OXC (Optical Cross-Connect) is een verbeterde versie van ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer).
Als belangrijkste schakelelement van optische netwerken bepalen de schaalbaarheid en kosteneffectiviteit van optische cross-connects (OXC's) niet alleen de flexibiliteit van netwerktopologieën, maar hebben ze ook een directe impact op de bouw-, exploitatie- en onderhoudskosten van grootschalige optische netwerken. Verschillende typen OXC's vertonen aanzienlijke verschillen in architectonisch ontwerp en functionele implementatie.
De onderstaande afbeelding illustreert een traditionele CDC-OXC-architectuur (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect), die gebruikmaakt van golflengteselectieve schakelaars (WSS'en). Aan de lijnzijde fungeren 1 × N en N × 1 WSS'en als in-/uitgangsmodules, terwijl M × K WSS'en aan de add-/drop-zijde de toevoeging en afname van golflengten beheren. Deze modules zijn met elkaar verbonden via glasvezels in de OXC-backplane.
Figuur: Traditionele CDC-OXC-architectuur
Dit kan ook worden bereikt door de backplane om te zetten naar een Spanke-netwerk, wat resulteert in onze Spanke-OXC-architectuur.
Figuur: Spanke-OXC-architectuur
De bovenstaande afbeelding laat zien dat de OXC aan de lijnzijde is gekoppeld aan twee typen poorten: directionele poorten en glasvezelpoorten. Elke directionele poort komt overeen met de geografische richting van de OXC in de netwerktopologie, terwijl elke glasvezelpoort een paar bidirectionele glasvezels binnen de directionele poort vertegenwoordigt. Een directionele poort bevat meerdere bidirectionele glasvezelparen (d.w.z. meerdere glasvezelpoorten).
Hoewel de op Spanke gebaseerde OXC strikt niet-blokkerende switching realiseert via een volledig onderling verbonden backplane-ontwerp, worden de beperkingen ervan steeds groter naarmate het netwerkverkeer toeneemt. De limiet aan het aantal poorten van commerciële golflengteselectieve switches (WSS'en) (de huidige maximaal ondersteunde poort is bijvoorbeeld 1×48, zoals Finisars FlexGrid Twin 1×48) betekent dat het uitbreiden van de OXC-dimensie vereist dat alle hardware wordt vervangen, wat kostbaar is en hergebruik van bestaande apparatuur verhindert.
Zelfs met een hooggedimensioneerde OXC-architectuur op basis van Clos-netwerken is er nog steeds sprake van dure M×N WSS'en, waardoor het lastig is om aan de incrementele upgrade-eisen te voldoen.
Om deze uitdaging aan te gaan, hebben onderzoekers een nieuwe hybride architectuur voorgesteld: HMWC-OXC (Hybride MEMS en WSS Clos Network). Door micro-elektromechanische systemen (MEMS) en WSS te integreren, behoudt deze architectuur vrijwel niet-blokkerende prestaties en ondersteunt ze tegelijkertijd 'pay-as-you-grow'-mogelijkheden, wat een kosteneffectief upgradepad biedt voor operators van optische netwerken.
Het kernontwerp van HMWC-OXC is gebaseerd op de drielaagse Clos-netwerkstructuur.
Figuur: Spanke-OXC-architectuur gebaseerd op HMWC-netwerken
Hoogdimensionale MEMS optische schakelaars worden ingezet op de input- en outputlaag, zoals de 512×512 schaal die momenteel door de huidige technologie wordt ondersteund, om een poortpool met grote capaciteit te vormen. De middelste laag bestaat uit meerdere kleinere Spanke-OXC modules, onderling verbonden via "T-poorten" om interne congestie te verminderen.
In de beginfase kunnen operators de infrastructuur bouwen op basis van bestaande Spanke-OXC (bijv. 4×4-schaal), door simpelweg MEMS-switches (bijv. 32×32) te implementeren op de invoer- en uitvoerlaag, terwijl één Spanke-OXC-module in de middelste laag behouden blijft (in dit geval is het aantal T-poorten nul). Naarmate de netwerkcapaciteit toeneemt, worden geleidelijk nieuwe Spanke-OXC-modules aan de middelste laag toegevoegd en worden T-poorten geconfigureerd om de modules met elkaar te verbinden.
Wanneer u bijvoorbeeld het aantal modules in de middelste laag uitbreidt van één naar twee, wordt het aantal T-poorten ingesteld op één. Hierdoor stijgt het totale aantal afmetingen van vier naar zes.
