OXC (optisk korskoppling) är en vidareutvecklad version av ROADM (rekonfigurerbar optisk add-drop multiplexer).
Som det centrala kopplingselementet i optiska nätverk, avgör skalbarheten och kostnadseffektiviteten hos optiska korskopplingar (OXC) inte bara flexibiliteten hos nätverkstopologier utan påverkar även direkt konstruktions-, drifts- och underhållskostnaderna för storskaliga optiska nätverk. Olika typer av OXC uppvisar betydande skillnader i arkitektonisk design och funktionell implementering.
Figuren nedan illustrerar en traditionell CDC-OXC-arkitektur (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect), som använder våglängdsselektiva omkopplare (WSS). På linjesidan fungerar 1 × N och N × 1 WSS som ingångs-/utgångsmoduler, medan M × K WSS på tilläggs-/släppsidan hanterar tillägg och borttagning av våglängder. Dessa moduler är sammankopplade via optiska fibrer i OXC-bakplanet.
Figur: Traditionell CDC-OXC-arkitektur
Detta kan också uppnås genom att konvertera bakplanet till ett Spanke-nätverk, vilket resulterar i vår Spanke-OXC-arkitektur.
Figur: Spanke-OXC-arkitektur
Figuren ovan visar att OXC på linjesidan är associerad med två typer av portar: riktningsportar och fiberportar. Varje riktningsport motsvarar OXC:s geografiska riktning i nätverkstopologin, medan varje fiberport representerar ett par dubbelriktade fibrer inom den riktningsporten. En riktningsport innehåller flera dubbelriktade fiberpar (dvs. flera fiberportar).
Medan den Spanke-baserade OXC:n uppnår strikt icke-blockerande switchning genom en helt sammankopplad bakplansdesign, blir dess begränsningar alltmer betydande i takt med att nätverkstrafiken ökar. Portantalgränsen för kommersiella våglängdsselektiva switchar (WSS) (till exempel är det nuvarande maximala antalet portar som stöds 1×48, såsom Finisars FlexGrid Twin 1×48) innebär att utökning av OXC-dimensionen kräver att all hårdvara byts ut, vilket är kostsamt och förhindrar återanvändning av befintlig utrustning.
Även med en högdimensionell OXC-arkitektur baserad på Clos-nätverk är den fortfarande beroende av dyra M×N WSS:er, vilket gör det svårt att uppfylla kraven på stegvisa uppgraderingar.
För att möta denna utmaning har forskare föreslagit en ny hybridarkitektur: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Genom att integrera mikroelektromekaniska system (MEMS) och WSS bibehåller denna arkitektur nästan blockeringsfri prestanda samtidigt som den stöder "pay-as-you-grow"-funktioner, vilket ger en kostnadseffektiv uppgraderingsväg för optiska nätverksoperatörer.
Kärndesignen för HMWC-OXC ligger i dess trelagers Clos-nätverksstruktur.
Figur: Spanke-OXC-arkitektur baserad på HMWC-nätverk
Högdimensionella optiska MEMS-switchar används på in- och utgångslagren, såsom 512×512-skalan som för närvarande stöds av nuvarande teknik, för att bilda en portpool med stor kapacitet. Mellanlagret består av flera mindre Spanke-OXC-moduler, sammankopplade via "T-portar" för att minska intern överbelastning.
I den inledande fasen kan operatörer bygga infrastrukturen baserad på befintlig Spanke-OXC (t.ex. 4×4-skala) genom att helt enkelt distribuera MEMS-switchar (t.ex. 32×32) på in- och utgångslagren, samtidigt som en enda Spanke-OXC-modul behålls i mellanlagret (i detta fall är antalet T-portar noll). Allt eftersom nätverkskapacitetskraven ökar läggs nya Spanke-OXC-moduler gradvis till i mellanlagret, och T-portar konfigureras för att ansluta modulerna.
Till exempel, när antalet mellanlagermoduler utökas från en till två, sätts antalet T-portar till en, vilket ökar den totala dimensionen från fyra till sex.
