OXC (optični prečni povezovalnik) je razvita različica ROADM (rekonfigurabilni optični multiplekser za dodajanje in spuščanje).
Kot osrednji preklopni element optičnih omrežij skalabilnost in stroškovna učinkovitost optičnih prečnih povezav (OXC) ne določata le prilagodljivosti omrežnih topologij, temveč neposredno vplivata tudi na stroške gradnje, delovanja in vzdrževanja velikih optičnih omrežij. Različne vrste OXC-jev se bistveno razlikujejo v arhitekturni zasnovi in funkcionalni izvedbi.
Spodnja slika prikazuje tradicionalno arhitekturo CDC-OXC (brezbarvno brezsmerno optično križanje brez konfliktov), ki uporablja stikala za izbiro valovnih dolžin (WSS). Na strani linije stikala WSS 1 × N in N × 1 služijo kot vhodni/izhodni moduli, medtem ko stikala WSS M × K na strani dodajanja/spuščanja upravljajo dodajanje in spuščanje valovnih dolžin. Ti moduli so med seboj povezani prek optičnih vlaken znotraj zadnje plošče OXC.
Slika: Tradicionalna arhitektura CDC-OXC
To je mogoče doseči tudi s pretvorbo zadnje plošče v omrežje Spanke, kar ima za posledico našo arhitekturo Spanke-OXC.
Slika: Arhitektura Spanke-OXC
Zgornja slika prikazuje, da je na strani linije OXC povezan z dvema vrstama vrat: smernimi vrati in optičnimi vrati. Vsako smerno vratilo ustreza geografski smeri OXC v omrežni topologiji, medtem ko vsako optično vratilo predstavlja par dvosmernih vlaken znotraj smernega vrata. Smerno vratilo vsebuje več dvosmernih parov vlaken (tj. več optičnih vrat).
Čeprav OXC, ki temelji na tehnologiji Spanke, dosega strogo neblokirajoče preklapljanje prek popolnoma medsebojno povezane zasnove hrbtne plošče, njegove omejitve postajajo vse pomembnejše, ko se omrežni promet poveča. Omejitev števila vrat komercialnih stikal za izbiro valovnih dolžin (WSS) (na primer, trenutno podprto največje število vrat je 1×48, kot je Finisarjev FlexGrid Twin 1×48) pomeni, da razširitev dimenzije OXC zahteva zamenjavo vse strojne opreme, kar je drago in preprečuje ponovno uporabo obstoječe opreme.
Tudi z visokodimenzionalno arhitekturo OXC, ki temelji na omrežjih Clos, se še vedno zanaša na drage M×N WSS-je, zaradi česar je težko izpolnjevati zahteve po postopni nadgradnji.
Za reševanje tega izziva so raziskovalci predlagali novo hibridno arhitekturo: HMWC-OXC (hibridno omrežje MEMS in WSS Clos). Z integracijo mikroelektromehanskih sistemov (MEMS) in WSS ta arhitektura ohranja skoraj neblokirajočo zmogljivost, hkrati pa podpira zmogljivosti »plačaj po rasti«, kar zagotavlja stroškovno učinkovito pot nadgradnje za operaterje optičnih omrežij.
Osrednja zasnova HMWC-OXC leži v njegovi triplastni strukturi Closovega omrežja.
Slika: Arhitektura Spanke-OXC, ki temelji na omrežjih HMWC
Na vhodni in izhodni plasti so nameščena visokodimenzionalna optična stikala MEMS, kot je merilo 512 × 512, ki ga trenutno podpira trenutna tehnologija, da tvorijo bazen vrat z veliko zmogljivostjo. Srednja plast je sestavljena iz več manjših modulov Spanke-OXC, ki so med seboj povezani prek »T-vrat« za zmanjšanje notranje preobremenjenosti.
V začetni fazi lahko operaterji zgradijo infrastrukturo na podlagi obstoječega Spanke-OXC (npr. v merilu 4×4) tako, da preprosto namestijo MEMS stikala (npr. 32×32) na vhodni in izhodni plasti, hkrati pa ohranijo en sam modul Spanke-OXC v srednji plasti (v tem primeru je število T-vrat nič). Ko se zahteve glede zmogljivosti omrežja povečujejo, se v srednjo plast postopoma dodajajo novi moduli Spanke-OXC, T-vrata pa so konfigurirana za povezavo modulov.
