotrebu postojeće opreme.
Čak i s visokodimenzionalnom OXC arhitekturom temeljenom na Clos mrežama, ona se i dalje oslanja na skupe M×N WSS-ove, što otežava ispunjavanje zahtjeva za postupnom nadogradnjom.
Kako bi se riješio ovaj izazov, istraživači su predložili novu hibridnu arhitekturu: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Integracijom mikroelektromehaničkih sustava (MEMS) i WSS-a, ova arhitektura održava gotovo neblokirajuće performanse, a istovremeno podržava mogućnosti "plaćanja prema rastu", pružajući isplativ put nadogradnje za operatore optičkih mreža.
Osnovni dizajn HMWC-OXC-a leži u njegovoj troslojnoj Clos mrežnoj strukturi.
Slika: Spanke-OXC arhitektura temeljena na HMWC mrežama
Visokodimenzionalni MEMS optički prekidači raspoređeni su na ulaznim i izlaznim slojevima, poput skale 512×512 koju trenutno podržava trenutna tehnologija, kako bi se formirao skup portova velikog kapaciteta. Srednji sloj sastoji se od više manjih Spanke-OXC modula, međusobno povezanih putem "T-portova" radi ublažavanja unutarnjeg zagušenja.
U početnoj fazi, operateri mogu izgraditi infrastrukturu na temelju postojećeg Spanke-OXC-a (npr. skala 4×4), jednostavnim postavljanjem MEMS prekidača (npr. 32×32) na ulazni i izlazni sloj, a zadržavanjem jednog Spanke-OXC modula u srednjem sloju (u ovom slučaju, broj T-portova je nula). Kako se zahtjevi za kapacitetom mreže povećavaju, novi Spanke-OXC moduli postupno se dodaju srednjem sloju, a T-portovi se konfiguriraju za spajanje modula.
Na primjer, prilikom povećanja broja modula srednjeg sloja s jednog na dva, broj T-portova postavlja se na jedan, povećavajući ukupnu dimenziju s četiri na šest.
Slika: Primjer HMWC-OXC
Ovaj proces slijedi ograničenje parametara M > N × (S − T), gdje je:
M je broj MEMS portova,
N je broj modula međusloja,
S je broj portova u jednom Spanke-OXC-u, i
T je broj međusobno povezanih portova.
Dinamičkim podešavanjem ovih parametara, HMWC-OXC može podržati postupno širenje od početne skale do ciljne dimenzije (npr. 64×64) bez zamjene svih hardverskih resursa odjednom.
Kako bi provjerili stvarne performanse ove arhitekture, istraživački tim proveo je simulacijske eksperimente temeljene na zahtjevima dinamičkih optičkih putanja.
Slika: Performanse blokiranja HMWC mreže
Simulacija koristi Erlangov model prometa, pretpostavljajući da zahtjevi za uslugom slijede Poissonovu distribuciju, a vremena zadržavanja usluge negativnu eksponencijalnu distribuciju. Ukupno prometno opterećenje postavljeno je na 3100 Erlanga. Ciljana OXC dimenzija je 64×64, a skala ulaznog i izlaznog sloja MEMS-a je također 64×64. Konfiguracije Spanke-OXC modula srednjeg sloja uključuju specifikacije 32×32 ili 48×48. Broj T-portova kreće se od 0 do 16 ovisno o zahtjevima scenarija.
Rezultati pokazuju da je u scenariju s usmjerenom dimenzijom D = 4 vjerojatnost blokiranja HMWC-OXC-a bliska onoj tradicionalne Spanke-OXC osnovne linije (S(64,4)). Na primjer, korištenjem konfiguracije v(64,2,32,0,4), vjerojatnost blokiranja povećava se za samo približno 5% pod umjerenim opterećenjem. Kada se usmjerena dimenzija poveća na D = 8, vjerojatnost blokiranja povećava se zbog "efekta debla" i smanjenja duljine vlakana u svakom smjeru. Međutim, ovaj se problem može učinkovito ublažiti povećanjem broja T-portova (na primjer, konfiguracija v(64,2,48,16,8)).
Važno je napomenuti da, iako dodavanje modula srednjeg sloja može uzrokovati unutarnje blokiranje zbog natjecanja T-portova, cjelokupna arhitektura i dalje može postići optimizirane performanse odgovarajućom konfiguracijom.
Analiza troškova dodatno ističe prednosti HMWC-OXC-a, kao što je prikazano na donjoj slici.
Slika: Vjerojatnost blokiranja i trošak različitih OXC arhitektura
U scenarijima visoke gustoće s 80 valnih duljina/vlaknu, HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) može smanjiti troškove za 40% u usporedbi s tradicionalnim Spanke-OXC-om. U scenarijima niskih valnih duljina (npr. 50 valnih duljina/vlaknu), prednost u troškovima je još značajnija zbog smanjenog broja potrebnih T-portova (npr. v(64,2,36,4,64)).
Ova ekonomska korist proizlazi iz kombinacije visoke gustoće portova MEMS preklopnika i modularne strategije proširenja, koja ne samo da izbjegava troškove zamjene velikih WSS-ova, već i smanjuje dodatne troškove ponovnom upotrebom postojećih Spanke-OXC modula. Rezultati simulacije također pokazuju da podešavanjem broja modula srednjeg sloja i omjera T-portova, HMWC-OXC može fleksibilno uravnotežiti performanse i troškove pod različitim konfiguracijama kapaciteta i smjera valnih duljina, pružajući operaterima višedimenzionalne mogućnosti optimizacije.
Buduća istraživanja mogu dodatno istražiti algoritme dinamičke alokacije T-portova kako bi se optimiziralo korištenje internih resursa. Nadalje, s napretkom u proizvodnim procesima MEMS-a, integracija višedimenzionalnih preklopnika dodatno će poboljšati skalabilnost ove arhitekture. Za operatore optičkih mreža, ova arhitektura je posebno prikladna za scenarije s neizvjesnim rastom prometa, pružajući praktično tehničko rješenje za izgradnju otporne i skalabilne potpuno optičke okosnice mreže.
Vrijeme objave: 21. kolovoza 2025.