OXC (оптично крос-конектиране) е усъвършенствана версия на ROADM (реконфигурируем оптичен мултиплексор за добавяне и отпадане).
Като основен комутационен елемент на оптичните мрежи, мащабируемостта и рентабилността на оптичните крос-конекти (OXC) не само определят гъвкавостта на мрежовите топологии, но и пряко влияят върху разходите за изграждане, експлоатация и поддръжка на големи оптични мрежи. Различните видове OXC показват значителни разлики в архитектурния дизайн и функционалното изпълнение.
Фигурата по-долу илюстрира традиционна CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) архитектура, която използва превключватели за селекция на дължина на вълната (WSS). От страната на линията, 1 × N и N × 1 WSS служат като входни/изходни модули, докато M × K WSS от страната на добавяне/отпадане управляват добавянето и отпадането на дължини на вълната. Тези модули са свързани помежду си чрез оптични влакна в задната платка на OXC.
Фигура: Традиционна CDC-OXC архитектура
Това може да се постигне и чрез преобразуване на задната платка в мрежа Spanke, което води до нашата архитектура Spanke-OXC.
Фигура: Архитектура на Spanke-OXC
Фигурата по-горе показва, че от страната на линията, OXC е свързан с два вида портове: насочени портове и оптични портове. Всеки насочен порт съответства на географската посока на OXC в мрежовата топология, докато всеки оптичен порт представлява двойка двупосочни влакна в насочения порт. Един насочен порт съдържа множество двупосочни двойки влакна (т.е. множество оптични портове).
Въпреки че OXC, базиран на Spanke, постига строго неблокиращо превключване чрез напълно взаимосвързан дизайн на задната платка, неговите ограничения стават все по-значителни с нарастването на мрежовия трафик. Ограничението на броя портове на търговските селективни превключватели за дължина на вълната (WSS) (например, текущият поддържан максимум е 1×48 порта, като например FlexGrid Twin 1×48 на Finisar) означава, че разширяването на измерението на OXC изисква подмяна на целия хардуер, което е скъпо и предотвратява повторната употреба на съществуващо оборудване.
Дори с високоразмерна OXC архитектура, базирана на Clos мрежи, тя все още разчита на скъпи M×N WSS, което затруднява посрещането на изискванията за постепенно надграждане.
За да се справят с това предизвикателство, изследователите са предложили нова хибридна архитектура: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Чрез интегриране на микроелектромеханични системи (MEMS) и WSS, тази архитектура поддържа почти неблокираща производителност, като същевременно поддържа възможности за „плащане според растежа“, осигурявайки рентабилен път за надграждане за операторите на оптични мрежи.
Основният дизайн на HMWC-OXC се крие в неговата трислойна Clos мрежова структура.
Фигура: Архитектура на Spanke-OXC, базирана на HMWC мрежи
Високоразмерни MEMS оптични превключватели са разположени на входния и изходния слой, като например мащабът 512×512, поддържан в момента от съвременните технологии, за да образуват пул от портове с голям капацитет. Средният слой се състои от множество по-малки Spanke-OXC модули, свързани помежду си чрез „T-портове“, за да се облекчи вътрешното претоварване.
В началната фаза операторите могат да изградят инфраструктурата, базирана на съществуващи Spanke-OXC (например, мащаб 4×4), като просто разположат MEMS комутатори (например 32×32) на входния и изходния слой, като същевременно запазят един Spanke-OXC модул в средния слой (в този случай броят на T-портовете е нула). С увеличаването на изискванията за мрежов капацитет, нови Spanke-OXC модули постепенно се добавят към средния слой и T-портовете се конфигурират за свързване на модулите.
Например, когато броят на модулите на средния слой се увеличава от един на два, броят на Т-портовете се задава на един, увеличавайки общия размер от четири на шест.
Фигура: Пример за HMWC-OXC
Този процес следва ограничението на параметрите M > N × (S − T), където:
M е броят на MEMS портовете,
N е броят на модулите на междинния слой,
S е броят на портовете в един Spanke-OXC, и
T е броят на взаимосвързаните портове.
Чрез динамично настройване на тези параметри, HMWC-OXC може да поддържа постепенно разширяване от начален мащаб до целево измерение (например 64×64), без да се заменят всички хардуерни ресурси наведнъж.
За да проверят действителната производителност на тази архитектура, изследователският екип проведе симулационни експерименти, базирани на заявки за динамични оптични пътища.
Фигура: Блокираща производителност на мрежата HMWC
Симулацията използва Erlang модел на трафик, приемайки, че заявките за услуги следват разпределение на Поасон, а времената за задържане на услугите следват отрицателно експоненциално разпределение. Общото натоварване на трафика е зададено на 3100 Erlang-а. Целевият OXC размер е 64×64, а мащабът на входния и изходния слой MEMS също е 64×64. Конфигурациите на Spanke-OXC модула на средния слой включват спецификации 32×32 или 48×48. Броят на T-портовете варира от 0 до 16 в зависимост от изискванията на сценария.
Резултатите показват, че в сценарий с насочен размер D = 4, вероятността за блокиране на HMWC-OXC е близка до тази на традиционната базова линия на Spanke-OXC (S(64,4)). Например, използвайки конфигурацията v(64,2,32,0,4), вероятността за блокиране се увеличава само с приблизително 5% при умерено натоварване. Когато насоченият размер се увеличи до D = 8, вероятността за блокиране се увеличава поради „ефекта на ствола“ и намаляването на дължината на влакното във всяка посока. Този проблем обаче може да бъде ефективно облекчен чрез увеличаване на броя на T-портовете (например, конфигурацията v(64,2,48,16,8)).
Трябва да се отбележи, че въпреки че добавянето на модули от средния слой може да причини вътрешно блокиране поради конкуренция за T-портове, цялостната архитектура все още може да постигне оптимизирана производителност чрез подходяща конфигурация.
Анализът на разходите допълнително подчертава предимствата на HMWC-OXC, както е показано на фигурата по-долу.
Фигура: Вероятност за блокиране и цена на различни OXC архитектури
В сценарии с висока плътност с 80 дължини на вълната/оптично влакно, HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) може да намали разходите с 40% в сравнение с традиционния Spanke-OXC. В сценарии с ниска дължина на вълната (напр. 50 дължини на вълната/оптично влакно), предимството в цената е още по-значително поради намаления брой необходими T-портове (напр. v(64,2,36,4,64)).
Тази икономическа полза произтича от комбинацията от високата плътност на портовете на MEMS комутаторите и модулната стратегия за разширяване, която не само избягва разходите за мащабна подмяна на WSS, но и намалява допълнителните разходи чрез повторно използване на съществуващите модули Spanke-OXC. Резултатите от симулацията показват също, че чрез регулиране на броя на модулите в средния слой и съотношението на T-портовете, HMWC-OXC може гъвкаво да балансира производителността и разходите при различни конфигурации на капацитета на дължината на вълната и посоката, предоставяйки на операторите възможности за многоизмерна оптимизация.
Бъдещите изследвания могат да проучат допълнително алгоритмите за динамично разпределение на T-портове, за да се оптимизира използването на вътрешни ресурси. Освен това, с напредъка в производствените процеси на MEMS, интегрирането на по-високоразмерни комутатори ще подобри допълнително мащабируемостта на тази архитектура. За операторите на оптични мрежи тази архитектура е особено подходяща за сценарии с несигурен растеж на трафика, предоставяйки практично техническо решение за изграждане на устойчива и мащабируема изцяло оптична опорна мрежа.
Време на публикуване: 21 август 2025 г.