OXC (optické propojení) je vyvinutější verzí ROADM (rekonfigurovatelný optický multiplexor s přidáváním a odebíráním).
Škálovatelnost a nákladová efektivita optických propojovacích zařízení (OXC) jakožto základního přepínacího prvku optických sítí nejen určují flexibilitu síťových topologií, ale také přímo ovlivňují náklady na výstavbu, provoz a údržbu rozsáhlých optických sítí. Různé typy OXC vykazují významné rozdíly v architektonickém návrhu a funkční implementaci.
Obrázek níže znázorňuje tradiční architekturu CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect), která využívá přepínače pro výběr vlnových délek (WSS). Na straně linky slouží přepínače WSS 1 × N a N × 1 jako vstupní/výstupní moduly, zatímco přepínače WSS M × K na straně přidávání/odstraňování řídí přidávání a odstraňování vlnových délek. Tyto moduly jsou propojeny optickými vlákny v rámci základní desky OXC.
Obrázek: Tradiční architektura CDC-OXC
Toho lze také dosáhnout převedením základní desky na síť Spanke, což vede k naší architektuře Spanke-OXC.
Obrázek: Architektura Spanke-OXC
Obrázek výše ukazuje, že na straně linky je OXC spojen se dvěma typy portů: směrovými porty a optickými porty. Každý směrový port odpovídá geografickému směru OXC v topologii sítě, zatímco každý optický port představuje dvojici obousměrných vláken v rámci směrového portu. Směrový port obsahuje více obousměrných párů vláken (tj. více optických portů).
Přestože OXC založený na technologii Spanke dosahuje striktně neblokujícího přepínání díky plně propojené konstrukci základní desky, jeho omezení se s nárůstem síťového provozu stávají stále významnějšími. Limit počtu portů komerčních přepínačů pro výběr vlnové délky (WSS) (například současné maximum podporovaných portů je 1×48, jako například FlexGrid Twin 1×48 od společnosti Finisar) znamená, že rozšíření dimenze OXC vyžaduje výměnu veškerého hardwaru, což je nákladné a brání opětovnému použití stávajícího zařízení.
I s vysokodimenzionální architekturou OXC založenou na sítích Clos se stále spoléhá na drahé sítě WSS o velikosti M×N, což ztěžuje splnění požadavků na postupný upgrade.
Aby se s touto výzvou vypořádali, vědci navrhli novou hybridní architekturu: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Integrací mikroelektromechanických systémů (MEMS) a WSS si tato architektura udržuje téměř neblokující výkon a zároveň podporuje funkce „plaťte podle růstu“, což poskytuje provozovatelům optických sítí cenově efektivní cestu k modernizaci.
Základní konstrukce HMWC-OXC spočívá v její třívrstvé struktuře sítě Clos.
Obrázek: Architektura Spanke-OXC založená na sítích HMWC
Na vstupní a výstupní vrstvě jsou rozmístěny optické přepínače MEMS s vysokou dimenzí, jako je měřítko 512×512, které současná technologie v současnosti podporuje, a tvoří tak velkokapacitní portový fond. Střední vrstva se skládá z několika menších modulů Spanke-OXC, které jsou propojeny pomocí „T-portů“ pro zmírnění vnitřního přetížení.
V počáteční fázi mohou operátoři vybudovat infrastrukturu založenou na stávajícím Spanke-OXC (např. v měřítku 4×4) jednoduchým nasazením MEMS přepínačů (např. 32×32) na vstupní a výstupní vrstvě, přičemž ve střední vrstvě ponechají jeden modul Spanke-OXC (v tomto případě je počet T-portů nulový). S rostoucími požadavky na kapacitu sítě se do střední vrstvy postupně přidávají nové moduly Spanke-OXC a T-porty se konfigurují pro připojení modulů.
Například při rozšíření počtu modulů střední vrstvy z jednoho na dva se počet T-portů nastaví na jeden, čímž se celkový rozměr zvýší ze čtyř na šest.
