OXC (optisk krydsforbindelse) er en videreudviklet version af ROADM (rekonfigurerbar optisk add-drop multiplexer).
Som det centrale switching-element i optiske netværk bestemmer skalerbarheden og omkostningseffektiviteten af optiske krydsforbindelser (OXC'er) ikke kun fleksibiliteten af netværkstopologier, men påvirker også direkte konstruktions-, drifts- og vedligeholdelsesomkostningerne for store optiske netværk. Forskellige typer OXC'er udviser betydelige forskelle i arkitektonisk design og funktionel implementering.
Figuren nedenfor illustrerer en traditionel CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) arkitektur, der anvender bølgelængdeselektive switche (WSS'er). På linjesiden fungerer 1 × N og N × 1 WSS'er som indgangs-/udgangsmoduler, mens M × K WSS'er på add/drop-siden styrer addition og drop af bølgelængder. Disse moduler er forbundet via optiske fibre i OXC-bagplanet.
Figur: Traditionel CDC-OXC-arkitektur
Dette kan også opnås ved at konvertere backplane til et Spanke-netværk, hvilket resulterer i vores Spanke-OXC-arkitektur.
Figur: Spanke-OXC-arkitektur
Figuren ovenfor viser, at OXC'en på linjesiden er forbundet med to typer porte: retningsbestemte porte og fiberporte. Hver retningsbestemt port svarer til OXC'ens geografiske retning i netværkstopologien, mens hver fiberport repræsenterer et par tovejsfibre inden for den retningsbestemte port. En retningsbestemt port indeholder flere tovejsfiberpar (dvs. flere fiberporte).
Selvom den Spanke-baserede OXC opnår strengt ikke-blokerende switching gennem et fuldt sammenkoblet backplane-design, bliver dens begrænsninger stadig mere betydningsfulde i takt med at netværkstrafikken stiger. Portantalgrænsen for kommercielle bølgelængdeselektive switche (WSS'er) (for eksempel er det nuværende maksimale understøttede antal porte 1×48, såsom Finisars FlexGrid Twin 1×48) betyder, at udvidelse af OXC-dimensionen kræver udskiftning af al hardware, hvilket er dyrt og forhindrer genbrug af eksisterende udstyr.
Selv med en højdimensionel OXC-arkitektur baseret på Clos-netværk er den stadig afhængig af dyre M×N WSS'er, hvilket gør det vanskeligt at opfylde kravene til trinvise opgraderinger.
For at imødegå denne udfordring har forskere foreslået en ny hybridarkitektur: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Ved at integrere mikroelektromekaniske systemer (MEMS) og WSS opretholder denne arkitektur næsten ikke-blokerende ydeevne, samtidig med at den understøtter "pay-as-you-grow"-funktioner, hvilket giver en omkostningseffektiv opgraderingsvej for optiske netværksoperatører.
Kernedesignet af HMWC-OXC ligger i dens trelags Clos-netværksstruktur.
Figur: Spanke-OXC-arkitektur baseret på HMWC-netværk
Højdimensionelle optiske MEMS-switche anvendes på input- og outputlagene, såsom 512×512-skalaen, der i øjeblikket understøttes af den nuværende teknologi, for at danne en portpulje med stor kapacitet. Mellemlaget består af flere mindre Spanke-OXC-moduler, der er forbundet via "T-porte" for at afhjælpe intern overbelastning.
I den indledende fase kan operatører bygge infrastrukturen baseret på eksisterende Spanke-OXC (f.eks. 4×4-skala) ved blot at implementere MEMS-switche (f.eks. 32×32) på input- og outputlagene, mens de bevarer et enkelt Spanke-OXC-modul i det midterste lag (i dette tilfælde er antallet af T-porte nul). Efterhånden som netværkskapacitetskravene stiger, tilføjes nye Spanke-OXC-moduler gradvist til det midterste lag, og T-porte konfigureres til at forbinde modulerne.
For eksempel, når antallet af mellemlagsmoduler udvides fra et til to, sættes antallet af T-porte til én, hvilket øger den samlede dimension fra fire til seks.
