OXC (optinen ristikytkentä) on ROADM:n (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer) kehittynyt versio.
Optisten verkkojen ydinkytkentäelementtinä optisten ristikytkentälaitteiden (OXC) skaalautuvuus ja kustannustehokkuus eivät ainoastaan määritä verkkotopologioiden joustavuutta, vaan ne vaikuttavat myös suoraan laajojen optisten verkkojen rakennus-, käyttö- ja ylläpitokustannuksiin. Erityyppisten OXC-laitteiden arkkitehtuuri ja toiminnalliset toteutukset vaihtelevat merkittävästi.
Alla oleva kuva havainnollistaa perinteistä CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) -arkkitehtuuria, joka hyödyntää aallonpituuden valintakytkimiä (WSS). Linjapuolella 1 × N ja N × 1 WSS toimivat sisään-/ulostulomoduuleina, kun taas lisäys-/pudotuspuolella M × K WSS:ää hallitsevat aallonpituuksien lisäämistä ja pudottamista. Nämä moduulit on yhdistetty toisiinsa optisten kuitujen avulla OXC-taustalevyssä.
Kuva: Perinteinen CDC-OXC-arkkitehtuuri
Tämä voidaan saavuttaa myös muuttamalla taustalevy Spanke-verkoksi, jolloin saadaan Spanke-OXC-arkkitehtuuri.
Kuva: Spanke-OXC-arkkitehtuuri
Yllä oleva kuva osoittaa, että linjan puolella OXC:hen liittyy kahdenlaisia portteja: suuntaportteja ja kuituportteja. Kukin suuntaportti vastaa OXC:n maantieteellistä suuntaa verkkotopologiassa, kun taas kukin kuituportti edustaa kaksisuuntaista kuituparia suuntaportin sisällä. Suuntaportti sisältää useita kaksisuuntaisia kuitupareja (eli useita kuituportteja).
Vaikka Spanke-pohjainen OXC saavuttaa täysin estottoman kytkennän täysin kytketyn taustalevyn rakenteensa ansiosta, sen rajoitukset tulevat yhä merkittävämmiksi verkkoliikenteen kasvaessa. Kaupallisten aallonpituuden selektiivisten kytkimien (WSS) porttimäärän raja (esimerkiksi nykyinen tuettu enimmäismäärä on 1×48 porttia, kuten Finisarin FlexGrid Twin 1×48) tarkoittaa, että OXC-mittojen laajentaminen edellyttää kaikkien laitteistojen vaihtamista, mikä on kallista ja estää olemassa olevien laitteiden uudelleenkäytön.
Vaikka käytössä olisi Clos-verkkoihin perustuva korkeaulotteinen OXC-arkkitehtuuri, se on edelleen riippuvainen kalliista M×N WSS:stä, mikä vaikeuttaa inkrementaalisten päivitysvaatimusten täyttämistä.
Tämän haasteen ratkaisemiseksi tutkijat ovat ehdottaneet uudenlaista hybridiarkkitehtuuria: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Integroimalla mikroelektromekaaniset järjestelmät (MEMS) ja WSS:n tämä arkkitehtuuri ylläpitää lähes estotonta suorituskykyä ja tukee samalla "maksa kasvun mukaan" -ominaisuuksia, mikä tarjoaa kustannustehokkaan päivityspolun optisten verkkojen operaattoreille.
HMWC-OXC:n ydinrakenne on sen kolmikerroksinen Clos-verkkorakenne.
Kuva: HMWC-verkkoihin perustuva Spanke-OXC-arkkitehtuuri
Tulo- ja lähtökerroksissa on suuriulotteisia MEMS-optisia kytkimiä, kuten nykyisen teknologian tukema 512×512-mittakaava, jotka muodostavat suuren kapasiteetin porttipoolin. Keskimmäinen kerros koostuu useista pienemmistä Spanke-OXC-moduuleista, jotka on yhdistetty toisiinsa "T-porttien" kautta sisäisen ruuhkan vähentämiseksi.
Alkuvaiheessa operaattorit voivat rakentaa infrastruktuurin olemassa olevan Spanke-OXC:n (esim. 4×4-mittakaavan) pohjalta yksinkertaisesti ottamalla käyttöön MEMS-kytkimiä (esim. 32×32) tulo- ja lähtökerroksissa ja säilyttäen samalla yhden Spanke-OXC-moduulin keskikerroksessa (tässä tapauksessa T-porttien määrä on nolla). Verkkokapasiteettivaatimusten kasvaessa uusia Spanke-OXC-moduuleja lisätään vähitellen keskikerrokseen ja T-portit konfiguroidaan moduulien yhdistämiseksi.
Esimerkiksi kun keskikerroksen moduulien määrää kasvatetaan yhdestä kahteen, T-porttien määräksi asetetaan yksi, jolloin kokonaismitta kasvaa neljästä kuuteen.