Figur: HMWC-OXC-exempel
Denna process följer parametervillkoret M > N × (S − T), där:
M är antalet MEMS-portar,
N är antalet mellanliggande lagermoduler,
S är antalet portar i en enda Spanke-OXC, och
T är antalet sammankopplade portar.
Genom att dynamiskt justera dessa parametrar kan HMWC-OXC stödja gradvis expansion från en initial skala till en måldimension (t.ex. 64×64) utan att ersätta alla hårdvaruresurser samtidigt.
För att verifiera arkitekturens faktiska prestanda genomförde forskargruppen simuleringsexperiment baserade på dynamiska optiska vägförfrågningar.
Figur: Blockeringsprestanda för HMWC-nätverket
Simuleringen använder en Erlang-trafikmodell, där tjänsteförfrågningar följer en Poisson-fördelning och att tjänsteväntetider följer en negativ exponentiell fördelning. Den totala trafikbelastningen är satt till 3100 Erlang. Måldimensionen för OXC är 64×64, och MEMS-skalan för in- och utmatningslagret är också 64×64. Konfigurationerna av Spanke-OXC-modulen i mellanlagret inkluderar specifikationer för 32×32 eller 48×48. Antalet T-portar varierar från 0 till 16 beroende på scenariots krav.
Resultaten visar att i scenariot med en riktningsdimension på D = 4 är blockeringssannolikheten för HMWC-OXC nära den för den traditionella Spanke-OXC-baslinjen (S(64,4)). Till exempel, med v(64,2,32,0,4)-konfigurationen ökar blockeringssannolikheten endast med cirka 5 % under måttlig belastning. När den riktningsdimensionen ökar till D = 8 ökar blockeringssannolikheten på grund av "stameffekten" och minskningen av fiberlängden i varje riktning. Detta problem kan dock effektivt lindras genom att öka antalet T-portar (till exempel v(64,2,48,16,8)-konfigurationen).
Det är värt att notera att även om tillägg av mellanlagermoduler kan orsaka intern blockering på grund av T-portkonkurrens, kan den övergripande arkitekturen fortfarande uppnå optimerad prestanda genom lämplig konfiguration.
En kostnadsanalys belyser ytterligare fördelarna med HMWC-OXC, vilket visas i figuren nedan.
Figur: Blockeringssannolikhet och kostnad för olika OXC-arkitekturer
I scenarier med hög densitet och 80 våglängder/fiber kan HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) minska kostnaderna med 40 % jämfört med traditionell Spanke-OXC. I scenarier med låg våglängd (t.ex. 50 våglängder/fiber) är kostnadsfördelen ännu större på grund av det minskade antalet nödvändiga T-portar (t.ex. v(64,2,36,4,64)).
Denna ekonomiska fördel härrör från kombinationen av MEMS-switcharnas höga porttäthet och en modulär expansionsstrategi, vilket inte bara undviker kostnaden för storskaliga WSS-ersättningar utan också minskar de extra kostnaderna genom att återanvända befintliga Spanke-OXC-moduler. Simuleringsresultaten visar också att genom att justera antalet mellanlagermoduler och förhållandet mellan T-portar kan HMWC-OXC flexibelt balansera prestanda och kostnad under olika våglängdskapacitets- och riktningskonfigurationer, vilket ger operatörer flerdimensionella optimeringsmöjligheter.
Framtida forskning kan vidare utforska dynamiska T-portallokeringsalgoritmer för att optimera intern resursutnyttjande. Dessutom, med framsteg inom MEMS-tillverkningsprocesser, kommer integrationen av högdimensionella switchar ytterligare att förbättra skalbarheten hos denna arkitektur. För optiska nätverksoperatörer är denna arkitektur särskilt lämplig för scenarier med osäker trafiktillväxt, och ger en praktisk teknisk lösning för att bygga ett motståndskraftigt och skalbart helt optiskt stamnät.
Publiceringstid: 21 augusti 2025