Obrázek: Příklad HMWC-OXC
Tento proces se řídí parametrickým omezením M > N × (S − T), kde:
M je počet MEMS portů,
N je počet modulů mezivrstvy,
S je počet portů v jednom Spanke-OXC a
T je počet propojených portů.
Dynamickým nastavením těchto parametrů může HMWC-OXC podporovat postupné rozšiřování z počátečního měřítka na cílový rozměr (např. 64×64), aniž by bylo nutné najednou nahradit všechny hardwarové prostředky.
Pro ověření skutečného výkonu této architektury provedl výzkumný tým simulační experimenty založené na požadavcích na dynamickou optickou cestu.
Obrázek: Blokovací výkon sítě HMWC
Simulace využívá Erlangův model provozu za předpokladu, že požadavky na služby se řídí Poissonovým rozdělením a doby zadržení služby se řídí záporným exponenciálním rozdělením. Celkové zatížení provozu je nastaveno na 3100 Erlangů. Cílový rozměr OXC je 64×64 a měřítko vstupní a výstupní vrstvy MEMS je také 64×64. Konfigurace modulu Spanke-OXC střední vrstvy zahrnují specifikace 32×32 nebo 48×48. Počet T-portů se pohybuje od 0 do 16 v závislosti na požadavcích scénáře.
Výsledky ukazují, že ve scénáři se směrovým rozměrem D = 4 je pravděpodobnost blokování HMWC-OXC blízká pravděpodobnosti blokování u tradiční základní linie Spanke-OXC (S(64,4)). Například při použití konfigurace v(64,2,32,0,4) se pravděpodobnost blokování při mírném zatížení zvyšuje pouze přibližně o 5 %. Když se směrový rozměr zvýší na D = 8, pravděpodobnost blokování se zvyšuje v důsledku „efektu kmene“ a zkrácení délky vlákna v každém směru. Tento problém lze však účinně zmírnit zvýšením počtu T-portů (například konfigurace v(64,2,48,16,8)).
Je pozoruhodné, že ačkoli přidání modulů střední vrstvy může způsobit vnitřní blokování v důsledku soupeření o T-porty, celková architektura může stále dosáhnout optimalizovaného výkonu pomocí vhodné konfigurace.
Analýza nákladů dále zdůrazňuje výhody HMWC-OXC, jak je znázorněno na obrázku níže.
Obrázek: Pravděpodobnost blokování a náklady různých architektur OXC
Ve scénářích s vysokou hustotou s 80 vlnovými délkami/vlákno může HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) snížit náklady o 40 % ve srovnání s tradičním Spanke-OXC. Ve scénářích s nízkou vlnovou délkou (např. 50 vlnových délek/vlákno) je cenová výhoda ještě výraznější díky sníženému počtu požadovaných T-portů (např. v(64,2,36,4,64)).
Tato ekonomická výhoda pramení z kombinace vysoké hustoty portů MEMS přepínačů a modulární strategie rozšíření, která nejenže zabraňuje nákladům na velkoobjemovou výměnu WSS, ale také snižuje dodatečné náklady opětovným použitím stávajících modulů Spanke-OXC. Výsledky simulací také ukazují, že úpravou počtu modulů střední vrstvy a poměru T-portů dokáže HMWC-OXC flexibilně vyvažovat výkon a náklady při různých konfiguracích vlnové délky, kapacity a směru, což operátorům poskytuje vícerozměrné optimalizační možnosti.
Budoucí výzkum by mohl dále prozkoumat algoritmy dynamické alokace T-portů pro optimalizaci využití interních zdrojů. S pokrokem ve výrobních procesech MEMS navíc integrace přepínačů s vyššími dimenzemi dále zvýší škálovatelnost této architektury. Pro provozovatele optických sítí je tato architektura obzvláště vhodná pro scénáře s nejistým růstem provozu a poskytuje praktické technické řešení pro budování odolné a škálovatelné plně optické páteřní sítě.
Čas zveřejnění: 21. srpna 2025