OXC (оптический кросс-коннектор) — это усовершенствованная версия ROADM (реконфигурируемый оптический мультиплексор ввода-вывода).
Оптические кросс-коммутаторы (OXC), являющиеся основным коммутационным элементом оптических сетей, не только определяют гибкость сетевых топологий, но и напрямую влияют на стоимость строительства, эксплуатации и обслуживания крупномасштабных оптических сетей. Различные типы OXC существенно различаются по архитектуре и функциональной реализации.
На рисунке ниже показана традиционная архитектура CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect, бесцветный, направленный, бесконкурентный оптический кросс-коммутатор), использующая коммутаторы с селективными длинами волн (WSS). Со стороны линии коммутаторы WSS 1 × N и N × 1 служат входными/выходными модулями, а коммутаторы WSS M × K на стороне ввода/вывода управляют добавлением и выведением длин волн. Эти модули соединены между собой оптическими волокнами в объединительной плате OXC.
Рисунок: Традиционная архитектура CDC-OXC
Этого также можно добиться, преобразовав объединительную плату в сеть Spanke, получив в результате нашу архитектуру Spanke-OXC.
Рисунок: Архитектура Spanke-OXC
На рисунке выше показано, что со стороны линии связи OXC связан с двумя типами портов: направленными портами и оптоволоконными портами. Каждый направленный порт соответствует географическому направлению OXC в топологии сети, а каждый оптоволоконный порт представляет собой пару двунаправленных волокон внутри направленного порта. Направленный порт содержит несколько пар двунаправленных волокон (т.е. несколько оптоволоконных портов).
Хотя OXC на базе Spanke обеспечивает строго неблокируемую коммутацию благодаря полностью взаимосвязанной объединительной плате, её ограничения становятся всё более существенными по мере роста сетевого трафика. Ограничение числа портов коммерческих коммутаторов с селективной длиной волны (WSS) (например, в настоящее время поддерживается максимум 1×48 портов, например, FlexGrid Twin от Finisar 1×48) означает, что расширение размера OXC требует замены всего оборудования, что является дорогостоящим и препятствует повторному использованию существующего оборудования.
Даже при использовании высокоразмерной архитектуры OXC на основе сетей Clos она по-прежнему использует дорогостоящие M×N WSS, что затрудняет удовлетворение требований по постепенной модернизации.
Для решения этой проблемы исследователи предложили новую гибридную архитектуру: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Благодаря интеграции микроэлектромеханических систем (MEMS) и WSS эта архитектура обеспечивает практически неблокируемую производительность, поддерживая при этом возможности «оплаты по мере роста», предоставляя операторам оптических сетей экономически выгодный путь модернизации.
Основная конструкция HMWC-OXC основана на трехслойной сетевой структуре Clos.
Рисунок: Архитектура Spanke-OXC на основе сетей HMWC
На входном и выходном уровнях используются высокоразмерные оптические МЭМС-коммутаторы, например, масштаб 512×512, поддерживаемый современными технологиями, формируя пул портов большой емкости. Средний уровень состоит из нескольких небольших модулей Spanke-OXC, соединенных между собой через Т-порты для снижения внутренней перегрузки.
На начальном этапе операторы могут построить инфраструктуру на основе существующего Spanke-OXC (например, масштаба 4×4), просто развернув MEMS-коммутаторы (например, 32×32) на входном и выходном уровнях, оставив один модуль Spanke-OXC на среднем уровне (в этом случае количество T-портов равно нулю). По мере увеличения требований к пропускной способности сети новые модули Spanke-OXC постепенно добавляются на средний уровень, а T-порты настраиваются для их соединения.
Например, при увеличении количества модулей среднего уровня с одного до двух количество Т-портов устанавливается равным одному, что увеличивает общую размерность с четырех до шести.
Рисунок: Пример HMWC-OXC
Этот процесс следует ограничению параметров M > N × (S − T), где:
M — количество портов MEMS,
N — количество модулей промежуточного слоя,
S — количество портов в одном Spanke-OXC, а
T — количество соединенных между собой портов.
Динамически настраивая эти параметры, HMWC-OXC может поддерживать постепенное расширение от начального масштаба до целевого размера (например, 64×64) без одновременной замены всех аппаратных ресурсов.
Чтобы проверить реальную производительность этой архитектуры, исследовательская группа провела имитационные эксперименты на основе запросов на динамический оптический путь.
Рисунок: Блокирование производительности сети HMWC
Моделирование использует модель трафика Эрланга, предполагающую, что запросы на обслуживание подчиняются распределению Пуассона, а время ожидания обслуживания — отрицательному экспоненциальному распределению. Общая нагрузка трафика установлена на уровне 3100 эрлангов. Целевая размерность OXC составляет 64×64, а масштаб входного и выходного слоёв MEMS также составляет 64×64. Конфигурации модулей Spanke-OXC среднего уровня включают спецификации 32×32 или 48×48. Количество T-портов варьируется от 0 до 16 в зависимости от требований сценария.
Результаты показывают, что в сценарии с направленностью D = 4 вероятность блокировки HMWC-OXC близка к вероятности блокировки традиционного базового уровня Spanke-OXC (S(64,4)). Например, при использовании конфигурации v(64,2,32,0,4) вероятность блокировки увеличивается всего примерно на 5% при умеренной нагрузке. При увеличении направленности до D = 8 вероятность блокировки увеличивается из-за «эффекта ствола» и уменьшения длины волокна в каждом направлении. Однако эту проблему можно эффективно решить, увеличив количество T-портов (например, конфигурация v(64,2,48,16,8)).
Примечательно, что хотя добавление модулей среднего уровня может вызвать внутреннюю блокировку из-за конкуренции за T-порт, общая архитектура все равно может достичь оптимизированной производительности за счет соответствующей конфигурации.
Анализ затрат дополнительно подчеркивает преимущества HMWC-OXC, как показано на рисунке ниже.
Рисунок: Вероятность блокировки и стоимость различных архитектур OXC
В сценариях с высокой плотностью, когда на волокно приходится 80 длин волн, HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) позволяет снизить затраты на 40% по сравнению с традиционным Spanke-OXC. В сценариях с низкой длиной волны (например, 50 длин волн на волокно) преимущество в стоимости ещё более существенно благодаря уменьшению количества требуемых T-портов (например, v(64,2,36,4,64)).
Этот экономический эффект обусловлен сочетанием высокой плотности портов MEMS-коммутаторов и модульной стратегии расширения, которая не только позволяет избежать затрат на масштабную замену WSS, но и снижает дополнительные затраты за счет повторного использования существующих модулей Spanke-OXC. Результаты моделирования также показывают, что, регулируя количество модулей среднего уровня и соотношение T-портов, HMWC-OXC позволяет гибко балансировать производительность и стоимость при различных конфигурациях длины волны и направления, предоставляя операторам возможности многомерной оптимизации.
Дальнейшие исследования могут способствовать дальнейшему изучению динамических алгоритмов распределения T-портов для оптимизации использования внутренних ресурсов. Более того, благодаря развитию технологий производства MEMS, интеграция коммутаторов более высокой размерности ещё больше повысит масштабируемость этой архитектуры. Для операторов оптических сетей эта архитектура особенно подходит для сценариев с неопределённым ростом трафика, предоставляя практичное техническое решение для построения отказоустойчивой и масштабируемой полностью оптической магистральной сети.
Время публикации: 21 августа 2025 г.