OXC (connexió creuada òptica) és una versió evolucionada de ROADM (Multiplexor d'addició i eliminació òptica reconfigurable).
Com a element central de commutació de les xarxes òptiques, l'escalabilitat i la rendibilitat de les connexions creuades òptiques (OXC) no només determinen la flexibilitat de les topologies de xarxa, sinó que també influeixen directament en els costos de construcció, operació i manteniment de xarxes òptiques a gran escala. Els diferents tipus d'OXC presenten diferències significatives en el disseny arquitectònic i la implementació funcional.
La figura següent il·lustra una arquitectura CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) tradicional, que utilitza commutadors selectius de longitud d'ona (WSS). Al costat de la línia, els WSS 1 × N i N × 1 serveixen com a mòduls d'entrada/sortida, mentre que els WSS M × K al costat d'addició/eliminació gestionen l'addició i l'eliminació de longituds d'ona. Aquests mòduls estan interconnectats mitjançant fibres òptiques dins del backplane OXC.
Figura: Arquitectura tradicional de CDC-OXC
Això també es pot aconseguir convertint la placa posterior en una xarxa Spanke, donant com a resultat la nostra arquitectura Spanke-OXC.
Figura: Arquitectura Spanke-OXC
La figura anterior mostra que, al costat de la línia, l'OXC està associat amb dos tipus de ports: ports direccionals i ports de fibra. Cada port direccional correspon a la direcció geogràfica de l'OXC en la topologia de xarxa, mentre que cada port de fibra representa un parell de fibres bidireccionals dins del port direccional. Un port direccional conté diversos parells de fibres bidireccionals (és a dir, diversos ports de fibra).
Tot i que l'OXC basat en Spanke aconsegueix una commutació estrictament sense bloqueig a través d'un disseny de placa posterior totalment interconnectat, les seves limitacions esdevenen cada cop més significatives a mesura que augmenta el trànsit de xarxa. El límit de nombre de ports dels commutadors selectius de longitud d'ona (WSS) comercials (per exemple, el màxim actualment compatible és d'1×48 ports, com ara el FlexGrid Twin 1×48 de Finisar) significa que l'ampliació de la dimensió OXC requereix la substitució de tot el maquinari, cosa que és costosa i impedeix la reutilització dels equips existents.
Fins i tot amb una arquitectura OXC d'alta dimensional basada en xarxes Clos, encara depèn de WSS M×N cars, cosa que dificulta el compliment dels requisits d'actualització incremental.
Per abordar aquest repte, els investigadors han proposat una nova arquitectura híbrida: HMWC-OXC (Xarxa Clos Híbrida MEMS i WSS). En integrar sistemes microelectromecànics (MEMS) i WSS, aquesta arquitectura manté un rendiment gairebé sense bloqueig alhora que admet capacitats de "pagament per creixement", proporcionant una ruta d'actualització rendible per als operadors de xarxes òptiques.
El disseny principal de HMWC-OXC rau en la seva estructura de xarxa Clos de tres capes.
Figura: Arquitectura Spanke-OXC basada en xarxes HMWC
Els commutadors òptics MEMS d'alta dimensionalitat es despleguen a les capes d'entrada i sortida, com ara l'escala 512×512 que actualment admet la tecnologia actual, per formar un conjunt de ports de gran capacitat. La capa intermèdia consta de diversos mòduls Spanke-OXC més petits, interconnectats mitjançant "ports T" per alleujar la congestió interna.
En la fase inicial, els operadors poden construir la infraestructura basada en Spanke-OXC existent (per exemple, escala 4×4), simplement desplegant commutadors MEMS (per exemple, 32×32) a les capes d'entrada i sortida, mentre mantenen un únic mòdul Spanke-OXC a la capa intermèdia (en aquest cas, el nombre de ports T és zero). A mesura que augmenten els requisits de capacitat de la xarxa, s'afegeixen gradualment nous mòduls Spanke-OXC a la capa intermèdia i es configuren ports T per connectar els mòduls.
Per exemple, quan s'amplia el nombre de mòduls de capa intermèdia d'un a dos, el nombre de ports T s'estableix a un, augmentant la dimensió total de quatre a sis.