Figuur: HMWC-OXC-voorbeeld
Dit proces volgt de parameterbeperking M > N × (S − T), waarbij:
M is het aantal MEMS-poorten,
N is het aantal tussenliggende laagmodules,
S is het aantal poorten in een enkele Spanke-OXC, en
T is het aantal onderling verbonden poorten.
Door deze parameters dynamisch aan te passen, kan HMWC-OXC een geleidelijke uitbreiding van een beginschaal naar een doeldimensie (bijvoorbeeld 64×64) ondersteunen zonder dat alle hardwarebronnen in één keer hoeven te worden vervangen.
Om de daadwerkelijke prestaties van deze architectuur te verifiëren, voerde het onderzoeksteam simulatie-experimenten uit op basis van dynamische optische padaanvragen.
Figuur: Blokkeringsprestaties van het HMWC-netwerk
De simulatie maakt gebruik van een Erlang-verkeersmodel, ervan uitgaande dat serviceaanvragen een Poisson-verdeling volgen en de wachttijden voor service negatief exponentieel. De totale verkeersbelasting is ingesteld op 3100 Erlangs. De beoogde OXC-dimensie is 64×64 en de MEMS-schaal voor de invoer- en uitvoerlaag is eveneens 64×64. De Spanke-OXC-moduleconfiguraties voor de middelste laag omvatten specificaties van 32×32 of 48×48. Het aantal T-poorten varieert van 0 tot 16, afhankelijk van de scenariovereisten.
De resultaten tonen aan dat, in het scenario met een richtingsdimensie van D = 4, de kans op blokkering van HMWC-OXC dicht bij die van de traditionele Spanke-OXC-basislijn (S(64,4)) ligt. Bij gebruik van de v(64,2,32,0,4)-configuratie neemt de kans op blokkering bijvoorbeeld slechts met ongeveer 5% toe bij matige belasting. Wanneer de richtingsdimensie toeneemt tot D = 8, neemt de kans op blokkering toe door het "trunk-effect" en de afname van de vezellengte in elke richting. Dit probleem kan echter effectief worden verholpen door het aantal T-poorten te verhogen (bijvoorbeeld de v(64,2,48,16,8)-configuratie).
Opvallend is dat het toevoegen van mid-layer modules interne blokkering kan veroorzaken vanwege T-poortconflicten, maar de algehele architectuur kan nog steeds optimale prestaties behalen door middel van een juiste configuratie.
Een kostenanalyse onderstreept nog eens de voordelen van HMWC-OXC, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Figuur: Blokkeringswaarschijnlijkheid en kosten van verschillende OXC-architecturen
In scenario's met hoge dichtheid en 80 golflengtes/vezel kan de HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) de kosten met 40% verlagen ten opzichte van de traditionele Spanke-OXC. In scenario's met lage golflengtes (bijv. 50 golflengtes/vezel) is het kostenvoordeel nog groter vanwege het verminderde aantal benodigde T-poorten (bijv. v(64,2,36,4,64)).
Dit economische voordeel is te danken aan de combinatie van de hoge poortdichtheid van MEMS-switches en een modulaire uitbreidingsstrategie. Deze strategie vermijdt niet alleen de kosten van grootschalige WSS-vervanging, maar verlaagt ook de incrementele kosten door hergebruik van bestaande Spanke-OXC-modules. Simulatieresultaten tonen ook aan dat HMWC-OXC, door het aantal mid-layer modules en de verhouding van T-poorten aan te passen, flexibel de prestaties en kosten kan balanceren bij verschillende golflengtecapaciteiten en richtingconfiguraties, waardoor operators multidimensionale optimalisatiemogelijkheden krijgen.
Toekomstig onderzoek kan dynamische T-poorttoewijzingsalgoritmen verder verkennen om het gebruik van interne resources te optimaliseren. Bovendien zal de integratie van hogerdimensionale switches, dankzij de vooruitgang in MEMS-productieprocessen, de schaalbaarheid van deze architectuur verder verbeteren. Voor optische netwerkbeheerders is deze architectuur bijzonder geschikt voor scenario's met een onzekere verkeersgroei en biedt het een praktische technische oplossing voor het bouwen van een veerkrachtig en schaalbaar volledig optisch backbonenetwerk.
Plaatsingstijd: 21-08-2025