OXC (optical cross-connect) is een doorontwikkelde versie van ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer).
Als essentieel 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 invloed 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 (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) architectuur, die gebruikmaakt van golflengteselectieve schakelaars (WSS'en). Aan de lijnzijde fungeren 1 × N en N × 1 WSS'en als in- en uitgangsmodules, terwijl M × K WSS'en aan de add/drop-zijde het toevoegen en verwijderen van golflengten regelen. Deze modules zijn met elkaar verbonden via optische vezels in de OXC-backplane.
Afbeelding: Traditionele CDC-OXC-architectuur
Dit kan ook bereikt worden door de backplane om te zetten naar een Spanke-netwerk, wat resulteert in onze Spanke-OXC-architectuur.
Afbeelding: Spanke-OXC-architectuur
De bovenstaande afbeelding laat zien dat de OXC aan de lijnzijde is gekoppeld aan twee soorten 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 (dat wil zeggen, meerdere glasvezelpoorten).
Hoewel de op Spanke gebaseerde OXC strikt niet-blokkerende switching bereikt door een volledig onderling verbonden backplane-ontwerp, worden de beperkingen ervan steeds groter naarmate het netwerkverkeer toeneemt. De limiet voor het aantal poorten van commerciële golflengteselectieve switches (WSS'en) (bijvoorbeeld, het huidige maximum is 1×48 poorten, zoals bij Finisar's 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 hoogdimensionale OXC-architectuur gebaseerd op Clos-netwerken, is deze nog steeds afhankelijk van dure M×N WSS'en, waardoor het moeilijk is om te voldoen aan de eisen voor incrementele upgrades.
Om deze uitdaging aan te gaan, hebben onderzoekers een nieuwe hybride architectuur voorgesteld: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Door micro-elektromechanische systemen (MEMS) en WSS te integreren, behoudt deze architectuur een bijna-niet-blokkerende werking en ondersteunt tegelijkertijd "pay-as-you-grow"-mogelijkheden, wat een kosteneffectief upgradepad biedt voor optische netwerkoperators.
Het kernontwerp van HMWC-OXC is gebaseerd op de drielaagse Clos-netwerkstructuur.
Afbeelding: Spanke-OXC-architectuur gebaseerd op HMWC-netwerken
Hoogdimensionale MEMS-optische schakelaars worden ingezet in de in- en uitgangslagen, 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, die via "T-poorten" met elkaar zijn verbonden om interne congestie te verminderen.
In de eerste fase kunnen operators de infrastructuur bouwen op basis van bestaande Spanke-OXC (bijvoorbeeld op een schaal van 4×4), door simpelweg MEMS-switches (bijvoorbeeld 32×32) in de in- en uitgangslagen te plaatsen, terwijl ze één Spanke-OXC-module in de middenlaag behouden (in dit geval is het aantal T-poorten nul). Naarmate de netwerkcapaciteit toeneemt, worden geleidelijk nieuwe Spanke-OXC-modules aan de middenlaag toegevoegd en worden T-poorten geconfigureerd om de modules met elkaar te verbinden.
Als bijvoorbeeld het aantal modules in de middelste laag wordt uitgebreid van één naar twee, wordt het aantal T-poorten ingesteld op één, waardoor de totale dimensie toeneemt van vier naar zes.
Afbeelding: HMWC-OXC-voorbeeld
Dit proces volgt de parameterbeperking M > N × (S − T), waarbij:
M is het aantal MEMS-poorten.
N is het aantal modules van de tussenlaag.
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 initiële schaal naar een gewenste afmeting (bijvoorbeeld 64×64) ondersteunen zonder dat alle hardwarebronnen in één keer vervangen hoeven te worden.
Om de daadwerkelijke prestaties van deze architectuur te verifiëren, voerde het onderzoeksteam simulatie-experimenten uit op basis van dynamische optische padverzoeken.
Afbeelding: Blokkeerprestaties van het HMWC-netwerk
De simulatie maakt gebruik van een Erlang-verkeersmodel, waarbij wordt aangenomen dat serviceaanvragen een Poisson-verdeling volgen en service-wachttijden een negatieve exponentiële verdeling. De totale verkeersbelasting is ingesteld op 3100 Erlangs. De beoogde OXC-afmeting is 64×64, en de MEMS-schaal van de in- en uitvoerlaag is eveneens 64×64. De configuraties van de Spanke-OXC-module in de middelste laag omvatten specificaties van 32×32 of 48×48. Het aantal T-poorten varieert van 0 tot 16, afhankelijk van de scenariovereisten.
Uit de resultaten blijkt dat in het scenario met een directionele dimensie van D = 4 de blokkeringskans van HMWC-OXC dicht bij die van de traditionele Spanke-OXC-basislijn (S(64,4)) ligt. Bijvoorbeeld, bij gebruik van de v(64,2,32,0,4)-configuratie neemt de blokkeringskans bij een matige belasting slechts met ongeveer 5% toe. Wanneer de directionele dimensie toeneemt tot D = 8, neemt de blokkeringskans toe als gevolg van het "trunkeffect" 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).
Het is belangrijk op te merken dat, hoewel de toevoeging van modules in de middelste laag interne blokkeringen kan veroorzaken als gevolg van T-poortconflicten, de algehele architectuur door een geschikte configuratie toch optimale prestaties kan bereiken.
Een kostenanalyse onderstreept de voordelen van HMWC-OXC nog eens, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Figuur: Blokkeerkans en kosten van verschillende OXC-architecturen
In scenario's met een hoge dichtheid van 80 golflengten per 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 een lage golflengte (bijv. 50 golflengten per vezel) is het kostenvoordeel zelfs nog groter vanwege het lagere aantal benodigde T-poorten (bijv. v(64,2,36,4,64)).
Dit economische voordeel vloeit voort uit de combinatie van de hoge poortdichtheid van MEMS-schakelaars en een modulaire uitbreidingsstrategie. Hierdoor worden niet alleen de kosten van grootschalige WSS-vervanging vermeden, maar worden ook de incrementele kosten verlaagd door het hergebruik van bestaande Spanke-OXC-modules. Simulaties tonen bovendien aan dat HMWC-OXC, door het aantal modules in de tussenlaag en de verhouding van T-poorten aan te passen, een flexibele balans tussen prestaties en kosten kan bieden bij verschillende golflengtecapaciteiten en richtingsconfiguraties. Dit biedt operators multidimensionale optimalisatiemogelijkheden.
Toekomstig onderzoek kan zich verder richten op dynamische T-poorttoewijzingsalgoritmen om het interne resourcegebruik te optimaliseren. Bovendien zal de integratie van switches met een hogere dimensionaliteit, dankzij de vooruitgang in MEMS-productieprocessen, de schaalbaarheid van deze architectuur verder verbeteren. Voor optische netwerkoperators is deze architectuur bijzonder geschikt voor scenario's met onzekere verkeersgroei en biedt het een praktische technische oplossing voor het bouwen van een robuust en schaalbaar volledig optisch backbone-netwerk.
Geplaatst op: 21 augustus 2025