Na primer, pri povečanju števila modulov srednje plasti z enega na dva se število T-vrat nastavi na eno, s čimer se skupna dimenzija poveča s štirih na šest.
Slika: Primer HMWC-OXC
Ta postopek sledi omejitvi parametrov M > N × (S − T), kjer je:
M je število MEMS vrat,
N je število modulov vmesne plasti,
S je število vrat v enem samem Spanke-OXC in
T je število medsebojno povezanih vrat.
Z dinamičnim prilagajanjem teh parametrov lahko HMWC-OXC podpira postopno širitev od začetnega merila do ciljne dimenzije (npr. 64×64), ne da bi hkrati zamenjal vso strojno opremo.
Za preverjanje dejanske učinkovitosti te arhitekture je raziskovalna skupina izvedla simulacijske poskuse na podlagi zahtev po dinamičnih optičnih poteh.
Slika: Blokiranje zmogljivosti omrežja HMWC
Simulacija uporablja Erlangov prometni model, ob predpostavki, da zahteve za storitve sledijo Poissonovi porazdelitvi, časi zadrževanja storitev pa negativni eksponentni porazdelitvi. Skupna prometna obremenitev je nastavljena na 3100 Erlangov. Ciljna dimenzija OXC je 64 × 64, lestvica vhodne in izhodne plasti MEMS pa je prav tako 64 × 64. Konfiguracije modulov Spanke-OXC srednje plasti vključujejo specifikacije 32 × 32 ali 48 × 48. Število T-vrat se giblje od 0 do 16, odvisno od zahtev scenarija.
Rezultati kažejo, da je v scenariju z usmerjeno dimenzijo D = 4 verjetnost blokiranja HMWC-OXC blizu verjetnosti tradicionalne osnovne linije Spanke-OXC (S(64,4)). Na primer, pri uporabi konfiguracije v(64,2,32,0,4) se verjetnost blokiranja pri zmerni obremenitvi poveča le za približno 5 %. Ko se usmerjena dimenzija poveča na D = 8, se verjetnost blokiranja poveča zaradi "učinka debla" in zmanjšanja dolžine vlaken v vsaki smeri. Vendar pa je to težavo mogoče učinkovito ublažiti s povečanjem števila T-vrat (na primer konfiguracija v(64,2,48,16,8)).
Omeniti velja, da čeprav lahko dodajanje modulov srednje plasti povzroči notranje blokiranje zaradi konkurence na T-portih, lahko celotna arhitektura z ustrezno konfiguracijo še vedno doseže optimizirano delovanje.
Analiza stroškov dodatno poudarja prednosti HMWC-OXC, kot je prikazano na spodnji sliki.
Slika: Verjetnost blokiranja in stroški različnih arhitektur OXC
V scenarijih z visoko gostoto z 80 valovnimi dolžinami/optično vlakno lahko HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) zmanjša stroške za 40 % v primerjavi s tradicionalnim Spanke-OXC. V scenarijih z nizkimi valovnimi dolžinami (npr. 50 valovnih dolžin/optično vlakno) je stroškovna prednost še večja zaradi zmanjšanega števila potrebnih T-vrat (npr. v(64,2,36,4,64)).
Ta ekonomska korist izhaja iz kombinacije visoke gostote vrat MEMS stikal in modularne strategije širitve, ki ne le preprečuje stroške obsežne zamenjave WSS, temveč tudi zmanjšuje dodatne stroške s ponovno uporabo obstoječih modulov Spanke-OXC. Rezultati simulacij kažejo tudi, da lahko HMWC-OXC s prilagajanjem števila modulov srednje plasti in razmerja T-vrat fleksibilno uravnoteži zmogljivost in stroške pri različnih konfiguracijah valovnih dolžin, kar operaterjem zagotavlja večdimenzionalne možnosti optimizacije.
Prihodnje raziskave lahko dodatno raziščejo algoritme za dinamično dodeljevanje T-portov za optimizacijo izrabe notranjih virov. Poleg tega bo z napredkom v proizvodnih procesih MEMS integracija višjedimenzionalnih stikal še izboljšala skalabilnost te arhitekture. Za operaterje optičnih omrežij je ta arhitektura še posebej primerna za scenarije z negotovo rastjo prometa, saj zagotavlja praktično tehnično rešitev za izgradnjo odpornega in skalabilnega popolnoma optičnega hrbteničnega omrežja.
Čas objave: 21. avg. 2025