OXC (optické prepojenie) je vyvinutá verzia ROADM (rekonfigurovateľný optický multiplexor s pridávaním a odoberaním).
Škálovateľnosť a nákladová efektívnosť optických prepojení (OXC) ako základného prepínacieho prvku optických sietí nielenže určujú flexibilitu sieťových topológií, ale priamo ovplyvňujú aj náklady na výstavbu, prevádzku a údržbu rozsiahlych optických sietí. Rôzne typy OXC vykazujú významné rozdiely v architektonickom návrhu a funkčnej implementácii.
Obrázok nižšie znázorňuje tradičnú architektúru CDC-OXC (bezfarebné smerové bezkonkurenčné optické prepojenie), ktorá využíva prepínače vlnovej dĺžky (WSS). Na strane linky slúžia prepínače WSS s rozmermi 1 × N a N × 1 ako vstupné/výstupné moduly, zatiaľ čo prepínače WSS s rozmermi M × K na strane pridávania/odstraňovania riadia pridávanie a odstraňovanie vlnových dĺžok. Tieto moduly sú prepojené optickými vláknami v rámci základnej dosky OXC.
Obrázok: Tradičná architektúra CDC-OXC
To sa dá dosiahnuť aj konverziou backplane na sieť Spanke, čoho výsledkom je naša architektúra Spanke-OXC.
Obrázok: Architektúra Spanke-OXC
Obrázok vyššie ukazuje, že na strane linky je OXC spojený s dvoma typmi portov: smerovými portami a optickými portami. Každý smerový port zodpovedá geografickému smeru OXC v topológii siete, pričom každý optický port predstavuje pár obojsmerných vlákien v rámci smerového portu. Smerový port obsahuje viacero obojsmerných párov vlákien (t. j. viacero optických portov).
Hoci OXC založený na Spanke dosahuje striktne neblokujúce prepínanie prostredníctvom plne prepojenej konštrukcie backplane, jeho obmedzenia sa stávajú čoraz významnejšími s nárastom sieťovej prevádzky. Limit počtu portov komerčných prepínačov selektívnej vlnovej dĺžky (WSS) (napríklad súčasný maximálny podporovaný počet je 1×48 portov, ako napríklad Finisar FlexGrid Twin 1×48) znamená, že rozšírenie dimenzie OXC si vyžaduje výmenu všetkého hardvéru, čo je nákladné a bráni opätovnému použitiu existujúceho zariadenia.
Aj s vysokorozmernou architektúrou OXC založenou na sieťach Clos sa stále spolieha na drahé siete WSS typu M×N, čo sťažuje splnenie požiadaviek na postupnú aktualizáciu.
Na riešenie tejto výzvy výskumníci navrhli novú hybridnú architektúru: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Integráciou mikroelektromechanických systémov (MEMS) a WSS si táto architektúra zachováva takmer neblokujúci výkon a zároveň podporuje funkcie „plať podľa rastu“, čím poskytuje prevádzkovateľom optických sietí nákladovo efektívnu cestu k modernizácii.
Základný dizajn HMWC-OXC spočíva v jeho trojvrstvovej štruktúre siete Clos.
Obrázok: Architektúra Spanke-OXC založená na sieťach HMWC
Na vstupnej a výstupnej vrstve sú nasadené vysokorozmerné optické prepínače MEMS, ako napríklad mierka 512 × 512, ktorú v súčasnosti podporuje súčasná technológia, aby vytvorili veľkokapacitný portový fond. Stredná vrstva pozostáva z viacerých menších modulov Spanke-OXC, ktoré sú prepojené prostredníctvom „T-portov“, aby sa zmiernilo vnútorné preťaženie.
V počiatočnej fáze môžu operátori vybudovať infraštruktúru na základe existujúceho Spanke-OXC (napr. v mierke 4×4) jednoduchým nasadením MEMS prepínačov (napr. 32×32) na vstupnej a výstupnej vrstve, pričom v strednej vrstve ponechajú jeden modul Spanke-OXC (v tomto prípade je počet T-portov nulový). S rastúcimi požiadavkami na kapacitu siete sa do strednej vrstvy postupne pridávajú nové moduly Spanke-OXC a T-porty sa konfigurujú na pripojenie modulov.
Napríklad pri zväčšení počtu modulov strednej vrstvy z jedného na dva sa počet T-portov nastaví na jeden, čím sa celkový rozmer zvýši zo štyroch na šesť.
