Το OXC (οπτική διασύνδεση) είναι μια εξελιγμένη έκδοση του ROADM (αναδιαμορφώσιμος οπτικός πολυπλέκτης προσθήκης-απόθεσης).
Ως το βασικό στοιχείο μεταγωγής των οπτικών δικτύων, η επεκτασιμότητα και η οικονομική αποδοτικότητα των οπτικών διασυνδέσεων (OXC) όχι μόνο καθορίζουν την ευελιξία των τοπολογιών δικτύου, αλλά επηρεάζουν επίσης άμεσα το κόστος κατασκευής, λειτουργίας και συντήρησης των μεγάλης κλίμακας οπτικών δικτύων. Διαφορετικοί τύποι OXC παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό και τη λειτουργική υλοποίηση.
Το παρακάτω σχήμα απεικονίζει μια παραδοσιακή αρχιτεκτονική CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect), η οποία χρησιμοποιεί διακόπτες επιλογής μήκους κύματος (WSS). Από την πλευρά της γραμμής, τα WSS 1 × N και N × 1 χρησιμεύουν ως μονάδες εισόδου/εξόδου, ενώ τα WSS M × K στην πλευρά προσθήκης/απενεργοποίησης διαχειρίζονται την προσθήκη και την απενεργοποίηση μηκών κύματος. Αυτές οι μονάδες διασυνδέονται μέσω οπτικών ινών εντός του backplane OXC.
Σχήμα: Παραδοσιακή αρχιτεκτονική CDC-OXC
Αυτό μπορεί επίσης να επιτευχθεί με τη μετατροπή του backplane σε δίκτυο Spanke, με αποτέλεσμα την αρχιτεκτονική Spanke-OXC.
Σχήμα: Αρχιτεκτονική Spanke-OXC
Το παραπάνω σχήμα δείχνει ότι στην πλευρά της γραμμής, το OXC σχετίζεται με δύο τύπους θυρών: κατευθυντικές θύρες και θύρες οπτικών ινών. Κάθε κατευθυντική θύρα αντιστοιχεί στη γεωγραφική κατεύθυνση του OXC στην τοπολογία δικτύου, ενώ κάθε θύρα οπτικών ινών αντιπροσωπεύει ένα ζεύγος αμφίδρομων ινών εντός της κατευθυντικής θύρας. Μια κατευθυντική θύρα περιέχει πολλαπλά ζεύγη αμφίδρομων ινών (δηλαδή, πολλαπλές θύρες οπτικών ινών).
Ενώ το OXC που βασίζεται στο Spanke επιτυγχάνει αυστηρά μη αποκλεισμένη μεταγωγή μέσω ενός πλήρως διασυνδεδεμένου σχεδιασμού backplane, οι περιορισμοί του γίνονται ολοένα και πιο σημαντικοί καθώς αυξάνεται η κυκλοφορία δικτύου. Το όριο αριθμού θυρών των εμπορικών διακοπτών επιλεκτικού μήκους κύματος (WSS) (για παράδειγμα, η τρέχουσα μέγιστη υποστηριζόμενη θύρες είναι 1×48, όπως το FlexGrid Twin 1×48 της Finisar) σημαίνει ότι η επέκταση της διάστασης OXC απαιτεί την αντικατάσταση όλου του υλικού, κάτι που είναι δαπανηρό και αποτρέπει την επαναχρησιμοποίηση του υπάρχοντος εξοπλισμού.
Ακόμα και με μια αρχιτεκτονική OXC υψηλής διάστασης που βασίζεται σε δίκτυα Clos, εξακολουθεί να βασίζεται σε ακριβά M×N WSS, γεγονός που καθιστά δύσκολη την κάλυψη των απαιτήσεων σταδιακής αναβάθμισης.
Για να αντιμετωπίσουν αυτήν την πρόκληση, οι ερευνητές έχουν προτείνει μια νέα υβριδική αρχιτεκτονική: την HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Ενσωματώνοντας μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS) και WSS, αυτή η αρχιτεκτονική διατηρεί σχεδόν μηδενική απόδοση, ενώ παράλληλα υποστηρίζει δυνατότητες «πληρωμής κατά την ανάπτυξη», παρέχοντας μια οικονομικά αποδοτική διαδρομή αναβάθμισης για τους παρόχους οπτικών δικτύων.