Figura: Exemple de HMWC-OXC
Aquest procés segueix la restricció de paràmetres M > N × (S − T), on:
M és el nombre de ports MEMS,
N és el nombre de mòduls de capa intermèdia,
S és el nombre de ports en un sol Spanke-OXC, i
T és el nombre de ports interconnectats.
Ajustant dinàmicament aquests paràmetres, HMWC-OXC pot admetre l'expansió gradual des d'una escala inicial fins a una dimensió objectiu (per exemple, 64 × 64) sense substituir tots els recursos de maquinari alhora.
Per verificar el rendiment real d'aquesta arquitectura, l'equip de recerca va dur a terme experiments de simulació basats en sol·licituds de trajectòria òptica dinàmica.
Figura: Rendiment de bloqueig de la xarxa HMWC
La simulació utilitza un model de trànsit d'Erlang, assumint que les sol·licituds de servei segueixen una distribució de Poisson i els temps de retenció del servei segueixen una distribució exponencial negativa. La càrrega de trànsit total s'estableix en 3100 Erlangs. La dimensió OXC objectiu és de 64×64, i l'escala MEMS de les capes d'entrada i sortida també és de 64×64. Les configuracions del mòdul Spanke-OXC de la capa mitjana inclouen especificacions de 32×32 o 48×48. El nombre de ports T oscil·la entre 0 i 16 segons els requisits de l'escenari.
Els resultats mostren que, en l'escenari amb una dimensió direccional de D = 4, la probabilitat de bloqueig de HMWC-OXC és propera a la de la línia base tradicional de Spanke-OXC (S(64,4)). Per exemple, utilitzant la configuració v(64,2,32,0,4), la probabilitat de bloqueig augmenta només aproximadament un 5% sota càrrega moderada. Quan la dimensió direccional augmenta a D = 8, la probabilitat de bloqueig augmenta a causa de l'"efecte tronc" i la disminució de la longitud de la fibra en cada direcció. Tanmateix, aquest problema es pot pal·liar eficaçment augmentant el nombre de ports T (per exemple, la configuració v(64,2,48,16,8)).
Cal destacar que, tot i que l'addició de mòduls de capa intermèdia pot causar bloqueig intern a causa de la contenció del port T, l'arquitectura general encara pot aconseguir un rendiment optimitzat mitjançant una configuració adequada.
Una anàlisi de costos destaca encara més els avantatges de HMWC-OXC, tal com es mostra a la figura següent.
Figura: Probabilitat de bloqueig i cost de diferents arquitectures OXC
En escenaris d'alta densitat amb 80 longituds d'ona/fibra, l'HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) pot reduir els costos en un 40% en comparació amb el Spanke-OXC tradicional. En escenaris de baixa longitud d'ona (per exemple, 50 longituds d'ona/fibra), l'avantatge de cost és encara més significatiu a causa del nombre reduït de ports T necessaris (per exemple, v(64,2,36,4,64)).
Aquest benefici econòmic prové de la combinació de l'alta densitat de ports dels commutadors MEMS i una estratègia d'expansió modular, que no només evita la despesa de la substitució de WSS a gran escala, sinó que també redueix els costos incrementals reutilitzant els mòduls Spanke-OXC existents. Els resultats de la simulació també mostren que, ajustant el nombre de mòduls de capa mitjana i la relació de ports T, HMWC-OXC pot equilibrar de manera flexible el rendiment i el cost sota diferents configuracions de capacitat i direcció de longitud d'ona, proporcionant als operadors oportunitats d'optimització multidimensionals.
La investigació futura pot explorar més a fons els algoritmes dinàmics d'assignació de ports T per optimitzar la utilització de recursos interns. A més, amb els avenços en els processos de fabricació de MEMS, la integració de commutadors de dimensionalitat superior millorarà encara més l'escalabilitat d'aquesta arquitectura. Per als operadors de xarxes òptiques, aquesta arquitectura és particularment adequada per a escenaris amb un creixement del trànsit incert, proporcionant una solució tècnica pràctica per construir una xarxa troncal totalment òptica resilient i escalable.
Data de publicació: 21 d'agost de 2025