Kuva: HMWC-OXC-esimerkki
Tämä prosessi noudattaa parametrirajoitetta M > N × (S − T), jossa:
M on MEMS-porttien lukumäärä,
N on välikerroksen moduulien lukumäärä,
S on yhden Spanke-OXC:n porttien lukumäärä ja
T on toisiinsa kytkettyjen porttien lukumäärä.
Säätämällä näitä parametreja dynaamisesti HMWC-OXC voi tukea asteittaista laajennusta alkuperäisestä mittakaavasta kohdemittakaavaan (esim. 64×64) korvaamatta kaikkia laitteistoresursseja kerralla.
Tämän arkkitehtuurin todellisen suorituskyvyn varmistamiseksi tutkimusryhmä suoritti simulaatiokokeita dynaamisten optisten reittipyyntöjen perusteella.
Kuva: HMWC-verkon estotehokkuus
Simulaatiossa käytetään Erlang-liikennemallia olettaen, että palvelupyynnöt noudattavat Poisson-jakaumaa ja palvelun pitoajat negatiivista eksponentiaalista jakaumaa. Kokonaisliikennekuormaksi on asetettu 3100 Erlangia. OXC:n tavoitemitta on 64×64, ja tulo- ja lähtökerroksen MEMS-skaala on myös 64×64. Keskikerroksen Spanke-OXC-moduulikokoonpanot sisältävät 32×32- tai 48×48-spesifikaatiot. T-porttien lukumäärä vaihtelee 0:sta 16:een skenaarion vaatimuksista riippuen.
Tulokset osoittavat, että skenaariossa, jossa suuntadimensio on D = 4, HMWC-OXC:n estotodennäköisyys on lähellä perinteisen Spanke-OXC-perustilanteen todennäköisyyttä (S(64,4)). Esimerkiksi käytettäessä v(64,2,32,0,4)-konfiguraatiota estotodennäköisyys kasvaa vain noin 5 % kohtalaisella kuormituksella. Kun suuntadimensio kasvaa arvoon D = 8, estotodennäköisyys kasvaa "runkovaikutuksen" ja kuidun pituuden lyhenemisen vuoksi kumpaankin suuntaan. Tätä ongelmaa voidaan kuitenkin tehokkaasti lievittää lisäämällä T-porttien määrää (esimerkiksi v(64,2,48,16,8)-konfiguraatio).
Merkillepantavaa on, että vaikka välikerroksen moduulien lisääminen voi aiheuttaa sisäistä tukkeutumista T-porttien kilpailun vuoksi, kokonaisarkkitehtuuri voi silti saavuttaa optimoidun suorituskyvyn asianmukaisella kokoonpanolla.
Kustannusanalyysi korostaa edelleen HMWC-OXC:n etuja, kuten alla olevasta kuvasta käy ilmi.
Kuva: Eri OXC-arkkitehtuurien estotodennäköisyys ja kustannukset
Suuritiheyksisissä tilanteissa, joissa on 80 aallonpituutta/kuitu, HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) voi vähentää kustannuksia 40 % perinteiseen Spanke-OXC:hen verrattuna. Matalien aallonpituuksien tilanteissa (esim. 50 aallonpituutta/kuitu) kustannusetu on vielä merkittävämpi tarvittavien T-porttien pienemmän määrän ansiosta (esim. v(64,2,36,4,64)).
Tämä taloudellinen hyöty johtuu MEMS-kytkimien suuren porttitiheyden ja modulaarisen laajennusstrategian yhdistelmästä, joka paitsi välttää laajamittaisen WSS-vaihdon kustannukset, myös vähentää lisäkustannuksia käyttämällä uudelleen olemassa olevia Spanke-OXC-moduuleja. Simulaatiotulokset osoittavat myös, että säätämällä välikerrosmoduulien määrää ja T-porttien suhdetta HMWC-OXC voi joustavasti tasapainottaa suorituskykyä ja kustannuksia eri aallonpituuskapasiteetin ja suunnan konfiguraatioissa, mikä tarjoaa operaattoreille moniulotteisia optimointimahdollisuuksia.
Tulevaisuudessa voidaan tutkia tarkemmin dynaamisia T-porttien allokointialgoritmeja sisäisten resurssien käytön optimoimiseksi. Lisäksi MEMS-valmistusprosessien kehittyessä korkeamman ulottuvuuden kytkimien integrointi parantaa entisestään tämän arkkitehtuurin skaalautuvuutta. Optisten verkkojen operaattoreille tämä arkkitehtuuri sopii erityisesti epävarman liikenteen kasvun skenaarioihin, ja se tarjoaa käytännöllisen teknisen ratkaisun joustavan ja skaalautuvan täysin optisen runkoverkon rakentamiseen.
Julkaisun aika: 21. elokuuta 2025