Ο βασικός σχεδιασμός του HMWC-OXC έγκειται στη δομή δικτύου Clos τριών επιπέδων.
Σχήμα: Αρχιτεκτονική Spanke-OXC βασισμένη σε δίκτυα HMWC
Οπτικοί διακόπτες MEMS υψηλής διάστασης αναπτύσσονται στα επίπεδα εισόδου και εξόδου, όπως η κλίμακα 512×512 που υποστηρίζεται σήμερα από την τρέχουσα τεχνολογία, για να σχηματίσουν μια δεξαμενή θυρών μεγάλης χωρητικότητας. Το μεσαίο επίπεδο αποτελείται από πολλαπλές μικρότερες μονάδες Spanke-OXC, διασυνδεδεμένες μέσω "θυρών T" για την άμβλυνση της εσωτερικής συμφόρησης.
Στην αρχική φάση, οι χειριστές μπορούν να κατασκευάσουν την υποδομή με βάση το υπάρχον Spanke-OXC (π.χ., κλίμακα 4×4), απλώς αναπτύσσοντας διακόπτες MEMS (π.χ., 32×32) στα επίπεδα εισόδου και εξόδου, διατηρώντας παράλληλα μία μόνο μονάδα Spanke-OXC στο μεσαίο επίπεδο (σε αυτήν την περίπτωση, ο αριθμός των θυρών T είναι μηδέν). Καθώς οι απαιτήσεις χωρητικότητας δικτύου αυξάνονται, νέες μονάδες Spanke-OXC προστίθενται σταδιακά στο μεσαίο επίπεδο και οι θύρες T διαμορφώνονται για τη σύνδεση των μονάδων.
Για παράδειγμα, όταν αυξάνεται ο αριθμός των μονάδων μεσαίου επιπέδου από μία σε δύο, ο αριθμός των θυρών T ορίζεται σε μία, αυξάνοντας τη συνολική διάσταση από τέσσερις σε έξι.
Σχήμα: Παράδειγμα HMWC-OXC
Αυτή η διαδικασία ακολουθεί τον περιορισμό παραμέτρου M > N × (S − T), όπου:
Το M είναι ο αριθμός των θυρών MEMS,
Το N είναι ο αριθμός των ενοτήτων ενδιάμεσου επιπέδου,
Το S είναι ο αριθμός των θυρών σε ένα μόνο Spanke-OXC, και
T είναι ο αριθμός των διασυνδεδεμένων θυρών.
Ρυθμίζοντας δυναμικά αυτές τις παραμέτρους, το HMWC-OXC μπορεί να υποστηρίξει σταδιακή επέκταση από μια αρχική κλίμακα σε μια διάσταση-στόχο (π.χ., 64×64) χωρίς να αντικαταστήσει όλους τους πόρους υλικού ταυτόχρονα.
Για να επαληθεύσει την πραγματική απόδοση αυτής της αρχιτεκτονικής, η ερευνητική ομάδα διεξήγαγε πειράματα προσομοίωσης βασισμένα σε αιτήματα δυναμικής οπτικής διαδρομής.