Figur: HMWC-OXC-eksempel
Denne proces følger parameterbegrænsningen M > N × (S − T), hvor:
M er antallet af MEMS-porte,
N er antallet af mellemliggende lagmoduler,
S er antallet af porte i en enkelt Spanke-OXC, og
T er antallet af sammenkoblede porte.
Ved dynamisk at justere disse parametre kan HMWC-OXC understøtte gradvis udvidelse fra en indledende skala til en måldimension (f.eks. 64×64) uden at erstatte alle hardwareressourcer på én gang.
For at verificere den faktiske ydeevne af denne arkitektur udførte forskerholdet simuleringseksperimenter baseret på dynamiske optiske stianmodninger.
Figur: Blokerende ydeevne for HMWC-netværket
Simuleringen bruger en Erlang-trafikmodel, hvor det antages, at serviceanmodninger følger en Poisson-fordeling, og at serviceholdtider følger en negativ eksponentiel fordeling. Den samlede trafikbelastning er sat til 3100 Erlangs. Mål-OXC-dimensionen er 64×64, og input- og outputlagets MEMS-skala er også 64×64. Mellemlagets Spanke-OXC-modulkonfigurationer inkluderer 32×32- eller 48×48-specifikationer. Antallet af T-porte varierer fra 0 til 16 afhængigt af scenariekravene.
Resultaterne viser, at i scenariet med en retningsbestemt dimension på D = 4 er blokeringssandsynligheden for HMWC-OXC tæt på den traditionelle Spanke-OXC-baseline (S(64,4)). For eksempel, ved brug af v(64,2,32,0,4)-konfigurationen, øges blokeringssandsynligheden kun med cirka 5% under moderat belastning. Når den retningsbestemte dimension øges til D = 8, øges blokeringssandsynligheden på grund af "trunk-effekten" og faldet i fiberlængde i hver retning. Dette problem kan dog effektivt afhjælpes ved at øge antallet af T-porte (for eksempel v(64,2,48,16,8)-konfigurationen).
Det er værd at bemærke, at selvom tilføjelsen af mellemlagsmoduler kan forårsage intern blokering på grund af T-portkonflikt, kan den overordnede arkitektur stadig opnå optimeret ydeevne gennem passende konfiguration.
En omkostningsanalyse fremhæver yderligere fordelene ved HMWC-OXC, som vist i figuren nedenfor.
Figur: Blokeringssandsynlighed og omkostninger ved forskellige OXC-arkitekturer
I scenarier med høj densitet og 80 bølgelængder/fiber kan HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) reducere omkostningerne med 40 % sammenlignet med traditionel Spanke-OXC. I scenarier med lav bølgelængde (f.eks. 50 bølgelængder/fiber) er omkostningsfordelen endnu større på grund af det reducerede antal nødvendige T-porte (f.eks. v(64,2,36,4,64)).
Denne økonomiske fordel stammer fra kombinationen af MEMS-switches høje porttæthed og en modulær udvidelsesstrategi, som ikke blot undgår udgifterne til storstilet WSS-udskiftning, men også reducerer de ekstra omkostninger ved at genbruge eksisterende Spanke-OXC-moduler. Simuleringsresultater viser også, at HMWC-OXC ved at justere antallet af mellemlagsmoduler og forholdet mellem T-porte fleksibelt kan balancere ydeevne og omkostninger under forskellige bølgelængdekapacitets- og retningskonfigurationer, hvilket giver operatører flerdimensionelle optimeringsmuligheder.
Fremtidig forskning kan yderligere undersøge dynamiske T-port-allokeringsalgoritmer for at optimere den interne ressourceudnyttelse. Desuden vil integrationen af højere dimensionelle switche med fremskridt inden for MEMS-fremstillingsprocesser yderligere forbedre skalerbarheden af denne arkitektur. For optiske netværksoperatører er denne arkitektur særligt velegnet til scenarier med usikker trafikvækst og giver en praktisk teknisk løsning til at opbygge et robust og skalerbart fuldt optisk backbone-netværk.
Opslagstidspunkt: 21. august 2025