Obrázok: Príklad HMWC-OXC
Tento proces sa riadi obmedzením parametrov M > N × (S − T), kde:
M je počet MEMS portov,
N je počet modulov medzivrstvy,
S je počet portov v jednom Spanke-OXC a
T je počet prepojených portov.
Dynamickým nastavením týchto parametrov dokáže HMWC-OXC podporovať postupné rozširovanie z počiatočnej mierky na cieľový rozmer (napr. 64×64) bez toho, aby bolo potrebné naraz nahradiť všetky hardvérové zdroje.
Na overenie skutočného výkonu tejto architektúry výskumný tím vykonal simulačné experimenty založené na požiadavkách na dynamickú optickú cestu.
Obrázok: Blokovací výkon siete HMWC
Simulácia využíva Erlangov model prevádzky za predpokladu, že požiadavky na služby sa riadia Poissonovým rozdelením a časy udržania služby sa riadia negatívnym exponenciálnym rozdelením. Celkové zaťaženie prevádzky je nastavené na 3100 Erlangov. Cieľový rozmer OXC je 64×64 a mierka vstupnej a výstupnej vrstvy MEMS je tiež 64×64. Konfigurácie modulov Spanke-OXC strednej vrstvy zahŕňajú špecifikácie 32×32 alebo 48×48. Počet T-portov sa pohybuje od 0 do 16 v závislosti od požiadaviek scenára.
Výsledky ukazujú, že v scenári so smerovým rozmerom D = 4 je pravdepodobnosť blokovania HMWC-OXC blízka pravdepodobnosti blokovania tradičnej základnej línie Spanke-OXC (S(64,4)). Napríklad pri použití konfigurácie v(64,2,32,0,4) sa pravdepodobnosť blokovania pri miernom zaťažení zvyšuje iba približne o 5 %. Keď sa smerový rozmer zvýši na D = 8, pravdepodobnosť blokovania sa zvyšuje v dôsledku „efektu kmeňa“ a zmenšenia dĺžky vlákna v každom smere. Tento problém sa však dá účinne zmierniť zvýšením počtu T-portov (napríklad konfigurácia v(64,2,48,16,8)).
Je pozoruhodné, že hoci pridanie modulov strednej vrstvy môže spôsobiť vnútorné blokovanie v dôsledku súperenia o T-porty, celková architektúra môže stále dosiahnuť optimalizovaný výkon prostredníctvom vhodnej konfigurácie.
Analýza nákladov ďalej zdôrazňuje výhody HMWC-OXC, ako je znázornené na obrázku nižšie.
Obrázok: Pravdepodobnosť blokovania a náklady rôznych architektúr OXC
V scenároch s vysokou hustotou s 80 vlnovými dĺžkami/vlákno môže HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) znížiť náklady o 40 % v porovnaní s tradičným Spanke-OXC. V scenároch s nízkou vlnovou dĺžkou (napr. 50 vlnových dĺžok/vlákno) je cenová výhoda ešte výraznejšia vďaka zníženému počtu požadovaných T-portov (napr. v(64,2,36,4,64)).
Táto ekonomická výhoda pramení z kombinácie vysokej hustoty portov MEMS prepínačov a modulárnej stratégie rozširovania, ktorá nielenže zabraňuje nákladom na rozsiahlu výmenu WSS, ale tiež znižuje dodatočné náklady opätovným použitím existujúcich modulov Spanke-OXC. Výsledky simulácií tiež ukazujú, že úpravou počtu modulov strednej vrstvy a pomeru T-portov dokáže HMWC-OXC flexibilne vyvážiť výkon a náklady pri rôznych konfiguráciách kapacity a smeru vlnových dĺžok, čo poskytuje operátorom možnosti viacrozmernej optimalizácie.
Budúci výskum môže ďalej preskúmať algoritmy dynamickej alokácie T-portov s cieľom optimalizovať využitie interných zdrojov. Okrem toho, s pokrokom vo výrobných procesoch MEMS, integrácia prepínačov s vyššími rozmermi ďalej zvýši škálovateľnosť tejto architektúry. Pre prevádzkovateľov optických sietí je táto architektúra obzvlášť vhodná pre scenáre s neistým rastom prevádzky a poskytuje praktické technické riešenie na vybudovanie odolnej a škálovateľnej plne optickej chrbticovej siete.
Čas uverejnenia: 21. augusta 2025