Σχήμα: Απόδοση αποκλεισμού του δικτύου HMWC
Η προσομοίωση χρησιμοποιεί ένα μοντέλο κυκλοφορίας Erlang, υποθέτοντας ότι τα αιτήματα υπηρεσίας ακολουθούν μια κατανομή Poisson και οι χρόνοι αναμονής υπηρεσίας ακολουθούν μια αρνητική εκθετική κατανομή. Το συνολικό φορτίο κυκλοφορίας ορίζεται σε 3100 Erlangs. Η διάσταση-στόχος OXC είναι 64×64 και η κλίμακα MEMS του επιπέδου εισόδου και εξόδου είναι επίσης 64×64. Οι διαμορφώσεις μονάδων Spanke-OXC του μεσαίου επιπέδου περιλαμβάνουν προδιαγραφές 32×32 ή 48×48. Ο αριθμός των θυρών T κυμαίνεται από 0 έως 16 ανάλογα με τις απαιτήσεις του σεναρίου.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι, στο σενάριο με κατευθυντική διάσταση D = 4, η πιθανότητα αποκλεισμού του HMWC-OXC είναι κοντά σε αυτή της παραδοσιακής γραμμής βάσης Spanke-OXC (S(64,4)). Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας τη διαμόρφωση v(64,2,32,0,4), η πιθανότητα αποκλεισμού αυξάνεται μόνο κατά περίπου 5% υπό μέτριο φορτίο. Όταν η κατευθυντική διάσταση αυξάνεται σε D = 8, η πιθανότητα αποκλεισμού αυξάνεται λόγω του "φαινομένου του κορμού" και της μείωσης του μήκους της ίνας σε κάθε κατεύθυνση. Ωστόσο, αυτό το πρόβλημα μπορεί να μετριαστεί αποτελεσματικά αυξάνοντας τον αριθμό των θυρών T (για παράδειγμα, η διαμόρφωση v(64,2,48,16,8)).
Αξίζει να σημειωθεί ότι, παρόλο που η προσθήκη μονάδων μεσαίου επιπέδου μπορεί να προκαλέσει εσωτερικό μπλοκάρισμα λόγω διένεξης στις θύρες T, η συνολική αρχιτεκτονική μπορεί να επιτύχει βελτιστοποιημένη απόδοση μέσω κατάλληλης διαμόρφωσης.
Μια ανάλυση κόστους υπογραμμίζει περαιτέρω τα πλεονεκτήματα του HMWC-OXC, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Σχήμα: Πιθανότητα Αποκλεισμού και Κόστος Διαφορετικών Αρχιτεκτονικών OXC
Σε σενάρια υψηλής πυκνότητας με 80 μήκη κύματος/ίνα, το HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) μπορεί να μειώσει το κόστος κατά 40% σε σύγκριση με το παραδοσιακό Spanke-OXC. Σε σενάρια χαμηλού μήκους κύματος (π.χ., 50 μήκη κύματος/ίνα), το πλεονέκτημα κόστους είναι ακόμη πιο σημαντικό λόγω του μειωμένου αριθμού απαιτούμενων θυρών T (π.χ., v(64,2,36,4,64)).
Αυτό το οικονομικό όφελος πηγάζει από τον συνδυασμό της υψηλής πυκνότητας θυρών των διακοπτών MEMS και μιας στρατηγικής επέκτασης αρθρωτών μονάδων, η οποία όχι μόνο αποφεύγει το κόστος αντικατάστασης WSS μεγάλης κλίμακας, αλλά μειώνει και το οριακό κόστος επαναχρησιμοποιώντας τις υπάρχουσες μονάδες Spanke-OXC. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης δείχνουν επίσης ότι προσαρμόζοντας τον αριθμό των μονάδων μεσαίου επιπέδου και την αναλογία των θυρών T, το HMWC-OXC μπορεί να εξισορροπήσει ευέλικτα την απόδοση και το κόστος υπό διαφορετικές διαμορφώσεις χωρητικότητας και κατεύθυνσης μήκους κύματος, παρέχοντας στους χειριστές ευκαιρίες πολυδιάστατης βελτιστοποίησης.
Η μελλοντική έρευνα μπορεί να διερευνήσει περαιτέρω τους δυναμικούς αλγόριθμους κατανομής θυρών T για τη βελτιστοποίηση της αξιοποίησης των εσωτερικών πόρων. Επιπλέον, με τις εξελίξεις στις διαδικασίες κατασκευής MEMS, η ενσωμάτωση διακοπτών υψηλότερης διάστασης θα ενισχύσει περαιτέρω την επεκτασιμότητα αυτής της αρχιτεκτονικής. Για τους φορείς εκμετάλλευσης οπτικών δικτύων, αυτή η αρχιτεκτονική είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για σενάρια με αβέβαιη αύξηση της κίνησης, παρέχοντας μια πρακτική τεχνική λύση για την κατασκευή ενός ανθεκτικού και επεκτάσιμου δικτύου κορμού εξ ολοκλήρου οπτικού δικτύου.
Ώρα δημοσίευσης: 21 Αυγούστου 2025