OXC (оптический кросс-коммутатор) — это усовершенствованная версия ROADM (реконфигурируемый оптический мультиплексор ввода-вывода).
Являясь ключевым коммутирующим элементом оптических сетей, оптические кросс-коммутаторы (ОКК) не только определяют гибкость сетевых топологий, но и напрямую влияют на затраты на строительство, эксплуатацию и техническое обслуживание крупномасштабных оптических сетей, но и обеспечивают масштабируемость и экономическую эффективность. Различные типы ОКК демонстрируют существенные различия в архитектурном проектировании и функциональной реализации.
На рисунке ниже показана традиционная архитектура CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect), использующая селективные по длине волны коммутаторы (WSS). На линейной стороне в качестве входных/выходных модулей используются WSS размером 1 × N и N × 1, а на стороне добавления/удаления — WSS размером M × K, которые управляют добавлением и удалением длин волн. Эти модули соединены между собой оптическими волокнами внутри объединительной платы OXC.
Рисунок: Традиционная архитектура CDC-OXC
Этого также можно достичь путем преобразования объединительной платы в сеть Spanke, в результате чего получается наша архитектура Spanke-OXC.
Рисунок: Архитектура Spanke-OXC
На рисунке выше показано, что на стороне линии OXC связан с двумя типами портов: направленными портами и волоконно-оптическими портами. Каждый направленный порт соответствует географическому направлению OXC в топологии сети, а каждый волоконно-оптический порт представляет собой пару двунаправленных волокон внутри направленного порта. Направленный порт содержит несколько пар двунаправленных волокон (т.е. несколько волоконно-оптических портов).
Хотя коммутатор OXC на базе Spanke обеспечивает строго неблокирующую коммутацию благодаря полностью взаимосвязанной конструкции объединительной платы, его ограничения становятся все более существенными по мере резкого увеличения сетевого трафика. Ограничение количества портов коммерческих селективных коммутаторов по длине волны (WSS) (например, в настоящее время поддерживается максимум 1×48 портов, таких как Finisar FlexGrid Twin 1×48) означает, что расширение возможностей OXC требует замены всего оборудования, что дорого и препятствует повторному использованию существующего оборудования.
Даже при использовании многомерной архитектуры OXC на основе сетей Клоса, она по-прежнему зависит от дорогостоящих M×N WSS, что затрудняет выполнение требований поэтапного обновления.
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 неблокирующую производительность, поддерживая при этом возможности «оплаты по мере роста», что обеспечивает экономически эффективный путь модернизации для операторов оптических сетей.
В основе конструкции HMWC-OXC лежит трехслойная сетевая структура Клоса.
Рисунок: Архитектура Spanke-OXC на основе сетей HMWC
На входном и выходном уровнях используются высокоразмерные оптические MEMS-переключатели, например, в масштабе 512×512, поддерживаемом современными технологиями, для формирования пула портов большой емкости. Средний слой состоит из множества более мелких модулей Spanke-OXC, соединенных между собой «Т-образными портами» для уменьшения внутренней перегрузки.
На начальном этапе операторы могут создавать инфраструктуру на основе существующих модулей Spanke-OXC (например, масштаба 4×4), просто развертывая MEMS-переключатели (например, 32×32) на входном и выходном уровнях, сохраняя при этом один модуль Spanke-OXC на среднем уровне (в этом случае количество T-портов равно нулю). По мере увеличения требований к пропускной способности сети на средний уровень постепенно добавляются новые модули Spanke-OXC, и настраиваются T-порты для их подключения.
Например, при увеличении количества модулей среднего слоя с одного до двух, количество Т-портов устанавливается равным одному, что увеличивает общую протяженность с четырех до шести.
Рисунок: Пример HMWC-OXC
Данный процесс подчиняется параметрическому ограничению M > N × (S − T), где:
M — количество портов MEMS.
N — количество модулей промежуточного слоя.
S — это количество портов в одном устройстве Spanke-OXC, и
T — это количество соединенных между собой портов.
Благодаря динамической настройке этих параметров HMWC-OXC может поддерживать постепенное расширение от начального масштаба до целевого размера (например, 64×64) без одновременной замены всех аппаратных ресурсов.
Для проверки фактической производительности этой архитектуры исследовательская группа провела имитационные эксперименты, основанные на динамических запросах оптического тракта.
Рисунок: Показатели блокировки сети HMWC.
В моделировании используется модель трафика Эрланга, предполагающая, что запросы на обслуживание подчиняются распределению Пуассона, а время ожидания обслуживания — отрицательному экспоненциальному распределению. Общая нагрузка трафика установлена на уровне 3100 Эрлангов. Целевые размеры OXC составляют 64×64, а масштаб MEMS-модулей входного и выходного слоев также составляет 64×64. Конфигурации модулей Spanke-OXC среднего слоя 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 направленным измерением D = 4 вероятность блокировки HMWC-OXC близка к вероятности блокировки традиционного базового варианта 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. Когда направленное измерение увеличивается до D = 8, вероятность блокировки возрастает из-за «эффекта ствола» и уменьшения длины волокна в каждом направлении. Однако эту проблему можно эффективно решить, увеличив количество Т-образных портов (например, конфигурация v(64,2,48,16,8)).
Следует отметить, что, хотя добавление модулей промежуточного слоя может вызывать внутреннюю блокировку из-за конкуренции за Т-порты, общая архитектура все же 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 (80 длин волн на волокно) HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) может 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 еще более значительно благодаря уменьшенному количеству необходимых T-портов (например, v(64,2,36,4,64)).
Эта экономическая выгода обусловлена сочетанием высокой плотности портов MEMS-переключателей и модульной стратегии расширения, которая не только позволяет избежать затрат на крупномасштабную замену WSS, но и снижает дополнительные издержки за счет повторного использования существующих модулей Spanke-OXC. Результаты моделирования также показывают, что, регулируя количество модулей среднего слоя и соотношение T-портов, HMWC-OXC может гибко балансировать производительность и стоимость при различных конфигурациях пропускной способности по длинам волн и направлениям, предоставляя операторам возможности многомерной оптимизации.
Дальнейшие исследования могут быть направлены на изучение алгоритмов динамического распределения T-портов для оптимизации использования внутренних ресурсов. Кроме того, благодаря достижениям в процессах производства MEMS-устройств, интеграция многомерных коммутаторов еще больше повысит масштабируемость этой архитектуры. Для операторов оптических сетей эта архитектура особенно подходит для сценариев с неопределенным ростом трафика, предоставляя практическое техническое решение для построения отказоустойчивой и масштабируемой полностью оптической магистральной сети.
Дата публикации: 21 августа 2025 г.